AZ4620光刻胶的喷雾式涂胶工艺

邢 栗，汪明波

(沈阳芯源微电子设备有限公司，辽宁沈阳 110168)

不断发展的微电子机械系统（MEMS）和先进封装技术要求新的技术和流程以满足进一步小型化和更高的集成度的需求。对于一些MEMS应用，需要在形貌起伏很大的晶圆表面（如90°角、氢氧化钾腐蚀出的槽结构、V形槽）均匀地涂布光刻胶。喷雾式涂胶(spray coating)正是为了满足这些要求而开发的，它具有其它技术如旋转涂胶（spin coating）和电镀（electroplating）所没有的优势。

沈阳芯源微电子设备有限公司KS-M200-1SP喷雾式涂胶机和用丙酮稀释的黏度分别为0.020，0.012，0.005 Pa·s的AZ4620光刻胶溶液应用在喷雾式涂胶实验中。本文分别对裸片及深孔尺寸为 75，150，250，375，425 μm 的晶圆进行喷雾式涂胶实验并确定了一些影响喷胶实验的参数。特别研究了决定喷涂薄膜膜厚和均匀性的光刻胶流量和浓度这两个参数。实验得到的膜厚和均匀性可以满足图形复杂、有深孔的晶圆。本文结尾列出了喷雾式涂胶在实际中的一些应用。这些结果证明喷雾式涂胶存在的潜力以及美好前景。

1 喷雾式涂胶工艺

1.1 喷雾式涂胶系统

喷雾式涂胶的关键技术在于超声低压喷雾喷嘴，喷嘴通过震荡方式产生微小的光刻胶液滴，光刻胶液滴经由压缩空气或者氮气气流，加速喷向晶圆表面，由于晶圆处于加热状态，微小光刻胶液滴迅速固化，几乎没有时间因重力、表面张力等流变因素发生流动或堆积。图1是沈阳芯源微电子设备有限公司KS-M200-1SP喷胶机的图片。喷雾式涂胶与旋转式涂胶或光刻胶电镀技术相比具有很多优势。例如，喷雾式涂胶可以在保持光刻胶厚度、均匀性良好的同时显著地节约光刻胶的用量。实际上，在得到相同膜厚的情况下，喷雾式涂胶工艺和旋转式涂胶工艺相比，前者节约光刻胶达10～15倍。喷雾式涂胶工艺与光刻胶电镀技术相比，前者可以在所有表面（包括半导体和绝缘体）进行喷涂，而对于光刻胶电镀技术，只能在导电层进行工艺操作。

1.2 光刻胶溶液

图1 KS-M200-1SP P喷胶机

AZ4620光刻胶的黏度是0.440 Pa·s。有文献证明，由于它的高透明度及黏度，其适用于形貌起伏很大的晶圆的涂胶和显影[1]。但是这也相应地阻碍了它在喷雾式涂胶系统中的应用，因喷雾式涂胶机能操作的溶液黏度最大不能超过0.030 Pa·s。为了克服这个问题，我们使用有机溶剂丙酮来稀释AZ4620光刻胶，降低其黏度。我们准备了丙酮与AZ4620体积比（以下均简写为V体积比）分别为40:1，20:1，10:1的 3种光刻胶稀释溶液。采用BROOKFIELD LVDV-IP黏度剂测得这3种溶液的黏度分别为 0.005，0.012，0.020 Pa·s。从图2我们可以看到，随着丙酮溶剂的加入，光刻胶溶液的黏度随之降低。

图2 溶液浓度与溶液黏度的线性关系

2 实验及结果讨论

我们分别对裸片及带有不同深度孔的晶圆进行喷雾式涂胶实验。对其实验是为了得到相应的工艺参数，尤其是对适合喷涂大深孔晶圆光刻胶的选择。

2.1 裸片

影响喷胶层膜的厚度、均匀性和粗糙度的参数为：喷雾喷嘴的角度、喷雾的压力、光刻胶溶液的V体积比、流量以及扫描的速度。在本实验中，使用 V体积比分别为 40:1，20:1，10:1的光刻胶稀释溶液，喷胶机流量为1.2 mL/min，速度为120 mm/s，直径为200 mm的硅晶圆作为衬底。理论上，喷雾式涂胶形成的膜比旋转式涂胶形成的膜厚。因此如果涂胶层比较厚而且没有足够快得到烘干，就会受到光刻胶流动的影响。由于丙酮不是一种高蒸发的溶剂，因此在系统中加入加热吸盘来加快烘干过程。本实验光刻胶喷涂过程将加热吸盘温度设置为50℃；光刻胶喷涂结束后温度设置为90℃，烘烤20 min；接着用KLA-TENCOR P-16 OF+台阶仪测定光刻胶厚度，在晶圆上选取5点进行测量，取5点的平均值a。

喷胶层均匀性的计算公式为：

其中:σ是测量值的标准偏差，a是5点测量值的平均值。

图3示出了3种V体积比的光刻胶相应的膜厚及均匀性。

膜厚随着V体积比减小而增大。但V体积比为40:1溶液得到的胶膜均匀性最好。尽管V体积比为10:1溶液得到的膜最厚，但是其薄膜的均匀性比其余两种溶液得到的薄膜差。除此之外，由于喷涂层是由一条连续的液滴层形成[2]，而高光刻胶含量的溶液相应地产生较大的光刻胶液滴，这导致了较高的表面粗糙度。

图4 不同V体积比的两种光刻胶溶液得到的表面粗糙度曲线

采用台阶仪KLA-TENCOR P-16 OF+测量喷涂层的粗糙度。图4a和4b分别是V体积比为20:1和10:1的两种光刻胶溶液得到的表面粗糙度结果曲线。从图中可以看出，20:1溶液的粗糙度为456.1 nm，而10:1的溶液的粗糙度为2.239 μm。

从以上实验中，我们可以得到如下结论：对于均匀性难以达到的高深孔晶圆，我们应该采用光刻胶含量较低的溶液，可以通过多次喷涂的方法来增加膜的厚度。增大光刻胶的流量也可以增加膜的厚度。

半导体制造各种工艺流程中常见高深宽比孔的沟槽结构，由于高表面起伏产生的重力、流量、表面张力等因素，传统的旋涂方法很难处理，而喷雾式涂胶则可以很好地解决这个问题。本实验中采用孔深度分别为：75，150，250，375，425 μm 的晶圆。

由上述实验结果，我们可以知道影响膜均匀性和厚度的参数。即对于均匀性难以达到的高深孔晶圆，应该采用光刻胶含量较低的光刻胶溶液。然而V体积比为40:1的溶液虽然能够得到较好的均匀性，但由于其丙酮含量较高，也即产生了一个问题，即溶液不能快速地蒸发并且会产生严重的流动现象。而V体积比为10:1的溶液则会产生粗糙的表面和较厚的膜。这将使有深孔晶圆的显影和曝光工艺过程变得困难。因此本实验选择V体积比为20:1的光刻胶溶液。为了使流动影响降到最低，需要加快喷涂层的烘干，这可以通过热盘来实现。光刻胶喷涂过程将加热吸盘温度设置为50℃；光刻胶喷涂结束后温度设置为90℃，烘烤20 min。图5是几种不同孔深度晶圆的膜厚和均匀性，由光学显微镜NIKON L300测试得出。

从图中我们可以看到，随着孔的深度的增加，孔内膜的均匀性和膜厚都随之变差和降低。在大多数应用中，薄膜的均匀性大约为±12%，孔深为425 μm的晶圆薄膜的均匀性大于20%。但对于大多数MEMS应用，由于它们图案的结构尺寸在几十到几百微米之间，因此，实验中得到的均匀性是可以接受的。

图5 几种不同孔深度晶圆的膜厚和均匀性

3 结 论

本文分别对裸片及带有不同深度孔的晶圆使用AZ4620光刻胶进行喷雾式涂胶实验。实验中，使用了3种稀释的AZ4620光刻胶溶液，并确定了对于喷涂有孔晶圆的最佳光刻胶浓度。喷雾式涂胶工艺得到的光刻胶膜的膜厚和均匀性适合于一些MEMS和先进封装应用，喷涂工艺已经应用于RF-MEMS、CMOS Image Sensor的制造。

未来喷雾式涂胶工艺将在旋转涂胶难以实现的集成度更高的MEMS元件和3D互连结构中进一步发展。

[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