DE10035430A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung einer Fotolackschicht auf einem Schaltungssubstrat, insbesondere Halbleiterwafer - Google Patents

Abstract

Verfahren zur thermischen Behandlung zum Trocknen oder Hartbacken einer Fotolackschicht auf einem Schaltungssubstrat, insbesondere Halbleiterwafer, wobei eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, die einen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 mum und 1,5 mum, hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung zum Trocknen oder Hartbacken einer Fotolackschicht auf einem Schaltungssubstrat, insbesondere Halbleiterwafer, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In integrierten Schaltungen werden die einzelnen Bauelemente- und Verdrahtungsstrukturen durch definierte Folgen von über­ einanderliegenden Schichten mit durch das Schaltungslayout be­ stimmten vertikalen und horizontalen Abmessungen realisiert. Für die Festlegung der lateralen Abmessungen der Bereiche und Schichten, wie etwa der Ausdehnung und Lage von dotierten Zo­ nen, wird die Strukturübertragung durch Lithographie auf die Halbleiterscheibe (den Halbleiterwafer) benutzt. In ähnlicher Weise werden lithographische Verfahren auch zur Strukturerzeu­ gung auf anderen Schaltungssubstraten, etwa Kunststoffsubstra­ ten für gedruckte Schaltungen (PCB = Printed Circuit Boards) oder Glassubstraten, benutzt.

Die Layoutebenen von ICs werden Ebene für Ebene auf Glasplatten übertragen, welche dort, wo sich Layoutstrukturen befinden, ge­ schwärzt werden und in den übrigen Bereichen Licht durchlassen. Damit entstehen Masken, durch die eine fotosensitive Hilfsschicht auf der Waferoberfläche - der Fotolack - belichtet wird. Je nach Art des eingesetzten Fotolacks - Positiv- oder Negativresist - wird in den belichteten oder den unbelichteten Bereichen der Lack in einem Entwicklerbad gelöst und hier durch die Maskenstruktur in ein Lackprofil übertragen.

Da jede Oberflächenschicht auf dem Halbleiterwafer mindestens einmal strukturiert wird, ist die Lithographie der im Ferti­ gungsprozeß integrierter Schaltungen am häufigsten auftretende Einzelprozeß, und eine möglichst effiziente Ausführung dieses Schrittes ist von großer Bedeutung für die Effizienz und damit die Kosten des Gesamtprozesses.

Moderne Positivlacke für die optische Lithographie basieren auf einem Phenolharz, welches durch Polymerisation von Phenol und Formaldehyd entsteht und üblicherweise als Novolak bezeichnet wird. Durch Zusatz von Sensibilisatoren, insbesondere Naphtha­ chinondiaziden, wird die Lichtempfindlichkeit des Lackes be­ wirkt. Der Diazidsensibilisator reagiert bei der Lackherstel­ lung mit dem Novolak und bildet photosensitive Makromoleküle. Die entstehende feste Substanz wird in organischen Lösungsmit­ teln (mit etwa 70 Vol.-% Anteil) aufgelöst, so daß sich ein sehr dünnflüssiger Lack ergibt. Dieser kann in einer Dicke von wenigen Mikrometern, beispielsweise durch Aufschleudern, äu­ ßerst gleichmäßig auf den Halbleiterwafer aufgebracht werden. Vor der Belichtung der belackten Scheiben wird der Fotolack durch kontrolliertes Erwärmen der Scheiben getrocknet, wobei alle Lösungsmittelzusätze verdampfen.

Für bestimmte Anwendungen werden auch heute noch Negativlacke eingesetzt, deren physikalische Anwendungsparameter ähnlich de­ nen der oben erwähnten Positivlacke sind, so daß auch hier eine Trocknung vor der Belichtung erforderlich ist.

Zum Trocknen ("Soft Bake" oder "Prebake") wird die belackte Scheibe im herkömmlichen Waferprozeß auf eine Heizplatte trans­ feriert und typischerweise für eine Zeitdauer zwischen 30 s und einigen Minuten bei einer normalerweise zwischen 90 und 110°C liegenden Temperatur gehalten.

Nach der Belichtung und Entwicklung werden die erzeugten Lack­ strukturen - typischerweise bei ca. 110°C und für etwa 30 s - hartgebacken ("Hardbake"), wodurch die Lackstege gefestigt und die Haftfestigkeit und chemische Beständigkeit des Lackes ver­ bessert werden. Für bestimmte Ätzverfahren und die Ionenimplan­ tation, bei denen relativ hohe Temperaturen in der Lackschicht auftreten, werden die Lackschichten zusätzlich mit kurzwelligem UV-Licht gehärtet ("Deep UV Hardening"). Unter dem Einfluß der energiereichen UV-Strahlung vernetzen die Lackmoleküle, wodurch sich die Lackstruktur verdichtet und der Lack später auch bei hohen Prozeßtemperaturen formstabil bleibt.

Die bekannten Trocknungs- und Hartbackschritte erfordern ein spezielles Handling der Halbleiterwafer und sind auch relativ zeitaufwendig, was insbesondere wegen der Vielzahl der Lack­ trocknungs- bzw. -backschritte im Gesamtprozeß nachteilig ins Gewicht fällt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur einfacheren und schnelleren thermi­ schen Behandlung von Fotolackschichten auf Halbleiterwafern an­ zugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich ihres Verfahrensaspektes durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsicht­ lich ihres Vorrichtungsaspektes durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, zur thermischen Behandlung von Fotolackschichten auf Halbleiterwa­ fern eine kurzzeitige Bestrahlung im nahen Infrarot (NIR) vor­ zusehen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte NIR-Strahlung läßt sich in ein­ facher und kostengünstiger Weise durch mit erhöhter Betriebs­ temperatur betriebene Halogenlampen hoher Leistung erzeugen. Die Leistungsdichte, gemessen auf der Oberfläche der Fotolack­ schicht, liegt bevorzugt bei oder oberhalb 150 kW/m², für Glas­ substrate bevorzugt oberhalb von 500 kW/m². Die Strahlung die­ ser Lampen hat ihren wesentlichen Leistungsanteil im Bereich zwischen 0,8 und 1,5 µm, wobei eine Einstellung auf die spezi­ fischen Eigenschaften des jeweiligen Fotolackes und der Ober­ fläche des Halbleiterwafers in der jeweiligen Prozeßstufe über die Einstellung der Betriebsspannung möglich ist. Grundsätzlich ist der Einsatz derartiger Halogenlampen insbesondere aufgrund der Reflexionseigenschaften des Halbleiterwafers für Strahlung in diesem Wellenlängenbereich besonders vorteilhaft.

Mit dieser Lösung wird die Trocknung bzw. das Hartbacken (unter Vernetzung) der Fotolackschicht in Zeiträumen von typischerwei­ se weniger als 15 s, typischerweise weniger Sekunden, ggfs. so­ gar in Sekundenbruchteilen, möglich. Hierdurch wird eine erheb­ liche Zeitersparnis im Gesamtprozeß erzielt. Ein weiterer we­ sentlicher Vorteil liegt darin, daß die Halbleiterwafer zur Trocknung bzw. zum Hartbacken nicht auf Heizscheiben transfe­ riert werden müssen, so daß sich das gesamte Handling wesent­ lich vereinfacht. Ein weiterer wichtiger Vorzug der vorgeschla­ genen Lösung besteht darin, daß das Substrat sich in dem Trocknungs- oder Hartbackschritt nur wenig erwärmt, da die Strahlungsenergie im wesentlichen in der Fotolackschicht selbst aufgenommen wird. Dies ist besonders günstig bei temperatur­ empfindlichen Kunststoffsubstraten für die PCB-Technologie. Es verringert aber auch die Gefahr des sogenannten "Thermal Mismatch" von Schichtstrukturen auf Halbleitersubstraten und redu­ ziert diesbezüglich in vorteilhafter Weise die Entwurfsanforde­ rungen.

In einer Ausführungsvariante wird eine großflächige Bestrah­ lung des Substrates (speziell eines Halbleiterwafers bzw. von mehreren Halbleiterwafern gleichzeitig) mit einer im wesentli­ chen konstanten Strahlungsdichte vorgenommen, wobei insbesonde­ re ein NIR-Strahler (insbesondere eine Halogenlampe) mit einem im wesentlichen parabolischen Reflektor eingesetzt wird. Je nach konkreter Verfahrensführung werden hierbei annähernd punktförmige Strahler mit paraboloidischem Reflektor oder li­ neare Strahler mit einem langgestreckten Reflektor mit parabo­ lischem Querschnitt eingesetzt.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird mit­ tels eines langgestreckten Reflektors mit einem Ellipsenab­ schnitts-Querschnitt das Licht einer langgestreckten NIR-Strah­ lungsquelle auf eine im wesentlichen rechteckige Strahlungszone mit weitgehend konstanter Strahlungsdichte fokussiert und diese Strahlungszone abtastend über die Waferoberfläche bewegt. Dies kann durch Bewegung, insbesondere Schwenken, der Strahlungs­ quelle oder durch Verschiebung einer Unterlage des Wafers ge­ schehen. Entsprechende Bewegungsmechanismen sind an sich be­ kannt und bedürfen hier keiner genaueren Beschreibung.

Insbesondere für thermische Behandlungen von Fotolackschichten im Sinne eines Trocknens bzw. Vorbackens (Soft Bake) ist der zusätzliche Einsatz eines Trocknungs-Gasstromes zur schnellen Abführung des Lösungsmitteldampfes über der erwärmten Fotolack­ schicht zweckmäßig. Als solcher kann im einfachsten Falle ein Luftstrom eingesetzt werden. Der Gasstrom ist bevorzugt annä­ hernd parallel zur Wafer- und Fotolackoberfläche ausgerichtet, und die vertikale Erstreckung und Geschwindigkeit des Gasstro­ mes wird auf die konkreten physikalischen Parameter des Fotolacks und die Bestrahlungsparameter eingestellt. Druckgas-Er­ zeugungseinrichtungen zur Erzeugung des Gasstromes sind an sich bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.

Bei der thermischen Behandlung eines UV-Resists vor dessen Be­ lichtung ist durch geeignete Mittel der UV-Strahlungsanteil im wesentlichen vollständig auszufiltern. In einer zweckmäßigen Ausführung der vorgeschlagenen Anordnung geschieht dies durch zwischen der eigentlichen Strahlungsquelle und der Fotolack­ oberfläche angeordnete UV-Filtermittel, insbesondere eine mit einem UV-Absorber beschichtete und/oder gefüllte Glasplatte bzw. Glasplattenanordnung. Für Elektronen- oder Röntgenstrahl­ resiste, zu deren Trocknung die vorgeschlagene Lösung ebenfalls anwendbar ist, ist die Ausfilterung von UV-Strahlungskomponen­ ten aber nicht erforderlich.

Andererseits ist für bestimmte Anwendungen des sogenannten Hartbackens zur Verfestigung der nach der Belichtung und Ent­ wicklung gebildeten Lackstruktur eine Erhöhung des Anteils der (insbesondere kürzerwelligen) UV-Strahlung vorteilhaft. Dies geschieht in einer ersten Variante durch (relative) Verringe­ rung des Anteils der außerhalb des UV-Bereiches liegenden spek­ tralen Komponenten durch Abschwächung mittels geeigneter Filter für sichtbares Licht und nahes Infrarot und in einer anderen Variante durch den zusätzlichen - insbesondere zeitgleichen - Einsatz eines UV-Strahlers.

UV-Strahler zur Bestrahlung von Halbleiterwafern sind als sol­ che bekannt und werden daher hier nicht genauer beschrieben. Es handelt sich insbesondere um Quarzlampen oder die (aufgeweite­ te) Strahlung eines im UV-Bereich immitierenden Lasers (bei­ spielsweise eines Excimerlasers). Durch die Kombination einer NIR-Strahlungsquelle und einer UV-Strahlungsquelle kann - gege­ benenfalls unter zusätzlicher Nutzung von Filtern - ein zur schnellen kombinierten thermischen und UV-Härtung eines Fotolackes optimales Wellenlängen-/Temperaturregime eingestellt werden.

Im Hinblick auf die mit der vorgeschlagenen Lösung realisierba­ ren sehr kurzen Behandlungszeiten kann der Einsatz einer spe­ ziellen Bestrahlungssteuereinrichtung vorteilhaft sein, die zwischen die eigentliche Strahlungsquelle und die Fotolack­ schicht auf dem Halbleiterwafer geschaltet wird und die Einwir­ kung der NIR-Strahlung (und eventuell zusätzlicher UV-Strah­ lung) mit exakt voreinstellbaren und reproduzierbaren Bestrah­ lungsparametern (insbesondere Bestrahlungsspektrum und Leis­ tungsdichte) gewährleistet. Eine solche Bestrahlungssteuerein­ richtung umfaßt insbesondere eine Verschlußeinrichtung, die den oder die Halbleiterwafer gegenüber der - vorher auf konstante Betriebsparameter gebrachten - Strahlungsquelle für eine exakt voreingestellte Zeit freigibt.

Eine für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Verfahrens­ führung ist mit einer Anordnung realisierbar, die eine oder mehrere Meßeinrichtung(en) zur Erfassung prozeßrelevanter phy­ sikalischer Größen der Fotolackschicht und ggfs. auch des Subs­ trates aufweist. Hierzu zählen Temperaturfühler, Feuchtemeßein­ richtungen und optische Sensoren zur Erfassung des Reflexions­ vermögens oder des Brechungsindex oder anderer optischer Para­ meter, die Aufschluß über den Trocknungs- bzw. Vernetzungszu­ stand der Fotolackschicht geben. In Abhängigkeit von den erfaß­ ten Meßwerten bzw. einem Ergebnis der Auswertung dieser Meßwer­ te können die im weiteren Prozeßverlauf einzustellenden Be­ strahlungsparameter, insbesondere die Leistungsdichte und ggfs. auch die spektrale Zusammensetzung der Strahlung, optimiert werden.

Hierzu wird zweckmäßigerweise eine Bestrahlungssteuereinrich­ tung eingesetzt, die über Steuereingänge mit dem Meßfühler oder den Meßfühlern bzw. einer nachgeschalteten Auswertungseinrichtung verbunden ist. Diese Steuereinrichtung kann auch als Re­ geleinrichtung ausgeführt sein, die eine Verfahrensführung im geschlossenen Regelkreis (Closed-Loop-Control) realisiert. Hierbei können auch selbstregelnde Effekte berücksichtigt und ausgenutzt werden, wie etwa die Veränderung der optischen und thermischen Eigenschaften der Fotolackschicht mit abnehmendem Feuchtegehalt (bei der Trocknung) bzw. zunehmenden Vernetzungs­ grad (beim Hartbacken).

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten einzelnen Aspekte beschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rah­ men fachgemäßen Handelns liegen.

Claims (25)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung zum Trocknen oder Hartbacken einer Fotolackschicht auf einem Schaltungs­ substrat, insbesondere Halbleiterwafer, gekennzeichnet durch eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, die einen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbe­ sondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm, hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung die Strahlung einer mit erhöhter Betriebstemperatur betriebenen Halogenlampe eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung auf der Fotolackschicht eine Leistungsdichte von 150 kw/m² oder mehr aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ganzflächige Bestrahlung des Schaltungssubstrats mit im wesentlichen konstanter Strahlungsdichte, insbe­ sondere während einer Zeit von weniger als 15 s, bevor­ zugt von weniger als 2 s.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Bestrahlung mit auf eine im wesentlichen rechtecki­ ge Strahlungszone, deren Breite wesentlich kleiner als die entsprechende Abmessung des Schaltungssubstrats ist, fokussierter Strahlung, wobei die Strahlungszone abtas­ tend über das Schaltungssubstrat geführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorbacken einer UV-sensitiven Fotolackschicht zu de­ ren Trocknung vor einer Belichtung UV-Anteile der elek­ tromagnetischen Strahlung im wesentlichen vollständig ausgefiltert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorbacken der Fotolackschicht zu deren Trocknung vor einer Belichtung über die Fotolackschicht ein, insbeson­ dere parallel zu dieser ausgerichteter, Trocknungsgas­ strom geführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hartbacken der Fotolackschicht zu deren Verfestigung nach einer Belichtung elektromagnetische Strahlung mit einem erhöhten UV-Anteil eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Erhöhung des UV-Anteils durch Abschwächung der übrigen spektralen Anteile der Strahlung einer Halo­ genlampe bewirkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem NIR-Strahler und insbesondere im we­ sentlichen gleichzeitig mit diesem ein UV-Strahler ein­ gesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während der Bestrahlung mindestens eine physikalische Größe der Fotolackschicht, insbesondere deren Temperatur und/oder Feuchtegehalt und/oder Re­ flexionsvermögen und/oder Brechungsindex, gemessen und das Meßergebnis zur Steuerung der Bestrahlung ausgewer­ tet und genutzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Verfahrensführung mit einem geschlossenen Regel­ kreis.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine über der Oberfläche des Halbleiterwafers angeordne­ te und auf diese ausgerichtete Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die einen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlän­ genbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm, hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine mit erhöhter Betriebstempera­ tur betriebene Halogenlampe aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle einen im wesentlichen parabolischen Reflektor zur Erzeugung einer im wesentlichen den gesam­ ten Halbleiterwafer erfassenden Strahlungszone mit kons­ tanter Strahlungsdichte aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle einen im wesentlichen den Quer­ schnitt eines Ellipsenabschnittes aufweisenden Reflektor zur Erzeugung einer im wesentlichen rechteckigen Strah­ lungszone mit einer Breite hat, die insbesondere kleiner als der Durchmesser des Halbleiterwafers hat, und eine Bewegungseinrichtung zur abtastenden Bewegung der Strah­ lungsquelle über den Halbleiterwafer vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine Gasstromerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines, insbesondere im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Halbleiterwafers und damit zur Fotolackschicht gerichte­ ten, Trockengasstromes.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch ein zwischen der Strahlungsquelle und der Oberfläche des Halbleiterwafers angeordnetes UV-Filter zur im wesentli­ chen vollständigen Ausfilterung von UV-Anteilen der elektromagnetischen Strahlung.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das UV-Filter eine mit einem UV-Absorber gefüllte oder beschichtete Glasplatte aufweist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch ein Filter zur Abschwächung von außerhalb des UV-Berei­ ches liegenden Anteilen der elektromagnetischen Strah­ lung der Strahlungsquelle.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17 oder 20, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, auf die Oberfläche des Halbleiterwa­ fers ausgerichteten UV-Strahler, insbesondere eine Quarzlampe.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch eine Bestrahlungssteuereinrichtung, die insbesondere ei­ ne Verschlußeinrichtung aufweist, zur Realisierung der kurzzeitigen Einwirkung der elektromagnetischen Strah­ lung auf die Fotolackschicht mit vorgegebenen, insbeson­ dere konstanten, Bestrahlungsparametern, speziell einer vorgegebenen spektralen Zusammensetzung und Leistungs­ dichte der Strahlung.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, gekennzeichnet durch mindestens eine Meßeinrichtung zur Erfassung mindestens einer physikalischen Größe der Fotolackschicht, insbe­ sondere deren Temperatur und/oder Feuchtegehalt und/oder Reflexionsvermögen und/oder Brechungsindex, gemessen und das Meßergebnis zur Steuerung der Bestrahlung ausgewer­ tet und genutzt wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungssteuereinrichtung mindestens einen Steu­ ereingang aufweist, über den sie mindestens mittelbar mit einer Meßeinrichtung verbunden ist und ein Meßsignal oder Auswertungsergebnis empfängt derart, daß aufgrund des Meßsignals oder Auswertungsergebnisses eine Einstel­ lung der Bestrahlungsparameter erfolgt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung zur Durchführung der Bestrahlung in einem geschlossenen Regelkreis.