GaN基上制備聚酰亞胺微圖形方法的研究

徐兆青　孫廣輝　周靜

【摘 要】由于GaN結構特性和光學特性，導致聚酰亞胺很難在GaN基上形成標準有效的微圖形。本文是在氮化鎵（GaN）基材料表面上先制備一層幾何圖形金屬作為遮光層，再利用聚酰亞胺（PI）負性感光性的性質來制備聚酰亞胺微圖形，此方法在GaN基材料表面上制備的聚酰亞胺微圖形表面平坦，不會被顯影液等有機溶劑溶脹，其熱膨脹系數小且絕緣性優異，可以用作GaN基表面的保護膜、層間的絕緣膜、溝槽的填充物等，具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】GaN基；聚酰亞胺（PI）；金屬遮光層；微圖形

1 背景介紹

氮化鎵（GaN）三族氮化物寬禁帶半導體材料體系，由于其寬廣的帶隙（從0.6eV的紅外區域一直覆蓋到6.1eV的深紫外區域）和優異的光學、電學性質，在藍、綠、紫外（UV）及深紫外波段的發光二極管（LED）和激光器（LD）等光電子器件領域有著廣闊的應用[1]。由于一些GaN芯片的特殊設計，經常需要一種粘附性良好不易被顯影液、去膠液等溶脹又具有一定厚度且具有光敏特性的絕緣材料來充當圖形表面的保護膜、層間的絕緣膜、深溝槽的填充物，尤其是隨著芯片大集成化、高密度化，多芯片組件（MCM）應運而生[2]，其關鍵技術就是需要填充深溝槽將多芯片組件表面平坦化。

聚酰亞胺（PI）是一種綜合性能十分優異的材料：耐高低溫性能優異，分解溫度在500℃左右，250℃下可以連續使用70000h，在熱力學溫度4K（-269℃）的液態氦中仍不會脆裂；機械強度高，高溫下只發生很小的蠕變，耐磨減磨性良好，200℃經過1500h老化處理其拉伸強度降低較少；電學性能良好，介電常數為3.4左右，介電損耗為10-3；熱膨脹系數低，不會因為溫度變化而發生覆膜脫粘現象；耐化學藥品性能好，可以耐有機溶劑、耐稀酸[3-4]。聚酰亞胺（PI）、旋涂玻璃介質膜（SOG）、苯丙環丁烯（BCB）為代表的耐熱性樹脂已被廣泛用作電子學領域中的半導體元件表面保護膜、層間絕緣膜、溝槽填充物等。尤其是PI相對SOG有著理想的膜厚及良好粘附性，PI相對BCB其成本優勢顯而易見，因此PI在眾多耐熱性樹脂中更是脫穎而出，首推為最理想的使用材料。

光敏性PI經紫外線（i，g線）曝光后發生光固化交聯反應，將非曝光區用有機或水性溶劑溶解后，可得到高分辨率的圖形，此圖形經加熱固化后形成的聚酰亞胺層膜具有低介電常數和低吸水率及優良的熱穩定性、機械性能及光學性能。然而目前工藝上PI旋涂的基材一般為硅片、陶瓷、耐熱性樹脂、載體膜、鋁板、不銹鋼板、各種合金板等支撐的基材，幾乎找不到GaN基上使用PI的案例。這主要是因為GaN特殊的結構特性和光學特性，導致單純使用紫外光刻技術無法使負性光敏聚酰亞胺在GaN基上形成標準有效的微圖形，進而在制作工藝上阻礙了一些設計良好的半導體發光器件制造方案之實施。本文將制備一層幾何圖形金屬作為遮光層，再利用聚酰亞胺負性感光性的性質來制備聚酰亞胺微圖形， 使以上阻礙迎刃而解，為半導體發光器件制造中GaN基表面保護膜、層間絕緣膜、溝槽填充物的制備工藝提供一些參考思路。

2 實驗部分

2.1 材料與設備

2.1.1 材料

藍寶石或Si或SiC為襯底的GaN基；負性光刻膠；去離子水；去膠液；丙酮；無水乙醇；鹽酸；乙酸丁酯；ZKPI-520I型負性光敏聚酰亞胺；金屬Ni或Ti；

2.1.2 設備

勻膠機；光刻機；烘箱；金屬蒸發臺；

2.2 實驗方法

2.2.1 流程

制備光刻膠掩膜層→蒸鍍金屬層→形成幾何圖形的金屬遮光層 →制備聚酰亞胺微圖形→亞胺化（低溫固化）→去除金屬遮光層→亞胺化（高溫固化）

2.2.2 制備

1）利用常規紫外光刻技術在5片以藍寶石為襯底的GaN基上制備光刻膠幾何圖形掩膜層。

2）利用真空蒸鍍設備在上述GaN基上蒸鍍100nm Ni金屬層。

3）用110℃去膠液3min將Ni金屬層進行Lift-off技術工藝，Lift-off工藝后先浸入丙酮中10～30sec，再浸入無水乙醇中10～30sec，取出后用去離子水沖洗干凈，放入烘箱烘干，得到具有幾何圖形的金屬Ni遮光層。

4）利用旋涂方法在上述5片GaN基上涂布一層均勻的負型聚酰亞胺薄膜，5片GaN基分別為1000rpm12sec、2000rpm14 sec、3000 rpm16 sec、4000 rpm17 sec、5000 rpm18 sec，然后進行前烘，溫度110℃，烘烤時間為5min。

5）利用步驟1）中所用的光刻掩模版套刻對聚酰亞胺薄膜進行曝光，5片的曝光時間分別為20sec、18sec、16sec、14sec、12sec，用聚酰亞胺相應的顯影液顯影3min，然后在乙酸丁酯中定影2min，得到聚酰亞胺的微圖形，其圖形與金屬層的幾何圖形相反。

6）對5片GaN片材上的聚酰亞胺微圖形進行0～300℃的低溫固化，如圖1。

7）用體積濃度為50%鹽酸水溶液去除GaN片材上殘余的Ni金屬遮光層，時間5min。

8）對GaN片材上的聚酰亞胺微圖形進行330℃，60min的高溫固化，完成聚酰亞胺微圖形的制備。

2.3 測試

采用顯微鏡觀察以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的表面形貌。

采用臺階儀測量以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的厚度。

采用電容儀測試以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的薄膜電容，在相對濕度為50%、溫度為18℃、頻率范圍在50KHZ～800KHZ下測得薄膜電容值，再通過式（1）計算獲得薄膜的介電常數，測試3次取平均值。

其中ε為薄膜的介電常數，C為測得的薄膜電容值，d為薄膜的厚度，s為電極面積，ε0為真空介電常數，ε0=8.85*10^（-12）F/m。

3 結果與討論

以上制備的5片GaN基聚酰亞胺圖形均不易被顯影液、去膠液等溶脹，機械強度高，耐熱性好，同時與GaN粘附性良好，表面平坦，顯微鏡觀察的表面形貌如圖2和圖3。臺階儀測得5片的PI薄膜厚度為2um～7um，旋涂轉速與厚度關系如圖4。5片樣片通過電容儀測試電容再計算得出的介電常數均在4以下。

4 結論

該制作方法工藝簡便，易操作，成本較低，且成品率高。制備出的聚酰亞胺圖形與GaN粘附性良好，同時不易被顯影液、去膠液等溶脹，而且低介電常數絕緣性能較好，厚度根據需要可以做到2um～7um，機械性能優良，用此聚酰亞胺微圖形可以充當GaN芯片的表面保護膜、層間絕緣膜、深溝槽填充物，尤其能夠解決多芯片組件（MCM）的表面平坦化，具有極大的經濟價值和使用價值。

【參考文獻】

[1]郭偉玲，錢可元，王軍喜.LED器件與工藝技術[M].北京：電子工業出版社2015.

[2]王秀峰，伍媛婷.微電子材料與器件制備技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]丁孟賢，何天白.聚酰亞胺新型材料[M].北京：科學出版社，1998.

[4]張俊彥，劉維民，薛群基.聚酰亞胺膜的熱性能分析[J].化學物理學報，1999，12（2）：197-200.

[責任編輯：田吉捷]