聚酰亚胺在MEMS中的特性研究及应用

１聚酰亚胺引言


微机电系统（ＭＥＭＳ）全称为Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，是一个以探索微小世界为目标，以微小为特征，多学科、多领域交叉的新兴学科，主要研究微型机电装置，包括微传感器、微致动器等。ＭＥＭＳ工艺由集成电路工艺发展而来，然而却突破了集成电路的表面加工工艺，实现了体加工工艺，可实现各种各样的微结构。ＭＥＭＳ工艺主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。zui早开始从事ＭＥＭＳ研究的国家是美国，其次是日本和德国，在日本，ＭＥＭＳ亦称为微机械，在德国则称为微系统［１］。


聚酰亚胺是一种高分子材料，具有耐高温、绝缘性能好、化学性质稳定等特点，在工业中广泛应用。随着ＭＥＭＳ技术的不断发展，需要更多具有高性能的材料，聚酰亚胺由于具有满足ＭＥＭＳ工艺的一些特别性能，是一种用于制作钝化膜和绝缘层等的很好材料。国内关于聚酰亚胺的报道有很多，但基本上都偏重于介绍聚酰亚胺的化学特性及合成方法，鲜有文章介绍聚酰亚胺在ＭＥＭＳ工艺中的应用。本文旨在介绍ＺＫＰＩ型聚酰亚胺在微机电系统中的应用。


２ＺＫＰＩ型聚酰亚胺及其应用


聚酰亚胺是一种分子主链中含有酰亚胺环状结构的环链聚合物，被广泛应用于航天航空、电子电器、机电、汽车等工业中。在ＭＥＭＳ工艺发展以前，聚酰亚胺主要用于做粘合剂、涂料、纤维、薄膜等。zui早进行芳香族聚酰亚胺的研究和开发的是美国的Ｄｕ Ｐｏｎｔ公司和Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ公司［２］。在这短短的４０年中，聚酰亚胺种类已发展到２００多种，ＺＫＰＩ型聚酰亚胺也是其中一种。
ＺＫＰＩ型聚酰亚胺是一种棕黄色粘稠液体，无味，比重为１０８５，固体含量为７％～８％，室温下粘度为１００～１１０厘泊，ｐＨ值为４～５，杂质含量Ｎａ＋＜２×１０－６，Ｆｅ２＋＜２×１０－６。经过适当的热处理后可制成具有耐腐蚀、耐高温的优良聚酰亚胺膜材料。该膜具有良好的绝缘和力学性能，对硅片、铝、铜和玻璃等材料具有很好的粘附性能，比硅膜柔软，能得到较大的变形，可采用旋转涂法得到，多层重叠可获得几十微米厚的膜。


聚酰亚胺作为一种的薄膜材料，它具有以下优点：优异的耐腐蚀、耐高温、耐辐射性能，能抗有机溶剂的浸蚀和特殊光线的照射，可*工作在２５０ ℃环境下，耐４００ ℃高温；具有优良的绝缘性能和介电性能，绝缘性能可与ＳｉＯ２相比；具有比ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４更好的平坦化性能；对Ｓｉ、Ａｌ、陶瓷和介电材料等具有良好的粘附性能；毒性小，储存方便，在５～１０ ℃下，保存时间可达半年左右，阴暗处冷藏效果更好；工艺简单，适合芯片的大规模生产；胶体粘度好，并可用专门的稀释剂进行任意稀释。


ＺＫＰＩ型聚酰亚胺具有以上优点，在ＭＥＭＳ工艺中的应用前景很广泛，主要有以下用途：


１）耐腐蚀性、耐高温性可以用来做硅片保护膜和钝化膜；


２）绝缘性能可用于做牺牲层和多层间绝缘层；


３）耐辐射可用于做特殊光线的遮挡膜，如α射线遮挡膜等；


４）平坦化性能可用于做平坦化材料和剥离材料等。


３聚酰亚胺的工艺特性


ＭＥＭＳ聚酰亚胺工艺是一个比较复杂的过程，每一步骤的好坏都将直接影响zui后的结果，因此在操作过程中需小心谨慎。下面以硅片为例介绍聚酰亚胺薄膜在ＭＥＭＳ工艺中的特性及使用过程中的注意事项。


３．１聚酰亚胺膜的工艺流程


聚酰亚胺膜的涂胶工艺流程与光刻胶的工艺流程有所区别，有其自身的特点及注意事项。


１）聚酰亚胺标准清洗


聚酰亚胺硅片先用丙酮浸泡，时间为１０ ｍｉｎ左右。若表面很不干净，而对硅片表面的要求不是很高时，可以用棉花蘸上丙酮，沿一个方向轻轻地檫。大量去离子水冲洗，用Ⅰ号洗液（ＮＨ４ＯＨ∶Ｈ２Ｏ２∶ＤＩ＝１∶２∶５）煮至沸腾５ ｍｉｎ，去离子冲洗，后用Ⅱ号洗液（ＨＣｌ∶Ｈ２Ｏ２∶ＤＩ＝１∶２∶８）煮沸５ ｍｉｎ，去离子冲洗干净。


２）聚酰亚胺表面活化


聚酰亚胺用等离子去胶机轰打Ｓｉ片表面５ ｍｉｎ，使硅片表面活化，这是一个关键步骤。从图２中（ａ）和（ｂ）的比较可见，表面是否活化对聚酰亚胺膜来说至关重要。


３）涂聚酰亚胺


聚酰亚胺可以采用机涂、刷涂、滴涂等方法，*使用机涂，即旋转涂法。涂胶过程中要保证胶量充足，转速自行选定，从１０００转到８０００转不等，时间为６０ ｓ。若一次无法达到厚度要求，可以采用多层重叠涂胶，zui大厚度可达几十微米。


４）聚酰亚胺预固化


聚酰亚胺先在室温下放置３０～６０ ｍｉｎ（如果在红外灯下，放置时间可以缩短一半）→６０～８０ ℃范围内放置１ ｈ→１００～１２０ ℃范围内放置１ ｈ→２２０～２４０ ℃范围内恒温放置４ ｈ左右→自然冷却至室温取出。


３．２聚酰亚胺膜的厚度测定


聚酰亚胺膜的厚度与甩胶机的转速关系在图１给出，是一条逐渐趋缓的曲线。从实验中还发现，转速越高，表面越好。转速太低，胶膜过厚，容易产生条纹现象。*使用的转速为４０００～６０００转／ｍｉｎ，可多次重叠涂胶。图１中聚酰亚胺膜的厚度用台阶仪测得，为烘干后的厚度。烘后聚酰亚胺膜的厚度大约为烘前的４／５。


３．３ 聚酰亚胺膜可能出现的问题及解决方法


聚酰亚胺收缩现象见图２（ａ）。产生该现象的主要原因是硅片表面没有活化，粘附能力较差，须先用等离子去胶机轰打５ ｍｉｎ。另外可能是使用方法不当，聚酰亚胺须在５～１０ ℃下冷藏，使用前，须在室温下先放置一个小时，使其解冻，在室温下使用。


针孔现象见图２（ｃ）。产生该现象的主要原因是硅片表面不干净，可能是硅片表面沾有油污、放置过久或空气中湿气过重，导致聚酰亚胺与硅片表面粘附能力下降。因此是硅片表面活化后马上涂胶，放置过久的硅片需要重新清洗、活化。


条纹现象。产生该现象的可能是聚酰亚胺保存不当或过了保质期，胶液不纯而致；或是甩胶机转速太低，导致胶膜过厚和不均匀，产生条纹现象。


气泡现象。涂聚酰亚胺前尽量避免剧烈晃动或搅拌，以防胶内产生气泡，影响聚酰亚胺膜质量。


倾斜现象。预固化时，器皿应水平放置，避免较大倾斜，防止胶在凝固前向某一方向倾斜。


３．４ 聚酰亚胺等离子去胶方法


由于聚酰亚胺的耐腐蚀性强，所以一般采用等离子去胶法，去胶气体为氧气。其工作原理是将硅片置于真空反应系统中，通入少量氧气，加１５００ Ｖ高压，由高频信号发生器产生高频信号，使石英管内形成强的电磁场，使氧气电离，形成氧离子、活化的氧原子、氧分子和电子等混合物的等离子体的辉光柱。活化氧（活泼的原子态氧）可以迅速地将聚酰亚胺膜氧化成为可挥发性气体，被机械泵抽走，这样就把硅片上的聚酰亚胺膜去除了。工作原理如图３所示［４］。等离子去胶的优点是去胶操作简单、去胶效率高、表面干净光洁、无划痕、成本低、环保。


４聚酰亚胺结论


聚酰亚胺膜具有耐腐蚀、耐高温、耐辐射和绝缘等*性能，可用于做Ｓｉ，Ａｌ，陶瓷等材料的保护膜和钝化膜、牺牲层和多层间绝缘层、α射线遮挡膜和平坦化材料等。在工艺操作过程中，必须严格按照操作流程，根据不同的项目情况，利用聚酰亚胺膜不同的特点，找到合适的应用场所。总之，聚酰亚胺膜是一种优良的薄膜材料，将在ＭＥＭＳ工艺中具有广泛的应用前景。