PI光刻显影工艺实验研究

引言

Polyimide(聚酰亚胺树脂简称PI)是指主链上还有酰亚胺环的一类高分子聚合物，是目前能够实际应用的耐高温性能最强的一类高分子材料，具有良好的热稳定性、高强度、高韧性等优良特性[1]。Polyimide(聚酰亚胺树脂)作为绝缘和钝化层，具有良好的机械伸长率和拉伸强度，加上耐腐蚀性和高温稳定性，其在受到各类环境压力时可对整个器件提供可靠的保护[2]。广泛应用于航空航天、卫星通信、电气绝缘、微电子工业、国防军工、精密电子机械等高精尖领域[3]。超高压产品通过使用聚酰亚胺PI 工艺可以提高器件的可靠性[4]：如防止化学腐蚀、减少因热应力引起的电路崩裂断路等，从而提升半导体芯片整体的可靠性；当作为保护膜时，能够减少环境对器件的影响，还可以对α-粒子起屏蔽作用，减少或消除器件的软误差，提升半导体器件的稳定性和可靠性。

目前，晶圆PI 层，是指在半导体制造过程中使用的一种高分子材料层，PI 层通常作为介电层或薄膜封装材料使用。他的主要作用有以下几点[5]：1.作为介质隔离，减少电路间干扰，提高器件性能；2.作为保护层，防止底层电路受到环境中水汽等因素的侵蚀；3.作为光刻胶基底，用于精微加工过程中的图案转移。

由于Polyimide 不溶于一般溶剂。因此，在应用为光刻胶时，不能像其他光致抗蚀剂一样先将它溶于某一溶剂，再涂布成膜。普遍采用的方法是先涂布“Polyimide 前质” (PolyimidePrecursor)，再经过退火转换成最终聚酰亚胺粘合剂（Final Polyimide Bond）[6]。所以，我们平常所说的 Polyimide 胶其实并不是 Polyimide 而是它的反应前质。

本实验研究主要是将PI 作为光刻胶基底，在晶圆表面涂布 PI 胶后涂布光刻胶，再经过曝光、显影工艺加工光刻图形。因PI 胶加光刻胶在曝光后均需要显影使得被感光部分的 PI 胶和光刻胶溶解后被水冲走形成图形，而普通的显影工艺因不能正常溶解PI 而造成 PI 残留，远远不能达到工艺需求，因此PI 显影工艺在 PI 工艺开发中至关重要，其显影工艺关乎光刻图形的优劣。

实验

1. 实验材料

硅片若干、涂胶机台 PTT12-C、PI 胶 SP-341(聚酰亚胺)、光刻机台 PNS03、显影液 ZX-238（四甲基氢氧化铵)等。

2. 实验内容

2.1 PEB(Post Exposure Bake)工艺拉偏实验

在实验初期使用在线生产所用PEB 工艺，显影后 PI Space 区胶条形貌差，局部会出现锯齿情况，影响晶圆表观。通过对不同PEB 温度拉偏，发现PEB 温度对此异常影响较明显，因此对PEB 温度进行控制变量分析。

实验条件：

A、实验基底材料：硅片假片 。

B、涂胶轨道机 ID/ PI 材料：PTT12/SP-341。

C、曝光机台 ID/曝光条件：PNS03/WJ0143-PIQ。

实验结果见下表1：

PEB 实验分别对显影前热板温度和显影前热板时间进行拉偏，温度设定分别为 115℃、120^∘C 、 125^∘C 、 130^∘C ，热板时间分别为 60s、120s、180s、240s，其实验组合情况见表1，可组合为以上7 种条件。

根据以上7 种组合条件的结果可以看出：显影前热板温度在115℃时，热板时间的增加对于显影形貌无明显改善，因此固定显影前热板时间为60s，对显影前温度进行拉偏。从拉偏结果来看，PEB 温度在 120~125 度内，光刻图形形貌较好，无显影残留，图形打开区线条形貌好，PEB 温度提升或降低易引发Space 区胶残留和锯齿异常，显影时间增长会导致残胶，因此 PEB工艺通过实验后确定最佳温度及时间可设定为123 度60S。

2.2 显影工艺拉偏实验

在 PI 工艺开发阶段显影时发现，本司在线常规显影菜单其显影能力不足，打开区 PI 严重残留。针对 PI 显影开发新的显影菜单，由于 PI 显影时为光刻胶层和PI 层同时完成显影步骤，因此，需要的显影工艺作业时长需要加长，通过拉偏显影时长对显影后 PI 图形的影响实验，从中摸索出最佳双显影菜单时长，可以解决常规显影菜单引发的 PI 显影残留问题。

实验条件：

A、实验基底：硅片假片，片号详见下表2。

B、涂胶轨道机 ID/ PI 材料：PTT12/SP-341。

C、显影轨道机 ID/涂胶菜单/软烘条件: PTT12/ D36111/123 ℃60S。

D、曝光机台 ID/曝光条件：PNS03/WJ0143-PIQ。

实验结果：

图 1 及图 2 分别为 FPCPR47.21 晶圆和 FPCPR23.11 晶圆的光检照片，图 3 及图 4 分别为FPCPR47.21 晶圆和 FPCPR23.11 晶圆的显微镜镜检照片，从图中可明显看到光检异常及镜检异常：圆片边缘出现了不同程度的残留，图形未被正常显开。此两片实验条件分别为缩短显影时间共计50s 及70s，同时从实验结果来看，显影时间减少 30s 时，PI 图形无残留，随着显影时间缩短，图形的显开情况更差。

当在显影总时长 111S 的基础上减少50S 后，圆片边缘最边缘一圈管芯开始出现显影残留，因此显影总时长至少需在 61S 以上才可保持图形正常。

同时在显影后，分别测试 FPCPR41.13、FPCPR41.11、FPCPR41.21 三片晶圆图形的 CD，测试方法为5 点测试法，分别测试圆片的中、上、右、下、左5 处位置的图形CD，其结果如下表 3 所示。

从表 3 可见，显影时长每减少 20S，CD 减小约 5um，因此结合此前显影时间拉偏情况来看，显影工艺流程目前总时长 101s 为最佳时长。

结论

本文通过对 PI 工艺中的显影前PEB 时间温度、显影时间等因素进行拉偏实验，成功总结出 PI 显影工艺所需的 PEB 时间和温度为 123^∘C 60s，以及显影总时间 101s。本实验解决了 PI作业过程中易出现的显影残留、锯齿、光检异常等一系列异常。此工艺符合产品开发要求，可为更严苛的特殊器件提供流片条件，同时拓宽工艺平台、拓展产品类型、提高产品附加值、节约产品流片周期、给企业带来经济效益的同时推动了相关产业发展，形成新产品价值链条的供应孵化。

参考文献

[1]朱振宇,汪倩,刘杰,等.面向柔性电子器件的聚酰亚胺薄膜的性能研究进展[J].广州化工,2023,51(02):25-30.

[2]卢小闯,余文涛,翁梦蔓,等.电子器件用低膨胀聚酰亚胺薄膜研究进展[J].绝缘材料,2021,54(11):11-22.

[3]赵宇霄.新型聚酰亚胺材料的制备及在光电领域中的应用[D].天津科技大学,2024.

[4]电子级 PI 薄膜在半导体方面及微电子工业的应用.深圳市坦白胶带有限公司.2019.01.09

[5] 薛志亮. 聚酰亚胺在晶闸管芯片台面保护上的应用分析[J]. 中国新技术新产品,2017,(02):39-40.

[6]A.M.Wilson,D.Laks,S.M.Davis, 等 . 半 导 体 用 聚 酰 亚 胺 薄 膜 的 表 征 [J]. 电 子 元 件 与 材料,1986,(06):40-43+30.