沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司 邢 栗 張晨陽

本文介紹了兩種基于MEMS結(jié)構(gòu)的涂膠工藝：旋轉(zhuǎn)式涂膠和噴霧式涂膠工藝。分析了每種工藝方法的特性，包括其優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。通過比較得到了兩種工藝的復(fù)雜程度、成本以及應(yīng)用類型方面的區(qū)別，最終得到適宜的涂膠工藝。

1.引言

目前涂布光刻膠的工藝被廣泛的應(yīng)用于集成電路（IC）的領(lǐng)域當(dāng)中對(duì)于一些微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）應(yīng)用以及3D微結(jié)構(gòu)中圖案轉(zhuǎn)移到形貌起伏很大的晶圓表面工藝需要在平面上和不規(guī)則面上均勻地涂布光刻膠。迄今為止，主要有兩種光刻膠涂布工藝應(yīng)用于MEMS設(shè)備中。旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝（spin coating）是最傳統(tǒng)的涂膠工藝，由于其很難滿足三維晶圓微結(jié)構(gòu)的要求，因此適合在平坦表面均勻涂布抗蝕劑。相應(yīng)的，人們提出了噴霧式涂膠工藝。噴霧式涂膠工藝則很好地克服了這些問題。它具有旋轉(zhuǎn)涂膠所沒有的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為在不規(guī)則表面晶圓上涂膠的一種重要的技術(shù)。

本文中，我們報(bào)道了兩種涂膠工藝應(yīng)用于非平面晶圓上，例如帶有各向異性刻蝕深度達(dá)到100μm凹槽或空洞的晶圓。我們通過比較得出了兩種涂膠工藝的潛力及局限性，以確定對(duì)于特定應(yīng)用最適宜的涂膠技術(shù)。

2.旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝

在IC技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)涂膠工藝對(duì)于平整的裸片是標(biāo)準(zhǔn)的涂膠方法。有文獻(xiàn)報(bào)道了旋轉(zhuǎn)涂膠工藝應(yīng)用于不規(guī)則的晶圓，例如平板顯示器。如果旋涂工藝按照文獻(xiàn)報(bào)道的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，其甚至可以?yīng)用于深刻蝕腔晶圓。

2.1 旋轉(zhuǎn)式涂膠實(shí)驗(yàn)介紹

本文實(shí)驗(yàn)使用AZ4620光刻膠，沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司涂膠顯影機(jī)臺(tái)，分別在帶有不同尺寸的TSV深孔結(jié)構(gòu)的晶圓上，通過旋轉(zhuǎn)式涂膠方式進(jìn)行涂膠，來確定孔的形狀對(duì)于涂膠工藝的影響?？椎纳顚挶瘸叽?/3-3之間，文中用H/V表示，其中H和V分別為孔的垂直和水平尺寸。

圖1 勻膠顯影機(jī)

圖2 膠膜的均勻性與孔的H/V的關(guān)系曲線

圖1為涂膠顯影機(jī)臺(tái)。第一步，將光刻膠滴在晶圓上,以覆蓋整個(gè)晶圓表面。同時(shí)對(duì)晶圓施加緩慢的加速度和旋轉(zhuǎn)速度，這可以使得溶液流動(dòng)有足夠的時(shí)間并且在溶液擴(kuò)散前烘干。第二步，滴膠步驟后稍作停頓，目的是獲得更多的時(shí)間使溶液流入深孔，此時(shí)施加一個(gè)快速的旋轉(zhuǎn)速度使薄膜烘干，從而降低光刻膠的進(jìn)一步流動(dòng)，因?yàn)檫@種進(jìn)一步流動(dòng)可能導(dǎo)致不均勻涂層。

圖2為膠膜的均勻性與孔的H/V的關(guān)系曲線。其中每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于晶圓的一個(gè)區(qū)域（以晶圓平面為基準(zhǔn)，分別為左上，右上，左下和右下）。結(jié)果顯示，在H/V = 2/3, 1, 3/2處均勻性變化最小，說明了旋涂工藝應(yīng)用在趨近于正方形的矩形孔上時(shí)會(huì)得到較好的光刻膠均勻性。為了研究涂層缺陷問題，我們準(zhǔn)備了2種彼此垂直擺放的長條形結(jié)構(gòu)（H/V=1/5）的晶圓。2個(gè)凹槽之間的距離為100μm。在刻蝕工藝后，凹槽的拐角處均被破壞。溶液流動(dòng)的特性這一障礙導(dǎo)致了較差的覆蓋面。因此，在濕法和干法刻蝕步驟中，部分需要保留的帶圖型區(qū)域被刻蝕掉。

使用這種旋轉(zhuǎn)式工藝，最終光刻膠膜厚的均勻性可以達(dá)到10-20%。并且我們可以得到如下結(jié)論：旋轉(zhuǎn)涂膠工藝適用于將圖形轉(zhuǎn)移到深孔的底部，孔的尺寸越大，得到光刻膠涂層的均勻性越好。

2.2 旋轉(zhuǎn)式涂膠的優(yōu)點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)涂膠工藝是一種比較成熟的工藝技術(shù)，并且使用設(shè)備和光刻膠在市面上比較常見。這種工藝與IC技術(shù)兼容，適用于在所有類型基底，可以在所有工藝階段完成。只有兩參數(shù)即光刻膠溶液黏度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)涂膠層質(zhì)量的影響很大，因此工藝優(yōu)化主要集中在這兩個(gè)參數(shù)上。

2.3 旋轉(zhuǎn)式涂膠的缺點(diǎn)

旋涂工藝的主要障礙是旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力。深刻蝕特性阻止了溶液的流動(dòng)，這阻礙了光刻膠的完全覆蓋，并且經(jīng)常會(huì)造成條紋化或光刻膠厚度變化等缺陷?？椎某叽绾托螤钜矊⒂绊懝饪棠z的均勻性以及涂層的缺陷。

3.噴霧式涂膠工藝

直接噴霧式涂膠系統(tǒng)早在1999年就由Electronic Vision Group開發(fā)應(yīng)用。與旋轉(zhuǎn)涂膠工藝相比，噴霧式涂膠工藝基于不同的原理，并且它不會(huì)由于離心力的作用而影響光刻膠的均勻性。

3.1 噴霧式涂膠實(shí)驗(yàn)介紹

噴霧式涂膠系統(tǒng)包括一個(gè)超聲波噴嘴，噴嘴的超聲振蕩可產(chǎn)生微米級(jí)別的光刻膠小滴，這種工藝可以減小光刻膠流體動(dòng)力學(xué)的影響。在噴涂過程中，晶圓緩慢的旋轉(zhuǎn)同時(shí)擺臂移過整個(gè)晶圓。較低的旋轉(zhuǎn)速度（30-60rpm）以降低離心力的影響。而這種旋轉(zhuǎn)也使得光刻膠可以覆蓋整個(gè)深孔的所有角度。圖3為噴膠示意圖。

圖3 霧化噴涂原理圖

因?yàn)橐玫胶线m的光刻膠小霧滴，我們需要CP值小于30的光刻膠溶液。AZ4620光刻膠能產(chǎn)生較好的覆蓋效果和均勻的薄膜，因此本實(shí)驗(yàn)我們采用溶劑稀釋后的AZ4620光刻膠。低黏度溶液能形成一個(gè)平滑的薄膜，但是它很容易流入深寬比較高的結(jié)構(gòu)中，從而導(dǎo)致在腔體的頂部和底部光刻膠的膜厚不一致。因此光刻膠成分的選擇是非常重要的。通過優(yōu)化涂膠工藝和使用稀釋的AZ4620光刻膠，我們?cè)趲в?00μm寬，15μm深的TSV孔的晶圓上噴涂了一層均勻的光刻膠層。從圖4 a我們可以看到均勻性均能達(dá)到±10%。因此通過噴霧式涂膠工藝得到的光刻膠層的均勻性要優(yōu)于旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝。

3.2 噴霧式涂膠的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于一些非平面的表面，噴涂工藝比旋涂工藝更具優(yōu)勢(shì)。首先，這種工藝使用的光刻膠量小于旋涂工藝，它將節(jié)省70%的光刻膠溶液。第二點(diǎn)，噴涂工藝的重現(xiàn)性比旋涂工藝高。對(duì)于所有帶有相同尺寸孔的晶圓，無論孔的位置在哪，光刻膠的厚度都是重現(xiàn)的，噴涂工藝不存在定向效應(yīng)。圖4展示了分別用2種工藝噴涂相同結(jié)構(gòu)深孔圖形得到的結(jié)果，其中a圖為噴涂工藝，b圖為旋涂工藝。噴涂工藝得到的光刻膠層顯示是很均勻的，而旋涂工藝得到的光刻膠薄膜深孔涂敷結(jié)果較差。第三點(diǎn)，噴涂工藝不限制底層的材料，既可以應(yīng)用于絕緣體也可以應(yīng)用于導(dǎo)體層上。

圖4 a噴膠工藝 b涂膠工藝

噴膠工藝可以應(yīng)用于工藝的全部階段并且能夠得到理想的結(jié)果，它尤其適合應(yīng)用于深腔體的底部的表面顯影。

3.3 噴膠工藝的缺點(diǎn)

盡管噴涂技術(shù)比旋涂技術(shù)的結(jié)果好，但如果同一晶圓上的孔的尺寸相差很大，光刻膠的厚度也會(huì)變化。在小孔底部的光刻膠厚度比大腔體底部厚。如果孔尺寸的差異較大，則在孔之間光刻膠厚度的變化就會(huì)較大。因此，這可能對(duì)使用相同曝光能量時(shí)光刻膠的顯影有影響。如果孔尺寸的差異不大，則比較容易控制顯影過程。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是由于重力因素而產(chǎn)生的光刻膠溶液的流動(dòng)，這就導(dǎo)致了在同一個(gè)孔中，底部拐角的光刻膠層較厚，而頂部拐角處較薄。這種流動(dòng)效應(yīng)將對(duì)貫穿整個(gè)腔體的顯影產(chǎn)生很大的影響。

4.兩種涂膠方式的比較

旋涂工藝和噴涂工藝各有各的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。表1總結(jié)了兩種工藝的各自的特點(diǎn)。通過表格，我們可以通過比較得到在復(fù)雜性、成本以及應(yīng)用類型方面最適宜的涂膠工藝。

表1

5.結(jié)論

本文比較了兩種應(yīng)用于MEMS結(jié)構(gòu)制造的涂膠工藝，并指出了每種工藝的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)涂膠工藝雖然是一種簡(jiǎn)單的工藝，但是它應(yīng)用在晶圓上隨意分布并且尺寸不同的深孔上，重現(xiàn)性和結(jié)果均不理想。噴霧式涂膠工藝結(jié)果較好，但是需要特殊的設(shè)備。噴膠工藝適合應(yīng)用于在深孔的底部圖案化并且能應(yīng)用于工藝的所有階段。所以我們應(yīng)該根據(jù)具體的配置和微觀結(jié)構(gòu)選擇具體的涂膠工藝。由于晶圓形貌各異，因此在生產(chǎn)工藝中每一步的光刻也不同，因此我們經(jīng)常需要將兩種涂膠工藝結(jié)合起來應(yīng)用。