摘要：為提高高密度薄膜多層布線基板的BCB通孔質量，提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉噴淋顯影新方法，利用激光掃描共聚焦顯微鏡和掃描電鏡，對間歇旋轉噴淋顯影和傳統浸沒顯影的BCB通孔顯微形貌和微觀結構進行了對比分析，同時，用掃描電鏡和四探針測試儀，對間歇旋轉噴淋顯影的BCB通孔導通電阻及通孔互連剖麵進行了研究。結果表明：間歇旋轉噴淋顯影與傳統浸沒顯影相比，50和20μm通孔內部顯影充分，通孔輪廓邊緣光滑；通孔內部基本沒有雜質富集，無BCB膠底膜殘存。不同位置區域對通孔導通電阻影響較小，50和20μm通孔導通電阻平均偏差均小於1 mΩ；而不同的顯影時間和噴淋壓力對通孔導通電阻影響較大，當顯影時間為65～90 s，或當噴淋壓力為5～20 MPa時，50μm通孔導通電阻均下降至10 mΩ，20μm通孔導通電阻均下降至40 mΩ；50和20μm通孔台階覆蓋良好。采用此顯影方法製作出高密度薄膜多層布線基板實物，互連導通率均達到 100%。
關鍵詞：BCB；高密度薄膜多層布線基板；顯影；形貌；通孔互連；導通電阻
中圖分類號：TN305.7 文獻標誌碼：A
BCB（Benzocyclobutene）以其低介電常數、低介電損耗、低吸水率、高熱穩定性、化學穩定性以及高薄膜平整度和低固化溫度等優良性能，已廣泛應用於高級微電子領域[1-3]，包括多層布線、應力緩衝/鈍化層、GaAs介質內層、高頻器件、濾波器、MEMS以及生物芯片等[4-10]。特別是在多層布線應用中，BCB介質常被用作為高密度薄膜多層布線基板的層間絕緣介質材料，其介質通孔互連的導通性能直接影響著信號的高速傳輸，因此，BCB通孔光刻成為該基板製造的關鍵，可利用其光敏特性實現 BCB 通孔製作。
傳統浸沒顯影方式進BCB通孔顯影， 容易導致通孔的高阻連接甚至互連斷路問題，特別是高深寬比的通孔顯影，造成信號斷路的幾率越來越大，為此，必須使用高昂的等離子刻蝕設備，采用O2/C2F6、O2/SF6等特殊氣體進行BCB去底膜工藝[11]，造成了基板製造過程中工藝周期增加，工藝複雜程度提高，甚至製造成本的大幅上升。基於此，本文提出一種高密度薄膜多層布線基板的間歇旋轉噴淋顯影新方法，可滿足高密度、微小孔徑的BCB通孔顯影。並通過研究間歇旋轉噴淋顯影對BCB的通孔形貌、微觀結構、導通電阻以及通孔互連剖麵的影響，形成形貌良好的BCB通孔及通孔互連圖形，實現BCB通孔的低阻性互連，滿足高密度薄膜多層布線基板高可靠應用。
1.間歇旋轉噴淋顯影方法
間歇旋轉噴淋顯影示意圖如圖 1 所示， 間歇旋轉噴淋顯影方法是顯影噴嘴按照一定噴淋壓力將顯影液噴淋到基板上，借助顯影液的表麵張力使其均勻鋪展在基板表麵， 停止噴淋，利用離心力以正向和反向交替低速旋轉方式進行顯影，大大提高顯影均勻性；一定工藝時間後，顯影噴頭再次噴淋新的顯影液，並衝走舊的顯影液，避免了舊顯影液的重複汙染；繼續顯影，重複幾次直到顯影結束。然後自動切換噴嘴，噴淋定影液進行定影，一定工藝時間後基板高速旋轉並氮氣吹幹。其中噴淋壓力、噴嘴角度、轉速、顯影液溫度可調節。
圖1 間歇旋轉噴淋顯影示意圖
2.實驗
本文采用 Cyclotene 4026-46係列光敏BCB介質作為絕緣介質層材料，顯影液為DS3000，襯底材料為50 mm×50 mm 的Al2O3陶瓷基板，第1、第2層的薄膜布線層采用0.15 μm/1μm/0.15μm的Cr/Cu/Cr 複合薄膜。光敏BCB通孔互連製作流程如圖2所示 。 首先在Al2O3 陶瓷基板表麵製作Cr/Cu/Cr第1層薄膜布線，旋塗增粘劑和BCB 膠，轉速均為3000 r/min，30 s，膜厚約為10μm，進行預烘、曝光、顯影前烘工藝，分別采用傳統浸沒顯影方式和間歇旋轉噴淋顯影方式進行通孔顯影，傳統浸沒顯影方式為直接將Al2O3陶瓷基板置於 DS3000 顯影液中顯影，顯影溫度為40℃，然後置於室溫下 DS3000中浸沒定影，氮氣吹幹；而間歇旋轉噴淋顯影可一次性完成顯影、定影和氮氣吹幹步驟，顯影溫度為40℃，設置噴嘴角度為70°（此時噴液量可 100%覆蓋 Al2O3 陶瓷基板，有利於顯影均勻性）， 轉速為50 r/min，噴淋壓力0～20 MPa，兩種顯影方式的顯影終端時間均為50 s，顯影時間均為60～100s，即過顯百分比均為10%～100%，對BCB通孔進行顯微形貌觀察與分析；然後置於210℃氮氣氣氛中固化40 min ，在固化後BCB介質層上製作Cr/Cu/Cr 第2層薄膜布線（可重複如上操作），形成層間通孔互連，此時對層間通孔互連結構進行通孔導通性能分析。
采用OLS4100激光掃描共聚焦顯微鏡觀察BCB介質通孔表麵及三維形貌，測量通孔內台階高度，並觀察層間通孔互連的剖麵形貌。采用VERSA 3D掃描電鏡觀察通孔微觀形貌， EDS 分析通孔微區成分； 采用Model-120四探針測試儀測量Kelvin結構的通孔導通情況。Kelvin結構包含帶通孔的兩層互連測試結構，以及無通孔的與測試結構布線長度相同的單層薄膜布線參考結構。其通孔導通電阻為兩者電阻差，除以相差的通孔個數。
圖 2 光敏 BCB 通孔互連樣品製備流程圖
3.結果與討論
3.1BCB 通孔顯微形貌對比分析
BCB 通孔形貌與 BCB 通孔顯影質量密切相關。通常 BCB 通孔孔徑（通孔孔徑≤ 20 μm）越小越難顯影[12]，這是由於通孔孔徑越小、深寬比越大時，衍射效應越明顯， 圖形畸變程度越嚴重，不利於通孔光刻。為考察間歇旋轉噴淋顯影效果及能力，對比分析傳統浸沒顯影和間歇旋轉噴淋顯影在孔徑為 20 和 50 μm 時 BCB 通孔顯微形貌，考察其間歇旋轉噴淋顯影質量。
在顯影時間均為75s，過顯百分比為50%，間歇旋轉噴淋壓力10 MPa 時，研究傳統浸沒顯影和間歇旋轉噴淋顯影方式下20和50μm 通孔光學形貌，結果如圖 3 所示。從圖 3(a)和(c)可以看出，傳統浸沒顯影方式下，50μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內部呈現“彩色幹涉環”，20μm通孔輪廓收縮變形，通孔內部完全被底膜覆蓋。由圖3(b)和(d)可以看出，當間歇旋轉噴淋顯影的噴淋壓力為10 MPa時，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內部中心區域光亮，均未見BCB膠底膜殘留，僅在環形邊緣位置可見少量側牆底膜。這是因為傳統浸沒顯影受到顯影深度效應影響，顯影劑分子的擴散速度逐漸降低，顯影液在微小通孔內傳質困難，顯影速率小，而由於不受到噴淋壓力的作用，使得顯影液中溶解產物易重新帶入通孔內部，從而在微小通孔內產生BCB膠底膜。而通過施加噴淋壓力，衝洗掉溶解在顯影液中的 BCB 膠底膜，增加通孔內顯影速率， 顯著降低並清除通孔內部BCB膜底膜，提高了通孔顯影均勻性。
圖 3 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔的光學形貌圖片
圖 4 為在顯影時間均為75 s，過顯百分比均為50%，間歇旋轉噴淋壓力為10 MPa 時，不同顯影方式20和50μm的通孔三維形貌及截麵處通孔台階曲線。從圖 4 (a)和(c) 可看出，傳統浸沒顯影方式下，50μm 通孔側壁較陡直，通孔側壁處被大麵積環形BCB膠底膜覆蓋，通孔底部中心到膜層表麵台階高度為12.341μm，20μm通孔側壁及中心完全被BCB膠底膜覆蓋，其台階高度為11.219 μm。由圖 4(b)和(d)可以看出，當間歇旋轉噴淋顯影噴淋壓力為 10 MPa 時，50和20μm 通孔側壁陡直，通孔側牆覆蓋麵小，其通孔底部中心到膜層表麵台階高度分別為12.361 和 11.970 μm，與圖 4 (a)和(c) 台階高度相差分別為 0.02 和 0.751 μm，即為 BCB 膠底膜厚度。這是因為受膜厚影響， 前烘易引起 BCB 膠底部到表麵的有機溶劑揮發速度差，造成殘留的有機溶劑濃度在深度方向存在梯度[13-14]，從而造成底部到表麵BCB 的熱交聯程度不同，產生“側牆效應”，使得通孔底部中心以及側壁處易產生表麵噪聲、出現底膜，而當通孔孔徑較小時，使殘留的底膜從側壁向底部中心延伸，直至通孔內部完全被覆蓋。而間歇旋轉噴淋顯影方式利用 10 MPa 的高壓噴淋顯影，加快新鮮顯影液傳送到通孔側壁和溶解產物排出的速度，降低“側牆效應”對微小通孔內側壁與通孔底部顯影差異性的影響。
圖 4 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔三維形貌及台階曲線，
3.2.BCB通孔微觀結構對比分析
進一步對比分析傳統浸沒顯影和間歇旋轉噴淋顯影過程中通孔的微觀結構和微區成分，對其進行 SEM 觀察和 EDS 分析。圖5、圖6為在顯影時間為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉噴淋壓力為 10 MPa 時，不同顯影方式下20和50μm 的通孔 SEM照片及EDS 譜圖。從圖 5 (a)和(c)可以看出， 傳統浸沒顯影的50μm 通孔內部有明顯片狀殘膠殘留，通孔內部微區表麵含碳、氧、矽、鉻和銅成分，其中鉻和銅為基板-薄膜界麵 Cr/Cu/Cr 複合薄膜層中所含元素，這表明通孔內部存在少量BCB膠底膜；由圖5 (b) 和(d)可以看出，間歇旋轉噴淋顯影的 50μm通孔內部邊界清晰，內部基本沒有雜質富集。通孔內部微區表麵含鉻和銅成分，未見BCB組成成分；從圖 6 (a)和(c)可以看出， 傳統浸沒顯影的20μm 通孔輪廓收縮變形，通孔內部微區表麵含碳、氧、矽成分，而碳、氧、矽為BCB主要組成元素，表明通孔內部已基本被BCB膠底膜覆蓋；由圖6 (b)和(d)可以看出，間歇旋轉噴淋顯影的 20 μm 通孔內部邊界清晰，通孔內部微區表麵含鉻和銅成分，未見BCB組成成分。這表明與傳統浸沒顯影相比，間歇旋轉噴淋顯影的通孔內部基本無 BCB 膠底膜，可滿足孔徑為50和 20 μm 的BCB微小通孔顯影。
圖 5 50μm通孔的SEM照片及EDS 譜
圖 6 20μm通孔的SEM照片及EDS譜
3.3層間通孔導通電阻分析
采用間歇旋轉噴淋顯影方式形成高密度BCB微小通孔後，需要對其進行基板層間通孔互連工藝研究，考察其間歇旋轉噴淋顯影方式對層間互連導通性能的影響。
在顯影時間為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉噴淋壓力為 10 MPa 時，分別選取基板上、下、左、右、中不同位置，不同顯影方式下使用四探針測試儀測量Kelvin 結構20和50μm 的通孔導通情況，各5組， 並通過測試結構及參考結構計算得到通孔導通電阻平均值。不同位置處通孔導通電阻平均值結果如表 1 所示。
表 1 不同位置區域的通孔導通電阻測試結果
由表1可看出，傳統浸沒顯影方式下， 20μm 通孔導通電阻阻值無窮大，50μm 通孔導通電阻差異性較大，其通孔導通電阻平均偏差大於15 mΩ ，不利於微小通孔互連， 後續將不作對比分析；而間歇旋轉噴淋顯影方式下，20和50μm 通孔不同位置處通孔導通電阻差異性均較小，其通孔導通電阻平均偏差均小1 mΩ ，說明間歇旋轉噴淋顯影可大大降低不同位置處顯影差異，通孔導通電阻一致性好，有利於高密度薄膜多層布線基板的通孔互連。
圖7為在顯影時間75 s，噴淋壓力10MPa時，不同過顯百分比對通孔導通電阻變化情況。采用 Kelvin 結構分別測量孔徑為20和50μm 的通孔導通電阻。從圖7可看出，在過顯百分比 10%～100%時，50μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降後基本保持穩定，在過顯百分比為 30%～ 80%時，即顯影時間為 65s～90s 時，通孔導通電阻較低，且阻值保持穩定，維持在10mΩ 以下。20 μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降後上升趨勢，在過顯百分比為40%～60%時，通孔導通電阻較低，約為 35 mΩ，且阻值保持穩定。這說明間歇旋轉噴淋顯影有利於通孔導通電阻阻值的顯著下降，顯影寬容度較大，有利於降低顯影的高敏感性和低重複性。
圖 7 不同過顯百分比的50和20μm 通孔導通電阻變化
圖 8 為在顯影時間為 75 s，過顯百分比為50%時，不同噴淋壓力對通孔導通電阻變化情況。采用Kelvin結構分別測量孔徑為20和50μm的通孔導通電阻。從圖8可看出，當噴淋壓力為0 MPa時，即類似於傳統浸沒顯影50μm 通孔導通電阻阻值達到40mΩ 以上，當噴淋壓力在5～20 MPa 時，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低，阻值維持在 10 mΩ 以下；而對於20μm通孔而言，當噴淋壓力為 0 MPa 時，通孔導通電阻阻值無窮大，即層間互連斷路，當噴淋壓力在5～20 MPa時，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低，阻值維持在40mΩ 以下。這表明噴淋壓力為0 MPa 時不利於微小通孔的顯影，增加噴淋壓力可以進一步消除 BCB 膠體內部高密度平衡態和低密度非平衡態的溶解差異，逐步達到溶解一致，因此，當噴淋壓力增加到一定壓力時， 通孔導通電阻保持穩定。
圖 8 不同噴淋壓力的 50 和 20 μm 通孔導通電阻變化
3.4.層間通孔互連剖麵分析
進一步分析間歇旋轉噴淋顯影方式對層間通孔互連剖麵形貌的影響。圖9為50和
20 μm通孔互連剖麵顯微照片。由圖9可知， 通孔為50μm時，通孔周圍的上下層布線呈“淺碟形”結構，通孔台階覆蓋良好，通孔底部互連良好；通孔為20μm時，通孔周圍的上下層布線呈“U”形結構，通孔台階覆蓋良好，通孔底部互連良好。這是由於受膜厚的影響，高深寬比的微小通孔容易造成通孔底部吸收減弱和光反射損失[15]，使得通孔側壁上邊緣交聯程度大於側壁下邊緣交聯程度，且隨著通孔孔徑越小，此趨勢越明顯。由此可見，采用間歇旋轉噴淋顯影方式有利於層間微小通孔互連。
圖 9 50 μm（a）和 20 μm（b）通孔互連剖麵顯微圖片
4.結論
本文提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉噴淋顯影新方法，製作出4塊50μm 通孔的高密度 BCB/Cu 薄膜多層布線基板，並對基板內部所有網絡互連線進行測試，互連導通率均達到 100%（規定導通網絡阻值≤50mΩ），且無互連網絡之間短路（規定網絡之間阻值≥20 MΩ）。
1）從通孔形貌來看，間歇旋轉噴淋顯影在噴淋壓力為 0 MPa 時，顯影不充分，50和 20μm 通孔內部存在 BCB 膠底膜；當噴淋壓力為10 MPa 時，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，側壁陡直，通孔內部中心區域光亮，均未見 BCB 膠底膜殘留。
2）通過通孔微觀結構和微區成分分析，20和50μm通孔內部邊界清晰，內部基本沒有雜質富集，且通孔內部中心微區表麵主要含鉻和銅成分，表明通孔內部中心無 BCB 膠底膜殘留，底部為基板-薄膜界麵 Cr/Cu/Cr 複合薄膜層。
3）從層間通孔導通電阻分析來看，采用 Kelvin 結構時，50 和 20 μm 通孔在滿足一定的過顯百分比時，通孔導通電阻下降最快，且阻值保持穩定，顯影寬容度大；在噴淋壓力 5～20 MPa 時，通孔導通電阻迅速降低，此時電阻最小，且阻值保持穩定。
4）通過層間通孔互連剖麵分析，50 和20 μm 通孔台階覆蓋良好，通孔底部互連良好。
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