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聚酰亞胺(PI)以其獨特的熱穩定性及電學穩定性,作為一種絕緣層、鈍化層已被廣泛應用于微電子制造領域,特別是用于先進封裝方面。隨著微電子器件的引線線寬及間距日益縮小,引線插入層(FTI)的厚度越來越薄,對引線絕緣性的要求更高。引線插入層通常由SiO2或聚合物(主要以PI為主)構成,但是相比于SiO2,PI作為引線插入層的成本更低,因此,PI在微電子制造中的應用十分廣泛。

在微電子器件制造過程中,對于PI層的處理效果決定產品的優良率,如何有效處理PI層具有十分重要的意義。目前PI層的處理主要采用等離子體刻蝕的方法,等離子體刻蝕具有很好的選擇性及控制性,不會對芯片的其他材料或結構造成損傷。

等離子體刻蝕PI的基本原理

等離子體主要包括離子、電子、自由基等成分,粒子在電場作用下具有較高的能量,但是整體保持電中性。等離子體的特征決定了與物質發生的反應主要有高能粒子物理轟擊作用和活性粒子的化學反應兩種方式。PI作為一種聚合物,主要由碳氫組成。采用不同的氣體的等離子體處理PI就會有不同的處理效果。Ar、N2等離子體主要通過物理轟擊對PI層進行處理,而O2、CF4等離子體主要通過化學反應對PI層進行處理和去除。根據對PI層不同的處理目的,選擇合適的氣體就能到達需要的處理效果。

PI層的等離子刻蝕速率

在整個電子器件封裝過程中,去除PI的工序較多,所以更快的刻蝕速率能夠提高電子器件的產能。如何在不提高功率的基礎上,提高等離子體對PI層的刻蝕速率是一個具有實際意義的問題。早期的研究表明,純O2等離子體刻蝕聚合物的刻蝕速率有限,特別是在低溫條件下(溫度低于30℃)刻蝕速率較難達到1μm/min。提高溫度雖然能夠提高刻蝕速率,但是會對微電子器件的性能造成損傷。因此,在微電子器件封裝中,提高PI刻蝕速率通常方法是在O2等離子體加入適量的CF4。O2中CF4的含量對刻蝕速率影響如圖1所示(O2流量保持在1000sccm不變,微波功率2000W、壓力0.4Torr、溫度25℃)。由圖1可以看出,純O2刻蝕速率要大于純CF4的刻蝕速率;隨著O2中CF4的含量增加,PI的刻蝕速率逐漸增大,并在CF4含量達到20%時,刻蝕速率達到最大(1.492μm/min),隨后刻蝕速率逐漸降低。

圖1 O2中CF4含量與PI等離子刻蝕速率的關系

由以上分析可知,在O2中添加適當含量的CF4可以有效提高PI的刻蝕速率。添加CF4后,F原子與PI反應,提取PI表面的H,在表面形成高活性的反應活性位點,這些活性位點容易與O自由基結合,進而提高PI的刻蝕速率。但是,由于PI表面能夠產生的活性位點數是一定的,當CF4超過一定數量后,多余的F原子就會占據活性位點,阻礙O自由基與PI的反應,進而造成刻蝕速率降低。