DE2744752A1

DE2744752A1 - Verfahren zum aufbringen eines gleichfoermigen ueberzugs auf einer oberflaeche

Info

Publication number: DE2744752A1
Application number: DE19772744752
Authority: DE
Inventors: Richard Stefan Dipl Che Boeckl
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1976-11-08
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1978-05-11
Also published as: JPS5358768A; US4068019A; FR2369881B1; IT1115743B; JPS5337708B2; FR2369881A1; DE2744752C2; GB1535641A

Description

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Anmelderin: IBM Deutschland GmbH

Pascalstraße 100 70OO Stuttgart 80 heb-pi

Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs auf einer Oberfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs auf einer Oberfläche durch Schleudern bei welchem Verfahren das Entstehen einer überhöhten Randzone verhindert wird. Verfahren zum Aufbringen eines dünnen Überzugs oder einer dünnen Materialschicht auf einem Substrat durch Schleudern in der Zentrifuge sind allgemein bekannt. Beispielsweise werden Halbleiterscheiben als Halbleitersubstrate durch Schleudern in der Zentrifuge mit einem Fotolackmaterial überzogen, das als elektrische Isolierschicht und zum Maskieren von Teilfächen dient. Bisher verwendete Apparate und Verfahren zum Herstellen einer gleichförmigen dünnen Schicht unter Verwendung eines Schleuderverfahrens waren für die bisherigen Anforderungen ausreichend. Beim Aufbringen eines dünnen gleichförmigen Überzugs durch Schleudern in der Zentrifuge ergab sich jedoch die Schwierigkeit, j daß das Überzugsmaterial an den Kanten dicker war, als auf der übrigen Fläche. Diese überhöhung der Randzone hatte '■■ zur Folge, daß für die Entwicklung von Fotolackschichten ver- I wendete Masken beispielsweise vom größten Teil der Oberfläche des Substrats einen gewissen Abstand aufwies, so daß sich bei den nachfolgend niedergeschlagenen Materialien Ausrichtfehler ergaben.

Bei den heute aufzubringenden dünnen Schichten handelt es sich j um ganz extrem dünne, extrem flache überzüge. Verwendet man zum Aufbringen dieser überzüge aus Fotolackschichten das Schleudern in der Zentrifuge, so erhält man untragbare Überhöhungen an den Kanten des Substrats von mehr als 5 Mikron. Diese überhöhten Kanten können dabei um eine Größenordnung dicker sein, als der durch Schleudern selbst aufgebrachte Film,

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Andere Apparate mit mehrfachen Schleudervorgängen werden allgemein bei dem Versuch eingesetzt, das Entstehen einer überhöhten Randzone an jeder Kante des Substrats zu verhindern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein neues Verfahren und eine dafür vorgesehene Vorrichtung anzugeben, durch die das Entstehen einer überhöhten Kante von auf einem Substrat aufzubringenden überzügen vermieden wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Im Stand der Technik hat man versucht, eine im wesentlichen flache Oberfläche eines Überzugs dadurch zu erzielen, daß man die Verdampfungsgeschwindigkeit des Lösungsmittels für den Überzug während des Schleuderverfahrens genau überwachte, wie dies beispielsweise in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 17, Nr. 11, April 1965 auf Seite 3281 mit dem Titel "Controlled Gap Photoresist Spinning Process" angegeben ist. Die Verwendung eines stark aufgeladenen ionisierenden Gases in einer trockenen inerten Atmosphäre für eine starke Aufladung der Halbleitersche Lbe zur Vermeidung von Schwankungen in der Dicke eines Überzuges ist in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 14, Nr. 2, Juli 1971 auf Seite 595 mit dem Titel "Photoresist Application Process" offenbart. Ein weiterer Aufsatz befaßt sich mit der Steuerung der Verdampfungsgeschwindigkeit des Fotolacks beim Schleudern zur Erzielung einer gleichförmigen Dicke der sich dabei ergebenden Schicht vgl. IBM TDB, Band 16, Nr. 6 vom November 1973 auf Seite 1730 mit dem Titel "Rheology Control of Films Deposited by Spin Coating Techniques".

Konzentrische Schleuderapparate, bei denen das um seinen Rotationsmittelpunkt zu beschichtende Werkstück selbst noch um einen zweiten Rotationsmittelpunkt gedreht wird, sind in einem Aufsatz in IBM TDB, Band 3, Nr. 1, Juni 1960 auf Seite 5 mit

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dem Titel "Method for Producing Uniform Control Thin Films" zu finden. Eine andere Apparatur mit einer etwas ähnlichen Steuerung ist in dem Aufsatz "Spin Coating Photoresist" in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 16, Nr. 5, Oktober 1973 auf Seite 1535 offenbart. Es ist ferner bekannt, daß die Dicke eines durch Schleudern in der Zentrifuge aufgebrach- ' ten Überzugsmaterials von verschiedenen Parametern abhängt, ^; wie dies dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 17, Nr. 4, September 1974, Seite 1048, 1049 unter dem Titel "Resist Thickness Regulation" entnommen werden kann.

Die sich aus einer Materialüberhöhung am Rande ergebenden Schwierigkeiten sind in einem Aufsatz mit dem Titel "Remover for Peripheral Resist Buildups" in IBM TDB, Band 19, Nr. 6, vom November 1976 beschrieben. Dieser Aufsatz offenbart die Verwendung eines Gasstrahls, mit dessen Hilfe die Konzentration von Fotolack an den Kanten des Substrats weggeblasen wird. Dabei ist eine außergewöhnlich genaue überwachung der Viskosität des Überzuges, des Abstandes zwischen dem Gasstrahl ! und dem Substrat und der Geschwindigkeit des Gases erforder-I lieh, damit nicht der erforderliche dünne überzug mit entj fernt wird.

: uaamnenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen das eine überhöhung des Materials an den Kanten von Substraten dadurch verhindert, daß eine rahmenartige Begrenzung rund um das Substrat mit einer etwas höheren Oberfläche angebracht wird, worauf das überzugsmaterial auf das Substrat aufgebracht und das Substrat mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, so daß durch Einwirkung der Zentrifugalkraft sich das Überzugsmaterial in einer dünnen Schicht über das gesamte Substrat ausbreitet.

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Der Apparat zum Aufbringen einer Materialschicht durch Schleudern in der Zentrifuge enthält Vorrichtungen, mit deren Hilfe das Substrat um seinen Mittelpunkt gedreht werden kann, ferner einen Vorratsbehälter und eine Leitung zum Zuführen des aufzubringenden Materials sowie Mittel zum Anbringen eines Rahmens rund um den Umfang des Substrats, wobei der Rahmen etwas oberhalb der ebenen Oberfläche des Substrats abschließt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Substrat mit einem

überhöhten Rahmen am Umfang des Substrats,

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Schnittansicht,

längs der Linie 2-2 in Fig. 1, einer Vorrichtung zum Aufbringen eines dünnen Überzugs j auf einem Substrat durch Schleudern in der , Zentrifuge mit einem das Substrat umgebenden Rahmen gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit ;

der überhöhung der Kante eines Überzugsmate- | rials vom Höhenunterschied zwischen der Hilfsoberfläche und der Substratoberfläche und

Fig. 4 ein Flußdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen einer dünnen Schicht aus einem Material unter Verwendung eines Schleuderverfahrens gemäß der Erfindung.

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- 6 -Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Halbleiterscheibe 10 in Form eines Quadrats an ihrem Umfang von einem Rahmen 12 umgeben. Die Halbleiterscheibe 10 liegt dabei um einen gewissen Abstand tiefer als die Oberkante des Rahmens 12, vgl. Fig. 2. In Fig. 2 besteht die Halbleiterscheibe 10 aus einem Substrat 14 und einer dünnen Schicht 16 aus Uberzugsmaterial. Der Rahmen 12 besteht aus Seitenwänden 13 mit einer Dicke t. Die Seitenwände müssen dabei starr genug sein, damit sie das Substrat 14 während des Schleuderns abstützen können. Andererseits könnte das Substrat von einem Vakuumspannfutter gehalten sein, wobei der Rahmen 12 dann noch mehr von dem Substrat 14 getragen würde. Die Dicke t des Rahmens ist nicht von Bedeutung, obgleich der Rahmen eine gewisse Breite aufweisen sollte. Die kleinste Dicke liegt etwa bei einem Millimeter. Die inneren Seitenwände 25 und die obenliegende Hilfsoberfläche 26 sollten glatt sein, so daß während des Beschichtungsvorgangs in der Zentrifuge das Beschichtungsmaterial leicht über den Rahmen hinausfließen kann.

Der Rahmen 12 liegt auf einer Grundplatte 18 auf, die für eine Rotation durch einen Elektromotor 20 mit diesem verbunden ist. Das Uberzugsmaterial wird zur Bildung der dünnen Schicht 16 während des Schleuderverfahrens aus einem Vorratsbehälter 22 über eine Rohrleitung 24 etwa in der Mitte des Substrats 14 zugeführt. Der Vorratsbehälter 22 mit der Zuleitung 24 liefern während des Schleuderverfahrens das Uberzugsmaterial.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist dabei der Ort der Halbleiterscheibe 10 und des unbeschichteten Substrats 14 unterhalb der am höchsten liegenden Hilfsoberfläche 26 des Rahmens 12. Dieser Höhenunterschied zwischen der ebenen Oberfläche des Substrats 14 und der Hilfsoberfläche 26 des Rah-

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mens 12 ergibt die Höhe des Rahmens in Fig. 3. Aus diesem Höhenunterschied läßt sich ableiten, unter welchen Bedingungen die kleinste Überhöhung der Kanten des Überzugsmaterials während des Schleuderverfahrens erreicht werden kann. Dies ist am besten aus Fig. 3 zu erkennen.

In Fig. 3 ist die Kantenüberhöhung der Kanten eines durch Schleudern aufgebrachten Überzugs, gemessen in Mikron, verglichen mit der Höhe des Rahmens in Mikron, dargestellt, d.h. des Unterschiedes zwischen der oberen ebenen Oberfläche des Substrats und der Hilfoberfläche des Rahmens. Die Höhe des Rahmens geht von 20 Mikron unterhalb der ebenen Oberfläche des Substrate bis 110 Mikron oberhalb der gleichen ebenen Oberfläche. Dieses Diagramm ist das Ergebnis von Versuchen mit !verschiedenen Rahmenhöhen, während gleichzeitig ein überzugs-'material auf ein Glassubstrat geleitet wurde. Das überzugsmaterial ist ein Fotolackmaterial der Firma Shipley Company, das unter dem Handelsnamen AZ-1300 als positiver Fotolack vertrieben wird, insbesondere unter AZ-135OJ. Die Parameter des überzugsmaterials wie z.B. die kinematische Viskosität bestimmen die Schichtdicke und können eine Auswirkung auf die Dicke der am Rande des Substrats gebildeten Kantenüberhöhung haben, wenn der Rahmen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird. Der Fotolack AZ-135OJ hat eine Viskosität von angenähert 30,5 Zentistoke.

Das Schleudern zum Aufbringen von Überzügen aus Fotolack oder anderen Flüssigkeiten auf Substraten ist allgemein bekannt und wird häufig zur Erzeugung von dünnen Schichten mit einer Dikke zwischen 0,1 und 5 Mikron eingesetzt. Die Anwendungsgebiete gehen vom Herstellen von Überzügen aus Fotolack auf Halbleiterscheiben bis zu Eisen-III-Oxid-Uberzügen auf den Substraten für Plattenspeicher. Wird ein ebenes Substrat mit einer durchschnittlich symmetrischen Abmessung durch Schleudern mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit mit einem

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Überzug versehen, dann wird mit Ausnahme der Kanten des Substrats eine Schicht gleichförmiger Dicke erreicht. Die Dicke der Schicht hängt nur von der symmetrischen Abmessung, der Winkelgeschwindigkeit des Schleuderüberzugsverfahrens und der kinematischen Viskosität des flüssigen Überzugsmaterials ab. An den Kanten des Substrats entsteht als Ergebnis dieses Schleuderverfahrens eine beträchtliche Erhöhung der Dicke der Schicht. Der Unterschied in der Schichtdicke zwischen der Kante und der Mitte des Substrats wird als Kantenüberhöhung bezeichnet. Die Kantenüberhöhung ist das Ergebnis eines Gleichgewichtszustands zwischen der Oberflächenenergie und der Rotationsenergie. Im Gleichgewicht ist die Oberflächenenergie je Längeneinheit der Substratkante gleich der Rotationsenergie, so daß keine neuen Trennflächen zwischen Luft und Flüssigkeit gebildet werden können, d.h., daß an diesem Punkt als Folge der Zentrifugalkräfte während des Schleudervorgangs keine Flüssigkeit mehr weggeschleudert wird. Für ein Substrat mit

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38 mm , das durch Schleudern in der Zentrifuge bei 1500 U/min

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mit dem oben erwähnten Shipley Fotolack überzogen wird, ist die Kantenüberhöhung in der Kurve gemäß Fig. 3 dargestellt. j Die Schichtdickenprofile wurden mit allgemein bekannten Verfahren zur Messung der Dicke von dünnen Schichten ermittelt. |

Wie in Fig. 3 gezeigt, ergibt eine Zunahme der Höhe des Rahmens von unterhalb der ebenen Oberfläche des Substrats bis etwa 60 Mikron oberhalb des Substrats eine beträchtliche Abnahme der Kantenüberhöhung des Überzugsmaterials. Bei einer Lage der Hilfsoberfläche des Rahmens 20 Mikron unterhalb der planaren Oberfläche des Substrats ergab sich eine Kantenüberhöhung von 7 Mikron. Die Kantenüberhöhung nahm bis auf weit unter 1 Mikron ab bei einer Überhöhung des Rahmens von 30 Mikron, d.h., wenn die Hilfsoberfläche sich in einem Abstand von 30 Mikron oberhalb der Substratoberfläche befindet. Die Kantenüberhöhung kann bis auf 0,2 Mikron +0,1 Mikron dadurch

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verringert werden, daß man den Rahmen bis auf etwa 50 Mikron oberhalb der Oberfläche des Substrats anhebt, ausgehend von etwa 7 Mikron von Kantenüberhöhung an der regulären Kante ohne Verwendung des Rahmens. Die Kantenüberhöhung hängt dabei sehr stark vom Höhenunterschied zwischen der Hilfsoberfläche des Rahmens und der Substratoberfläche ab. Der einfach in Fig. 1 und 2 um die Grenzen des Substrats herum dargestellte Rahmen ergibt dann eine besonders kleine Kantenüberhöhung, wenn die Oberseite des Rahmens zwischen etwa 40 bis 100 Mikron über der Ebene des Substrats liegt. Spalten zwischen dem Rahmen und dem Substrat müssen dabei kleiner sein als angenähert 20 Mikron.

Das Verfahren zum Erzielen eines Substrats mit einem durch Schleudern in der Zentrifuge aufgebrachten dünnen Schicht mit einer nur ganz geringen Überhöhung der Schicht am Rande ist in Fig. 4 gezeigt. Die Verfahrensschritte werden unter Verwendung der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung erläutert.
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Das Verfahren beginnt mit der Auswahl eines geeigneten Substrats, wie z.B. des Substrats 14, auf das durch Schleudern !in der Zentrifuge eine dünne Schicht aus einem Material auf-

; gebracht werden soll." Ein geeignetes Substrat könnte beispiels·· ι weise eine nichtleitende Scheibe für ein Halbleiterelement aus keramischen Material oder ein magnetisches Substrat aus

Ferrit oder ein geeignetes Substrat für eine magnetisierbare Schicht sein, welches beispielsweise aus Glas oder Aluminium bestehen kann. Die Substrate werden dann für das Beschichtungs-jverfahren gereinigt und geläppt, wie es für das Anhaften der aufzubringenden dünnen Schicht an die glatte Oberfläche erforderlich ist. Vor Aufbringen der dünnen Schicht 16 können andere überzüge angebracht werden.

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Das Substrat 14 wird dann In einen Rahmen 12 gemäß Flg. 1 und 2 eingesetzt, der eine erhöhte Hllfsoberfläche 26 aufweist. Der Rahmen wird rund um den äußeren Umfang des Substrats In der Welse angebracht, daß die Hllfsoberfläche einen Abstand gegenüber der ebenen Oberfläche des Substrats aufweist, der der gewünschten oder geforderten Verringerung der Kantenüberhöhung entspricht. Für das quadratische Substrat 14 In Flg. 1 wird ein Rahmen 12 aus vier gleichen Teilen hergestellt, die rund um den Umfang des Substrats angebracht werden.

Das überzugsmaterial wird dann, wie in Fig. 2 gezeigt, entsprechend dem nächsten Schritt von Fig. 4 aufgebracht. Das Uberzugsmaterial wird im allgemeinen etwa in der Mitte oder nahe der Mitte aufgebracht, wie es die Form des Substrats zuläßt, so daß durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Substrats sich das Uberzugsmaterial über die planare Oberfläche des Substrats ausbreitet und verteilt. Der nächste Verfahrensschritt gemäß Fig. 4 besteht darin, daß das eingerahmte Substrat nunmehr um seinen ungefähren Mittelpunkt rotiert wird. In Fign. 1 und 2 kann die Rotation durch einen Elektromotor 20 erzeugt werden, der die Grundplatte 18, die das eingerahmte Substrat 14 trägt, rotiert. Die dem Substrat erteilte Rotationsgeschwindigkeit ist eine Funktion der Dicke des überzugsmaterials und der Viskosität des Uberzugsmaterials Das Verfahren endet damit, wenn die gewünschte Verteilung des Überzugs erreicht ist. Die zur Erzielung eines beschichteten Substrate mit den erforderlichen Parametern erforderliche Zeit wird im allgemeinen durch Versuch bestimmt. Das Schleudern wird dann angehalten, wenn diese Zeit abgelaufen ist.

Die auf das Uberzugsmaterial einwirkenden Zentrifugalkräfte, die das Ergebnis des Schleuderns des Substrats um seine Mittelachse sind, bewirken, daß sich das Uberzugsmaterial über die Oberfläche des Substrats ausbreitet. Jede Materialüberhöhung an den Kanten des Substrats wird nach oben und über die Hilfsoberfläche der erhöhten Rahmens abgeschleudert. Es

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gibt daher fast keine oder keine Kantenüberhöhung rund um den Umfang eines Substrats, wenn das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Rahmen versehen ist. Die überhöhung des überzugsmaterials an den Kanten wird vermieden, und das Substrat mit der daraufbefindlichen dünnen Schicht ist unmittelbar für eine Maskierung und Entwicklung des Fotolacks für eine weitere Bearbeitung des Substrats verwendbar. Die weitere Verwendung eines so vorbereiteten Substrats für die Halbleiterherstellung ist allgemein bekannt und bedarf hier nicht der Erläuterung. Die Maske kann ohne weitere Bearbeitung der Halbleiterscheibe unmittelbar auf das Fotolacküberzugsmaterial aufgelegt werden. Die Kantenüberhöhung wird soweit verringert, daß die verschiedenen Verfahrensschritte, die normalerweise zum Freilegen der Kanten und zum Entwickeln des Fotolacks nur an den Kanten zusammen mit dem Verfahren zum anschließenden Reinigen der Kanten des Substrats nicht länger erforderlich sind. Diese Verfahrensschritte haben keinen funktionalen Zweck und haben durch die zusätzlichen Verfahrensschritte lediglich zur Kostenerhöhung beigetragen.

'Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wurde an einer hier dargestellten Ausführungsform erläutert. Dem Fachmann leuchtet j ohne weiteres sofort ein, daß viele Abwandlungen der Struktur I der Anordnung, der Abmessungen der Elemente, Materialien und Komponenten bei der Durchführung der Erfindung möglich sind. Beispielsweise können Substrate und Rahmen jede beliebige

I Form haben, beispielsweise kreisförmig oder rechteckig sein :und müssen nicht, wie in Fign. 1 und 2 gezeigt, quadratisch sein. Die einzige Forderung ist, daß eine genaue Passung vorgesehen ist zwischen Substrat und erhöhtem Rahmen. Spalten zwi-jsehen dem Rahmen und dem Substrat müssen möglichst klein gehalten werden, da sich der Spalt sonst für das überzugsmateriai. als ungeschützte Kante darstellt, so daß an dem Spalt eine Kan-t-' tenüberhöhung auftritt. Selbstverständlich ist klar, daß jedes

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Überzugsmaterial benutzt werden kann. Das einzige Erfordernis besteht darin, daß das Material zur Bildung einer dünnen Materialschicht auf dem Substrat durch Schleudern in der Zentrifuge aufgebracht werden kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs auf der Oberfläche eines Substrats durch Schleudern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anbringen eines Rahmens am Umfang des Substrats derart, daß die Oberseite des Rahmens höher liegt als die ebene Oberfläche des Substrats,

Anbringen des Überzugsmaterials auf das Substrat und· Rotieren des eingerahmten Substrats mit dem derauf befindlichen Uberzugsmaterials etwa um dessen Mittelpunkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das eingerahmte Substrat bereits vor Aufbringen des Überzugsmaterials in Rotation versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als überzugsamterial ein flüssiger Fotolack verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- !

net, daß rund um den Umfang des Substrats ein Rahmen angebracht wird, dessen Oberfläche zwischen 40 und 1OO Mikron oberhalb der ebenen Oberfläche des Substrats liegt.

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