DE102004035335A1

DE102004035335A1 - Reinraumfähige Beschichtungsanlage

Info

Publication number: DE102004035335A1
Application number: DE102004035335A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Mund; Wolfgang Dr. Fukarek; Jürgen Dr. Leib
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-16
Also published as: EP1778889A1; TW200624597A; JP2008506848A; US20080053373A1; WO2006008060A1

Abstract

In der Vakuumkammer einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage, in welcher glasartige, glaskeramische und/oder keramische Schichten auf Substrate durch Abscheiden aus der Gasphase aufgebracht werden, ist zumindest eine Abschirmungseinrichtung angeordnet, welche die Vakuumkammerwände und/oder die in der Kammer angeordneten Bauteile vor unerwünschten Ablagerungen des Schichtausgangsmaterials schützt. Wesentlich ist es, dass bei Temperaturänderungen in der Vakuumkammer die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Abschirmungseinrichtung der Ausdehnung bzw. Schrumpfung der glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schicht bzw. Ablagerungen entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsanlage für Vapor-Depositions-Prozesse, insbesondere für Beschichtungen aus glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Materialien, welche einer Abschirmungseinrichtung in der Vakuumkammer aufweist, um unerwünschte Schichtablagerungen in der Vakuumkammer zu verhindern und ein Ablösen, Abplatzen, Flitterbildung etc. dieser Ablagerungen zu verhindert. Diese Beschichtungsanlage ist daher besonders geeignet für Reinraum-Technologien.
Vapor-Depositions-Prozesse (Abscheidung von Schichten aus der Dampfphase) sind wesentliche Bestandteile zur Herstellung moderner Produkte in fast allen Industriezweigen. Die Entwicklung, beispielsweise in der Optik, Optoelektronik oder Halbleitertechnologie wird vorangetrieben durch immer kleinere Strukturen, höhere Funktionalität, höhere Produktivität und höhere qualitative Anforderungen.
Für unterschiedlichste Anwendungsfälle kommen dabei Schichten aus anorganischen, insbesondere aus glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Materialien zum Einsatz.

Zur Realisierung moderner Technologien in der Optik, Optoelektronik, MEMS-Applikation sowie Halbleitertechnologie wurden beispielsweise Verfahren zur Passivierung, Gehäusebildung und Herstellung strukturierter Schichten auf Substraten mittels glasartiger Beschichtungen entwickelt (SCHOTT Patentanmeldungen DE 102 22 964 A1 ; DE 102 22 958 A1 ; DE 102 22 609 A1 ).

Es kommen grundsätzlich verschiedene Techniken zum Abscheiden glasartiger, glaskeramischer oder keramischer Schichten in Betracht wie beispielsweise CVD-Verfahren (Cemical vapor deposition) oder PVD-Verfahren (Physical vapor deposition). Die Auswahl eines geeigneten Verfahrens wird sowohl durch das Beschichtungsmaterial, die erforderlichen Beschichtungsraten, Anforderungen an die Beschichtungsqualität, aber vor allem durch die thermische Stabilität des Substrates diktiert.

Da oftmals die zu beschichtenden Substrate, wie beispielsweise integrierte Schaltkreise auf Silizium-Wafern, temperaturempfindlich sind kommen hier vorrangig Prozesse in Frage, die eine Beschichtung unterhalb 120°C ermöglichen. Als geeignete Prozesse zur Beschichtung temperaturempfindlicher Substrate mit einer Glas- oder Glaskeramikschicht erweisen sich PVD-Verfahren, insbesondere das Elektronenstrahlverdampfen, da sich die glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schichten mit hohen Beschichtungsraten und großer Reinheit verdampfen und als glasartige Mehrkomponenten-Schichten abscheiden lassen.

Entsprechende Beschichtungsverfahren und Anlagen sind u.a. aus den o.g. Schriften bekannt.

Als Einschränkung für den Einsatz der Beschichtungstechnologie erweisen sich dabei unerwünschte Ablagerungen des glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schichtmaterials in der Vakuumkammer und auf darin enthaltenen Anlagenteilen. Diese lösen sich nach dem Beschichtungsprozess beim Abkühlen der Anlage und beim Öffnen der Vakuumkammer in Form kleinster Partikel ab und führn zu Verunreinigungen der Substrate, der Kammer und der Umgebung. Beim Öffnen der Kammer beschleunigt die Anlagerung von Wassermolekülen aus der Umgebungsluft den Delaminationsvorgang noch erheblich.

Da die Fertigung mikrostrukturierter und mikroelektronischer Bauteile in der Regel unter Reinraumbedingungen stattfinden muss, kann die Beschichtung mit glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schichten mit herkömmlichen Beschichtungsanlagen in Reinräumen nicht durchgeführt werden. Wenn die Beschichtung außerhalb eines Reinraumes stattfindet, sind nach jedem Öffnen der Vakuumkammer aufwendige Prozeduren zur Reinigung der Kammer und der Substrate notwendig.

Um die unerwünschte Abscheidung von Schichtmaterialien an Kammerwänden und der in der Kammer befindlichen Anlagenteile zu vermeiden, ist es bekannt Auskleidungen, beispielsweise aus Aluminiumfolie, zu verwenden. Jedoch tritt auch hier eine Delamination der Schicht von den Abschirmungen oder Auskleidungen durch Temperaturänderungen und schlechte Haftung der Schichtmaterialien an den Auskleidungen bzw. Abschirmungen auf.

Um das durch Temperaturunterschiede hervorgerufene Ablösen von Partikeln zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der EP 0 679 730 B1 bekannt, die Temperatur der Abschirmungseinrichtung durch Beheizen der Abschirmungseinrichtung der des durch Sputtern aufgebrachten Materials anzugleichen.

Dies verhindert zwar weitestgehend während des Beschichtungsvorganges eine Verunreinigung der Kammer und der Substrate durch abgelöste Partikel, kann aber ein Abplatzen von Partikeln beim Öffnen der Kammer und damit eine Kontamination der Beschichtungsanlage und des umgebenden Raumes nicht verhindern.

Die Aufgabe, der Erfindung ist es daher, die Proben/Vakuumkammer und deren Bauteile vor unerwünschten Schichtablagerungen zu schützen und eine Verunreinigung der Substrate sowie der Vakuumkammer und deren Umgebung zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, herkömmliche Beschichtungsanlagen für Beschichtungen mit glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Materialien unter Reinraumbedingungen nutzbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe in der Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage, in welcher glasartige, glaskeramische und/oder keramische Schichten auf Substrate durch Abscheiden aus der Gasphase aufgebracht werden, zumindest eine Abschirmungseinrichtung angeordnet, welche die Vakuumkammerwände und/oder die in der Kammer angeordneten Bauteilen vor unerwünschten Ablagerungen des Schichtausgangsmaterials schützt. Wesentlich ist es, dass bei Temperaturänderungen in der Vakuumkammer die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Abschirmungseinrichtung, zumindest in den Bereichen mit Ablagerungen des Schichtausgangsmaterials, der Ausdehnung bzw. Schrumpfung der glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schicht bzw. Ablagerungen entspricht.

Typische Schichtdicken für hermetische Verkapselung oder die Mikrostrukturierung von Halbleitern, optischen Mikro-Bauelementen, MEMS, optoelektronischen Bauteilen etc. mit glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schichten liegen in Bereichen zwischen 0,01 μm bis 100 μm. Demzufolge kommt es zu entsprechend „dicken" und spröden, glasartigen Ablagerungsschichten auf der Abschirmungseinrichtung. Eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage verhindert durch die Abschirmungseinrichtung die Ablagerung dieser Schichten auf Anlagenteilen und die Abschirmungseinrichtung verhindert, dass es bei Temperaturänderungen zu Spannungen zwischen der Abschirmungseinrichtung und der abgelagerten Schicht kommt, so dass eine Delamination und damit Verunreinigung durch abgelöste Schichtpartikel vermieden wird.

Das ist zum einen vorzugsweise dann möglich, wenn die Abschirmungseinrichtung den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie die auf das Substrat aufzubringende glasartige, glaskeramische oder keramische Schicht. Wobei auch geringe Abweichungen der Ausdehnungskoeffizienten voneinander möglich sind. Die zulässige Abweichung wird letztendlich durch die bei Temperaturänderungen auftretenden Spannungen zwischen der Abschirmungseinrichtung und der Schicht bestimmt und muss unter einem Wert bleiben, bei dem es zu einer Delamination kommen könnte.

Vorzugsweise besteht die Abschirmungseinrichtung aus einem glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Material, insbesondere aus dem selben Material wie die aufzubringende Schicht, da dann sowohl die Abschirmungseinrichtung als auch die Schicht den annähernd gleichen, vorzugsweise den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Reinraumfähige Beschichtungsanlagen werden insbesondere für die Beschichtung von Wafern zur Herstellung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente benötigt. Die Beschichtung dieser Bauelemente, beispielsweise zur Verkapselung, zum Chip-size Packaging, Wafer-Level Packaging etc. erfordert glasartige, glaskeramische und/oder keramischen Schichten, die als Passivierungsschichten und Diffusionsbarrieren fungieren. Spezielle Bauteile müssen außerdem transparent und/oder von langer Lebensdauer sein. Ein besonders für Aufdampfprozesse geeignetes Schichtmaterial ist Borosilikat-Glas, beispielsweise SCHOTT Glas Nr. 8329 oder Nr. G018-189.

Für derartige Beschichtungen eignen sich in vorteilhafter Weise Abschirmungseinrichtungen, die ebenfalls Borosilikat-Glas umfassen.

Zum anderen ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Abschirmungseinrichtung in den Bereichen, auf denen sich glasartige, glaskeramische oder keramische Schichtablagerungen befinden, der Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Schicht entspricht, auch dann gegeben, wenn die Abschirmungseinrichtung eine hochvakuumfeste, temperaturbeständige Polymerfolie umfasst.

Die sich während des Beschichtungsvorganges auf der Folie gebildete glasartige, glaskeramische oder keramische Schichtablagerungen bestimmt die Schrumpfung bzw. Dehnung der elastischen Folie, die der Schrumpfung bzw. Dehnung der auf dieser befindlichen Schicht folgt, sodass es zu keiner Delamination bei Temperaturveränderungen kommen kann.

Geeignete Folien sind anorganische Folien wie Polymerfolien aus Polyester oder Polyimid, beispielsweise Mylar-Folien oder Kapton-Folien.

Um sowohl die Kammerinnenwände als auch in der Kammer angeordnete Bauteile wie Substrathalter, Schutter etc. zu schützen, ist es von Vorteil, die Abschirmungseinrichtung mehrteilig zu gestalten. So können die Kammerinnenwände beispielsweise durch Abschottungen aus Glaselementen, der Substrathalter durch eine Abdeckung aus Glas mit entsprechenden Aussparungen für das Substrat und andere Bauteile durch angepasste Abdeckungen aus Glas geschützt werden.

Ebenso ist eine Folienabdeckung der Bauteile und eine Auskleidung der Innenwände mit Folie denkbar oder eine Kombination von Abschirmungselementen, beispielsweise eine Substrathalter-Abschirmung aus Glas oder Glaskeramik und Kammerinnenwand-Abschirmungen aus Polymerfolie.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage kann das Schichtausgangsmaterial in Form eines Targets zum Abscheiden einer glasartigen, glaskeramischen oder keramischen Schicht aus der Gasphase mittels Elektronenstrahlverdampfer verdampft werden.

Dadurch können beispielsweise Isolationsschichten für mikroelektronische Bauteile unter Verwendung eines geeigneten Glasmaterials durch PVD-Beschichtung, beziehungsweise durch Aufdampfen auf ein Substrat abgeschieden werden. Dies ist unter anderem deshalb besonders vorteilhaft, da nur eine mäßige Temperaturbelastung des Substrats auftritt. Das Abscheiden von Glasschichten durch Elektronenstrahlverdampfen, insbesondere durch Plasma-Ionen unterstütztes Elektronenstrahlverdampfen ermöglicht die Herstellung sehr dünner, homogener Isolationsschichten.

Schichtausgangsmaterialien aus Borosilikat-Glas-Targets, beispielsweise aus SCHOTT Glas Nr. 8329 oder Nr. G018-189, lassen sich mittels Elektronenstrahlverdampfen so verdampfen, dass sich eine Glasschicht oder glasartige Schicht auf der Oberfläche eines Substrats ausbildet, welche der Verdampfungsquelle zugewandt und dem von der Quelle (Target) emittierten Dampf ausgesetzt ist. Diese Eigenschaft- wird nicht von allen Glasmaterialien erfüllt. Bei vielen Glasmaterialien bilden sich keine Glasschichten oder glasartigen Schichten, sondern es scheiden sich lediglich nicht glasartige Oxidschichten ab, welche dann im allgemeinen keine guten Verkapselungs- und/oder Hochfrequenzeigenschaften mehr aufweisen.

Besonders geeignete Glasmaterialien, welche verdampft und als glasartige oder Glasschichten wieder abgeschieden werden können, sind Gläser, welche ein zumindest binäres Stoffsystem umfassen. Glasschichten, welche durch Verdampfung derartiger Gläser abgeschieden wurden, weisen aufgrund ihrer Defektarmut besonders gute Verkapselungs- und Hochfrequenzeigenschaften auf.

In einer weiteren geeigneten Ausführungsform der Beschichtungsanlage ist der Substrathalter für die Aufnahme mehrerer Substrate ausgelegt, insbesondere zur Aufnahme für mehrere zu beschichtende Waferscheiben. Damit kann die Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen noch effektiver gestaltet werden.

Ebenso wird durch eine separat evakuierbare Load-Lock-Schleusenkammer zur Zufuhr der Substrate in die evakuierte Vakuumkammer und Entnahme der beschichteten Substrate aus der evakuierten Vakuumkammer die Effizienz der Anlage wesentlich verbessert, da die Vakuumkammer nicht zu jedem Substratwechsel zu Öffnen und erneut zu Evakuieren ist.

Mittels der Load-Lock-Technik können mehrere Substrate, die sich in einem Kasettensystem befinden, von einem Reinraum über die Schleusenkammer direkt in die Beschichtungsanlage und umgekehrt transportiert werden.

Da die erfindungsgemäße Abschirmungseinrichtung eine Verunreinigung der Vakuumkammer verhindert, kann der Beschichtungsvorgang mit mehrfachem Substratwechsel bis zur Abarbeitung des Targetvorrates erfolgen. Damit kann die Effizienz der Anlage noch weiter gesteigert werden.

Um die Kontamination eines Reinraumes, von dem die Substrate in die Vakuumkammer und zurück transportiert werden, noch weiter zu senken, weist die Vakuumkammer vorzugsweise mindestens eine Wartungsöffnung zur Reinigung der Vakuumkammer und/oder zum Austausch der Abschirmungseinrichtung und/oder zum Targetwechsel auf, die nicht zum Reinraum, sondern zu einem vom Reinraum getrennten Grauraumbereich zu öffnen ist.

Die Erfindung wird im weiteren an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt dazu
1 die schematische Darstellung Vakuumkammer mit Kammerinnenwand-Abschirmungen
Die Erfindung wird an Hand einer Elektronenstrahl-Beschichtungsanlage erläutert, in welcher Substrate, beispielsweise Silizium-Wafer, mit einer mikrostrukturierten Glasschicht beschichtet werden. Nähere Ausführungen zur Herstellung und Strukturierung derartiger Glasschichten sind beispielsweise in der DE 102 22 964 A1 , DE 102 22 958 A1 und DE 102 22 609 A1 offenbart.
Die Verdampfung des Schichtausgangsmaterials in Form eines Glas-Targets aus SCHOTT Glas Nr. 8329 (Glas 1) oder SCHOTT Glas Nr. G018-189 (Glas 2) erfolgt in der in 1 dargestellten Vakuumkammer (1) der Beschichtungsanlage (nicht dargestellt) durch einen Elektronenstrahl, wobei eine Abscheidung des Glasdampfes auf den auf einem Substrathalter (2) angeordneten Waferscheiben (3) erfolgt und zusätzliche die kondensierte Schicht auf der Substratoberfläche durch Plasma-Ionenbeschuss (PIAD) verdichtet wird.
Dabei werden glasartige Schichten mit Schichtdicken von 0,1 bis 100 μm mit folgenden Eigenschaften auf der Substratoberfläche abgeschieden:
Zum Schutz der Kammerinnenwände befindet sich in der Vakuumkammer (1) eine mehrteilige Abschirmungseinrichtung aus Borosilikatglasscheiben. Die Abschirmungseinrichtung besteht aus 4 Scheiben (5), welche in der Vakuumkammer (1) vor den Kammerinnenwänden aufgestellt sind und einer an der Kammertür (4) befestigten Glasscheibe (6). Die 4 Scheiben (5) können durch Halterungen und/oder Führungsschienen am Boden und/oder an der Decke der Vakuumkammer (1) befestigt werden. Die Glasscheiben (5, 6) bilden bei geschlossener Kammertür (4) einen vollstänigen Schutz der Kammerinnenwände vor unerwünschten Schichtablagerungen. Zusätzlich kann der Substrathalter (2) durch eine Borosilikatglasscheibe (nicht dargestellt) abgedeckt werden. Diese hat den gleichen Durchmesser, wie der Substrathalter (2) und kreisrunde Ausschnitte für die Waferscheiben (3) und ist am Substrathalter (10) befestigt.

Claims

Beschichtungsanlage zum Abscheiden glasartiger, glaskeramischer und/oder keramischer Schichten aus der Dampfphase auf Substrate, welche zumindest eine Vakuumkammer (1) aufweist, in welcher zumindest folgende Bauteile angeordnet sind: – zumindest ein Substrathalter (2), – zumindest eine Einrichtung zum Bereitstellen von zumindest einem Schichtausgangsmaterial und – zumindest eine Abschirmungseinrichtung zum Schutz der Vakuumkammerinnenwände und/oder von in der Kammer angeordneten Bauteilen vor unerwünschten Ablagerungen des verdampften Schichtausgangsmaterials dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturänderungen in der Vakuumkammer (1) – die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Abschirmungseinrichtung, – zumindest in Bereichen der Abschirmungseinrichtung mit Ablagerungen des verdampften Schichtausgangsmaterials, – der Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Schicht entspricht.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie die auf das Substrat aufzubringende Schicht.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung ein glasartiges, glaskeramisches und/oder keramisches Material umfasst.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abschirmungseinrichtung dem Material der aufgebrachten Schicht entspricht.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung eine hochvakuumfeste, temperaturbeständige Polymerfolie umfasst.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung eine Polymerfolie aus Polyester oder Polyimid umfasst.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung mehrteilig ist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungseinrichtung Teile aus glasartigem, glaskeramischem und/oder keramischem Material und Teile aus hochvakuumfester, temperaturbeständiger Polymerfolie, vorzugsweise aus Polyester oder Polyimid umfasst.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abschirmungseinrichtung aus glasartigem, glaskeramischem und/oder keramischem Material eine Substrathalter-Abschirmung ist und Teile der Abschirmungseinrichtung aus hochvakuumfester, temperaturbeständiger Polymerfolie Kammerinnenwand- Abschirmungen sind.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zum gasförmigen Zuführen des Schichtausgangsmaterials in die Vakuumkammer aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das diese Mittel zum Überführen des Schichtausgangsmaterials in die Gasphase aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtausgangsmaterial ein in der Vakuumkammer angeordnetes Target umfasst.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Target ein Mehrkomponenten-Glas oder eine Mehrkomponenten-Glaskeramik umfasst.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Target ein Borosilikatglas umfasst.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überführung des Schichtausgangsmaterials in die Dampfphase Mittel zum Elektronenstrahlverdampfen, thermischen Verdampfen oder gepulsten Plasma Ionenstrahlverdampfen umfassen.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Verdichtung der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verdichtung Mittel zum Plasma-Ionen unterstützten Aufdampfen umfassen.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) einen Substrathalter (2) für mehrere zu beschichtende Substrate aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) einen Substrathalter (2) für mehrere zu beschichtende Waferscheiben (3) aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine separat evakuierbare Load-Lock-Schleusenkammer zur Zufuhr der Substrate in die evakuierte Vakuumkammer (1) und Entnahme der beschichteten Substrate aus der evakuierten Vakuumkammer (1) aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammer die Vakuumkammer (1) mit einem Reinraum verbindet.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) mindestens eine Wartungsöffnung aufweist zur Reinigung der Vakuumkammer (1) und/oder zum Austausch der Abschirmungseinrichtung und/oder zum Targetwechsel.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartungsöffnung die Vakuumkammer (1) mit einem vom Reinraum getrennten Grauraumbereich verbindet.