翟榮安，汝長(zhǎng)海，陳瑞華，朱軍輝

(1.蘇州微賽智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

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基于壓電霧化噴涂的光刻膠涂覆工藝及其應(yīng)用研究

翟榮安，汝長(zhǎng)海，陳瑞華，朱軍輝

(1.蘇州微賽智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

本文在自主搭建的壓電霧化噴涂系統(tǒng)上，以RFJ-210負(fù)性光刻膠為研究對(duì)象，拋光硅片為基材，分別研究了稀釋體積比、速度以及距離等噴涂工藝對(duì)光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響。并以表面具有非平面凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的ITO玻璃為基材，分別進(jìn)行壓電霧化噴涂法和旋轉(zhuǎn)法涂膠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:壓電霧化噴涂法可以在三維形貌結(jié)構(gòu)表面上涂覆，克服了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)法無法在三維形貌結(jié)構(gòu)表面上涂膠的缺陷，驗(yàn)證了壓電霧化噴涂法在三維形貌結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用中的可行性。

負(fù)性光刻膠；壓電霧化噴涂；平均厚度；均勻性；拋光硅片；凸臺(tái)結(jié)構(gòu)

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro electro-mechanical systems，MEMS)和集成電路的迅速發(fā)展，光刻得到了廣泛的關(guān)注，而目前適用于平面涂膠的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)法已無法滿足三維形貌結(jié)構(gòu)上的涂膠。如在具有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)或高深寬比凹槽器件上旋涂時(shí)，離心狀態(tài)下的光刻膠會(huì)受到凸臺(tái)結(jié)構(gòu)或凹槽的阻礙而無法均勻涂覆其表面上，這些都嚴(yán)重影響了后續(xù)的光刻工藝步驟以及最終光刻圖案的效果。另外，絕大多數(shù)的光刻膠因離心旋轉(zhuǎn)法的離心力被甩離晶圓表面，造成浪費(fèi)，利用率低并對(duì)環(huán)境和人體的健康構(gòu)成危害。

壓電霧化噴涂法具有粒徑小、電源功耗低、均勻性好等特點(diǎn)，不僅能夠在三維形貌結(jié)構(gòu)上涂膠，同時(shí)可以提高光刻膠的利用率。因此，本文自主搭建了壓電霧化噴涂系統(tǒng)，采用RFJ-210負(fù)性光刻膠為研究對(duì)象，拋光硅片為基材，分別研究了稀釋體積比、速度和距離這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響。除此之外，本文還采用具有表面凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的ITO玻璃為基材，分別用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)法和壓電霧化噴涂法進(jìn)行光刻膠涂覆，得到了這兩種方法的涂覆表面顯微圖，對(duì)比它們的涂覆效果，以便為今后集成度更高的MEMS器件和3D互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 霧化涂膠工藝

1.1 霧化涂膠系統(tǒng)

壓電霧化噴涂系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)硬件主要由注射泵、霧化噴頭、吸附板、加熱板、電動(dòng)滑臺(tái)、控制箱、空氣壓縮機(jī)、溫度控制器、觸摸屏和壓電電源等組成。如圖2所示，該系統(tǒng)采用威綸通專用編程軟件EasyBuilder 8000對(duì)觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行編程。

圖1 壓電霧化噴涂系統(tǒng)Fig.1 Piezoelectric atomization spray system

圖2 人機(jī)界面Fig.2 Man-machine interface

1.2 工藝參數(shù)

一般影響壓電霧化噴涂光刻膠薄膜平均厚度和均勻性的工藝參數(shù)比較多，其中稀釋體積比、速度和距離影響顯著。壓電霧化噴涂法對(duì)光刻膠的黏度要求很高，因此使用有機(jī)溶劑二甲苯稀釋RFJ-210負(fù)性光刻膠。稀釋體積比與光刻膠溶液的濃度有直接關(guān)系，而光刻膠溶液的濃度會(huì)影響光刻膠薄膜平均厚度和均勻性。配制了二甲苯與RFJ-210體積比分別為4∶1、6∶1、8∶1的3種光刻膠稀釋液。噴頭移動(dòng)的速度會(huì)改變光刻膠液滴的速度大小和方向，從而對(duì)光刻膠薄膜平均厚度和均勻性產(chǎn)生影響。噴頭離基材的距離直接關(guān)系到光刻膠液滴聚合和分裂，影響光刻膠液滴直徑和分散性，造成光刻膠薄膜平均厚度和均勻性發(fā)生變化。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

2.1 拋光硅片

在實(shí)驗(yàn)前，先調(diào)節(jié)一些影響實(shí)驗(yàn)的參數(shù):注射泵的流量為0.2 mL/min，空氣壓縮機(jī)的壓強(qiáng)為6.2 kPa，壓電電源的功率為1 W，溫度控制器的預(yù)熱溫度為40 ℃。經(jīng)壓電霧化制備的光刻膠薄膜需要用DEKTAK XT臺(tái)階輪廓儀測(cè)定并計(jì)算其平均厚度D，而薄膜均勻性:

RSD=(σ/D)×100%

(1)

式中，σ是測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。RSD越小，均勻性越好。

在其他工藝參數(shù)相同情況下，分別采用4∶1、6∶1和8∶1稀釋體積比進(jìn)行壓電霧化涂覆光刻膠，并分別對(duì)制備的負(fù)膠薄膜進(jìn)行臺(tái)階儀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算，如表1所示。

表1 不同稀釋體積比所得膜層的平均厚度及均勻性Tab.1 The average thickness and uniformity of the different attenuation volume ratio

從表1可以看出，4∶1稀釋體積比下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為12.7 μm，均勻性為10.6%；6∶1稀釋體積比下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為7.1 μm，均勻性為4.4%，均勻性最佳；8:1稀釋體積比下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為4.9 μm，均勻性為13.1%。可明顯發(fā)現(xiàn)：負(fù)膠薄膜平均厚度隨稀釋體積比增大而逐漸減小，主要原因是稀釋體積比增大，負(fù)膠溶液的濃度減小，負(fù)膠固體顆粒含量減少，制備的負(fù)膠薄膜厚度減小。

分別在10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s速度下進(jìn)行壓電霧化涂覆光刻膠，并保證其他工藝參數(shù)相同。涂覆后分別對(duì)其制備的負(fù)膠薄膜進(jìn)行臺(tái)階儀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算，如圖3所示。

圖3 不同速度所得膜層的平均厚度及均勻性Fig.3 The average thickness and uniformity of the resulting film at different speeds

從圖中可以看出，10 mm/s速度下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為13.6 μm，厚度最厚，均勻性為3.0%，均勻性最佳；30 mm/s速度下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為5.5 μm，均勻性為7.5%；50 mm/s速度下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為3.5 μm，厚度最薄，均勻性為18.5%，均勻性最差。從中可發(fā)現(xiàn):負(fù)膠薄膜平均厚度和均勻性都隨速度增大而減小。分析其原因可能是噴頭移動(dòng)速度增大，噴頭停留在硅片上方的時(shí)間減小，導(dǎo)致噴在硅片上的負(fù)膠固體顆粒含量減小，從而制備的負(fù)膠薄膜厚度減小。此外，隨著噴頭移動(dòng)速度增大，負(fù)膠液滴的初始速度增大，使得空氣阻力作用于負(fù)膠液滴增大，導(dǎo)致負(fù)膠固體顆粒分散越厲害，從而制備的負(fù)膠薄膜均勻性減小。

在其他工藝參數(shù)相同情況下，分別在56 mm、61 mm、66 mm、71 mm和76 mm距離下進(jìn)行壓電霧化涂覆光刻膠。涂覆后分別對(duì)其制備的負(fù)膠薄膜進(jìn)行臺(tái)階儀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算，如圖4所示。

圖4 不同距離所得膜層的平均厚度及均勻性Fig.4 Average thickness and uniformity of the resulting film at different distances

從圖中可以看出，56 mm距離下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為6.8 μm，均勻性為4.0%，均勻性最佳；61 mm距離下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為6.0 μm，均勻性為7.4%；66 mm距離下制備的負(fù)膠薄膜平均厚度為5.3 μm，均勻性為8.3%。從中可發(fā)現(xiàn):負(fù)膠薄膜平均厚度和均勻性都隨距離增大而減小。經(jīng)分析后，可能原因是距離噴頭越近的區(qū)域，光刻膠液滴易發(fā)生復(fù)合碰撞，導(dǎo)致負(fù)膠固體顆粒直徑增大，從而制備的負(fù)膠薄膜厚度增大，反之，距離噴頭越遠(yuǎn)的區(qū)域，光刻膠液滴易破碎成小液滴，制備的負(fù)膠薄膜厚度減小?；木嚯x噴頭越遠(yuǎn)，空氣阻力作用于光刻膠液滴的時(shí)間越長(zhǎng)，負(fù)膠固體顆粒分散越厲害，從而制備的負(fù)膠薄膜均勻性減小。

2.2 凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的ITO玻璃

在形貌起伏大的MEMS器件應(yīng)用中，傳統(tǒng)的旋涂法已無法滿足其要求。為了驗(yàn)證壓電霧化噴涂法可應(yīng)用于三維形貌結(jié)構(gòu)表面的涂膠，選用了表面凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的ITO玻璃為基材，其凸臺(tái)距基底深度為2 μm，然后用稀釋體積比4∶1的光刻膠溶液在預(yù)熱溫度40 ℃下對(duì)硅片噴涂1層。經(jīng)壓電霧化涂覆后，在顯微鏡觀察下，如圖5(a)所示。利用KW-4A型臺(tái)式勻膠機(jī)，先低速700 r/min旋轉(zhuǎn)8s，再高速1 100 r/min旋轉(zhuǎn)35 s，旋涂完后，在顯微鏡觀察下，如圖5(b)所示。

圖5 兩種涂覆方法的表面顯微圖Fig.5 Surface micrograph of two coating methods

從圖中可以看出，壓電霧化涂覆表面的凸臺(tái)和基底處光刻膠涂覆均勻，而旋轉(zhuǎn)涂覆表面的凸臺(tái)和基底處光刻膠涂覆不均勻，并且在凸臺(tái)和基底的交界處殘留大量光刻膠。主要原因是旋轉(zhuǎn)涂覆時(shí)，光刻膠在離心狀態(tài)下受到凸臺(tái)的阻礙無法均勻涂覆在基材表面，會(huì)產(chǎn)生殘膠，而壓電霧化法具有不受基材表面形狀影響的特點(diǎn)，可以均勻涂覆于基材表面。

3 結(jié)語

本文用RFJ-210負(fù)性光刻膠對(duì)拋光硅片進(jìn)行壓電霧化噴涂，得出稀釋體積比、速度和距離對(duì)負(fù)膠薄膜平均厚度和均勻性的影響規(guī)律。以表面凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的ITO玻璃為基材，分別采用壓電霧化噴涂法和旋轉(zhuǎn)法制備光刻膠薄膜，結(jié)果證明:壓電霧化噴涂法克服了旋轉(zhuǎn)法的缺陷，可以應(yīng)用于具有三維形貌結(jié)構(gòu)器件表面的涂膠，為MEMS、柔性顯示等納米技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域的薄膜涂層制備方法提供參考。

[1] PHAM N P，TEZCAN D S，RUYTHOOREN W，et al. Photoresist coating and patterning for through-silicon via technology [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2008，18 (12):125008.

[2] 徐惠宇，朱獲. 國(guó)外高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展[J]. 傳感器技術(shù)，2004，23 (12):4-6，13.

[3] BRUBAKER C，WIMPLINGER M，LINDNER P，et al. New applications for spray coating technology[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2003， 32 (05)：4-10.

Study on photoresist coating process and applications based on piezoelectric spray coating

ZHAI Rong-an,RU Chang-hai,CHEN Rui-hua,ZHU Jun-hui

(1. Weisaitec (Suzhou) Co.,Ltd.,Suzhou 215200,China; 2. Robotics and Microsystems Center,Soochow University,Suzhou 215021,China; 3. School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The effects of dilution volume ratio,velocity and distance on average thickness and uniformity of the film of RFJ-210 negative photoresist obtained on polished silicon wafer as substrate were analyzed by using a home-built piezoelectric spraying system. The ITO glass with convex structure was coated with RFJ-210 by centrifugal spinning and piezoelectric spraying methods respectively. The results showed that clear and complete patterns can be formed on three-dimensional structures by piezoelectric spray coating,overcoming the problem that three-dimensional structures cannot be coated by centrifugal spinning method and proving feasibility of piezoelectric spraying for three-dimensional structures.

Negative photoresist; Piezoelectric spraying; Average thickness; Uniformity; Silicon wafer; Convex structure

2017-01-17

江蘇省科技項(xiàng)目科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BC2015130)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目姑蘇創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才專項(xiàng)(ZXL2016035)；吳江區(qū)科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目

翟榮安(1992-)，男，碩士研究生。

朱軍輝(1990-)，男，碩士研究生。

TN305；TH122

A

1674-8646(2017)06-0098-03