薄膜电路通孔结构光刻胶喷涂工艺

2014-07-04魏晓柳龙华邱颖霞

电子工业专用设备 2014年4期

魏晓，柳龙华，邱颖霞

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088)

薄膜电路是采用金属化、涂胶、曝光、显影、电镀加厚、刻蚀、去胶等工艺在特定介质衬底上制作的互连电路结构。它具有线条精度高、互连密度高和可集成无源元件等特点，在机载、星载和航天等邻域中的微波电路上有着广泛的应用[1]。微波薄膜电路由于工作频率高，对接地要求也特别高。相比于传统的金丝接地方法，利用薄膜金属化通孔接地不仅能够减小电路串扰和插入损耗，而且可以增加电路散热和可靠性[2]。

光刻（包括涂胶、曝光、显影）作为薄膜多层电路研制中最重要的工艺步骤之一，是目前唯一可在基底上制作亚微米精度图形的技术。而涂胶则是光刻工艺中的重要环节，因为光刻胶涂覆的厚度和均匀性对光刻后图形的精度有直接的影响。传统的光刻胶涂覆方式为旋涂，其原理是在高速旋转的基片上，利用离心力使滴在基片上的胶液均匀地涂覆在基片表面，光刻胶涂覆的厚度取决于胶液和基片间的粘滞系数、旋转速度和旋转时间等因素。旋涂方式只适用于表面平整度较高的基片，难以在形貌起伏很大、具有高深宽比的非平面表面实现光刻胶的均匀涂覆，而且对于非圆形基片表面的涂覆同样无法达到理想的工艺效果。近年来，微机电系统（MEMS）、微光机电系统（OEMS）等技术的发展使得旋涂法遇到越来越多的挑战，薄膜器件中许多微结构的三维特性给旋转涂胶造成一定的困难。随着超声波喷嘴喷涂等精细雾化技术的成熟，喷涂法开始用于光刻工艺中的涂胶工艺。1999年，奥地利EV Group 公司推出了选用超声雾化喷嘴作为喷涂工具的EVG 101 系列喷涂设备，用于光致抗蚀剂的喷涂。2000年，德国SUSS MicroTec 公司推出了与之类似的喷涂设备(Delta AltaSpray 喷胶系统)。相比传统的光刻胶旋涂法，喷胶法具有的优点包括：（1）不规则形和特重型基片的涂胶；（2）多个小基片同时涂胶；（3）易碎结构的保护性涂胶；（4）填充悬空；（5）光刻胶利用率高等。

1 多通孔薄膜电路制作工艺

含有金属化孔结构的薄膜电路制作工艺包含打孔、金属化、光刻、电镀、去胶和刻蚀等步骤。如图1 所示，光刻胶旋涂法无法在起伏结构的尖角部分覆盖光刻胶，会造成孔边缘处无光刻胶保护，从而导致边缘处的金属层被刻蚀掉，即所谓的“破孔”现象，形成孔两侧金属层之间的断路。通过优化工艺流程，可以调整工艺步骤，在打孔之前光刻、刻蚀，制作出正面的薄膜电路图形[3]，其工艺流程见图2。这种方法采用旋胶法涂胶，通过先光刻再打孔避开了通孔结构的旋涂难题，适用于无喷胶设备的情况。但由于此种方法无法使用已预先打好孔的基片，生产效率相对较低，不适用于对产量和效率有一定要求的批产任务。

图1 起伏结构旋涂效果示意图

图2 旋涂法多通孔薄膜电路工艺流程图

相对于旋涂法，喷涂法特别适用于起伏结构，如通孔、坑道、深槽等的光刻胶涂覆。通过使用高压气流将光刻胶液滴打碎，形成雾状喷射，喷在起伏结构的表面，形成如图3 所示的均匀光刻胶膜层，避免了“破孔”现象的产生。采用喷涂法的多通孔薄膜电路的工艺流程见图4。

图3 起伏结构喷涂效果示意图

图4 喷涂法多通孔薄膜电路工艺流程图

2 喷胶实验及结果

2.1 喷胶机

本实验采用的喷胶机集涂胶功能和喷胶功能为一体，既可以进行旋转涂胶，也可进行喷雾涂胶，适用于研发和小批量生产的应用。

喷胶机所用的超声喷头包含有胶雾过滤器和氮气喷射环, 它利用超声波将光刻胶雾化成精细液滴，其平均特征直径约为20 μm。氮气喷射环通过调节压力可控制胶雾运动的区域和运动速度, 以及辅助胶雾在结构侧壁的快速干燥, 从而在室温下实现高深宽比结构的均匀涂胶。为满足良好雾化的要求，选用的光致抗蚀剂的黏度必须低于0.02 Pa·s[4]。稀释后的光刻胶溶液采用自动注射泵系统精确控制喷雾剂量。

操纵喷嘴移动的喷胶臂可自由摆动。通过调节喷嘴与基片的高度和倾斜角度，以及其在基片表面扫描运动的速度，可以确保高深结构图形四周涂胶的均匀性。喷涂过程中，喷嘴角度保持某一角度不变，喷嘴沿直径方向在基片上方一定距离进行扫描，同时基片低速旋转，转速一般为30～60 r/min（示意图见图5）。为了保证膜厚均匀，喷嘴穿过基片上方时扫描速度应是不断变化的，其运行速率随所处区域不同而变化（图6）。如图所示，当喷嘴处于基片中心区域时，扫描速率最大；当喷嘴处于基片边缘区域时，扫描速率最小。图6 中的扫描轨迹被划分为15 个区域，喷嘴的扫描速率以电动机节距数来表示，速率曲线沿中心区域位置左右对称。

2.2 结果和讨论

图5 喷嘴运行轨迹示意图

图6 喷嘴扫描速率曲线

基片采用厚度为0.381 mm 的2 英寸抛光氧化铝陶瓷片，通孔直径包含0.2 mm、0.3 mm 和0.5 mm 三种孔径，孔间距大于2 mm，侧壁与基片上表面夹角小于85°。采用丁酮和丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）将选用光刻胶稀释至黏度低于0.02 Pa·s（光刻胶∶丁酮∶PGMEA≈1 mL∶6 mL∶2 mL）。喷胶共进行9 次，基片旋转速度统一设为50 r/min，氮气流量固定设为60 L/min。前8次的喷胶流量设为10 μL/s，而最后一次的喷胶流量增大为20 μL/s，以获得较光滑的光刻胶表面。所有9 次喷嘴扫描速率曲线均一致，采用经过优化的工艺参数（见图7）。

图7 经优化的喷嘴扫描速率曲线

喷胶完成后先在110 ℃下烘烤5 min，再选取4 个点T1、T2、T3和T4，分别用HITACHI 扫描电镜测量其光刻胶厚度，选取位置如图8 所示。T1代表基片表面，T2为通孔边缘处，T3为孔侧壁的中部，而T4则为通孔侧壁底部。光刻胶厚度均匀性由厚度的标准偏差除以厚度平均值再乘以100%获得，即：

均匀性=（标准偏差/厚度平均值）×100%

图8 光刻胶厚度测量点示意图

图9 为某一通孔截面的扫面电镜照片，分别标出了T1、T2、T3和T4处的光刻胶厚度, 它们之间的关系为T1>T2>T3>T4。其中，T2略小于T1，这是由于T2处于通孔边缘，喷涂上的部分光刻胶在干燥之前由于重力的原因流入通孔中。另外，T3和T4位于通孔侧壁上，雾状光刻胶液滴由于孔的几何外形的限制，较难抵达这两处，使得T3和T4远小于T1和T2。T4位于通孔底部，相对于T3而言，胶雾更难喷涂到，所以T4比T3更小。