聚酰亞胺 (PI) 製程
光敏和非光敏聚酰亞胺的旋塗、固化、圖案化和蝕刻。用於晶圓級封裝的介電層。
服務概述
聚酰亞胺（PI）是MEMS和先進半導體封裝中的主力聚合物介電材料。其高熱穩定性（Tg > 350°C）、優異的化學抗性、低介電常數（εr ≈ 3.2–3.5）和機械柔韌性（延伸率高達60%）的組合，使其成為應力緩衝塗層、層間介電層、鈍化層和晶圓級封裝中RDL介電層的首選材料。
GINECHIP提供完整的PI製程服務，涵蓋光敏聚酰亞胺（HD-4100、HD-8820系列 — 負型和正型，水溶液顯影）和非光敏配方，以及所有相關步驟：表面前處理和附著促進、控制厚度的旋塗、程序化升溫曲線的軟/硬烘烤固化、光刻圖案化（光敏PI）或乾蝕刻通孔定義（非光敏PI）、電漿除殘膠和最終檢測。此端到端服務確保最佳薄膜品質、可重現的圖案保真度和可靠的材料整合到您的元件流程中。
聚酰亞胺材料與加工選項
光敏聚酰亞胺 — HD-4100 系列
負型、水溶液顯影光敏聚酰亞胺，適用於厚膜MEMS鈍化層。HD-4100提供優異的解析度（深寬比 > 1:1）、高熱穩定性（Tg > 350°C）、低固化溫度選項（200°C）以及對常見濕蝕刻劑和溶劑的出色化學抗性。廣泛用於晶圓級封裝中的應力緩衝塗層和多層MEMS結構中的層間介電層。
光敏聚酰亞胺 — HD-8820 系列
正型光敏聚酰亞胺，專為高解析度圖案化和優異機械性能而設計。HD-8820相比負型替代品提供更精細的解析度（2–3μm線寬/間距）、較低的吸濕率（< 0.5%）以及對矽、SiO₂、Si₃N₄和常見金屬化的優異附著力。非常適合RDL介電層和精細間距通孔開口。
非光敏聚酰亞胺
熱塑性和熱固性非光敏PI配方，適用於不需要光刻圖案化或通過乾蝕刻實現圖案化的應用。這些材料提供最寬的製程窗口和最高的熱穩定性（穩定至500°C）。用於全面鈍化、平坦化層以及需要使用硬遮罩進行O₂/CF₄電漿後續乾蝕刻通孔定義的應用。
附著促進與表面前處理
適當的附著促進對PI在基板上的可靠性至關重要。我們使用AP3000或VM-652有機矽烷附著促進劑，通過氣相或旋塗方式施加。基板脫水烘烤（150°C，5分鐘）在促進劑施加之前進行。對於金屬（Cu、Al）上或電漿除殘膠後的苛刻應用，O₂電漿活化步驟可增強表面能和鍵合密度。
製程流程
表面前處理
基板脫水烘烤（150°C，5分鐘，N₂吹掃）。O₂電漿除殘膠以去除有機殘留。氣相或旋塗有機矽烷附著促進劑（AP3000或VM-652）。立即轉入塗佈。
PI 旋塗
動態點膠至晶圓中心。多步旋塗：鋪展（500–1000 rpm）→ 厚度控制（1500–4000 rpm）→ EBR溶劑點膠。目標每層1–50μm。
軟烘烤（預烘烤）
受控熱板/烤箱烘烤以蒸發溶劑而不引發亞胺化。90–120°C、2–5分鐘（光敏PI）或120–150°C、30分鐘（非光敏PI）。升溫速率防止氣泡。
光刻圖案化
UV曝光（i-line，365nm）200–500 mJ/cm²。PEB 50–80°C。TMAH水溶液顯影（0.26N），60–120秒。非光敏PI：硬遮罩+乾蝕刻。
電漿除殘膠與檢測
O₂電漿除殘膠（100–200W，50–100 mTorr，1–2分鐘）。光學顯微鏡檢查圖案保真度和缺陷。關鍵特徵CD量測。
硬烘烤（最終固化）
N₂烤箱中程式化固化。25→200°C（2–3°C/min），保持30分鐘→350–375°C（2–3°C/min），保持60分鐘→冷卻。總共4–6小時。收縮30–50%。FTIR驗證亞胺化>98%。
品質規格
| 參數 | 目標規格 | 量測方法 |
|---|---|---|
| 薄膜厚度均勻性 | ±3% 晶圓內（1σ） | 光譜反射計 / 橢偏儀 |
| 通孔解析度（光敏型） | 3–10μm 取決於厚度 | SEM截面 / 光學顯微鏡 |
| 側壁角度 | 45–70°（正型），60–85°（負型） | SEM 截面 |
| 表面粗糙度（Ra） | < 2nm 固化後 | AFM（5μm × 5μm 掃描） |
| 亞胺化程度 | > 98% | FTIR（C=O / C-N 伸縮比） |
| 附著力 | 5B（無剝離） | 百格膠帶測試（ASTM D3359） |
| 擊穿電壓 | > 250 V/μm | 直流斜升電壓，Au點電極 |
| 殘餘應力 | < 35 MPa（拉伸）固化後 | 晶圓曲率（Stoney公式） |
規格適用於100mm–200mm矽晶圓的標準PI製程。數值可能因PI配方、薄膜厚度和基板類型而異。可根據要求提供客製化目標規格。
固化曲線與亞胺化控制
熱固化是PI製程中最關鍵的步驟，通過釋放H₂O的環化脫水反應將聚酰胺酸（PAA）前驅體轉化為完全亞胺化的聚酰亞胺。我們的固化爐以受控升溫速率（通常2–3°C/min）進行程式化，以防止氣泡形成、確保在亞胺化開始前完全去除溶劑，並最小化PI薄膜與矽基板之間CTE不匹配產生的殘餘應力。
我們通過FTIR光譜監測亞胺化程度（追踪1778 cm⁻¹處的C=O亞胺羰基峰相對於1378 cm⁻¹處的C-N伸縮峰），目標> 98%轉化率。亞胺化不足會導致化學抗性降低和機械性能變差；過度固化則可能導致薄膜脆化。對於需要低溫固化的應用（例如CMOS後整合），我們為HD-4100提供降溫固化配方（200°C–250°C），在化學抗性方面具有可接受的權衡。
通孔開口與接觸圖案化
對於光敏聚酰亞胺，從3μm到> 50μm的通孔開口可直接通過UV曝光和水溶液顯影實現 — 無需單獨的光阻遮罩和乾蝕刻步驟。與非光敏PI圖案化相比，這減少了2–3個製程步驟。對於非光敏PI，通孔通過沉積硬遮罩（SiO₂或金屬）、光刻和O₂/CF₄反應離子蝕刻來定義 — 在通孔輪廓工程（垂直與錐形側壁）中提供最大的靈活性。
在通孔定義後，O₂電漿除殘膠步驟（100–200W，50–100 mTorr）可去除通孔底部的殘留PI殘留物，以確保低接觸電阻的電氣連接。除殘膠均勻性通過每片晶圓上測試結構的SEM檢測進行驗證。
關鍵應用
MEMS 鈍化
PI是MEMS慣性傳感器、壓力傳感器、麥克風和微流體設備的標準鈍化材料。它提供均勻、耐化學腐蝕的屏障，保護矽微結構免受環境侵蝕（濕氣、離子污染），同時由於其低介電常數而增加最小的寄生電容。典型厚度：2–10μm。
應力緩衝層
在倒裝晶片和晶圓級封裝中，PI應力緩衝層（10–20μm厚）可解耦矽晶片（~2.6 ppm/°C）和有機封裝基板（~14–18 ppm/°C）之間的CTE不匹配應力，顯著提高熱循環期間的焊點可靠性。PI的低楊氏模量（3–4 GPa）和高延伸率（> 40%）可有效吸收應力。
RDL 介電層
在扇出型晶圓級封裝的重佈線層（RDL）製程中，PI同時作為層間介電層和最終鈍化層。多層PI（每層3–5μm）在Cu RDL金屬層之間以通孔圖案化，實現從晶片焊墊到BGA球位置的精細間距佈線。低吸濕率（< 0.5%）確保封裝在JEDEC濕度敏感度測試下的可靠性。
晶圓級封裝
PI廣泛用作晶圓級晶片尺寸封裝（WLCSP）中的介電和結構材料。它提供矽與焊料凸塊之間的隔離（UBM焊墊開口層），作為定義凸塊位置的焊料掩模，並在板級組裝和可靠性測試期間充當吸收熱機械應力的柔性層。
旋塗製程控制
PI薄膜厚度均勻性由旋轉速度、點膠量、溶液粘度和環境條件（溫度、濕度、塗佈腔內的溶劑蒸氣壓）決定。我們的旋塗機保持密閉腔溶劑氣氛控制以實現一致的乾燥動力學，並採用自動邊緣去珠（EBR）溶劑點膠來消除旋塗過程中形成的厚邊緣環 — 這對於在整個晶圓上保持均勻的光刻曝光劑量至關重要。
對於厚PI薄膜（> 20μm），可採用多次塗佈和烘烤循環來累積總厚度，同時管理溶劑揮發應力。每個子層在下一層塗佈前進行部分軟烘烤，然後進行單次最終硬烘烤以實現整個疊層的完全亞胺化。我們已驗證多層PI疊層總厚度可達50μm，無層間剝離。
基板相容性與附著力
PI對底層基板的附著力是PI製程中最常見的失效模式。我們的表面前處理方案通過以下方式解決此問題：(1) 脫水烘烤以去除親水性表面（SiO₂、Si₃N₄）吸附的水分，(2) 有機矽烷附著促進劑（AP3000、VM-652）以氣相方式作為單分子層施加以實現最大表面覆蓋，以及(3) 對難以鍵合的表面（如銅、鋁和先前固化的PI（多層疊層））進行O₂電漿活化。
每批使用百格膠帶測試（ASTM D3359）在見證樣品上驗證附著力，最低要求為5B級（0%剝離，邊緣完全光滑）。對於可靠性關鍵應用，可提供額外測試 — 壓力鍋測試（PCT，121°C/100%RH/2 atm）和熱衝擊（−65°C至+150°C，100次循環）。