RZJ-304光刻胶压电雾化喷涂工艺及其应用

翟荣安，缪灿锋，魏顶，储成智，汝长海,

（1.苏州大学江苏省机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215123；2.苏州大学苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215123）

RZJ-304光刻胶压电雾化喷涂工艺及其应用

翟荣安1，缪灿锋1，魏顶1，储成智1，汝长海1,2, *

（1.苏州大学江苏省机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215123；2.苏州大学苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215123）

在自主搭建的压电雾化喷涂系统上，以 RZJ-304正性光刻胶为研究对象，圆形抛光硅片为基材，研究了稀释体积比、预热温度以及喷涂层数对光刻胶薄膜平均厚度及均匀性的影响，并得到最佳工艺参数。以具有方形结构的抛光硅片为基材，分别进行压电雾化喷涂法和离心旋转法涂胶，并进行图案光刻，结果表明压电雾化喷涂法可以在非圆形形貌上得到清晰完整的图案，克服了传统离心旋转法无法在非圆形面上涂胶的缺陷，验证了压电雾化喷涂法在非圆形形貌应用中的可行性。

正性光刻胶；压电雾化喷涂；平均厚度；均匀性；抛光硅片；方形结构

First-author’s address:Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, Soochow University, Suzhou 215123, China

近年来，随着微机电系统(Micro electro-mechanical systems, MEMS)和先进封装技术的迅速发展，光刻得到了广泛的应用，对光刻胶的涂覆要求变得愈来愈严格，而目前适用于圆形平面涂胶的传统离心旋转法已无法满足非圆形面上的涂胶[1-2]。如在具有方形形貌结构上旋涂时，离心状态下的光刻胶在其边缘处会受到增加的空气摩擦力作用，不能均匀涂覆于边缘上，这些都严重影响了后续的光刻工艺步骤以及最终光刻图案的效果[3]。另外，绝大多数的光刻胶因离心旋转法的离心力被甩离晶圆表面，造成浪费，利用率低，并对环境和人体的健康构成危害[4]。

压电雾化喷涂法具有电源功耗低、粒径小、均匀性好等特点[5]，不仅可以满足圆形平面涂胶的均匀性要求，而且能够在非圆形形貌上涂胶，同时可以提高光刻胶的利用率[6]。因此，本文自主搭建了压电雾化喷涂系统，采用RZJ-304正性光刻胶为研究对象，圆形抛光硅片为基材，分别研究了稀释体积比、预热温度和喷涂层数这3个工艺参数对光刻胶薄膜平均厚度及均匀性的影响，并获得最佳工艺参数。除此之外，本文还采用具有方形结构的抛光硅片为基材，分别用传统离心旋转法和压电雾化喷涂法进行光刻胶涂覆并光刻，得到了这两种方法的光刻图案，对比它们的涂覆效果，以便为今后集成度更高的MEMS器件和3D互连结构的应用[7-9]打下基础。

1 雾化涂胶工艺

1. 1 雾化涂胶系统

压电雾化喷涂系统如图1所示，该系统的硬件主要由控制流量的液泵、控制工作板预热温度的温度控制器、薄膜加热的加热台、雾化导向的气泵、压电雾化电源、控制喷头二维运动的电动滑台、触摸屏等组成。如图 2所示，该触摸屏通过基于EB8000软件开发的HMI人机界面改变PLC(可编程逻辑控制器)程序，从而控制各电气元件的运行。

图1 压电雾化喷涂系统Figure 1 Piezoelectric spray coating system

图2 人机界面Figure 2 Human-machine interface

1. 2 工艺参数

一般影响压电雾化喷涂光刻胶薄膜平均厚度和均匀性的工艺参数比较多，其中稀释体积比、预热温度和喷涂层数影响显著。压电雾化喷涂法对光刻胶的黏度要求很高，因此使用有机溶剂丙酮来稀释 RZJ-304正性光刻胶。稀释体积比与光刻胶溶液的浓度有直接关系[10]，而光刻胶溶液的浓度会影响光刻胶薄膜平均厚度和均匀性。配制了丙酮与RZJ-304体积比分别为1∶1、2∶1、4∶1的3种光刻胶稀释液。压电雾化喷涂的光刻胶比较厚，因此喷在硅片上的光刻胶易流动[11]，硅片需要预热以降低流动性，而流动性与光刻胶薄膜的均匀性有很大关系，设置温度控制器的温度分别为40、45、50、55和60 °C。光刻胶薄膜平均厚度是通过光刻胶稀释液在喷头压电雾化后层层叠加而成，而每一层的光刻胶薄膜均匀性都不同，设置喷涂层数为1 ～ 6层。

2 实验及结果讨论

2. 1 圆形抛光硅片

在实验前，先调节了一些影响实验的参数，液泵的注射量为0.2 mL/min，气泵的压强为6.2 kPa，压电雾化电源的功率为1 W，X轴方向的扫描速率为300 mm/s，Y轴方向的扫描速率为100 mm/s，喷头与工作台的垂直距离为58 mm。等光刻胶在裸片上喷涂结束后，硅片要放到加热台上烘烤，设置加热台温度为100 °C，烘烤时间为90 s。烘烤完后，用DEKTAK XT台阶轮廓仪测定硅片上光刻胶薄膜厚度，在硅片上取7点进行测量，得到薄膜平均厚度D。以测量值的相对标准偏差RSD来表征薄膜均匀性[12]：

式中，σ是测量值的标准偏差。RSD越小，均匀性越好。

表1所示为喷涂3层、预热温度为45 °C、不同稀释体积比下，光刻胶薄膜的平均厚度以及均匀性。

表1 不同稀释体积比所得膜层的平均厚度及均匀性Table 1 Average thickness and uniformity of films obtained at different dilution volume ratio

从表1可以看出，光刻胶薄膜平均厚度会随着光刻胶溶液稀释体积比的减小而增大。稀释体积比为2∶1时得到的薄膜均匀性最好，接近于离心旋转式平面涂胶的均匀性，而稀释体积比为4∶1时得到的薄膜均匀性较差。在大多数薄膜应用中，薄膜均匀性约为 12%就可以满足要求，因此实验中所得薄膜的均匀性都在可接受范围之内，说明压电雾化喷涂法可以应用于平面涂胶中。

采用稀释体积比为2∶1的光刻胶稀释液，在不同预热温度下对硅片喷涂2层，图3所示为所得光刻胶薄膜的平均厚度以及均匀性。从图 3可以看出，预热温度对光刻胶薄膜平均厚度基本没有影响。随着预热温度的提高，光刻胶溶液在硅片上的流动性会降低，但是单个光刻胶液滴的溶剂挥发快，溶质迅速浓缩成颗粒，液滴无法与硅片充分接触，导致光刻胶薄膜均匀性降低[13-14]。预热温度分别为40 °C和45 °C时得到的薄膜均匀性最好，均匀性约为4%。而预热温度为60 °C时得到的薄膜均匀性最差，但仍在可接受范围之内。因此，可以通过改变预热温度来控制光刻胶溶液的流动性和光刻胶薄膜的均匀性。

选稀释体积比为2∶1的光刻胶稀释液在40 °C的预热温度下对硅片进行多次喷涂，图4所示为不同喷涂层数的光刻胶薄膜的平均厚度以及均匀性。从图4可以看出，光刻胶薄膜平均厚度随着喷涂层数的增加而增大，3层薄膜的均匀性最好。1层和2层薄膜的均匀性虽较差，但均在可接受范围之内。5层和6层薄膜的均匀性比较接近，处于饱和状态，均为3.0%左右，接近于离心旋转式平面涂胶的均匀性。因此，可以通过增加压电雾化喷涂层数来提高薄膜均匀性，但喷涂层数不应超过5层，以提高光刻胶利用率。

图3 不同预热温度所得膜层的平均厚度及均匀性Figure 3 Average thickness and uniformity of films obtained at different preheating temperatures

图4 不同喷涂层数所得膜层的平均厚度及均匀性Figure 4 Average thickness and uniformity of films obtained with different numbers of spraying layer

2. 2 方形结构的抛光硅片

在形貌起伏大的MEMS器件应用中，传统的离心旋涂法已无法满足其要求[15]。为了验证压电雾化喷涂法可应用于非圆形面上的涂胶，选用了方形结构的抛光硅片为基材，然后用稀释体积比2∶1的光刻胶溶液在预热温度40 °C下对硅片喷涂1层，喷涂完后进行烘烤，并用烘烤后所得光刻胶薄膜进行光刻，曝光时间4 s，显影时间30 s，得到如图5a所示的光刻图案。选用KW-4A型台式匀胶机，低速500 r/min旋转5 s，再高速1 000 r/min旋转30 s，旋涂完后进行前烘，前烘温度100 °C，前烘时间90 s，曝光时间4 s，显影时间30 s，得到图5b所示的光刻图案。可以观察到压电雾化喷涂法的光刻图案清晰完整，较均匀，克服了离心旋转法在非圆形面上的涂胶缺陷。但是压电雾化喷涂法的光刻胶薄膜平均厚度偏大，会给光刻带来许多问题。因此，后期需要继续研究如何在保证压电雾化喷涂光刻胶薄膜平均厚度不大的前提下提高薄膜均匀性。

图5 不同涂覆工艺所得光刻图案的对比Figure 5 Comparison of photoetched patterns obtained by different coating processes

3 结语

本文用RZJ-304正性光刻胶对圆形抛光硅片进行压电雾化喷涂，得出最佳工艺参数：稀释体积比2∶1，预热温度40 °C，喷涂层数3层。以方形结构的抛光硅片为基材，分别采用压电雾化喷涂法和离心旋转法得到的光刻胶薄膜进行光刻，结果证明了压电雾化喷涂法克服了离心旋转法的缺陷，可以应用于非圆形形貌的涂胶。

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[ 编辑：温靖邦 ]

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Process for piezoelectric spray coating of RZJ-304 photoresist and its application

ZHAI Rong-an, MIAO Can-feng,

WEI Ding, CHU Cheng-zhi, RU Chang-hai*

The effects of dilution volume ratio, preheating temperature and spray layer number on average thickness and uniformity of the film of RZJ-304 positive photoresist on polished round silicon wafer as substrate were studied by using a home-built piezoelectric spraying system and the optimal process parameters were determined. The polished silicon wafers with square patterns were coated with RZJ-304 by centrifugal spinning and piezoelectric spraying respectively and then photoetched. The results showed that clear and complete patterns can be formed on noncircular structures by piezoelectric spraying, overcoming the problem that noncircular surface cannot be coated by centrifugal spinning method and proving the feasibility of piezoelectric spraying for noncircular configurations.

positive photoresist; piezoelectric spraying; average thickness; uniformity; polished silicon wafer; square structure

TN305; TH122

A

1004 - 227X (2016) 20 - 1070 - 04

2016-08-31

2016-09-29

国家自然科学基金仪器重大专项（61327811）；苏州市科学发展计划纳米技术专项（ZXG201433）；欧盟第七框架国际合作基金（PIRSES-GA-2013-612641）。

翟荣安（1992-），男，安徽六安人，工学硕士，主要研究微纳电子与显微操作方向。

汝长海，教授，(E-mail) rzh@suda.edu.cn。