薄膜電路通孔結(jié)構(gòu)光刻膠噴涂工藝

魏曉 ，柳龍華，邱穎霞

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088)

薄膜電路是采用金屬化、涂膠、曝光、顯影、電鍍加厚、刻蝕、去膠等工藝在特定介質(zhì)襯底上制作的互連電路結(jié)構(gòu)。它具有線條精度高、互連密度高和可集成無源元件等特點(diǎn)，在機(jī)載、星載和航天等鄰域中的微波電路上有著廣泛的應(yīng)用[1]。微波薄膜電路由于工作頻率高，對(duì)接地要求也特別高。相比于傳統(tǒng)的金絲接地方法，利用薄膜金屬化通孔接地不僅能夠減小電路串?dāng)_和插入損耗，而且可以增加電路散熱和可靠性[2]。

光刻（包括涂膠、曝光、顯影）作為薄膜多層電路研制中最重要的工藝步驟之一，是目前唯一可在基底上制作亞微米精度圖形的技術(shù)。而涂膠則是光刻工藝中的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)楣饪棠z涂覆的厚度和均勻性對(duì)光刻后圖形的精度有直接的影響。傳統(tǒng)的光刻膠涂覆方式為旋涂，其原理是在高速旋轉(zhuǎn)的基片上，利用離心力使滴在基片上的膠液均勻地涂覆在基片表面，光刻膠涂覆的厚度取決于膠液和基片間的粘滯系數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)時(shí)間等因素。旋涂方式只適用于表面平整度較高的基片，難以在形貌起伏很大、具有高深寬比的非平面表面實(shí)現(xiàn)光刻膠的均勻涂覆，而且對(duì)于非圓形基片表面的涂覆同樣無法達(dá)到理想的工藝效果。近年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微光機(jī)電系統(tǒng)（OEMS）等技術(shù)的發(fā)展使得旋涂法遇到越來越多的挑戰(zhàn)，薄膜器件中許多微結(jié)構(gòu)的三維特性給旋轉(zhuǎn)涂膠造成一定的困難。隨著超聲波噴嘴噴涂等精細(xì)霧化技術(shù)的成熟，噴涂法開始用于光刻工藝中的涂膠工藝。1999年，奧地利EV Group 公司推出了選用超聲霧化噴嘴作為噴涂工具的EVG 101 系列噴涂設(shè)備，用于光致抗蝕劑的噴涂。2000年，德國SUSS MicroTec 公司推出了與之類似的噴涂設(shè)備(Delta AltaSpray 噴膠系統(tǒng))。相比傳統(tǒng)的光刻膠旋涂法，噴膠法具有的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）不規(guī)則形和特重型基片的涂膠；（2）多個(gè)小基片同時(shí)涂膠；（3）易碎結(jié)構(gòu)的保護(hù)性涂膠；（4）填充懸空；（5）光刻膠利用率高等。

1 多通孔薄膜電路制作工藝

含有金屬化孔結(jié)構(gòu)的薄膜電路制作工藝包含打孔、金屬化、光刻、電鍍、去膠和刻蝕等步驟。如圖1 所示，光刻膠旋涂法無法在起伏結(jié)構(gòu)的尖角部分覆蓋光刻膠，會(huì)造成孔邊緣處無光刻膠保護(hù)，從而導(dǎo)致邊緣處的金屬層被刻蝕掉，即所謂的“破孔”現(xiàn)象，形成孔兩側(cè)金屬層之間的斷路。通過優(yōu)化工藝流程，可以調(diào)整工藝步驟，在打孔之前光刻、刻蝕，制作出正面的薄膜電路圖形[3]，其工藝流程見圖2。這種方法采用旋膠法涂膠，通過先光刻再打孔避開了通孔結(jié)構(gòu)的旋涂難題，適用于無噴膠設(shè)備的情況。但由于此種方法無法使用已預(yù)先打好孔的基片，生產(chǎn)效率相對(duì)較低，不適用于對(duì)產(chǎn)量和效率有一定要求的批產(chǎn)任務(wù)。

圖1 起伏結(jié)構(gòu)旋涂效果示意圖

圖2 旋涂法多通孔薄膜電路工藝流程圖

相對(duì)于旋涂法，噴涂法特別適用于起伏結(jié)構(gòu)，如通孔、坑道、深槽等的光刻膠涂覆。通過使用高壓氣流將光刻膠液滴打碎，形成霧狀噴射，噴在起伏結(jié)構(gòu)的表面，形成如圖3 所示的均勻光刻膠膜層，避免了“破孔”現(xiàn)象的產(chǎn)生。采用噴涂法的多通孔薄膜電路的工藝流程見圖4。

圖3 起伏結(jié)構(gòu)噴涂效果示意圖

圖4 噴涂法多通孔薄膜電路工藝流程圖

2 噴膠實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 噴膠機(jī)

本實(shí)驗(yàn)采用的噴膠機(jī)集涂膠功能和噴膠功能為一體，既可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膠，也可進(jìn)行噴霧涂膠，適用于研發(fā)和小批量生產(chǎn)的應(yīng)用。

噴膠機(jī)所用的超聲噴頭包含有膠霧過濾器和氮?dú)鈬娚洵h(huán), 它利用超聲波將光刻膠霧化成精細(xì)液滴，其平均特征直徑約為20 μm。氮?dú)鈬娚洵h(huán)通過調(diào)節(jié)壓力可控制膠霧運(yùn)動(dòng)的區(qū)域和運(yùn)動(dòng)速度, 以及輔助膠霧在結(jié)構(gòu)側(cè)壁的快速干燥, 從而在室溫下實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的均勻涂膠。為滿足良好霧化的要求，選用的光致抗蝕劑的黏度必須低于0.02 Pa·s[4]。稀釋后的光刻膠溶液采用自動(dòng)注射泵系統(tǒng)精確控制噴霧劑量。

操縱噴嘴移動(dòng)的噴膠臂可自由擺動(dòng)。通過調(diào)節(jié)噴嘴與基片的高度和傾斜角度，以及其在基片表面掃描運(yùn)動(dòng)的速度，可以確保高深結(jié)構(gòu)圖形四周涂膠的均勻性。噴涂過程中，噴嘴角度保持某一角度不變，噴嘴沿直徑方向在基片上方一定距離進(jìn)行掃描，同時(shí)基片低速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一般為30～60 r/min（示意圖見圖5）。為了保證膜厚均勻，噴嘴穿過基片上方時(shí)掃描速度應(yīng)是不斷變化的，其運(yùn)行速率隨所處區(qū)域不同而變化（圖6）。如圖所示，當(dāng)噴嘴處于基片中心區(qū)域時(shí)，掃描速率最大；當(dāng)噴嘴處于基片邊緣區(qū)域時(shí)，掃描速率最小。圖6 中的掃描軌跡被劃分為15 個(gè)區(qū)域，噴嘴的掃描速率以電動(dòng)機(jī)節(jié)距數(shù)來表示，速率曲線沿中心區(qū)域位置左右對(duì)稱。

2.2 結(jié)果和討論

圖5 噴嘴運(yùn)行軌跡示意圖

圖6 噴嘴掃描速率曲線

基片采用厚度為0.381 mm 的2 英寸拋光氧化鋁陶瓷片，通孔直徑包含0.2 mm、0.3 mm 和0.5 mm 三種孔徑，孔間距大于2 mm，側(cè)壁與基片上表面夾角小于85°。采用丁酮和丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA） 將選用光刻膠稀釋至黏度低于0.02 Pa·s（光刻膠∶丁酮∶PGMEA≈1 mL∶6 mL∶2 mL）。噴膠共進(jìn)行9 次，基片旋轉(zhuǎn)速度統(tǒng)一設(shè)為50 r/min，氮?dú)饬髁抗潭ㄔO(shè)為60 L/min。前8次的噴膠流量設(shè)為10 μL/s，而最后一次的噴膠流量增大為20 μL/s，以獲得較光滑的光刻膠表面。所有9 次噴嘴掃描速率曲線均一致，采用經(jīng)過優(yōu)化的工藝參數(shù)（見圖7）。

圖7 經(jīng)優(yōu)化的噴嘴掃描速率曲線

噴膠完成后先在110 ℃下烘烤5 min，再選取4 個(gè)點(diǎn)T1、T2、T3和T4，分別用HITACHI 掃描電鏡測量其光刻膠厚度，選取位置如圖8 所示。T1代表基片表面，T2為通孔邊緣處，T3為孔側(cè)壁的中部，而T4則為通孔側(cè)壁底部。光刻膠厚度均勻性由厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以厚度平均值再乘以100%獲得，即：

均勻性=（標(biāo)準(zhǔn)偏差/厚度平均值）×100%

圖8 光刻膠厚度測量點(diǎn)示意圖

圖9 為某一通孔截面的掃面電鏡照片，分別標(biāo)出了T1、T2、T3和T4處的光刻膠厚度, 它們之間的關(guān)系為T1>T2>T3>T4。其中，T2略小于T1，這是由于T2處于通孔邊緣，噴涂上的部分光刻膠在干燥之前由于重力的原因流入通孔中。另外，T3和T4位于通孔側(cè)壁上，霧狀光刻膠液滴由于孔的幾何外形的限制，較難抵達(dá)這兩處，使得T3和T4遠(yuǎn)小于T1和T2。T4位于通孔底部，相對(duì)于T3而言，膠霧更難噴涂到，所以T4比T3更小。

圖9 經(jīng)噴涂后的通孔截面掃面電鏡照片

在同一基片上選取10 個(gè)不同通孔并分別測量每個(gè)通孔T1、T2、T3和T4四處的光刻膠厚度，測量結(jié)果見表1。

表1 光刻膠噴涂厚度測量結(jié)果

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的旋涂法相比，光刻膠噴霧涂膠法可以在具有起伏結(jié)構(gòu)的基片表面實(shí)現(xiàn)光刻膠的均勻涂覆。另一方面，噴涂法的光刻膠利用率可達(dá)到90%，也遠(yuǎn)高于旋涂法的光刻膠利用率。本文采用噴涂工藝實(shí)現(xiàn)了通孔結(jié)構(gòu)表面的均勻涂膠，滿足了后續(xù)的孔金屬化工藝要求，適用于高密度通孔微波薄膜電路的研制。

未來，光刻膠的噴涂工藝將在MEMS 器件制造和3D 互連集成等旋涂工藝難以滿足要求的應(yīng)用中得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

[1] 毛小紅，高能武，項(xiàng)博，等.微波單片陶瓷電路技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2009，30（2）：86-88.

[2] 謝飛，高能武，秦躍利. 薄膜電路孔金屬化工藝[J]. 混合微電子技術(shù)，2001，12（2，3）：56-58.

[3] 柳龍華，解啟林. 高密度通孔薄膜電路工藝技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2012，33(03)：142-144，181.

[4] Pham N P，Scholtes T，Klerk R，et al. Direct Spray Coating of Photoresist for MEMS Applications[J].SPIE，2001，4557：312-319.