GaN基上制备聚酰亚胺微图形方法的研究

徐兆青　孙广辉　周静

【摘 要】由于GaN结构特性和光学特性，导致聚酰亚胺很难在GaN基上形成标准有效的微图形。本文是在氮化镓（GaN）基材料表面上先制备一层几何图形金属作为遮光层，再利用聚酰亚胺（PI）负性感光性的性质来制备聚酰亚胺微图形，此方法在GaN基材料表面上制备的聚酰亚胺微图形表面平坦，不会被显影液等有机溶剂溶胀，其热膨胀系数小且绝缘性优异，可以用作GaN基表面的保护膜、层间的绝缘膜、沟槽的填充物等，具有广阔的应用前景。

【關键词】GaN基；聚酰亚胺（PI）；金属遮光层；微图形

1 背景介绍

氮化镓（GaN）三族氮化物宽禁带半导体材料体系，由于其宽广的带隙（从0.6eV的红外区域一直覆盖到6.1eV的深紫外区域）和优异的光学、电学性质，在蓝、绿、紫外（UV）及深紫外波段的发光二极管（LED）和激光器（LD）等光电子器件领域有着广阔的应用[1]。由于一些GaN芯片的特殊设计，经常需要一种粘附性良好不易被显影液、去胶液等溶胀又具有一定厚度且具有光敏特性的绝缘材料来充当图形表面的保护膜、层间的绝缘膜、深沟槽的填充物，尤其是随着芯片大集成化、高密度化，多芯片组件（MCM）应运而生[2]，其关键技术就是需要填充深沟槽将多芯片组件表面平坦化。

聚酰亚胺（PI）是一种综合性能十分优异的材料：耐高低温性能优异，分解温度在500℃左右，250℃下可以连续使用70000h，在热力学温度4K（-269℃）的液态氦中仍不会脆裂；机械强度高，高温下只发生很小的蠕变，耐磨减磨性良好，200℃经过1500h老化处理其拉伸强度降低较少；电学性能良好，介电常数为3.4左右，介电损耗为10-3；热膨胀系数低，不会因为温度变化而发生覆膜脱粘现象；耐化学药品性能好，可以耐有机溶剂、耐稀酸[3-4]。聚酰亚胺（PI）、旋涂玻璃介质膜（SOG）、苯丙环丁烯（BCB）为代表的耐热性树脂已被广泛用作电子学领域中的半导体元件表面保护膜、层间绝缘膜、沟槽填充物等。尤其是PI相对SOG有着理想的膜厚及良好粘附性，PI相对BCB其成本优势显而易见，因此PI在众多耐热性树脂中更是脱颖而出，首推为最理想的使用材料。

光敏性PI经紫外线（i，g线）曝光后发生光固化交联反应，将非曝光区用有机或水性溶剂溶解后，可得到高分辨率的图形，此图形经加热固化后形成的聚酰亚胺层膜具有低介电常数和低吸水率及优良的热稳定性、机械性能及光学性能。然而目前工艺上PI旋涂的基材一般为硅片、陶瓷、耐热性树脂、载体膜、铝板、不锈钢板、各种合金板等支撑的基材，几乎找不到GaN基上使用PI的案例。这主要是因为GaN特殊的结构特性和光学特性，导致单纯使用紫外光刻技术无法使负性光敏聚酰亚胺在GaN基上形成标准有效的微图形，进而在制作工艺上阻碍了一些设计良好的半导体发光器件制造方案之实施。本文将制备一层几何图形金属作为遮光层，再利用聚酰亚胺负性感光性的性质来制备聚酰亚胺微图形， 使以上阻碍迎刃而解，为半导体发光器件制造中GaN基表面保护膜、层间绝缘膜、沟槽填充物的制备工艺提供一些参考思路。

2 实验部分

2.1 材料与设备

2.1.1 材料

蓝宝石或Si或SiC为衬底的GaN基；负性光刻胶；去离子水；去胶液；丙酮；无水乙醇；盐酸；乙酸丁酯；ZKPI-520I型负性光敏聚酰亚胺；金属Ni或Ti；

2.1.2 设备

匀胶机；光刻机；烘箱；金属蒸发台；

2.2 实验方法

2.2.1 流程

制备光刻胶掩膜层→蒸镀金属层→形成几何图形的金属遮光层 →制备聚酰亚胺微图形→亚胺化（低温固化）→去除金属遮光层→亚胺化（高温固化）

2.2.2 制备

1）利用常规紫外光刻技术在5片以蓝宝石为衬底的GaN基上制备光刻胶几何图形掩膜层。

2）利用真空蒸镀设备在上述GaN基上蒸镀100nm Ni金属层。

3）用110℃去胶液3min将Ni金属层进行Lift-off技术工艺，Lift-off工艺后先浸入丙酮中10～30sec，再浸入无水乙醇中10～30sec，取出后用去离子水冲洗干净，放入烘箱烘干，得到具有几何图形的金属Ni遮光层。

4）利用旋涂方法在上述5片GaN基上涂布一层均匀的负型聚酰亚胺薄膜，5片GaN基分别为1000rpm12sec、2000rpm14 sec、3000 rpm16 sec、4000 rpm17 sec、5000 rpm18 sec，然后进行前烘，温度110℃，烘烤时间为5min。

5）利用步骤1）中所用的光刻掩模版套刻对聚酰亚胺薄膜进行曝光，5片的曝光时间分别为20sec、18sec、16sec、14sec、12sec，用聚酰亚胺相应的显影液显影3min，然后在乙酸丁酯中定影2min，得到聚酰亚胺的微图形，其图形与金属层的几何图形相反。

6）对5片GaN片材上的聚酰亚胺微图形进行0～300℃的低温固化，如图1。

7）用体积浓度为50%盐酸水溶液去除GaN片材上残余的Ni金属遮光层，时间5min。

8）对GaN片材上的聚酰亚胺微图形进行330℃，60min的高温固化，完成聚酰亚胺微图形的制备。

2.3 测试

采用显微镜观察以上5片GaN基聚酰亚胺微图形的表面形貌。

采用台阶仪测量以上5片GaN基聚酰亚胺微图形的厚度。

采用电容仪测试以上5片GaN基聚酰亚胺微图形的薄膜电容，在相对湿度为50%、温度为18℃、频率范围在50KHZ～800KHZ下测得薄膜电容值，再通过式（1）计算获得薄膜的介电常数，测试3次取平均值。

其中ε为薄膜的介电常数，C为测得的薄膜电容值，d为薄膜的厚度，s为电极面积，ε0为真空介电常数，ε0=8.85*10^（-12）F/m。

3 结果与讨论

以上制备的5片GaN基聚酰亚胺图形均不易被显影液、去胶液等溶胀，机械强度高，耐热性好，同时与GaN粘附性良好，表面平坦，显微镜观察的表面形貌如图2和图3。台阶仪测得5片的PI薄膜厚度为2um～7um，旋涂转速与厚度关系如图4。5片样片通过电容仪测试电容再计算得出的介电常数均在4以下。

4 结论

该制作方法工艺简便，易操作，成本较低，且成品率高。制备出的聚酰亚胺图形与GaN粘附性良好，同时不易被显影液、去胶液等溶胀，而且低介电常数绝缘性能较好，厚度根据需要可以做到2um～7um，机械性能优良，用此聚酰亚胺微图形可以充当GaN芯片的表面保护膜、层间绝缘膜、深沟槽填充物，尤其能够解决多芯片组件（MCM）的表面平坦化，具有极大的经济价值和使用价值。

【参考文献】

[1]郭伟玲，钱可元，王军喜.LED器件与工艺技术[M].北京：电子工业出版社2015.

[2]王秀峰，伍媛婷.微电子材料与器件制备技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]丁孟贤，何天白.聚酰亚胺新型材料[M].北京：科学出版社，1998.

[4]张俊彦，刘维民，薛群基.聚酰亚胺膜的热性能分析[J].化学物理学报，1999，12（2）：197-200.

[责任编辑：田吉捷]