WO1999059191A2 - Verfahren und vorrichtung zur trocknung von photoresistschichten - Google Patents

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WO1999059191A2
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Wilhelmus Wilbers
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10P72/04—Apparatus for manufacture or treatment
    • H10P72/0431—Apparatus for thermal treatment
    • H10P72/0436—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for drying photoresist layers, in particular for microsystem and precision engineering.
  • Photoresists are customized multicomponent systems that are used to manufacture microelectronic components,
  • the photoresists are multicomponent systems which consist of a polymeric binder, a photoactive component and a solvent mixture. Determined the polymeric binder the physical
  • the photoactive component acts on the photochemical process, and the solvent mixture influences the behavior of the resist system during the drying process.
  • the solvent mixture is composed in such a way that it contains a solvent which has a high vapor pressure in order to accelerate or promote the expulsion of the solvent mixture from the photoresist during the drying process.
  • the drying of the photoresist as an immediate precursor before the photolithographic step in the Manufacturing process is considered a very sensitive process step.
  • the physical drying of the photoresists must be carried out in such a way that complete removal of the solvent mixture is achieved.
  • the resist coating of the wafers is usually carried out on a centrifugal centrifuge at about 5000 min "1.
  • the resist thickness generally ranges between 0.5 ⁇ m with flat or leveled surfaces and 2
  • the surface is dried on a hot plate at approximately 100 ° C, completely removing the solvent, and then the photoresist is adjusted and exposed in a special disk exposure device.
  • the drying time for thicker layers is usually 16 to 20 hours per batch with this conventional technology, so that this represents a bottleneck in the production line.
  • EP 0 509 962 A1 discloses a process for drying photopolymers on metallized substrates, in which the layers are dried by means of infrared radiation (IR radiation). This publication deals specifically with the
  • drying process should be suitable for different resists of different thicknesses and for different combinations of resist / substrate and should enable the production of masks with high image accuracy.
  • the method and the device according to the invention provide an essential technological prerequisite for application in microsystem technology which meets the demand for ever shorter technological processing times for components.
  • the method according to the invention opens up the possibility of electroplating micromechanical components true to size and building up multilayer systems on one another.
  • the applied photoresist layer is exposed to IR radiation in a vented process chamber, while at the same time the temperature or a temperature-dependent variable in the vicinity of the photoresist layer is measured.
  • the output of the IR radiation source is dependent on the measured temperature or temperature-dependent variable (eg electrical resistance) in real time in order to achieve a predetermined temperature profile in the vicinity of the photoresist layer.
  • Resist material and the substrate can be selected.
  • the space enclosed by the process chamber can be regarded as the surroundings of the photoresist layer. However, a temperature measurement as close as possible to the photoresist layer is preferable.
  • the level of the temperature is adjusted according to the selected resist and substrate materials.
  • the optimal parameters, ie the level of the temperature and the duration of the irradiation, and a possible change in the temperature over the drying time can be optimally determined by experimental tests. At the level of the temperature, of course, an upper limit must be observed above which the respective photoresist is destroyed.
  • the device according to the invention preferably consists of a ventable chamber with an air inlet and an air outlet for removing the solvents emerging from the photoresist.
  • a preferably height-adjustable IR emitter is arranged in the chamber above a substrate holder.
  • the substrate holder is preferably rotatable and can accommodate several substrates at the same time.
  • a temperature measuring sensor detects the temperature during drying.
  • a control unit is provided which determines the power of the IR radiator as a function of the measured one Temperature controls so that a predeterminable temperature profile over time can be realized at the measuring point of the temperature sensor.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention for drying photoresist layers
  • FIG. 2 shows an example of a predetermined temperature profile over time, which includes a ramp
  • FIG. 3 shows an example of an application of the drying method according to the invention for the production of pressure springs of read / write heads for hard disks
  • Receiving device for substrates or wafers in the device according to the invention in plan view
  • Fig. 5b is a sectional view of a circular
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of an IR drying system according to the invention. It essentially consists of three functional parts, the actual furnace (ventable chamber) 1 with a holding option 5 for a defined number of wafers 12 of dimensions 4 "and 6", an IR radiation source 4 with associated power supply unit 9 and the control module 8.
  • the control module combines the control hardware and software and the necessary computer technology, which take over the regulation of the power of the IR radiation source.
  • the footprint of the entire system is approximately 0.9 m 2 in this example.
  • the power consumption of the IR radiation source is 4 kW.
  • the power to be absorbed is adjustable from 0 to 100%.
  • the detection of temperature is of fundamental importance for controlled process control.
  • two different temperature measurement sensors 6, 7 are provided in the present case.
  • the two temperature sensors, a pyrometer 7 and a temperature-dependent resistor 6 (PT100) can be used to complement the process.
  • other temperature measuring sensors such as thermocouples, can also be used.
  • a temperature sensor preferably a PT100, is sufficient to supply the control module 8 with the temperature data or a measurement variable that is in a fixed relation to the temperature.
  • a relative measurement of the temperature of the surrounding air or the surrounding gas is carried out in the present device by arranging the temperature sensors below the wafer holder 5. Overall, a temperature measurement is outside the radiation, i.e. out of the range between the IR radiator and the wafer holder.
  • an air inlet 2 and an air outlet or exhaust air outlet 3 are provided in the chamber 1.
  • a controllable blower 13 is additionally arranged at the air inlet 2.
  • the infrared radiation source 4 is height-adjustable via an adjusting device 10 above the rotary holder 5 for the wafers 12 with the applied photoresist layer.
  • the IR radiation source 4 can in this case be formed, for example, from a holder for four IR tubes lying parallel next to one another at a distance of approximately 10 cm.
  • the radiation source is supplied via an adjustable power supply 9.
  • the power of the power supply 9 is regulated by the control unit 8.
  • the receiving possibility 12 for wafers is formed by a rotating sample plate, which receives several wafers in a star-shaped arrangement.
  • this turntable has a diameter of approximately 40 cm and can rotate at a speed of approximately 1 to 5 min. "1.
  • the speed of rotation is likewise specified by the control unit 8.
  • the rotation is realized by the motor 11.
  • the distance between the IR radiation source and the turntable is about 20 cm in the present case.
  • the rotation of the wafers under the radiation source advantageously brings about a uniform drying of the layers on the wafers, it being possible for several wafers to be dried at the same time.
  • FIG. 5a An example of a particularly advantageous receiving device for substrates or wafers in the device according to the invention is shown in FIG. 5a in
  • the substrate holder (5) consists of stainless steel and in the present example has six individual holders (14) arranged in a star shape for receiving six wafers (12). Of course, an arrangement with a larger or smaller number of individual holders can also be selected.
  • circular rings with a recess (15) are used as a single holder in order to enable the wafers to be deposited into the rings using tweezers.
  • the wafers (12) are advantageously only at the edge over a width of approximately 0.5 mm, so that no significant heat transfer to the wafer holder can occur.
  • This configuration of the receiving device therefore has the advantage on the one hand that the wafer (with
  • Photoresist can be heated more quickly in the IR beam due to a lack of heat transfer to the holder.
  • Fig. 5b shows a sectional view of a circular single holder (14) of the receiving device of Fig. 5a.
  • the individual holder has a height of approximately 10 mm on the outer circumference.
  • the support surface (16) with a support width of the wafers (12) of approximately 0.5 mm can be clearly seen in the sectional view.
  • Table 1 shows a list of different carrier substrates on which a 50 ⁇ m thick photoresist layer could be subjected to drying in accordance with the invention.
  • Substrate and resist (commercially available under the name AZ 4562 from Hoechst or ma-PlOO from micro resist technology GmbH) as well as different layer thicknesses of the resist, which with the drying parameters specified there, i.e. Lamp power and
  • Drying time could be optimally dried.
  • the radiator power here refers to the maximum power of the radiation source used here of 4 kW.
  • the structure resolution of the masks that can subsequently be produced from the photoresist layers is also specified.
  • Silicon wafers with nickel surfaces can be dried with the same parameters.
  • the resist thickness in the table is to be regarded as the upper limit. Thinner layers can be dried in a shorter time.
  • FIG. 4 An example of a generated structure, which could be produced using the mask produced from a photoresist layer dried according to the invention, is shown in FIG. 4.
  • a 60 ⁇ m thick photoresist layer was IR-dried using the method according to the invention, a mask was produced therefrom by means of photolithography and electroplated with nickel.
  • the thickness of the webs shown in the micrograph is approximately 20 ⁇ m.
  • the main areas of application for IR drying are high-viscosity and high-resolution photoresists. These are mainly exposed with contact imagesetters. Contact platesetters work according to the shadow casting principle.
  • the mask structure is transferred 1: 1 into the resist. This means that the resolution of the lithography correlates with the distance from the mask to the photoresist.
  • the resist surface After IR drying, the resist surface must therefore be as flat as possible so that there is a small distance from the lithography mask. However, this is offset by the formation of an edge bead when the resist is spun on and a bubble formation when drying.
  • the cause of the bead is the surface tension from the resist to the substrate and the high viscosity.
  • spin-on coating process
  • resist is applied to the center of the wafer and the wafer is set in rotation.
  • a resist layer of different thickness forms.
  • An excess of resist remains on the edge of the wafer, which contracts to form a bead.
  • the bead can be removed by a solvent spinning process.
  • the photoresist is kept sufficiently liquid, for example by a continuous increase in temperature during drying, so that the gas formed can still leave the resist surface. It is important that the temperature increases at the end of drying.
  • the resist remains sufficiently viscous, although solvent evaporates continuously.
  • a temperature curve for suppressing the formation of bubbles is shown in FIG. 3 as a function of time.
  • the temperatures for the constant temperature range and the maximum temperature at the end of the temperature curve are, for example, 90 and 105 ° C. However, these depend on the resist materials to be dried.
  • This driving of a temperature ramp can be easily implemented with the device according to the invention on the basis of the control unit 8 in connection with the temperature sensors and the regulation of the IR radiation source. This is particularly advantageous because the tendency to form bubbles increases with increasing thickness of the photoresist layer to be dried.
  • FIGS. 3A and 3B Such a manufacturing process, during which IR drying according to the invention takes place, is shown in FIGS. 3A and 3B.
  • a silicon wafer (4 "or 10 cm in diameter) serves as the carrier substrate.
  • a metallic layer which functions as a galvanic starting layer, is applied to this substrate.
  • Photoresist is then spun on (step no. 3), dried according to the invention (step No. 4), exposed and developed, the micro spring is now created by galvanically filling the lacquer structure, and finally the micro spring is detached from the silicon substrate by two etching processes.
  • an IR radiation source with a power of 4 kW was used in each case.
  • the maximum of the IR radiation is about 2.6 ⁇ m.

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  • Drying Of Solid Materials (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von Photoresistschichten, bei dem ein Substrat (12) mit der aufgebrachten Photoresistschicht mit IR-Strahlung einer in der Leistung vegelbaren IR-Strahlungsquelle (4) beaufschlagt wird. Während der Trocknung wird die Temperatur in der Umgebung der Photoresistschicht gemessen und die Leistung der IR-Strahlungsquelle anhand der Temperatur so gesteuert, daß ein vorgegebener zeitlicher Temperaturverlauf realisiert wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind hierzu eine Steuereinheit (8) sowie eine Temperaturmeßeinrichtung (6, 7) vorgesehen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lassen sich insbesondere dicke Photoresistschichten (≥20 νm) in kurzer Zeit optimal trocknen, wobei eine hohe Auflösung einer nachfolgend hergestellten Photoresistmaske erreicht werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Trocknung von Photoresistschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von Photoresistschichten, insbesondere für die Mikrosystem- und Feinwerktechnik.
Innerhalb der Fertigungstechnologie in der Mikrosystem- und Feinwerktechnik stellt die Herstellung einer Maske mittels Photoresistmaterialien einen entscheidenden Verfahrensschritt dar.
Photoresiste sind maßgeschneiderte VielstoffSysteme, die zur Fertigung von mikroelektronischen Bauelementen,
+*
Mehrschichtsystemen und mikromechanischen" Teilen verwendet werden. Die Vielfalt der photographischen, chemischen und mechanischen Anforderungen im Fertigungsprozeß kann nur durch entsprechend angepaßte Photoresiste erfüllt werden. Die Photoresiste sind Mehrkomponentensysteme, die aus einem poly eren Bindemittel, einer photoaktiven Komponente und einem Lösungsmittelgemisch bestehen. Dabei bestimmt das polymere Bindemittel die physikalischen
Eigenschaften, die photoaktive Komponente wirkt auf den photochemischen Prozeß, und das Lösungsmittelgemisch beeinflußt das Verhalten des Resistsystems beim Trocknungsprozeß. Das Lösungsmittelgemisch wird so zusam- mengesetzt, daß ein Lösemittel enthalten ist, welches einen hohen Dampfdruck besitzt, um das Austreiben des Lösungsmittelgemisches aus dem Photoresist während des Trocknungsprozesses zu beschleunigen bzw. begünstigen.
Die Trocknung der Photoresiste als unmittelbare Vorstufe vor dem photolithographischen Schritt im Fertigungsprozeß gilt als ein sehr sensibler Prozeßschritt . Die physikalische Trocknung der Photoresiste muß so durchgeführt werden, daß eine vollständige Entfernung des Lösungsmittelgemisches erreicht wird.
In modernen Fertigungslinien im Bereich der Mikroelektronik erfolgt die Resistbeschichtung der Scheiben (Wafer) in der Regel auf einer zentrischen Schleuder bei circa 5000 min"1. Die Resistdicke bewegt sich hierbei in der Regel zwischen 0,5 μm bei ebenen bzw. eingeebneten Oberflächen und 2 μm bei stark stufenbehafteten Oberflächen. Die Trocknung erfolgt schließlich auf einer Heizplatte bei circa 100°C, wobei das Lösungsmittel vollständig ausgetrieben wird. Anschließend erfolgt das Justieren und Belichten des Photoresists in einem besonderen Scheibenbelichtungsgerät.
Die Trocknungsdauer von dickeren Schichten (>40 μm) , wie sie insbesondere in der Mikromechanik benötigt werden, beträgt mit dieser konventionellen Technik jedoch in der Regel 16 bis 20 Stunden je Charge, so daß dies einen Engpaß in der Fertigungslinie darstellt.
Des weiteren können sich Resistblasen während des Trocknungsprozesses für dickere Schichten bilden, da Photoresist für diese Anwendungen einen hohen Bindemittelanteil und eine niedrige Viskosität besitzt. Die Blasen treten verstärkt bei der Trocknung im Ofen und auf einer Heizplatte auf. Es handelt sich dabei um Lösungsmittelgasblasen, die im getrockneten Photoresist haften bleiben. Diese Blasen können mehrere 100 μm hoch werden und bei der nachfolgenden Belichtung in der Fertigungslinie die Strukturauflösung extrem verschlechtern (Proximityeffekt ) . Aus der EP 0 509 962 AI ist ein Verfahren zur Trocknung von Photopolymeren auf metallisierten Substraten bekannt, bei dem die Schichten mittels Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) getrocknet werden. Diese Veröffentlichung beschäftigt sich speziell mit der
Vorhangbeschichtung in der Leiterplattentechnik, wobei dünne Schichten im Bereich von 15 μm schnell und effizient getrocknet werden können. Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht in eine Fertigungslinie für die Mikrosystemtechnik integrieren. Außerdem führt die bloße Beaufschlagung von dicken Schichten (> 20 μm) mit IR- Strahlung, wie sie in der Mikrosystemtechnologie benötigt werden, nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen hinsichtlich der Oberflächenqualität der getrockneten Schichten. Im Gegensatz zur Leiterplattentechnik ist die Oberflächenqualität der Photoresiste in der Mikrosystemtechnologie zur Erzeugung hochauflösender Strukturen jedoch von großer Bedeutung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine prozeßintegrierte Trocknung von Photoresistschichten mit Dicken von mehr als 20 μm in vertretbarer Zeit möglich ist. Des weiteren soll der Trockungsprozeß für ver- schiedene Resiste unterschiedlicher Dicken und für unterschiedliche Kombinationen Resist / Substrat geeignet sein und die Herstellung von Masken hoher Abbildegenauigkeit ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den geltenden Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lassen sich eine drastische Reduzierung der Trocknungs- zeiten um circa 80 % gegenüber bekannten Trocknungsverfahren sowie eine deutliche Energieeinsparung erreichen. Das Trocknungsverfahren führt zu homogenen, gleichmäßig durchgetrockneten Photoresisten und gestattet dadurch eine Verkürzung der Belichtungszeiten für hochaufgebaute Schichten.
Für die Mikrosystemtechnik ist bisher keine Trocknungstechnik bekannt, die in so kurzer Zeit hochauf- gebaute Flüssig-Photoresiste mit einer Schichtdicke > 20 μm qualitätsgerecht trocknet. Die Trocknung bewirkt keine chemische Veränderung im Resist aterial .
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine wesentliche technologische Voraussetzung für die Applikation in der Mikrosystemtechnik gegeben, die der Forderung nach immer kürzerer technologischer Bearbeitungszeit von Bauelementen gerecht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet gleichzeitig die Möglichkeit, mikromechanische Bauteile maßhaltig galvanisch abzuformen und Mehrschichtsysteme aufeinander aufzubauen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrich- tung konnten Produkte gefertigt werden, die bisher in der erreichten Präzision mit keinem anderen Trocknungsverfahren hergestellt werden konnten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat mit der aufgebrachten Photoresistschicht in einer entlüfteten Prozeßkammer mit IR-Strahlung beaufschlagt, während gleichzeitig die Temperatur bzw. eine temperaturabhängige Größe in der Umgebung der Photoresistschicht gemessen wird. Die Leistung der IR-Strahlungsquelle wird in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur bzw. temperaturabhängigen Größe (z.B. elektr. Widerstand) zur Erzielung eines vorgegebenen zeitlichen Temperaturverlaufs in der Umgebung der Photoresistschicht in Echtzeit geregelt. Diese Regelung ermöglicht es, daß der Trocknungsverlauf der Schicht optimal für die jeweilige Kombination des
Resistmaterials und des Substrates gewählt werden kann.
Als Umgebung der Photoresistschicht kann hierbei der von der Prozeßkammer umschlossene Raum angesehen werden. Eine Temperaturmessung möglichst nahe an der Photoresistschicht ist jedoch vorzuziehen.
Der Temperaturverlauf T(t) (T: Temperatur; t: Zeit) kann hierbei konstant gewählt werden (T(t) = T0 = const) , so daß sich die Temperatur während des Trocknens nicht ändert. Die Höhe der Temperatur wird entsprechend den gewählten Resist- und Substratmaterialien eingestellt. Durch experimentelle Versuche können die optimalen Parameter, d.h. Höhe der Temperatur und Dauer der Bestrahlung, sowie eine eventuelle Veränderung der Temperatur über die Trocknungszeit optimal bestimmt werden. Bei der Höhe der Temperatur ist selbstverständlich eine Obergrenze zu beachten, oberhalb der der jeweilige Photoresist zerstört wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht vorzugsweise aus einer entlüftbaren Kammer mit einem Lufteinlaß sowie einem Luftauslaß zum Abführen der aus dem Photoresist austretenden Lösungsmittel. In der Kammer ist ein vorzugsweise höhenverstellbarer IR-Strahler über einer Substrathalterung angeordnet. Vorzugsweise ist die Substrathalterung drehbar und kann mehrere Substrate gleichzeitig aufnehmen. Ein Temperaturmeßsensor erfaßt die Temperatur während der Trocknung. Weiterhin ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die Leistung des IR-Strahlers in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur so steuert, daß ein vorgebbarer zeitlicher Temperaturverlauf an der Meßstelle des Temperatursensors realisiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Trocknung von Photoresistschichten;
Fig. 2 ein Beispiel für einen vorgegebenen zeitlichen Temperaturverlauf, der eine Rampe beinhaltet;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens zur Herstellung von Andruckfedern von Lese/Schreibköpfen für Festplatten;
Fig. 4 eine mikroskopische Aufnahme einer Struktur, die bei Einsatz des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens realisiert werden kann;
Fig. 5a ein Beispiel einer besonders vorteilhaften
Aufnahmevorrichtung für Substrate bzw. Wafer in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht; und
Fig. 5b eine Schnittansicht einer kreisförmigen
Einzeihalterung der Aufnahmevorichtung der Fig. 5a.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen IR-Trocknungsanlage . Sie besteht im wesentlichen aus drei funktionellen Teilen, dem eigentlichen Ofen (entlüftbare Kammer) 1 mit einer Aufnahmemöglichkeit 5 für eine definierte Anzahl von Wafern 12 der Abmessungen 4" und 6", einer IR-Strahlungsquelle 4 mit zugehörigem Netzteil 9 und dem Steuermodul 8. Im Steuermodul sind die Regelungs-Hard- und Software und die erforderliche Rechnertechnik vereint, die die Regelung der Leistung der IR-Strahlungsquelle übernehmen .
Die Stellfläche der Gesamtanlage beträgt in diesem Beispiel circa 0,9 m2. Die Leistungsaufnahme der IR-Strahlungsquelle beträgt 4 kW. Die aufzunehmende Leistung ist von 0 bis 100 % regelbar.
Für eine kontrollierte Prozeßführung ist die Erfassung der Temperatur von grundlegender Bedeutung . Hierzu sind im vorliegenden Fall zwei unterschiedliche Temperaturmeßsensoren 6, 7 vorgesehen. Die beiden Temperatur- sensoren, ein Pyrometer 7 und ein temperaturabhängiger Widerstand 6 (PT100) können komplementär zur Prozeßführung genutzt werden. Es versteht sich von selbst, daß auch andere Temperaturmeßsensoren, wie beispielsweise Thermoelemente, eingesetzt werden können. Ebenso ist es nicht notwendig, wie im vorliegenden Fall, zwei getrennte Temperatursensoren vorzusehen. Es reicht vielmehr ein Temperatursensor, vorzugsweise ein PT100, der die Temperaturdaten bzw. eine zur Temperatur in fester Relation stehende Meßgröße an das Steuermodul 8 liefert.
Anhand der bisher mit dem dargestellten System durchgeführten Trocknungsgänge an unterschiedlichen Kombinationen Photoresist / Substrat und mit unterschiedlichen Schichtdicken des Photoresists konnte erkannt werden, daß eine IR-Strahlungsquelle mit einer Leistung von 2,5 kW für die meisten Anwendungen ausreichend ist.
Da eine präzise Temperaturmessung im IR-Strahlengang sehr aufwendig ist, wird in der vorliegenden Vorrichtung durch Anordnung der Temperatursensoren unterhalb der Wafer-Aufnahme 5 eine Relativmessung der Temperatur der umgebenden Luft bzw. des umgebenden Gases durchgeführt. Insgesamt ist eine Temperaturmessung außerhalb der Strahlung, d.h. außerhalb des Bereiches zwischen dem IR- Strahler und der Wafer-Aufnahme, vorzuziehen.
In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung sind ein Lufteinlaß 2 und ein Luftauslaß bzw. Abluftauslaß 3 in der Kammer 1 vorgesehen. Am Lufteinlaß 2 ist zusätzlich ein steuerbares Gebläse 13 angeordnet. Die Infrarot- Strahlungsquelle 4 ist über eine VerStelleinrichtung 10 höhenverstellbar über der Drehhalterung 5 für die Wafer 12 mit der aufgebrachten Photolackschicht angebracht. Die IR-Strahlungsquelle 4 kann hierbei beispielsweise aus einer Halterung für vier im Abstand von etwa 10 cm parallel nebeneinander liegende IR-Röhren gebildet sein. Die Strahlungsquelle wird über ein regelbares Netzteil 9 versorgt. Die Leistung des Netzteils 9 wird durch die Steuereinheit 8 geregelt.
Die Aufnahmemöglichkeit 12 für Wafer wird durch einen rotierenden Probenteller gebildet, der mehrere Wafer in sternförmiger Anordnung aufnimmt. Dieser Dreh- teller hat im vorliegenden Fall einen Durchmesser von etwa 40 cm und kann mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 bis 5 min"1 rotieren. Die Drehgeschwindigkeit wird ebenfalls von der Steuereinheit 8 vorgegeben. Vorzugsweise wird hierbei eine Geschwindigkeit von weniger als 5 min"1 gewählt, um ein Verlaufen des Photoresists aufgrund von Zentrifugalkräften zu verhindern. Die Drehung wird durch den Motor 11 realisiert. Der Abstand der IR-Strahlungsquelle zu dem Drehteller beträgt im vorliegenden Fall etwa 20 cm. Die Drehung der Wafer unter der Strahlungsquelle bewirkt in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Trocknung der auf den Wafern befindlichen Schichten, wobei mehrere Wafer gleichzeitig getrocknet werden können.
Die im Prozeß realisierte Luftzufuhr (Kaltluft) und Absaugung (Warmluft) führt zur Ausbildung eines dynamischen Gleichgewichts der Temperatur.
Ein Beispiel einer besonders vorteilhaften Aufnahmevorrichtung für Substrate bzw. Wafer in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 5a in
Draufsicht dargestellt. Die Substrathalterung (5) besteht aus Edelstahl und weist im vorliegenden Beispiel sechs sternförmig angeordnete Einzelhalterungen (14) zur Aufnahme von sechs Wafern (12) auf. Selbstverständlich kann auch eine Anordnung mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Einzelhalterungen gewählt werden. Für runde Wafer werden als Einzeihalterung kreisförmige Ringe mit einer Aussparung (15) verwendet, um das Ablegen der Wafer von einer Pinzette in die Ringe zu ermöglichen. Die Wafer (12) liegen vorteilhafterweise nur am Rand auf einer Breite von ca. 0,5 mm auf, so daß es zu keiner nennenswerten Wärmeübertragung zur Waferhalterung kommen kann.
Diese Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung hat daher einerseits den Vorteil, daß die Wafer (mit
Photolack) im IR-Strahl mangels Wärmeübertragung auf die Halterung schneller erwärmt werden können. Andererseits wird vorteilhafterweise erreicht, daß bei jeder Trocknung gleiche Bedingungen hinsichtlich der Wärmeübertragung vorherrschen, da die Wärmekopplung zum Untergrund entfällt. Eine ganzflächige Auflage auf einer Untergrundplatte würde im Gegensatz dazu durch möglicherweise ungleichmäßiges Aufliegen keine konstanten Wärmeübergangsverhältnisse ermöglichen .
Fig. 5b zeigt eine Schnittansicht einer kreisförmigen Einzeihalterung (14) der Aufnahmevorichtung der Fig. 5a. Die Einzeihalterung weist am Außenumfang etwa eine Höhe von 10 mm auf. Die Auflagefläche (16) mit einer Auflagebreite der Wafer (12) von etwa 0 , 5 mm ist in der Schnittansicht deutlich zuerkennen.
Die Realisierung der Steuer- und Regelfunktion in bezug auf die Temperatur in der Umgebung der Schichten ist notwendig, um gute Trocknungsergebnisse zu erzielen. Versuche haben ergeben, daß aus Sicht einer guten Prozeßführung eine Temperaturabweichung von dem vorgegebenen Temperaturverlauf von weniger als 0,5°C eingehalten werden sollte. Die genaue Beschreibung und Vermessung des Temperaturverhaltens der Anlage in Abhängigkeit von der IR-Strahlerleistung ist
Voraussetzung für eine exakte Regelung. Diese Werte müssen in den Regelalgorithmus der Steuereinheit eingearbeitet sein. Hierbei wird vorteilhafterweise Software eingesetzt. Damit wird der Vorteil einer flexiblen Software-Regelung genutzt. Es besteht die
Möglichkeit, für die jeweils unterschiedlichen Photoresist- und Substratkombinationen spezifische Regelalgorithmen vorzugeben oder zu entwickeln und zu nutzen.
Mit der Steuerung ist es möglich, die IR-Strahlungsquelle in einem Leistungsbereich von 0 bis 100 % anzusteuern. Über die Eingabe von Stützstellen sind treppen- und rampenförmige Temperaturkurven möglich. Tabelle 1 zeigt eine Aufstellung unterschiedlicher Trägersubstrate, auf denen eine 50 μm dicke Photoresistschicht einer erfindungsgemäßen Trocknung unterzogen werden konnte.
Grundsätzlich ist bei der Trocknung von Photo- resisten auf Novolackbasis zu beachten, daß der Resist nicht verändert oder zersetzt wird. Die thermische Stabilität der lichtempfindlichen Komponente begrenzt die maximale Temperatur, die beim Trockungsprozeß auftreten darf. Photoresiste auf Novolackbasis sind bis circa 100 bis 110°C stabil. Die genaue Zersetzungstemperatur einiger Photoresiste kann mit der UV-VIS-Spektroskopie bestimmt werden. Hierbei wird das Absorptionsspektrum der Photoresiste (lichtempfindliche Komponente) bei unterschiedlichen Trocknungstemperaturen verglichen und über die Veränderung auf die Zersetzung geschlossen. Die Photoresiste für die Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik sind meist UV-empfindlich und absorbieren zwischen 340 nm und 405 nm Wellenlänge.
Die genaue Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit der Zersetzungs- und Verdampfungsreaktion sollte für jeden Resist zunächst ermittelt werden. Für die Entwick- lung von zeitoptimierten Trocknungsparametern ist die
Ermittlung dieser Reaktionsgrößen sehr wichtig, da dadurch die Obergrenze der Trocknungstemperatur und die Trocknungszeit optimal bestimmt werden können.
Tabelle 2 zeigt verschiedene Kombinationen von
Substrat und Resist (kommerziell erhältlich unter der Bezeichnung AZ 4562 der Firma Hoechst bzw. ma-PlOO der Firma micro resist technology GmbH) sowie verschiedene Schichtdicken des Resists, die mit den dort angegebenen Trocknungsparametern, d.h. Strahlerleistung und
Trocknungsdauer (Zeit) optimal getrocknet werden konnten.
Figure imgf000014_0001
ι stXt Λ
Figure imgf000014_0002
I ftio O 2. Die Strahlerleistung bezieht sich hierbei auf die Maximalleistung der hier eingesetzten Strahlungsquelle von 4 kW. Die Strukturauflösung der nachfolgend aus den Photoresistschichten herstellbaren Masken ist ebenfalls angegeben .
Siliziumwafer mit Nickeloberflächen können mit den gleichen Parametern getrocknet werden. Die Resistdicke in der Tabelle ist als Obergrenze anzusehen. Dünnere Schichten können bei entsprechend verkürzter Zeit getrocknet werden.
Ein Beispiel einer erzeugten Struktur, die mittels der aus einer erfindungsgemäß getrockneten Photoresistschicht erzeugten Maske hergestellt werden konnte, ist in Fig. 4 gezeigt. Zur Herstellung wurde eine 60 μm dicke Photoresistschicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren IR-getrocknet , daraus mittels Photolithographie eine Maske hergestellt und mit Nickel galvanisch abgeformt. Die Dicke der in der mikroskopischen Aufnahme gezeigten Stege beträgt etwa 20 μm.
Das Hauptanwendungsgebiet der IR-Trocknung sind hochviskose und hochauflösende Photoresiste. Diese werden vorwiegend mit Kontaktbelichtern belichtet. Kontakt- belichter arbeiten nach dem Schattenwurfprinzip. Die Maskenstruktur wird 1 : 1 in den Resist übertragen. Das bedeutet, daß das Auflösungsvermögen der Lithographie mit dem Abstand der Maske zum Photoresist korreliert.
Nach der IR-Trocknung muß daher die Resistoberflache so eben wie möglich sein, damit sich ein geringer Abstand zur Lithographiemaske ergibt. Dem steht allerdings die Bildung einer Randwulst beim Aufschleudern des Resists und eine Blasenbildung beim Trocknen gegenüber.
Die Ursache der Randwulst liegt in der Oberflächen- Spannung vom Resist zum Substrat und der hohen Viskosität. Beim "Spin-On" -Verfahren (Belackungsprozeß) wird auf die Mitte des Wafers Resist aufgebracht und der Wafer in Rotation versetzt. In Abhängigkeit von Zeit und Rotationsgeschwindigkeit bildet sich eine unterschiedlich dicke Resistschicht aus. Am Waferrand verbleibt ein Überschuß von Resist, der sich zu einer Wulst zusammenzieht. Vor der Belichtung kann die Wulst durch einen Abschleuderprozeß mit einem Lösungsmittel entfernt werden.
Anders sieht es bei Resistblasen aus, die sich während des Trocknungsprozesses bilden können. Diese Blasen können mehrere 100 μm hoch werden und daher bei der Belichtung die Strukturauflösung extrem verschlechtern. Obwohl die Blasenbildung durch die IR-Trocknung bereits deutlich verringert ist, kann sie durch Wahl eines geeigneten Temperaturverlaufes bei der Trocknung zusätzlich beinahe vollständig unterdrückt werden.
Hierzu wird der Photoresist beispielsweise durch eine kontinuierliche Temperaturerhöhung während der Trocknung genügend flüssig gehalten, so daß entstehendes Gas die Resistoberflache noch verlassen kann. Wichtig ist dabei, daß zum Ende der Trocknung die Temperatur ansteigt. Der Resist bleibt dabei genügend viskos, obwohl ständig Lösungsmittel verdampft.
Ein Temperaturverlauf zur Unterdrückung der Blasenbildung ist in Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Temperaturen für den konstanten Temperaturbereich und die Maximaltemperatur am Ende des Temperaturverlaufs betragen beispielsweise 90 und 105°C. Diese sind jedoch abhängig von den zu trocknenden Resistmaterialien. Dieses Fahren einer Temperaturrampe kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund der Steuereinheit 8 in Verbindung mit den Temperatursensoren und der Regelung der IR-Strahlungsquelle problemlos realisiert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Neigung zur Blasenbildung gerade mit zunehmender Dicke der zu trocknenden Photoresistschicht zunimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beispielsweise
Andruckfedern von Lese/Schreibköpfen für Festplatten mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Ein solcher Herstellungsprozeß, in dessen Verlauf eine erfindungsgemäße IR-Trocknung stattfindet, ist in den Fig. 3A und 3B dar- gestellt. Hierbei dient ein Silicium-Wafer (4" oder 10 cm im Durchmesser) als Trägersubstrat. Auf dieses Substrat wird eine metallische Schicht aufgebracht, die als galvanische Startschicht fungiert. Danach wird Photolack auf- geschleudert (Schritt Nr. 3), erfindungsgemäß getrocknet (Schritt Nr. 4), belichtet und entwickelt. Die Mikrofeder entsteht nun durch eine galvanische Auffüllung der Lackstruktur. Als letztes wird die Mikrofeder durch zwei Ätzprozesse vom Siliciumsubstrat abgelöst.
In diesem Beispielfall wurde ebenfalls eine maximale Strahlungsleistung von 4 kW eingesetzt. Derartige Andruckfedern für Lese/Schreibköpfe konnten bisher mangels geeigneter Trockenverfahren in der geforderten Genauigkeit nicht hergestellt werden.
In den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine IR-Strahlungsquelle mit einer Leistung von 4 kW eingesetzt. Bei geeigneten Trocknungsbedingungen beträgt hierbei das Maximum der IR-Strahlung etwa 2,6 μm. Dies ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Es versteht sich von selbst, daß Strahlungsquellen mit anderer Leistung und bei anderen Maximalwellenlängen je nach Anwendungsfall eingesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Trocknung von Photoresistschichten, bei dem ein Substrat (12) mit einer aufgebrachten Photoresistschicht in einer entlüfteten Kammer mit IR-Strahlung einer in der Leistung regelbaren IR-Strahlungsquelle (4) beaufschlagt wird, die Temperatur bzw. eine temperaturabhängige Größe in der Umgebung der Photoresistschicht gemessen und die Leistung der IR-Strahlungsquelle anhand der gemessenen Temperatur bzw. temperaturabhängigen Größe so geregelt wird, daß ein vorgegebener zeitlicher Temperaturverlauf während der Trocknung eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Temperaturverlauf so gewählt ist, daß die Temperatur über die Trocknungszeit konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Temperaturverlauf so gewählt ist, daß die Temperatur linear mit der Zeit ansteigt .
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Temperaturverlauf so gewählt ist, daß die Temperatur über die Trocknungszeit zunächst konstant ist, und dann linear, stufenförmig oder in anderer Form ansteigt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur unterhalb des Substrates gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der photoresistbedeckten Oberfläche von der Oberseite durch ein Pyrometer gemessen wird, wobei die unterschiedliche Emissivität des Substrates, auf dem sich die zu trocknende Photoresistschicht befindet, berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Temperaturverlauf für jede neue Kombination von Materialien für Photoresistschicht und Substrat zunächst experimentell ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge bzw. der Gehalt an Lösungsmitteln, vorzugsweise in einer von der Kammer abgehenden Leitung der Luftzirkulation, erfaßt wird, und daß bei Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes die Beendigung des Trocknungsprozesses durch Abregelung der Leistung der IR- Strahlungsquelle eingeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine IR-Strahlungsquelle eingesetzt wird, die ihr Maximum der IR-Strahlung im Bereich von 1 bis 3 μm hat.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Trocknung der
Photoresistschichten mehrerer Substrate, die eine Rotationsbewegung um eine Achse in der Kammer durchführen, die Messung der Temperatur zeitlich so getaktet wird, daß bei jedem Durchlauf eines der Substrate durch ein Meßfeld, in dem die Temperatur gemessen wird, eine Messung stattfindet.
11. Vorrichtung zur Trocknung von Photoresistschichten, bestehend aus einer entlüftbaren Kammer (1) , die einen Lufteinlaß (2) sowie einen Luftauslaß (3) aufweist, einer in der Kammer über einer Substrathalterung (5) angebrachten IR-Strahlungsquelle (4), die in der Leistung regelbar ist, einem in der Kammer vorgesehenen
Temperaturmeßsensor (6, 7) sowie einer Steuereinheit (8), die die Leistung der IR-Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur so steuert, daß während der Trocknung ein vorgebbarer Temperaturverlauf in der Kammer eingehalten wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahlungsquelle (4) höhenverstellbar über der Substrathalterung (5) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalterung
(5) so ausgestaltet ist, daß sie mehrere Substrate (12) in sternförmiger Anordnung nebeneinander aufnehmen kann.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalterung (5) mehrere
Einzelsubstrathalterungen (14) aufweist, die so ausgestaltet sind, daß das Substrat nur mit einem schmalen Rand aufliegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalterung (5) drehbar gelagert ist und über einen in der Drehzahl regelbaren Motor (11) mit einer vorgebbaren Drehgeschwindigkeit in Rotation versetzt werden kann.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß am Lufteinlaß (2) ein steuerbares Gebläse (13) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßsensor (6) durch einen temperaturabhängigen Widerstand, ein Pyrometer oder ein Thermoelement gebildet wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahlungsquelle (4) eine maximale Leistungsaufnahme zwischen 2,5 und 4 kW hat.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß, vorzugsweise im Luftauslaß bzw. in einer vom Luftauslaß abgehenden Leitung der Luftzirkulation, ein Sensor zur Messung der Menge bzw. des Gehaltes an Lösungsmitteln vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zur Festlegung der Beendigung des Trocknungsprozesses und zur Abregelung der Leistung der IR-Strahlungsquelle verwendet werden kann.
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