DD254799A1 - Anordnung zur erzeugung von reinraeumen in fotolithografischen einrichtungen - Google Patents

Abstract

Eine Anordnung zur Erzeugung von Reinraeumen hoher Qualitaet ist in fotolithografischen Geraeten anwendbar, die der Strukturerzeugung von Halbleiterschaltkreisen hoechster Integration durch Uebertragung eines Schabloneninhaltes mittels optischer Medien auf einen Wafer dienen, wobei die Strukturen im Submikrometerbereich liegen. Erfindungsgemaess wird der den Wafer umgebende Raum einerseits sowie der die Schablone und den groessten Teil des Objektivs umgebende Raum andererseits von je einem separaten Luftstrom durchsetzt. Jeder der beiden Raeume ist unterteilt in einen Reinraum besonders niedriger Teilchenkonzentration, in dem sich Wafer bzw. Schablone u. Objektiv befinden, und in einem Reinraum etwas hoeherer Teilchenkonzentration, in dem sich die unvermeidlichen Staub- und Waermequellen befinden. Mittels eines Temperiersystems wird die staubtechnisch und thermisch verbrauchte Luft von einem am Objektivmantel befindlichen Temperaturfuehler aus auf eine Solltemperatur geregelt. Fig. 1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Reinräumen hoher Qualität. Sie ist in fotolithografischen Geräten, die der Strukturerzeugung von Halbleiterschaltkreisen höchster Integration durch Übertragung eines Schabloneninhaltes mittels optischer Medien auf einen Wafer dienen, anwendbar. Die zu übertragenden Strukturen reichen bis in den Submikrometerbereich.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mit der weiteren Reduzierung der Strukturbreiten der Halbleiterschaltkreise steigen die Anforderungen an die Defektfreiheit und an die Überdeckungsgenauigkeit der einzelnen Schaltkreisebenen. Voraussetzung für die Verringerung der Defekte ist eine ständige, anteilige Senkung der Partikelkontamination.

Eine allgemein bekannte Lösung ist, die Staubteilchen in dem das unverkleidete lithografische Gerät umgebenden Chleanroom zu reduzieren. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Kosten für die Realisierung des Cleanrooms enorm hoch sind. Darüber hinaus ist z. B. aus Solid state technology No. 2/1984, p. 29 bekannt, das im Cleanroom installierte Gerät mit einer zusätzlichen Umhüllung als Klimakammer zu versehen, die eine interne Staubfiltration enthält. Dadurch werden zwar die Kosten gegenüber der o.g. ersten Möglichkeit etwas reduziert, jedoch der Nachteil der nicht ausreichenden Wirksamkeit der Cleanroom-Maßnahmen infolge mangelnden Abtransports von Partikeln aus den prozeßbestimmenden Bereichen der lithografischen Geräte bleibt bestehen.

Dieser Nachteil wird auch nicht durch die Variante der Geräteaufstellung innerhalb Cleanrooms nach dem Korridor- bzw. Tunnelprinzip behoben (z. B. Technical Proceedings Semicon/Europa 86, March 4-6, Zürich, p. 47-55).

Ziel der Erfindung

Das Zielder Erfindung ist, eine Anordnung zur Erzeugung von Reinräumen in fotolithografischen Geräten zu schaffen, die bei niedrigen Kosten und geringem Aufwand eine Senkung der Kontaminationseinflüsse sowie der Temperatureinflüsse und somit eine Erhöhung der Überdeckungsgenauigkeit gewährleistet, um die Gutausbeute im Strukturierungsprozeß zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anordnung zu entwickeln, die es ermöglicht, daß insbesondere Wafer und Schablonen auf ihrem Weg durch das Gerät gegen Kontaminationsquellen des Geräteinnenraumes wirksam geschützt werden und den Reststaub und Abrieb der Waferoder Schablonen, der durch ihre Eigenbewegung entsteht, mittels gereinigter Luft am Ort des Entstehens abzuführen und diese Luft gleichzeitig zur Temperierung optischer Baueinheiten der Projektion und Überdeckung einzusetzen, wobei die benötigten Luftströme und die entsprechenden Aufbereitungseinheiten minimalen Aufwand erfordern. Gleichzeitig soll die erfindungsgemäße Anordnung auch staubtechnischen Schutz bei Eingriffen, z. B. Wartung und Reparatur, gewährleisten.

Anhand einer Anordnung zur Erzeugung von Reinräumen in fotolithografischen Einrichtungen zur Bildübertragung von einer Schablone auf einen Wafer mit zwei getrennten Luftkreisläufen, die den Wafer- und Schablonenraum getrennt voneinander mit gefilterter und temperierter Luft versorgen, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein erster separater Raum vorgesehen ist, der einen ersten Reinraum (4) besonders niedriger Teilkonzentration und einen zweiten Reinraum (7) mit einer gegenüber dem ersten Reinraum höheren Teilchenkonzentration umfaßt, wobei der erste Reinraum einen Wafertisch mit Waferbahn sowie einen Teil eines hineinragenden Objektivs (5) und der zweite Reinraum den größten Teil der unvermeidlichen Staub- und Wärmequellen, insbesondere Getriebe und Motore, enthält und gleichzeitig den ersten Reinraum zumindest teilweise umschließt, daß ein Verbindungsstück (2) vorgesehen ist, das einerseits mit einer ersten Luftfiltereinheit (1) in direktem Kontakt steht und andererseits über eine erste Öffnung (3a) mit dem ersten Reinraum und über eine zweite Öffnung (6) mit dem zweiten Reinraum verbunden ist, wobei eine Austrittsöffnung (3 b) des ersten in dem zweiten Reinraum mündet, daß weiterhin eine für den ersten und den zweiten Reinraum gemeinsame Rückführungsleitung (10) vorgesehen ist, die über ein Lüftersystem wieder zurück zur LuftfiItereinheit führt, daß Waferbahnen (8; 9) für ein-bzw. ausfahrende Wafer horizontal und nahezu senkrecht zu den ebenfalls horizontal liegenden Normalen der Öffnungen (3a, 3b, 6) des Verbindungsstückes (2) bzw. des ersten und zweiten Reinraumes und annähernd parallel verlaufen, daß ein Luftstrom L, der den ersten Reinraum durchsetzt, kleiner ist als das Produkt aus der Abmessung ζ des ersten Reinraumes in Bewegungsrichtung des Wafers und einem die Laminarströmung

charakterisierenden Wert von 50 und einer dem Wafer beanspruchten charakteristischen Breite x, die kleiner als die Breite

des ersten Reinraumes ist und zwischen einem Waferdurchmesser und dem Wert —' - liegt, mit d_pmax ² als

Qpmax

Durchmesser des größten abzuführenden Teilchens, daß ein zweiter separater Raum vorgesehen ist, der einen dritten Reinraum (11), der eine Schablonenbahn (18) sowie die Arbeitslage einer Schablone (15) umgibt und vom optischen Strahlengang durchsetzt ist sowie einen vierten Reinraum (20) mit dem größten Teil der Staub- und Wärmequellen umschließt, daß ein zweites Verbindungsstück, das eine zweite Luftfiltereinheit (13) mit dem dritten Reinraum (11) auf kürzesten Weg lufttechnisch verbindet und parallel zur Bewegungsstrecke der Schablone verlaufende Längsausbrüche der Begrenzung des dritten Reinraumes vorgesehen ist.

Die Waferbahn (8) für einfahrende Wafer sollte näher an der zuständigen Luftfiltereinheit als die Waferbahn (9) für ausfahrende Wafer liegen. Es ist vorteilhaft, mindestens Teile der Reinrauminnenwände mit einem dem Staub bindenden Belag zu versehen.

Weiterhin ist es günstig, wenn ein dritter separater Raum (22) vorgesehen ist, der sich zwischen dem zweiten und dem vierten Reinraum (7; 29) befindet und nur eine Öffnung (25) zum vierten Reinraum aufweist, in der ein Temperiersystem (26) angebracht

ist, das die aus dem dritten und vierten Reinraum (11; 20) kommende staubtechnisch und thermisch verbrauchte Luft von einem am Objektivmantel befindlichen Temperaturfühler (27) aus auf eine Solltemperatur geregelt wird und das Objektiv (21), das sich fast vollständig im dritten separaten Raum (22) befindet, zwischen der Öffnung (25) und einer Luftaustrittsöffnung (23) liegt. Durch die erfinderische Lösung kann der mit bekannten Staubbekämpfungsmaßnahmen nichterfaßte Reststaub und Abrieb aus den Reinräumen mit hoher Wirksamkeit abgeführt werden, indem im Zusammenhang mit der Anordnung und Ausbildung der Reinräume die laminare Strömung quer zur Bewegungsrichtung von Wafer und/oder Schablone wirkt. Dabei erweist es sich als notwendig, bei der Gestaltung der Reinräume die Flugbahn der Teilchen zu berücksichtigen, da es auf einzelne Teilchen ankommt.

Andererseits ist die Anordnung so gestaltet, daß die entsprechenden optisch-mechanischen Baueinheiten für die Uberdeckung und Projektion hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Maßhaltigkeit gezielt temperiert werden. Ein auftretender thermischer Verschleiß wird durch eine definierte Nachtemperierung ausgeglichen. Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch die erfinderische Lösung das Gerät nach äußeren Eingriffen z.B. bei Wartung und Reparatur schneller wieder betriebsbereit ist als durch die bekannten Möglichkeiten.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.

Figur 1: zeigt die erfindungsgemäße Anordnung für den Waferraum,

Figur 2: die grafische Darstellung einer geometrischen Beziehung für den Abtransport der störenden Teilchen und Figur 3: die erfindungsgemäße Anordnung für den Schablonenraum.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich darauf, daß der den Wafer umgebende Raum, in den ein Teil des Objektivs ragt, einerseits sowie der die Schablone und den größten Teil des Objektivs umgebende Raum andererseits von je einem separaten Luftstrom durchsetzt werden.

Gemäß Fig. 1 strömt von einer ersten Filtereinheit 1 gereinigte und temperierte Luft über ein Verbindungsstück 2 aus dessen

Öffnung 3a in einen geeigneten dimensionierten Weißraum 4, in den auch ein Objektiv 5 hineinragt, und parallel aus einer

Öffnung 6 in einen Grauraum 7. Die horizontalen Bahnen eines einfahrenden Wafers 8 und auch eines ausfahrenden Wafers 9 befinden sich im Weißraum 4 und stehen senkrecht zur horizontal verlaufenden Luftströmungsrichtung. Die aus einer Öffnung 3 b des Weißraumes 4 austretende, durch Partikelaufnahme staubtechnisch verbrauchte Lufttritt in den Grauraum 7. Über einen gemeinsamen Rückführungskanal 10 werden sowohl die Weißraum- als auch die Grauraumluft mittels eines hier nicht dargestellten Lüftersystems zur Filtereinheit 1 zurückgeführt.

Bei Berücksichtigung der Flugbahn derTeilchen wird von der Beziehung

y_P §, y · dp²

ausgegangen

Hierzu bedeuten:

Xp, Vp.' Flugbahnkoordinaten des Partikels entspechend Fig. 1 mit y_p als Teilchenhöhe, von der Waferbahn ausgerechnet (z. B. erreicht durch Aufwirbelung) und x_p als Flugweite,

ηι_: 18·10~⁶ Luftzähigkeit(Normalbedingungen)

m · s

g: 9,81m · s~²

«_p: «-10³—^- Dichte des Partikels

* m

d_p: Teilchendurchmesser

V_L: Geschwindigkeit der horizontal strömenden Luft

Bei der Abschätzung wird von kegelförmigen Teilchen ausgegangen und Diffusionseffekte werden vernachlässigt, was für Teilchengeschwindigkeiten von §>10~⁴m/s und Teilchendurchmesser >0,1 μητι zulässig ist. Entsprechend Fig. 1 ergibt sich für y_pmax = y und x_pmax = χ mit

.y_L

eine geometrische Beziehung für die Koordinaten x, y des Weißraumes 4, die gemäß Fig. 2 den Abtransport aller Teilchen mit d_p < dpmax oberhalb der Diagonalen A aus dem Weißraum 4 bewirkt; dies erfolgt ohne Unterbrechnung im Bereich des Wafers, so daß nicht die Gefahr des Kontaminierens auf dem Wafer besteht. Das letztlich der Niederschlag der Partikel auf dem Wafer verhindert werden soll und nicht schlechthin im Weißraum 4, muß die Größe χ nicht unbedingt mit der entsprechenden Weißraumabmessung, wie in Fig. 1 dargestellt, zusammenfallen, sondern kann auch kleiner sein; sie muß entsprechend Fig. 1 aber mindestens zwei Waferdurchmesser betragen und mindestens ein Waferdurchmesser bei geradlinig durch den Weißraum laufenden Wafer, d.h. bei sich gegenüberliegenderWaferein- und -ausgabesteile.

Wird der Wafer, wie in Fig. 1 dargestellt, auf der Lufteintrittsseite, d. h. in der Nähe der Öffnung 3a, in den Weißraum geschleust, so werden alle oberhalb der Linie B befindlichen Teilchen mit d_p < d_pmax vom einfahrenden Wafer und damit vom Belichtungsprozeß ferngehalten, während dies beim ausfahrenden Wafer nur für die Linie A gilt, die Ablagerungsgefahr also

Der betragsmäßige Wert von V_L soll ferner der Bedingung für die laminare Strömungsform, die aus staubtechnischen Gründen anzustreben ist, unterzogen werden. Dies führt unter der Voraussetzung y ζ (Fig. 1) über die Beziehung

— = y-V_L<—Re mitRe = 2000 Z 2

(3) y · V_L = -^- 50^- Z h

Dabei ist

L: Luftdurchsatz durch die Fläche y · ζ in

kg · •_L: 1,29—τ- Luftdichte (Normbedingungen)

Bei einem Luftdurchsatz von L = 50 durch die Flache y · ζ erreicht die Weißraumabmessung ζ eine Länge von ζ > 1 m,was

unter Berücksichtigung der Handlingstrecke und des Tischfahrbereiches einen fotolithografischen Gerätes real ist. Werden die Gleichungen (2) und (3) verknüpft, so ergibt sich

(4) χ < x_max = —

Das heißt, daß bei Realisierung der Laminarströmung die, in der Konstante c enthalten ist, eine obere Grenze für χ existiert, innerhalb der alle Teilchen mit d < d_pmax oberhalb der Diagonale A aus Fig. 2 liegen, mit Sicherheit abtransportiert werden. Aus (3) wird für eine technisch nutzbare Höhe y von mindestens 10cm eine Luftgeschwindigkeit von V_L < 0,14 m/s errechnet, was alle bisherigen Forderungen und die Voraussetzung für die Gleichung (1) erfüllt. Dies liefert für d_pmax = 30μ.ιη ein x_maxvon 0,5 m. Dies bedeutet, daß alle Teilchen bis zu einer Größe des Durchmesser von 30 /xm, die bekanntlich zumindest im natürlichen atmosphärischen Aerosch kaum vorkommen und sich über der Linie A aus Fig. 2 in einer Laminarströmung befindenden Wafer nicht treffen.

Für einen Schablonenweißraum 11 in Fig.3 gilt im wesentlichen dasselbe, wenngleich durch den Einsatz von Pellicle 12 die Verunreinigungen in geringerem Maße eintreten. Eine entsprechende Komponente eines in einer zweiten Filtereinheit 13 gereinigten Luftstroms 14 quer zur Bewegungsrichtung einer Schablone 15 sowie eine entsprechende Geschwindigkeitsreduzierung läßt sich, wie in der Ausführung von Fig.3 dargestellt, durch seitliche Ausbrüche 16 parallel zur Bewegungsrichtung der Schablone 15 bzw. durch eine zur Öffnung 6 in Fig. 1 analoge Öffnung 17 und/oder natürliche Undichten in der Umgebung der Arbeitslage der Schablone 15 erreichen. Damit ist die Schablone 15 sowohl in ihrer Arbeitslage (Fig.3) als auch auf der kontaminationsgefährdetsten Strecke 18, zwischen Arbeitslage und Beschickungsstelle 19, wirksam zu schützen. Zur Reduzierung der Gefahr des Staubaufwirbeins, vor allem während des Handlings, können sowohl im Wafer- als auch im Schablonenweißraum 4 bzw. 11 die Innenwände dieser Räume mit einem staubbindenden Belag versehen werden. Der temperierte und gereinigte Luftstrom 14, der sich im Weißraum 11 und im Grauraum 20 nach der Aufnahme von Partikeln und der Temperierung der Schablone 15 sowie optisch mechanischer Bauelemente der Überdeckung wie z.B. Spiegel, Prismen etc. und vor allem die Wärmeaufnahme von Motoren und anderer nicht zu vermeidender Wärmequellen sowohl staubtechnisch als auch thermisch verbraucht hat, wird nach einer thermischen Wiederaufbereitung zur intensiven Temperierung eines Objektives 21 herangezogen, bevor der staubtechnisch verbrauchte Luftstrom eine über dem Grauraum 7 aus Fig. 1 liegende und den weitaus größten Teil des Objektivs enthaltende Kammer 22 über eine Austrittsstelle 23 verläßt und über eine hier nicht dargestellte Lüftereinheit zur zweiten Filtereinheit 13 zurückströmt. Die Zwangsführung der aus den seitlichen Ausbrüchen 16 des Weißraumes 11 tretenden, zusammen mit der aus dem Grauraum 20 kommenden Luft zum Objektiv, erfolgt mittels einer in eine Trennwand 24, die im wesentlichen den Objektivmantel vom Schablonenweiß- und Grauraum trennt und gleichzeitig den oberen Abschluß der Kammer 22 bildet, eingelassenen Öffnung 25.

Der thermische Verschleiß dieser Luft wird durch eine in der Öffnung 25 angebrachten Temperiereinheit 26, die von einem am Objektivmantel befindlichen Temperaturfühler 27 geregelt wird, wieder ausgeglichen. Die Temperiereinheit 26 enthält im allgemeinen sowohl einen Kühler als auch Heizer, wobei auch der Spezialfall ohne Kühler enthalten sein kann, der dann auftritt, wenn die Solltemperatur für den Fühler 27 etwas höhergesetzt wird, als die Temperatur für den Schablonentisch und seine Umgebung, die z. B. in an sich bekannter Weise von einem am Schablonentisch angebrachten Fühler 28 über den Luftstrom 14 geregelt wird.

Claims (4)

1. Anordnung zur Erzeugung von Reinräumen in fotolithografischen Einrichtungen zur Bildübertragung von einer Schablone auf einen Wafer mit zwei getrennten Luftkreisläufen, die den Wafer- und Schablonenraum getrennt voneinander mit gefilterter und temperierter Luft versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster separater Raum vorgesehen ist, der einen ersten Reinraum (4) besonders niedrigerTeilchenkonzentration und einenzweiten Reinraum (7) miteinergegenüber dem ersten Reinraum höheren Teilchenkonzentration umfaßt, wobei der erste Reinraum einen Wafertisch mit Waferbahn sowie einen Teil eines hineinragenden Objektivs (5) und der zweite Reinraum den größten Teil der unvermeidlichen Staub- und Wärmequellen, insbesondere Getriebe und Motore, enthält und gleichzeitig den ersten Reinraum zumindest teilweise umschließt, daß ein Verbindungsstück (2) vorgesehen ist, das einerseits mit einer ersten Luftfiltereinheit (1) in direktem Kontakt steht und andererseits über eine erste Öffnung (3a) mit dem ersten Reinraum und über eine zweite Öffnung (6) mit dem zweiten Reinraum verbunden ist, wobei eine Austrittsöffnung (3b) des ersten in den zweiten Reinraum mündet, daß weiterhin eine für den ersten und den zweiten Reinraum gemeinsame Rückführungsleitung (10) vorgesehen ist, die über ein Lüftersystem wieder zurück zur Luftfiltereinheit führt, daß Waferbahnen (8; 9) für ein- bzw. ausfahrende Wafer horizontal und nahezu senkrecht zu den ebenfalls horizontal liegenden Normalen der Öffnungen (3a; 3 b; 6) des Verbindungsstückes (2) bzw. des ersten und zweiten Reinraumes und annähernd parallel verlaufen, daß ein Luftstrom L, der den ersten Reinraum durchsetzt, kleiner ist als das Produkt aus der Abmessung ζ des ersten Reinraumes in Bewegungsrichtung des Wafers und einem die

Laminarströmung charakterisierenden Wert von 50 —— und einer dem Wafer beanspruchten charakteristischen Breite x, die kleiner als die Breite des ersten Reinraumes ist und zwischen einem Waferdurchmesser und dem Wert —'-— ₂ liegt, mit d_pmax ² als Durchmesser des größten

dpmax

abzuführenden Teilchens, daß ein zweiter separater Raum vorgesehen ist, der einen dritten Reinraum (11), der eine Schablonenbahn (18) sowie die Arbeitslage einer Schablone (15) umgibt und vom Strahlengang durchsetzt ist sowie einen vierten Reinraum (20) mit dem größten Teil der Staub-und Wärmequellen umschließt,

daß ein zweites Verbindungsstück, das eine zweite Luftfiltereinheit (13) mit dem dritten Reinraum (11) auf kürzesten Weg lufttechnisch verbindet und parallel zur Bewegungsstrecke der Schablone verlaufende Längsausbrüche der Begrenzung des dritten Reinraumes vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferbahn (8) für einfahrenden Wafer näher an der zuständigen Luftfiltereinheit als die Waferbahn (9) für ausfahrenden Wafer liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teile der Reinrauminnenwände mit einem den Staub bindenden Belag vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter separater Raum (22) vorgesehen ist, der sich zwischen dem zweiten und dem vierten Reinraum (7; 20) befindet und nur eine Öffnung (25) zum vierten Reinraum aufweist, in der ein Temperiersystem (26) angebracht ist, das die aus dem dritten und vierten Reinraum (11; 20) kommende staubtechnisch und thermisch verbrauchte Luft von einem am Objektivmantel befindlichen Temperaturfühler (27) aus auf eine Solltemperatur geregelt wird und das Objekt (21), das sich fast vollständig im dritten separaten Raum (22) befindet, zwischen der Öffnung (25) und einer Luftaustrittsöffnung (23) liegt.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen