폴리이미드(PI) 가공
감광성 및 비감광성 폴리이미드의 스핀 코팅, 경화, 패터닝 및 에칭. 웨이퍼 레벨 패키징을 위한 유전체 층.
서비스 개요
폴리이미드(PI)는 MEMS 및 고급 반도체 패키징 분야에서 주요 폴리머 유전체로 사용됩니다. 높은 열안정성(Tg > 350°C), 우수한 내화학성, 낮은 유전상수(εr ≈ 3.2–3.5), 그리고 기계적 유연성(최대 60% 신장률)을 갖춘 폴리이미드는 웨이퍼 레벨 패키징에서 응력 완충 코팅, 층간 유전체, 패시베이션층 및 RDL 유전체를 위한 최적의 소재로 선택되고 있습니다.
GINECHIP은 감광성 폴리이미드(HD-4100, HD-8820 시리즈 — 네거티브 및 포지티브 톤, 수계 현상 가능)와 비감광성 제형을 모두 포함하는 완전한 PI 가공 서비스를 제공합니다. 표면 처리 및 접착력 향상, 제어된 두께로의 스핀 코팅, 프로그래밍된 열 프로파일을 이용한 소프트 및 하드 베이크 경화, 포토리소그래피 패터닝(포토 PI의 경우) 또는 드라이 에칭 비아 형성(비감광성 PI의 경우), 플라즈마 디스컴, 최종 검사에 이르는 모든 관련 공정 단계를 포함합니다. 이 엔드투엔드 서비스는 최적의 필름 품질, 재현 가능한 패턴 충실도, 그리고 고객의 소자 공정 흐름에 대한 신뢰할 수 있는 재료 통합을 보장합니다.
폴리이미드 재료 및 가공 옵션
감광성 폴리이미드 — HD-4100 시리즈
네거티브 톤, 수계 현상형 감광성 폴리이미드로, 후막 MEMS 패시베이션층용 소재입니다. HD-4100은 우수한 해상도(종횡비 > 1:1), 높은 열적 안정성(Tg > 350°C), 낮은 경화 온도 옵션(200°C)을 제공하며, 일반적인 습식 식각액 및 용매에 대한 뛰어난 내약품성을 갖추고 있습니다. 웨이퍼 레벨 패키징의 응력 완화 코팅 및 다층 MEMS 구조의 층간 절연막으로 널리 채택되고 있습니다.
감광성 폴리이미드 — HD-8820 시리즈
HD-8820은 고해상도 패터닝과 우수한 기계적 특성을 위해 설계된 포지티브형 감광성 폴리이미드입니다. 네거티브형 대비 더 미세한 해상도(2~3μm 라인/스페이스), 낮은 흡습률(<0.5%), 그리고 실리콘, SiO₂, Si₃N₄ 및 일반적인 금속 배선에 대한 우수한 접착력을 제공합니다. RDL 유전체 층 및 미세 피치 비아 개구부에 이상적입니다.
비감광성 폴리이미드
열가소성 및 열경화성 비감광성 PI 제형으로, 리소그래피 패터닝이 필요하지 않거나 건식 식각을 통해 구현되는 응용 분야용입니다. 가장 넓은 공정 범위와 최고의 열적 안정성(500°C까지 안정)을 제공합니다. 전면 패시베이션, 평탄화 층, 그리고 하드 마스크를 사용한 O₂/CF₄ 플라즈마로 후속 건식 식각 비아 정의가 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
접착 촉진 및 표면 처리
PI-기판 간 신뢰성 확보를 위해 적절한 접착 촉진 처리가 필수적입니다. AP3000 또는 VM-652 유기실란 접착 촉진제를 증기 프라이밍 또는 스핀 코팅 방식으로 적용합니다. 접착 촉진제 적용 전에 기판 탈수 베이크(150°C, 5분) 공정을 선행합니다. 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 금속 표면이나 플라즈마 디스컴 이후의 까다로운 적용 조건에서는 O₂ 플라즈마 활성화 공정을 통해 표면 에너지와 결합 밀도를 향상시킵니다.
프로세스 흐름
표면 처리
기판 탈수 베이킹(150°C, 5분, N2 퍼지) 유기 잔류물을 제거하기 위한 O2 플라즈마 데스컴. 증기상 또는 스핀온 유기실란 접착 촉진제(AP3000 또는 VM-652). 즉시 코팅으로 전환됩니다.
스핀 코팅
웨이퍼 중앙에 동적 분배. 다단계 회전: 확산(500~1000rpm) → 두께 제어(1500~4000rpm) → EBR 용매 분배. 코팅당 1~50μm를 목표로 합니다.
소프트 베이크(사전 베이킹)
이미드화 없이 용매를 증발시키기 위해 제어된 핫플레이트/오븐 베이킹. 90~120°C, 2~5분(사진 PI) 또는 120~150°C, 30분(비사진 PI). 램프 속도는 거품을 방지합니다.
포토리소그래피 패터닝
200~500mJ/cm²에서 UV 노출(i-라인, 365nm). 50~80°C에서 PEB. 수성 TMAH 개발(0.26N), 60~120초. 비사진 PI: 하드마스크 + 건식식각.
플라즈마 디스컴 및 검사
O₂ 플라즈마 디스컴(100~200W, 50~100mTorr, 1~2분). 패턴 충실도 및 결함 감지를 위한 광학 현미경. 중요한 기능에 대한 CD 측정.
하드 베이크(최종 경화)
N2 오븐에서 프로그래밍된 경화. 25→200°C, 2~3°C/분으로 30분 유지 → 350~375°C, 2~3°C/분, 60분 유지 → 식힙니다. 총 4~6시간. 수축 30~50%. FTIR에 의한 이미드화 >98%.
품질 사양
| 매개변수 | 목표 사양 | 측정 방법 |
|---|---|---|
| 필름 두께 균일성 | ±3% 웨이퍼 내(1σ) | 분광 반사 측정 / 엘립소메트리 |
| 비아 해상도(감광성) | 두께에 따라 3~10μm | SEM 단면 / 광학 현미경 |
| 측벽 각도 | 45~70°(포지티브), 60~85°(네거티브) | SEM 단면 |
| 표면 거칠기(Ra) | 경화 후 < 2nm | AFM(5μm × 5μm 스캔) |
| 이미드화 정도 | > 98% | FTIR (C=O / C-N 스트레치 비율) |
| 접착력 | 5B(박리 없음) | 크로스해치 테이프 시험(ASTM D3359) |
| 절연 파괴 전압 | > 250 V/μm | DC 램프 전압, Au 도트 전극 |
| 잔류 응력 | < 35 MPa(인장) 경화 후 | 웨이퍼 곡률(Stoney 방정식) |
사양은 100mm~200mm 실리콘 웨이퍼의 표준 PI 공정에 적용됩니다. 값은 PI 배합, 필름 두께 및 기판 유형에 따라 달라질 수 있습니다. 맞춤형 목표 사양은 요청 시 제공 가능합니다.
경화 프로파일 및 이미드화 제어
열경화 공정은 PI 공정에서 가장 중요한 단계로, 폴리아믹산(PAA) 전구체가 탈수고리화 반응을 통해 H₂O를 방출하면서 완전히 이미드화된 폴리이미드로 전환되는 것입니다. 당사의 경화 오븐은 제어된 승온 속도(일반적으로 2~3°C/분)로 프로그래밍되어 기포 형성을 방지하고, 이미드화 개시 전 완전한 용매 제거를 보장하며, PI 필름과 실리콘 기판 간 CTE 불일치로 인한 잔류 응력을 최소화합니다.
FTIR 분광법을 통해 이미드화 정도를 모니터링합니다(C=O 이미드 카르보닐 피크(1778 cm⁻¹)와 C-N 신축(1378 cm⁻¹)의 비율을 추적하여 98% 이상의 전환율을 목표로 합니다). 불충분한 이미드화는 내화학성 저하와 기계적 물성 저하를 초래하며, 과도한 경화는 필름 취성을 유발할 수 있습니다. 저온 경화가 필요한 응용 분야(예: 포스트-CMOS 집적)의 경우, HD-4100에 대해 저온 경화 레시피(200°C~250°C)를 제공하며, 내화학성 측면에서 허용 가능한 절충을 이룹니다.
비아 개구부 및 접촉 패터닝
감광성 폴리이미드의 경우, UV 노광과 수성 현상만으로 3μm부터 50μm 이상의 비아 개구부를 직접 형성할 수 있어 별도의 포토레지스트 마스크와 건식 식각 단계가 필요하지 않습니다. 이는 비감광성 PI 패터닝에 비해 공정 복잡성을 2~3단계 감소시킵니다. 비감광성 PI의 경우, 하드 마스크(SiO₂ 또는 금속), 포토리소그래피, O₂/CF₄ 반응성 이온 식각을 통해 비아를 정의하여 비아 프로파일 엔지니어링(수직 vs. 테이퍼 측벽)에서 최대의 유연성을 제공합니다.
비아 정의 후, O₂ 플라즈마 디스컴 공정(100~200W, 50~100 mTorr)을 수행하여 비아 바닥의 잔류 PI 잔사를 제거함으로써 낮은 접촉 저항의 전기적 연결을 보장합니다. 디스컴 균일성은 각 웨이퍼의 테스트 구조물에 대한 SEM 검사를 통해 검증됩니다.
주요 응용 분야
MEMS 패시베이션
PI는 MEMS 관성 센서, 압력 센서, 마이크로폰 및 미세유체 장치의 표준 패시베이션 소재입니다. 균일하고 화학적으로 내성이 있는 장벽을 제공하여 실리콘 미세 구조물을 환경 공격(수분, 이온 오염)으로부터 보호하는 동시에, 낮은 유전 상수로 인한 기생 정전용량을 최소화합니다. 일반적인 두께: 2~10μm.
응력 완충층
플립칩 및 웨이퍼 레벨 패키징에서 PI 스트레스 버퍼 층(10~20μm 두께)은 실리콘 다이(~2.6 ppm/°C)와 유기 패키지 기판(~14~18 ppm/°C) 사이의 CTE 미스매치 응력을 분리하여, 열 사이클 동안 솔더 조인트 신뢰성을 획기적으로 향상시킵니다. PI의 낮은 영률(3~4 GPa)과 높은 연신율(> 40%)은 효과적인 응력 흡수를 제공합니다.
RDL 유전체
Fan-out 웨이퍼 레벨 패키징을 위한 재배선층(RDL) 공정에서 PI는 층간 유전체 및 최종 패시베이션 역할을 합니다. 각각 3~5μm 두께의 다중 PI 층이 Cu RDL 금속층 사이의 비아로 패터닝되어 다이 패드에서 BGA 볼 위치까지 미세 피치 배선을 가능하게 합니다. 낮은 흡습률(<0.5%)은 JEDEC 습기 민감도 시험에서 패키지 신뢰성을 보장합니다.
웨이퍼 레벨 패키징
PI는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WLCSP)에서 유전체 및 구조 재료로 광범위하게 사용됩니다. 실리콘과 솔더 범프 사이의 절연을 제공하고(UBM 패드 개구부 층), 솔더 마스크 역할을 하여 범프 위치를 정의하며, 보드 레벨 조립 및 신뢰성 테스트 중 열기계적 응력을 흡수하는 컴플라이언트 층으로 기능합니다.
스핀 코팅 공정 제어
PI 필름의 두께 균일성은 스핀 속도, 디스펜스량, 용액 점도, 그리고 주변 환경 조건(온도, 습도, 코터 보울 내 용매 증기압)에 의해 결정됩니다. 당사의 스핀 코터는 균일한 건조 동역학을 위해 밀폐형 보울 용매 분위기 제어를 유지하며, 스핀 공정 중 형성되는 두꺼운 엣지 림을 제거하기 위해 용매 디스펜스를 통한 자동 엣지 비드 제거(EBR)를 적용합니다. 이는 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 리소그래피 노광량을 유지하는 데 필수적입니다.
두꺼운 PI 필름(> 20μm)의 경우, 총 두께를 확보하면서 용매 증발 응력을 관리하기 위해 다중 코팅-베이크 사이클을 적용할 수 있습니다. 각 하위 레이어는 다음 코팅 전에 부분 소프트 베이크를 거치며, 이후 전체 스택의 완전한 이미드화를 위해 단일 파이널 하드 베이크를 진행합니다. 당사는 총 두께 50μm까지의 다중 코팅 PI 스택을 층간 박리 없이 검증한 바 있습니다.
기판 호환성 및 접착력
PI의 하부 기판에 대한 접착 불량은 PI 공정에서 가장 흔한 고장 모드입니다. 당사의 표면 처리 프로토콜은 다음을 통해 이를 해결합니다: (1) 친수성 표면(SiO₂, Si₃N₄)에서 흡착된 수분을 제거하기 위한 탈수 베이크, (2) 최대 표면 피복을 위해 증기 프라이밍을 통해 단분자층으로 적용되는 유기실란 접착 촉진제(AP3000, VM-652), (3) 구리, 알루미늄 및 기경화 PI(다층 적층 구조)와 같은 접착이 어려운 표면을 위한 O₂ 플라즈마 활성화.
접착력은 로트별로 witness 시편에 대한 크로스해치 테이프 시험(ASTM D3359)을 통해 검증되며, 최소 요구 사항은 등급 5B(0% 박리, 모서리 완전 매끄러움)입니다. 신뢰성 중요 응용 분야를 위해 추가 시험 — 압력솥 시험(PCT, 121°C/100%RH/2 atm) 및 열충격 시험(−65°C ~ +150°C, 100사이클) — 을 제공합니다.