基于超粘聚酰亚胺涂胶工艺的研究

朴勇男，李庆斌，蔺伟聪

（沈阳芯源微电子设备股份有限公司 辽宁·沈阳 110000）

0 引言

近年来，随着科技的飞速发展和智能化进程的不断推进，国内的集成电路行业发展势头十分强劲。根据摩尔定律，前道集成电路制造中特征尺寸在不断地减小。随着特征尺寸不断减小，对光刻工艺要求也越来越严苛。特别是自2018年以来，掌握集成电路制造技术就显得更加重要，因为其不仅仅是现代高科技产业的基础，更是支撑和保护国家安全的战略性、基础性产业。根据摩尔定律，前道集成电路制造中特征尺寸在不断地减小，已经由28nm向14nm、7nm甚至5nm发展。特征尺寸不断减小就对光刻工艺的要求也越来越严苛。涂胶作为光刻工艺中的关键一环，其重要性不言而喻。聚酰亚胺（Polyimide）作为光阻的一种以其优异的性质被越来越多的应用于半导体领域，但其具有的远高于普通光阻的不稳定性、粘度等特性也给涂胶工艺带来了不小的难度。涂胶目的在于在晶圆表面建立薄的、均匀的、无缺陷的光刻胶膜，这些都需要精密的设备和严格的工艺控制才能达到，光阻在晶圆涂覆的均一性直接影响后续曝光时线宽的稳定性进而影响整个光刻工艺流程。随着半导体器件线宽尺寸的不断缩小，对光阻涂布的均匀性要求就越来越严格。聚酰亚胺（Polyimide）作为光阻的一种以其优异的性质被越来越多的应用于半导体领域[1]，在某些前道半导体厂，超粘聚酰亚胺光阻也被应用越来越广泛,但其具有的远高于普通光阻的不稳定性、粘度等特性也给涂胶工艺带来了不小的难度，因此解决高粘性聚酰亚胺光阻的涂胶均一性问题越来越重要。

1 聚酰亚胺介绍

聚酰亚胺属环芳香脂与酰亚胺的有机高分子聚合物，具有抗辐照、抗氧化、抗腐蚀、高弹性模量、高机械性能、耐高/低温、低热膨胀系数、低介电常数等十分优异的性能[2]。

1.1 聚酰亚胺的性能优势

聚酰亚胺的主要性能优势包括：

（1）高机械性量：未经填充强化的聚酰亚胺基体材料的抗张强度高达100MPa。经强化后的均苯型/联苯型聚酰亚胺可达到170MPa/400Mpa以上。应用到工程塑料领域，其弹性模量为 3-4GPa，理论计算其纤维状态可达500GPa，仅次于碳纤维材料。

（2）低介电常数：聚酰亚胺介电性能优异，其介电常数小于3.5，氟原子掺杂后可降至2.5，宽温度/频率范围内均能保持低介电损耗、高介电强度、高体积电阻。

（3）强耐高/低温性能：全芳香聚酰亚胺材料分解温度高达500℃，是有机聚合物中最高之一，被应用与超音速客机作为绝热材料；在-269℃的液氦中仍保持一定结构韧性。

（4）强化学稳定性：一些种类聚酰亚胺不溶于有机溶剂，耐稀酸碱，经改性后可耐受500h，120℃水煮。

1.2 聚酰亚胺的发展历程

1908年──Boger与Rebshaw首次报道了聚酰亚胺的制备。

1977年──日立公司将聚酰亚胺应用于集成电路双层布线。

1979年──TI公司将聚酰亚胺用于大规模MOS集成电路。

1990年──适用于I-Line工艺的PSPI投入集成电路生产应用。

2000年──PSPI水性显影工艺投入集成电路生产应用。

截至2010年，聚酰亚胺中大品类就有20余种，并被美国化学文摘聚合物材料章单独列题。随着人们研究的深入，聚酰亚胺正向多功能、高性能以及易加工方向发展。

1.3 聚酰亚胺在半导体工业中的应用

聚酰亚胺材料进入半导体领域的四十多年以来，以其优异的性能被广泛应用于功率器件、逻辑器件、NAND存储器、专用集成电路及各类半导体传感器的封装制造中。其作用主要有以下方面：

（1）-粒子遮挡吸收层：集成电路密度不断增大，其抗辐照性能也随之降低，环境中微量的氡、铀等衰变释放的 -粒子会导致芯片电平错误翻转而发生“软错误”。高纯度聚酰亚胺可以有效吸收 -粒子，用其作为屏蔽层可以显著减小辐照对集成电路的不良干扰。

（2）应力缓冲层：聚酰亚胺薄膜能有效解决芯片封装时不同材料间膨胀系数差异导致的热应力不均问题，防止电路发生崩裂现象。

（3）层间介电绝缘层：聚酰亚胺由于很低的介电常数及介电损耗使其十分符合这两点要求且相比无机材料成本更低而被广泛应用于多层金属互联电路的层间介电绝缘层。

（4）光电印制电路板基材：比较理想的导光材料便是含氟聚酰亚胺，因为其折射率大小可由含氟量进行调整，目前此类膜已经小批量被应用至光电印刷电路板的制造中。

（5）在微电子工业：钝化层和缓冲内涂层聚酰亚胺被广泛用作钝化层和缓冲保护层，PI涂层能有效地阻止电子迁移和防止腐蚀，PI层对泄漏电流很小的部件起到保护作用。提高器件的机械性能，防止化学腐蚀，有效提高器件的耐湿性。PI膜具有缓冲作用，可有效减少热应力引起的电路故障，减少器件的损伤。聚酰亚胺涂层虽然能有效避免塑料封装器件的开裂，但其效果与所用聚酰亚胺材料的性能密切相关。温度高于焊接温度，低吸水聚酰亚胺是防止器件开裂的理想内涂层材料。

（6）粒子屏蔽膜：随着集成电路的密度和芯片尺寸的增大，其抗辐射性能也越来越重要。高纯度聚酰亚胺薄膜是一种有效的抗辐射防粒子屏蔽材料。组件外壳的还原膜防止了由于微量铀和牡丹的释放而引起的记忆误差。当然，聚酰亚胺包覆树脂中的铀含量也很低，256kDRAM的树脂要求铀含量低于0.1ppb。YimIDE可以防止芯片在后续封装过程中开裂。

1.4 超粘聚酰亚胺涂胶工艺难点

聚酰亚胺材料需要与有机溶剂及感光材料一起配制成光阻，或采用光敏聚酰亚胺（PSPI）进行涂胶工艺。然而聚酰亚胺的特殊性质也给其涂胶工艺带来了难度。普通光阻粘度在1-60cp，而聚酰亚胺光阻粘度可达2000-3000cp，超粘聚酰亚胺光阻黏度则达10000-20000cp，且其稳定性也更差。这就会导致光阻易变质，胶嘴易产生结晶等问题，使聚酰亚胺胶膜均匀性较差，尤其边缘堆胶过厚、中心胶膜异常现象比较严重。

2 聚酰亚胺涂胶工艺改进

本文中实验使用沈阳芯源公司研发的KS-FT200型前道track设备，该机型可与主流stepper联机完成涂胶、曝光及显影全自动作业流程。聚酰亚胺光阻为20000cp。本文主要通过调整胶嘴出胶时的速率、出胶后wafer转数及喷胶腔体风速改善膜厚均匀性。

2.1 PR Dispense速率影响因素

由于选取聚酰亚胺光阻粘度很高，dispense速率也会与普通光阻有很大差异，实验中选取0.1ml/s、0.15ml/s、0.2ml/s以及0.3ml/s四个速度，结合数据可以看出，出胶速率越大中心点就会越低，这也与普通光阻规律相符合。选择0.2ml/s的出胶速率比较合适。

2.2 PR Dispense wafer旋转时间因素

实验中选取了四个不同的出胶后wafer旋转时间5s、6s、7s以及10s。由数据可知，选取6s时胶膜均一性最佳。

2.3 PR腔体风速因素

实验中选取了四个不同wafer涂胶腔体风速考察，分别为 0.5m/s、0.8m/s、1m/s、1.5m/s。由数据可知，选取 1.5m/s时胶膜质量最佳，为最佳显影及后续其他工艺条件。

3 结语

本文介绍了聚酰亚胺的发展历程及其在半导体工业中的应用。重点研究了超粘聚酰亚胺涂胶工艺中胶嘴出胶速率及出胶后旋转时间及涂胶腔体风速对胶膜均匀性的影响并得出了适合聚酰亚胺涂胶的重要工艺参数。