Zastosowanie ultradźwiękowego sprzętu do natryskiwania atomizacji w przemyśle fotomaski

Zastosowanie ultradźwiękowego sprzętu do natryskiwania atomizacji w przemyśle fotomaski

Powłoka fotorezystowa to jeden z najważniejszych etapów procesu w produkcji półprzewodników, systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) i zaawansowanych opakowaniach. Jednorodność grubości powłoki, zdolność do pokrywania złożonych topografii oraz efektywność wykorzystania materiału bezpośrednio determinują rozdzielczość kolejnych procesów naświetlania i wywoływania, a także ostateczną wydajność urządzenia. Przez długi czas powlekanie wirowe było metodą dominującą ze względu na prostotę obsługi; jednakże jego nieodłączny odśrodkowy mechanizm dozowania napotyka coraz większe ograniczenia w przypadku struktur o wysokim współczynniku kształtu, paneli o dużej powierzchni i wysokich kosztów fotomasek. Dzięki unikalnemu, powolnemu i delikatnemu mechanizmowi atomizacji, technologia natryskiwania ultradźwiękowego przechodzi z laboratorium na linie produkcyjne na masową skalę, stając się jedną z najbardziej obiecujących alternatyw w dziedzinie powłok fotomaskowych.

Jakość powłoki natryskiwanej ultradźwiękowo zależy od precyzyjnej kontroli rozkładu wielkości kropel i procesu osadzania. Średnica kropli zależy od częstotliwości pracy dyszy: wyższe częstotliwości powodują mniejsze krople. Na przykład dysza 120 kHz wytwarza kropelki o średnicy około 18 mikronów; po odparowaniu rozpuszczalnika grubość suchej powłoki powstająca z pojedynczej kropli może być mniejsza niż 1 mikron. Co ważniejsze, rozkład wielkości kropel wytwarzanych w wyniku atomizacji ultradźwiękowej jest znacznie węższy niż w przypadku natryskiwania ciśnieniowego, ponieważ kropelki są generowane w sposób „zdefiniowany matematycznie” przy częstotliwości rezonansowej dyszy, a nie w wyniku przypadkowego ścinania. Ten wąski rozkład służy jako fizyczna podstawa jednorodności grubości powłoki.

W praktycznych zastosowaniach osiągnięcie jednorodności zależy również od synergicznej optymalizacji natężenia przepływu cieczy, prędkości natryskiwania, odstępów skanów i temperatury podłoża. Ultradźwiękowe systemy natryskowe firmy RPS-SONIC wykorzystują podejście warstwowe, umożliwiając precyzyjną kontrolę natężenia przepływu fotorezystu, prędkości natryskiwania i ilości osadzania, zapewniając w ten sposób wysoce jednolite powłoki zarówno na powierzchniach płaskich, jak i strukturach 3D. W przypadku płytek zawierających mikrostruktury ultradźwiękowa dysza natryskowa – wyposażona w wyspecjalizowane kanały wirowe – przekształca gaz nośny w wirujący strumień powietrza. Powoduje to, że rozpylone kropelki są rozpraszane w sposób cyklonowy, co nie tylko zwiększa obszar pokrycia natryskiem, ale także umożliwia fotomasce skuteczne pokrywanie pionowych ścian bocznych i ciasnych narożników. Ta technika „natrysku rotacyjnego” jest szczególnie istotna w przypadku głębokich rowów i konstrukcji wspornikowych powszechnie spotykanych w urządzeniach MEMS.

Niedawne badanie procesu dodatkowo potwierdziło wykonalność natryskiwania ultradźwiękowego w litografii w skali mikronowej. Naukowcy wykorzystali fotomaskę pozytywową AZ1505 do nałożenia warstwy o grubości około 2 mikronów na podłoża o szerokości 5 i 12 cali za pomocą natryskiwania ultradźwiękowego. Następnie zastosowano laserowy system bezpośredniego pisania, aby skutecznie przenieść wzory z rozdzielczością 3 ± 1 mikrona. Wyniki te pokazują, że natryskiwanie ultradźwiękowe nie ogranicza się do zastosowań grubowarstwowych lub gruboziarnistych; dzięki zoptymalizowanym parametrom procesu może również spełniać wymagania precyzji litografii w skali mikronowej.

Niezbędność w złożonych topografiach i zaawansowanych opakowaniach

Podczas gdy powlekanie wirowe – dzięki precyzyjnie dostrojonym parametrom – może osiągnąć konkurencyjną jednorodność na płaskich waflach, natryskiwanie ultradźwiękowe oferuje wyjątkowe, niezastąpione korzyści w przypadku struktur o wysokim współczynniku kształtu lub paneli wielkoformatowych stosowanych w zaawansowanych opakowaniach.

W produkcji MEMS rowy lub otwory przelotowe utworzone w wyniku głębokiego trawienia jonami reaktywnymi (DRIE) często wymagają ciągłej warstwy fotomaski o kontrolowanej grubości wzdłuż ścian bocznych. Powłoka wirowa jest w dużej mierze nieskuteczna w przypadku takich topografii: połączony wpływ napięcia powierzchniowego i siły odśrodkowej ma tendencję do odciągania fotomaski od ścian bocznych, co powoduje akumulację na dnie, pozostawiając odsłonięte ściany boczne. Natomiast kropelki o małej prędkości wytwarzane przez natryskiwanie ultradźwiękowe nie podlegają działaniu siły odśrodkowej; po wylądowaniu na ścianach bocznych pozostają na miejscu, gromadząc się warstwa po warstwie, tworząc powłokę konformalną. Od połowy lat 80. firma Sono-Tek wykorzystuje natryskiwanie ultradźwiękowe do osadzania fotorezystu na płytkach krzemowych. Ich systemy zapewniają jakość krycia nieosiągalną w przypadku powlekania obrotowego, szczególnie podczas przetwarzania ekstremalnych topografii, takich jak wytrawione rowki w kształcie litery V, pionowe rowki pod kątem 90 stopni (zbliżające się do pełnej grubości płytki krzemowej) i układy mikrosoczewek szklanych. Doświadczenie inżynieryjne w firmie Oriental Jinrong (Dongfang Jinrong) dodatkowo potwierdza, że ​​natryskiwanie ultradźwiękowe znacznie przewyższa tradycyjne powlekanie wirowe pod względem uzyskania równomiernego pokrycia w rowach o wysokim współczynniku kształtu, zmniejszając w ten sposób awarie urządzeń spowodowane nadmierną ekspozycją metalu na działanie środków trawiących.

Przejście w branży w kierunku pakowania na poziomie panelu (PLP) stworzyło szersze możliwości zastosowania natryskiwania ultradźwiękowego. W przypadku opakowań typu fan-out tworzenie jednolitych wzorów fotorezystu dla warstw redystrybucyjnych (RDL) na dużych, prostokątnych panelach stanowi wyzwanie dla powlekania wirowego, które charakteryzuje się poważnymi efektami krawędziowymi i dużymi stratami materiału w przypadku stosowania na podłożach nieokrągłych. Ponieważ natrysk ultradźwiękowy jest procesem bezkontaktowym, jest niezależny od kształtu podłoża; umożliwia osadzanie fotomaski o kontrolowanej grubości na całej powierzchni panelu – w tym w przelotkach i ścieżkach obwodów – minimalizując jednocześnie gromadzenie się ściegów krawędziowych i powstawanie smug. W przypadku podłoży o dużej powierzchni, zawierających setki do tysięcy pojedynczych miejsc pakowania, wysoka wydajność przenoszenia i kontrola przepływu w pętli zamkniętej, charakterystyczne dla natryskiwania ultradźwiękowego, mają kluczowe znaczenie dla utrzymania spójności między partiami.

Konstrukcja dyszy: dostosowanie do konkretnych zastosowań i możliwości zapobiegania zatykaniu

Natryskiwanie fotomaski nakłada na dyszę sprzeczne wymagania: musi ona zapewniać drobną atomizację, pozostając jednocześnie odporną na zatykanie. Żywice i rozpuszczalniki w fotorezystach mają tendencję do szybkiego tworzenia „skórki” podczas odparowywania na końcówce dyszy; w rezultacie małe otwory konwencjonalnych dysz ciśnieniowych są bardzo podatne na zatykanie. W przeciwieństwie do tego, dysze ultradźwiękowe do atomizacji nie opierają się na ciśnieniu – ciecz jest rozbijana na kropelki wyłącznie poprzez wibracje na powierzchni dyszy. Ponadto wibracje o wysokiej częstotliwości zapewniają efekt samooczyszczania, umożliwiając ciągłe natryskiwanie fotomasek o dużej zawartości części stałych.

Konfigurację dysz należy także wybrać w oparciu o specyficzną topografię podłoża. W przypadku płytek płaskich konwencjonalne dysze skupiające zapewniają wąski strumień o dużej gęstości. Natomiast w przypadku podłoży o pionowych ścianach bocznych lub zakrzywionych powierzchniach dysze dyspergujące wykorzystują obrotowy przepływ powietrza do prowadzenia kropel, zapewniając przyczepność pod wieloma kątami i zapewniając doskonałe pokrycie niepoziomych powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu doskonałej jednorodności. W szczególności opatentowana technologia podkreśla, że ​​w kontaktowej atomizacji ultradźwiękowej szybkie odparowanie rozpuszczalnika — wywołane oscylacjami końcówki dyszy — pozostaje główną przyczyną zatykania; jednakże bezkontaktowa konstrukcja wnęki rezonansowej może dodatkowo zwiększyć odporność na takie zanieczyszczenia. Rozwój ten odzwierciedla ciągłą ewolucję sprzętu do natryskiwania ultradźwiękowego w kierunku większej niezawodności.

Wniosek

W branży fotomasek wartość ultradźwiękowego natryskiwania atomizującego nie polega na całkowitym zastąpieniu powlekania wirowego, ale na zapewnieniu rozwiązań inżynieryjnych w scenariuszach, w których powlekanie wirowe nie jest wystarczające. W miarę jak topografia podłoża zmienia się z płaskiej na trójwymiarową, w miarę jak formaty podłoża ewoluują od płytek do paneli wielkopowierzchniowych, a koszty fotomaski stają się coraz bardziej wrażliwym czynnikiem, osadzanie konforemne przy niskiej prędkości i wysoka wydajność wykorzystania materiału w wyniku natryskiwania ultradźwiękowego przeszły z „opcjonalnych zalet” do „podstawowych możliwości”. Wraz z walidacją procesów natryskiwania z rozdzielczością mikronową i dojrzewaniem konstrukcji dysz zapobiegających zatykaniu, technologia ta wykracza poza niszowe zastosowania w MEMS i zaawansowane opakowania w szerszą gamę scenariuszy powłok fotomaskowych, stając się niezbędnym narzędziem w zestawie narzędzi procesu litografii.