基于壓電霧化噴涂的光刻膠涂覆工藝及其應用研究

翟榮安，汝長海，陳瑞華，朱軍輝

(1.蘇州微賽智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州大學機器人與微系統研究中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

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基于壓電霧化噴涂的光刻膠涂覆工藝及其應用研究

翟榮安，汝長海，陳瑞華，朱軍輝

(1.蘇州微賽智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州大學機器人與微系統研究中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

本文在自主搭建的壓電霧化噴涂系統上，以RFJ-210負性光刻膠為研究對象，拋光硅片為基材，分別研究了稀釋體積比、速度以及距離等噴涂工藝對光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響。并以表面具有非平面凸臺結構的ITO玻璃為基材，分別進行壓電霧化噴涂法和旋轉法涂膠，實驗結果表明:壓電霧化噴涂法可以在三維形貌結構表面上涂覆，克服了傳統旋轉法無法在三維形貌結構表面上涂膠的缺陷，驗證了壓電霧化噴涂法在三維形貌結構表面應用中的可行性。

負性光刻膠；壓電霧化噴涂；平均厚度；均勻性；拋光硅片；凸臺結構

隨著微機電系統(Micro electro-mechanical systems，MEMS)和集成電路的迅速發展，光刻得到了廣泛的關注，而目前適用于平面涂膠的傳統旋轉法已無法滿足三維形貌結構上的涂膠。如在具有凸臺結構或高深寬比凹槽器件上旋涂時，離心狀態下的光刻膠會受到凸臺結構或凹槽的阻礙而無法均勻涂覆其表面上，這些都嚴重影響了后續的光刻工藝步驟以及最終光刻圖案的效果。另外，絕大多數的光刻膠因離心旋轉法的離心力被甩離晶圓表面，造成浪費，利用率低并對環境和人體的健康構成危害。

壓電霧化噴涂法具有粒徑小、電源功耗低、均勻性好等特點，不僅能夠在三維形貌結構上涂膠，同時可以提高光刻膠的利用率。因此，本文自主搭建了壓電霧化噴涂系統，采用RFJ-210負性光刻膠為研究對象，拋光硅片為基材，分別研究了稀釋體積比、速度和距離這3個工藝參數對光刻膠薄膜平均厚度及均勻性的影響。除此之外，本文還采用具有表面凸臺結構的ITO玻璃為基材，分別用傳統旋轉法和壓電霧化噴涂法進行光刻膠涂覆，得到了這兩種方法的涂覆表面顯微圖，對比它們的涂覆效果，以便為今后集成度更高的MEMS器件和3D互連結構的應用打下基礎。

1 霧化涂膠工藝

1.1 霧化涂膠系統

壓電霧化噴涂系統如圖1所示，該系統硬件主要由注射泵、霧化噴頭、吸附板、加熱板、電動滑臺、控制箱、空氣壓縮機、溫度控制器、觸摸屏和壓電電源等組成。如圖2所示，該系統采用威綸通專用編程軟件EasyBuilder 8000對觸摸屏人機界面進行編程。

圖1 壓電霧化噴涂系統Fig.1 Piezoelectric atomization spray system

圖2 人機界面Fig.2 Man-machine interface

1.2 工藝參數

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比較多，其中稀釋體積比、速度和距離影響顯著。壓電霧化噴涂法對光刻膠的黏度要求很高，因此使用有機溶劑二甲苯稀釋RFJ-210負性光刻膠。稀釋體積比與光刻膠溶液的濃度有直接關系，而光刻膠溶液的濃度會影響光刻膠薄膜平均厚度和均勻性。配制了二甲苯與RFJ-210體積比分別為4∶1、6∶1、8∶1的3種光刻膠稀釋液。噴頭移動的速度會改變光刻膠液滴的速度大小和方向，從而對光刻膠薄膜平均厚度和均勻性產生影響。噴頭離基材的距離直接關系到光刻膠液滴聚合和分裂，影響光刻膠液滴直徑和分散性，造成光刻膠薄膜平均厚度和均勻性發生變化。

2 實驗及結果討論

2.1 拋光硅片

在實驗前，先調節一些影響實驗的參數:注射泵的流量為0.2 mL/min，空氣壓縮機的壓強為6.2 kPa，壓電電源的功率為1 W，溫度控制器的預熱溫度為40 ℃。經壓電霧化制備的光刻膠薄膜需要用DEKTAK XT臺階輪廓儀測定并計算其平均厚度D，而薄膜均勻性:

RSD=(σ/D)×100%

(1)

式中，σ是測量值的標準偏差。RSD越小，均勻性越好。

在其他工藝參數相同情況下，分別采用4∶1、6∶1和8∶1稀釋體積比進行壓電霧化涂覆光刻膠，并分別對制備的負膠薄膜進行臺階儀測試，測試結果經計算，如表1所示。

表1 不同稀釋體積比所得膜層的平均厚度及均勻性Tab.1 The average thickness and uniformity of the different attenuation volume ratio

從表1可以看出，4∶1稀釋體積比下制備的負膠薄膜平均厚度為12.7 μm，均勻性為10.6%；6∶1稀釋體積比下制備的負膠薄膜平均厚度為7.1 μm，均勻性為4.4%，均勻性最佳；8:1稀釋體積比下制備的負膠薄膜平均厚度為4.9 μm，均勻性為13.1%。可明顯發現：負膠薄膜平均厚度隨稀釋體積比增大而逐漸減小，主要原因是稀釋體積比增大，負膠溶液的濃度減小，負膠固體顆粒含量減少，制備的負膠薄膜厚度減小。

分別在10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s速度下進行壓電霧化涂覆光刻膠，并保證其他工藝參數相同。涂覆后分別對其制備的負膠薄膜進行臺階儀測試，測試結果經計算，如圖3所示。

圖3 不同速度所得膜層的平均厚度及均勻性Fig.3 The average thickness and uniformity of the resulting film at different speeds

從圖中可以看出，10 mm/s速度下制備的負膠薄膜平均厚度為13.6 μm，厚度最厚，均勻性為3.0%，均勻性最佳；30 mm/s速度下制備的負膠薄膜平均厚度為5.5 μm，均勻性為7.5%；50 mm/s速度下制備的負膠薄膜平均厚度為3.5 μm，厚度最薄，均勻性為18.5%，均勻性最差。從中可發現:負膠薄膜平均厚度和均勻性都隨速度增大而減小。分析其原因可能是噴頭移動速度增大，噴頭停留在硅片上方的時間減小，導致噴在硅片上的負膠固體顆粒含量減小，從而制備的負膠薄膜厚度減小。此外，隨著噴頭移動速度增大，負膠液滴的初始速度增大，使得空氣阻力作用于負膠液滴增大，導致負膠固體顆粒分散越厲害，從而制備的負膠薄膜均勻性減小。

在其他工藝參數相同情況下，分別在56 mm、61 mm、66 mm、71 mm和76 mm距離下進行壓電霧化涂覆光刻膠。涂覆后分別對其制備的負膠薄膜進行臺階儀測試，測試結果經計算，如圖4所示。

圖4 不同距離所得膜層的平均厚度及均勻性Fig.4 Average thickness and uniformity of the resulting film at different distances

從圖中可以看出，56 mm距離下制備的負膠薄膜平均厚度為6.8 μm，均勻性為4.0%，均勻性最佳；61 mm距離下制備的負膠薄膜平均厚度為6.0 μm，均勻性為7.4%；66 mm距離下制備的負膠薄膜平均厚度為5.3 μm，均勻性為8.3%。從中可發現:負膠薄膜平均厚度和均勻性都隨距離增大而減小。經分析后，可能原因是距離噴頭越近的區域，光刻膠液滴易發生復合碰撞，導致負膠固體顆粒直徑增大，從而制備的負膠薄膜厚度增大，反之，距離噴頭越遠的區域，光刻膠液滴易破碎成小液滴，制備的負膠薄膜厚度減小。基材距離噴頭越遠，空氣阻力作用于光刻膠液滴的時間越長，負膠固體顆粒分散越厲害，從而制備的負膠薄膜均勻性減小。

2.2 凸臺結構的ITO玻璃

在形貌起伏大的MEMS器件應用中，傳統的旋涂法已無法滿足其要求。為了驗證壓電霧化噴涂法可應用于三維形貌結構表面的涂膠，選用了表面凸臺結構的ITO玻璃為基材，其凸臺距基底深度為2 μm，然后用稀釋體積比4∶1的光刻膠溶液在預熱溫度40 ℃下對硅片噴涂1層。經壓電霧化涂覆后，在顯微鏡觀察下，如圖5(a)所示。利用KW-4A型臺式勻膠機，先低速700 r/min旋轉8s，再高速1 100 r/min旋轉35 s，旋涂完后，在顯微鏡觀察下，如圖5(b)所示。

圖5 兩種涂覆方法的表面顯微圖Fig.5 Surface micrograph of two coating methods

從圖中可以看出，壓電霧化涂覆表面的凸臺和基底處光刻膠涂覆均勻，而旋轉涂覆表面的凸臺和基底處光刻膠涂覆不均勻，并且在凸臺和基底的交界處殘留大量光刻膠。主要原因是旋轉涂覆時，光刻膠在離心狀態下受到凸臺的阻礙無法均勻涂覆在基材表面，會產生殘膠，而壓電霧化法具有不受基材表面形狀影響的特點，可以均勻涂覆于基材表面。

3 結語

本文用RFJ-210負性光刻膠對拋光硅片進行壓電霧化噴涂，得出稀釋體積比、速度和距離對負膠薄膜平均厚度和均勻性的影響規律。以表面凸臺結構的ITO玻璃為基材，分別采用壓電霧化噴涂法和旋轉法制備光刻膠薄膜，結果證明:壓電霧化噴涂法克服了旋轉法的缺陷，可以應用于具有三維形貌結構器件表面的涂膠，為MEMS、柔性顯示等納米技術科學領域的薄膜涂層制備方法提供參考。

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[2] 徐惠宇，朱獲. 國外高深寬比微細結構制造技術的發展[J]. 傳感器技術，2004，23 (12):4-6，13.

[3] BRUBAKER C，WIMPLINGER M，LINDNER P，et al. New applications for spray coating technology[J]. 電子工業專用設備，2003， 32 (05)：4-10.

Study on photoresist coating process and applications based on piezoelectric spray coating

ZHAI Rong-an,RU Chang-hai,CHEN Rui-hua,ZHU Jun-hui

(1. Weisaitec (Suzhou) Co.,Ltd.,Suzhou 215200,China; 2. Robotics and Microsystems Center,Soochow University,Suzhou 215021,China; 3. School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The effects of dilution volume ratio,velocity and distance on average thickness and uniformity of the film of RFJ-210 negative photoresist obtained on polished silicon wafer as substrate were analyzed by using a home-built piezoelectric spraying system. The ITO glass with convex structure was coated with RFJ-210 by centrifugal spinning and piezoelectric spraying methods respectively. The results showed that clear and complete patterns can be formed on three-dimensional structures by piezoelectric spray coating,overcoming the problem that three-dimensional structures cannot be coated by centrifugal spinning method and proving feasibility of piezoelectric spraying for three-dimensional structures.

Negative photoresist; Piezoelectric spraying; Average thickness; Uniformity; Silicon wafer; Convex structure

2017-01-17

江蘇省科技項目科技型企業技術創新資金項目(BC2015130)；蘇州市科技計劃項目姑蘇創新創業領軍人才專項(ZXL2016035)；吳江區科技領軍人才計劃項目

翟榮安(1992-)，男，碩士研究生。

朱軍輝(1990-)，男，碩士研究生。

TN305；TH122

A

1674-8646(2017)06-0098-03