Aplikace ultrazvukového atomizačního stříkacího zařízení v průmyslu fotorezistů

Aplikace ultrazvukového atomizačního stříkacího zařízení v průmyslu fotorezistů

Fotorezistní povlak je jedním z nejkritičtějších procesních kroků ve výrobě polovodičů, mikroelektromechanických systémů (MEMS) a pokročilého balení. Rovnoměrnost tloušťky povlaku, schopnost konformně povlakovat složité topografie a efektivita využití materiálu přímo určují rozlišení následných expozičních a vyvolávacích procesů a také konečný výtěžek zařízení. Odstředivé potahování bylo dlouhou dobu dominantní metodou díky své provozní jednoduchosti; jeho vlastní odstředivý dávkovací mechanismus však čelí rostoucím omezením při práci se strukturami s vysokým poměrem stran, velkoplošnými panely a vysokými náklady na fotorezisty. Díky svému jedinečnému, nízkorychlostnímu a jemnému atomizačnímu mechanismu přechází technologie ultrazvukového rozprašování z laboratoře na hromadné výrobní linky a ukazuje se jako jedna z nejslibnějších alternativ v oblasti potahování fotorezistem.

Kvalita povlaku nastříkaného ultrazvukem závisí na přesné kontrole distribuce velikosti kapiček a procesu nanášení. Průměr kapky je určen provozní frekvencí trysky: vyšší frekvence má za následek menší kapičky. Například tryska 120 kHz produkuje kapičky o průměru přibližně 18 mikronů; po odpaření rozpouštědla může být tloušťka suchého filmu pocházející z jediné kapky menší než 1 mikron. Ještě důležitější je, že distribuce velikosti kapiček vytvářená ultrazvukovou atomizací je výrazně užší než u tlakového stříkání, protože kapičky jsou generovány 'matematicky definovaným' způsobem při rezonanční frekvenci trysky, spíše než náhodným střihem. Toto úzké rozdělení slouží jako fyzikální základ pro rovnoměrnost tloušťky povlaku.

V praktických aplikacích se dosažení jednotnosti také opírá o synergickou optimalizaci průtoku kapaliny, rychlosti rozprašování, rozteče skenování a teploty substrátu. Ultrazvukové stříkací systémy od RPS-SONIC využívají vrstvený přístup, který umožňuje přesnou kontrolu nad průtokem fotorezistu, rychlostí nástřiku a množstvím nanášení, čímž zajišťuje vysoce jednotné povlaky na rovinných površích i 3D strukturách. U waferů s mikrostrukturami převádí ultrazvuková rozprašovací tryska – vybavená specializovanými vířivými kanály – nosný plyn na rotující proud vzduchu. To způsobí, že atomizované kapky jsou rozptýleny v cyklónovém vzoru, což nejen rozšiřuje oblast pokrytí sprejem, ale také umožňuje fotorezistu účinně potahovat vertikální boční stěny a těsné rohy. Tato technika 'rotačního sprejování' je zvláště důležitá pro hluboké příkopy a konzolové konstrukce, které se běžně vyskytují v zařízeních MEMS.

Nedávná procesní studie dále potvrdila proveditelnost ultrazvukového stříkání pro litografii v mikronovém měřítku. Výzkumníci použili pozitivní fotorezist AZ1505 k nanesení filmu o tloušťce přibližně 2 mikrony na 5palcové a 12palcové substráty pomocí ultrazvukového stříkání. Následně byl použit laserový systém přímého zápisu k úspěšnému přenosu obrazců s rozlišením 3 ± 1 mikrometr. Tyto výsledky ukazují, že ultrazvukové stříkání není omezeno na aplikace s tlustým filmem nebo s hrubými vlastnostmi; s optimalizovanými parametry procesu může také splnit požadavky na přesnost mikronové litografie.

Nepostradatelnost v komplexních topografiích a pokročilém balení

Zatímco spin-coating – se svými jemně vyladěnými parametry – může dosáhnout konkurenceschopné uniformity na planárních plátcích, ultrazvukové stříkání nabízí jedinečné, nenahraditelné výhody při řešení struktur s vysokým poměrem stran nebo velkoformátových panelů používaných v pokročilém balení.

Při výrobě MEMS příkopy nebo průchozí otvory vytvořené hlubokým reaktivním iontovým leptáním (DRIE) často vyžadují souvislou vrstvu fotorezistu s řízenou tloušťkou podél jejich bočních stěn. Spin-coating je pro takové topografie do značné míry neúčinné: kombinovaný vliv povrchového napětí a odstředivé síly má tendenci odtahovat fotorezist od bočních stěn, což má za následek hromadění na dně, zatímco boční stěny zůstávají odkryté. Naproti tomu kapičky o nízké rychlosti vytvářené ultrazvukovým rozprašováním nejsou ovlivněny odstředivou silou; po přistání na boční stěny zůstávají na svém místě a hromadí se vrstvu po vrstvě, aby vytvořily konformní povlak. Od poloviny 80. let 20. století Sono-Tek využívá ultrazvukové stříkání pro nanášení fotorezistu na křemíkové destičky. Jejich systémy poskytují kvalitu pokrytí nedosažitelnou pomocí spin-coating, zejména při zpracování extrémních topografií – jako jsou leptané V-drážky, 90stupňové vertikální příkopy (přibližující se k celé tloušťce křemíkového plátku) a pole skleněných mikročoček. Inženýrské zkušenosti ve společnosti Oriental Jinrong (Dongfang Jinrong) dále potvrzují, že ultrazvukové stříkání výrazně překonává tradiční odstředivé nanášení při dosahování rovnoměrného pokrytí v rámci výkopů s vysokým poměrem stran, čímž se snižují poruchy zařízení způsobené nadměrným vystavením kovu leptadlům.

Posun odvětví směrem k Panel-Level Packaging (PLP) vytvořil širší aplikační možnosti pro ultrazvukové stříkání. Ve vějířovitém balení představuje vytváření jednotných vzorů fotorezistu pro vrstvy redistribuce (RDL) na velkých obdélníkových panelech výzvu pro rotační nanášení, které při aplikaci na nekruhové substráty trpí výraznými okrajovými efekty a vysokým odpadem materiálu. Protože ultrazvukové stříkání je bezkontaktní proces, je nezávislý na tvaru substrátu; umožňuje nanášení fotorezistu v kontrolované tloušťce po celém povrchu panelu – včetně tras prokovů a přes obvody – při minimalizaci hromadění okrajových housenek a defektů proužků. U velkoplošných substrátů obsahujících stovky až tisíce jednotlivých míst balení je vysoká účinnost přenosu a řízení průtoku v uzavřené smyčce vlastní ultrazvukovému stříkání rozhodující pro udržení konzistence mezi šaržemi.

Konstrukce trysky: Přizpůsobení specifické pro aplikaci a schopnosti proti ucpání

Fotorezistní nástřik klade na trysku protichůdné požadavky: musí dosáhnout jemného rozprášení a přitom zůstat odolná proti ucpání. Pryskyřice a rozpouštědla ve fotorezistech mají tendenci rychle tvořit 'slupku', když se vypařují na špičce trysky; v důsledku toho jsou malé otvory konvenčních tlakových trysek vysoce náchylné k ucpání. Na rozdíl od toho ultrazvukové trysky nespoléhají na tlak pro atomizaci – kapalina se rozbíjí na kapičky pouze vibracemi na povrchu trysky. Vysokofrekvenční vibrace navíc zajišťují samočisticí efekt a umožňují nepřetržité stříkání fotorezistů s vysokým obsahem pevných látek.

Konfigurace trysek musí být také zvolena na základě specifické topografie substrátu. U planárních plátků poskytují běžné trysky zaostřovacího typu úzký rozstřik s vysokou hustotou. Naproti tomu u substrátů s vertikálními bočními stěnami nebo zakřivenými povrchy trysky dispergačního typu využívají rotující proud vzduchu k vedení kapiček, což zajišťuje adhezi ve více úhlech a poskytuje vynikající pokrytí nehorizontálních povrchů při zachování vynikající rovnoměrnosti. Patentovaná technologie zejména zdůrazňuje, že při ultrazvukové atomizaci kontaktního typu zůstává primární příčinou ucpání rychlé odpařování rozpouštědla – spouštěné oscilacemi na špičce trysky; konstrukce bezkontaktní rezonanční dutiny však může dále zvýšit odolnost vůči takové kontaminaci. Tento vývoj odráží pokračující vývoj zařízení pro ultrazvukové stříkání směrem k vyšší spolehlivosti.

Závěr

Ve fotorezistovém průmyslu nespočívá hodnota ultrazvukového atomizačního nástřiku v úplné výměně odstředivého nanášení, ale v poskytování technických řešení pro scénáře, kde odstředivé nanášení zaostává. Vzhledem k tomu, že se topografie substrátu posouvají od rovinných k trojrozměrným, jak se formáty substrátů vyvíjejí od waferů k velkoplošným panelům, a protože náklady na fotorezisty se stávají stále citlivějším faktorem, nízkorychlostní konformní nanášení a vysoká účinnost využití materiálu ultrazvukového stříkání přešly od 'volitelných výhod' k 'základním procesům'. Tato technologie se rozšiřuje za hranice specializovaných aplikací v MEMS a pokročilém balení do širší řady scénářů fotorezistových povlaků a etabluje se jako nepostradatelný nástroj v sadě nástrojů pro litografické procesy.