DE102005042754A1 - Selektive Plasmabehandlung von Substraten zur Vorbehandlung vor einem Beschichtungs- oder Bondprozeß - Google Patents

Selektive Plasmabehandlung von Substraten zur Vorbehandlung vor einem Beschichtungs- oder Bondprozeß Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur selektiven Plasmabehandlung eines im wesentlichen flächigen Substrats, insbesondere eines Halbleitersubstrats, zur Vorbehandlung vor einem Beschichtungs- oder Bondprozess zur Verfügung. Eine dielektrische Maske wird in einem Abstand gegenüber dem Substrat angeordnet. Die dem Substrat abgewandte Oberfläche der dielektrischen Maske ist mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet. Eine Spannung wird zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Substrat angelegt, so daß sich nur in vorbestimmten Abschnitten der der Maske zugewandten Oberfläche des Substrats zwischen der dielektrischen Maske und dem Substrat ein lokales Plasma ausbildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft Beschichtungsprozesse, insbesondere sogenannte Polymercoatingprozesse, und Bondprozesse von Halbleitersubstraten und insbesondere die Vorbehandlung der Halbleitersubstrate mit einem Plasma zur Haftvermittlung vor einem Polymercoating- bzw. Bondprozeß.
  • Vor Polymerbeschichtungsprozessen von Halbleitermaterialien, beispielsweise mittels Drehbeschichten (spin coating) oder Sprühbeschichten (spray coating) werden zur Haftvermittlung der Polymere auf dem Substrat üblicherweise sogenannte Primer eingesetzt, die in einem naßchemischen Prozeß aufgetragen werden. Die verwendeten Substanzen sind jedoch meist toxisch und umweltbelastend. Durch die naßchemische Behandlung können insbesondere dreidimensionale Strukturen, wie sie typischerweise in der Mikrosystemtechnik (MEMS) vorkommen, zerstört werden.
  • Auch beim Verbinden (Bonden) von Halbleitersubstraten, wobei je eine Oberfläche zweier Halbleitersubstrate miteinander fest verhaftet werden, werden die zu bondenden Oberflächen ebenfalls vorbehandelt. Die Beschaffenheit der zu verbindenden Oberflächen spielt eine große Rolle und die physikalische und chemische Oberflächenbeschaffenheit hat einen direkten Einfluß auf die Haftfähigkeit der zu verbindenden Substrate. Um eine starke Verbindung mittels eines Bondprozesses bei relative geringer Prozeßtemperatur verwirklichen zu können, werden die zu bondenden Oberflächen ebenfalls nasschemisch unter Verwendung der selben Materialien wie im oben beschriebenen Fall der Vorbehandlung vor Beschichtungsprozessen beschrieben vorbehandelt. Hierbei treten die gleichen Problem auf, wie sie oben mit Bezug auf die Polymerbeschichtung beschrieben wurden.
  • Zur Vorbehandlung der Oberflächen beim Bonden sind auch Plasma-Verfahren bekannt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der WO 2004/51729 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die gesamte Oberfläche eines Substrats behandelt, was jedoch nicht immer erwünscht ist. Zwar sollen die zu bondenden Oberflächen durch die Plasmabehandlung aktiviert werden, jedoch beispielsweise nicht die Tiefenstrukturen bzw. freistehende Strukturen (z.B. Membranen), um eine Adhäsion dieser Strukturen zum Substrat zu vermeiden.
    •
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Vorbehandlung vor Beschichtungs- bzw. Bondprozessen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll das Verfahren eine selektive bzw. lokale Vorbehandlung der Substrate ermöglichen.
  • Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
  • Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, durch geeignetes Anordnen der mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichteten dielektrischen Maske in einem Abstand zu dem Substrat und durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Substrat ein selektives bzw. lokales Plasma nur in vorbestimmten Abschnitten der der Maske zugewandten Oberfläche des Substrats auszubilden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Substrat behandelt, das eine Tiefenstruktur aufweist. Je nach Abstand bzw. Spannung bildet sich das Plasma nur im Bereich der Täler bzw. nur in den überstehenden Bereichen der Tiefenstruktur des Substrats aus. In einer weiteren Ausführungsform ist die dem Substrat zugewandte Oberfläche der dielektrischen Maske strukturiert bzw. mit einer strukturierten dielektrischen Schicht versehen, so daß eine selektive Plasmabehandlung auch von Substraten ohne Tiefenstruktur ermöglicht wird. Das Plasma wird vorzugsweise unter bzw. nahe dem Atmosphärendruck gezündet. Vorzugsweise wird das Plasma mittels einer Barrierenentladung realisiert. Die Grundlagen hierfür sind beispielsweise in der WO 01/69644 beschrieben. Der Abstand zwischen der dielektrischen Maske und dem Substrat beträgt bevorzugt weniger als 5 mm. Die Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 20 bis 60 kHz und liegt im Bereich zwischen etwa 10 und 20 kV. Eine Vielzahl von Gasen kann als Prozeßgas verwendet werden, beispielsweise O2, O3, N2, CO2, NH3, Formiergas, HCl oder ein Gemisch dieser Gase.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine gezielte Behandlung ausgewählter Oberflächenbereiche des Substrats. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die mit den oben beschriebenen Nachteilen behaftete naßchemische Vorbehandlung vermieden werden. Weiterhin erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, gezielt Tiefenstrukturen oder freistehende Strukturen in einem strukturierten Substrat durch die Einwirkung eines Plasmas als Vorprozeß zum Polymerbeschichten und Waferbonden zu behandeln.
  • Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist je einen Träger zum Halten der dielektrischen Maske bzw. des Substrats auf. Zum exakten Anordnen des Substrats und der Maske zueinander ist zumindest einer dieser Träger in den drei Raumrichtungen bewegbar und zusätzlich kippbar. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der leitfähigen Schicht auf der dielektrischen Maske und dem Substrat auf. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur exakten Ausrichtung des Substrats und der Maske zueinander, vorzugsweise im Mikrometerbereich oder sogar im Submikrometerbereicht auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt vorzugsweise einen schnellen Austausch von Maske und Substrat. Die Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch in eine Anlage zur UV-Flutbelichtung, einem sogenannten Maskaligner, integriert sein. Ein Maskaligner weist einen Maskenhalter und einen Träger für das Substrat auf, der im Raum bewegbar ist. In den Maskaligner muß zusätzlich die Einrichtung zum Anlegen einer Spannung sowie gegebenenfalls eine Gaszufuhr angeordnet werden. Die Integration der Vorrichtung zur strukturierten Plasmabehandlung in einem Maskaligner erhöht dessen Funktionalität und dadurch den wirtschaftlichen Stellenwert.
    •
  • Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Aufbau für eine selektive Plasmabehandlung eines Substrats mit Tiefenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die überstehenden Strukturen behandelt werden,
  • 2 einen Aufbau für eine selektive Plasmabehandlung eines Substrats mit Tiefenstrukturen gemäß der Erfindung, wobei die Täler der Tiefenstrukturen behandelt werden, und
  • 3 einen Aufbau für eine selektive Plasmabehandlung von Substraten ohne Tiefenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch einen Aufbau für die selektive Plasmabehandlung eines Substrats 1 mit Tiefenstrukturen. Im in 1 gezeigten Fall werden die überstehenden Strukturen 11 mit Plasma 4 bei Atmosphärendruck behandelt. Dabei liegt das Substrat 1 auf Masse-Potential. Gegenüber dem Substrat ist eine dielektrische Maske 2 in einem Abstand d angeordnet, die typischerweise aus Glas besteht. Der Abstand d zwischen den überstehenden Strukturen 11 des Substrats 1 und der dem Substrat 1 zugewandten Oberfläche der Maske 2 beträgt üblicherweise weniger als 5 mm. Die Maske 2 ist auf der Rückseite, also der dem Substrat 1 abgewandten Seite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 3 überdeckt. Zwischen die elektrisch leitfähige Schicht 3 und das Substrat 1 wird eine Spannung V, üblicherweise eine Wechselspannung angelegt. Durch geeignete Wahl der Wechselspannung und des Abstands d kommt es zu einer Barrierenentladung im Bereich der überstehenden Strukturen 11 des Substrats 1 mit der Ausbildung eines Plasmas 4. Dadurch wird eine Plasmabehandlung der überstehenden Strukturen 11 der Tiefenstruktur des Substrats 1 ermöglicht, ohne daß die Täler 12 der Tiefenstruktur behandelt werden.
  • In 2 ist der Abstand d zwischen Maske 2 und Substrat 1 deutlich verringert. Hierdurch wird die Plasmaentladung auf die Bereiche der Täler 12 des Substrats 1 beschränkt.
  • Wird also der Abstand d zwischen der dielektrischen Maske 2 und dem Substrat 1 verändert, kann die Entladung gezielt auf die überstehenden Strukturen 11 (wie mit Bezug auf 1 erläutert), die Täler 12 (wie in 2 gezeigt) oder auch sowohl auf die überstehenden Strukturen 11 als auch auf die Täler 12 gerichtet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Um die selektive Plasmabehandlung gemäß der Erfindung auch bei einem Substrat 1 ohne Tiefenstrukturen zu erlauben, wird wie im Fall der 1 bzw. 2 eine dielektrische Maske 2, die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 3 auf der dem Substrat 1 abgewandten Seite beschichtet ist, dem Substrat 1 gegenüber angeordnet. Im in 3 gezeigten Fall ist jedoch auf der dem Substrat 1 gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Maske 2 eine strukturierte Schicht 5 mit dielektrischen Eigenschaften angeordnet. Wird in dem in 3 gezeigten Aufbau eine Wechselspannung V zwischen der auf der dielektrischen Maske 2 angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht 3 und dem Substrat 1 angelegt, wird in den Bereich, in dem die strukturierte Schicht 5 angeordnet ist, das Entstehen einer Barrierenentladung bei geeigneter Wahl der Spannung V verhindert. Somit werden nur die Bereiche des Substrats 1, die den freiliegenden Bereichen der Maske 2 gegenüberliegen, d.h. den Bereichen, die nicht durch die strukturierte Schicht 5 bedeckt sind, ein Plasma 4 bei Atmosphärendruck erzeugt.

Claims (17)

  1. Verfahren zur selektiven Plasmabehandlung eines im wesentlichen flächigen Substrats (1), insbesondere eines Halbleitersubstrats, zur Vorbehandlung vor einem Beschichtungs- oder Bondprozess mit den Schritten: (a) Anordnen einer dielektrischen Maske (2) in einem Abstand (d) gegenüber dem Substrat (1), wobei die dem Substrat (1) abgewandte Oberfläche der dielektrischen Maske (2) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (3) beschichtet ist, und (b) Anlegen einer Spannung (V) zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht (3) und dem Substrat (1), derart, daß sich nur in vorbestimmten Abschnitten der der Maske zugewandten Oberfläche des Substrats (1) zwischen der dielektrischen Maske (2) und dem Substrat (1) ein lokales Plasma (4) ausbildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Maske (2) eine Glasschicht ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand (d) zwischen der dielektrischen Maske (2) und dem Substrat (1) weniger als 5 mm beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannung (V) im Bereich von 10 bis 20 kV liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannung (V) eine Wechselspannung ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Frequenz der Wechselspannung 20 bis 60 kHz beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Plasma (4) unter oder nahe Atmosphärendruck ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Prozeßgas O2, O3, N2, CO2, NH3, Formiergas, HCl oder ein Gemisch hiervon verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) eine Tiefenstruktur aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei sich das Plasma (4) in den überstehenden Bereichen (11) der Tiefenstruktur ausbildet.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei sich das Plasma (4) im Bereich der Täler (12) der Tiefenstruktur ausbildet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf der dem Substrat (1) zugewandten Oberfläche der dielektrischen Maske (2) eine strukturierte Schicht (5) mit dielektrischen Eigenschaften angeordnet ist.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungsprozess ein Polymerbeschichtungsprozess, insbesondere mittels Dreh- bzw. Sprühbeschichten, ist.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Maske (2) und das Substrat (1) vor dem Anlegen der Spannung (V) zueinander ausgerichtet werden.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Maskaligner zum Durchführen des Verfahrens verwendet wird.
  16. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Träger zum Halten des Substrats (1), einen Träger zum Halten der mit der elektrisch leitfähigen Schicht (3) beschichteten dielektrischen Maske (2) und einer Einrichtung zum Anlegen der Spannung (V) zwischen dem Substrat (1) und der elektrisch leitfähigen Schicht (3), wobei zumindest einer der Träger in den drei Raumrichtungen bewegbar und kippbar sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, ferner mit einer Einrichtung zum Ausrichten des Substrats (1) und der Maske (2) relativ zueinander.
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