结构化晶圆表面厚胶喷涂工艺

引 言
随着微电子机械系统 （ＭＥＭＳ）和三维 （３Ｄ） 微系统不断朝着小型化和高密度集成方向发展，对 半导体制造关键工艺———光刻制程的要求越来越 高，特别是在一些 ３Ｄ 集成封装结构以及 ＭＥＭＳ 传感器芯片都需要通过后通孔工艺实现芯片焊盘与 外部结构的电互连，这就需要在形貌起伏很大的凹 凸结构晶圆表面均匀地涂覆光刻胶。目前广泛应用 于光刻领域的旋转涂覆技术多采用中心滴定方式， 利用载台旋转时的离心作用进行匀胶和甩胶，在该 过程中滴到晶圆表面的胶大部分被甩出，特别是对 于１２英寸 （１英寸＝２．５４ｃｍ）超大晶圆，胶的利 用率更低，使生产成本大幅提高。另一方面，因 光刻胶多为有机物，不能自行降解，进入环境中后 会对人体和环境带来一定的损害，而预处理费几乎 逼近光刻胶消耗费用。从应用角度来讲，旋转滴胶 的方法在形貌起伏很大、高深宽比的非平面表面涂 覆后均匀性差，在后续光刻工艺中得到的图形一致 性差，不能满足使用要求。

超声雾化喷涂法具有液滴平均粒径小、电源功 耗低、均匀性好等特点，不仅能够在三维形貌结构 上涂胶，同时可以提高光刻胶的利用率，因此被认 为是一种绿色的光刻胶薄膜制备工艺。Ｎ．Ｐ．Ｐｈａｍ 、Ｃ．Ｂｒｕｂａｋｅｒ等人［３］和 Ｑ．Ｍｉｃｈａｅｌ等人［４］的 研究表明光刻胶薄膜的厚度、均匀性和粗糙度主要 取决于光刻胶的稀释浓度、喷嘴的扫描速度和光刻 胶的供给速度等工艺参数。但对于超声雾化喷 涂法，目 前 在 １２ 英 寸 超 大 晶 圆 高 深 宽 比 硅 通 孔 （ＴＳＶ）结构中的应用研究较少，且喷涂后表面较 大尺寸的胶颗粒不利于微纳尺寸图形的制备。本 文基于超声雾化原理及喷涂工艺过程，以 ＡＺ４６２０ 光刻胶为研究对象，以完成孔槽刻蚀的硅片为基 材，分别研究了稀释质量比、超声功率、氮气体积 流量、喷嘴与晶圆表面的间距和载台温度对喷胶颗 粒大小、晶圆表面粗糙度和凹槽台阶覆盖率的影 响。通过对工艺过程影响因素的优化，得到了光刻 胶薄膜表面颗粒细小、均匀性好、台阶覆盖率高的 凹槽结构，为 ＭＥＭＳ和三维集成微系统的发展奠 定良好了基础。

雾化喷涂工艺
１．１ 雾化喷涂过程
在雾化喷涂系统中，当机械泵向喷头供液后， 胶滴在超声振动的作用下雾化，雾化后的小胶滴在 氮气气流的作用下加速喷向晶圆表面。因晶圆处于 加热状态，微小光刻胶液滴到达晶圆表面后迅速固 化，避免了因重力、表面张力等流变因素发生流动 或堆积现象。

１．２ ＴＳＶ内部结构
本文采用经刻蚀得到的具有孔槽结构的１２英 寸 ＴＳＶ 晶圆为基材，重点研究孔表面光刻胶喷涂 指标。在该结构中，孔的底部开口 ５５μｍ，倾 角 ７０°，槽的底部开口１３０μｍ，倾角６０。

实验结果及讨论
取一张１２英寸双面抛光的裸硅片，经光刻刻 蚀工艺后得到如图１所示的孔槽结构。采用超声雾 化喷涂法在其表面喷涂稀释后的 ＡＺ４６２０光刻胶， 采用 ＤＥＫＴＡＫ ＸＴＬ 台阶轮廓仪测定喷涂后的硅 片，并计算其平面平均厚度 （Ｄ），则薄膜均匀性 （τ）为 τ＝（σ／Ｄ）×１００％ （１） 式中：σ为膜厚测量值的标准偏差；τ越小，膜厚 均匀性越好，薄膜质量越好［７］。理想状态下喷涂后 凹槽结构内与平面上膜厚应相同，但喷涂过程中光 刻胶颗粒受重力、比表面积等因素的影响，会导致 孔槽侧壁和底部胶偏薄，太薄的膜厚会影响后续工 艺的进行，对样品切片后在高倍显微镜下测得孔槽 内光刻胶膜最薄处厚度 （Ｎ），采用最小台阶覆盖 率 （Ｃ）来表征孔槽结构内膜厚涂覆的均匀性，则 有 Ｃ＝（Ｎ／Ｍ）×１００％ （２） 式中 Ｍ 为 光 刻 胶 薄 膜 的 目 标 厚 度，产 品 要 求 为 １０μｍ。Ｍ 一定的条件下，Ｎ 越小则Ｃ 越小，孔 槽结构内膜厚均匀性越好。

氮气体积流量影响分析
光刻胶经超声振动雾化成胶滴后，为避免胶滴 随空气四处飘散造成涂覆不均，需在气流的引导作 用下飞向晶圆表面。

体积流量的增加，胶颗粒粒径先减小后增大，最小 台阶覆盖率先增大后减小，膜厚均匀性先减小后增 大。这是因为喷胶过程中雾化后的胶颗粒需要在氮 气气流的作用下加速喷向晶圆表面，当液滴刚离开 喷头时，相对速度很低，当氮气体积流量很低时， 液滴到达晶圆表面的时间增加，且雾化呈收缩聚拢 状，液滴之间的空气有足够的时间被完全排开而缓 慢接触，发生聚合，使液滴直径变大，导致胶颗粒 变大。随着氮气体积流量的增加，在气流作用下， 液滴沉积到晶圆表面的时间缩短，有效降低了液滴 发生聚合的概率，使胶颗粒的粒径减小。但是随着 氮气体积流量的进一步增加，液滴动能增加，液滴 之间的气体膜遭到破坏，液滴重新发生聚合，导致 胶颗粒再次增大，膜厚均匀性和台阶覆率变差。综合 考虑氮气体积流量对胶颗粒、最小台阶覆盖率和膜厚 均匀性的影响，氮气体积流量选择为１１０Ｌ／ｍｉｎ。

结 论
本文通过对１２英寸结构化晶圆表面喷胶工艺 制作，分别研究了喷涂过程因素对涂胶工艺指标的 影响，得到 ＡＺ４６２０光刻胶喷涂的最优工艺参数。 当稀释质量比为５∶１、超声功率为２ｋＷ、氮气体 积流 量 为 １１０ Ｌ／ｍｉｎ、 喷 嘴 与 晶 圆 表 面 间 距 为 １８μｍ、载台温度为８０ ℃时，能够得到胶颗粒细 小、胶厚均匀性好、台阶覆盖率高的涂覆刻蚀片。 结果表明，喷涂工艺能够很好地应用于表面凹凸结 构中，可以有效地促进３Ｄ 微组装工艺的发展，在 微电子和 ＭＥＭＳ领域应用前景广阔。