DE69030497T2 - Verfahren zur beschichtung von substraten mit einem photoresistlack - Google Patents
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auftragen einer Photoresistzusammensetzung auf ein Substrat. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufbringen von feinst Verteiltentröpfchen einer Photoresistzusmmensetzung, vorzugsweise mittels einer Ultraschallzerstäuberdüse, auf ein Substrat (beispielsweise ein Silicium-Wafer) und anschließende Bildung eines Films gleichmäßiger Dicke von photoresistiven Festkörpern durch Rotation des beschichteten Substrats.
- Photoresistzusammensetzungen wurden durch eine Vielzahl herkömmlicher Techniken auf Substrate aufgebracht, wie beispielsweise durch Tauchbeschichtung, Walzenauftrag, druckbeaufschlagtes Sprühverfahren und Rotationsbeschichtung. Ist das Substrat ein Wafer zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, so ist die Rotationsbeschichtung das derzeit bevorzugte Verfahren.
- Bei diesen bisher bekannten Verfahren wurde die photoresistive Mischung auf dem Wafer verteilt, während dieser gestoppt war (unter Erzeugung eines Puddels) oder während dieser langsam rotierte. Nach dem Verteilungsschritt wurde der Wafer mit einer höheren Rotationsrate gedreht und der Resist aufgrund der durch die Drehbewegung erzeugten Zentrifugalkraft über die Waferoberfläche verteilt. Der größte Anteil des verteilten Resists wurde über die Kante des Wafers weggeschleudert und in einem Gefäß unterhalb des Wafers aufgefangen. Ein Film gleichmäßiger Dicke der photoresistiven Festkörper (d.h. des photoaktiven Polymermaterials abzüglich des größten Anteils an Lösungsmittel in der ursprünglichen Photoresistzusammensetzung) blieb auf der Oberfläche des Wafers zurück. Anschließend wurde der Wafer von der rotierenden Spannvorrichtung für weitere Bearbeitungsschritte entfernt.
- Die Parameter der herkömmlichen Rotationsbeschichtung von Wafern wurden detailliert diskutiert von K. Skidmore in "Applying Photoresist for Optimal Coatings" in dem Beitrag von Februar 1981 in Semiconductor International, Seiten 56 - 62.
- Ein Hauptproblem bei der Rotationsbeschichtung von Photoresistmischungen auf Substraten ist, daß der größte Anteil des aufgebrachten Photoresistmaterials nicht auf dem Wafer verbleibt. Dieses führt entweder zu einer Verschwendung dieses überschüssigen Photoresistmaterials oder erfordert eine Reformulierung und Rückgewinnung des Materials. Jede dieser Alternativen führt zu drastisch erhöhten Gesamtkosten bei der Aufbringung des Photoresists.
- Daneben ist auch die Technik der Aufbringung von feinzerstäubten Tröpfchen eines Materials mittels einer Ultraschallsprühdüse auf ein Substrat bekannt.
- Ultraschallsprühdüsen wurden hergestellt von Sono-Tek Corporation of Poughkeepsie, New York. Diese Ultraschallsprühdüsen wurden beschrieben in den US-Patenten 4,153,201; 4,301,968; 4,337,896; 4,352,459; 4,541,564; 4,642,581 und 4,723,708, deren Anmelder jeweils Sono-Tek ist.
- Derartige Ultraschallsprühdüsen wurden zum Aufbringen von Beschichtungen einer Vielzahl von Materialien auf Substrate verwendet. Beispielsweise wurden derartige Düsen eingesetzt, um eine Gelatine-Schicht über eine rotationsbeschichtete Photoresisschicht aufzubringen, um die Photoresisschicht gegen Verformung oder Beschädigung durch Hitze, die während nachfolgender Ätzprozesse, Ionenimplantation und dergleichen erzeugt wird, zu stabilisieren, (siehe US-Patent 4,806,455, welches am 21. Februar 1989 von Nancy C. Labianca angemeldet wurde und dessen Inhaber MacDermid Inc. ist.
- Frühere Versuche zur Verwendung von Ultraschallsprühdüsen alleine für die Aufbringung von Photoresistbeschichtungen waren jedoch nicht zufriedenstellend, da es nicht möglich war, einen Film gleichmäßiger Dicke herzustellen.
- Dementsprechend besteht das Bedürfnis im Bereich der Aufbringung eines Photoresists, derzeitige Rotationsbeschichtungstechniken zu verbessern, um das gegenwärtige hohe Volumen an verteiltem Photoresists je Wafer zu verringern. Es wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Erfindung, welche eine Kombination von Sprühzerstäubung mit Rotationsbeschichtung verwendet, das Potential für eine Verringerung der Menge an verteiltem Photoresistsvolumen um wenigestens das Fünf- bis Zehnfache aufweist und geeignete feste Filme von Photoresist mit gleichmäßiger Dicke ermöglicht, ohne daß der größte Anteil des auf getragenen Photoresists wie bei derzeit gewöhnlich ausgeführten Rotationsbeschichtungsprozes sen ungenutzt anfällt.
- Dementsprechend richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Aufbringen eines Films gleichmäßiger Dicke von Photoresistfeststoffen auf ein Substrat, das durch die Schritte gekennzeichnet ist: (a) Herstellen einer flüssigen Photoresistzusammensetzung enthaltend die Photoresistfeststoffe in einem Lösungsmittel, wobei der Feststoffgehalt der Photoresistmischung im Bereich von ungefähr 10 % des Gewichts bis zu ungefähr 22 % des Gewichts liegt; (b) Herstellen von atomisierten Sprühtröpfchen der flüssigen Photoresistmischung, (c) Ermöglichung der Niederschlagung des atomisierten Sprühnebels durch die Schwerkraft auf einer Substratoberfläche, wodurch eine Photoresistbeschichtung auf der Oberfläche gebildet wird, und (d) Rotation des beschichteten Substrats mit einer vorbestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit und für eine vorbestimmte Zeitdauer, um im wesentlichen das gesamte Lösungsmittel der photoresistiven Beschichtung zu entfernen und einen Film gleichmäßiger Dicke von Photoresistfeststoffen auf dem Substrat zu bilden.
- Der erste Schritt in den Prozeß der vorliegenden Erfindung ist die Bildung einer flüssigen Photoresistformulierung, enthaltend einen spezifischen Feststoffanteil. Im allgemeinen enthalten in herkömmlichen Rotationsbeschichtungsprozessen ver wendete Photoresistzusammensetzungen einen zu hohen Feststoffanteil, um diese in dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwenden. Dementsprechend sollten diese mit mehr Lösungsmitteln verdünnt werden, bis daß der gehandhabte Feststoffgehalt im Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 22 Gew.-% liegt, bezogen auf die gesamte Photoresistmischung. Diese Verdünnung kann durch Zugabe von herkömmlichen Photoresistverdünnern (d.h. ein reines Lösungsmittelprodukt) zu herkömmlichen Photoresistprodukten durchgeführt werden. Vorzugsweise liegt der Feststoffgehalt im Bereich zwischen ungefähr 12% bis ungefähr 20%, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 15% bis ungefähr 19%, bezogen auf das Gewicht der gesamten Photoresistformulierung.
- Die Photoresistformulierung mit einem derartigen kontrollierten Feststoffgehalt wird anschließend in feinst verteilte Sprühtröpfchen oder Nebeltröpfchen überführt, welche vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von weniger als 100 µm (microns) aufweisen. Dies erfolgt vorzugsweise durch Passieren der flüssigen Photoresistzusammensetzung durch eine Ultraschalldüse. Jede Unterschalldüse, welche in der Lage ist, Photoresistzusammensetzungen der eingestellten Feststoffgehalte zu zerstäuben, kann eingesetzt werden.
- Die zerstäubten Sprühtröpfchen des Photoresists wird anschließend ermöglicht auf eine Substratoberfläche zu fallen. Das Substrat kann ein beliebiges herkömmliches Substrat sein, auf welches normalerweise Photoresistbeschichtungen aufgebracht werden. Vorzugsweise hat das Substrat die Form eines Wafers. Besonders bevorzugt als Substrat ist ein Silicium-Wafer. Die Zeit zur Aufbringung der Photoresistbeschichtung auf herkömmliche Halbleitersubstrate wie zum Beispiel Wafer beträgt zwischen 2 bis 6 Sekunden.
- Das Substrat kann statisch (d.h. nicht rotierend) oder rotierend während des Dispersions- oder Beschichtungsschrittes sein. Zur Beschichtung eines 4 Zoll Silicium-Wafers ist es bevorzugt, einen statischen Dispersionsschritt zu verwenden. Für größere Silicium-Wafer kann eine dynamische Beschichtung (Rotation während der Verteilung) bevorzugt sein, um einen Film gleichmäßiger Schichtdicke über den gesamten Wafer zu erhalten. In einem derartigen Fall sind Rotationsgeschwindigkeiten während der Dispersion von ungefähr 500 bis 200 Umdrehungen pro Minute bevorzugt.
- Nachdem das Substrat mit den zerstäubten Sprühtröpfchen des Photoresists beschichtet wurde, wird das beschichtete Substrat auf einer herkömmlichen Rotationsbeschichtungsvorrichtung gedreht. Die Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationszeit können vorherbestimmt sein, um die gewünschte optimale Photoresistschichtdicke und die Gleichmßßigkeit der Schichtdicke zu erhalten. Im allgemeinen ist es bevorzugt, Rotationsgeschwindigkeiten von ungefähr 500 bis ungefähr 6.000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 1.000 bis 5.000 Umdrehungen pro Minute anzuwenden. Die bevorzugten Rotationszeiten für viele Halbleiter-Wafer sind ungefähr zwischen 20 bis 60 Sekunden (z.B. für einen 4 Zoll Silicium-Wafer beträgt die Rotationszeitdauer ungefähr 30 bis 40 Sekunden und für einen 6 Zoll Silicium-Wafer 50 bis 60 Sekunden).
- Es ist eine Vielzahl von Rotationsbeschichtungs-Techniken bekannt und jede der geeigneten Techniken kann hierzu eingesetzt werden.
- Nachdem die Rotationsbeschichtung beendet ist wird das Substrat, das nun den gewünschten Photoresistfilm mit gleichmäßiger Schichtdicke aufweist, weiter gemäß herkömmlichen Verfahren der Halbleitertechnik und verwandten Gebieten bearbeitet.
- Die Photoresistbeschichtung des Substrats ist vorzugsweise ein Film von gleichmäßiger Dicke von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5 µm. Die Bezeichnung "Film von gleichmäßiger Dicke", wie sie hier und in den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf eine Beschichtung oder einen Film mit einer Standardabweichung der Dicke der Beschichtung von weniger als ungefähr Zweihundert Angström (200Å).
- Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die vorliegende Erfindung im weiteren. Alle Teile und Prozentangaben sind Gewichtsangaben, soweit dies nicht anders explizit angegeben wird.
- Unterschiedliche flüssige Photoresistmischungen, wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind, wurden durch Mischungen von HPR-204 positiv Photoresist mit LSI Verdünner hergestellt. Die beiden Produkte sind erhältlich von Olin Hunt Specialty Products Inc., West Paterson, New Jersey. HPR-204 wird hergestellt aus einem gemischten meta- und para-kresol Novolack Binderharz, einem Naphtoquinon-1,2-Diazid-5-Sulfonsäuretriester eines Trihydroxybenzophenon-Sensibilisators und einem Lösungsmittelgemisch hergestellt aus 85 Gew.-% Ethyl-Cellosolve-Acetat, 8,6 Gew.-% Butylacetat und 5,2 Gew.-% Xylol und 1,2 Gew.-% Ethylbenzol. Der Gehalt an Feststoffen von HPR-204 ist ungefähr 26 ± 2 Gew. LSI Verdünner ist eine Lösungsmittelmischung bestehend aus der gleichen Lösungsmittelmischung, wie sie bei HPR- 204 eingesetzt wurde. Eine 1:1 Volumenmischung von HPR-204 mit LSI Verdünner hat ungefähr 13 % ± 2 % Feststoffanteil nach Gewicht; die 2:1 Volumenmischung von HPR-204 mit LSI Verdünner hat einen Feststoffgehalt von ungefähr 17 % ± 2 % (in Gewicht); die 3:1 Volumenmischung von HPR-204 mit LSI Verdünner weist einen Feststoffgehalt von ungefähr 20 % ±2 Gew.-% auf; die 4:1 Volumenmischung von HPR-204 mit LSI Verdünner weist ungefähr 22 Gew.-% ± 2 Gew.-% Feststoffgehalt auf. Für jeden Versuch wurde eine dieser Photoresistzusammensetzungen durch Schwerkraft durch eine Sono-Tek 8700 Serie Mikrospray Ultraschallzerstäuberdüse (hergestellt durch Sono-Tek Corporation, Poughkeepsie, New York) zugeführt. Die Ultraschallenergie der Düse wurde eingeschaltet, bevor die Resistzufuhr in die Düse eingeleitet wurde.
- Die Flußrate der Resistzusammensetzung betrug zwischen ungefähr 10 bis 20 Milliliter pro Minute für jedes Experiment. Die Gravitationskraft und der hydraulische Druck waren die einzigen Triebkräfte für den Fluß des Resists durch die Düse. Eine Pumpe wurde nicht verwendet, um die Resistmischung der Düse zuzuführen. Dementsprechend wurde kein externer Pumpendruck ausgeübt, um die Resistmischung durch die Düse zu fördern.
- Für jeden Versuch wurde die Düse ungefähr 5 - 8 cm (2-3 Zoll) oberhalb eines statischen 4 Zoll Silicium-Wafers auf einer drehbaren Spannvorrichtung montiert. Für jeden Test wurde die Resistflüssigkeit durch die Düse für 3 Sekunden gesprüht. Die Resistzuführleitung wurde anschließend geschlossen und die der Ultraschalldüse zugeführte Energie abgeschaltet. Die Energie je Test betrug zwischen 2 und 3 Watt, abhängig von den Feststoffgehalten des Photoresists.
- Unmittelbar nach dem 3 sekündigen Verteilungsschritt wurde der Silicium-Wafer für ungefähr 35 Sekunden bei einer der in Tabelle 1 gezeigten Rotationsgeschwindigkeiten gedreht. Eine Sauglüftung wurde während des Rotationsprozesses nicht durchgeführt.
- Für jeden der Versuche wurden lediglich 0,5 bis 0,7 Kubikzentimeter der flüssigen Photoresistmischung verbraucht, verglichen mit 1,5 bis 4 Kubikzentimeter an Resist, wie er normalerweise für einen 4 Zoll Silicium-Wafer unter Verwendung herkömmlicher Rotatationsbeschichtungstechniken verbraucht wurde.
- Tabelle 1 zeigt die mittlere Filmschichtdicke (in Angström) des Photoresist-Feststoffs, gemessen nach dem Rotationsschritt. Zehntausend Angström entsprechen einem Mikrometer. Der Wert in Klammern gibt die Standardabweichung an, wie sie unter Verwendung eines Spectramap 5M200 Filmdicken-Mapping systems der Prometrix Corporation, Santa Clara, Californien, gemessen wurde. Tabelle 1
- * = Beschichtungen wurden hergestellt, aber die Gleichmäßigkeit war aufgrund von Schwierigkeiten bei der 40 Drehung der Düsenenergieversorgungseinheiten sehr schlecht.
- ** = Unmöglichkeit der Durchführung entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
Claims (11)
1. Verfahren zum Aufbringen eines Films gleichmäßiger Dicke
von photoresistiven Festkörpern auf ein Substrat,
gekennzeichnet durch die folgenden
Schritte:
a) Herstellen einer flüssigen photoresistiven Mischung,
die die photoresistiven Festkörper in einer Lösung
enthält, wobei der Anteil der Festkörper im Bereich
von 10 % des Gewichts bis zu 22 % des Gewichts liegt,
b) Herstellen von atomaren Sprühtröpfchen der
photoresistiven Mischung,
c) Aufbringen der atomaren Sprühtröpfchen auf die
Substratoberfläche durch die Schwerkraft, dabei eine
photoresistive Schicht auf der Oberfläche formend und
d) Rotieren der beschichteten Oberfläche mit einer
vorbestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit und für eine
vorbestimmte Zeitdauer, um das Lösungsmittel von der
photoresistiven
Beschichtung zu entfernen und einen Film
des photoresistiven Festkörpers von im wesentlichen
gleicher Dicke auf dem Substrat herzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die atomisierten Sprühtröpfchen in
Verfahrensschritt (b) mit einer Ultraschallsprühdüse
hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die flüssige photoresistive Mischung
durch die Schwerkraft der Ultraschallsprühdüse zugeführt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die flüssige photoresistive Mischung
der Ultraschallsprühdüse mit einer Rate von 10 bis 20
Milliliter pro Sekunde für 2 bis 6 Sekunden pro zu
beschichtendem Substrat zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Festkörpergehalt bei einem Anteil
von 12 % des Gewichts bis 20 % des Gewichts in der
photoresistiven Mischung liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Festkörpergehalt bei einem Anteil
von 15 % des Gewichts bis 19 % des Gewichts in der
photoresistiven Mischung liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat eine Silicium-Wafer-
Scheibe ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Beschichtungsschritt (c)
ausgeführt wird während das Substrat rotiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Beschichtungsschritt (c) bei
einer Rotationsgeschwindigkeit von 500 bis 2.000
Umdrehungen pro Minute ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (d) bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 1000 bis 6000 Umdrehungen
pro Minute für 20 bis 60 Sekunden ausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß es so geführt wird, daß der Film von
gleicher Dicke des photoresistiven Festkörpers von 0,5 bis
1,5 µm dick ist.
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