DE4228344C2 - Verfahren zur Photoresistbeschichtung von mikromechanisch dreidimensional strukturierten Bauteilen in der Mikrostrukturtechnik sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Photoresistbeschichtung von mikromechanisch dreidimensional strukturierten Bauteilen in der Mikrostrukturtechnik sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Photoresist-
Beschichtung von mikromechanisch dreidimensional
strukturierten Bauteilen in der Mikrostrukturtechnik
mittels einer Kombination aus elektrohydrodynamischer
Ionenquelle und der Ionenspray-Methode. Die Erfindung
betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Beschichtungsverfahren der vorgenannten Art werden
z. B. in der Halbleitertechnologie, insbesondere zur
Beschichtung von Leiterplatten, Hybridschaltungen und
Wafern eingesetzt. Auch in der Mikrostrukturtechnik,
werden Beschichtungen von LIGA-Strukturen und dreidi
mensional strukturierten Kunststoff- oder Keramikbau
teilen mit den vorgenannten Verfahren hergestellt.
Als konventionelle Methoden zur Herstellung dünner
Photoresist-Schichten sind bekannt:
Ein Tropfen des in einem Lösungsmittel gelösten
Photoresists wird auf das Substrat aufgebracht,
welches in Rotation (typisch: 5000 min-1) versetzt
wird. Durch die auftretenden Zentrifugalkräfte
bildet sich ein homogener Photoresist-Film,
dessen Schichtdicke von der Drehzahl des Sub
strates und der Viskosität des Photoresists ab
hängt (siehe: D. Widmann, H. Mader, H. Fried
rich: Technologie hochintegrierter Schaltungen;
Springer-Verlag, Berlin 1988).
Dieses Verfahren wird zur Beschichtung von groß
flächigen stark strukturierten Bauteilen im all
gemeinen in der Form der elektrostatischen Pul
verbeschichtungstechnik angewandt (siehe J. F.
Hughes: Electrostatic Powder Coating; in: Ency
clopedia of Physical Science and Technology,
Vol. 4; Academic Press, London 1987). In neuerer
Zeit wird bei vielen Anwendungen immer mehr die
Verbindung der elektrostatischen Sprühbelackung
mit der sogenannten Hochrotationszerstäubung
eingesetzt (B. Böndel, VDI Nachrichten, 46 (13)
(1992) S15). Der Einsatz dieser Techniken zur
Photoresist-Beschichtung ist nur in wenigen Fäl
len bekannt (siehe: Produktinformation der Firma
Böllhoff Verfahrenstechnik: Rationelle Beschich
tungstechnologie für die Elektronik, Druck
schrift 13-01D, Fa. Böllhoff Verfahrenstechnik,
Duisburger Str. 7, 4800 Bielefeld 14). Der mit
Lösungsmittel vermischte Photoresist trifft hier
auf eine mit hoher Drehzahl rotierende
Sprühglocke (≦ 35000 min-1), die am äußeren Rand
mit kleinen Öffnungen versehen ist. Durch die
auftretenden Zentrifugalkräfte wird die Photore
sist-Lösung nach außen geschleudert und durch
die Öffnungen der Sprühglocke gedrückt. Dabei
werden die entstehenden Tröpfchen durch Rei
bungselektrizität aufgeladen. Die Tröpfchenbil
dung ist also rein mechanisch; die hohen einge
setzten Spannungen (≦ 100 kV) zwischen der Rota
tionsglocke und dem zu beschichtenden Substrat
dienen der Fokussierung der Tröpfchen auf das
Substrat. Die Tröpfchengröße hängt von der An
zahl und Größe der Öffnungen, der zugeführten
Photoresist-Menge und der Drehzahl der Sprüh
glocke ab.
Eine Photoresist-Folie wird in einem sogenannten
Laminator auf das Substrat mit Hilfe von Druck
(typisch: einige bar) und Wärme (typische Tempe
raturen um 110°C) aufgebracht (siehe J. G.
Fish: Organic Polymer Coatings; in: Deposition
Technologies for Films and Coatings, Noyes Pu
blication; Park Ridge (N. J.) 1982).
Nachteilig ist bei diesen Verfahren:
- 1. Die zu beschichtenden Bauteile unterliegen so wohl beim Spin-on-Verfahren als auch beim Troc ken-Resist-Verfahren einer relativ hohen mecha nischen Beanspruchung. Deshalb ist eine Be schichtung von mechanisch empfindlichen Substra ten nicht möglich.
- 2. Dreidimensional strukturierte Bauteile können mit dem Trocken-Resist-Verfahren nicht beschich tet werden.
- 3. Scharfe Kanten auf mikromechanisch strukturier ten Bauteilen werden beim Spin-on-Verfahren un vollständig oder überhaupt nicht bedeckt (Film abriß).
- 4. Elektrostatische Sprühbelackung:
Damit das Material nicht durch die sehr starken Zentrifugalkräfte im ganzen das Sprüh-System umgebenden Raum verteilt wird, müssen relativ hohe Spannungen (Bereich: 100 kV) zwischen Sprühglocke und Substrat angelegt werden. Auf grund dieser hohen Spannungen sind aufwendige Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Zudem erfor dert die Hochrotationszerstäubung eine hochwer tige sehr teure Mechanik, die mit hohen War tungskosten verbunden ist. Problematisch ist auch der große Platzbedarf einer solchen Appara tur, was insbesondere bei Einsatz dieses Verfah rens in Reinräumen einen erheblichen Kostenfak tor darstellt. Ein weiterer Nachteil ist durch die mechanisch determinierte Tröpfchenbildung gegeben. Hierdurch kann die Tröpfchengröße nicht dynamisch an vorgegebene Oberflächenstrukturen der Substrate angepaßt werden.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, mit
einem preiswerten Verfahren homogene Photoresist-
Schichten mit variabler Schichtdicke (typisch:
≦ 1 µm) auf mikromechanisch dreidimensional struktu
rierten Bauteilen herzustellen, sowie eine entspre
chende Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird in bezug auf das Verfahren durch
die Merkmale des Anspruches 1 und in bezug auf die
Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 12 ge
löst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiter
bildungen an.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, daß gelade
ne mesoskopische Photoresist-Tröpfchen durch eine
elektrohydrodynamische (EHD) Ionenquelle erzeugt und
durch Kombination mit der Ionenspray-Methode auf das
zu beschichtende Substrat gesprüht werden.
Das Photoresist-Material wird in einem Lösungsmittel
mit geeignetem Dampfdruck (meist Aceton oder Metha
nol) gelöst und einer - inneren - Kapillaren aus Glas
oder einem anderen elektrisch isolierenden Material
zugeführt. Durch Kapillarkräfte wird die Photoresist-
Lösung an einem in der Glaskapillaren befindlichen
Metalldraht bis zu dessen Spitze entlang geführt,
welche einige mm aus der Glaskapillaren herausragt.
Kapillare und Draht arbeiten somit in der Form eines
Nadelventils. An der Drahtspitze ist die Photoresist-
Lösung der Einwirkung eines relativ hohen elektri
schen Feldes (Größenordnung 106 V/m) ausgesetzt. Bei
dem hier vorgestellten Verfahren handelt es sich um
eine rein elektrohydrodynamische Tröpfchenbildung und
Tröpchenaufladung. Durch das Zusammenspiel von Ober
flächenspannung der Lösung und elektrischem Feld bil
det sich ein sogenannter Taylor-Konus aus. Von diesem
Konus werden bei geeigneter Wahl von elektrischer
Feldstärke, Formgebung der Drahtspitze und Oberflä
chenspannung der Lösung sogenannte Jets emittiert,
die zu kleinen Tröpfchen in der Gasphase führen. Die
se Tröpfchen sind aufgrund von elektrophoretischer
Ladungstrennung im Taylor-Konus hoch geladen (Elek
trohydrodynamische Ionenquelle). Die aktuelle Feld
stärke EK an der Spitze der Kapillare (Spitzenradius:
rK), die sich im Abstand d von einem Substrat befin
det, berechnet sich hierbei mit UK als Potential des
Metalldrahtes zu (siehe D. P. H. Smith, IEEE Trans.
Ind. Appl., IA-22 (1986) und L. B. Loeb, A. F. Kip,
G. G. Hudson, W. H. Bennett, Phys. Rev., 60
(1941) 714):
Die Instabilität des Taylor-Konus, bei der der Spray
vorgang einsetzt, tritt nach Taylor (siehe G. I. Tay
lor, Proc. R. Soc. A, A280 (1964) 383) bei der Feld
stärke Eon auf:
hierbei sind θo der halbe Öffnungswinkel des Taylor-
Konus und γ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
Mit θo = 49,3° für den Taylor-Konus gilt dann für die
entsprechende Spannung bei Einsetzen des
Sprühvorganges:
Ohne Gaszufuhr durch eine weitere - äußere - Kapilla
re aus Glas oder einem anderen isolierenden Material
ist die Tröpfchenbildung also auf eine durch die
Oberflächenladung des Taylor-Konus bewirkte Instabi
lität zurückzuführen. Mit Gaszufuhr ist die Tröpf
chenbildung nahezu ausschließlich durch den aus der
äußeren Glaskapillaren zusätzlich austretenden turbu
lenten Gasfluß (meist Stickstoff) verursacht (Gaspha
senreaktionen). Durch die zusätzliche Edelgasatmo
sphäre in der Nähe der Kapillarspitze wird die Bil
dung und Aufladung der Tröpfchen entkoppelt, d. h.: In
diesem Fall wird die duale Funktion des elektrischen
Feldes (Aufladung und Vernebelung des Photoresist-
Materials) aufgehoben. Hierdurch erhöht sich die An
zahl der Freiheitsgrade für die Wahl der Flußrate der
Lösung, der Tröpfchengröße und des Lösungsmittels. Es
kann also gezielt Einfluß auf die Ladung und Größe
der Tröpfchen genommen werden. Die Tröpfchen besitzen
Durchmesser im mesoskopischen Bereich (ø = 0,05-1 µm).
Der Transport der entstandenen Tröpfchen geschieht
durch Drift im elektrischen Feld zum Substrat. Die
versprühten Tröpfchen der Lösung enthalten noch Poly
mermolekülionen und Lösungsmittelmoleküle. Bei geeig
netem Abstand zwischen Kapillarende und Substratober
fläche verdampfen die Lösungsmittelmoleküle bevor die
Tröpfchen die Oberfläche erreichen. Hierdurch wird
ein direktes Fließen des Photoresist auf der Sub
stratoberfläche verhindert. Mittels der Ionenlinse
ist eine Fokussierung der Tröpfchen auf das Substrat
und damit eine Einstellung der Größe des besprühten
Substratbereiches möglich. Aufgrund dieses gezielten
Versprühens besitzt das hier vorgestellte System eine
Transferrate von nahezu 100%. Optimal wird auch ein
Gitter über dem Substrat bzw. ein Extraktor direkt
vor der Kapillare eingesetzt. Das Gitter wird auf
Substratpotential gelegt. Hierdurch entsteht zwischen
Gitter und Substrat ein feldfreier Raum. Somit können
Photoresist-Tröpfchen auch tiefe Gräben oder Hohlräu
me erreichen, in die sie sonst entsprechend des Ver
laufes der elektrischen Feldlinien nicht gelangen
würden. Der Extraktor dient im Zusammenspiel mit der
Ionenlinse zur Strahlbildung bzw. Strahlfokussierung.
Obwohl es sich bei den üblichen Photoresist-Materia
lien um Mehrkomponenten-Systeme (internes und exter
nes Lösungsmittel des Photoresist, schichtbildendes
Novolack-Harz, Inhibitoren) handelt, findet weder
eine Fraktionierung noch eine Degradation der Photo
polymere statt. Somit können die erzeugten Photore
sist-Schichten photolithographisch weiterverarbeitet
werden. Eine besonders hohe Homogenität der aufge
sprühten Schichten wird durch eine Prozeßführung un
ter Lösungsmittelatmosphäre oder durch eine Nachbe
handlung der Photoresist-Filme in einer Lösungsmit
telatmosphäre erreicht. Hierdurch kann ein lateraler
Fließprozeß während oder im Anschluß an den Sprühpro
zeß gezielt eingestellt werden. Durch Rotation,
Schwingung oder Translation des Substrates können
beliebig orientierte Oberflächen beschichtet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind
- - im Vergleich zur elektrostatischen Sprühbelac
kung:
- 1. Die Tröpfchengröße ist dynamisch einstell bar (z. B. durch die Gaszufuhr beim Ionen spray) und kann somit leicht an die jewei lige Problemstellung angepaßt werden. Die Durchmesser der Tröpfchen liegen zwischen 0,05 µm und 1 µm.
- 2. Es handelt sich um ein extrem wirtschaftli
ches Verfahren.
- 1. Die Transferrate ist aufgrund der sehr kurzen Zuführungswege noch größer als bei der elektrostatischen Sprühbelac kung und erreicht nahezu 100%.
- 2. Die Anschaffungskosten der Vorrichtung sind um ca. eine Größenordnung niedri ger (zwischen 10 000 DM und 20 000 DM).
- 3. Der Platzbedarf der Vorrichtung ist sehr gering, was bei den hohen Unko sten pro Reinraumflächeneinheit von besonderer Bedeutung ist. Zudem ergibt sich aus dem geringen Platzbedarf die äußerst vorteilhafte Möglichkeit der Integration in eine bestehende Spin- Coating-Maschine als alternativen Pro zeßschritt. Insbesondere ist die Be nutzung des gleichen Aufbaus in einem späteren Prozeßschritt zum Versprühen des Entwicklers (sog. Spray-Entwick lung) vorgesehen.
- - im Vergleich zum Spin-Coating und Trocken-
Resist-Verfahren:
- 1. Die Flugbahn der Photoresist-Tröpfchen ist durch den Verlauf der elektrischen Feldli nien vorgegeben. Aufgrund des elektrischen Spitzeneffektes werden Kanten oder Spitzen von mikromechanisch strukturierten Sub stratoberflächen bevorzugt bedeckt.
- 2. Der Lackverbrauch ist deutlich geringer.
- - Die Beschichtung beliebig orientierter Flächen (auch senkrechter Grabenwände) ist möglich. Hierzu wird das Substrat relativ zur sprühenden Kapillare mit geeigneter Geschwindigkeit bewegt (Translation, Rotation, Schwingung).
- - Die Wandbedeckung in Hohlräumen ist möglich. Durch Rotation und Schwingung des Substrates wird der Photoresistnebel in Hohlräumen verwir belt, wodurch dort eine Wandbedeckung stattfin det.
- - Die Beeinflussung geladener Photoresist-Tröpf chen mittels ionenoptischer Linsen und Ablenk platten eröffnet die Möglichkeit eines sogenann ten Photoresist-Schreibens. Hierbei wird ein Ionenstrahl durch das System aus Extraktor und Ionenlinse geformt und zu einem kleinen Spot auf dem Substrat fokussiert. Mittels senkrecht (x- bzw. y-Richtung) zur Systemachse der Apparatur (z-Richtung) angebrachter Ablenkplatten können bei Anlegen bestimmter Potentiale gezielt Punkte auf der Substratoberfläche angesteuert und mit Photoresist beschichtet werden. Ein entsprechen des Layout für die zu beschichtenden Flächen kann über eine Computer-Software in die dazu notwendigen Potentiale von Linse, Extraktor, und Ablenkplatten umgerechnet und auf die Apparatur übertragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Fig. 1 näher
erläutert.
Der apparative Aufbau der Sprühvorrichtung ist in
Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung be
steht aus einer inneren Glaskapillaren (a), die zen
tral einen Metalldraht ((b), meist aus Wolfram) ent
hält und von einer zweiten äußeren Glaskapillaren (c)
umgeben ist. Die innere Glaskapillare besitzt einen
Anschluß (d) für die Zuführung der Photoresist-Lö
sung, während an der äußeren Glaskapillaren ein An
schluß für eine Gasleitung (e) angebracht ist. Der
Metalldraht und die Kapillaren stehen einem Substrat
halter ((f), meist aus Metall) für die Aufnahme des
zu beschichtenden Substrates in einem variablen Ab
stand koaxial gegenüber. Der heizbare Substrathalter
kann durch einen Motor in vertikale Schwingungen,
Translation und Rotation versetzt werden. Zwischen
Metalldraht und Substrathalter wird durch eine Span
nung von 1 bis 20 kV ein elektrisches Feld erzeugt.
Metalldraht und Substrathalter sind isoliert aufge
baut, so daß beide Elemente auf ein Potential von bis
zu ± 20 kV gelegt werden können. Zusätzlich ist zwi
schen ihnen ein Extraktor (g) und eine ionenoptische
Linse (h) angebracht.
Claims (15)
1. Verfahren zur Photoresist-Beschichtung von mi
kromechanisch strukturierten Substraten, bei
welchem eine elektrische Potentialdifferenz UK
von 1-20 kV zwischen einer mit Photoresist be
netzten Spitze einer Drahtelektrode und dem Sub
strat angelegt wird und der Drahtspitzenradius
rK, der Drahtspitze-Substrat-Abstand d und die
Oberflächenspannung γ des Lösungsmittels des Pho
toresist derart gewählt werden, daß sich nach
der Gleichung
an der Drahtspitze ein Taylor-Konus ausbildet und von diesem Taylor-Konus Flüssigkeitströpf chen mit einem Durchmesser im Bereich von 0.05 bis 1 µm in Richtung auf das Substrat emittiert werden.
an der Drahtspitze ein Taylor-Konus ausbildet und von diesem Taylor-Konus Flüssigkeitströpf chen mit einem Durchmesser im Bereich von 0.05 bis 1 µm in Richtung auf das Substrat emittiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß sich die Drahtelektrode innerhalb einer
inneren Kapillare aus isolierendem Material be
findet, durch welche die abzuscheidende Substanz
zugeführt wird, und daß sich die innere Kapilla
re innerhalb einer äußeren Kapillare befindet,
durch welche ein Gas strömen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß es sich bei dem die äußere Kapillare
durchströmenden Gas um Stickstoff oder ein Edel
gas handelt.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als
Lösungsmittel Aceton oder Methanol verwendet
wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrische Feldstärke an der Drahtspitze EK
ungefähr 106 V/m beträgt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Strahl aus Photoresisttröpfchen mit Hilfe einer
Ionenlinse (h) fokussiert und damit die Größe
des besprühten Bereichs eingestellt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Durchführung von Schreibprozessen der fokussier
te Photoresiststrahl mit Hilfe von Ablenkplatten
abgelenkt wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi
schen den Kapillaren und dem Substrat ein Gitter
(g) angeordnet wird, das auf Substratpotential
liegt und als Extraktorelektrode für die Photo
resisttröpfchen wirkt.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sprühprozeß unter Lösungsmittelatmosphäre durch
geführt wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
aufgesprühten Schichten in einer Lösungsmittel
atmosphäre nachbehandelt werden.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Substrathalter (f) eine Rotations-, Schwingungs-
oder Translationsbewegung ausführt.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11,
bestehend aus
einer inneren Kapillare (a), die eine Drahtelek trode (b) mit einem zur Ausbildung eines Taylor- Konus geeigneten Spitzenradius rK umgibt,
einer an der inneren Kapillare angeflanschten Zuführung (d) für die Zuführung der abzuschei denden Substanz aus einem sich oberhalb der An flanschung befindlichem Behältnis,
einer äußeren Kapillare (c), die die innere Ka pillare (b) und die Zuführung (d) umgibt und die einen Anschluß (e) zur Zuführung eines Gases besitzt,
einem Substrathalter (f), der in variablem Ab stand d gegenüber den Kapillaröffnungen ange bracht werden kann,
einem Motor, mit dem der Substrathalter in ver tikale Schwingungen, Translation und Rotation versetzt werden kann,
einer Spannungsquelle zum Erzeugen einer Poten tialdifferenz UK zwischen der Drahtelektrode (b) und dem Substrat.
einer inneren Kapillare (a), die eine Drahtelek trode (b) mit einem zur Ausbildung eines Taylor- Konus geeigneten Spitzenradius rK umgibt,
einer an der inneren Kapillare angeflanschten Zuführung (d) für die Zuführung der abzuschei denden Substanz aus einem sich oberhalb der An flanschung befindlichem Behältnis,
einer äußeren Kapillare (c), die die innere Ka pillare (b) und die Zuführung (d) umgibt und die einen Anschluß (e) zur Zuführung eines Gases besitzt,
einem Substrathalter (f), der in variablem Ab stand d gegenüber den Kapillaröffnungen ange bracht werden kann,
einem Motor, mit dem der Substrathalter in ver tikale Schwingungen, Translation und Rotation versetzt werden kann,
einer Spannungsquelle zum Erzeugen einer Poten tialdifferenz UK zwischen der Drahtelektrode (b) und dem Substrat.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß es sich bei der Drahtelektrode um
eine Elektrode aus Wolfram handelt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Substrat
und Kapillaröffnung eine ionenoptische Linse (h)
und/oder Ablenkplatten angebracht sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Substrat
und Kapillaröffnung ein Extraktor (g) angebracht
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924228344 DE4228344C2 (de) | 1992-08-26 | 1992-08-26 | Verfahren zur Photoresistbeschichtung von mikromechanisch dreidimensional strukturierten Bauteilen in der Mikrostrukturtechnik sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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Publications (2)
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DE4228344A1 DE4228344A1 (de) | 1994-03-10 |
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ID=6466461
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