GaN基上制備聚酰亞胺微圖形方法的研究

徐兆青　孫廣輝　周靜

【摘 要】由于GaN結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)特性，導(dǎo)致聚酰亞胺很難在GaN基上形成標(biāo)準(zhǔn)有效的微圖形。本文是在氮化鎵（GaN）基材料表面上先制備一層幾何圖形金屬作為遮光層，再利用聚酰亞胺（PI）負(fù)性感光性的性質(zhì)來(lái)制備聚酰亞胺微圖形，此方法在GaN基材料表面上制備的聚酰亞胺微圖形表面平坦，不會(huì)被顯影液等有機(jī)溶劑溶脹，其熱膨脹系數(shù)小且絕緣性優(yōu)異，可以用作GaN基表面的保護(hù)膜、層間的絕緣膜、溝槽的填充物等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】GaN基；聚酰亞胺（PI）；金屬遮光層；微圖形

1 背景介紹

氮化鎵（GaN）三族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體材料體系，由于其寬廣的帶隙（從0.6eV的紅外區(qū)域一直覆蓋到6.1eV的深紫外區(qū)域）和優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，在藍(lán)、綠、紫外（UV）及深紫外波段的發(fā)光二極管（LED）和激光器（LD）等光電子器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用[1]。由于一些GaN芯片的特殊設(shè)計(jì)，經(jīng)常需要一種粘附性良好不易被顯影液、去膠液等溶脹又具有一定厚度且具有光敏特性的絕緣材料來(lái)充當(dāng)圖形表面的保護(hù)膜、層間的絕緣膜、深溝槽的填充物，尤其是隨著芯片大集成化、高密度化，多芯片組件（MCM）應(yīng)運(yùn)而生[2]，其關(guān)鍵技術(shù)就是需要填充深溝槽將多芯片組件表面平坦化。

聚酰亞胺（PI）是一種綜合性能十分優(yōu)異的材料：耐高低溫性能優(yōu)異，分解溫度在500℃左右，250℃下可以連續(xù)使用70000h，在熱力學(xué)溫度4K（-269℃）的液態(tài)氦中仍不會(huì)脆裂；機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下只發(fā)生很小的蠕變，耐磨減磨性良好，200℃經(jīng)過(guò)1500h老化處理其拉伸強(qiáng)度降低較少；電學(xué)性能良好，介電常數(shù)為3.4左右，介電損耗為10-3；熱膨脹系數(shù)低，不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生覆膜脫粘現(xiàn)象；耐化學(xué)藥品性能好，可以耐有機(jī)溶劑、耐稀酸[3-4]。聚酰亞胺（PI）、旋涂玻璃介質(zhì)膜（SOG）、苯丙環(huán)丁烯（BCB）為代表的耐熱性樹(shù)脂已被廣泛用作電子學(xué)領(lǐng)域中的半導(dǎo)體元件表面保護(hù)膜、層間絕緣膜、溝槽填充物等。尤其是PI相對(duì)SOG有著理想的膜厚及良好粘附性，PI相對(duì)BCB其成本優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，因此PI在眾多耐熱性樹(shù)脂中更是脫穎而出，首推為最理想的使用材料。

光敏性PI經(jīng)紫外線（i，g線）曝光后發(fā)生光固化交聯(lián)反應(yīng)，將非曝光區(qū)用有機(jī)或水性溶劑溶解后，可得到高分辨率的圖形，此圖形經(jīng)加熱固化后形成的聚酰亞胺層膜具有低介電常數(shù)和低吸水率及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能及光學(xué)性能。然而目前工藝上PI旋涂的基材一般為硅片、陶瓷、耐熱性樹(shù)脂、載體膜、鋁板、不銹鋼板、各種合金板等支撐的基材，幾乎找不到GaN基上使用PI的案例。這主要是因?yàn)镚aN特殊的結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)特性，導(dǎo)致單純使用紫外光刻技術(shù)無(wú)法使負(fù)性光敏聚酰亞胺在GaN基上形成標(biāo)準(zhǔn)有效的微圖形，進(jìn)而在制作工藝上阻礙了一些設(shè)計(jì)良好的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方案之實(shí)施。本文將制備一層幾何圖形金屬作為遮光層，再利用聚酰亞胺負(fù)性感光性的性質(zhì)來(lái)制備聚酰亞胺微圖形， 使以上阻礙迎刃而解，為半導(dǎo)體發(fā)光器件制造中GaN基表面保護(hù)膜、層間絕緣膜、溝槽填充物的制備工藝提供一些參考思路。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與設(shè)備

2.1.1 材料

藍(lán)寶石或Si或SiC為襯底的GaN基；負(fù)性光刻膠；去離子水；去膠液；丙酮；無(wú)水乙醇；鹽酸；乙酸丁酯；ZKPI-520I型負(fù)性光敏聚酰亞胺；金屬Ni或Ti；

2.1.2 設(shè)備

勻膠機(jī)；光刻機(jī)；烘箱；金屬蒸發(fā)臺(tái)；

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 流程

制備光刻膠掩膜層→蒸鍍金屬層→形成幾何圖形的金屬遮光層 →制備聚酰亞胺微圖形→亞胺化（低溫固化）→去除金屬遮光層→亞胺化（高溫固化）

2.2.2 制備

1）利用常規(guī)紫外光刻技術(shù)在5片以藍(lán)寶石為襯底的GaN基上制備光刻膠幾何圖形掩膜層。

2）利用真空蒸鍍?cè)O(shè)備在上述GaN基上蒸鍍100nm Ni金屬層。

3）用110℃去膠液3min將Ni金屬層進(jìn)行Lift-off技術(shù)工藝，Lift-off工藝后先浸入丙酮中10～30sec，再浸入無(wú)水乙醇中10～30sec，取出后用去離子水沖洗干凈，放入烘箱烘干，得到具有幾何圖形的金屬Ni遮光層。

4）利用旋涂方法在上述5片GaN基上涂布一層均勻的負(fù)型聚酰亞胺薄膜，5片GaN基分別為1000rpm12sec、2000rpm14 sec、3000 rpm16 sec、4000 rpm17 sec、5000 rpm18 sec，然后進(jìn)行前烘，溫度110℃，烘烤時(shí)間為5min。

5）利用步驟1）中所用的光刻掩模版套刻對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行曝光，5片的曝光時(shí)間分別為20sec、18sec、16sec、14sec、12sec，用聚酰亞胺相應(yīng)的顯影液顯影3min，然后在乙酸丁酯中定影2min，得到聚酰亞胺的微圖形，其圖形與金屬層的幾何圖形相反。

6）對(duì)5片GaN片材上的聚酰亞胺微圖形進(jìn)行0～300℃的低溫固化，如圖1。

7）用體積濃度為50%鹽酸水溶液去除GaN片材上殘余的Ni金屬遮光層，時(shí)間5min。

8）對(duì)GaN片材上的聚酰亞胺微圖形進(jìn)行330℃，60min的高溫固化，完成聚酰亞胺微圖形的制備。

2.3 測(cè)試

采用顯微鏡觀察以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的表面形貌。

采用臺(tái)階儀測(cè)量以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的厚度。

采用電容儀測(cè)試以上5片GaN基聚酰亞胺微圖形的薄膜電容，在相對(duì)濕度為50%、溫度為18℃、頻率范圍在50KHZ～800KHZ下測(cè)得薄膜電容值，再通過(guò)式（1）計(jì)算獲得薄膜的介電常數(shù)，測(cè)試3次取平均值。

其中ε為薄膜的介電常數(shù)，C為測(cè)得的薄膜電容值，d為薄膜的厚度，s為電極面積，ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85*10^（-12）F/m。

3 結(jié)果與討論

以上制備的5片GaN基聚酰亞胺圖形均不易被顯影液、去膠液等溶脹，機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性好，同時(shí)與GaN粘附性良好，表面平坦，顯微鏡觀察的表面形貌如圖2和圖3。臺(tái)階儀測(cè)得5片的PI薄膜厚度為2um～7um，旋涂轉(zhuǎn)速與厚度關(guān)系如圖4。5片樣片通過(guò)電容儀測(cè)試電容再計(jì)算得出的介電常數(shù)均在4以下。

4 結(jié)論

該制作方法工藝簡(jiǎn)便，易操作，成本較低，且成品率高。制備出的聚酰亞胺圖形與GaN粘附性良好，同時(shí)不易被顯影液、去膠液等溶脹，而且低介電常數(shù)絕緣性能較好，厚度根據(jù)需要可以做到2um～7um，機(jī)械性能優(yōu)良，用此聚酰亞胺微圖形可以充當(dāng)GaN芯片的表面保護(hù)膜、層間絕緣膜、深溝槽填充物，尤其能夠解決多芯片組件（MCM）的表面平坦化，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]張俊彥，劉維民，薛群基.聚酰亞胺膜的熱性能分析[J].化學(xué)物理學(xué)報(bào)，1999，12（2）：197-200.

[責(zé)任編輯：田吉捷]