DE4035218C2 - Verfahren zur Herstellung keramikartiger Beschichtungen auf Substraten und dessen Anwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung keramikartiger Beschichtungen auf Substraten und dessen AnwendungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer keramikartigen Beschichtung auf Substraten, wie elektroni
schen Vorrichtungen, durch Aufbringen von keramikartigen Be
schichtungen aus Materialien wie amorphem Siliciumdioxid, Sili
cium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Siliciumcarbonitrid auf
die Oberfläche dieser Substrate.
Die US-A 4 874 462 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
Films aus einer anorganischen Metallverbindung auf einem
Substrat, indem darauf ein Siliciumalkoxidsol aufgebracht und
hydrolysiert wird, wodurch ein Gelfilm gebildet wird. Dieser Film
wird bei einer Temperatur von weniger als 300°C gehärtet.
Die US-A 4 849 296 beschreibt, daß Gemische aus einem
Wasserstoffsilsesquioxanharz und einem Metalloxidvorläufer auf
ein Substrat aufgebracht und dann bei einer Temperatur im Bereich
von 200°C bis 400°C in der Gegenwart von Ammoniak keramifiziert
werden.
Die US-A 4 814 017 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer
Organoalkoxysilan/Metalloxid-Sol-GelZusammensetzung, die luftge
trocknet und dann bei 40°C bis 130°C erwärmt wird, um den
Überzug zu härten.
Die EP-A 0 212 691 beschreibt ein Verfahren zur chemischen
Dampfphasenabscheidung eines auf SiO2 basierenden Films auf einer
Halbleiterstruktur, wobei spezielle Alkoxysilane verwendet werden
und Ozon bei einer Temperatur im Bereich von 300°C bis 500°C in
die Reaktionskammer eingeführt wird.
Die JP-A 62-274 078 beschreibt die Bildung eines dünnen
metallischen oder metalloxidischen Films auf einem Substrat,
indem das Substrat mit einer ein Metall enthaltenden organischen
Substanz beschichtet und dann eine Plasmabehandlung mit
Sauerstoff bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt
wird.
Die US-A 4 346 131 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
eine Oxidbeschichtung aufweisenden Substrats durch Aufbringen
einer Si(OR)4-Lösung und anschließende Verdampfung des Lösungs
mittels bei 300°C bis 600°C, wodurch ein anorganisches Metall
oxidpolymer gebildet wird.
Es wurde gefunden, daß eine keramikartige Beschichtung, die sich
von einer präkeramischen Lösung von Siliciumalkoxiden und
gegebenenfalls keramikartigen Oxidvorläufern ableitet, leicht auf
verschiedene Substrate bei Temperaturen von nur 200°C
aufgebracht werden kann, wenn die Keramifizierung in einer
Ozonumgebung in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein schnelles, bei
niedriger Temperatur durchzuführendes Verfahren zur Bildung einer
keramikartigen Beschichtung auf einem Substrat. Sie umfaßt die
Beschichtung des Substrats mit einer Lösung, die ein
Lösungsmittel und ein oder mehrere hydrolysierte oder teilweise
hydrolysierte präkeramikartige Siliciumalkoxide der Formel
RxSi(OR')4-x umfaßt, worin R und R' gleich oder verschieden sein
können und Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen,
Arylgruppen, Alkenylgruppen oder Alkinylgruppen sind und x 0 bis
2 ist. Das Lösungsmittel wird verdampft und eine präkeramikartige
Beschichtung wird dadurch auf dem Substrat abgelagert. Das
beschichtete Substrat wird dann auf eine Temperatur zwischen 200
und 400°C in Gegenwart von Ozon und Wasserdampf erhitzt, um die
präkeramikartige Beschichtung zu keramifizieren.
Das Verfahren der Erfindung ist nützlich zur Bildung von
Schutzüberzügen auf jeglichem temperaturempfindlichen Mate
rial. Insbesondere jedoch ist das Verfahren vorteilhaft zum
Abdichten elektronischer Vorrichtungen vor verschiedenen
Umweltbelastungen, wie Feuchtigkeit, Hitze und
Abrieb. Weiterhin wurde gefunden, daß Siliciumalkoxide der
obigen Formel besonders geeignet sind, um Beschichtungen auf
Indiumzinnoxidsubstrate aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf die Bildung
zusätzlicher keramischer oder keramikartiger Beschichtungen
auf der oben gebildeten Beschichtung. In einem Doppelschicht
system kann die zweite Passivierungsschicht Silcium enthal
tende Beschichtungen, Siliciumkohlenstoff enthaltende Be
schichtungen, Siliciumstickstoff enthaltende Beschichtungen,
Siliciumkohlenstoffstickstoff enthaltende Beschichtungen oder
eine zusätzliche Siliciumdioxid- und keramische Oxidbeschich
tung umfassen. In einem Dreischichtsystem kann die zweite
Passivierungsschicht Siliciumkohlenstoff enthaltende Be
schichtungen, Siliciumstickstoff enthaltende Beschichtungen,
Siliciumkohlenstoffstickstoff enthaltende Beschichtungen oder
eine zusätzliche Siliciumdioxid- und keramische Oxidbeschich
tung umfassen und die dritte Sperrschicht kann Siliciumbe
schichtungen, Siliciumkohlenstoff enthaltende Beschichtungen,
Siliciumstickstoff enthaltende Beschichtungen und Silicium
kohlenstoffstickstoff enthaltende Beschichtungen umfassen.
Die oben beschriebenen zusätzlichen Beschichtungsschichten
können unter Verwendung einer Anzahl von Techniken aufge
bracht werden, einschließlich chemische Damphasenabscheidung,
Plasma-CVD-Verfahren, oder durch Metalle unterstützte CVD-
Verfahren oder durch Keramifizierung eines präkeramischen
Polymers.
Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß die Umwandlung von
Siliciumalkoxiden und gegebenenfalls keramischen Oxidvor
läufern zu keramischen oder keramikartigen Beschichtungen
schnell bei niedrigen Temperaturen durch Keramifizierung in
Gegenwart von Ozon und Wasserdampf auftreten kann. Die Erfindung
betrifft auch das Verfahren zur Beschichtung der obigen
keramikartigen Beschichtungen mit zusätzlichen passivierenden
und/oder Sperrbeschichtungen, die Silicium, Siliciumcarbid,
Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid oder Silicium
dioxid/keramikartige Oxid-Beschichtungen, die wie oben gebildet
wurden, umfassen.
Die Einzel- und Vielschichtbeschichtungen, die hier gelehrt
werden, sind insbesondere geeignet, um eine Vielzahl von
temperaturempfindlichen Substraten, wie elektronische Vor
richtungen, elektronische Stromkreise oder Kunststoffe, ein
schließlich zum Beispiel Polyimide, Epoxide, Polytetrafluor
ethylene und Copolymere davon, Polycarbonate, Acrylate und
Polyester mit einer Schutzschicht zu versehen. Die Silicium
alkoxide der Erfindung erwiesen sich auch als besonders geeignet
zum Aufbringen von Beschichtungen auf Indiumzinnoxidsubstrate.
Die Auswahl der Substrate und Vorrichtungen, die gemäß der
vorliegenden Erfindung beschichtet werden sollen, ist jedoch nur
durch die Notwendigkeit von thermischer und chemischer Stabilität
des Substrates bei der Temperatur und Atmosphäre, die gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschränkt. Die hier
beschriebenen Beschichtungen können auch als dielektrische
Schichten, dotierte dielektrische Schichten zur Herstellung von
transistorartigen Vorrichtungen, mit Pigment beladenen Binde
mittelsystemen, die Silicium enthalten, zur Herstellung von
Kondensatoren und kondensatorähnlichen Vorrichtungen, mehr
schichtigen Vorrichtungen, 3D-Vorrichtungen, Siliciumfilmen auf
Isolatoren, Halbleitervorrichtungen und dergleichen dienen.
Der Ausdruck "keramikartig", wie er in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, bezieht sich auf pyrolysierte Materialien, die
nicht vollständig frei sind von restlichem Kohlenstoff und/oder
Wasserstoff, die aber ansonsten einen keramikartigen Charakter
haben; der Ausdruck "Planarbeschichtung" bezieht sich auf eine
Beschichtung, die eine Oberflächensperrschicht liefert, die
weniger irregulär ist als die Oberfläche vor dem Aufbringen der
Beschichtung; die Ausdrücke "elektronische Vorrichtung" oder
"elektronischer Stromkreis" schließen Vorrichtungen auf
Siliciumbasis, Vorrichtungen auf Galliumarsenidbasis,
Brennflächenbereiche, optoelektronische Vorrichtungen,
Photoelemente und optische Vorrichtungen ein, sind aber nicht
darauf beschränkt und der Ausdruck "hydrolysiert oder teilweise
hydrolysiert" wird verwendet, um ein Siliciumalkoxid oder eine
Mischung von Siliciumalkoxiden zu bezeichnen, die unter wäßrigen,
basischen oder sauren Bedingungen behandelt wurden, so daß ent
weder alle oder ein Teil der hydrolysierbaren Substituenten an
dem Siliciumalkoxid hydrolysiert wurden.
In der vorliegenden Erfindung kann die keramikartige Beschichtung
auf dem Substrat gebildet werden mit einem Verfahren, das das
Beschichten des Substrats mit einer Lösung, die ein Lösungsmittel
und ein oder mehrere hydrolysierte oder teilweise hydrolysierte
präkeramische Siliciumalkoxide enthält, umfaßt. Das
Lösungsmittel wird verdampft, wobei eine präkeramische
Beschichtung, die auf dem Substrat abgelagert ist, zurückbleibt.
Das beschichtete Substrat wird dann auf eine Temperatur zwischen
200 und 400°C in Gegenwart von Ozon und Wasserdampf erhitzt
unter Bildung der keramikartigen Beschichtung.
Gegebenenfalls kann die keramikartige Beschichtung gebildet
werden mit einem Verfahren, das das Beschichten des Substrats mit
einer Lösung, die ein Lösungsmittel und eine präkeramische
Mischung von einem oder mehreren hydrolysierten oder teilweise
hydrolysierten Siliciumalkoxiden und einen keramikartigen
Oxidvorläufer enthält, umfaßt. Das Lösungsmittel wird verdampft,
wobei eine präkeramische Beschichtung, die auf dem Substrat
abgeschieden ist, zurückbleibt. Das beschichtete Substrat wird
dann auf eine Temperatur zwischen 200 und 400°C erhitzt in
Gegenwart von Ozon und Wasserdampf unter Bildung der
keramikartigen Beschichtung.
Die Siliciumalkoxide, die für die Erfindung geeignet sind,
schließen eine oder mehrere Verbindungen der Formel RxSi(OR')4-x
ein, worin R und R' gleich oder verschieden sein können und eine
Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, wie eine Methyl-,
Ethyl-, Propylgruppe etc., eine Arylgruppe, wie eine
Phenylgruppe, eine Alkenylgruppe, wie eine Vinyl- oder
Allylgruppe, oder eine Alkinylgruppe, wie eine Ethinylgruppe,
bedeuten und x 0 bis 2 ist. Diese Verbindungen werden, wenn sie
hydrolysiert und kondensiert werden, hauptsächlich zu SiO2-
enthaltenden Materialien umgewandelt. Beispiele spezieller
Verbindungen, die hier eingeschlossen sind, schließen
Monomethyltriethyloxysilan, Monophenyltriethoxysilan,
Diethyldiethoxysilan, Monovinyltrimethoxysilan,
Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Tetrapropoxysilan und
Tetrabutoxysilan ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Wenn die obigen Verbindungen, worin x = 2 ist, hydrolysiert und
kondensiert werden, werden normalerweise cyclische Strukturen
erzeugt. Da cyclische Verbindungen im allgemeinen für die
Filmbildung nicht wirksam sind, werden sie normalerweise nicht
als einzige präkeramische Verbindung verwendet. Diese
Verbindungen können jedoch mit anderen präkeramischen Verbin
dungen cohydrolysiert werden unter Bildung geeigneter Be
schichtungsmittel.
Zusätzliche präkeramische Materialien, von denen angenommen
wird, daß sie in gleicher Weise wirken, schließen kondensierte
Ester der Formel (RO)3SiOSi(OR)3, Disilane der Formel
(RO)xRySiOSiRy(OR)x, Verbindungen die Struktureinheiten wie SiOC
enthalten, worin die Kohlenstoff enthaltende Gruppe unter den
thermischen Bedingungen hydrolysierbar ist, oder jede andere
Quelle für SiOR ein.
Die obigen Siliciumalkoxide sind insbesondere vorteilhaft
deswegen, weil sie nicht die Reduktionswirkung von SiH ent
haltenden SiO2 Vorläufern besitzen. Als solche sind diese
Verbindungen geeignet zum Aufbringen von Beschichtungen auf
Substrate wie auf Indiumzinnoxid, das durch Reduktion ange
griffen werden könnte.
Wenn keramische Oxidvorläufer erfindungsgemäß enthalten sein
sollen, können sie zum Beispiel Zusammensetzungen
verschiedener Metalle wie Zirkonium, Titan, Aluminium,
Tantal, Niob und/oder Vanadium ebenso wie verschiedene nicht-
metallische Kompositionen sein, wie solche von Bor oder Phos
phor. Der Ausdruck "keramische Oxidvorläufer" soll daher
solche metallischen und nicht-metallischen Zusammensetzungen
mit einer oder mehrerern hydrolysierbaren Gruppen, die an das
obige Metall oder Nichtmetall gebunden sind, einschließen.
Beispiele von hydrolysierbaren Gruppen schließen Alkoxygrup
pen, wie Methoxy-, Ethoxy-, Propoxygruppen etc., Acyloxy
gruppen, wie Acetoxygruppen oder andere organische Gruppen,
die an das Metall oder Nichtmetall über einen Sauerstoff
gebunden sind, ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese
Zusammensetzungen müssen bei niedrigen Temperaturen und mit
relativ schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten in Gegenwart von
Ozon zu keramischen Oxidbeschichtungen hydrolysiert und an
schließend pyrolysiert werden können. Der keramische Oxid
vorläufer ist im allgemeinen in einer solchen Menge vorhan
den, daß die entstehende keramische Beschichtung 0,1 bis 30%
keramisches Oxid enthält.
Im Fall von hochreaktiven keramischen Oxidvorläufern, wie
Propoxiden, Isopropoxiden, Butoxiden, Isobutoxiden oder
Acetylacetonaten können die keramischen Oxidvorläufer und
Siliciumalkoxide vorgemischt werden und in Ethanol am Rück
fluß 24 Stunden erhitzt werden, um eine homogene Reaktions
mischung zu liefern, die einheitlich und mit einer kontrol
lierten Geschwindigkeit hydrolysiert werden kann. Das Kochen
am Rückfluß erzeugt eine Kondensationsreaktion, deren Pro
dukt einheitlich hydrolysiert werden kann. Jedoch führen
Versuche, eine Mischung der oben erwähnten hochreaktiven
keramischen Oxidvorläufer und eines Siliciumalkoxids zu
prähydrolysieren ohne die Kondensationsreaktion zu einer
gegenüber dem Siliciumalkoxid bevorzugten und schnellen
Hydrolyse des keramischen Oxidvorläufers, was zu einer
schnellen, nicht homogenen Gelierung der Reaktionsmischung
führt.
Das Lösungsmittel, das gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, kann irgendein Mittel oder eine Mischung von
Mitteln sein, die das Siliciumalkoxid und den keramischen
Oxidvorläufer, falls vorhanden, lösen, ohne die dabei her
gestellte keramische Beschichtung zu verändern. Diese Lö
sungsmittel können zum Beispiel Alkohole, wie Ethyl- oder
Isopropylalkohol, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol
oder Toluol, Alkane, wie n-Heptan oder Dodecan, Ketone, Ester
oder Glykolether einschließen in einer Menge, die ausreicht,
um die obigen Materialien mit niedrigem Feststoffgehalt zu
lösen. Zum Beispiel kann so viel von dem obigen Lösungsmittel
eingesetzt werden, daß eine 0,1 bis 35 gewichtsprozentige
Lösung sich bildet.
Die präkeramische Lösung der Siliciumalkoxide und gegebenen
falls keramischen Oxidvorläufer wird auf das Substrat aufge
bracht. Das Beschichtungsverfahren kann eine Schleuderbeschich
tung, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung oder Fließbe
schichtung sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das Lösungsmittel in der Lösung läßt man verdampfen und
dadurch wird eine präkeramische Beschichtung abgelagert.
Jedes geeignete Mittel zur Verdampfung kann verwendet werden,
wie zum Beispiel einfaches Lufttrocknen oder die Anwendung
eines Vakuums oder milder Wärme. Es ist anzumerken, daß dann,
wenn eine Schleuderbeschichtung angewendet wird, ein zusätzliches
Trocknen im allgemeinen nicht notwendig ist, da beim Schleudern
das Lösungsmittel abgetrieben wird.
Die Beschichtung wird keramifiziert durch Erhitzen des be
schichteten Substrats auf eine Temperatur zwischen 200 und 400°C
in Gegenwart von Ozon und Wassserdampf.
Jedes Verfahren der Erhitzung wie die Verwendung des Kon
vektionsofens oder von Strahlungswärme oder Mikrowellenenergie
ist im allgemeinen hier anwendbar. Die Erwärmungsgeschwindigkeit
ist ebenso nicht kritisch, aber es ist am praktischsten und auch
bevorzugt, das Substrat so schnell wie möglich zu erhitzen.
In einem typischen Keramifizierungsverfahren kann das be
schichtete Substrat in einen Konvektionsofen gebracht werden und
ein kontinuierlicher Ozonstrom eingeführt werden. Die Temperatur
im Ofen wird dann auf den gewünschten Grad erhöht (wie zum
Beispiel etwa 200°C) und für den gewünschten Zeitraum (wie zum
Beispiel etwa 0,5 bis 8 Stunden) aufrechterhalten.
Die erfindungsgemäße Ozonkonzentration ist jede Menge an Ozon,
die ausreichend ist, um die Keramifizierung zu verbessern. Im
allgemeinen sind Konzentrationen von mehr als 0,01
Gewichtsprozent wirksam, wobei größere Mengen bessere Ergebnisse
liefern.
Das oben verwendete Ozon kann durch übliche Mittel erzeugt
werden, wie zum Beispiel dadurch, daß man Sauerstoff einfach
einer Quelle für UV-Licht aussetzt. Das UV-Licht kann von
irgendeiner Quelle, die Licht einer Wellenlänge im Bereich von
etwa 185 bis etwa 200 nm emittieren kann, kommen, wie zum
Beispiel einer Quarzquecksilberlampe. Die Sauerstoffquelle kann
einfach die Umgebungsatmosphäre sein, aber es hat sich
erwiesen, daß eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre oder
eine Atmosphäre von reinem Sauerstoff die Geschwindigkeit der
Keramifizierung erhöhen kann.
Alternativ kann das Ozon erzeugt werden, indem man eine
Sauerstoffquelle durch einen Ozongenerator leitet. Verschiedene
Generatoren sind in der Technik wohl bekannt und viele sind im
Handel erhältlich. Das Verfahren unter Verwendung eines
Ozongenerators ist insbesondere vorteilhaft, da eine größere
Menge an Ozon hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann ein
Ozongenerator Ozonkonzentrationen bis zu etwa 10 Gewichtsprozent
erzeugen, wo hingegen das UV-Licht-Verfahren nur Konzentrationen
bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent erzeugen kann.
Der Mechanismus, durch den Ozon die Temperatur, die für die
Keramifizierung notwendig ist, absenkt, wurde noch nicht
vollständig untersucht, aber es wird angenommen, daß Ozon die
Oxidation des Siliciumalkoxids und des keramikartigen Oxid
vorläufers, falls vorhanden, verbessert, unter Bildung der
keramikartigen Beschichtung.
Zusätzlich zu Ozon ist bei dem Pyrolyseverfahren Wasserdampf
zugegen. Es erwies sich, daß der Einschluß von Wasserdampf die
Geschwindigkeit der Ozonoxidation weiter verbessert.
Durch die obigen Verfahren wird eine dünne (weniger als 2 µm)
keramikartige Planarbeschichtung auf dem Substrat erzeugt. Die
Beschichtung glättet die irregulären Oberflächen verschiedener
Substrate und hat ausgezeichnete Hafteigenschaften. Außerdem kann
die Beschichtung durch weitere Beschichtungen wie weitere
SiO2/Keramikoxidschichten, Silicium enthaltende Beschichtungen,
Siliciumkohlenstoff enthaltende Beschichtungen,
Siliciumstickstoff enthaltende Beschichtungen und/oder
Siliciumstickstoffkohlenstoff enthaltende Beschichtungen bedeckt
werden.
In einem Zweischichtsystem kann die zweite Passivierungs
schicht Silicium enthaltende Beschichtungen, Siliciumkohlen
stoff enthaltende Beschichtungen, Siliciumstickstoff enthal
tende Beschichtungen, Siliciumkohlenstoffstickstoff enthal
tende Beschichtungen oder eine zusätzliche Siliciumdioxid-
und Keramikoxidbeschichtung umfassen. In einem Dreischicht
system kann die zweite Passivierungsschicht Siliciumkohlen
stoff enthaltende Beschichtungen, Siliciumstickstoff enthal
tende Beschichtungen, Siliciumkohlenstoffstickstoff enthal
tende Beschichtungen oder eine zusätzliche Siliciumdioxid-
und Keramikoxidbeschichtung umfassen und die dritte Sperr
schicht kann Siliciumbeschichtungen, Siliciumkohlenstoff
enthaltende Beschichtungen, Siliciumstickstoff enthaltende
Beschichtungen und Siliciumkohlenstoffstickstoff enthaltende
Beschichtungen umfassen.
Die oben beschriebene Silicium enthaltende Beschichtung wird
aufgetragen mit einem Verfahren, das ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus (a) chemischer Dampfphasenabscheidung
eines Silans, Halogensilans, Halogendisilans, Halogenpoly
silans oder einer Mischung davon, (b) chemische Plasmadampf
phasenabscheidung eines Silans, Halogensilans, Halogendi
silans, Halogenpolysilans oder einer Mischung davon oder (c)
durch Metall unterstützte chemische Dampfphasenabscheidung
eines Silans, Halogensilans, Halogendisilans, Halogenpoly
silans oder einer Mischung davon. Die Siliciumkohlenstoff
beschichtung wird aufgetragen mit einem Verfahren ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus (1) chemischer Dampfphasenab
scheidung eines Silans, Alkylsilans, Halogensilans, Halo
gendisilans, Halogenpolysilans oder einer Mischung davon
in Gegenwart eines Alkans mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen
oder eines Alkylsilans, (2) chemischer Plasmadampfphasen
abscheidung eines Silans, Alkylsilans, Halogensilans,
Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer Mischung
davon in Gegenwart eines Alkans mit 1 bis 6 Kohlenstoff
atomen oder eines Alkylsilans oder (3) einer chemischen
Plasmadampfphasenabscheidung eines
Silacyclobutans oder Disilacyclobutans. Die Siliciumstick
stoff enthaltende Beschichtung wird abgeschieden mit Hilfe
eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
(A) chemischer Dampfphasenabscheidung eines Silans, Halo
gensilans, Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer
Mischung davon in Gegenwart von Ammoniak, (B) einer chemi
schen Plasmadampfphasenabscheidung eines Silans, Halogen
silans, Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer Mi
schung davon in Gegenwart von Ammoniak oder (C) einer Kera
mifizierung eines Silicium und Stickstoff enthaltenden prä
keramischen Polymers. Die Siliciumkohlenstoffstickstoff ent
haltende Beschichtung wird abgeschieden mit Hilfe eines Ver
fahrens ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (i) chemi
scher Dampfphasenabscheidung eines Hexamethyldisilazans,
(ii) einer chemischen Plasmadampfphasenabscheidung von Hexa
methyldisilazan, (iii) der chemischen Dampfphasenabscheidung
von Silan, Alkylsilan, Halogensilan, Halogendisilan, Halogen
polysilan oder einer Mischung davon in Gegenwart eines Alkans
mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eines Alkylsilans und
weiterhin in Gegenwart von Ammoniak, (iv) einer chemischen
Plasmadampfphasenabscheidung eines Silans, Alkylsilans,
Halogensilans, Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer
Mischung davon in Gegenwart eines Alkans mit 1 bis 6 Kohlen
stoffatomen oder eines Alkylsilans und weiterhin in Gegenwart
von Ammoniak und (v) der Keramifizierung einer präkeramischen
Lösung, die ein mit Kohlenstoff substituiertes Polysilazan,
Polysilacyclobutasilazan oder Polycarbosilan umfaßt, in Ge
genwart von Ammoniak. Die Siliciumdioxid- und Keramikoxid
beschichtung wird aufgebracht durch die Keramifizierung einer
präkeramischen Mischung, die einen Siliciumdioxidvorläufer
und einen Keramikoxidvorläufer umfaßt, wie in der Anfangsbe
schichtung.
Mit der vorliegenden Erfindung hergestellte Beschichtungen
haben eine niedrige Fehlerdichte und sind geeignet für
elektronische Vorrichtungen, als Schutzüberzüge,
als korrosionsresistente und abriebresistente Beschichtungen,
als temperatur- und feuchtigkeitsresistente Beschichtungen,
als dielektrische Schichten und als Diffusionssperrschichten
gegen ionische Verunreinigungen wie Natrium und Chlorid.
Die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele sind beigefügt,
um die Erfindung näher zu erläutern.
Infrarotanalysen wurden durchgeführt mit Siliciumplättchen
(IR transparent), die in den folgenden Beispielen beschichtet
wurden. Die Umwandlung in keramisches Material wird angezeigt
durch Entfernung der organischen hydrolysierbaren Gruppen und
ebenso der Hydroxysubstituenten. Die Entfernung von Hydroxy
gruppen wird sichtbar gemacht durch das Verschwinden des
Peaks bei etwa 920 cm-1 und die Entfernung von Methoxy- und
Ethoxysubstituenten wird sichtbar gemacht durch Verschwinden
der Peaks bei etwa 1100 cm-1 bzw. etwa 1075 bis 1100
cm-1. Die Entfernung der organischen Substituenten (ein
schließlich hydrolysierbarer Gruppen, die oben nicht aufge
listet sind) wurde sichtbar durch das Verschwinden von Peaks bei
mehr als 1062 cm-1.
Eine Mischung von 0,313 g Si(OCH2CH3)4 (Tetraethyl
orthosilikat (TEOS)) und 0,040 g Zr(O2C5H7)4 (Zir
koniumtetra-2,4-pentandionat) wurde in 9,648 g Ethanol ge
löst und 24 Stunden am Rückfluß erhitzt. Die Lösung wurde
auf Raumtemperatur gekühlt und 0,114 g Wasser und 0,15 g 2,5%
wäßriges HCl wurden zugegeben. Diese Lösung wurde auf 60 bis
70°C 30 Minuten erwärmt unter Bildung einer klaren hydroly
sierten präkeramischen Mischung. 7 Tropfen dieser Mischung
wurden auf ein 2,54 cm × 2,54 cm großes Siliciumplättchen
fließbeschichtet und das Lösungsmittel wurde abdampfen ge
lassen unter Bildung einer präkeramischen Beschichtung. Die
Beschichtung wurde in zwei Stufen keramifiziert: In der
ersten Stufe wurde das Plättchen 2 Stunden auf 200°C erhitzt
in einem 5,08 cm Lindburg-Ofen, der etwa 0,04 Gewichtsprozent
strömendes Ozon (erzeugt in einer BHK Inc. Analamp Vorrich
tung mit einer Wellenlänge von 185 bis 579 nm) und Wasser
dampf enthielt. In der zweiten Stufe wurde das Plättchen in
Ozon (wie oben) bei 200°C eine weitere Stunde erhitzt, aber
der Wasserdampf wurde unterbrochen. Eine keramische Beschich
tung, die ungefähr 150 nm dick war, wurde dabei herge
stellt. FTIR-Spektren bestätigten die Entfernung im wesent
lichen aller Alkoxygruppen und der meisten Hydroxysubstituen
ten.
Eine Mischung von 8,03 g Si(OCH2CH3)4 6,78 g Ethanol,
2,8 g Wasser und 0,02 g von 5-prozentigem wäßrigem HCl wurde
30 Minuten auf 60 bis 70°C erhitzt und dann mit 47,34 g
Ethanol verdünnt. 1,8 g dieser Mischung wurden mit 5,2 g
Ethanol und 0,068 g Ti(OBu)2(O2C5H7)2 (Titan(di
butoxy)bis(2,4-pentandionat)) vermischt unter Bildung einer
klaren hydrolysierten präkeramischen Mischung. 7 Tropfen der
hydrolysierten präkeramischen Mischung wurden auf ein 2,54 cm
× 2,54 cm großes Siliciumplättchen fließbeschichtet. Die
Mischung wurde trocknen gelassen unter Bildung einer prä
keramischen Beschichtung. Die präkeramische Beschichtung
wurde auf dieselbe Art wie in Beispiel 1 keramifiziert. Eine
keramische Beschichtung mit einer Dicke von etwa 150 nm
wurde dadurch hergestellt. FTIR-Spektren bestätigten die Ent
fernung aller Alkoxygruppen und der meisten Hydroxysubstitu
enten.
Eine Mischung von 4,7 g Si(OCH2CH3)4, 3,98 g Ethanol,
9,92 g Wasser und drei Tropfen 5-prozentiger wäßriger HCL
wurden 30 Minuten auf 60 bis 70°C erhitzt und dann mit 47,34 g
Ethanol verdünnt. 10 g dieser Mischung wurden mit 26,2 g
Ethanol und 0,235 g Al(O2C5H7)3 (Aluminium-tris-2,4-
pentandionat) vermischt unter Bildung einer klaren hydroly
sierten präkeramischen Mischung. 7 Tropfen der hydrolysierten
präkeramischen Mischung wurden auf ein 2,54 cm × 2,54 cm
großes Siliciumplättchen fließbeschichtet. Die Mischung wur
de trocknen gelassen unter Bildung einer präkeramischen Be
schichtung. Die präkeramische Beschichtung wurde auf dieselbe
Art wie in Beispiel 1 keramifiziert, wobei sich eine kerami
sche Beschichtung mit einer Dicke von etwa 150 nm bildete.
FTIR-Spektren bestätigten die Entfernung aller Alkoxygruppen
und der meisten Hydroxysubstituenten.
Eine Mischung von 0,729 g Si(OCH2CH3)4, 0,119 g
Zr(O2C5H7)4, 0,180 g Al(O2C5H7)3, 0,098 g
Ti(OBu)2(O2C5H7)2 und 28,9 g Ethanol wurde 24 Stun
den am Rückfluß gekocht. Die Lösung wurde auf Raumtemperatur
gekühlt und 0,12 g Wasser und ein Tropfen 5-prozentiges
wäßriges HCl wurden zugegeben. Diese Lösung wurde 30 Minuten
auf 60 bis 70°C erwärmt unter Bildung einer klaren hydroly
sierten präkeramischen Mischung. 7 Tropfen der hydrolysierten
präkeramischen Mischung wurden auf ein 2,54 cm × 2,54 cm
großes Siliciumplättchen fließbeschichtet. Die Mischung wur
de trocknen gelassen unter Bildung einer präkeramischen Be
schichtung. Die präkeramische Beschichtung wurde auf dieselbe
Art wie in Beispiel 1 keramifiziert, wobei sich eine kerami
sche Beschichtung einer Dicke von etwa 150 nm bildete.
FTIR-Spektren bestätigten die Entfernung aller Alkoxygruppen
und der meisten Hydroxysubstituenten.
Eine Mischung von 4,7 g Si(OCH2CH3)4, 3,98 g Ethanol,
9,92 g Wasser und 3 Tropfen 5-prozentiger wäßriger HCl wurden
30 Minuten auf 60 bis 70°C erhitzt und dann mit 47,34 g
Ethanol verdünnt. 3 g dieser Mischung wurden mit 7 g Ethanol
vermischt unter Bildung einer klaren hydrolysierten prä
kermischen Mischung. 7 Tropfen der hydrolysierten präkerami
schen Mischung wurden auf ein 2,54 cm × 2,54 cm großes Sili
ciumplättchen fließbeschichtet. Die Mischung wurde trocknen
gelassen unter Bildung einer präkeramischen Beschichtung. Die
präkeramische Beschichtung wurde auf dieselbe Art wie in Bei
spiel 1 keramifiziert, wobei sich eine keramische Beschich
tung einer Dicke von etwa 150 nm bildete. FTIR-Spektren
bestätigten die Bildung von SiO2 und die Entfernung aller
Alkoxygruppen und der meisten Hydroxysubstituenten.
Zum Vergleich wurden präkeramische Beschichtungen auf 2,54 cm
× 2,54 cm große Siliciumplättchen auf dieselbe Art wie in den
Beispielen 1 bis 5 aufgebracht. Die keramischen Beschichtun
gen wurden keramifiziert durch Erhitzen in zwei Stufen: In
der ersten Stufe wurde das Plättchen zwei Stunden auf 214°C
erhitzt in einem 5,08 cm Lindburg-Ofen, der Wasserdampf (kein
Ozon) enthielt. In der zweiten Stufe wurde das Plättchen eine
weitere Stunde auf 216°C erhitzt (wie oben), aber der Wasser
dampf wurde weggelassen. Die FTIR-Spektren zeigten ganz klar,
daß mehr restliche Hydroxy- und Alkoxysubstituenten in diesen
Beschichtungen vorhanden waren als sie in den gemäß den Bei
spielen 1 bis 5 gebildeten Beschichtungen mit Verwendung von
Ozon beobachtet wurden.
Eine Mischung von 3,75 g CH2=CHSi(OCH3)3, 1,37 g Was
ser, 2 Tropfen wäßriger 5-prozentiger HCl, 11,57 g Isopropyl
alkohol (IPA), 2,0 g Butylalkohol und 2,0 g Dowanol EB
(Monobutylether von Ethylenglykol) wurde 2 Stunden auf 60
bis 70°C erhitzt. Ein 2,54 cm × 2,54 cm großes mit Indium
zinnoxid beschichtetes Quarzplättchen und ein 2,54 cm ×
2,54 cm großes Siliciumplättchen wurden mit der Lösung be
schichtet und dann mit 3000 RPM 35 Sekunden geschleudert,
um eine präkeramische Beschichtung abzuscheiden. Die präkera
mische Beschichtung wurde dann keramifiziert, indem das be
schichtete Plättchen in einen Reaktor aus rostfreiem Stahl
mit einer 30,5 cm hohen Kreiskuppel gebracht wurde, wobei
3,1 Gewichtsprozent Ozon, die in einem Ozongenerator (herge
stellt von PCI) erzeugt wurden, über das Plättchen strömen
gelassen wurden, die Temperatur auf 215°C erhöht wurde und
2,5 Stunden diese Temperatur aufrechterhalten wurde. Eine
klare Beschichtung wurde dabei auf jedem Plättchen erzeugt.
FTIR-Sepktren zeigten die Umwandlung zu SiO2, wobei im
wesentlichen keine Vinylsubstituenten übrig blieben.
Eine Mischung von 4,5 g CH3Si(OCH3)3, 2,5 g Wasser,
0,4 g Essigsäure und 4,0 g IPA wurde 30 Minuten auf 60 bis
74°C erhitzt. Die entstehende Lösung wurde dann auf einen
Feststoffgehalt von 10% mit IPA verdünnt. Ein 2,54 cm
× 2,54 cm großes Siliciumplättchen wurde mit der Lösung be
schichtet und dann mit 3000 RPM 35 Sekunden geschleudert, um
eine präkeramische Beschichtung abzuscheiden. Die präkerami
sche Beschichtung wurde dann keramifiziert, indem das be
schichtete Plättchen in einen Reaktor aus rostfreiem Stahl
mit einer 30,5 cm hohen Kreiskuppel gebracht wurde, wobei
über das Plättchen 3,1 Gewichtsprozent Ozon, die in einem
Ozongenerator erzeugt wurden, strömen gelassen wurden, die
Temperatur auf 215°C erhöht wurde und 2,5 Stunden gehalten
wurde. Auf diese Weise wurde eine klare Beschichtung herge
stellt. FTIR-Spektren zeigten die Umwandlung zu SiO2, wobei
im wesentlichen keine Methylgruppen und nur geringe Mengen an
Hydroxylsubstituenten übrig blieben.
Eine Mischung von 4,5 g C6H5Si(OCH3)3, 2,5 g Wasser,
0,4 g Essigsäure und 4,0 g IPA wurden 30 Minuten auf 60 bis
74°C erhitzt. Die entstehende Lösung wurde dann auf 10%
Feststoffgehalt mit IPA verdünnt. Ein 2,54 cm × 2,54 cm
großes Siliciumplättchen wurde mit der Lösung beschichtet
und bei 3000 RPM 35 Sekunden geschleudert, um eine präkera
mische Beschichtung abzuscheiden. Die präkeramische Beschich
tung wurde dann keramifiziert, indem das beschichtete Plätt
chen in einen Reaktor aus rostfreiem Stahl mit einer 30,5 cm
hohen Kreiskuppel gebracht wurde, wobei über das Plättchen
3,1 Gewichtsprozent Ozon, das in einem Ozongenerator erzeugt
wurde, strömen gelassen wurden, die Temperatur auf 215°C
angehoben wurde und 2,5 Stunden gehalten wurde. Eine klare
Beschichtung wurde dadurch hergestellt. FTIR-Spektren zeigten
die Umwandlung zu SiO2, wobei im wesentlichen keine Phenyl
gruppen und nur geringe Mengen an Hydroxylsubstituenten übrig
blieben.
Eine Mischung von 1,562 g Si(OCH2CH3)4, 2,92 g IPA,
0,417 g Wasser und 2 Tropfen 5-prozentiger wäßriger HCl wur
den 50 Minuten auf 60 bis 75°C erhitzt. Diese Mischung wurde
mit 0,25 g t-Butanol und 0,133 g VO(OCH2CH2CH3)3 ver
mischt unter Bildung einer klaren hydrolysierten präkerami
schen Mischung. Ein 2,54 cm × 2,54 cm großes Siliciumplätt
chen wurde mit der präkeramischen Mischung beschichtet und
bei 3000 rpm 35 Sekunden geschleudert. Das beschichtete Sub
strat wurde keramifiziert, indem es in einen Reaktor aus
rostfreiem Stahl mit einer 30,5 cm hohen Kreuzkuppel gebracht
wurde, wobei 3,1 Gewichtsprozent Ozon strömten, die Tempera
tur auf 200°C erhöht wurde und 5 Stunden gehalten wurde.
Eine klare Beschichtung mit einer Dicke von etwa 252,4 nm
wurde dadurch auf dem Plättchen erzeugt. FTIR-Spektren zeig
ten die Entfernung aller Alkoxygruppen und der meisten Hy
droxysubstituenten.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung einer keramikartigen Beschichtung
auf einem Substrat, gekennzeichnet durch:
Beschichten des Substrats mit einer Lösung, die ein Lö sungsmittel und ein oder mehrere hydrolysierte oder teilweise hydrolysierte präkeramische Siliciumalkoxide der Formel RxSi(OR')4-x umfaßt, worin R und R' gleich oder verschieden sein können und Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Arylgruppen, Alkenylgruppen oder Alkinylgruppen sind und x 0 bis 2 ist;
Verdampfen des Lösungsmittels, wodurch eine präkeramische Beschichtung auf dem Substrat abgeschieden wird; und
Keramifizieren dieser präkeramikartigen Beschichtung durch Erhitzen des beschichteten Substrats auf eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C in Gegenwart von Ozon und Wasserdampf.
Beschichten des Substrats mit einer Lösung, die ein Lö sungsmittel und ein oder mehrere hydrolysierte oder teilweise hydrolysierte präkeramische Siliciumalkoxide der Formel RxSi(OR')4-x umfaßt, worin R und R' gleich oder verschieden sein können und Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Arylgruppen, Alkenylgruppen oder Alkinylgruppen sind und x 0 bis 2 ist;
Verdampfen des Lösungsmittels, wodurch eine präkeramische Beschichtung auf dem Substrat abgeschieden wird; und
Keramifizieren dieser präkeramikartigen Beschichtung durch Erhitzen des beschichteten Substrats auf eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C in Gegenwart von Ozon und Wasserdampf.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Aufbringen
einer Passivierungsbeschichtung auf die keramikartige
Beschichtung, wobei die Passivierungsbeschichtung ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus (i) Silicium enthaltenden
Beschichtungen, (ii) Siliciumkohlenstoff enthaltenden
Beschichtungen, (iii) Siliciumstickstoff enthaltenden
Beschichtungen, (iv) Siliciumkohlenstoffstickstoff
enthaltenden Beschichtungen und (v) einer zusätzlichen
Siliciumdioxid- und keramischen Oxidbeschichtung, wobei die
Silicium enthaltende Beschichtung auf die keramikartige Beschichtung
aufgebracht wird mit einem Verfahren aus chemischer
Dampfphasenabscheidung eines Silans, Halogensilans,
Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer Mischung davon
ggf. im Plasma bzw. durch Metall unterstützt; und wobei die
Siliciumkohlenstoffbeschichtung durch ein Verfahren
aufgebracht wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (1)
einer chemischen Dampfphasenabscheidung eines Silans,
Alkylsilans, Halogensilans, Halogendisilans, Halogenpolysilans
oder einer Mischung davon in Gegenwart eines Alkans mit 1 bis
6 Kohlenstoffatomen oder eines Alkylsilans, ggf. im Plasma
oder (2) einer chemischen Plasmadampfphasenabscheidung eines
Silacyclobutans oder Disilacyclobutans, und wobei die
Siliciumstickstoff enthaltende Beschichtung abgeschieden wird
mit Hilfe eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus (A) einer chemischen Dampfphasenabscheidung eines Silans,
Halogensilans, Halogendisilans, Halogenpolysilans oder einer
Mischung davon in Gegenwart von Ammoniak, ggf. im Plasma; oder
(B) Keramifizierung eines Silicium und Stickstoff enthaltenden
präkeramischen Polymers, und wobei die
Siliciumkohlenstoffstickstoff enthaltende Beschichtung
abgeschieden wird mit Hilfe eines Verfahrens ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus (i) einer chemischen
Dampfphasenabscheidung von Hexamethyldisilazan, ggf. im
Plasma; (ii) einer chemischen Dampfphasenabscheidung eines
Silans, Alkylsilans, Halogensilans, Halogendisilans,
Halogenpolysilans oder einer Mischung davon in Gegenwart eines
Alkans mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eines Alkylsilans
und in Gegenwart von Ammoniak, ggf. im Plasma; und (iii) der
Keramifizierung einer präkeramischen Lösung, die ein mit
Kohlenstoff substituiertes Polysilazan, Polysila
cyclobutasilazan oder Polycarbosilan umfaßt, in Gegenwart von
Ammoniak, und wobei die Siliciumdioxid- und keramische
Oxidbeschichtung aufgebracht wird durch Keramifizierung einer
präkeramischen Mischung, die einen Siliciumdioxidvorläufer und
einen Vorläufer keramischer Oxide umfaßt, um eine Silicium
enthaltende Passivierungsbeschichtung herzustellen, wobei eine
doppelschichtige, keramikartige Beschichtung auf dem Substrat
erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, des weiteren umfassend das
Aufbringen einer zusätzlichen Silicium enthaltenden
Sperrschicht auf die Passivierungsschicht, wobei die
Passivierungsbeschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe
bestehend aus (i) Siliciumkohlenstoff enthaltenden
Beschichtungen, (ii) Siliciumstickstoff enthaltenden
Beschichtungen, (iii) Siliciumkohlenstoffstickstoff
enthaltenden Beschichtungen und (iv) einer zusätzlichen
Siliciumdioxid und Beschichtung keramischer Oxide, und wobei die
Silicium enthaltende Sperrschicht ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus (i) Silicium enthaltenden Beschichtungen, (ii)
Siliciumkohlenstoff enthaltenden Beschichtungen, (iii)
Siliciumstickstoff enthaltenden Beschichtungen und (iv)
Siliciumkohlenstoffstickstoff enthaltenden Beschichtungen, und
wobei die Silicium enthaltende Sperrschicht auf die
Passivierungsschicht aufgebracht wird mit Hilfe eines in
Anspruch 2 beschriebenen Verfahrens, wobei eine
mehrschichtige, keramikartige Beschichtung auf dem Substrat
erhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Vorläufer keramischer Oxide zusätzlich in der Lösung vorhanden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vorläufer keramischer Oxide eine Zusammensetzung ist, die ein
Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan,
Zirconium, Aluminium, Tantal, Vanadium, Niob, Bor und
Phosphor umfaßt, und mindestens einen hydrolysierbaren
Substituenten aufweist.
6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Substrat
eine elektronische Vorrichtung ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/432,119 US5318857A (en) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | Low temperature ozonolysis of silicon and ceramic oxide precursor polymers to ceramic coatings |
FR9100565A FR2697852B1 (fr) | 1989-11-06 | 1991-01-18 | Procédé de formation d'un revêtement céramique sur un substrat en présence d'ozone. |
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Publication Number | Publication Date |
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