聚酰亚胺作为钝化工艺材料的实现

孙德玉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

聚酰亚胺作为钝化工艺材料的实现

孙德玉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

重点介绍了以聚酰亚胺作为介质层的钝化工艺流程。聚酰亚胺具有突出的耐热性能、优异的机械性能和优良的电性能，依据聚酰亚胺的材料特性，制定备片、涂胶、光刻等工艺流程，并在生产线上进行工艺流片，通过试验验证，取得了良好效果，证明了以该材料作为钝化层可以大幅度缩减工艺流程，降低科研生产成本。

聚酰亚胺；性能；钝化工艺

1 引 言

随着航空航天、电子信息、汽车工业、家用电器等诸多领域日新月异的发展，对材料提出的要求也越来越高。如耐热性能、机械性能和电性能等。钝化层的主要作用是在半导体电路完成后，覆盖在晶圆表面，防止外界污染物及电磁辐射对内部电路的破坏以至于导致半导体失效。另一方面，由于具有良好的机械性能，可以防止在晶圆切割时内部电路产生裂痕。聚酰亚胺就是综合性能非常优异的材料，用聚酰亚胺代替传统的SiO2和Si3N4复合层实现某些器件的钝化工艺，把PAD部分留出来，其他地方保护起来。如图1所示。

2 聚酰亚胺性能

2.1 耐热性

全芳香型聚酰亚胺最主要的特征是耐热性优良。如进行热重分析，其开始温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600℃左右，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。聚酰亚胺不仅耐热，而且还耐极地温度，如在－269℃的液态氮中仍不会脆裂。各种聚酰亚胺的热性能及电性能数据如表1所示。

表1 聚酰亚胺的热性能及电性能

图1 产品结构示意图

2.2 机械性能

PI具有很好的机械性能，未填充的PI塑料拉伸强度都在100MPa以上，PI具有优良的耐磨减摩性。其机械性能随温度波动的变化小，高温下蠕变小。而且PI耐热老化性能良好，经200℃、1500h老化处理，室温测得材料的拉伸强度降低很少，如PI薄膜在5×109rad剂量辐照后，强度仍保持86%，PI纤维经1×109rad剂量辐照后，其强度保持率为90%以上。本实验采用ZKPI－305ⅡD－2型号聚酰亚胺。

2.3 电性能

PI的大分子中虽然含有相当数量的极性基（如羰基和醚基），但其电绝缘性优良。原因是羰基纳入五元环，醚键与相邻基团形成共轭体系，使其极性受到限制，同时由于大分子的刚性和较高的玻璃化温度，因此在较宽的温度范围内偶极损耗小，电性能十分优良。其介电常数一般为3.4左右，引入氟或将空气以纳米尺寸分散在PI中〔当空气以极小尺寸（纳米级）均匀分布在PI中（相当于泡沫PI），可进一步增加PI的电绝缘性〕后，其介电常数可降到2.5左右。介电损耗大约为10－3，介电强度为100kV/mm～300kV/mm，体积电阻率为1016Ω·cm。同时，PI还具有优异的耐电晕性能。

3 钝化工艺实现

3.1 表面处理

完成金属铝光刻的晶圆硅片（本实验采用纯铝工艺的单晶硅片），在烘箱内以140℃，烘烤硅片一小时，去除金属表面的水分子，目的是增强硅片上铝与聚酰亚胺之间的粘附性。烘烤的温度与时间非常重要。如果烘烤温度太低或时间太短表面脱水不足就会引起光刻胶的附着问题；如果烘烤时间太长或温度太高则可能引起底漆层分解，从而形成污染影响光刻胶的附着。

3.2 涂聚酰亚胺Resist coating

硅片表面涂聚酰亚胺采用的是静态涂胶，旋转涂胶（PR Coat）成底膜处理后，立即采用旋转涂胶的方法涂上液相聚酰亚胺材料。涂聚酰亚胺主要分四个基本步骤：分滴、旋转铺开、旋转甩掉和溶剂挥发。其重要指标包括：时间、旋转速度、厚度、均匀性、颗粒沾污以及光刻胶缺陷（针孔等）。DUNA700型号的匀胶机，由于聚酰亚胺的粘度较高，要采用高转速匀胶，确保匀胶的均匀性和厚度。同时，环境控制中温度、湿度、排气和颗粒沾污也很重要，排气不良会影响颗粒淀积在硅片上。工艺采用DUNA700匀胶机，涂聚酰亚胺程序如表2所示。

3.3 高温热烘烤

去除聚酰亚胺层大部分的有机溶剂，使薄膜变的坚硬。坚膜烘箱恒温140℃，烘烤1小时。

表2 涂聚酰亚胺程序

3.4 涂光刻胶

重复3.3表面处理剂（HMDS），工艺采用DUNA700涂胶机进行光刻匀胶，光刻胶类型：SPR6818，匀胶程序如表3所示。

3.5 光刻

取本产品的钝化光刻版安装在PE340投影式光刻机上与涂完光刻胶的硅片进行对准曝光，光刻机采用1∶1比例的投影对准曝光，光源为普光式汞灯。

表3 匀胶程序

3.6 显影

采用显影液对曝光的硅片进行手动显影，显影液的主要成分为四甲基氢氧化铵，是一种弱碱，与曝光的光刻胶反应去除的同时也与裸露的聚酰亚胺产生反应并去除。待发现聚酰亚胺除去后，显影完毕（见图2）。

3.7 去胶

为了能够很好的去除光刻胶而不损伤未完全固化的聚酰亚胺，工艺采用丙酮浸泡去胶，观察光刻胶去净为止，然后显微镜下检查光刻胶去除情况以及显影后钝化窗口的线条宽度。

图2 显影前后对比

3.8 聚酰亚胺固化

将去胶完成的硅片放入烘箱内，设定烘箱的运行程序，固化程序为3小时升温到140℃，再采用1小时升温至300℃，恒温保持1小时，1小时降温至140℃，共6小时聚酰亚胺完全固化。

3.9 检测

对固化后的芯片进行钝化效果检测，固化后的聚酰亚胺厚度在1μm±0.4μm，片面均匀性较好。没有颗粒及气泡等缺陷，形成的固化薄膜起到了对芯片表面的保护作用，实现了钝化功能。

4 结束语

详细介绍了聚酰亚胺的材料特性和钝化工艺流程，通过实验证明了聚酰亚胺作为钝化材料可以代替传统的氧化硅和氮化硅复合层的钝化工艺，并且该工艺更容易实现，可以大幅度降低生产成本，具有良好的应用前景。

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Im plement of Passivation Process Material by Polyim ide

Sun Deyu
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

This paper introduces the technology of passivation by polyimide which has outstanding properties of heat resistance，machinery and electricity.According to thematerial properties of polyimide，the process flow such aswafer preparing，gluing and lithography，etc.are developed.The experimental results show that the polyimide is a good material of passivation for reducing production procedure and cost.

Polyimide；Property；Technology of passivation

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.003

TN305

A

1002－2279（2015）05－0009－03

孙德玉（1983－）男，辽宁庄河市人，学士，工程师，主研方向：微电子工艺制造。

2015－08－01