Reinigung der Substrate

Bei Verwendung neuer und sauberer Substrate (Wafer) ist ein Ausheizen bei etwa 200 °C für einige Minuten (2-3 min, hote plate) zur Trocknung ausreichend. Jedoch sind die Substrate im Anschluss daran schnell zu verarbeiten. Es empfiehlt sich eine Zwischenlagerung in einem Exsikkator zur Verhinderung der Rehydrierung.

Organisch verunreinigte oder schon verwendete Wafer erfordern vorherige Reinigungen in einfachen Fällen in Aceton und nachfolgend in Isopropanol oder Ethanol mit nachfolgender Trocknung (siehe 1. Abschnitt). Dadurch verbessert sich die Lackhaftung. Keinesfalls sollte nur Aceton verwendet werden, da die beim Trocknen entstehende Verdunstungskälte die Luftfeuchtigkeit auf dem Wafer kondensieren lässt. Werden die Wafer in einer Technologie mehrfach prozessiert und unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt, empfiehlt sich eine intensive Reinigung. Diese ist jedoch stark substrat- (inklusive der schon aufgebrachten Strukturen) und prozessabhängig. Der Einsatz von Removern oder Säuren (z.B. Piranha) mit anschließender Spülung und Trocknung (siehe 1. Abschnitt) kann erforderlich sein. Eine Unterstützung durch Ultra- oder Megaschall hilft in schwierigen Fällen.

Zur Verbesserung der Haftung dienen Haftvermittler, wie z.B. der Adhäsionspromotor AR 300-80, der unmittelbar vor der Lackbeschichtung mittels Spincoating als dünne, ca. 15 nm dicke Schicht aufgetragen wird. Es kann auch HMDS auf die Substrate gedampft werden, dabei wirkt die monomolekulare Schicht auf der Waferoberfläche haftverbessernd, weil sie hydrophob wird und den Resist besser anlagert. Von einem Aufschleudern des HMDS auf den Wafer wird abgeraten, es bleibt zu wenig auf der Waferoberfläche zurück, außerdem wird der Spincoater verunreinigt.

Haftfestigkeit
Die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Lack ist eine sensible Eigenschaft. Geringste Veränderungen des Reinigungsprozesses oder der Technologie können fatale Auswirkungen auf die Haftfestigkeit haben. Im Allgemeinen weisen Silizium, Siliziumnitrid und Nichtedelmetalle (wie Aluminium, Kupfer) eine gute Lackhaftung auf, während die Haftung auf SiO2, Glas, Edelmetallen wie Gold und Silber sowie auf Galliumarsenid schlechter ist. Hier sind unbedingt Maßnahmen zur Verbesserung der Haftfestigkeit erforderlich.

Auch zu hohe Luftfeuchtigkeit (> 60 %) verschlechtert die Haftung ebenfalls deutlich.

Beschichtungsbedingungen

Resists müssen vor der Beschichtung an die Temperatur des möglichst klimatisierten Arbeitsraumes angepasst werden. Zu kalter Lack zieht Wasser aus der Luftfeuchtigkeit. Luftbläschen sind vermeidbar, wenn der Verschluss der Lackflasche einige Stunden vor der Beschichtung für einen Druckausgleich ein klein wenig gelöst wird und der Lack ruhig stand (siehe Luftbläschen). Dicke Lacke benötigen dafür mehrere Stunden, dünne Lacke kürzer. Vorsichtiger und nicht zu schneller Lackauftrag mittels Pipette oder Dispenser verhindert Bläschen und Inhomogenitäten in der Lackschicht.

Übliche Beschichtungsbedingungen sind Temperaturen von 20 – 25 °C mit einer Temperaturkonstanz von + 1°C (Optimum 21 °C) bei einer relativen Luftfeuchte von 30 – 50 % (empfohlen werden 43 %). Höhere Luftfeuchten beeinträchtigen die Haftung erheblich. Oberhalb 70 % Luftfeuchte ist kaum noch eine Beschichtung möglich. Die Luftfeuchte beeinflusst auch die Schichtdicke (siehe Grafik)

Beschichten

Resists werden hauptsächlich mittels Schleuderbeschichtung (spin coating) aufgetragen. Bei dünnen Resists liegt der optimale Bereich der Schleuderdrehzahl zwischen 2000 und 4000 rpm, bei dicken Lacken bei 250-2000 rpm. Genutzt werden kann eine Drehzahl bis 9.000 rpm. In besonderen Fällen können auch langsame Drehzahlen von 1.000 bis zu 200 rpm zur Erzeugung von für diesen Resist dicken Schichten genutzt werden. Dabei leidet aber in den meisten Fällen die Schichtqualität und es bildet sich ein starker Randwulst aus (siehe Randwulst). Je nach Resisttyp können damit Schichten von 30 nm bis 200 µm erreicht werden. Dickere Schichten bis 1 mm werden mittels Gießtechnik hergestellt.

Eine einfache Regel sagt, dass ein Resist, der bei 1.000 rpm beschichtet wurde, die doppelte Schichtdicke besitzt wie bei einer Beschichtung bei 4.000 rpm. Damit lässt sich der Schichtdickenbereich abschätzen, den der Lack erreichen kann. Der AR-P 3510 hat bei 4.000 rpm 2,0 µm, bei 1.000 rpm 4,0 µm. Unter Inkaufnahme eines Randwulstes und einer geringeren Oberflächengüte kann der Lack mit 250 rpm auf 8,0 µm gebracht werden, es kann aber nicht empfohlen werden. Mit hohen Drehzahlen ist eine Reduzierung auf 1,6 µm (6.000 rpm) möglich.

Alternative Beschichtungen sind:

– Tauchbeschichtung / Dip coating (für große und/oder
unregelmäßige Substrate)
– Sprühbeschichtung / Spray coating (in Kombination mit
dem Spincoating um Resist zu sparen, für komplizierte
Topologien oder Substratformen)
– Walzenbeschichtung / Roller coating (große Formate,
z.B. Druckplatten)

Beseitigung bzw. Minimierung der Randwulst beim Beschichten

Die „Randwulst“, die sich beim Beschichten mit dicken Resists, besonders bei langsamen Schleuderdrehzahlen, ausbildet und in der weiteren Prozessierung stören kann, lässt sich durch verschiedene Methoden minimieren:

– eine schnelle, kurze (2 Sekunden, z.B. 2.000 -3.000
rpm) Erhöhung der langsamen Beschichtungsdrehzahl
(z.B. 500 – 1.000 rpm) nach ca. 10 – 15s zum
Abschleudern der Randwulst
– eine kürzere Schleuderzeit bei höherer Drehzahl
– ein vorsichtiges Entfernen der Randwulst durch ein
vorsichtiges Aufspritzen mit AR 300-12 (2 mm vom
Rand entfernt) bei den Beschichtungsautomaten oder
mittels feiner Pipette bei mittlerer Umdrehungs-
geschwindigkeit
– mechanisches Entfernen durch Abwischen oder
Abbrechen der Kanten bei viereckigen Substraten

Verdünnung von Resists

Jeder Resist kann über die Variation der Schleudergeschwindigkeit einen gewissen Schichtdickenbereich abdecken (siehe Beschichten). Sollen dünnere Schichten mit dem Lack erzielt werden, als die höchste Drehzahl beschichten kann, besteht die Möglichkeit zur Verdünnung des Resists. Dazu sind unbedingt nur die empfohlenen Verdünner zu verwenden. Fast alle Photoresists beinhalten als Lösemittel PMA (PGMEA). Deshalb kann PMA oder der AR 300-12 zum Verdünnen verwendet werden. Das folgende Diagramm zeigt in etwa das Verhältnis zwischen Schichtdicke und Feststoffgehalt. Die einzelnen Resisttypen unterscheiden sich dabei geringfügig, insofern ist es nur eine Abschätzung. Um z.B. einen Lack mit einem Feststoffgehalt von 33 % von 2,0 µm auf eine Schichtdicke von 0,5 µm zu bringen, muss ein Feststoffgehalt von ca. 17 % eingestellt werden. In diesem Fall wäre es eine Verdünnung von 1 Teil Resist mit einem Teil Verdünner.

Bei der Verdünnung ist immer der Resist vorzulegen und der Verdünner vorsichtig unter Rühren zuzugeben. Wird der Lack in den Verdünner gegossen, kann es aufgrund der extremen Verdünnung bei den ersten Tropfen zu Ausfällungen (Lösemittelschock) kommen. Nach der Verdünnung sollte eine Feinfiltration erfolgen, da sonst Partikel bei der Beschichtung stören könnten.

Bei der Verdünnung von Lacken muss berücksichtigt werden, dass Zusatzstoffe wie Tenside (bei allen Resists), Farbstoffe (z.B. AR-P 3840) oder Haftvermittler (z.B. AR-P 3110) natürlich auch verdünnt werden. Das hat bei den Farbstoffen und Haftvermittlern kaum Auswirkungen, da der prozentuale Anteil bezogen auf den Feststoff erhalten bleibt. Beim Tensid kann aber eine sehr starke Verdünnung dazu führen, dass die Oberflächenglättende Wirkung nachlässt und eine Radialstreifigkeit auftreten kann.