硅通孔用光刻膠霧化噴涂技術(shù)

汪明波，王紹勇

（沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽 110168）

1 引言

硅通孔互連技術(shù)作為新一代封裝技術(shù)，是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制造垂直導(dǎo)通，實現(xiàn)芯片之間的互連，這一技術(shù)能夠在三維方向使得堆疊密度最大而外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗性能[1]。

為實現(xiàn)硅通孔互連，需要進行一系列的工藝步驟，例如刻蝕形成通孔、鈍化通孔、金屬化通孔。一些工藝應(yīng)用需要在通孔內(nèi)部或不平坦晶圓表面均勻涂布光刻膠，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)涂膠方法因為離心力很難滿足三維微結(jié)構(gòu)的要求，噴霧式涂膠是攻克這些挑戰(zhàn)的一種有效方法。與電鍍光刻膠不同，噴霧式涂膠技術(shù)不受待噴涂基底材料影響，既適用于導(dǎo)電基底也適用于絕緣基底。圖1是硅通孔制作工藝流程圖。

圖1 通孔制作工藝流程

2 光刻膠霧化噴涂

2.1 準(zhǔn)備晶圓

為實現(xiàn)硅通孔互聯(lián)，需要先在200mm硅晶圓上制作高深寬比通孔。首先，經(jīng)由前道工藝在硅晶圓正面制作微芯片，然后進入后道將硅晶圓鍵合在玻璃晶圓載體上，并對硅晶圓背面減薄至100μm，在減薄的硅晶圓背面進行通孔刻蝕，此試驗制作的深孔是70°～80°的斜面孔。需要說明的是，因為深孔側(cè)壁是有一定角度的斜面，深孔在硅晶圓正面（即深孔底部）的尺寸即為掩膜版的特征尺寸，深孔在硅晶圓背面（即深孔頂部）的尺寸比底部尺寸大。

接下來，在深孔內(nèi)部淀積介電層，并在介電層上實現(xiàn)光刻膠刻印圖形。根據(jù)刻印圖形在深孔底部刻蝕接觸孔，目的是通過后續(xù)的金屬電鍍實現(xiàn)硅晶圓正反面的金屬互連。在深孔底部制作光刻膠刻印圖形，需要在深孔內(nèi)部均勻涂布光刻膠，這就要應(yīng)用到光刻膠霧化噴涂工藝。

2.2 霧化噴涂系統(tǒng)

試驗采用AZ4620光刻膠與PGMEA的稀釋液。AZ4620光刻膠粘度為440CP[2]，霧化噴涂系統(tǒng)要求處理化學(xué)液粘度小于30CP，另外，低粘度光刻膠也是獲得均勻霧化顆粒和良好顆粒分布的必要條件。試驗采用了AZ4620與PGMEA體積比為1:10的稀釋液，粘度為25CP。試驗在沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司KS-M200-1SP噴霧式涂膠機上進行（如圖2）。

圖2 KS-M200-1SP噴霧式涂膠機

噴霧式涂膠機采用超聲低壓噴霧噴嘴，噴嘴通過震蕩方式產(chǎn)生微小的光刻膠液滴，光刻膠液滴經(jīng)由壓縮空氣或者氮氣氣流，加速噴向晶圓表面。圖3是噴霧式涂膠原理圖，如圖所示，噴嘴固定在X-Y雙向運動臂上，按照設(shè)定的速度和步距（pitch）可掃描整個晶圓表面。

3 試驗

3.1 裸片

首先，在裸片上進行噴霧式涂膠試驗，目的是測試涂膠各工藝參數(shù)，如噴嘴流量、掃描速度、噴嘴和晶圓之間的距離等等。綜合調(diào)節(jié)各個參數(shù)，以獲得均勻的不同厚度的光刻膠圖層，例如，改變噴嘴流量可以顯著改變厚度，調(diào)節(jié)氮氣壓力可以改變均勻性。噴嘴流量與光刻膠厚度和均勻性的關(guān)系見圖4。多次噴涂也可增加光刻膠圖層厚度。

圖3 霧化噴涂原理圖

圖4 流量與膜厚、均勻性的關(guān)系

3.2 加熱吸盤

通過裸片試驗確定優(yōu)化的工藝配方后，利用此配方在準(zhǔn)備好的帶孔晶圓上霧化噴涂光刻膠。由于光刻膠的流動性、深孔引起的晶圓表面的高低起伏、表面張力等因素，深孔上角不能被光刻膠覆蓋，會在整個涂層產(chǎn)生缺口（如圖5）。光刻膠涂層作為后續(xù)介電層刻蝕的保護層，上角的覆蓋率非常重要，缺口會導(dǎo)致上角處的介電層被刻蝕，引起短路。

為了避免上角缺口，KS-M200-1SP噴霧式涂膠機采用了加熱吸盤，晶圓處于加熱狀態(tài)，使微小光刻膠液滴迅速固化，幾乎沒有時間因重力、表面張力等流變因素發(fā)生流動或堆積。熱盤利用內(nèi)部電阻絲加熱，溫度可在23℃～90℃內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖5是在不同溫度下噴涂通孔截面圖。在25℃室溫下，上角有部分沒有覆蓋，如圖5（a）；在65℃下，上角完全被覆蓋，如圖5（b）；在85℃下，上角也可以完全覆蓋，如圖5（c）。然而，80℃會導(dǎo)致光刻膠表面粗糙并產(chǎn)生針孔，如圖6、圖7。

圖5 不同溫度下噴涂通孔截面圖

圖6 不同溫度下的表面粗糙情況

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)涂膠相比，光刻膠霧化噴涂可在起伏不平的晶圓表面均勻涂布光刻膠，這使得霧化噴涂技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。本文對噴霧式涂膠各工藝參數(shù)進行了優(yōu)化組合，提出了利用加熱吸盤獲得良好上角覆蓋率的有效方法，并在50℃～65℃內(nèi)獲得最佳表面粗糙度。霧化噴涂技術(shù)為實現(xiàn)3D硅通孔互連提供了保障。

圖7 80℃下針孔圖片

目前，光刻膠霧化噴涂的典型應(yīng)用是RFMEMS、CMOS Image Sensor的制造，同時，霧化噴涂技術(shù)也可應(yīng)用于其他3D互連和MEMS。

[1]童志義.3D IC集成與硅通孔（TSV）互連[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，170：27-34.

[2]AZ4500 Series Photoresist[P].Technical information,Clariant Co.