DE4228344C2

DE4228344C2 - Verfahren zur Photoresistbeschichtung von mikromechanisch dreidimensional strukturierten Bauteilen in der Mikrostrukturtechnik sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4228344C2
Application number: DE19924228344
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Feld; Christian Dipl Ing Sundermeier; Meinhard Prof Dr Knoll
Original assignee: Inst Chemo U Biosensorik E V
Current assignee: Inst Chemo U Biosensorik E V
Priority date: 1992-08-26
Filing date: 1992-08-26
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: DE4228344A1

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:

Schleuderbeschichtung (Spin-on-Verfahren)

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).

Elektrostatische Sprühbelackung

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.

Trocken-Resist

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 E_K an der Spitze der Kapillare (Spitzenradius: r_K), die sich im Abstand d von einem Substrat befin det, berechnet sich hierbei mit U_K 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 E_on auf:

hierbei sind θ_o der halbe Öffnungswinkel des Taylor- Konus und γ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Mit θ_o = 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

1. Verfahren zur Photoresist-Beschichtung von mi kromechanisch strukturierten Substraten, bei welchem eine elektrische Potentialdifferenz U_K von 1-20 kV zwischen einer mit Photoresist be netzten Spitze einer Drahtelektrode und dem Sub strat angelegt wird und der Drahtspitzenradius r_K, 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.

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 E_K 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 r_K 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 U_K 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.