基于超粘聚酰亞胺涂膠工藝的研究

樸勇男，李慶斌，藺偉聰

（沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備股份有限公司 遼寧·沈陽(yáng) 110000）

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的飛速發(fā)展和智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)的集成電路行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁。根據(jù)摩爾定律，前道集成電路制造中特征尺寸在不斷地減小。隨著特征尺寸不斷減小，對(duì)光刻工藝要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。特別是自2018年以來(lái)，掌握集成電路制造技術(shù)就顯得更加重要，因?yàn)槠洳粌H僅是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，更是支撐和保護(hù)國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。根據(jù)摩爾定律，前道集成電路制造中特征尺寸在不斷地減小，已經(jīng)由28nm向14nm、7nm甚至5nm發(fā)展。特征尺寸不斷減小就對(duì)光刻工藝的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。涂膠作為光刻工藝中的關(guān)鍵一環(huán)，其重要性不言而喻。聚酰亞胺（Polyimide）作為光阻的一種以其優(yōu)異的性質(zhì)被越來(lái)越多的應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，但其具有的遠(yuǎn)高于普通光阻的不穩(wěn)定性、粘度等特性也給涂膠工藝帶來(lái)了不小的難度。涂膠目的在于在晶圓表面建立薄的、均勻的、無(wú)缺陷的光刻膠膜，這些都需要精密的設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制才能達(dá)到，光阻在晶圓涂覆的均一性直接影響后續(xù)曝光時(shí)線寬的穩(wěn)定性進(jìn)而影響整個(gè)光刻工藝流程。隨著半導(dǎo)體器件線寬尺寸的不斷縮小，對(duì)光阻涂布的均勻性要求就越來(lái)越嚴(yán)格。聚酰亞胺（Polyimide）作為光阻的一種以其優(yōu)異的性質(zhì)被越來(lái)越多的應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域[1]，在某些前道半導(dǎo)體廠，超粘聚酰亞胺光阻也被應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但其具有的遠(yuǎn)高于普通光阻的不穩(wěn)定性、粘度等特性也給涂膠工藝帶來(lái)了不小的難度，因此解決高粘性聚酰亞胺光阻的涂膠均一性問題越來(lái)越重要。

1 聚酰亞胺介紹

聚酰亞胺屬環(huán)芳香脂與酰亞胺的有機(jī)高分子聚合物，具有抗輻照、抗氧化、抗腐蝕、高彈性模量、高機(jī)械性能、耐高/低溫、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)等十分優(yōu)異的性能[2]。

1.1 聚酰亞胺的性能優(yōu)勢(shì)

聚酰亞胺的主要性能優(yōu)勢(shì)包括：

（1）高機(jī)械性量：未經(jīng)填充強(qiáng)化的聚酰亞胺基體材料的抗張強(qiáng)度高達(dá)100MPa。經(jīng)強(qiáng)化后的均苯型/聯(lián)苯型聚酰亞胺可達(dá)到170MPa/400Mpa以上。應(yīng)用到工程塑料領(lǐng)域，其彈性模量為 3-4GPa，理論計(jì)算其纖維狀態(tài)可達(dá)500GPa，僅次于碳纖維材料。

（2）低介電常數(shù)：聚酰亞胺介電性能優(yōu)異，其介電常數(shù)小于3.5，氟原子摻雜后可降至2.5，寬溫度/頻率范圍內(nèi)均能保持低介電損耗、高介電強(qiáng)度、高體積電阻。

（3）強(qiáng)耐高/低溫性能：全芳香聚酰亞胺材料分解溫度高達(dá)500℃，是有機(jī)聚合物中最高之一，被應(yīng)用與超音速客機(jī)作為絕熱材料；在-269℃的液氦中仍保持一定結(jié)構(gòu)韌性。

（4）強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性：一些種類聚酰亞胺不溶于有機(jī)溶劑，耐稀酸堿，經(jīng)改性后可耐受500h，120℃水煮。

1.2 聚酰亞胺的發(fā)展歷程

1908年──Boger與Rebshaw首次報(bào)道了聚酰亞胺的制備。

1977年──日立公司將聚酰亞胺應(yīng)用于集成電路雙層布線。

1979年──TI公司將聚酰亞胺用于大規(guī)模MOS集成電路。

1990年──適用于I-Line工藝的PSPI投入集成電路生產(chǎn)應(yīng)用。

2000年──PSPI水性顯影工藝投入集成電路生產(chǎn)應(yīng)用。

截至2010年，聚酰亞胺中大品類就有20余種，并被美國(guó)化學(xué)文摘聚合物材料章單獨(dú)列題。隨著人們研究的深入，聚酰亞胺正向多功能、高性能以及易加工方向發(fā)展。

1.3 聚酰亞胺在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用

聚酰亞胺材料進(jìn)入半導(dǎo)體領(lǐng)域的四十多年以來(lái)，以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于功率器件、邏輯器件、NAND存儲(chǔ)器、專用集成電路及各類半導(dǎo)體傳感器的封裝制造中。其作用主要有以下方面：

（1）-粒子遮擋吸收層：集成電路密度不斷增大，其抗輻照性能也隨之降低，環(huán)境中微量的氡、鈾等衰變釋放的 -粒子會(huì)導(dǎo)致芯片電平錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)而發(fā)生“軟錯(cuò)誤”。高純度聚酰亞胺可以有效吸收 -粒子，用其作為屏蔽層可以顯著減小輻照對(duì)集成電路的不良干擾。

（2）應(yīng)力緩沖層：聚酰亞胺薄膜能有效解決芯片封裝時(shí)不同材料間膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的熱應(yīng)力不均問題，防止電路發(fā)生崩裂現(xiàn)象。

（3）層間介電絕緣層：聚酰亞胺由于很低的介電常數(shù)及介電損耗使其十分符合這兩點(diǎn)要求且相比無(wú)機(jī)材料成本更低而被廣泛應(yīng)用于多層金屬互聯(lián)電路的層間介電絕緣層。

（4）光電印制電路板基材：比較理想的導(dǎo)光材料便是含氟聚酰亞胺，因?yàn)槠湔凵渎蚀笮】捎珊窟M(jìn)行調(diào)整，目前此類膜已經(jīng)小批量被應(yīng)用至光電印刷電路板的制造中。

（5）在微電子工業(yè)：鈍化層和緩沖內(nèi)涂層聚酰亞胺被廣泛用作鈍化層和緩沖保護(hù)層，PI涂層能有效地阻止電子遷移和防止腐蝕，PI層對(duì)泄漏電流很小的部件起到保護(hù)作用。提高器件的機(jī)械性能，防止化學(xué)腐蝕，有效提高器件的耐濕性。PI膜具有緩沖作用，可有效減少熱應(yīng)力引起的電路故障，減少器件的損傷。聚酰亞胺涂層雖然能有效避免塑料封裝器件的開裂，但其效果與所用聚酰亞胺材料的性能密切相關(guān)。溫度高于焊接溫度，低吸水聚酰亞胺是防止器件開裂的理想內(nèi)涂層材料。

（6）粒子屏蔽膜：隨著集成電路的密度和芯片尺寸的增大，其抗輻射性能也越來(lái)越重要。高純度聚酰亞胺薄膜是一種有效的抗輻射防粒子屏蔽材料。組件外殼的還原膜防止了由于微量鈾和牡丹的釋放而引起的記憶誤差。當(dāng)然，聚酰亞胺包覆樹脂中的鈾含量也很低，256kDRAM的樹脂要求鈾含量低于0.1ppb。YimIDE可以防止芯片在后續(xù)封裝過程中開裂。

1.4 超粘聚酰亞胺涂膠工藝難點(diǎn)

聚酰亞胺材料需要與有機(jī)溶劑及感光材料一起配制成光阻，或采用光敏聚酰亞胺（PSPI）進(jìn)行涂膠工藝。然而聚酰亞胺的特殊性質(zhì)也給其涂膠工藝帶來(lái)了難度。普通光阻粘度在1-60cp，而聚酰亞胺光阻粘度可達(dá)2000-3000cp，超粘聚酰亞胺光阻黏度則達(dá)10000-20000cp，且其穩(wěn)定性也更差。這就會(huì)導(dǎo)致光阻易變質(zhì)，膠嘴易產(chǎn)生結(jié)晶等問題，使聚酰亞胺膠膜均勻性較差，尤其邊緣堆膠過厚、中心膠膜異常現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

2 聚酰亞胺涂膠工藝改進(jìn)

本文中實(shí)驗(yàn)使用沈陽(yáng)芯源公司研發(fā)的KS-FT200型前道track設(shè)備，該機(jī)型可與主流stepper聯(lián)機(jī)完成涂膠、曝光及顯影全自動(dòng)作業(yè)流程。聚酰亞胺光阻為20000cp。本文主要通過調(diào)整膠嘴出膠時(shí)的速率、出膠后wafer轉(zhuǎn)數(shù)及噴膠腔體風(fēng)速改善膜厚均勻性。

2.1 PR Dispense速率影響因素

由于選取聚酰亞胺光阻粘度很高，dispense速率也會(huì)與普通光阻有很大差異，實(shí)驗(yàn)中選取0.1ml/s、0.15ml/s、0.2ml/s以及0.3ml/s四個(gè)速度，結(jié)合數(shù)據(jù)可以看出，出膠速率越大中心點(diǎn)就會(huì)越低，這也與普通光阻規(guī)律相符合。選擇0.2ml/s的出膠速率比較合適。

2.2 PR Dispense wafer旋轉(zhuǎn)時(shí)間因素

實(shí)驗(yàn)中選取了四個(gè)不同的出膠后wafer旋轉(zhuǎn)時(shí)間5s、6s、7s以及10s。由數(shù)據(jù)可知，選取6s時(shí)膠膜均一性最佳。

2.3 PR腔體風(fēng)速因素

實(shí)驗(yàn)中選取了四個(gè)不同wafer涂膠腔體風(fēng)速考察，分別為 0.5m/s、0.8m/s、1m/s、1.5m/s。由數(shù)據(jù)可知，選取 1.5m/s時(shí)膠膜質(zhì)量最佳，為最佳顯影及后續(xù)其他工藝條件。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了聚酰亞胺的發(fā)展歷程及其在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究了超粘聚酰亞胺涂膠工藝中膠嘴出膠速率及出膠后旋轉(zhuǎn)時(shí)間及涂膠腔體風(fēng)速對(duì)膠膜均勻性的影響并得出了適合聚酰亞胺涂膠的重要工藝參數(shù)。