ポリイミド (PI) 加工
感光性および非感光性ポリイミドのスピンコート、キュア、パターニング、エッチング。ウェーハレベルパッケージ向け誘電体層。
サービス概要
ポリイミド（PI）は、MEMSおよび先進半導体パッケージングにおける主要なポリマー誘電体です。高い熱安定性（Tg > 350°C）、優れた耐薬品性、低い誘電率（εr ≈ 3.2–3.5）、機械的柔軟性（最大60%の伸び）の組み合わせにより、ウェーハレベルパッケージングにおける応力緩衝コーティング、層間誘電体、パッシベーション層、RDL誘電体に最適な材料となっています。
GINECHIPは、感光性ポリイミド（HD-4100、HD-8820シリーズ — ネガ型およびポジ型、水系現像可能）および非感光性配合をカバーする完全なPI加工サービスを提供します。表面処理と接着促進、制御された厚さへのスピンコーティング、プログラムされた熱プロファイルによるソフトおよびハードベーク硬化、フォトリソグラフィパターニング（感光性PIの場合）またはドライエッチングによるビア定義（非感光性PIの場合）、プラズマデスカム、最終検査まで。このエンドツーエンドサービスにより、最適な膜質、再現性のあるパターン忠実度、お客様のデバイスフローへの信頼性の高い材料統合を保証します。
ポリイミド材料・加工オプション
感光性ポリイミド — HD-4100シリーズ
ネガ型、水系現像可能な感光性ポリイミドで、厚膜MEMSパッシベーション層向け。HD-4100は優れた解像度（アスペクト比 > 1:1）、高い熱安定性（Tg > 350°C）、低温硬化オプション（200°C）、一般的な湿式エッチャントおよび溶媒に対する卓越した耐薬品性を提供します。ウェーハレベルパッケージングの応力緩衝コーティングおよび多層MEMS構造の層間誘電体として広く採用されています。
感光性ポリイミド — HD-8820シリーズ
高解像度パターニングと優れた機械的特性のために設計されたポジ型感光性ポリイミド。HD-8820はネガ型代替品と比較して、より微細な解像度（2～3μm L/S）、低い吸湿率（< 0.5%）、シリコン、SiO₂、Si₃N₄および一般的なメタライゼーションへの優れた接着性を提供します。RDL誘電体層およびファインピッチビア開口部に最適です。
非感光性ポリイミド
熱可塑性および熱硬化性の非感光性PI配合で、リソグラフィパターニングが不要な用途、またはドライエッチで達成される用途向け。これらの材料は最も広いプロセスウィンドウと最高の熱安定性（500°Cまで安定）を提供します。ブランケットパッシベーション、平坦化層、ハードマスクを使用したO₂/CF₄プラズマによるドライエッチビア定義を必要とする用途に使用されます。
接着促進・表面処理
適切な接着促進はPI-on-基板の信頼性に不可欠です。AP3000またはVM-652有機シラン接着促進剤を気相プライムまたはスピンコートディスペンスで適用します。基板脱水ベーク（150°C、5分）が促進剤適用の前に行われます。金属（Cu、Al）上やプラズマデスカム後の厳しい用途では、O₂プラズマ活性化ステップが表面エネルギーと結合密度を高めます。
プロセスフロー
表面処理
基板脱水ベーク（150°C、5分、N₂パージ）。O₂プラズマデスカムで有機残渣除去。気相またはスピンオン有機シラン接着促進剤（AP3000/VM-652）。直ちにコーティングへ。
PIスピンコート
動的ディスペンス。多段スピン：スプレッド（500～1000 rpm）→ 厚さ制御（1500～4000 rpm）→ EBR溶剤ディスペンス。目標1～50μm/層。
ソフトベーク（プリベーク）
制御ホットプレート/オーブンベーク。イミド化させずに溶媒蒸発。90～120°C、2～5分（感光性PI）または120～150°C、30分（非感光性PI）。ランプレートで気泡防止。
フォトリソグラフィパターニング
UV露光（i-line、365nm）200～500 mJ/cm²。PEB 50～80°C。TMAH水系現像（0.26N）、60～120秒。非感光性PI：ハードマスク+ドライエッチ。
プラズマデスカム・検査
O₂プラズマデスカム（100～200W、50～100 mTorr、1～2分）。光学顕微鏡でパターン忠実度・欠陥検査。重要寸法CD測定。
ハードベーク（最終硬化）
N₂オーブンでプログラム硬化。25→200°C（2～3°C/min）、30分保持→350～375°C（2～3°C/min）、60分保持→冷却。計4～6時間。収縮30～50%。FTIRでイミド化率>98%。
品質仕様
| パラメータ | 目標仕様 | 測定方法 |
|---|---|---|
| 膜厚均一性 | ±3% ウェーハ内（1σ） | 分光反射率計 / エリプソメトリ |
| ビア解像度（感光性） | 3–10μm（厚さに依存） | SEM断面 / 光学顕微鏡 |
| 側壁角度 | 45–70°（ポジ型）、60–85°（ネガ型） | SEM断面 |
| 表面粗さ（Ra） | < 2nm 硬化後 | AFM（5μm × 5μm スキャン） |
| イミド化度 | > 98% | FTIR（C=O / C-N 伸縮比） |
| 接着性 | 5B（剥離なし） | クロスハッチテープ試験（ASTM D3359） |
| 絶縁破壊電圧 | > 250 V/μm | DCランプ電圧、Auドット電極 |
| 残留応力 | < 35 MPa（引張）硬化後 | ウェーハ曲率（Stoney式） |
仕様は100mm～200mmシリコンウェーハ上の標準PI処理に適用されます。値はPI配合、膜厚、基板タイプにより異なる場合があります。カスタム目標仕様はリクエストに応じて提供可能です。
硬化プロファイルとイミド化制御
熱硬化はPI加工において最も重要なステップであり、H₂Oを放出する環化脱水反応を通じてポリアミド酸（PAA）前駆体を完全にイミド化されたポリイミドに変換します。当社の硬化炉は制御されたランプレート（通常2～3°C/min）でプログラムされており、気泡形成の防止、イミド化開始前の完全な溶媒除去の確保、PI膜とシリコン基板間のCTEミスマッチによる残留応力の最小化を実現します。
FTIR分光法によりイミド化度をモニタリングし（1778 cm⁻¹のC=Oイミドカルボニルピークと1378 cm⁻¹のC-N伸縮の比を追跡）、98%超の変換率を目標とします。不十分なイミド化は耐薬品性の低下と機械的特性の悪化を招き、過度の硬化は膜の脆化を引き起こす可能性があります。低温硬化が必要な用途（例：ポストCMOS集積）には、HD-4100向けの低温硬化レシピ（200°C～250°C）を提供し、耐薬品性において許容可能なトレードオフを実現します。
ビア開口・コンタクトパターニング
感光性ポリイミドでは、3μmから50μm超のビア開口がUV露光と水系現像によって直接達成され、別途のフォトレジストマスクとドライエッチステップが不要となります。これにより、非感光性PIパターニングと比較して2～3ステップのプロセス複雑性を削減します。非感光性PIの場合、ビアはハードマスク（SiO₂または金属）の堆積、フォトリソグラフィ、O₂/CF₄反応性イオンエッチングによって定義され、ビアプロファイルエンジニアリング（垂直対テーパー側壁）において最大の柔軟性を提供します。
ビア定義後、O₂プラズマデスカムステップ（100～200W、50～100 mTorr）によりビア底部の残留PI残渣を除去し、低接触抵抗の電気的接続を確保します。デスカム均一性は各ウェーハ上のテスト構造のSEM検査によって検証されます。
主な用途
MEMSパッシベーション
PIはMEMS慣性センサー、圧力センサー、マイクロフォン、マイクロ流体デバイスの標準パッシベーション材料です。等角的で耐薬品性のあるバリアを提供し、シリコン微細構造を環境攻撃（湿気、イオン汚染）から保護しながら、低い誘電率により寄生容量を最小限に抑えます。典型的な厚さ：2–10μm。
応力緩衝層
フリップチップおよびウェーハレベルパッケージングでは、PI応力緩衝層（厚さ10～20μm）がシリコンダイ（~2.6 ppm/°C）と有機パッケージ基板（~14～18 ppm/°C）間のCTEミスマッチ応力を分離し、熱サイクル中のハンダ接合信頼性を大幅に向上させます。PIの低ヤング率（3～4 GPa）と高伸び率（> 40%）が効果的な応力吸収を提供します。
RDL誘電体
ファンアウトWLPのRDLプロセスでは、PIが層間誘電体と最終パッシベーションの両方の役割を果たします。複数のPI層（各3～5μm）がCu RDL金属層間のビアでパターニングされ、ダイパッドからBGAボールへのファインピッチ配線を実現します。低吸湿率（< 0.5%）により、JEDEC耐湿性試験でのパッケージ信頼性が確保されます。
ウェーハレベルパッケージング
PIはウェーハレベルチップスケールパッケージ（WLCSP）において誘電体および構造材料として広く使用されています。シリコンとはんだバンプ間の絶縁を提供し（UBMパッド開口層）、バンプ位置を定義するソルダーマスクとして機能し、ボードレベル組立時及び信頼性試験時の熱機械的応力を吸収するコンプライアント層として機能します。
スピンコートプロセス制御
PI膜厚均一性は、スピン速度、吐出量、溶液粘度、および環境条件（温度、湿度、コーターボウル内の溶媒蒸気圧）によって決まります。当社のスピンコーターは、一貫した乾燥動力学のために密閉ボウル溶媒雰囲気制御を維持し、スピン中に形成される厚いエッジリムを除去するために溶媒吐出による自動エッジビード除去（EBR）を採用しています。これはウェーハ全面での均一なリソグラフィ露光量を維持するために重要です。
厚いPI膜（> 20μm）の場合、溶媒揮発応力を管理しながら総厚を積み上げるために、複数回のコート・ベークサイクルを採用することができます。各サブレイヤーは次のコート前に部分的なソフトベークを受け、その後スタック全体の完全なイミド化のために単一の最終ハードベークが行われます。当社は層間剥離なしで総厚50μmまでの多層PIスタックを認定しています。
基板適合性と接着性
下地基板へのPI接着は、PI加工において最も一般的な故障モードです。当社の表面処理プロトコルは、(1)親水性表面（SiO₂、Si₃N₄）から吸着水分を除去する脱水ベーク、(2)最大表面被覆のために気相プライムで単分子層として適用される有機シラン接着促進剤（AP3000、VM-652）、(3)銅、アルミニウム、および以前に硬化したPI（多層スタック）などの接着困難な表面に対するO₂プラズマ活性化、によってこれに対処します。
接着性はロットごとにウィットネスサンプルでのクロスハッチテープ試験（ASTM D3359）により検証され、最低要件は分類5B（0%剥離、エッジ完全平滑）です。信頼性が重要な用途には、追加試験 — プレッシャークッカー試験（PCT、121°C/100%RH/2 atm）および熱衝撃（−65°C～+150°C、100サイクル） — が利用可能です。