DE4109156A1 - Verfahren zur selektiven aushaertung eines films auf einem substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Erwärmung einer dünnen Schicht bzw. eines Films auf einem Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Erzeugung einer isolierenden Schicht, beispielsweise SiO₂, auf einem konventionellen integrierten Schaltkreis. Der Film wird auf den integrierten Schaltkreis in einer flüssigen Form aufgebracht. Nach der Aufbringung muß der Film ausgehärtet werden, wobei Wärme benutzt wird, um ihn in einen festen Zu­ stand umzuwandeln. Der Aushärteprozess beinhaltet im allgemei­ nen das Austreiben von flüchtigen Molekülen oder Atomen. Bei der Verwendung eines konventionellen Heizofens, der durch Kon­ vektion heizt, wird dies bei relativ niedrigen Temperaturen über lange Zeiten gemacht, um die Diffusion und das Ausströmen der flüchtigen Bestandteile aus dem Film bei der Aushärtung zu erlauben. Da sich zu erwärmende Materialien konvektiv von der Außenseite nach innen erwärmen, beginnt die Oberfläche des Films vor dem Inneren auszuhärten. Diese ausgehärtete Schicht verhindert im wesentlich das Ausströmen oder die Diffusion der flüchtigen Bestandteile aus dem übrigbleibenden nicht-ausge­ härteten Film. Unter extremen Bedingungen können die flüchti­ gen Bestandteile an dem Ausströmen gehindert werden und agglo­ merieren, wobei sie Taschen oder Hohlräume bzw. Gasblasen in­ nerhalb des Films bilden, die die Wirksamkeit des Films redu­ zieren. Dieser Effekt geschieht eher, wenn hohe Temperaturen verwendet werden. Folglich ist es notwendig, die Filme bei niedrigen Temperaturen und für lange Zeiten zu behandeln, um es dem Aushärteprozess zu erlauben, bis zur Vollendung fortzu­ fahren ohne Verringerung der gewünschten Filmeigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen selektiven Aushärtung einer dünnen Schicht bzw. ei­ nes Films auf einem Substrat zu schaffen, das die vorstehend genannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur schnellen Aushärtung eines Films auf einem Substrat durch selektives Erwärmen, wo­ bei eine Aushärtung von innen nach außen erfolgt. Dies wird durch Beleuchtung der Probe mit einer Lichtquelle erreicht, die eine Spitzen-Wellenlänge aufweist, welche hauptsächlich von dem untenliegenden Substrat absorbiert wird, da der oben­ liegende Film für das Licht transparent ist. Daher wird das Substrat zuerst selektiv durch direkte Absorption der Strah­ lung erwärmt und der auszuhärtende Film wird gleichzeitig durch Wärmeleitung von dem Substrat erwärmt. Der Film wird von der inneren Grenzfläche zu der Oberfläche oder von innen nach außen ausgehärtet.

Bei einer Ausführungsform ist das Substrat Silizium und der Film kann ein dielektrischer Isolator in anfänglich flüssiger Form sein wie beispielsweise ein spin-on-Glas (SOG). Die Lichtquelle ist eine hauptsächlich mit Xenon gefüllte Gasent­ ladungslampe, die eine maximale Emission bei einer Wellenlänge aufweist, die von Silizium absorbiert wird, da das SOG für diese Wellenlänge transparent ist.

Ein die Erfindung benutzendes Verfahren kann einen Film in Se­ kunden oder Minuten vollständig aushärten, verglichen mit den Stunden, die typischerweise bei dem Stand der Technik benötigt werden. Wegen der von innen nach außen gerichteten Natur der Aushärtung kann eine vollständigere Aushärtung des Films und eine Beseitigung der ungewünschten flüchtigen Bestandteilen erreicht werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Aushärtung eines Films auf einem Substrat durch selektives Erwärmen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Erläuterung weiterer Merkmale an­ hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A ein Schema eines Films auf einem Substrat, der entsprechend der Erfindung ausgehärtet wird,;

Fig. 1B ein Diagramm der Temperatur als Funktion der Zeit, das ein typisches zweistufiges Verfahren zeigt unter Verwendung der Erfindung;

Fig. 2A u. 2B Vorder- und Seitenansichten einer erfindungs­ gemäßen Ausführungsform, wobei das Substrat vollständig beleuchtet wird;

Fig. 3 ein Schema einer Ausführungsform gemäß Fig. 2A mit einem Kühlkörper;

Fig. 4A u. 4B Vorder- und Seitenansichten einer erfindungsge­ mäßen Ausführungsform, bei der eine Lichtab­ tastzeile quer über das Substrat bewegt wird; und

Fig. 5 ein Schema der Ausführungsform gemäß Fig. 4A mit einem Kühlkörper.

Fig. 1A zeigt eine Lichtquelle 10, die einen Film 12 und ein Substrat 14 beleuchtet. Verunreinigungen 13 im Film 12 sind gezeigt, die während eines Aushärteprozesses zu der Oberfläche wandern. Die Lichtquelle 10 ist derart gewählt, Strahlung zu emittieren, die eine Wellenlänge aufweist, welche von dem Sub­ strat 14, aber nicht von dem Film 12 absorbiert wird. Wenn das Substrat 14 warm wird, wird der Film 12 durch Wärmeleitung ebenfalls erwärmt, wobei die Erwärmung an der Grenzfläche zwi­ schen dem Film 12 und dem Substrat 14 beginnt. Durch die Er­ wärmung von innen nach außen, anstelle von außen nach innen, wird zuerst die Aushärtung oder Verkrustung der Außenseite vermieden, die flüchtige Atome einfangen würde.

Ein Beispiel für die Lichtquelle ist im US-Patent 48 20 906 angegeben. In einer Ausführungsform ist die Lichtquelle eine hauptsächlich mit Xenon gefüllte Langlichtbogengasentladungs­ lampe und das Substrat 14 ist Silizium. Die Energie von Xenon bei seiner Spitzenemissionswellenlänge ist größer als die Energiebandlücke von Silizium und daher wird es von dem Sili­ ziumsubstrat absorbiert. Die Energie von Xenon ist kleiner als die Energiebandlücke des Films 12, der beispielsweise aus spin-on-Glas sein kann, so daß es nicht absorbiert wird.

Eine Kammer, die zum Halten der Probe benutzt werden kann, ist in dem US-Patent 47 55 654 gezeigt, auf das ausdrücklich ver­ wiesen wird. Bei einer Ausführungsform wird ein inerter Boden bzw. eine Schale benutzt, um eine große Anzahl von Proben zu halten.

In Fig. 1B ist ein Diagramm eines typischen Prozesses gezeigt, der die Erfindung benutzt. Die Probe kann zuerst auf eine er­ ste, relativ niedrige Temperatur (typisch 400 bis 600°F) für typisch 5 bis 30 Sekunden erwärmt werden. Die Verwendung die­ ser niedrigen Temperatur erlaubt es dem Temperaturgradienten, sich von dem Substrat durch den Film auszubreiten. Eine viel höhere Temperatur würde im wesentlichen den ganzen Film so schnell erwärmen, daß der Gradient zwischen der Substratgrenz­ fläche und der Außenseite des Films nicht ausreichend sein würde, um die flüchtigen Atome zu bewahren, eingefangen zu werden.

Nach dieser ersten, relativ niedrigen Temperaturstufe kann die Temperatur typischerweise auf 900 bis 1000°F erhöht werden, um den Aushärteprozess zu vervollständigen, nachdem die flüchti­ gen Atome eine Möglichkeit erhalten haben, auszuströmen. Die­ ser zweite Schritt dauert 2 bis 20 Sekunden.

Die Fig. 2A und 2B sind Vorder- und Seitenansichten der An­ ordnung, die detaillierter in dem US-Patent 47 55 654 gezeigt sind. Die aus dem Film und dem Substrat bestehende Probe 18 wird unter einer Lichtquelle 18 angeordnet. Ein Reflektor 20 über der Lichtquelle konzentriert das Licht auf die Probe 16. Ein Pyrometer 22 unterhalb der Probe 16 erfaßt das Infrarot­ licht, das von der Probe abgegeben wird, wenn sie erwärmt wird, und schafft eine Rückwirkung zu den Steuerungen der Lichtquelle.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung zusätzlich mit einem Kühlkörper 24. Eine durchgehende Öffnung 26 ist in der Mitte des Kühlkörpers angeordnet, so daß das Pyrometer 22 die Probe 16 sehen kann. In einer Ausführungsform ist der Kühlkörper aus Metall und wird mit Wasser gekühlt. Da das Substrat 14 mit dem Kühlkörper in Kontakt gehalten wird, wird dies zusätzlich hel­ fen, das Substrat kühl zu halten, während es dem Film 12 er­ laubt wird, sich zu erwärmen.

Die Fig. 4A und 4B zeigen Vorder- und Seitenansichten einer alternativen Ausführungsform, bei der eine Lichtquelle 28 und ein Pyrometer 30 in Flucht zueinander relativ zur Probe 16 bewegt werden. Die Lichtquelle 28 und das Pyrometer 30 könnten fest angeordnet sein, während die Probe 16 quer zu dem Spalt zwischen ihnen bewegt wird. Alternativ kann die Probe 16 fest angeordnet sein, während die Lichtquelle 28 und das Pyrometer 30 bewegt werden. Eine durch Zeilen 32 definierte Abtastzeile beleuchtet jederzeit einen Teil der Probe 16. Ein Längsschlitz 31 erlaubt es dem Licht, zu dem Pyrometer 30 zu gelangen.

Fig. 5 zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 4A mit einem zu­ sätzlichen Kühlkörper 34. Der Kühlkörper 34 kann einen Längs­ schlitz aufweisen, der es dem Pyrometer 30 erlaubt, die Probe 16 jederzeit während der relativen Bewegung zu sehen.

Gemäß der Erfindung kann eine Reihe von Lampen beispielsweise anstelle einer einzelnen Lampe verwendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur selektiven Erwärmung einer dünnen Schicht bzw. eines Films (12) auf einem Substrat (14) gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:
Auswahl des Substrats und des Films derart, daß sie un­ terschiedliche Lichtabsorptionscharakteristiken aufwei­ sen,
Beleuchtung des Films und Substrats mit einer Lichtquel­ le (10), die eine Spitzen-Wellenlänge aufweist, die im wesentlichen von dem Substrat und im wesentlichen nicht von dem Film absorbiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silizium ist und der Film ein auf einer Flüssigkeit basierendes Dielektrikum ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum ein Glas ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist:
Beleuchtung des Films und Substrats mit einer ersten Lichtintensität, um eine erste Temperatur für eine erste Zeitdauer zu erzeugen; und
anschließende Beleuchtung des Films und des Substrats für eine zweite Zeitdauer mit einer zweiten Lichtintensität, die größer als die erste Intensität ist, um den Film und das Substrat auf eine zweite Temperatur zu erwärmen, die größer als die erste Temperatur ist.