EVG-使用超薄喷涂涂覆BCB层的粘附性晶圆键合（三）

上期文章回顾：EVG-使用超薄喷涂涂覆BCB层的粘附性晶圆键合（二）

除了分析各测量点之间的厚度变化外，还分别对每个测量光斑内的厚度均匀性进行了单独评估。这种均匀性描述了光斑内部的厚度变化情况，可反映薄膜的微观均匀性。对于目标厚度为25 nm的薄膜，每个测量光斑内的层厚非均匀性非常高，最高可达100%。这表明薄膜中存在大量由于膜层不连续所引起的微观缺陷（例如针孔）。其原因与前述点对点分析一致，即该厚度已接近该材料和工艺下成膜的热力学极限。而对于50 nm及以上厚度的薄膜，测量光斑内的相对变化则低于50%，并随着膜层厚度的增加而逐渐降低（在125 nm厚度时低于20%）。

在对VASE厚度分布图进行评估之后，我们进行了更为详细的分析。首先，将等离子体处理和未处理晶圆的实测平均值（取自表1）与目标BCB层厚度进行对比，从而得到了如图2所示的校准曲线。通过调整工艺参数（包括喷涂速率和BCB材料的稀释比例），来改变聚合物层的目标厚度。从结果可以看出，对于未经处理和经过等离子体处理的Si/SiO?晶圆，其目标厚度值与实测值非常精确地吻合，呈现出几乎完美的直线关系。为了确保所有目标厚度的统计显著性，每个目标厚度均使用来自两片晶圆的多个测量点（共49个点），以计算平均值和标准偏差。

图2. 通过Omnispray?技术在硅晶圆上实现的目标厚度与实测平均层厚之间的校准曲线：(a) 未经处理的晶圆（虚线）和 (b) 经等离子体处理的晶圆（点划线）。

可以注意到，所有实测厚度值都非常接近预期值，仅表现出较小的标准偏差。标准偏差的意义还可以通过与当前工业中用于微米级厚度沉积的先进喷涂工艺进行对比来体现。这证明，通过良好的喷涂工艺控制，可以轻松实现对薄膜厚度的精确调节。利用这些信息，可以实现25 nm以上任意目标厚度的沉积。

所测得的厚度呈现良好的线性行为，表明该喷涂工艺与传统的旋涂沉积一样具有可控制性。与旋涂相比，喷涂技术目前略高的标准偏差预计可以通过进一步的工艺优化得到改善。

对工艺参数的深入理解，使得实现精确的薄膜厚度控制成为可能，并为进一步改善层厚均匀性奠定了基础。最终，采用喷涂涂布技术获得完全可控的薄膜厚度的另一个主要优势是材料消耗显著降低。与传统沉积技术需要使用大量高浓度溶液、导致整体材料消耗较高的情况不同，喷涂工艺通常需要非常高的稀释比例。为了突出Omnispray?工艺在这一方面的优势，需要强调的是，在上述所有测试中，纯BCB材料（Cyclotene 3022-46）的消耗量极低：对于厚度为125 nm的200 mm晶圆，仅需约40 μL；而对于25 nm厚的涂层，材料消耗仅为11 μL。考虑到工艺工业化和产品最终成本的问题，与其它基于溶液的薄膜沉积技术相比，这些数值是非常可观的，展现出喷涂技术在产业化应用中的巨大潜力。

最后，将VASE测得的平均厚度值与通过AFM和SEM测量所得的结果进行了对比。为了确保所使用的模型不过于简化并能提供可靠的结果，对VASE的测量结果进行交叉验证始终是非常重要的。AFM和SEM是两种被广泛认可的技术方法，它们具有以下优势：

(i) 适用于分析纳米级薄膜；
(ii) 其工作原理并非基于光学，而是基于其他物理机制，从而可以独立地对薄膜的几何尺寸进行表征。

因此，本研究采用了这两种技术对VASE的测量结果进行交叉验证。平均厚度值以及表面粗糙度值如表II所示。

表II. 通过VASE与AFM及SEM测得的评估数据对比

通过VASE测量得到的平均厚度和粗糙度值是从包含49个测量点的分布图中计算得出的，而AFM仅选择了5个位置进行测量。采样点数量的选择是在权衡测量工作量的同时，确保统计意义的有效性。SEM测量仅在靠近晶圆中心的一个点上进行，用于确定层厚，因为该方法无法用于分析表面粗糙度。除了在未活化的Si/SiO?晶圆上沉积的50 nm目标厚度外，所有BCB层的SEM测量结果均与VASE结果高度一致。这种一致性证实了VASE数据分析所使用模型的准确性。对于50 nm目标层厚所观察到的相对较大的偏差（8 nm），仍在VASE测得的标准偏差范围内，可以解释为不同测量原理之间的差异——SEM的采样面积明显小于VASE所使用的光斑尺寸。

另一方面，通过AFM测得的层厚度值明显偏低，与VASE和SEM的结果存在较大差异。造成这种偏差的可能原因实际上与测量前的样品制备有关：在一种虽然不够精确但广泛使用的方法中，样品制备通常是通过用尖锐的探针刮擦薄膜表面，形成一条贯穿整个膜层厚度的沟槽，从而测量台阶高度。尽管如此，所有通过AFM测得的结果都呈现出与VASE和SEM一致的变化趋势，从而验证了测量方法的合理性。

此外，文中还对VASE测得的光学粗糙度与AFM测得的粗糙度进行了比较（见表II）。从表面上看，两种测量结果之间存在差异：AFM测量显示，在所有目标厚度下，表面粗糙度值均等于或低于0.5 nm；而VASE测得的粗糙度值则介于0 nm（125 nm目标厚度）至3.5 nm（在未活化的Si/SiO?晶圆上沉积的50 nm目标厚度）之间。在此值得一提的是，针对具有已知且稳定复介电函数的Si/SiO?晶圆所进行的量具重复性和再现性（GR&R）测试表明，VASE测量的精度可高达0.1 nm。然而，对于复介电函数尚未完全明确的有机材料而言，VASE的GR&R测量精度约为1 nm。因此，除了在未活化的Si/SiO?晶圆上沉积的50 nm和75 nm薄膜外，其余各目标厚度的VASE与AFM测得的粗糙度值应具有可比性。