聚酰亞胺作為鈍化工藝材料的實現

孫德玉

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

聚酰亞胺作為鈍化工藝材料的實現

孫德玉

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

重點介紹了以聚酰亞胺作為介質層的鈍化工藝流程。聚酰亞胺具有突出的耐熱性能、優異的機械性能和優良的電性能，依據聚酰亞胺的材料特性，制定備片、涂膠、光刻等工藝流程，并在生產線上進行工藝流片，通過試驗驗證，取得了良好效果，證明了以該材料作為鈍化層可以大幅度縮減工藝流程，降低科研生產成本。

聚酰亞胺；性能；鈍化工藝

1 引 言

隨著航空航天、電子信息、汽車工業、家用電器等諸多領域日新月異的發展，對材料提出的要求也越來越高。如耐熱性能、機械性能和電性能等。鈍化層的主要作用是在半導體電路完成后，覆蓋在晶圓表面，防止外界污染物及電磁輻射對內部電路的破壞以至于導致半導體失效。另一方面，由于具有良好的機械性能，可以防止在晶圓切割時內部電路產生裂痕。聚酰亞胺就是綜合性能非常優異的材料，用聚酰亞胺代替傳統的SiO2和Si3N4復合層實現某些器件的鈍化工藝，把PAD部分留出來，其他地方保護起來。如圖1所示。

2 聚酰亞胺性能

2.1 耐熱性

全芳香型聚酰亞胺最主要的特征是耐熱性優良。如進行熱重分析，其開始溫度一般都在500℃左右。由聯苯二酐和二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達到600℃左右，是迄今聚合物中熱穩定性最高的品種之一。聚酰亞胺不僅耐熱，而且還耐極地溫度，如在－269℃的液態氮中仍不會脆裂。各種聚酰亞胺的熱性能及電性能數據如表1所示。

表1 聚酰亞胺的熱性能及電性能

圖1 產品結構示意圖

2.2 機械性能

PI具有很好的機械性能，未填充的PI塑料拉伸強度都在100MPa以上，PI具有優良的耐磨減摩性。其機械性能隨溫度波動的變化小，高溫下蠕變小。而且PI耐熱老化性能良好，經200℃、1500h老化處理，室溫測得材料的拉伸強度降低很少，如PI薄膜在5×109rad劑量輻照后，強度仍保持86%，PI纖維經1×109rad劑量輻照后，其強度保持率為90%以上。本實驗采用ZKPI－305ⅡD－2型號聚酰亞胺。

2.3 電性能

PI的大分子中雖然含有相當數量的極性基（如羰基和醚基），但其電絕緣性優良。原因是羰基納入五元環，醚鍵與相鄰基團形成共軛體系，使其極性受到限制，同時由于大分子的剛性和較高的玻璃化溫度，因此在較寬的溫度范圍內偶極損耗小，電性能十分優良。其介電常數一般為3.4左右，引入氟或將空氣以納米尺寸分散在PI中〔當空氣以極小尺寸（納米級）均勻分布在PI中（相當于泡沫PI），可進一步增加PI的電絕緣性〕后，其介電常數可降到2.5左右。介電損耗大約為10－3，介電強度為100kV/mm～300kV/mm，體積電阻率為1016Ω·cm。同時，PI還具有優異的耐電暈性能。

3 鈍化工藝實現

3.1 表面處理

完成金屬鋁光刻的晶圓硅片（本實驗采用純鋁工藝的單晶硅片），在烘箱內以140℃，烘烤硅片一小時，去除金屬表面的水分子，目的是增強硅片上鋁與聚酰亞胺之間的粘附性。烘烤的溫度與時間非常重要。如果烘烤溫度太低或時間太短表面脫水不足就會引起光刻膠的附著問題；如果烘烤時間太長或溫度太高則可能引起底漆層分解，從而形成污染影響光刻膠的附著。

3.2 涂聚酰亞胺Resist coating

硅片表面涂聚酰亞胺采用的是靜態涂膠，旋轉涂膠（PR Coat）成底膜處理后，立即采用旋轉涂膠的方法涂上液相聚酰亞胺材料。涂聚酰亞胺主要分四個基本步驟：分滴、旋轉鋪開、旋轉甩掉和溶劑揮發。其重要指標包括：時間、旋轉速度、厚度、均勻性、顆粒沾污以及光刻膠缺陷（針孔等）。DUNA700型號的勻膠機，由于聚酰亞胺的粘度較高，要采用高轉速勻膠，確保勻膠的均勻性和厚度。同時，環境控制中溫度、濕度、排氣和顆粒沾污也很重要，排氣不良會影響顆粒淀積在硅片上。工藝采用DUNA700勻膠機，涂聚酰亞胺程序如表2所示。

3.3 高溫熱烘烤

去除聚酰亞胺層大部分的有機溶劑，使薄膜變的堅硬。堅膜烘箱恒溫140℃，烘烤1小時。

表2 涂聚酰亞胺程序

3.4 涂光刻膠

重復3.3表面處理劑（HMDS），工藝采用DUNA700涂膠機進行光刻勻膠，光刻膠類型：SPR6818，勻膠程序如表3所示。

3.5 光刻

取本產品的鈍化光刻版安裝在PE340投影式光刻機上與涂完光刻膠的硅片進行對準曝光，光刻機采用1∶1比例的投影對準曝光，光源為普光式汞燈。

表3 勻膠程序

3.6 顯影

采用顯影液對曝光的硅片進行手動顯影，顯影液的主要成分為四甲基氫氧化銨，是一種弱堿，與曝光的光刻膠反應去除的同時也與裸露的聚酰亞胺產生反應并去除。待發現聚酰亞胺除去后，顯影完畢（見圖2）。

3.7 去膠

為了能夠很好的去除光刻膠而不損傷未完全固化的聚酰亞胺，工藝采用丙酮浸泡去膠，觀察光刻膠去凈為止，然后顯微鏡下檢查光刻膠去除情況以及顯影后鈍化窗口的線條寬度。

圖2 顯影前后對比

3.8 聚酰亞胺固化

將去膠完成的硅片放入烘箱內，設定烘箱的運行程序，固化程序為3小時升溫到140℃，再采用1小時升溫至300℃，恒溫保持1小時，1小時降溫至140℃，共6小時聚酰亞胺完全固化。

3.9 檢測

對固化后的芯片進行鈍化效果檢測，固化后的聚酰亞胺厚度在1μm±0.4μm，片面均勻性較好。沒有顆粒及氣泡等缺陷，形成的固化薄膜起到了對芯片表面的保護作用，實現了鈍化功能。

4 結束語

詳細介紹了聚酰亞胺的材料特性和鈍化工藝流程，通過實驗證明了聚酰亞胺作為鈍化材料可以代替傳統的氧化硅和氮化硅復合層的鈍化工藝，并且該工藝更容易實現，可以大幅度降低生產成本，具有良好的應用前景。

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Im plement of Passivation Process Material by Polyim ide

Sun Deyu
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

This paper introduces the technology of passivation by polyimide which has outstanding properties of heat resistance，machinery and electricity.According to thematerial properties of polyimide，the process flow such aswafer preparing，gluing and lithography，etc.are developed.The experimental results show that the polyimide is a good material of passivation for reducing production procedure and cost.

Polyimide；Property；Technology of passivation

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.003

TN305

A

1002－2279（2015）05－0009－03

孫德玉（1983－）男，遼寧莊河市人，學士，工程師，主研方向：微電子工藝制造。

2015－08－01