DE102005024518A1

DE102005024518A1 - Verfahren und Anordnung zum Beschichten eines Substrates

Info

Publication number: DE102005024518A1
Application number: DE200510024518
Authority: DE
Inventors: Stefan Völlmeke
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik De GmbH
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-28
Also published as: DE102005024518B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Beschichten eines Substrats, wobei eine Flüssigkeit unter Druck durch eine Düse auf das Substrat gesprüht wird und dort trocknet. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglichen, sowohl planare als auch nichtplanare Substrate mit einer konformen Beschichtung kostengünstig zu versehen. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Flüssigkeit zu Schwingungen angeregt wird, die einen monodispersen Zerfall des durch die Düse (1) austretenden Flüssigkeitsstrahls (2) bewirken, und die Düse (1) während des Sprühens mäanderförmig über das Substrat (3) bewegt wird, wobei die Düse (1) in einem konstanten Abstand von der Oberfläche des Substrats (3) bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Beschichten eines Substrats, wobei eine Flüssigkeit unter Druck durch eine Düse auf das Substrat gesprüht wird und dort trocknet.

Bei vielen Anwendungen im Bereich der Mikrosytemtechnik müssen dünne Schichten auf nichtplanaren Substraten photolithographisch strukturiert werden, vielfach sogar über steile Flanken oder Kanten. Zum Auftragen des dazu notwendigen Photoresists werden insbesondere Sprühbeschichtungsanlagen verwendet.

Um mit einer Sprühbeschichtung steile Flanken mit konvexen oder konkaven Kanten konform zu belacken, ist es grundsätzlich erforderlich, den Photolack in Form von kleinsten Tröpfchen einerseits so trocken wie möglich auf die Oberfläche des Substrats (den Wafer) aufzubringen, damit der Lack nicht mehr fließen und sich keine Oberflächenspannung ausbilden kann, die den Lack wieder von konvexen Kanten wegziehen beziehungsweise in konkave Kanten hineinziehen würde. Andererseits ist es erforderlich, den Photolack so nass wie nötig auf der Oberfläche auftreffen zu lassen, damit sich die Seitenflanken der Tropfen gerade noch verbinden und sich ein rauer, aber geschlossener Film ohne Löcher bildet. Die Balance zwischen diesen Eigenschaften stellt eine Gratwanderung dar und hängt auch sehr empfindlich von den Oberflächeneigenschaften des Substrats beziehungsweise von deren Toleranzen ab.

Zum Auftragen des Photolacks ist es bekannt, eine Düse zu verwenden. Neben den Düseneigenschaften spielen für die Belackungsqualität insbesondere die Parameter Abstand zwischen Düse und Substratscheibe, Photolack-Zusammensetzung, Photolack-Durchflussrate und Verfahrgeschwindigkeit eine wesentliche Rolle.

Die bislang verwendeten Düsen weisen ein mehr oder weniger breites Tröpfchenspektrum auf, was zu einem recht inhomogenen Trocknungsverhalten führt. Das heißt, dass sehr kleine Tröpfchen schon sehr trocken auf der Waferoberfläche ankommen, während größere Tropfen noch relativ viel Lösungsmittel enthalten, also noch nass sind. Diese Eigenschaften erfordern es, eine gewisse Mindestmenge an Lack aufzubringen, um eine geschlossene Schicht zu erzielen. Diese geschlossene Schichtdicke kann je nach Düse etwa zwischen 6 μm und 15 μm liegen. Je dicker eine Lackschicht ist, umso stärker ist aufgrund des noch in der Schicht vorhandenen Lösungsmittels der Rückzug auf konvexen Kanten und umso größer ist eine Lackansammlung in konkaven Kanten oder Ecken. Dieser Effekt wird bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung (Tempern) noch verstärkt.

In EP 1 046 959 A2 ist eine Beschichtungsanordnung beschrieben, bei der eine Ultraschalldüse verwendet wird, die mit einer Arbeitsfrequenz von etwa 100 kHz betrieben wird. Dabei wird Photolack mittels der Ultraschalldüse zerstäubt, die während des Beschichtungsvorgangs über den langsam rotierenden Wafer bewegt wird. Um die gesamte Waferoberfläche homogen zu belacken, fährt dabei die Düse entsprechend eines vorgegebenen Geschwindigkeitsprofils am Rand des Wafers langsamer als in der Mitte. Mit dieser Anlage lassen sich relativ homogene und reproduzierbare Lackschichten mit einer typischen Lackdicke von 8 μm bis 10μm erzeugen, wobei die Homogenität über den gesamten Wafer bei ca. +-10% liegt.

Bei dieser Anlage ist das Spektrum der Tröpfchendurchmesser sehr breit. Die Tröpfchendurchmesser liegen etwa zwischen 0,5 μm und 70 μm mit einem häufigsten Durchmesser von etwa 20 μm, so dass die Tröpfchen unter normalen Betriebsbedingungen nur sehr schlecht für die Sprühbeschichtung mit steilen Flanken geeignet sind. Nur mit Mehrfachbeschichtungen und relativ dicken Lackschichten von mehr als 12 μm gelingt es, eine ausreichende Kantenbedeckung zu erzielen. Strukturierungen in Substratkavitäten hinein oder durch diese hindurch sind nur mit sehr grober Auflösung beziehungsweise gar nicht möglich.

Neuere Sprühbeschichtungsanlagen werden beschrieben durch K. Hane, M. Sasaki, et al.: „Basic Studies of Fiber-Optic MEMS for Telecommunications Using Three Dimensional Micromachining", IEICE-Trans. Electron.; Vol. E84-C, No.12 Dezember 2001, pp.1785-1791 und Produktinformationen der Firma Süss Microtec über Sprühbeschichtungsanlagen. Diese Anlagen verwenden 2-Stoff-Düsen, bei denen der Photolack mit Druckluft zerstäubt wird. Hier ist das Tröpfchenspektrum schmaler, es liegt etwa zwischen 0,5 μm und 50 μm mit einem häufigsten Durchmesser von etwa 10 μm, und zu kleineren Tröpfchengrößen hin verschoben. Dadurch wird das Trocknungsverhalten homogener. Es lassen sich geschlossene Schichten mit einer Dicke von mindestens 6 μm erzielen.

Ein prinzipieller Nachteil der 2-Stoff-Düsen ist, dass stets ein hoher Luftstrom vorhanden ist, der zur Zerstäubung benötigt wird. Dieser führt zum einen zu einer relativ starken Aerosolentwicklung und damit zur Verschmutzung der Anlage. Zum anderen ist es schwierig, mit einer solchen Düse sehr kleine Kavitäten zu belacken, da sich dort bei der Beschichtung durch den hohen Luftstrom ein Staudruck aufbaut, so dass die Lacktröpfchen nicht mehr bis in den Grund der Kavität vordringen können und sich an den Flanken niederschlagen.

Um fortgeschrittene dreidimensionale Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) mit extremen Topologien, wie beispielsweise scharfen Spitzen, engen Kavitäten, steilen oder senkrechten Flanken oder hochauflösenden Tiefenstrukturen, realisieren zu können, ist es daher zwingend erforderlich, die Lackschichten zuverlässig dünner und konformer abzuscheiden, als es mit den bekannten Sprühbeschichtungsanlagen möglich ist.

In DE 42 28 344 C2 wird das so genannte Ionen- beziehungsweise Elektro-Sprühbeschichtungsverfahren beschrieben. Bei diesem Verfahren werden prinzipiell deutlich kleinere Tröpfchen mit einem Durchmesser von höchstens wenigen Mikrometern mit einer sehr engen Tröpfchenverteilung erzeugt. Dabei wird der Photolack einer Glaskapillare zugeführt, in der sich ein dünner Metalldraht befindet. Der Metalldraht wird gegenüber dem zu beschichtenden Wafer auf ein Hochspannungspotential gelegt, wodurch sich an der Spitze des Me talldrahtes feinste ionisierte Lacktröpfchen mit einem Durchmesser von einigen wenigen Mikrometern abnabeln und auf das Substrat (den Wafer) gelangen. Da die Stellen des Substrats, die bereits mit Photolack bedeckt sind, eine geringere Feldliniendichte aufweisen als freie Stellen, werden bevorzugt noch freie Stellen von weiteren ionisierten Tröpfchen belegt, so dass insgesamt eine gleichmäßig raue Bedeckung entsteht. Anschließend wird die narbige Schicht mit einem Lösungsmitteldampf beaufschlagt und dadurch geglättet. Diese Prozedur aus Beschichtung und Nachbehandlung wird mehrfach wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass sich konforme Photolackschichten mit einer geringen, geschlossenen Schichtdicke von etwa 4 μm bis 6 μm erzielen lassen.

Von Nachteil ist bei diesem Verfahren die geringe Abscheiderate, so dass lange Prozesszeiten von etwa 45 Minuten in Kauf genommen werden müssen. Daher ist dieses Verfahren derzeit unwirtschaftlich. Als weiterer Nachteil wird das Anlegen einer Hochspannung gesehen, die bei einer Funkenentladung zur Explosion des feinen Aerosols führen kann oder ladungsempfindliche Bauteile auf dem zu beschichtenden Substrat zerstören kann.

In den letzten Jahren wird die Photolithographie für immer größere planare Substrate, wie beispielsweise 12''-Wafer oder auch Flachbildschirme, eingesetzt. Bei der Anwendung des konventionellen Photolack-Auftrags mittels Spin-Coating wird hier zum einen sehr viel Lack benötigt und auch wieder abgeschleudert und damit verschwendet. Zum anderen gibt es bei nichtrunden Substraten Probleme, diese in den Randbereichen homogen zu beschichten.

In DE 10 2004 008 024 A1 ist ein Verfahren zur photolithografischen Mikrostrukturierung von dreidimensionalen Oberflächen beschrieben, bei dem eine konforme Oberflächenbeschichtung mit einem Tröpfchennebel aus photosensitivem Lack einer definierten Konsistenz und Tröpfchengröße durchgeführt wird, Maßnahmen zur Kompensation von Abbildungsfehlern infolge der sehr geringen Schärfentiefe vorgenommen werden und Maßnahmen zur Unterdrückung von unerwünschten Reflexionen und Streulicht beim Belichtungsprozess getroffen werden.

Aus J. W. Strutt (Lord Rayleigh): "On the instability of jets", Proceedings of the London math. Society, Vol. 10 (4), 1878, ist bekannt, dass ein Flüssigkeitsstrahl, in dem sich eine stehende Welle ausbildet, nach einer theoretisch bestimmbaren Strahllänge in gleichmäßig große Einzeltropfen zerfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglichen, sowohl planare als auch nichtplanare Substrate mit einer konformen Beschichtung kostengünstig zu versehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Das Auftragen von flüssigen Materialien erfolgt mittels einer Sprühbeschichtung, bei der die Flüssigkeit zu Schwingungen angeregt wird, die einen monodispersen Zerfall des durch die Düse austretenden Flüssigkeitsstrahls bewirken. Dabei wird ein sehr feiner, gerichteter Tröpfchennebel erzeugt und die Beschichtungsmaterialien hinsichtlich Feststoffgehalt und -zusammensetzung, Lösungsmittelgemisch und Oberflächenspannung auf optimale Schichtbildungseigenschaften modifiziert. Vorzugsweise wird die Flüssigkeit vor dem oder bei dem Verlassen der Düse zu Schwingungen angeregt. Vorzugsweise werden dabei die Schwingungen so angeregt, dass sich in dem aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl eine stehende Welle ausbildet. Das Anregen der Schwingungen kann durch eine speziell geformte Düse und/oder durch eine zusätzliche Schwingungsquelle im Bereich der Düse erfolgen, beispielsweise durch einen Piezokristall.

Die Erzeugung kleinster Tröpfchen gelingt unter Anwendung einer Düse, die nach dem Prinzip des Rayleigh-Zerfalls arbeitet und monodisperse Tröpfen mit einem Durchmesser weniger als 10 μm erzeugt. Eine solche Düse wird beim Beschichtungsvorgang mit Linearbewegungen in x-Richtung und in y-Richtung zeilenweise über das zu beschichtende Substrat geführt. Durch die Linearbewegung wird ein sehr gleichmäßiges Trocknungsverhalten der Tröpfchen sichergestellt. Insbesondere bei großen Topologieunterschieden kann die Düse gegenüber der Oberflächentopologie nachgeführt werden, so dass über den gesamten Beschichtungsvorgang ein konstanter Abstand zwischen Düse und Oberfläche eingehalten wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer derartigen Düse beruht auf einer Membran mit Löchern. Dabei ist die Membrandicke deutlich geringer als der Durchmesser der Löcher. Wird das zu zerstäubende Medium von einer Seite mit einem Druck von etwa 0,5 bar bis 10 bar auf die Membran gegeben, so schießt das Medium in Form von Strahlen aus den Löchern. Durch das große Verhältnis von Lochdurchmesser zu Membrandicke wird der Strömungswiderstand gering gehalten, so dass mit den genannten Drücken hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids erreicht werden. Dadurch entstehen nach der Theorie von Lord Rayleigh Schwingungen oder stehende Wellen in den austretenden Flüssigkeitsstrahlen, so dass diese nach einer so genannten Rayleighlänge in gleichgroße, monodisperse Tröpfen zerfallen. Der Durchmesser der sich bildenden Tröpfchen ist etwa um einen Faktor von 1,89 größer als der ursprüngliche Strahl- beziehungsweise Lochdurchmesser.

Die Vorteile einer solchen Sprühbeschichtungsanordnung mit Rayleigh-Düse gegenüber den bislang angewendeten Ultraschall- bzw. 2-Stoff-Düsen bestehen auf nichtplanaren wie auch planaren Substraten in der Erzeugung monodisperser Tröpfchen. Dies begünstigt insbesondere in Verbindung mit einem linearen Verfahrweg der Düse ein sehr gleichmäßiges Beschichtungs- und Trocknungsverhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erzeugung eines Aerosolnebels weitestgehend vermieden wird. Dadurch wird die Verschmutzung der Anlage deutlich reduziert. Vorteilhaft ist weiterhin, dass keine Druckluft zur Zerstäu bung benötigt wird. Dadurch wird ein Staudruck bei der Beschichtung von engen Kavitäten vermieden. Außerdem wird keine Hochspannung zur Zerstäubung benötigt. Somit ist keine unmittelbare Explosionsgefahr gegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Dazu zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Beschichtung eines nichtplanaren Substrates
2 einen Schnitt durch die in 1 dargestellte Anordnung und
3 ein Diagramm, das die Tröpfchenverteilung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu bekannten Verfahren zeigt.
Die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung verwendet zur Sprühbeschichtung eines Substrates 3 als Düse 1 eine Rayleigh-Zerfallsdüse. Die Rayleigh-Zerfallsdüse weist eine Zuführeinrichtung 1.1 für die aufzusprühende Flüssigkeit auf. Durch eine hier nicht dargestellte – im Inneren der Düse 1 angeordnete – dünne Membran mit Löchern wird diese Flüssigkeit von einer Seite hindurchgedrückt. In Abhängigkeit von Düsengeometrie, Druck und Flüssigkeitseigenschaften treten auf der anderen Seite Flüssigkeitsstrahlen 2 aus, die durch sich in der Flüssigkeit ausbildende Schwingungen nach einer gewissen Länge in nahezu gleichgroße (monodisperse) Tropfen zerfallen.
Mit einer solchen Düse ist es möglich, Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 5 μm herstellen. Somit lassen sich mit diesem Verfahren ähnlich kleine Tröpfchengrößen wie beim Ionen-Sprühbeschichten erzeugen. Gegenüber jenem Verfahren wird jedoch keine Hochspannung benötigt und die Düse kann als Feld in einem Array von Einzeldüsen konzipiert werden, so dass sie einen deutlich höheren Durchsatz aufweist.
Da nahezu alle mit einer Rayleigh-Zerfallsdüse erzeugten Tröpfchen mit der gleichen Geschwindigkeit trocknen, lassen sich sehr gleichmäßige und konforme Lackschichten mit einer Dicke im Bereich von 2 μm bis 6 μm erzielen.
Die Düse 1 wird in konstantem Abstand über der Oberfläche des Substrats 3 in x- und y-Richtung mäanderförmig geführt. Im dargestellten Beispiel weist die Oberfläche des Substrats 3 eine Vertiefung 3.1 auf, die von schrägen Wandflächen 3.2 begrenzt ist. Um auch beim Besprühen der Vertiefung 3.1 und der schrägen Wandflächen 3.2 einen gleich bleibenden Anstand der Düse zur zu besprühenden Fläche einzuhalten, ist es zweckmäßig, den Abstand in z-Richtung mit einem Abstandssensor zu kontrollieren und mittels einer Regeleinrichtung konstant zu halten.
Neben der Anwendung einer Rayleigh-Zerfallsdüse zur Sprühbeschichtung nichtplanarer Substrate 3 kann es auch zweckmäßig sein, diese für planare Substrate einzusetzen.
Mit einer Sprühbeschichtung mit einer Rayleigh-Zerfallsdüse und einer linearen x-y-Scanbewegung lässt sich der Photolack sehr fein verteilt und skalierbar auch auf große Flächen mit beliebigen Geometrien auftragen, ohne dabei Photolack zu verschwenden. Eine hohe Homogenität der Lackschicht kann durch eine sehr dünnflüssige Formulierung des Photolacks und eine damit verbundene gute Fließfähigkeit sowie durch eine nachfolgende Lösungsmittelbedampfung erzielt werden.
3 erläutert anhand eines Diagramms einen Vergleich experimentell ermittelter Verteilungen von Tröpfchengrößen mit verschiedenen Sprühanordnungen. Dabei wurde die Tröpfchengröße für Strahlen von Beschichtungsflüssigkeiten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurden, mit den Tröpfchengrößen von Flüssigkeiten, die nach bekannten Verfahren erzeugt wurden, gegenübergestellt. Im Diagramm zeigen:
die Kurve a eine Tröpfchenverteilung, die mit einer Ultraschalldüse erzeugt wurde,
die Kurve b eine Tröpfchenverteilung, die mit einer 2-Stoff-Düse erzeugt wurde
und
die Kurve c eine Tröpfchenverteilung, die mit einer erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung einer Rayleigh-Düse erzeugt wurde.
Der Darstellung ist zu entnehmen, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Rayleigh-Düse erzeugten Tröpfchen eine extrem geringe Streubreite ihrer Tröpfchengröße aufweisen, wobei sämtliche Tropfendurchmesser kleiner als 10 μm sind.

1: Düse
1.1: Zuführeinrichtung
2: Flüssigkeitsstrahl
3: Substrat
3.1: Vertiefung
3.2: Wandfläche

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (3), wobei eine Flüssigkeit unter Druck durch eine Düse (1) auf das Substrat gesprüht wird und dort trocknet, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit zu Schwingungen angeregt wird, die einen monodispersen Zerfall des durch die Düse (1) austretenden Flüssigkeitsstrahls (2) bewirken, und die Düse (1) während des Sprühens mäanderförmig über das Substrat (3) bewegt wird, wobei die Düse (1) in einem konstanten Abstand von der Oberfläche des Substrats (3) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachführen der Düse (1) bei nicht ebenen Substraten (3) der Abstand der Düse (1) von Oberfläche des Substrats (3) ermittelt und mittels einer Regeleinrichtung konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit einer Dicke von weniger als 6 μm aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit simultan durch mehrere Düsen (1) in unterschiedliche Richtungen gesprüht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit simultan durch mehrere, in unterschiedlichen Abständen zum Substrat (3) befindlichen Düsen (1) gesprüht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit ein Photolack und/oder ein Polymer und/oder ein Hybridpolymer und/oder ein anorganisches Sol-Gel verwen det wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (3) ein Halbleitermaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühen wiederholt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Substrat (3) nach dem Beschichtungsvorgang und/oder zwischen mehreren Beschichtungsvorgängen mit Lösungsmittel bedampft wird.
Anordnung zum Beschichten eines Substrats mit einer Flüssigkeit, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Düse (1) und einer Materialzuführungseinrichtung (1.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Rayleigh-Zerfallsdüse enthält, welche eine Membran mit einem Array von Löchern aufweist, wobei die Dicke der Membran wesentlich geringer ist als der Durchmesser der Löcher.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (1) ein regelmäßiges Feld von Löchern aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum der Membran eine größere Anzahl von Löchern angeordnet ist als am Rand der Düse (1).
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in unterschiedliche Richtungen sprühende, Düsen (1) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (1) in unterschiedlichen Abständen vom Substrat (3) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Stelleinrichtung enthält, mit der ein konstanter Abstand der Düse (1) von der zu besprühenden Fläche des Substrats (3) geregelt wird.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Abstandes der Düse (1) vom Substrat (3) ein taktiler oder ein optischer Sensor angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Materialzuführungseinrichtung (1.1) oder in der Düse (1) ein Filter zur Reinigung der Flüssigkeit angeordnet ist.