DE69303149T2

DE69303149T2 - Meniskusbeschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE69303149T2
Application number: DE69303149T
Authority: DE
Inventors: Hendrik F Bok
Original assignee: Specialty Coating Systems Inc
Current assignee: Specialty Coating Systems Inc
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2013-12-18
Also published as: EP0603007B1; JP2987797B2; MX9308187A; US5270079A; CA2111795A1; JPH06206027A; DE69303149D1; EP0603007A1; CA2111795C

Description

Feld der Erfindung

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, um dünne Überzüge auf flachen oder gekrümmten planaren Oberflächen anzubringen, indem Menisken eines Beschichtungsmaterials zwischen einer porösen Appliziereinrichtung und der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes ausgebildet werden, und indem das Beschichtungsmaterial durch die poröse Appliziereinrichtung auf die Oberfläche des Gegenstands fließt.

Hintergrund der Erfindung

Das Aufbringen dünner Überzüge aus Beschichtungsmaterial, nämlich kleiner als etwa 10 Mikrometer (10 Mikrons), ist zu einem zunehmend wichtigen Schritt bei der Herstellung verschiedener Produkte geworden, einschließlich flachen Anzeigen, wie sie in Laptop-Computern, hochauflösenden Fernsehern und Computerkathodenstrahlröhren verwendet werden, optischen Vorrichtungen, wie Linsen, Farbfiltern und Spiegeln, Hybridschaltplatinen und Silizium- und Germaniumwafern.
Typische Verfahren zum Anbringen von Überzügen auf Gegenstände, wie sie vorangehend beschrieben wurden, sind z.B. das Tauchbeschichten und das Spinbeschichten. Spinbeschichten ist oft hochgradig uneffektiv, da typischerweise nur ein kleiner Bruchteil des Beschichtungsmaterials, z.B. weniger als etwa 30%, tatsächlich auf dem zu beschichtenden Gegenstand abgelagert wird. Der Überschuß geht oft verloren. Typische Tauchbeschichtungsverfahren erzeugen eine effiziente Ausnutzung des Beschichtungsmaterials. Jedoch ist die Beschichtungsdicke und die Reproduzierbarkeit der Beschichtung schwierig zu steuern.
Ein besonders nützliches Verfahren zum Anbringen dünner Überzüge auf Gegenständen ist in US-A-4,370,356 vom 25. Januar 1983 beschrieben. In Spalte, Zeilen 40 bis 57, des Patents ist offenbart, daß
"erfindungsgemäß das Meniskusbeschichten eines Gegenstandes, wie eines Substrats, durchgeführt wird, indem ein Beschichtungsmaterial über eine permeable und geneigte Oberfläche fließt, um so einen nach unten gerichteten laminaren Fluß des Beschichtungsmaterials auf der Außenseite der geneigten Fläche zu erzeugen. Der Gegenstand mit der zu beschichtenden Oberfläche wird tangential zu dem nach unten gerichteten laminaren Fluß des Beschichtungsmaterials vorgerückt, so daß die zu beschichtende Oberfläche den laminaren Fluß des Beschichtungsmaterials am Scheitel der geneigten permeablen Oberfläche schneidet. Menisken des fließenden Beschichtungsmaterials werden an der vorderen Flanke und an der hinteren Flanke des Beschichtungsmaterials in Kontakt mit der zu beschichtenden Oberfläche gehalten. Das gleichmäßige Lösen und Abführen von abgelagertem überschüssigem Beschichtungsmaterial von der zu beschichtenden Oberfläche wird durch gleichmäßige Menisken und die konstante nach unten gerichtete laminare Strömung des Beschichtungsmaterials auf der Außenseite der geneigten Oberfläche sichergestellt."
Zusätzlich zu den in der oben genannten US-Patentschrift US-A-4,370,356 werden verbesserte Verfahren zum Anbringen extrem dünner Überzüge, z.B. dünner als 1 Mikrometer (1 Mikron), für flache und gekrümmte planare Oberflächen gewünscht, so daß nur eine geringe Änderung der Beschichtungsdicke über die beschichtete Oberfläche auftritt. Zusätzlich werden verbesserte Verfahren gewünscht, um dünne gleichmäßige Überzüge auf Gegenständen mit unregelmäßigen Oberflächen zu erzeugen, wie z.B. für Siliziumwafer mit einer gestuften Topographie.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden verbesserte Oberflächenbeschichtungsverfahren für Gegenstände zur Verfügung gestellt, bei denen ein nach oben gerichteter Fluß oder die Dochtwirkung eines Beschichtungsmaterials durch eine poröse Appliziereinrichtung zur Oberfläche des Gegenstandes verwendet wird. Die Beschichtung wird aufgebracht, indem Menisken des Beschichtungsmaterials zwischen der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes und der porösen Appliziereinrichtung ausgebildet werden, wobei das Beschichtungsmaterial durch die poröse Appliziereinrichtung auf die Oberfläche des Gegenstandes fließt und wobei die Oberfläche des Gegenstandes relativ zu der porösen Appliziereinrichtung vorgerückt wird, um die Beschichtung zu erzeugen.
Die Grundschritte des Beschichtungsverfahrens, auf dem die Erfindung beruht, enthalten:
a) Durchströmen des Beschichtungsmaterials in einer im wesentlichen nach oben gerichteten Richtung durch eine Wand einer stationären permeablen Appliziereinrichtung, um das Beschichtungsmaterial an die äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung zu bringen;
b) Kontaktieren des Beschichtungsmaterials an der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung mit der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstandes, so daß Menisken des Beschichtungsmaterials zwischen der Oberfläche des Gegenstands und der Appliziereinrichtung hergestellt werden;
c) Vorwärtsbewegen der Oberfläche des Gegenstandes in eine im wesentlichen horizontale Richtung quer zur Appliziereinrichtung; und
d) Aufrechterhalten des Flusses des Beschichtungsmaterials durch die Wand der Appliziereinrichtung, um eine Beschichtung des Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche auszubilden.
Entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt umfaßt die Verbesserung das Aufrechterhalten des Flusses des Beschichtungsmaterials durch die Wand der Appliziereinrichtung mittels der anziehenden Kräfte zwischen der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes und dem Beschichtungsmaterial. Vorzugsweise unterstützt die Kapillarwirkung den Transport des Beschichtungsmaterials durch die Appliziereinrichtung.
Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt enthält das Grundbeschichtungsverfahren den Schritt des Ausbildens eines nach unten gerichteten laminaren Flusses des Beschichtungsmaterials auf der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung. Entsprechend diesem Aspekt der Erfindung umfaßt die Verbesserung ein Unterbrechen des nach unten gerichteten laminaren Flusses des Beschichtungsmaterials auf der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung vor dem Vorrücken der Oberfläche des Gegenstandes quer zur äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung, um es dem Beschichtungsmaterial zu ermöglichen, durch die Appliziereinrichtung auf die Oberfläche nach oben zu kriechen.
Erfindungsgemäß können extrem dünne Überzüge, z.B. weniger als etwa 1 Mikrometer (1 Mikron), gleichmäßig ausgebildet werden. Des weiteren sind die Überzüge öfters gleichmäßig und können auf Gegenstände mit unregelmäßigen, nämlich nicht geglätteten, Oberflichen angebracht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt den Betrieb eines Beschichtungsverfahrens dar, wie es in der oben genannten US-Patentschrift US-A-4,370,356 beschrieben wird, wobei ein Beschichtungsmaterial durch eine poröse Appliziereinrichtung gepumpt wird, um einen nach unten gerichteten laminaren Strom des Beschichtungsmaterials über die Oberfläche der Appliziereinrichtung während des Beschichtungsschrittes zu erzeugen.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens, bei dem ein Beschichtungsmaterial durch eine poröse Appliziereinrichtung mittels anziehender Kräfte zwischen der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes und dem Beschichtungsmaterial während des Beschichtungsschrittes fließt.
Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht einer Vorrichtung, die geeignet ist, beim Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet zu werden.
Fig 4 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung, an dem die Beschichtung erfolgt.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf der in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die einzelnen zu beschichtenden Gegenstände sind für die Erfindung nicht ausschlaggebend. Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Oberfläche des Gegenstandes Anziehungskräfte auf das Beschichtungsmaterial ausübt, d.h. die Oberfläche mit dem Beschichtungsmaterial benetzbar ist. Vorzugsweise haben die Gegenstände eine gekrümmte oder flache planare Oberfläche. Die Gegenstandsmaterialien können z.B. Glas, Keramiken, Metalle, Kunststoffe und Kombinationen davon sein. Typische, für die Beschichtung geeignete Gegenstände sind unter anderem flache Displays, wie sie in Laptop-Computern, hochauflösenden Fernsehern und Computerkathodenstrahlröhren verwendet werden, optische Vorrichtungen, wie Linsen, Farbfilter und Spiegel, Hybridschaltungsplatinen und Siliziumund Germaniumwafer, die im Stand der Technik auch als Halbleiter bezeichnet werden.
Ebenso ist das jeweilige zur Beschichtung der Gegenstände verwendete Beschichtungsmaterial für die Erfindung nicht ausschlaggebend. Typische Beschichtungsmaterialien sind unter anderem licht-unempfindliche Deckmassen,d.h. Photoresits, Lacke, Dotierstoffe, Polyimide, antireflektive Beschichtungen und ähnliches. Das Beschichtungsmaterial wird üblicherweise in flüssiger, in einem Lösungsmittel gelöster Form vorliegen. Die Konzentration des Beschichtungsmaterials in der Lösung aus Lösungsmittel und Beschichtungsmaterial, die oft als "Feststoffgehalt" bezeichnet wird, wird typischerweise zwischen 0,5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen 0,5 und 15 Gew.-% - beruhend auf dem gesamten Gewicht der Lösung - liegen. Vorzugsweise ist die das Beschichtungsmaterial enthaltende Lösung benetzungsfähig, so daß ein Film auf der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes ausgebildet werden kann. Typische für Beschichtungsmaterialien verwendete Lösungsmittel sind unter anderem N-Methylpyrrolidon, xylen und Methylethylketon. Der Fachmann kann die geeigneten Beschichtungsmaterialien, den Feststoffgehalt und das Lösungsmittel in geeigneten Mengen für die jeweils zu beschichtenden Gegenstände bestimmen.
Die Erfindung wird im weiteren unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die zur Erläuterung dienen und nicht den Rahmen der folgenden Ansprüche einschränken. Der Fachmann erkennt, daß die Zeichnungen in einer vereinfachten Form dargestellt sind und verschiedene dem Fachmann bekannte Details, wie z.B. Ventile, Schalter, Verfahrenssteuerungsvorrichtungen, Verdrahtung, Heizelemente, Maschinenrahmen und ähnliches nicht zeigen.
Fig. 1 zeigt den Betrieb eines Beschichtungsverfahrens, wie es in der oben genannten US-A-4,370,356 beschrieben wird, wobei ein Beschichtungsmaterial durch eine poröse Appliziereinrichtung gepumpt wird, um einen nach unten gerichteten laminaren Fluß des Beschichtungsmaterials auf der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung während des Beschichtungsschritts zu erzeugen. Das Beschichtungsmaterial 10 wird aus einem Container 11 über eine Leitung 12 entnommen, durchläuft ein Solenoidventil 13 und gelangt über eine Leitung 14 zu einer Pumpe 15, in der es in Abhängigkeit der Porengröße des Filters und der Viskosität des Fluids auf 14 bis 103 KPa (2 bis 15 psig) gebracht wird. Das unter Druck gesetzte Beschichtungsmaterial fließt von der Pumpe 15 über eine Leitung 16 und gelangt durch einen Filter 17 mit einer Porengröße von etwa 0,1 bis 10 Mikrometer (0,1 bis 10 Mikron), um einzelne Materialteilchen größer als die Porengröße des Filters zu entfernen. Das gefilterte unter Druck gesetztes Beschichtungsmaterial wird vom Filter 17 über eine Leitung 18 abgezogen, durchläuft ein Solenoidventil 13 und gelangt über eine Leitung 19 auf die Innenseite einer porösen Appliziereinrichtung 20. Die poröse Appliziereinrichtung 20 enthält gesintertes Metall, hat einen kreisförmigen Querschnitt, ist hohl und hat eine poröse Wand, durch die das Beschichtungsmaterial 10 fließen kann.
Das Pumpen des Beschichtungsmaterials durch die poröse Wand der Appliziereinrichtung 20 erzeugt einen nach unten gerichteten laminaren Fluß des Beschichtungsmaterials 21 auf der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung 20. Wenn die Pumpe 15 in Betrieb ist und die Solenoidventile 13 geöffnet sind, wird die poröse Appliziereinrichtung nahe genug an die Oberfläche des Gegenstandes 22 herangebracht, um einen vorderen Meniskus 23 und einen hinteren Meniskus 24 auszubilden. Der hier verwendete Begriff "vorderer Meniskus" bezeichnet den Meniskus des Beschichtungsmaterials, der einer unbeschichteten Oberfläche des Gegenstandes ausgesetzt ist, der Begriff "hinterer Meniskus" bezeichnet den Meniskus der Flüssigkeit, der einer beschichteten Oberfläche des Gegenstandes ausgesetzt ist, und der Begriff "Menisken" bezeichnet sowohl den vorderen Meniskus als auch den hinteren Meniskus.
Wenn die Menisken 23 und 24 ausgebildet sind, wird der Gegenstand 22 in eine im wesentlichen horizontale Richtung quer und oberhalb der Oberfläche der Appliziereinrichtung 20 in Richtung des Pfeils bewegt, um einen Film des Beschichtungsmaterials 25 auf der Oberfläche des Gegenstandes auszubilden. Der nach unten gerichtete laminare Fluß des Beschichtungsmaterials 21 wird während des Beschichtungsschritts aufrechterhalten.
Fig. 2 stellt den Betrieb eines Beschichtungsverfahrens entsprechend der Erfindung dar, bei dem ein Beschichtungsmaterial durch eine poröse Appliziereinrichtung mittels Anziehungskräften zwischen der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes und dem Beschichtungsmaterial fließt, d.h. durch eine Dochtwirkung. In ähnlicher Art wie bei dem unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verfahren wird ein Beschichtungsmaterial 30 aus einem Container 31 über eine Leitung 32 abgezogen, durchläuft ein Solenoidventil 33 und gelangt über eine Leitung 34 zu einer Pumpe 35, in der es mit etwa 14 bis 103 KPa (2 bis 15 psig) Druck beaufschlagt wird. Das unter Druck gesetzte Beschichtungsmaterial fließt von der Pumpe 35 über eine Leitung 36 und gelangt durch einen Filter 37 mit einer Porengröße zwischen 0,1 bis 10 Mikrometer (0,1 bis 10 Mikron), um einzelne Materialteuchen größer als die Porengröße des Filters 37 zu entfernen. Das gefilterte, unter Druck gesetzte Beschichtungsmaterial wird vom Filter 37 über eine Leitung 38 abgezogen, durchläuft ein zweites Solenoidventil 33 und wird über eine Leitung 39 in die Innenseite einer porösen Appliziereinrichtung 40 eingeführt. Die poröse Appliziereinrichtung 40 umfaßt ein gesintertes Metall, hat einen kreisförmigen Querschnitt, ist hohl und hat eine poröse Wand, durch die das Beschichtungsmaterial 30 fließen kann.
Allgemein sind zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignete Appliziereinrichtungen porös und haben eine Wand, durch die das Beschichtungsmaterial fließen kann. Die äußere Oberfläche der porösen Appliziereinrichtung kann flach oder gekrümmt sein. Darüber hinaus kann die Querschnittsgeometrle der Appliziereinrichtung beispielsweise quadratisch, rechteckig, kreisförmig, halbkreisförmig, dreieckig oder elliptisch sein. Der Begriff "Querschnitt", wie er hier verwendet wird, wird unter Bezug auf eine perspektivische Seitenansicht verstanden, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die Appliziereinrichtung kann hohl, d.h. ein Zylinder, sein, oder kann durchgängiges poröses Material, z.B. eine flache Platte, enthalten. Typische Baumaterialien für die Appliziereinrichtung sind unter anderem Metall, Kunststoff oder Keramik und sind oft in einem gesinterten Zustand. Es ist vorzuziehen, daß die Appliziereinrichtungen eine gleichmäßige, untereinander verbundene, offene Zellenstruktur aufweisen. Die Appliziereinrichtungen der Erfindung sind stationär in bezug auf volle Umdrehung. Der hier verwendete Begriff "stationär" bedeutet, daß die Appliziereinrichtung nicht um 360º um eine Achse rotiert. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, daß die Appliziereinrichtung um eine Achse schwenken kann, z.B. um weniger als 180º. Ein solches Schwenken kann nützlich sein, um z.B. eine gekrümmte planare Oberfläche zu beschichten.
Die Pumpe 35 wird betätigt, und die Solenoidventile 33 geöffnet, bis die äußere Oberfläche der Appliziereinrichtung 40 naß ist. Dann wird die Pumpe 35 ausgeschaltet und die Solenoidventile 33 geschlossen. Um Kontakt zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Gegenstand herzustellen, wird es der Oberfläche 41 der Appliziereinrichtung 40 ermöglicht, die Oberfläche des Gegenstandes 42 zu berühren, um einen vorderen Meniskus 43 und einen hinteren Meniskus 44 auszubilden. Die Appliziereinrichtung 40 ist von der Oberfläche des Gegenstandes 42 getrennt. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche 41 der Appliziereinrichtung 40 und der Oberfläche des Gegenstandes 42 zwischen 0,38 bis 6,35 Millimeter (0,015 bis 0,250 Zoll), weiter bevorzugt zwischen 0,38 und 3,18 Millimeter (0,015 bis 0,125 Zoll) und besonders bevorzugt zwischen 0,51 und 1,02 Millimeter (0,020 bis 0,040 Zoll).
Alternativ dazu können die Pumpe in Betrieb und die Solenoidventile 33 geöffnet verbleiben, um einen nach unten gerichteten laminaren Fluß auf der Oberfläche 41 herzustellen, wie unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Dem Beschichtungsmaterial kann es dann ermöglicht werden, die Oberfläche des Gegenstandes 42 zu kontaktieren, um Menisken 43 und 44 auszubilden. Bei diesem alternativen Betriebsverfahren ist es nicht notwendig, einen physikalischen Kontakt zwischen der Appliziereinrichtung 40 und dem Gegenstand 42 zu haben, um die Menisken auszubilden. Wenn die Menisken einmal ausgebildet sind, wird der nach unten gerichtete laminare Fluß des Beschichtungsmaterials unterbrochen.
Nachdem Flüssigkeitskontakt zwischen der Oberfläche des Gegenstandes 42 und der Appliziereinrichtung 40 hergestellt wurde, wird die Oberfläche des Gegenstandes 42 in eine im wesentlichen horizontale Richtung quer zur Oberfläche der Appliziereinrichtung 40 in Richtung des Pfeiles bewegt. Es ist zu verstehen, daß die Bewegung des Gegenstandes relativ zur Appliziereinrichtung erfolgt. Somit wird entweder der Gegenstand 42 oder die Appliziereinrichtung 40 oder beide physikalisch in bezug zueinander bewegt. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß die Orientierung des zu beschichtenden Gegenstandes bezüglich der Appliziereinrichtung invertiert ist. Das heißt, das Beschichtungsmaterial fließt von der Appliziereinrichtung auf die Oberfläche des Gegenstandes im allgemeinen in eine nach oben gerichtete Richtung. Wenn es gewünscht wird, kann die Orientierung des Gegenstandes invertiert und geneigt sein. Jedoch wird unabhängig von der Orientierung der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche 41 der Appliziereinrichtung 40 und der Oberfläche des Gegenstandes 42 vorzugsweise innerhalb von etwa 10% während der gesamten Vorrücklänge des Gegenstandes gehalten. Die Geschwindigkeit, mit der der Gegenstand 42 über die poröse Appliziereinrichtung vorgerückt wird, liegt typischerweise zwischen 1,3 bis 51 cm/min (0,5 bis 20 Zoll/min) und vorzugsweise zwischen 5 und 38 cm/min (2 bis 15 Zoll/min).
Vorzugsweise beträgt der nach unten gerichtete laminare Fluß des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche 41 der Appliziereinrichtung 40 während des erfindungsgemäßen Beschichtungsschritts weniger als etwa 10% und bevorzugt weniger als etwa 2% der Gesamtmenge Beschichtungsmaterial, die durch die Appliziereinrichtung 40 fließt. Besonders bevorzugt ist es, daß im wesentlichen kein nach unten gerichteter laminarer Fluß des Beschichtungsmaterials auf der äußeren Oberfläche der Appliziereinrichtung 40 vorliegt. Zusätzlich ist es bevorzugt, daß wenigstens 90% und besonders bevorzugt wenigstens 95% des Beschichtungsmaterials, das durch die Appliziereinrichtung 40 fließt, als Beschichtung 45 auf der Oberfläche des Gegenstandes 42 aufgetragen wird, d.h. nicht auf der Oberfläche 41 der Appliziereinrichtung 40 nach unten in den Container 31 fließt. Zusätzlich ist es bevorzugt, daß der Fluß des Beschichtungsmaterials durch die poröse Appliziereinrichtung 40 durch Kapillarität, d.h. durch Kapillarwirkung, vergrößert wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können extrem dünne Beschichtungen, z.B. typischerweise weniger als etwa 1 Mikrometer (1 Mikron), erzeugen. Oft haben die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Beschichtungen weniger als etwa 0,5 Mikrometer (0,5 Mikron) Dicke, bevorzugt etwa 10 Nanometer (100 Angström) bis 0,5 Mikrometer (0,5 Mikron) Dicke, besonders bevorzugt weniger als 0,2 Mikrometern (0,2 Mikron) und am meisten bevorzugt zwischen 10 Nanometern (100 Angströn) und 0,1 Mikrometer (0,1 Mikron) Dicke. Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen gleichmäßige Beschichtungsdicken über die gesamte beschichtete Oberfläche erzeugen. Bevorzugt ist eine Toleranz in Bezug auf die Dicke der Beschichtung von etwa ± 5% und besonders bevorzugt von etwa ± 2%. Beschichtungsdicken können durch jedes herkömmliche Mittel, wie z.B. einem Interferometer, gemessen werden. Die oben genannten Techniken zum Messen der Beschichtungsdicke sowie andere sind dem Fachmann bekannt.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Verfahren gleichmäßige Beschichtungen sowohl auf Gegenständen mit glatten Oberflächen als auch auf Gegenständen mit unregelmäßigen Oberflächen, wie z.B. Silizium- oder Germaniumwafern mit gestuften Topographien, erzeugen können. Der hier verwendete Begriff "gleichmäßig" bedeutet eine Beschichtung, die im wesentlichen die gleiche Dicke an jedem Ort der Topographie der Oberfläche hat. Das heißt, die Beschichtungsdicke an einem tieferliegenden Punkt oder einer Spalte ist im wesentlichen dieselbe wie die Beschichtungsdicke an einem herausragenden Abschnitt der Oberfläche oder auf einer Seitenwand eines Vorsprungs der Oberfläche.
Die Betriebstemperatur und Druck sind für die Erfindung nicht kritisch. Der typische Betriebsdruck an der Oberfläche des Gegenstandes wird in der Gegend des Atmosphärendrucks, nämlich bei einem Manometerdruck von 6,9 KPa ± 13,8 KPa (1 psig ± 2 psig) liegen. Typischerweise reicht die Temperatur von 289 K (60ºF) bis etwa 339 K (150ºF), obwohl höhere oder niedrige Temperaturen verwendet werden können.
Tatsächlich werden Temperaturen in der Höhe von 366 K (200ºF) für gewöhnlich zum Trocknen der beschichten Oberflächen verwendet. Vorzugsweise beträgt die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes und dem Beschichtungsmaterial weniger als 5,5 K (10ºF) und besonders bevorzugt weniger als etwa 2,8 K (5ºF).
Um eine Beschichtung mit minimalen Fehlern zu erreichen, ist es wünschenswert, die erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren unter Reinraumumgebung durchzuführen. Zusätzlich ist es vorzuziehen, daß die Oberfläche des Gegenstandes vor der Beschichtung gereinigt wird, und insbesondere ist es vorzuziehen, daß sie unmittelbar vorher gereinigt wird. Typische Reinigungsverfahren sind unter anderem das Reinigen mit Lösungsmitteln, Plasma oder Ultraschallschwingungen. Reinigen mit Megaschallschwingungen, nämlich etwa 800 Kilohertz bis 1,8 Megahertz, ist insbesondere bevorzugt. Megaschallreiniger sind handelsüblich, z.B. von Branson Ultrasonics Corporation, Danbury, Connecticut, erhältlich.
Zusätzlich zu den Reinigungsschritten können Trocknungsschritte, z.B. Heizen und/oder Ausblasen mit einem Inertgas, wie etwa Stickstoff, entweder vor oder anschließend an den Beschichtungsschritt durchgeführt werden.
Fig. 3 bis 6 zeigen eine zur Auführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
In Fig. 3 ist eine Unterdruck-Spannvorrichtungsanordnung 51 innerhalb eines Unterdruck-Spannrahmens 52 mittels zweier Drehlager 53 gelagert. Eines der Lager ist mit einer hohlen Welle und einer Dreh-Dichtung ausgestattet, um es zu ermöglichen, daß Unterdruck an die Unterdruck-Spannvorrichtung 51 zum Halten des zu beschichtenden Gegenstandes angelegt wird. Zwei federbelastete Stifte 54 werden verwendet, um die drehbare Unterdruck-Spannvorrichtung entweder in einer aufrechten Stellung zum Anbringen des Gegenstandes auf der Unterdruck-Spannvorrichtung 51 oder in einer invertierten Stellung für den Beschichtungszyklus zu halten. Eine doppelte Kettenanordnung und Zahnkränze 56 und ein in der Geschwindigkeit veränderbarer Antriebsmotor (nicht gezeigt) werden verwendet, um die Unterdruck-Spannvorrichtung 51 von einem Lade-/Entladegebiet 57 zu einem Beschichtungsgebiet 58 und anschließend zu einer Heizstation 59 zu versetzen. Ein Beschichtungsmodul 60 und ein Reinigungsmodul 61 sind auf einem Wagen gelagert, der durch einen Gleichstrommotorantrieb (nicht gezeigt) und eine Kabelanordnung 62 bewegt wird. Die Horizontalbewegung wird durch Präzisionsrollenlager und Führungswellen 63 (nicht gezeigt) geleitet. Die Trocknungsstation 59 ist mit einem Infrarotstrahler 64 ausgestattet, der vertikal einstellbar ist und zum Heizen der aufgebrachten Beschichtung verwendet wird, um so die Verdampfung der Lösungsmittel aus dem Beschichtungsmaterial zu verstärken. Diese Art der Trocknung ist vorteilhaft, da sie Variationen in der Beschichtungsdicke verhindern kann, die oft auftreten, wenn der Trocknungsschritt Zwischenhandhabungen verlangt oder wenn starke Lufttrocknung naßer Beschichtungen erfolgt. Details bezüglich Infrarotstrahler sind dem Fachmann bekannt.
Fig. 4 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Beschichtungsgebiets 58. Das Beschichtungsmodul 60 ist in einer Stellung gezeigt, in der es bereit für die Beschichtung ist. Das Reinigungsmodul 61 ist in einer Standby-Stellung gezeigt. Ein zu beschichtender Gegenstand 65 wird gegen eine Messerkante 66 angelegt. Die Messerkante 66 ist vertikal verstellbar, um sich ändernde Dicken des Gegenstandes 65 auszugleichen, und bildet eine Verlängerung der Oberfläche mit genau der gleichen Erhöhung wie die Oberfläche des Gegenstandes 65. Der Zweck der Messerkante 66 ist es, eine Oberfläche zu schaffen, um die Menisken auszubilden und somit den Fluß des Beschichtungsmaterials von dem Beschichtungsmodul 60 zur Oberfläche des Gegenstandes 65 in Gang zu setzen. Wenn die Menisken einmal ausgebildet sind, kann der Gegenstand 65 quer und oberhalb der Oberfläche einer porösen Appliziereinrichtung im Beschichtungsmodul 60 vorrücken. Für den Zweck der Erfindung enthält der Ausdruck "Oberfläche des Gegenstandes" auch die Oberfläche der Messerkante. Eine weitere Messerkante (nicht gezeigt), ist an dem entgegengesetzten Ende des Gegenstandes 65 vorgesehen, um einen sauberen Abbruch des Beschichtungsmaterials zu erreichen, wenn die Beschichtung vervollständigt ist.
In Fig. 5 werden Mikroschalter 67, 68 und 69 auf einem Rahmen 70 der Vorrichtung gelagert, um als positive Haltemittel zu wirken, um die Position der Unterdruck-Spannvorrichtung 51 an gewünschten Stellen zu steuern.
In Fig. 6 ist ein Gehäuse 71, das das Beschichtungsmodul 60 enthält, vertikal mittels zweier Stellschrauben 72 und eines Schrittmotors 73 über Zeitsteuerungsgurte 74 und 75 einstellbar.
Die folgenden Beispiele sind zum Zwecke der Veranschaulichung und dienen nicht zur Begrenzung des Rahmens der anschließenden Ansprüche. In den Beispielen wird eine Vorrichtung, ähnlich der unter Bezug auf die Fig. 3 bis 6 beschriebenen, verwendet.

Beispiel 1

Beispiel 1 zeigt ein Beschichtungsverfahren, wie es unter Bezug auf das US-Patent US-A-4,370,356 beschrieben wurde. Die Aufgabe des Beispiels 1 ist es, ein 30,5 cm (12 Zoll) und 35,6 cm (14 Zoll) Glaspanel für einen Farbfilter mit einem Film eines blaufarbigen Polyimids zu beziehen. Ein Polyimid-Beschichtungsmaterial in einem N-Methylpyrrolidonlösungsmittel mit einer Viskosität von 83,4 mPas (83,4 Centipoise) bei 295 K (72ºF) wurde von Brewer Science, Inc., Boise, Idaho, erhalten, das unter dem Handelsnamen BLUE PO- LYIMIDE 09 verkauft wird. Das Beschichtungsmaterial wurde auf 40 Vol.-% Methylethylketon verdünnt. Ein gesintertes rostfreies Stahlrohr mit einer Porengröße von etwa 10 Mikrometer (10 Mikron) und einer Wandstärke von etwa 3,2 Millimeter (0,125 Zoll) wurde als poröse Appliziereinrichtung verwendet.
Während ein nach unten gerichteter laminarer Fluß des Beschichtungsmaterials über die äußere Oberfläche der porösen Appliziereinrichtung aufrechterhalten wird, wird das Beschichtungsmaterial auf das Glaspanel angewendet. Das Glaspanel wird über die poröse Appliziereinrichtung mit einer Rate von etwa 39,4 cm/min (15,5 Zoll/min) vorgerückt, um die Beschichtung aufzubringen. Die Beschichtungsdicke wurde durch ein Sloan-Dektak-Profilameter, ein mechanisches Nadeltypmeßgerät, das von Sloan Technology Corp., Santa Barbara, Californien, erhältlich ist, mit etwa 2,4 Mikrometer (2,4 Mikron) gemessen und war gleichmäßig, nämlich mit einer Toleranz von etwa ± 2 %, über das gesamte Oberflächengebiet des Glaspanels.

Beispiel 2

Beispiel 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren. Die Aufgabe von Beispiel 2 war es, eine lichtbeständige Deckmasse auf einen starken Germaniumwafer mit 10,2 cm (4 Zoll) im Durchmesser mit einer Beschichtungsdicke von etwa 150 Nanometer (1500 Angström) aufzubringen. Das Beschichtungsmaterial war eine positiv wirkende lichtbeständige Deckmasse und wurde von Shipley Corp., Newton, Massachusetts, erhalten und wird unter dem Handelsnamen AZ 1350 B verkauft. Das Beschichtungsmaterial hatte einen Festkörpergehalt von etwa 14 Gew.-%. Ein gesintertes rostfreies Stahlrohr mit einer Porengröße von etwa 10 Mikrometer (10 Mikron) und einer Wandstärke von etwa 3,2 Millimeter (0,125 Zoll) wurde als poröse Appliziereinrichtung verwendet.
Zuerst wurde das Verfahren, das in Beispiel 1 beschrieben wurde, zur Beschichtung des Panels verwendet. Jedoch konnten dünne Beschichtungsdicken von etwa 150 Nanometer (1500 Angström) nicht erreicht werden.
Als nächstes wurde das folgende Verfahren verwendet. Ein nach unten gerichteter laminarer Fluß des Beschichtungsmaterials wurde auf der äußeren Oberfläche der porösen Appliziereinrichtung ausgebildet. Während der nach unten gerichtete laminare Fluß andauerte, wurde die Kontaktierung des Beschichtungsmaterials zwischen der Oberfläche der Messerkante und der porösen Appliziereinrichtung ausgebildet. Der nach unten gerichtete laminare Fluß des Beschichtungsmaterials wurde dann unterbrochen, indem die Pumpe ausgeschaltet und die Solenoidventile geschlossen wurden. Bei diesem Experiment wurden eine lange Messerkante, nämlich etwa 10 cm (4 Zoll), verwendet, um zu ermöglichen, daß vor dem Beginnen der Beschichtung der Oberfläche des Wafers überschüssiges Beschichtungsmaterial entfernt wird. Der Wafer wurde dann über die Appliziereinrichtung mit einer Rate von etwa 8 cm/min (3 Zoll/min) vorgerückt, um die Beschichtung auszubilden. Die Dicke der Beschichtung auf dem Panel war etwa 130 bis 140 Nanometer (1300 bis 1400 Angström) und wurde durch Interferenzmessung gemessen, wobei die Toleranz bei ± 7 % lag.

Beispiel 3

Beispiel 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren. Die Aufgabe von Beispiel 3 war es, eine Beschichtung eines Polyimids auf eine rostfreie Stahloberfläche mit einer fein-sandgestrahlten endbearbeiteten Oberfläche mit einer Beschichtungsdicke von etwa 40 Nanometer (400 Angström) aufzubringen. Das Beschichtungsmaterial war ein Polyimid in einem N-Methylpyrrolidonlösungsmittel mit einem Feststoff gehalt von etwa 21 Gew.-% und wurde von Dupont Chemical, Wilmington, Delaware erhalten und wird unter dem Handelsnamen PI 2555 verkauft. Das Beschichtungsmaterial wurde vor dem Beschichtungsschritt auf einen Festkörpergehalt von etwa 1 % pro Volumen Polyimid mittels einer Mischung aus 60 % N-Methylpyrrolidon und 40 % Methylethylketon verdünnt. Die Oberfläche des Gegenstandes wurde durch Eintauchen in ein heißes Waschmittel bei Ultraschallbehandlung, gefolgt von einem Abwaschen mit deionisiertem Wasser, Stickstoffausblasen und Ofentrocknen bei etwa 394 K (250ºF) gereinigt. Die Oberfläche wurde dann 10 Minuten lang mittels Plasmaschwabbeln unter Verwendung einer Mischung aus Sauerstoff und Argon behandelt. Ein gesintertes rostfreies Stahlrohr mit einer Porengröße von etwa 10 Mikrometer (10 Mikron) und einer Wandstärke von etwa 3,2 Millimeter (0,125 Zoll) wurde als poröse Appliziereinrichtung verwendet.
Die Oberfläche der porösen Appliziereinrichtung wurde durch Pumpen des Beschichtungsmaterials durch die Wand der porösen Appliziereinrichtung benetzt. Das Pumpen wurde dann unterbrochen. Nach Unterbrechen des Pumpvorganges wurde die Oberfläche der porösen Appliziereinrichtung in Kontakt mit der Messerkante benachbart der Stahloberfläche gebracht, um die Menisken auszubilden. Die Appliziereinrichtung wurde dann von der Messerkante auf einen Abstand von etwa 1,5 Millimeter (0,060 Zoll) gebracht. Während die Menisken zwischen der Messerkante und der porösen Appliziereinrichtung aufrechterhalten wurden, wurde das rostfreie Stahlpanel quer zur Appliziereinrichtung mit einer Rate von 8 cm/min (3 Zoll/min) vorgerückt, um die Beschichtung aufzubringen. Die Beschichtungsdicke wurde auf etwa 40 Nanometer (400 Angström) bestimmt, und die Toleranz lag bei ± 5 %.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf spezifische Aspekte beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, daß andere Aspekte in den Rahmen der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Verfahren zum Überziehen einer Objektoberfläche (42) mit einem Überzugsmaterial (30) umfassend die Schritte:

a) Durchströmen des Überzugsmaterials (30) durch eine Wand einer stationären, permeablen Appuzier-Einrichtung (40) um so einen nach unten gerichteten laminaren Fluß des Überzugmaterials (30) an einer äußeren Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) zu entwickeln;

b) Kontaktieren des Überzugmaterials (30) an der äußeren Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) mit der zu beschichtenden Objektoberfläche (42), um Menisken des Überzugmaterials (30) zwischen der Objektoberfläche (42) und der äußeren Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung herzustellen;

c) Vorwärtsbewegen der Objektoberfläche (42) in einer im wesentlichen horizontalen Richtung entlang der äußeren Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40); und

d) Aufrechterhalten des Flußes des Überzugmaterials durch die Wand der Applizier-Einrichtung (40), um ein Überziehen der Objektoberfläche (42) mit dem Überzugsmaterial (30) zu schaffen;

dadurch gekennzeichnet, daß

der nach unten gerichtete laminare Fluß des Überzugsmaterials (30) an der äußeren Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) unterbrochen wird, bevor die Objektaußenfläche (42) über die äußere Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) vorgeschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der nach unten gerichtete laminare Fluß unterbrochen wird, bevor die Objektoberfläche (42) mit dem Überzugsmaterial (30) in Kontakt gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die äußere Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) in Kontakt mit der Objektoberfläche (42) gebracht wird, um die Nenisken zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die äußere Oberfläche (41) der Applizier-Einrichtung (40) von der Objektoberfläche (42) getrennt wird, bevor die Objektoberfläche (42) vorwärts bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der nach unten gerichtete laminare Fluß unterbrochen wird, nachdem die Objektoberfläche (42) mit dem Überzugsmaterial (30) in Kontakt gebracht wurde.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Fluß des Überzugsmaterials (30) durch die Wand der Applizier-Einrichtung (40) durch anziehende Kräfte zwischen der mit dem Überzugsmaterial (30) zu beschichtenden Objektoberfläche (42) und dem Überzugsmaterial (30) aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der überzug eine Dicke von weniger als etwa 0,5 µm (0,5 Microns) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Überzug eine Dicke zwischen 10 Nanometern (100 Å) und 0,5 (Microns) hat.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Objektoberfläche (42) in Bezug auf die Applizier-Einrichtung (40) gewendet wird.