DE2744752C2 - Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs auf einer Oberfläche - Google Patents
Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs auf einer OberflächeInfo
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Description
25
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 Teilflächen 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, 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 verwendete 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 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 5μπι. Diese
überhöhten Kanten können dabei um eine Größenordnung dicker sein, als der durch Schleudern selbst
aufgebrachte Film.
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.
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 Halbleiterscheibe
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 betaßt 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 se'nen Rotationsmittelpunkt zu beschichtende Werkstück
selbst noch um einen zweiten Potationsmittelpunkt gedreht wird, sind in einem Autsatz in IBM TDB,
Band 3, Nr. 1, Juni 1960 auf Seite 5 mit 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 aufgebrachten 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
Regula'Jon« 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 erforderlich, damit nicht der erforderliche dünne Überzug mit entfernt wird.
Zusammenfassung 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 um 40—100 μίτι 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.
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 Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf ein Substrat mit einem überhöhten Rahmen am Umfang des Substrats,
F i g. 2 ei?e vereinfachte schematische Schnittansicht,
längs der Linie 2-2 in Fig. 1, einer Vorrichtung zum Aufbringen eines dünnen Überzugs auf einem Substrat
durch Schleudern in der Zentrifuge mit einem das Substrat umgebenden Rahmen gemäß der vorliegenden
Erfindung,
F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Überhöhung der Kante eines Überzugsmaterials
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.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
der Erfindung
In F i g. 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. F i g. 2. In F i g. 2 besteht die Halbleiterscheibe 10 aus einem Substrat 14 und einer dünnen Schicht 16 aus
Überzugsmaterial. Der Rahmen 12 besteht aus Seitenwänden 13 mit einer Dicke L 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 Überzugsmaterial 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 liefert während des Schleuderverfahrens das Überzugsmatt rial.
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 Rahmens 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 F i g. 3 zu erkennen.
In F i g. 3 ist die Kantenüberhöhung der Kanten eines durch Schleudern aufgebracnten Überzugs, gemessen in
μπι, verglichen mit der Höhe des Rahmens in μπι,
dargestellt, d. h. des Unterschiedes zwischen der oberen
ebenen Oberfläche des Substrats und der Hilfsoberfläehe des Rahmens. Die Höhe des Rahmens geht von
20 μΐη unterhalb der ebenen Oberfläche des Substrats
bis 110 μπι oberhalb der gleichen ebenen Oberfläche.
Dieses Diagramm ist das Ergebnis von Versuchen mit verschiedenen Rahmenhöhen, während gleichzeitig ein
ίο Überzugsmaterial auf ein Glassubstrat geleitet wurde.
Das Überzugsmaterial ist ein Fotolackmaterial, das im Handel als positiver Fotolack vertrieben wird. 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 hat eine Viskosität
von angenähert 30,5 mm2/s.
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 Dicke zwischen 0,1 und
5 μπι eingesetzt Die Anwendungsgebiete gehen vom
Herstellen von Überzügen aus Fotolack auf Halbleiterscheiben bis zu Eisen-II-Oxid-Überzügen auf den
Substraten für Plattenspeicher. Wird ein ebenes Substrat mit einer durchschnittlich symmetrischen
Abmessung durch Schleudern mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit mit einem 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
so ein Substrat mit 38 mm2, das durch Schleudern in der
Zentrifuge bei 1500 U/min mit dem oben erwähnten Fotolack überzogen wird, ist die Kantenüberhöhung in
der Kurve gemäß F i g. 3 dargestellt. Die Schichtdickenprofile wurden mit allgemein bekannten Verfahren zur
Messung der Dicke von dünnen Schichten ermittelt.
Wie in F i g. 3 gezeigt, ergibt eine Zunahme der Höhe des Rahmens von unterhalb der ebenen Oberfläche des
Substrats bis 60 μιη oberhalb des Substrats eine
beträchtliche Abnahme der Kantenüberhöhung des
Überzugsmaterials. Bei einer Lage der Hilfsoberfläche des Rahmens 20 μπι unterhalb der planaren Oberfläche
des Substrats ergab sich eine Kantenüberhöhung von 7 μπι. Die Kantenüberhöhung nahm bis auf weit unter
1 μη" ab bei einer Überhöhung des Rahmens von 30 μιη,
d.h., wenn die Hilfsoberfläche sich in einem Abstand von 30 μπι oberhalb der Substratoberfläche befindet.
Die Kantenüberhöhung kann bis auf 0,2 μπι ± 0,1 μπι
dadurch verringert werden, daß man den Rahmen bis
auf 50 μΐη oberhalb der Oberfläche des Substrats
anhebt, ausgehend von 7 μιη 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 40 bis 100 μιη über der Ebene des Substrats ι ο
liegt. Spalten zwischen dem Rahmen und dem Substrat müssen dabei kleiner sein als 20 μιη.
Das Verfahren zum Erzielen eines Substrats mit einem durch Schleudern in der Zentrifuge aufgebrachten
dünnen Schicht mit einer nur ganz geringen r, Überhöhung der Schicht am Rande ist in F i g. 4 gezeigt.
Die Verfahrensschritte werden unter Verwendung der in F i g. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung erläutert.
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 aufgebracht werden soll. Ein
geeignetes Substrat könnte beispielsweise eine nichtleitende Scheibe für ein Halbleiterelement aus keramischem
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 Beschichtungsverfahren 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.
Das Substrat 14 wird dann in einen Rahmen 12 gemäß Fig. 1 und 2 eingesetzt, der eine erhöhte Hilfsoberfläehe
26 aufweist. Der Rahmen wird rund um den äußeren Umfang des Substrats in der Weise angebracht, daß die
Hilfsoberfläche einen Abstand gegenüber der ebenen Oberfläche des Substrats aufweist, der der gewünschten
oder geforderten Verringerung der Kantenüberhöhung entspricht. Für das quadratische Substrat 14 in F i g. 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 F i g. 4
aufgebracht. Das Überzugsmaterial 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
Überzugsmaterial 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 F i g. 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 Überzugsmaterials.
Das Verfahren endet, wenn die gewünschte Verteilung des Überzugs erreicht ist. Die zur Erzielung
eines beschichteten Substrats 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 Überzugsmaterial einwirkenden Zentrifugalkräfte, die das Ergebnis des Schleuderns des
Substrats um seine Mittelachse sind, bewirken, dab sich das Überzugsmaterial über die Oberfläche des Substrats
ausbreitet. Jede Materialüberhöhung an den Kanten des Substrats wird nach oben und über die Hilfsoberfläche
des erhöhten Rahmens abgeschleudert. Es 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 darauf
befindlichen dünner 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
das Freilegen der Kanten und Entwickeln des Fotolacks nur an den Kanten zusammen mit dem Verfahren
zum anschließenden Reinigen der Kanten des Substrats umfassen, 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 ohne weiteres sofort ein, daß viele Abwandlungen der Struktur der Anordnung, der
Abmessungen der Elemente, Materialien und Komponenten bei der Durchführung der Erfindung möglich
sind. Beispielsweise können Substrate und Rahmen jede beliebige Form haben, beispielsweise kreisförmig oder
rechteckig sein und müssen nicht wie in F i g. 1 und 2 gezeigt, quadratisch sein. Die einzige Forderung ist daß
eine genaue Passung vorgesehen ist zwischen Substrat und erhöhtem Rahmen. Spalten zwischen dem Rahmen
und dem Substrat müssen möglichst klein gehalten werden, da sich der Spalt sonst für das Überzugsmaterial
als ungeschützte Kante darstellt so daß an dem Spalt eine Kantenüberhöhung auftritt. Selbstverständlich
ist klar, daß jedes 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
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 zwischen 40
und 100 .um höher liegt als die ebene Oberfläche des
Substrats, Anbringen des Überzugsmaterials auf das Substrat und Rotieren des eingerahmten Substrats mit dem
darauf befindlichen Uberzugsmaterial 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 Überzugsmaterial ein
flüssiger Fotolack verwendet wird.
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