AZ4620光刻膠的噴霧式涂膠工藝

邢 栗，汪明波

(沈陽芯源微電子設備有限公司，遼寧沈陽 110168)

不斷發展的微電子機械系統（MEMS）和先進封裝技術要求新的技術和流程以滿足進一步小型化和更高的集成度的需求。對于一些MEMS應用，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構、V形槽）均勻地涂布光刻膠。噴霧式涂膠(spray coating)正是為了滿足這些要求而開發的，它具有其它技術如旋轉涂膠（spin coating）和電鍍（electroplating）所沒有的優勢。

沈陽芯源微電子設備有限公司KS-M200-1SP噴霧式涂膠機和用丙酮稀釋的黏度分別為0.020，0.012，0.005 Pa·s的AZ4620光刻膠溶液應用在噴霧式涂膠實驗中。本文分別對裸片及深孔尺寸為 75，150，250，375，425 μm 的晶圓進行噴霧式涂膠實驗并確定了一些影響噴膠實驗的參數。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參數。實驗得到的膜厚和均勻性可以滿足圖形復雜、有深孔的晶圓。本文結尾列出了噴霧式涂膠在實際中的一些應用。這些結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

噴霧式涂膠的關鍵技術在于超聲低壓噴霧噴嘴，噴嘴通過震蕩方式產生微小的光刻膠液滴，光刻膠液滴經由壓縮空氣或者氮氣氣流，加速噴向晶圓表面，由于晶圓處于加熱狀態，微小光刻膠液滴迅速固化，幾乎沒有時間因重力、表面張力等流變因素發生流動或堆積。圖1是沈陽芯源微電子設備有限公司KS-M200-1SP噴膠機的圖片。噴霧式涂膠與旋轉式涂膠或光刻膠電鍍技術相比具有很多優勢。例如，噴霧式涂膠可以在保持光刻膠厚度、均勻性良好的同時顯著地節約光刻膠的用量。實際上，在得到相同膜厚的情況下，噴霧式涂膠工藝和旋轉式涂膠工藝相比，前者節約光刻膠達10～15倍。噴霧式涂膠工藝與光刻膠電鍍技術相比，前者可以在所有表面（包括半導體和絕緣體）進行噴涂，而對于光刻膠電鍍技術，只能在導電層進行工藝操作。

1.2 光刻膠溶液

圖1 KS-M200-1SP P噴膠機

AZ4620光刻膠的黏度是0.440 Pa·s。有文獻證明，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]。但是這也相應地阻礙了它在噴霧式涂膠系統中的應用，因噴霧式涂膠機能操作的溶液黏度最大不能超過0.030 Pa·s。為了克服這個問題，我們使用有機溶劑丙酮來稀釋AZ4620光刻膠，降低其黏度。我們準備了丙酮與AZ4620體積比（以下均簡寫為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性關系

2 實驗及結果討論

我們分別對裸片及帶有不同深度孔的晶圓進行噴霧式涂膠實驗。對其實驗是為了得到相應的工藝參數，尤其是對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。在本實驗中，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式涂膠形成的膜厚。因此如果涂膠層比較厚而且沒有足夠快得到烘干，就會受到光刻膠流動的影響。由于丙酮不是一種高蒸發的溶劑，因此在系統中加入加熱吸盤來加快烘干過程。本實驗光刻膠噴涂過程將加熱吸盤溫度設置為50℃；光刻膠噴涂結束后溫度設置為90℃，烘烤20 min；接著用KLA-TENCOR P-16 OF+臺階儀測定光刻膠厚度，在晶圓上選取5點進行測量，取5點的平均值a。

噴膠層均勻性的計算公式為：

其中:σ是測量值的標準偏差，a是5點測量值的平均值。

圖3示出了3種V體積比的光刻膠相應的膜厚及均勻性。

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的液滴層形成[2]，而高光刻膠含量的溶液相應地產生較大的光刻膠液滴，這導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

采用臺階儀KLA-TENCOR P-16 OF+測量噴涂層的粗糙度。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果曲線。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。

從以上實驗中，我們可以得到如下結論：對于均勻性難以達到的高深孔晶圓，我們應該采用光刻膠含量較低的溶液，可以通過多次噴涂的方法來增加膜的厚度。增大光刻膠的流量也可以增加膜的厚度。

半導體制造各種工藝流程中常見高深寬比孔的溝槽結構，由于高表面起伏產生的重力、流量、表面張力等因素，傳統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問題。本實驗中采用孔深度分別為：75，150，250，375，425 μm 的晶圓。

由上述實驗結果，我們可以知道影響膜均勻性和厚度的參數。即對于均勻性難以達到的高深孔晶圓，應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，也即產生了一個問題，即溶液不能快速地蒸發并且會產生嚴重的流動現象。而V體積比為10:1的溶液則會產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程變得困難。因此本實驗選擇V體積比為20:1的光刻膠溶液。為了使流動影響降到最低，需要加快噴涂層的烘干，這可以通過熱盤來實現。光刻膠噴涂過程將加熱吸盤溫度設置為50℃；光刻膠噴涂結束后溫度設置為90℃，烘烤20 min。圖5是幾種不同孔深度晶圓的膜厚和均勻性，由光學顯微鏡NIKON L300測試得出。

從圖中我們可以看到，隨著孔的深度的增加，孔內膜的均勻性和膜厚都隨之變差和降低。在大多數應用中，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%。但對于大多數MEMS應用，由于它們圖案的結構尺寸在幾十到幾百微米之間，因此，實驗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 論

本文分別對裸片及帶有不同深度孔的晶圓使用AZ4620光刻膠進行噴霧式涂膠實驗。實驗中，使用了3種稀釋的AZ4620光刻膠溶液，并確定了對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和先進封裝應用，噴涂工藝已經應用于RF-MEMS、CMOS Image Sensor的制造。

未來噴霧式涂膠工藝將在旋轉涂膠難以實現的集成度更高的MEMS元件和3D互連結構中進一步發展。

[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