翟榮安，繆燦鋒，魏頂，儲(chǔ)成智，汝長(zhǎng)海,

（1.蘇州大學(xué)江蘇省機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學(xué)蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215123）

RZJ-304光刻膠壓電霧化噴涂工藝及其應(yīng)用

翟榮安1，繆燦鋒1，魏頂1，儲(chǔ)成智1，汝長(zhǎng)海1,2, *

（1.蘇州大學(xué)江蘇省機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學(xué)蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215123）

在自主搭建的壓電霧化噴涂系統(tǒng)上，以 RZJ-304正性光刻膠為研究對(duì)象，圓形拋光硅片為基材，研究了稀釋體積比、預(yù)熱溫度以及噴涂層數(shù)對(duì)光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響，并得到最佳工藝參數(shù)。以具有方形結(jié)構(gòu)的拋光硅片為基材，分別進(jìn)行壓電霧化噴涂法和離心旋轉(zhuǎn)法涂膠，并進(jìn)行圖案光刻，結(jié)果表明壓電霧化噴涂法可以在非圓形形貌上得到清晰完整的圖案，克服了傳統(tǒng)離心旋轉(zhuǎn)法無法在非圓形面上涂膠的缺陷，驗(yàn)證了壓電霧化噴涂法在非圓形形貌應(yīng)用中的可行性。

正性光刻膠；壓電霧化噴涂；平均厚度；均勻性；拋光硅片；方形結(jié)構(gòu)

First-author’s address:Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, Soochow University, Suzhou 215123, China

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro electro-mechanical systems, MEMS)和先進(jìn)封裝技術(shù)的迅速發(fā)展，光刻得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)光刻膠的涂覆要求變得愈來愈嚴(yán)格，而目前適用于圓形平面涂膠的傳統(tǒng)離心旋轉(zhuǎn)法已無法滿足非圓形面上的涂膠[1-2]。如在具有方形形貌結(jié)構(gòu)上旋涂時(shí)，離心狀態(tài)下的光刻膠在其邊緣處會(huì)受到增加的空氣摩擦力作用，不能均勻涂覆于邊緣上，這些都嚴(yán)重影響了后續(xù)的光刻工藝步驟以及最終光刻圖案的效果[3]。另外，絕大多數(shù)的光刻膠因離心旋轉(zhuǎn)法的離心力被甩離晶圓表面，造成浪費(fèi)，利用率低，并對(duì)環(huán)境和人體的健康構(gòu)成危害[4]。

壓電霧化噴涂法具有電源功耗低、粒徑小、均勻性好等特點(diǎn)[5]，不僅可以滿足圓形平面涂膠的均勻性要求，而且能夠在非圓形形貌上涂膠，同時(shí)可以提高光刻膠的利用率[6]。因此，本文自主搭建了壓電霧化噴涂系統(tǒng)，采用RZJ-304正性光刻膠為研究對(duì)象，圓形拋光硅片為基材，分別研究了稀釋體積比、預(yù)熱溫度和噴涂層數(shù)這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響，并獲得最佳工藝參數(shù)。除此之外，本文還采用具有方形結(jié)構(gòu)的拋光硅片為基材，分別用傳統(tǒng)離心旋轉(zhuǎn)法和壓電霧化噴涂法進(jìn)行光刻膠涂覆并光刻，得到了這兩種方法的光刻圖案，對(duì)比它們的涂覆效果，以便為今后集成度更高的MEMS器件和3D互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[7-9]打下基礎(chǔ)。

1 霧化涂膠工藝

1. 1 霧化涂膠系統(tǒng)

壓電霧化噴涂系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)的硬件主要由控制流量的液泵、控制工作板預(yù)熱溫度的溫度控制器、薄膜加熱的加熱臺(tái)、霧化導(dǎo)向的氣泵、壓電霧化電源、控制噴頭二維運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)滑臺(tái)、觸摸屏等組成。如圖 2所示，該觸摸屏通過基于EB8000軟件開發(fā)的HMI人機(jī)界面改變PLC(可編程邏輯控制器)程序，從而控制各電氣元件的運(yùn)行。

圖1 壓電霧化噴涂系統(tǒng)Figure 1 Piezoelectric spray coating system

圖2 人機(jī)界面Figure 2 Human-machine interface

1. 2 工藝參數(shù)

一般影響壓電霧化噴涂光刻膠薄膜平均厚度和均勻性的工藝參數(shù)比較多，其中稀釋體積比、預(yù)熱溫度和噴涂層數(shù)影響顯著。壓電霧化噴涂法對(duì)光刻膠的黏度要求很高，因此使用有機(jī)溶劑丙酮來稀釋 RZJ-304正性光刻膠。稀釋體積比與光刻膠溶液的濃度有直接關(guān)系[10]，而光刻膠溶液的濃度會(huì)影響光刻膠薄膜平均厚度和均勻性。配制了丙酮與RZJ-304體積比分別為1∶1、2∶1、4∶1的3種光刻膠稀釋液。壓電霧化噴涂的光刻膠比較厚，因此噴在硅片上的光刻膠易流動(dòng)[11]，硅片需要預(yù)熱以降低流動(dòng)性，而流動(dòng)性與光刻膠薄膜的均勻性有很大關(guān)系，設(shè)置溫度控制器的溫度分別為40、45、50、55和60 °C。光刻膠薄膜平均厚度是通過光刻膠稀釋液在噴頭壓電霧化后層層疊加而成，而每一層的光刻膠薄膜均勻性都不同，設(shè)置噴涂層數(shù)為1 ～ 6層。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

2. 1 圓形拋光硅片

在實(shí)驗(yàn)前，先調(diào)節(jié)了一些影響實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，液泵的注射量為0.2 mL/min，氣泵的壓強(qiáng)為6.2 kPa，壓電霧化電源的功率為1 W，X軸方向的掃描速率為300 mm/s，Y軸方向的掃描速率為100 mm/s，噴頭與工作臺(tái)的垂直距離為58 mm。等光刻膠在裸片上噴涂結(jié)束后，硅片要放到加熱臺(tái)上烘烤，設(shè)置加熱臺(tái)溫度為100 °C，烘烤時(shí)間為90 s。烘烤完后，用DEKTAK XT臺(tái)階輪廓儀測(cè)定硅片上光刻膠薄膜厚度，在硅片上取7點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到薄膜平均厚度D。以測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD來表征薄膜均勻性[12]：

式中，σ是測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。RSD越小，均勻性越好。

表1所示為噴涂3層、預(yù)熱溫度為45 °C、不同稀釋體積比下，光刻膠薄膜的平均厚度以及均勻性。

表1 不同稀釋體積比所得膜層的平均厚度及均勻性Table 1 Average thickness and uniformity of films obtained at different dilution volume ratio

從表1可以看出，光刻膠薄膜平均厚度會(huì)隨著光刻膠溶液稀釋體積比的減小而增大。稀釋體積比為2∶1時(shí)得到的薄膜均勻性最好，接近于離心旋轉(zhuǎn)式平面涂膠的均勻性，而稀釋體積比為4∶1時(shí)得到的薄膜均勻性較差。在大多數(shù)薄膜應(yīng)用中，薄膜均勻性約為 12%就可以滿足要求，因此實(shí)驗(yàn)中所得薄膜的均勻性都在可接受范圍之內(nèi)，說明壓電霧化噴涂法可以應(yīng)用于平面涂膠中。

采用稀釋體積比為2∶1的光刻膠稀釋液，在不同預(yù)熱溫度下對(duì)硅片噴涂2層，圖3所示為所得光刻膠薄膜的平均厚度以及均勻性。從圖 3可以看出，預(yù)熱溫度對(duì)光刻膠薄膜平均厚度基本沒有影響。隨著預(yù)熱溫度的提高，光刻膠溶液在硅片上的流動(dòng)性會(huì)降低，但是單個(gè)光刻膠液滴的溶劑揮發(fā)快，溶質(zhì)迅速濃縮成顆粒，液滴無法與硅片充分接觸，導(dǎo)致光刻膠薄膜均勻性降低[13-14]。預(yù)熱溫度分別為40 °C和45 °C時(shí)得到的薄膜均勻性最好，均勻性約為4%。而預(yù)熱溫度為60 °C時(shí)得到的薄膜均勻性最差，但仍在可接受范圍之內(nèi)。因此，可以通過改變預(yù)熱溫度來控制光刻膠溶液的流動(dòng)性和光刻膠薄膜的均勻性。

選稀釋體積比為2∶1的光刻膠稀釋液在40 °C的預(yù)熱溫度下對(duì)硅片進(jìn)行多次噴涂，圖4所示為不同噴涂層數(shù)的光刻膠薄膜的平均厚度以及均勻性。從圖4可以看出，光刻膠薄膜平均厚度隨著噴涂層數(shù)的增加而增大，3層薄膜的均勻性最好。1層和2層薄膜的均勻性雖較差，但均在可接受范圍之內(nèi)。5層和6層薄膜的均勻性比較接近，處于飽和狀態(tài)，均為3.0%左右，接近于離心旋轉(zhuǎn)式平面涂膠的均勻性。因此，可以通過增加壓電霧化噴涂層數(shù)來提高薄膜均勻性，但噴涂層數(shù)不應(yīng)超過5層，以提高光刻膠利用率。

圖3 不同預(yù)熱溫度所得膜層的平均厚度及均勻性Figure 3 Average thickness and uniformity of films obtained at different preheating temperatures

圖4 不同噴涂層數(shù)所得膜層的平均厚度及均勻性Figure 4 Average thickness and uniformity of films obtained with different numbers of spraying layer

2. 2 方形結(jié)構(gòu)的拋光硅片

在形貌起伏大的MEMS器件應(yīng)用中，傳統(tǒng)的離心旋涂法已無法滿足其要求[15]。為了驗(yàn)證壓電霧化噴涂法可應(yīng)用于非圓形面上的涂膠，選用了方形結(jié)構(gòu)的拋光硅片為基材，然后用稀釋體積比2∶1的光刻膠溶液在預(yù)熱溫度40 °C下對(duì)硅片噴涂1層，噴涂完后進(jìn)行烘烤，并用烘烤后所得光刻膠薄膜進(jìn)行光刻，曝光時(shí)間4 s，顯影時(shí)間30 s，得到如圖5a所示的光刻圖案。選用KW-4A型臺(tái)式勻膠機(jī)，低速500 r/min旋轉(zhuǎn)5 s，再高速1 000 r/min旋轉(zhuǎn)30 s，旋涂完后進(jìn)行前烘，前烘溫度100 °C，前烘時(shí)間90 s，曝光時(shí)間4 s，顯影時(shí)間30 s，得到圖5b所示的光刻圖案?？梢杂^察到壓電霧化噴涂法的光刻圖案清晰完整，較均勻，克服了離心旋轉(zhuǎn)法在非圓形面上的涂膠缺陷。但是壓電霧化噴涂法的光刻膠薄膜平均厚度偏大，會(huì)給光刻帶來許多問題。因此，后期需要繼續(xù)研究如何在保證壓電霧化噴涂光刻膠薄膜平均厚度不大的前提下提高薄膜均勻性。

圖5 不同涂覆工藝所得光刻圖案的對(duì)比Figure 5 Comparison of photoetched patterns obtained by different coating processes

3 結(jié)語(yǔ)

本文用RZJ-304正性光刻膠對(duì)圓形拋光硅片進(jìn)行壓電霧化噴涂，得出最佳工藝參數(shù)：稀釋體積比2∶1，預(yù)熱溫度40 °C，噴涂層數(shù)3層。以方形結(jié)構(gòu)的拋光硅片為基材，分別采用壓電霧化噴涂法和離心旋轉(zhuǎn)法得到的光刻膠薄膜進(jìn)行光刻，結(jié)果證明了壓電霧化噴涂法克服了離心旋轉(zhuǎn)法的缺陷，可以應(yīng)用于非圓形形貌的涂膠。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

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Process for piezoelectric spray coating of RZJ-304 photoresist and its application

ZHAI Rong-an, MIAO Can-feng,

WEI Ding, CHU Cheng-zhi, RU Chang-hai*

The effects of dilution volume ratio, preheating temperature and spray layer number on average thickness and uniformity of the film of RZJ-304 positive photoresist on polished round silicon wafer as substrate were studied by using a home-built piezoelectric spraying system and the optimal process parameters were determined. The polished silicon wafers with square patterns were coated with RZJ-304 by centrifugal spinning and piezoelectric spraying respectively and then photoetched. The results showed that clear and complete patterns can be formed on noncircular structures by piezoelectric spraying, overcoming the problem that noncircular surface cannot be coated by centrifugal spinning method and proving the feasibility of piezoelectric spraying for noncircular configurations.

positive photoresist; piezoelectric spraying; average thickness; uniformity; polished silicon wafer; square structure

TN305; TH122

A

1004 - 227X (2016) 20 - 1070 - 04

2016-08-31

2016-09-29

國(guó)家自然科學(xué)基金儀器重大專項(xiàng)（61327811）；蘇州市科學(xué)發(fā)展計(jì)劃納米技術(shù)專項(xiàng)（ZXG201433）；歐盟第七框架國(guó)際合作基金（PIRSES-GA-2013-612641）。

翟榮安（1992-），男，安徽六安人，工學(xué)碩士，主要研究微納電子與顯微操作方向。

汝長(zhǎng)海，教授，(E-mail) rzh@suda.edu.cn。