基于MEMS結構的旋轉式涂膠、噴霧式涂膠工藝的比較

沈陽芯源微電子設備有限公司 邢 栗 張晨陽

本文介紹了兩種基于MEMS結構的涂膠工藝：旋轉式涂膠和噴霧式涂膠工藝。分析了每種工藝方法的特性，包括其優勢和缺點。通過比較得到了兩種工藝的復雜程度、成本以及應用類型方面的區別，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用于集成電路（IC）的領域當中對于一些微電子機械系統（MEMS）應用以及3D微結構中圖案轉移到形貌起伏很大的晶圓表面工藝需要在平面上和不規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用于MEMS設備中。旋轉式涂膠工藝（spin coating）是最傳統的涂膠工藝，由于其很難滿足三維晶圓微結構的要求，因此適合在平坦表面均勻涂布抗蝕劑。相應的，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。它具有旋轉涂膠所沒有的優勢，逐漸成為在不規則表面晶圓上涂膠的一種重要的技術。

本文中，我們報道了兩種涂膠工藝應用于非平面晶圓上，例如帶有各向異性刻蝕深度達到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，以確定對于特定應用最適宜的涂膠技術。

2.旋轉式涂膠工藝

在IC技術中，旋轉涂膠工藝對于平整的裸片是標準的涂膠方法。有文獻報道了旋轉涂膠工藝應用于不規則的晶圓，例如平板顯示器。如果旋涂工藝按照文獻報道的方式進行適當的修改，其甚至可以應用于深刻蝕腔晶圓。

2.1 旋轉式涂膠實驗介紹

本文實驗使用AZ4620光刻膠，沈陽芯源微電子設備有限公司涂膠顯影機臺，分別在帶有不同尺寸的TSV深孔結構的晶圓上，通過旋轉式涂膠方式進行涂膠，來確定孔的形狀對于涂膠工藝的影響?？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

圖2 膠膜的均勻性與孔的H/V的關系曲線

圖1為涂膠顯影機臺。第一步，將光刻膠滴在晶圓上,以覆蓋整個晶圓表面。同時對晶圓施加緩慢的加速度和旋轉速度，這可以使得溶液流動有足夠的時間并且在溶液擴散前烘干。第二步，滴膠步驟后稍作停頓，目的是獲得更多的時間使溶液流入深孔，此時施加一個快速的旋轉速度使薄膜烘干，從而降低光刻膠的進一步流動，因為這種進一步流動可能導致不均勻涂層。

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

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

2.2 旋轉式涂膠的優點

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

2.3 旋轉式涂膠的缺點

旋涂工藝的主要障礙是旋轉時的離心力。深刻蝕特性阻止了溶液的流動，這阻礙了光刻膠的完全覆蓋，并且經常會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早在1999年就由Electronic Vision Group開發應用。與旋轉涂膠工藝相比，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 噴霧式涂膠實驗介紹

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

圖3 霧化噴涂原理圖

因為要得到合適的光刻膠小霧滴，我們需要CP值小于30的光刻膠溶液。AZ4620光刻膠能產生較好的覆蓋效果和均勻的薄膜，因此本實驗我們采用溶劑稀釋后的AZ4620光刻膠。低黏度溶液能形成一個平滑的薄膜，但是它很容易流入深寬比較高的結構中，從而導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。通過優化涂膠工藝和使用稀釋的AZ4620光刻膠，我們在帶有100μm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于旋轉式涂膠工藝。

3.2 噴霧式涂膠的優點

對于一些非平面的表面，噴涂工藝比旋涂工藝更具優勢。首先，這種工藝使用的光刻膠量小于旋涂工藝，它將節省70%的光刻膠溶液。第二點，噴涂工藝的重現性比旋涂工藝高。對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的，噴涂工藝不存在定向效應。圖4展示了分別用2種工藝噴涂相同結構深孔圖形得到的結果，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果較差。第三點，噴涂工藝不限制底層的材料，既可以應用于絕緣體也可以應用于導體層上。

圖4 a噴膠工藝 b涂膠工藝

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

3.3 噴膠工藝的缺點

盡管噴涂技術比旋涂技術的結果好，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較大。因此，這可能對使用相同曝光能量時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。

另一個挑戰是由于重力因素而產生的光刻膠溶液的流動，這就導致了在同一個孔中，底部拐角的光刻膠層較厚，而頂部拐角處較薄。這種流動效應將對貫穿整個腔體的顯影產生很大的影響。

4.兩種涂膠方式的比較

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

表1

5.結論

本文比較了兩種應用于MEMS結構制造的涂膠工藝，并指出了每種工藝的優勢和缺點。旋轉涂膠工藝雖然是一種簡單的工藝，但是它應用在晶圓上隨意分布并且尺寸不同的深孔上，重現性和結果均不理想。噴霧式涂膠工藝結果較好，但是需要特殊的設備。噴膠工藝適合應用于在深孔的底部圖案化并且能應用于工藝的所有階段。所以我們應該根據具體的配置和微觀結構選擇具體的涂膠工藝。由于晶圓形貌各異，因此在生產工藝中每一步的光刻也不同，因此我們經常需要將兩種涂膠工藝結合起來應用。