一种高密度薄膜多层布线基板 BCB 通孔制作技术

BCB（Benzocyclobutene）以其低介电常数、低介电损耗、低吸水率、高热稳定性、化学稳定性以及高薄膜平整度和低固化温度等优良性能，已广泛应用于高级微电子领域[1-3]，包括多层布线、应力缓冲/钝化层、GaAs介质内层、高频器件、滤波器、MEMS以及生物芯片等[4-10]。特别是在多层布线应用中，BCB介质常被用作为高密度薄膜多层布线基板的层间绝缘介质材料，其介质通孔互连的导通性能直接影响着信号的高速传输，因此，BCB通孔光刻成为该基板制造的关键，可利用其光敏特性实现 BCB 通孔制作。
 

传统浸没显影方式进BCB通孔显影， 容易导致通孔的高阻连接甚至互连断路问题，特别是高深宽比的通孔显影，造成信号断路的几率越来越大，为此，必须使用高昂的等离子刻蚀设备，采用O2/C2F6、O2/SF6等特殊气体进行BCB去底膜工艺[11]，造成了基板制造过程中工艺周期增加，工艺复杂程度提高，甚至制造成本的大幅上升。基于此，本文提出一种高密度薄膜多层布线基板的间歇旋转喷淋显影新方法，可满足高密度、微小孔径的BCB通孔显影。并通过研究间歇旋转喷淋显影对BCB的通孔形貌、微观结构、导通电阻以及通孔互连剖面的影响，形成形貌良好的BCB通孔及通孔互连图形，实现BCB通孔的低阻性互连，满足高密度薄膜多层布线基板高可靠应用。

 

间歇旋转喷淋显影示意图如图 1 所示， 间歇旋转喷淋显影方法是显影喷嘴按照一定喷淋压力将显影液喷淋到基板上，借助显影液的表面张力使其均匀铺展在基板表面， 停止喷淋，利用离心力以正向和反向交替低速旋转方式进行显影，大大提高显影均匀性；一定工艺时间后，显影喷头再次喷淋新的显影液，并冲走旧的显影液，避免了旧显影液的重复污染；继续显影，重复几次直到显影结束。然后自动切换喷嘴，喷淋定影液进行定影，一定工艺时间后基板高速旋转并氮气吹干。其中喷淋压力、喷嘴角度、转速、显影液温度可调节。

图1 间歇旋转喷淋显影示意图

 

本文采用 Cyclotene 4026-46系列光敏BCB介质作为绝缘介质层材料，显影液为DS3000，衬底材料为50 mm×50 mm 的Al2O3陶瓷基板，第1、第2层的薄膜布线层采用0.15 μm/1μm/0.15μm的Cr/Cu/Cr 复合薄膜。光敏BCB通孔互连制作流程如图2所示 。 首先在Al2O3  陶瓷基板表面制作Cr/Cu/Cr第1层薄膜布线，旋涂增粘剂和BCB 胶，转速均为3000 r/min，30 s，膜厚约为10μm，进行预烘、曝光、显影前烘工艺，分别采用传统浸没显影方式和间歇旋转喷淋显影方式进行通孔显影，传统浸没显影方式为直接将Al2O3陶瓷基板置于 DS3000 显影液中显影，显影温度为40℃，然后置于室温下 DS3000中浸没定影，氮气吹干；而间歇旋转喷淋显影可一次性完成显影、定影和氮气吹干步骤，显影温度为40℃，设置喷嘴角度为70°（此时喷液量可 100%覆盖 Al2O3 陶瓷基板，有利于显影均匀性）， 转速为50 r/min，喷淋压力0～20 MPa，两种显影方式的显影终端时间均为50 s，显影时间均为60～100s，即过显百分比均为10%～100%，对BCB通孔进行显微形貌观察与分析；然后置于210℃氮气气氛中固化40 min ，在固化后BCB介质层上制作Cr/Cu/Cr 第2层薄膜布线（可重复如上操作），形成层间通孔互连，此时对层间通孔互连结构进行通孔导通性能分析。
 

采用OLS4100激光扫描共聚焦显微镜观察BCB介质通孔表面及三维形貌，测量通孔内台阶高度，并观察层间通孔互连的剖面形貌。采用VERSA 3D扫描电镜观察通孔微观形貌， EDS 分析通孔微区成分； 采用Model-120四探针测试仪测量Kelvin结构的通孔导通情况。Kelvin结构包含带通孔的两层互连测试结构，以及无通孔的与测试结构布线长度相同的单层薄膜布线参考结构。其通孔导通电阻为两者电阻差，除以相差的通孔个数。

图 2 光敏 BCB 通孔互连样品制备流程图

 

3.1BCB 通孔显微形貌对比分析
 

BCB 通孔形貌与 BCB 通孔显影质量密切相关。通常 BCB 通孔孔径（通孔孔径≤ 20 μm）越小越难显影[12]，这是由于通孔孔径越小、深宽比越大时，衍射效应越明显， 图形畸变程度越严重，不利于通孔光刻。为考察间歇旋转喷淋显影效果及能力，对比分析传统浸没显影和间歇旋转喷淋显影在孔径为 20 和 50 μm 时 BCB 通孔显微形貌，考察其间歇旋转喷淋显影质量。
 

在显影时间均为75s，过显百分比为50%，间歇旋转喷淋压力10 MPa 时，研究传统浸没显影和间歇旋转喷淋显影方式下20和50μm 通孔光学形貌，结果如图 3 所示。从图 3(a)和(c)可以看出，传统浸没显影方式下，50μm 通孔轮廓边缘光滑，通孔内部呈现“彩色干涉环”，20μm通孔轮廓收缩变形，通孔内部完全被底膜覆盖。由图3(b)和(d)可以看出，当间歇旋转喷淋显影的喷淋压力为10 MPa时，50和20μm 通孔轮廓边缘光滑，通孔内部中心区域光亮，均未见BCB胶底膜残留，仅在环形边缘位置可见少量侧墙底膜。这是因为传统浸没显影受到显影深度效应影响，显影剂分子的扩散速度逐渐降低，显影液在微小通孔内传质困难，显影速率小，而由于不受到喷淋压力的作用，使得显影液中溶解产物易重新带入通孔内部，从而在微小通孔内产生BCB胶底膜。而通过施加喷淋压力，冲洗掉溶解在显影液中的 BCB 胶底膜，增加通孔内显影速率， 显著降低并清除通孔内部BCB膜底膜，提高了通孔显影均匀性。

图 3 不同显影方式 20 和 50 μm 通孔的光学形貌图片

 

图 4 为在显影时间均为75 s，过显百分比均为50%，间歇旋转喷淋压力为10 MPa 时，不同显影方式20和50μm的通孔三维形貌及截面处通孔台阶曲线。从图 4 (a)和(c) 可看出，传统浸没显影方式下，50μm 通孔侧壁较陡直，通孔侧壁处被大面积环形BCB胶底膜覆盖，通孔底部中心到膜层表面台阶高度为12.341μm，20μm通孔侧壁及中心完全被BCB胶底膜覆盖，其台阶高度为11.219 μm。由图 4(b)和(d)可以看出，当间歇旋转喷淋显影喷淋压力为 10 MPa 时，50和20μm 通孔侧壁陡直，通孔侧墙覆盖面小，其通孔底部中心到膜层表面台阶高度分别为12.361 和 11.970 μm，与图 4 (a)和(c) 台阶高度相差分别为 0.02 和 0.751 μm，即为 BCB 胶底膜厚度。这是因为受膜厚影响， 前烘易引起 BCB 胶底部到表面的有机溶剂挥发速度差，造成残留的有机溶剂浓度在深度方向存在梯度[13-14]，从而造成底部到表面BCB 的热交联程度不同，产生“侧墙效应”，使得通孔底部中心以及侧壁处易产生表面噪声、出现底膜，而当通孔孔径较小时，使残留的底膜从侧壁向底部中心延伸，直至通孔内部完全被覆盖。而间歇旋转喷淋显影方式利用 10 MPa 的高压喷淋显影，加快新鲜显影液传送到通孔侧壁和溶解产物排出的速度，降低“侧墙效应”对微小通孔内侧壁与通孔底部显影差异性的影响。