邢 栗，汪明波

(沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110168)

不斷發(fā)展的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和先進(jìn)封裝技術(shù)要求新的技術(shù)和流程以滿(mǎn)足進(jìn)一步小型化和更高的集成度的需求。對(duì)于一些MEMS應(yīng)用，需要在形貌起伏很大的晶圓表面（如90°角、氫氧化鉀腐蝕出的槽結(jié)構(gòu)、V形槽）均勻地涂布光刻膠。噴霧式涂膠(spray coating)正是為了滿(mǎn)足這些要求而開(kāi)發(fā)的，它具有其它技術(shù)如旋轉(zhuǎn)涂膠（spin coating）和電鍍（electroplating）所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。

沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司KS-M200-1SP噴霧式涂膠機(jī)和用丙酮稀釋的黏度分別為0.020，0.012，0.005 Pa·s的AZ4620光刻膠溶液應(yīng)用在噴霧式涂膠實(shí)驗(yàn)中。本文分別對(duì)裸片及深孔尺寸為 75，150，250，375，425 μm 的晶圓進(jìn)行噴霧式涂膠實(shí)驗(yàn)并確定了一些影響噴膠實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。特別研究了決定噴涂薄膜膜厚和均勻性的光刻膠流量和濃度這兩個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)得到的膜厚和均勻性可以滿(mǎn)足圖形復(fù)雜、有深孔的晶圓。本文結(jié)尾列出了噴霧式涂膠在實(shí)際中的一些應(yīng)用。這些結(jié)果證明噴霧式涂膠存在的潛力以及美好前景。

1 噴霧式涂膠工藝

1.1 噴霧式涂膠系統(tǒng)

噴霧式涂膠的關(guān)鍵技術(shù)在于超聲低壓噴霧噴嘴，噴嘴通過(guò)震蕩方式產(chǎn)生微小的光刻膠液滴，光刻膠液滴經(jīng)由壓縮空氣或者氮?dú)鈿饬?，加速?lài)娤蚓A表面，由于晶圓處于加熱狀態(tài)，微小光刻膠液滴迅速固化，幾乎沒(méi)有時(shí)間因重力、表面張力等流變因素發(fā)生流動(dòng)或堆積。圖1是沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司KS-M200-1SP噴膠機(jī)的圖片。噴霧式涂膠與旋轉(zhuǎn)式涂膠或光刻膠電鍍技術(shù)相比具有很多優(yōu)勢(shì)。例如，噴霧式涂膠可以在保持光刻膠厚度、均勻性良好的同時(shí)顯著地節(jié)約光刻膠的用量。實(shí)際上，在得到相同膜厚的情況下，噴霧式涂膠工藝和旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝相比，前者節(jié)約光刻膠達(dá)10～15倍。噴霧式涂膠工藝與光刻膠電鍍技術(shù)相比，前者可以在所有表面（包括半導(dǎo)體和絕緣體）進(jìn)行噴涂，而對(duì)于光刻膠電鍍技術(shù)，只能在導(dǎo)電層進(jìn)行工藝操作。

1.2 光刻膠溶液

圖1 KS-M200-1SP P噴膠機(jī)

AZ4620光刻膠的黏度是0.440 Pa·s。有文獻(xiàn)證明，由于它的高透明度及黏度，其適用于形貌起伏很大的晶圓的涂膠和顯影[1]。但是這也相應(yīng)地阻礙了它在噴霧式涂膠系統(tǒng)中的應(yīng)用，因噴霧式涂膠機(jī)能操作的溶液黏度最大不能超過(guò)0.030 Pa·s。為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們使用有機(jī)溶劑丙酮來(lái)稀釋AZ4620光刻膠，降低其黏度。我們準(zhǔn)備了丙酮與AZ4620體積比（以下均簡(jiǎn)寫(xiě)為V體積比）分別為40:1，20:1，10:1的 3種光刻膠稀釋溶液。采用BROOKFIELD LVDV-IP黏度劑測(cè)得這3種溶液的黏度分別為 0.005，0.012，0.020 Pa·s。從圖2我們可以看到，隨著丙酮溶劑的加入，光刻膠溶液的黏度隨之降低。

圖2 溶液濃度與溶液黏度的線(xiàn)性關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

我們分別對(duì)裸片及帶有不同深度孔的晶圓進(jìn)行噴霧式涂膠實(shí)驗(yàn)。對(duì)其實(shí)驗(yàn)是為了得到相應(yīng)的工藝參數(shù)，尤其是對(duì)適合噴涂大深孔晶圓光刻膠的選擇。

2.1 裸片

影響噴膠層膜的厚度、均勻性和粗糙度的參數(shù)為：噴霧噴嘴的角度、噴霧的壓力、光刻膠溶液的V體積比、流量以及掃描的速度。在本實(shí)驗(yàn)中，使用 V體積比分別為 40:1，20:1，10:1的光刻膠稀釋溶液，噴膠機(jī)流量為1.2 mL/min，速度為120 mm/s，直徑為200 mm的硅晶圓作為襯底。理論上，噴霧式涂膠形成的膜比旋轉(zhuǎn)式涂膠形成的膜厚。因此如果涂膠層比較厚而且沒(méi)有足夠快得到烘干，就會(huì)受到光刻膠流動(dòng)的影響。由于丙酮不是一種高蒸發(fā)的溶劑，因此在系統(tǒng)中加入加熱吸盤(pán)來(lái)加快烘干過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)光刻膠噴涂過(guò)程將加熱吸盤(pán)溫度設(shè)置為50℃；光刻膠噴涂結(jié)束后溫度設(shè)置為90℃，烘烤20 min；接著用KLA-TENCOR P-16 OF+臺(tái)階儀測(cè)定光刻膠厚度，在晶圓上選取5點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取5點(diǎn)的平均值a。

噴膠層均勻性的計(jì)算公式為：

其中:σ是測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，a是5點(diǎn)測(cè)量值的平均值。

圖3示出了3種V體積比的光刻膠相應(yīng)的膜厚及均勻性。

膜厚隨著V體積比減小而增大。但V體積比為40:1溶液得到的膠膜均勻性最好。盡管V體積比為10:1溶液得到的膜最厚，但是其薄膜的均勻性比其余兩種溶液得到的薄膜差。除此之外，由于噴涂層是由一條連續(xù)的液滴層形成[2]，而高光刻膠含量的溶液相應(yīng)地產(chǎn)生較大的光刻膠液滴，這導(dǎo)致了較高的表面粗糙度。

圖4 不同V體積比的兩種光刻膠溶液得到的表面粗糙度曲線(xiàn)

采用臺(tái)階儀KLA-TENCOR P-16 OF+測(cè)量噴涂層的粗糙度。圖4a和4b分別是V體積比為20:1和10:1的兩種光刻膠溶液得到的表面粗糙度結(jié)果曲線(xiàn)。從圖中可以看出，20:1溶液的粗糙度為456.1 nm，而10:1的溶液的粗糙度為2.239 μm。

從以上實(shí)驗(yàn)中，我們可以得到如下結(jié)論：對(duì)于均勻性難以達(dá)到的高深孔晶圓，我們應(yīng)該采用光刻膠含量較低的溶液，可以通過(guò)多次噴涂的方法來(lái)增加膜的厚度。增大光刻膠的流量也可以增加膜的厚度。

半導(dǎo)體制造各種工藝流程中常見(jiàn)高深寬比孔的溝槽結(jié)構(gòu)，由于高表面起伏產(chǎn)生的重力、流量、表面張力等因素，傳統(tǒng)的旋涂方法很難處理，而噴霧式涂膠則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)中采用孔深度分別為：75，150，250，375，425 μm 的晶圓。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以知道影響膜均勻性和厚度的參數(shù)。即對(duì)于均勻性難以達(dá)到的高深孔晶圓，應(yīng)該采用光刻膠含量較低的光刻膠溶液。然而V體積比為40:1的溶液雖然能夠得到較好的均勻性，但由于其丙酮含量較高，也即產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，即溶液不能快速地蒸發(fā)并且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的流動(dòng)現(xiàn)象。而V體積比為10:1的溶液則會(huì)產(chǎn)生粗糙的表面和較厚的膜。這將使有深孔晶圓的顯影和曝光工藝過(guò)程變得困難。因此本實(shí)驗(yàn)選擇V體積比為20:1的光刻膠溶液。為了使流動(dòng)影響降到最低，需要加快噴涂層的烘干，這可以通過(guò)熱盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。光刻膠噴涂過(guò)程將加熱吸盤(pán)溫度設(shè)置為50℃；光刻膠噴涂結(jié)束后溫度設(shè)置為90℃，烘烤20 min。圖5是幾種不同孔深度晶圓的膜厚和均勻性，由光學(xué)顯微鏡NIKON L300測(cè)試得出。

從圖中我們可以看到，隨著孔的深度的增加，孔內(nèi)膜的均勻性和膜厚都隨之變差和降低。在大多數(shù)應(yīng)用中，薄膜的均勻性大約為±12%，孔深為425 μm的晶圓薄膜的均勻性大于20%。但對(duì)于大多數(shù)MEMS應(yīng)用，由于它們圖案的結(jié)構(gòu)尺寸在幾十到幾百微米之間，因此，實(shí)驗(yàn)中得到的均勻性是可以接受的。

圖5 幾種不同孔深度晶圓的膜厚和均勻性

3 結(jié) 論

本文分別對(duì)裸片及帶有不同深度孔的晶圓使用AZ4620光刻膠進(jìn)行噴霧式涂膠實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，使用了3種稀釋的AZ4620光刻膠溶液，并確定了對(duì)于噴涂有孔晶圓的最佳光刻膠濃度。噴霧式涂膠工藝得到的光刻膠膜的膜厚和均勻性適合于一些MEMS和先進(jìn)封裝應(yīng)用，噴涂工藝已經(jīng)應(yīng)用于RF-MEMS、CMOS Image Sensor的制造。

未來(lái)噴霧式涂膠工藝將在旋轉(zhuǎn)涂膠難以實(shí)現(xiàn)的集成度更高的MEMS元件和3D互連結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步發(fā)展。

[1] N.P.Pham，T.M.L.Scholtes，et al.Direct Spray Coating of Photoresist for MEMS applications[J].Procs of the SPIE，2003，4557(312):21-24.

[2] T.Luxbacher， A.Mirza.Spray Coating for MEMS，Interconnects，and Advanced Packaging Applications[J].SENSORS，1999，16(7):61-64