Ein neues Laser-Ablationsverfahren zur sub-5 µm Strukturierung von Dünnfilm-Polymeren

Abstract:
Dünnfilm-Polymere sind in heutigen Sensoren und Wafer-Level-Packages von Halbleiterbauelementen ein integraler Bestandteil für einen zuverlässigen Aufbau. In der letzten Dekade sind hierzu eine Vielzahl von neuen Polymeren kommerzialisiert worden. Für hoch-zuverlässige Aufbauten haben sich hierzu Polymere auf der Basis von Polyimid, Polybenzoxazol und Benzocyclobuten durchgesetzt. Die Materialeigenschaften zeigen hierbei einen wesentlichen Einfluß auf die Zuverlässigkeit. Für einen stressarmen Aufbau der Sensoren bzw. der Packages sind zusätzlich weitere verschiedene Materialeigenschaften verantwortlich. Ein wichtiger technologischer Aspekt ist hierbei die Polymerisationstemperatur. Die Polymere werden fast ausschließlich als sogenannte Precursor aufgebracht, die aus teil-polymerisierten Oligomeren bestehen. Die eigentliche Polymerisation (meist als Aushärtung oder cure bezeichnet) findet dann auf dem Wafer statt. Von daher wird von den Polymerherstellern versucht, diese Temperatur möglichst gering zu halten. Dies betrifft auch den Stress in der Schicht, der insbesondere bei Sensoren zur Auswahl der Funktionalität führen kann. Ein zusätzlicher technologischer Aspekt ist die notwendige Strukturierung der Polymerschicht. Hierzu hat sich in den letzten Jahren die photo-lithographische Strukturierung etabliert. Nachteilig hierbei ist die Notwendigkeit vom Hersteller, photo-aktive Substanzen in den Polymerprecursor zu mischen. Dies kann die mechanischen Eigenschaften des Polymers stark beeinträchtigen. Auch limitiert es den Polymerhersteller in der Polymersynthese. Generell muss die lithographische Strukturierung der Polymerschicht vor der Polymerisation durchgeführt werden. Ein eventueller Schrumpf der Polymerschicht, der bei Photo-Polyimiden bis zu 50% der Schichtdicke betragen kann, führt zu einer ungewünschten Verformung der Durchkontaktierung (Vias) und zu einem zusätzlichen Stress in der Schicht. In diesem Vortrag soll ein alternativer und neuer Strukturierungsansatz für Dünnfilmpolymere diskutiert werden: Die Laser-Ablation mittels eines Excimer-Lasers. Das hier vorgestellte Verfahren verwendet Masken zur Erzeugung von extrem kleinen Polymeröffnungen, die einen Durchmesser bis zu 3 µm Durchmesser erreichen können. Solche Dimensionen waren bisher mit Photo-Polymeren nicht erzielbar. Darüber hinaus können auch neue Polymere strukturiert werden, die keine photo-aktiven Komponenten enthalten. Eine sonst notwendige Lagerung der Precursor bei niedrigen Temperaturen ist somit unnötig, da die photoaktiven Komponenten meist sehr temperaturanfällig sind und die Verwendung bei Raumtemperatur oft auf 1 Woche beschränkt ist, was sowohl beim Versand als auch beim Einsatz der Polymere in der Produktion mit beträchtlichen Kosten verbunden ist. Die gesamten Einflußfaktoren der Laserparameter konnten anhand von Teststrukturen aufgezeigt werden. Elektrische 4-Punkt-Messungen an 2-lagigen Metallisierungen sind hierbei als Messgröße herangezogen worden, wobei Kupfer mit Aluminium als Werkstoff für die Metallisierung verglichen wurde. Der Einfluß der Metallisierung auf die Strukturierung konnte an Hand von hochauflösende FIB-Schnitte (Focus Ion Beam) aufgezeigt werden. Aufgrund des großen Unterschiedes in der Ablationsschwelle werden die Metalle bei der Polymerablation nahezu nicht angegriffen.