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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Tiefe
von in einem Trägersubstrat
ausgebildeten Vertiefungen.
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Die
Elektronik wird heutzutage von mikroelektronischen Halbleiterbauelementen
mit integrierten Schaltkreisen dominiert. Diese integrierten Schaltkreise
bestehen aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen,
die in mehreren übereinander
angeordneten Ebenen auf einem als Chip bezeichneten Halbleiterträger miteinander
verschaltet sind. Die gemeinsame Herstellung von Chips auf einer
Halbleiterscheibe, im Folgenden als Halbleiterwafer bezeichnet,
ist gekennzeichnet durch eine komplizierte Abfolge unterschiedlicher
Prozessschritte.
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Hauptzielsetzung
der Halbleiterindustrie ist die stetige Leistungssteigerung durch
immer schnellere Schaltkreise bei gleichzeitig weiterer Verkleinerung
der elektronischen Strukturen. Im Zuge dieser Entwicklung ist man
dazu übergegangen,
verstärkt dreidimensionale
Strukturen bei der Fertigung der Chips auf den Halbleiterwafern
auszubilden, welche den Vorteil eines geringeren Platzbedarfs auf
den Oberflächen
der Halbleiterwafer aufweisen. Als Ausgangsstrukturen derartiger
dreidimensionaler Strukturen fungieren im allgemeinen in den Halbleiterwafern
ausgebildete Vertiefungen bzw. Gräben, welche in die Oberflächen der
Halbleiterwafer bzw. in auf die Oberflächen der Halbleiterwafer aufgebrachte Schichten
geätzt
werden.
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Die
Verkleinerung der elektronischen Strukturen ist verknüpft mit
steigenden Anforderungen an die Präzision der eingesetzten Herstellungsprozesse.
Gleichzeitig ist man auf exakte Kontrollverfahren zum Überwachen
der Herstellungsprozesse an gewiesen. Im Hinblick auf dreidimensionale
Strukturen kommt insbesondere der genauen Bestimmung der Tiefe von
in den Halbleiterwafern ausgebildeten Vertiefungen eine große Bedeutung
zu, da dieser Parameter einen wesentlichen Einfluss auf die Funktionalität der Chips
ausüben
kann.
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Zum
Bestimmen der Tiefe von in den Halbleiterwafern ausgebildeten Vertiefungen
werden gegenwärtig
vorzugsweise Atomkraftmikroskope eingesetzt, welche auf der Abtastung
der zu untersuchenden Oberfläche
mit einer Messspitze basieren. Über die
bei mechanischer Annäherung
der Spitze an die Oberfläche
auftretenden Wechselwirkungsprozesse (Van der Waalsche Bindungskräfte) lassen
sich so Oberflächeninformationen
gewinnen. Damit kann die Tiefe von Vertiefungen mit einer hohen
Genauigkeit von ungefähr
1 nm gemessen werden. Aufgrund der stetigen Verkleinerung der Strukturen
werden die zu vermessenden Vertiefungen jedoch immer enger, so dass
die Anforderungen an die Geometrie, die Stabilität und die Verschleißfestigkeit
der eingesetzten Messspitzen, wie auch an den Abtastvorgang ansteigen.
Dies gilt insbesondere bei Strukturen bzw. Vertiefungen mit einem
hohen Aspektverhältnis,
d. h. einem hohen Verhältnis
der Tiefe zu einer lateralen Abmessung. Die Tiefenbestimmung mit
Hilfe von Atomkraftmikroskopen wird dadurch immer kostspieliger und
aufwändiger.
Darüber
hinaus steigen die Messzeiten, wodurch der Durchsatz an messbaren
Halbleiterwafern sinkt.
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Alternativ
können
zur Bestimmung der Tiefe von Vertiefungen Rasterelektronenmikroskope
eingesetzt werden. Hierbei wird der zu untersuchende Halbleiterwafer
im Bereich der Vertiefungen gebrochen und eine rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme der Bruchkante angefertigt. Durch das erforderliche Brechen
des Halbleiterwafers gestaltet sich dieses Verfahren jedoch aufwändig und
langwierig. Des Weiteren wird der Halbleiterwafer durch das Brechen
zerstört,
wodurch das Verfahren sehr kostenintensiv ist und lediglich zur
Offline- Messung
von nur einem kleinen Teil der Halbleiterwafer geeignet ist.
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Zur
zerstörungsfreien
Bestimmung von Tiefen können
3D-Rasterelektronenmikroskope
eingesetzt werden, bei welchen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen
einer Oberfläche
unter mindestens zwei verschiedenen Kippwinkeln angefertigt werden.
Diese Aufnahmen werden anschließend
miteinander korreliert, um einen 3D-Datensatz zu berechnen. Aus
diesem Datensatz können
Querschnittsinformationen gewonnen werden und damit die Tiefe von
Vertiefungen bestimmt werden. Als großer Nachteil bei diesem Verfahren
erweisen sich die sehr langen Messzeiten. Darüber hinaus wird die Tiefenbestimmung
bei Vertiefungen mit steigendem Aspektverhältnis zunehmend ungenauer.
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Aus
der WO 02/03449 A2 ist ein Verfahren und eine Messvorrichtung zum
Bestimmen der Dicke von auf den Halbleiterwafern ausgebildeten Schichten
bekannt. Hierzu wird das Gewicht des Halbleiterwafers vor und nach
der Schichtabscheidung mit einer Wägeeinrichtung gemessen. Aus
der Differenz der aufgenommenen Gewichtswerte kann anschließend auf
die Schichtdicke oder auch die Dichte der Schicht geschlossen werden.
Auch ein großflächiger bzw.
strukturierter Schichtabtrag, beispielweise aufgrund eines Ätzprozesses,
kann mit Hilfe dieser Differenzwägemethode
erfasst werden. Nachteilig ist jedoch, dass zwei unabhängige Gewichtsmessungen, d.
h. vor und nach dem Abscheideprozess bzw. Ätzprozess durchgeführt werden.
Da sich sowohl Fehler aus diesen zwei unabhängigen Messungen überlagern
können
als auch ein Drift der Wägeeinrichtung zwischen
den beiden Messungen auftreten kann, ist die Genauigkeit des Messverfahrens
begrenzt. Zudem ist nur ein repräsentativer
Mittelwert für
den interessierenden Parameter wie die Schichtdicke bestimmbar,
welcher keine Aussage zu dessen örtlicher Verteilung
zulässt.
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Aus
der US 2003/0061890 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Tiefe
von in einem Trägersubstrat
ausgebildeten Vertiefungen bekannt, bei dem auf das Trägersubstrat
ein Benetzungsmittel aufgebracht, dieses dann abgeschleudert wird,
bis nur noch Benetzungsmittel in den Vertiefungen verbleibt und
anschließend
das Trägersubstrat
gewogen wird. Anschließend
wird dann das Benetzungsmittel durch Aufheizen wieder komplett aus
den Vertiefungen entfernt und das Substrat nochmals gewogen, um
aus der Gewichtsabnahme die Tiefe der Vertiefung bestimmen zu können.
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Aus
der US 5 625 170 ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem bei Trägersubstraten
die sich durch Verdunstung eines aufgebrachten Benetzungsmittels
ergebende Gewichtsabnahme bestimmt wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren bereit zu stellen, mittels dessen sich die Tiefe von in
einem Trägersubstrat
ausgebildeten Vertiefungen zerstörungsfrei, schnell
und mit einer hohen Genauigkeit bestimmen lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Bestimmen der Tiefe von in einem Trägersubstrat ausgebildeten
Vertiefungen vorgeschlagen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt
eine im Wesentlichen gleichmäßige Schicht
eines Benetzungsmittels auf einen Vertiefungen enthaltenden Bereich einer
Oberfläche
des Trägersubstrats
unter Auffüllung
der Vertiefungen aufgebracht wird, in einem zweiten Verfahrensschritt
ein zeitlicher Verlauf der Gewichtsabnahme des Trägersubstrats
während
der Verdunstung des Benetzungsmittels aufgenommen wird und in einem
dritten Verfahrensschritt der aufgenommene zeitliche Verlauf der
Gewichtsabnahme des Trägersubstrats
ausgewertet wird, um einen charakteristischen Gewichtswert des Trägersubstrats
in einem Zustand zu bestimmen, in welchem das Benetzungsmittel von
der Oberfläche
des Trägersubstrats
verdunstet ist und die Vertiefungen noch vollständig mit dem Benetzungsmittel
gefüllt
sind. Anschließend
wird in einem vierten Verfahrensschritt die Tiefe der Vertiefungen
aus dem charakteristischen Gewichtswert unter Berücksichtigung
des Eigengewichtswertes des Trägersubstrats
ohne Benetzungsmittel, der Dichte des Benetzungsmittels und der
von den Vertiefungen eingenommenen Gesamtfläche in dem Bereich der Oberfläche des
Trägersubstrats
bestimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
ein einfaches und schnelles Bestimmen der Tiefe von in einem Trägersubstrat
ausgebildeten Vertiefungen mit einer hohen Genauigkeit. Da das Verfahren
ohne ein Zerstören
des Trägersubstrats
auskommt, ist das Verfahren kostengünstig. Des weiteren lässt sich
das Verfahren problemlos zum Bestimmen der Tiefe von Vertiefungen
mit einem hohen Aspektverhältnis
einsetzen. Darüber
hinaus ist die Möglichkeit
gegeben, die Tiefe von Vertiefungen in einem lokal begrenzten Bereich
der Oberfläche
des Trägersubstrats
zu bestimmen, sofern lediglich dieser Bereich benetzt wird.
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Der
charakteristische Gewichtswert des Trägersubstrats, welcher einen
Zustand des Trägersubstrats
wiedergibt, in welchem das Benetzungsmittel von der Oberfläche des
Trägersubstrats
verdunstet ist, die Vertiefungen hingegen (noch) vollständig mit dem
Benetzungsmittel gefüllt
sind, stellt nur einen theoretischen Gewichtswert dar. Dieser Gewichtswert
wird ausschließlich
bei einem unter idealen Bedingungen verlaufenden Verdunstungsvorgang durchlaufen,
bei welchem die Oberfläche
stets vollkommen gleichmäßig benetzt
ist. Um den charakteristischen Gewichtswert aus einem unter realen
Gegebenheiten aufgenommenen zeitlichen Verlauf der Gewichtsabnahme
des Trägersubstrats
zu bestimmen, wird ausgenutzt, dass der charakteristische Gewichtswert
dem Schnittpunkt einer ersten durch einen ersten linearen Abschnitt
des aufgenommenen zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme bestimmten
Gerade mit einer zweiten durch einen zweiten linearen Abschnitt
des aufgenommenen zeitlichen Verlaufs bestimmten Gerade entspricht.
Hierbei entsprechen der erste lineare Abschnitt des aufgenommenen
zeitlichen Verlaufs einem Zustand des Trägersubstrats, in welchem das
Benetzungsmittel von dem gesamten Bereich der Oberfläche des
Trägersubstrats
verdunstet und der zweite lineare Abschnitt des aufgenommenen zeitlichen
Verlaufs einem Zustand des Trägersubstrats,
in welchem das Benetzungsmittel ausschließlich aus den Vertiefungen
verdunstet, aber noch keine der Vertiefungen vollständig entleert
ist.
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In
einer für
die Praxis relevanten Ausführungsform
wird das Benetzungsmittel als Tropfen mit einer vorgegebenen Größe auf der
Oberfläche
des Trägersubstrats
aufgebracht, um einem vorgegebenen kreisförmigen Benetzungsbereich auszubilden. Aus
der Anzahl der in dem vorgegebenen Benetzungsbereich befindlichen
Vertiefungen und der von einer Vertiefung eingenommenen Fläche in der
Oberfläche
des Trägersubstrats
kann auf die von den Vertiefungen eingenommene Gesamtfläche in dem
Benetzungsbereich geschlossen werden. Die Größe des Benetzungsbereichs kann
hierbei durch zusätzliches
Vermessen des Benetzungsbereichs mit einem bildgebenden Verfahren
genau erfasst werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Eigengewichtswert des Trägersubstrats vor oder nach
dem Aufnehmen des zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme des Trägersubstrats
beim Verdunsten des Benetzungsmittels bestimmt. Aufgrund des für beide
Alternativen zeitnahen Aufnehmens des Eigengewichtswertes und des zeitlichen
Verlaufs der Gewichtsabnahme wird das Verfahren sehr genau, da beispielsweise
Messfehler, welche von Drifts einer für die Gewichtsmessungen herangezogenen
Wägeeinrichtung
herrühren
können,
vermieden werden.
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Bevorzugt
ist es weiterhin, das Trägersubstrat
auf einen vorgegebenen Temperaturwert zu bringen, um eine vorgegebene
Verdunstungsrate des Benetzungsmittels hervorzurufen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die Oberfläche
des Trägersubstrats
vor dem Aufbringen des Benetzungsmittels gereinigt und getrocknet,
um eine vollständige
und blasenfreie Benetzung auf der Oberfläche des Trägersubstrats und in den Vertiefungen
zu erreichen. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Verfahrens
weiter begünstigt.
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Eine
vollständige
und blasenfreie Benetzung auf der Oberfläche des Trägersubstrats und in den Vertiefungen
kann gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
auch dadurch erreicht werden, dass ein Benetzungsmittel eingesetzt
wird, welches eine definierte Viskosität und Affinität aufweist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bestim men der Tiefe von in einem Halbleiterwafer ausgebildeten Vertiefungen;
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2 bis 4 schematische
Schnittdarstellungen eines Halbleiterwafers mit in der Oberseite
ausgebildeten Vertiefungen beim Verdunstungsvorgang eines auf dem
Halbleiterwafer aufgebrachten Benetzungsmittels;
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5 eine
schematische Darstellung eines aufgenommenen zeitlichen Verlaufs
der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers während der Verdunstung des Benetzungsmittels;
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer Messvorrichtung von oben;
und
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7 bis 14 schematische
Darstellungen der Messvorrichtung bei einem Prozessablauf einer
Wägung.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bestimmen der Tiefe von in einem Halbleiterwafer ausgebildeten Vertiefungen.
Hierbei werden in einem ersten Verfahrensschritt 31 ein
Eigengewichtswert des Halbleiterwafers bestimmt, danach in einem Verfahrensschritt 32 eine
im Wesentlichen gleichmäßige Schicht
eines Benetzungsmittels auf einen Vertiefungen enthaltenden Bereich
einer Oberfläche
des Halbleiterwafers unter Auffüllung
der Vertiefungen aufgebracht und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 33 ein
zeitlicher Verlauf der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers während der
Verdunstung des Benetzungsmittels aufgenommen. Anschließend wird
in einem Verfahrensschritt 34 der aufgenommene zeitliche
Verlauf der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers ausgewertet, um
einen charakteristischen Gewichtswert des Halbleiterwafers zu bestimmen.
Dieser charakteristische Gewichtswert des Halbleiterwafers entspricht
einem Zustand, in welchem das Benetzungsmittel von der Oberfläche des Halbleiterwafers
verdunstet ist und die Vertiefungen (noch) vollständig mit
dem Benetzungsmittel gefüllt sind.
Aus dem charakteristischen Gewichtswert, dem Eigengewichtswert des
Halbleiterwafers ohne Benetzungsmittel, der Dichte des Benetzungsmittels
und einer von den Vertiefungen eingenommenen Gesamtfläche in dem
Bereich der Oberfläche
des Halbleiterwafers wird nachfolgend in einem Verfahrensschritt 35 die
Tiefe der Vertiefungen bestimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die 2 bis 4 zeigen
schematische Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Halbleiterwafers 1 mit in
der Oberseite ausgebildeten Vertiefungen 2 beim Verdunstungsvorgang
eines auf dem Halbleiterwafer 1 aufgebrachten Benetzungsmittels 3.
Die Vertiefungen 2, welche beispielsweise in die Oberseite
des Halbleiterwafers 1 geätzte Gräben für Grabenkondensatoren eines
DRAM-Speicherchips darstellen, weisen eine Tiefe R auf, welche mit
Hilfe des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens
schnell und mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
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2 zeigt
den Halbleiterwafer 1 zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach
Aufbringen des Benetzungsmittels 3 auf den dargestellten
Vertiefungen 2 enthaltenden Bereich der Oberfläche des
Halbleiterwafers 1. Das Benetzungsmittel 3 wird
hierbei bevorzugt als Tropfen mit einer vorgegebenen Größe auf der
Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 aufgebracht, um einen vorgegebenen
kreisförmigen
Benetzungsbereich auszubilden. Zum Aufbringen des Benetzungsmittels
wird beispielsweise eine Dosierdüse eingesetzt.
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Wie
in 2 dargestellt, ist die Oberfläche des Halbleiterwafers 1 in
dem zu untersuchenden Bereich mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen und
geschlossenen Schicht bzw, einem Film des Benetzungsmittels 3 belegt.
Die Verdunstung des Benetzungsmittels 3 erfolgt von der
gesamten benetzten Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 mit einer konstanten Verdunstungsrate.
Infolgedessen nimmt die Dicke der aus dem Benetzungsmittel 3 gebildeten Schicht
und damit auch das Gewicht des Halbleiterwafers 1 zeitproportional
bzw. linear ab. Dieser Zeitabschnitt der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 wird
im Folgenden als Phase I bezeichnet.
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Mit
fortschreitender Verdunstung wird die aus dem Benetzungsmittel 3 gebildete
Schicht immer dünner.
Da diese Schicht den Halbleiterwafer 1 unter realen Gegebenheiten
nie exakt gleichmäßig bedeckt,
werden wie in 3 dargestellt hierbei einzelne
Teilbereiche des Halbleiterwafers 1 von dem Benetzungsmittel 3 freigelegt.
Damit beginnt der im Folgenden als Phase II bezeichnete Zeitabschnitt,
bei welchem zunehmend planare Teilbereiche der Oberfläche des
Halbleiterwafers 1 freigelegt werden. Zur Gewichtsabnahme
des Halbleiterwafers 1 tragen die freigelegten Teilbereiche
nur noch durch Verdunstung aus den in diesen Teilbereichen liegenden
Vertiefungen 2 bei. Gegenüber Phase I findet in Phase
II also eine Verlangsamung der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 statt,
bis die gesamte Oberfläche des
Halbleiterwafers 1 frei liegt und die Verdunstung des Benetzungsmittels 3 nur
noch aus den Vertiefungen 2 erfolgt.
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Dieser
Zeitpunkt, der den Beginn des im Folgenden als Phase III bezeichneten
Abschnitts der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 markiert, ist
in 4 dargestellt. Die Phase III ist wiederum gekennzeichnet
durch eine konstante Verdunstungsrate des Benetzungsmittels 3 und
somit eine zeitproportionale Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1. Gegenüber Phase
I erfolgt die lineare Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 in
Phase III jedoch mit einer kleineren Zeitkonstante, da die Verdunstung des
Benetzungsmittels 3 lediglich aus den Vertiefungen 2 erfolgt.
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Die
Phase III des Zeitverlaufs dauert solange an, bis einzelne Vertiefungen 2 vollständig entleert sind.
In dem damit beginnenden als Phase IV bezeichneten Zeitabschnitt
steigt die Anzahl der vollständig
entleerten Vertiefungen 2, wodurch die Gewichtsabnahme
des Halbleiterwafers 1 stetig langsamer wird. Sobald das
Benetzungsmittel 3 aus der letzten Vertiefung 2 verdunstet
ist, weist der Halbleiterwafer 1 wieder seinen Eigengewichtswert
auf.
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Um
eine bevorzugte möglichst
vollständige und
blasenfreie Benetzung auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 1 und
in den Vertiefungen 2 zu erreichen, ist es günstig, zur
Durchführung
des Verfahrens ein Benetzungsmittel 3 mit einer definierten, eine
vollständige
und blasenfreie Benetzung bewirkenden Viskosität und Affinität einzusetzen.
Zusätzlich
ist es möglich,
die Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 vor dem Aufbringen des Benetzungsmittels 3 bzw.
vor dem Bestimmen des Eigengewichtswertes des Halbleiterwafers 1 zu
reinigen und zu trocknen.
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Vorzugsweise
wird ein chemisch inertes Benetzungsmittel 3 verwendet,
um chemische Reaktionen zwischen dem Benetzungsmittel 3 und
dem Halbleiterwafer 1 zu vermeiden. Im Hinblick auf die Halbleiterfertigung
bzw. auf weitere Verfahrensschritte, die an dem mit Vertiefungen 2 versehenen
Halbleiterwafer 1 durchgeführt werden, ist es ferner von Vorteil,
ein Benetzungsmittel 3 mit einer hohen Reinheit und Prozesskompatibilität zu verwenden.
Die Reinheit bzw. Prozesskompatibilität des Benetzungsmittels 3 kann
insbesondere durch Verwendung einer bereits in der Halbleiterfertigung
eingeführten
und eingesetzten Substanz entsprechender Reinheit sichergestellt
werden. In Betracht kommen beispielsweise Verdünner von Fotolacken oder Alkohol.
Optional kann die Prozesskompatibilität auch durch zusätzliche
Reinigung des Halbleiterwafers 1 nach Aufnehmen des zeitlichen
Verlaufs der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 unterstützt werden.
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Des
Weiteren kann ein explosionssicheres, gesundheitlich unbedenkliches
Benetzungsmittel 3 eingesetz werden. Das Benetzungsmittel 3 weist
insbesondere eine für
das Aufnehmen des zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 günstige Verdunstungsrate
auf.
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Eine
derartig vorgegebene Verdunstungsrate des Benetzungsmittels 13 lässt sich
auch dadurch erzielen, dass der Halbleiterwafer 1 auf einen
vorgegebenen Temperaturwert gebracht wird. Dieser Temperaturwert
liegt vorzugsweise im Raumtemperaturbereich.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines aufgenommenen zeitlichen Verlaufs 4 der
Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers während der Verdunstung des Benetzungsmittels.
Deutlich zu erkennen sind die anhand der vorhergehenden 2 bis 4 erläuterten
unterschiedlichen Phasen in dem zeitlichen Verlauf 4. In
Phase I, in welcher das Benetzungsmittel von dem gesamten Bereich
der Oberfläche
des Halbleiterwafers verdunstet, nimmt das Gewicht des Halbleiterwafers
linear ab. In Phase II verlangsamt sich die Gewichtsabnahme, da
mehr und mehr Teilbereiche der Oberfläche durch die Verdunstung des
Benetzungsmittels freigelegt werden. In Phase III, in welcher das
Benetzungsmittel ausschließlich
aus den Vertiefungen verdunstet, verläuft die Gewichtsabnahme wieder
linear, allerdings mit einer gegenüber Phase I verkleinerten Zeitkonstante. Die
nachfolgende Phase IV, in welcher die Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers
stetig langsamer wird, bis der Halbleiterwafer seinen Eigengewichtswert
erreicht hat, ist in dem zeitlichen Verlauf 4 von 5 nicht
mehr dargestellt.
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Der
gesuchte charakteristische Gewichtswert entspricht einem (theoretischen)
Zustand des Halbleiterwafers, in welchem das Benetzungsmittel von
der Oberfläche
des Halbleiterwafers verdunstet ist und alle Vertiefungen vollständig mit
dem Benetzungsmittel gefüllt
sind. Dieser Gewichtswert wird ausschließlich bei einem unter idealen
Bedingungen verlaufenden Verdunstungsvorgang durchlaufen, bei welchem
die Oberfläche
stets vollkommen gleichmäßig benetzt
ist und tritt daher nicht explizit in dem aufgenommenen zeitlichen
Verlauf 4 auf.
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Der
charakteristische Gewichtswert wird infolgedessen anhand eines an
den aufgenommenen Verlauf 4 angenäherten theoretischen Verlaufs
bestimmt, welcher den idealen Verdunstungsvorgang wiedergibt. Bei
dem idealen Verdunstungsvorgang geht die Phase I nahtlos in die
Phase III über
und es tritt keine Phase II auf. Der auf dem idealen Verdunstungsvorgang
basierende theoretische Verlauf lässt sich demzufolge mit Hilfe
zweier Geraden 5, 6 wiedergeben, welche jeweils
an die linearen Abschnitte des zeitlichen Verlaufs 4 in
den Phasen I und III angenährt
werden. Der Schnittpunkt 7 dieser Geraden 5, 6 entspricht
dann dem gesuchten charakteristischen Gewichtswert des Halbleiterwafers
in dem (theoretischen) Zustand, in welchem das Benetzungsmittel
von der Oberfläche
des Halbleiterwafers verdunstet ist und alle Vertiefungen noch vollständig mit
dem Benetzungsmittel gefüllt
sind.
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Aus
dem auf diese Weise gewonnenen charakteristischen Gewichtswert des
Halbleiterwafers, dessen Eigengewichtswert ohne Benetzungsmittel, der
Dichte des Benetzungsmittels und der von den Vertiefungen eingenommenen
Gesamtfläche
in dem Bereich der Oberfläche
des Halbleiterwafers kann anschließend die Tiefe der Vertiefungen
bestimmt werden. Die genannten Parameter hängen mit der Tiefe R gemäß
zusammen, wobei Δm der Differenz
zwischen dem charakteristischen Gewichtswert und dem Eigengewichtswert
des Halbleiterwafers und damit dem Gewicht des Benetzungsmittels
in den vollständig
gefüllten
Vertiefungen, D
N der Dichte des Benetzungsmittels
und A der von den Vertiefungen eingenommenen Gesamtfläche entspricht.
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Um
die von den Vertiefungen eingenommene Gesamtfläche genau zu bestimmen, wird
bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren der
Benetzungsbereich nach dem Aufbringen des Benetzungsmittels vermessen.
Hierzu wird ein bildgebendes Verfahren bzw. eine Bildaufnahmeeinrichtung
eingesetzt. Aus der Anzahl der in dem vorgegebenen Benetzungsbereich
befindlichen Vertiefungen und der von einer einzelnen Vertiefung
eingenommenen bekannten Fläche
in der Oberfläche
des Halbleiterwafers kann auf die von den Vertiefungen eingenommene
Gesamtfläche
in dem Benetzungsbereich geschlossen werden.
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Darüber hinaus
kann es günstig
sein, den benetzten Bereich der Oberfläche des Halbleiterwafers während des
gesamten Verdunstungsvorgangs zu beobachten bzw. zu vermessen. Auf
diese Weise kann die Benetzung der Oberfläche des Halbleiterwafers in
den unterschiedlichen Phasen des Verdunstungsvorgangs kontrolliert
werden.
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Daneben
besteht die Möglichkeit,
die Konzentration des verdunsteten Benetzungsmittels während des
Verdunstungsvorgangs mit entsprechenden Sensoreinrichtungen zu erfassen.
Auf diese Weise kann der Verdunstungsvorgang überwacht und die unterschiedlichen
Phasen bewertet werden.
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Da
das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren ohne ein Zerstören des
Halbleiterwafers auskommt, ist das Verfahren insbesondere zur Inline-Messung
der Tiefe von in Produktwafern ausgebildeten Vertiefungen geeignet.
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Weiterhin
ist besonders vorteilhaft, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Tiefe von Vertiefungen in einem kleinen, lokal begrenzten Bereich
der Oberfläche
des Halbleiterwafers bestimmt werden kann. Hierfür muss lediglich dieser Bereich
benetzt werden. Die Mindestgröße eines
solchen lokal begrenzten Benetzungsbereichs wird dabei durch die
Messgenauigkeit der für
das Aufnehmen der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers herangezogenen
Wägeeinrichtung
vorgegeben. Durch mehrmaliges Durchführen des Verfahrens an mehreren
lokal begrenzten Bereichen ist die Möglichkeit gegeben, eine örtliche
Verteilung der Tiefe zu erfassen.
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Anstelle
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
das Benetzungsmittel lediglich auf einen Teilbereich der Oberfläche des
Halbleiterwafers aufzubringen, ist es auch möglich, das Benetzungsmittel auf
der gesamten Vertiefungen enthaltenden Oberfläche des Halbleiterwafers, vorzugsweise
unter Ausschluss des Waferrandes, aufzubringen. Auf diese Weise
kann ein Mittelwert der Tiefe der gesamten in dem Halbleiterwafer
ausgebildeten Vertiefungen gewonnen werden.
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Eine
Mittelwertbestimmung der Tiefe wird alternativ auch durch die Kombination
mehrerer vorgegebener, auf der Oberfläche des Halbleiterwafers ausgebildeter
Benetzungsbereiche ermöglicht,
welche gegebenenfalls voneinander getrennt sind. Die einzelnen Bereiche
können
hierbei nacheinander mit einer einzelnen Dosierdüse oder auch gleichzeitig mit
mehreren Dosierdüsen
benetzt werden. Für
den Fall nacheinander ausgebildeter Benetzungsbereiche sollten die
einzelnen Bereiche während
der hierfür
benötigten
Zeitdauer jedoch keinen wesentlichen Unterschied an verdunstetem
Benetzungsmittel aufweisen.
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Optional
kann die Oberfläche
des Halbleiterwafers außerhalb
des zu messenden Bereichs mit den Vertiefungen bzw. der zu messenden
Bereiche mit einer Maskierungsschicht bedeckt werden. Hierfür ist erforderlich,
dass das Benetzungsmittel die Maskierungsschicht nicht anlöst. Zudem
sollte der der Maskierung zugrundeliegende Maskierungsprozess keine
Restbestandteile in den freiliegenden Vertiefungen hinterlassen.
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Anstatt
bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren
den Eigengewichtswert des Halbleiterwafers vor dem Aufnehmen des
zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme bzw. vor dem Aufbringen
des Benetzungsmittels zu bestimmen, be steht alternativ die Möglichkeit,
den Eigengewichtswert nach dem Aufnehmen des zeitlichen Verlaufs
zu bestimmen. Für
beide Alternativen erfolgt das Aufnehmen des Eigengewichtswertes
und des zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme relativ zeitnah.
Auf diese Weise wird das Bestimmen der Tiefe sehr genau, da Messfehler,
welche von Drifts der für die
Gewichtsmessungen eingesetzten Wägeeinrichtung
herrühren
können,
vermieden werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht nur zum Bestimmen der Tiefe von Vertiefungen geeignet,
welche entsprechend den in den 2 bis 4 dargestellten
Vertiefungen 2 ausschließlich vertikale Seitenwände aufweisen.
Das Verfahren kann auch zum Bestimmen der Tiefe von Vertiefungen
herangezogen werden, deren Seitenwände in Teilbereichen anders
geformt sind und beispielsweise schräg verlaufen oder auch Ausnehmungen
bzw. Einbuchtungen aufweisen. Die Anwendung des Verfahrens setzt
jedoch voraus, dass die Länge
bzw. Tiefe eines aus vertikalen Seitenwänden gebildeten Teilbereichs
einer Vertiefung den größten Anteil
der Gesamttiefe der Vertiefung ausmacht, damit der aufgenommene
zeitliche Verlauf der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers in Phase
III des Verdunstungsvorgangs einen für die Bestimmung des charakteristischen
Gewichtswertes erforderlichen deutlich ausgeprägten linearen Abschnitt aufweist.
Des weiteren ist bei derartigen Vertiefungen für die Bestimmung bzw. Berechnung
der Gesamttiefe diejenige Gesamtfläche heranzuziehen, welche sich
aus den von diesen vertikalen Seitenwänden umschlossenen Flächen der
Vertiefungen zusammensetzt. Für
die Anwendung des Verfahrens bei solchen Vertiefungen ist gegebenenfalls
zusätzlich
eine Kalibrierung mit Hilfe anderer Verfahren wie beispielsweise
des Aufbrechens des Halbleiterwafers und Vermessens der Bruchkante
mit einem Rasterelektronenmikroskop erforderlich.
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Eine
entsprechende Kalibrierung mittels bildgebender Verfahren ist unter
Umständen
auch für den
Fall von fertigungsbedingten Abweichungen der Vertiefungen erforderlich.
Als Ab weichungen können beispielsweise
Unregelmäßigkeiten
in den im wesentlichen vertikalen Seitenwänden oder auch Schwankungen
der von den Vertiefungen in der Oberfläche des Halbleiterwafers eingenommenen Flächen auftreten.
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6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer Messvorrichtung 10 von
oben, mittels derer das in 1 dargestellte
erfindungsgemäße Verfahren
zum Bestimmen der Tiefe von in dem Halbleiterwafer 1 ausgebildeten
Vertiefungen durchgeführt
werden kann. Die Messvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 13 mit
einer Wägeeinrichtung
auf, von der in 6 lediglich drei auf einem Lochkreis
angeordnete Auflagestifte 20 zum Halten des Halbleiterwafers 1 abgebildet
sind. Die Wägeeinrichtung,
mittels derer der zeitliche Verlauf der Gewichtsabnahme des Halbleiterwafers 1 während des
Verdunstungsvorgangs aufgenommen und der Eigengewichtswert des Halbleiterwafers 1 bestimmt
wird, ist vorzugsweise als Komparatorwaage ausgebildet. Optional
ist der Einsatz einer Präzisionswaage
vorstellbar.
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Mit
Hilfe eines Roboterarms 12 wird der Halbleiterwafer 1,
welcher vor der Wägung
zur Grobpositionierung in einer Halterung 11 gehalten wird, durch
eine an dem Gehäuse 13 angeordnete
Schleuse 14 in das Gehäuse 13 eingeführt. Auch
der Roboterarm 12 weist zum Halten des Halbleiterwafers 1 drei
auf einem Lochkreis angeordnete Auflagestifte 22 auf.
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In
dem Gehäuse 13 ist
weiter eine Positioniereinrichtung 15 angeordnet, mit deren
Hilfe der Halbleiterwafer 1 vor dem Ablegen des Halbleiterwafers 1 auf
den Auflagestiften 20 der Wägeeinrichtung genau positioniert
werden kann. Die Positioniereinrichtung 15 weist drei auf
einem Lochkreis angeordnete und in der Höhe verstellbare Auflagestifte 25 auf,
auf welchen der Halbleiterwafer 1 abgelegt werden kann.
Mit Hilfe der Positioniereinrichtung 15 und der Auflagestifte 25 kann
der Halbleiterwafer 1 sehr präzise innerhalb des Gehäuses 13 in
der XY-Ebene orientiert als auch sehr genau um einen Winkel gedreht
werden.
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Die
Messvorrichtung 10 weist weiter eine in dem Gehäuse 13 angeordnete
Dosiereinrichtung 18 mit einer Dosierdüse 28 auf, um das
Benetzungsmittels als Tropfen mit einer vorgegebenen Größe auf der
Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 aufzubringen. Um die Dosierdüse 28 auf
der Oberfläche
des Halbleiterwafers zu positionieren, weist die Dosiereinrichtung 18 eine
als Roboterarm 19 ausgebildete Positioniereinrichtung auf.
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In
dem Gehäuse 13 ist
ferner eine Bildaufnahmeeinrichtung 16 vorgesehen, um die
Positionierung des Halbleiterwafers 1 auf den Auflagestiften 20 der
Wägeeinrichtung
und der Dosierdüse 28 auf
der Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 zu steuern. Darüber hinaus kann mit der Bildaufnahmeeinrichtung 16 der
Bereich der mit dem Benetzungsmittel bedeckten Oberfläche des
Halbleiterwafers 1 nach Aufbringen des Benetzungsmittels,
aber auch während
des Verdunstungsvorgangs zu dessen Kontrolle, vermessen werden.
Hierzu ist die spektrale Empfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung 16 auf
einen hohen Kontrast zwischen benetzter und unbenetzte Oberfläche ausgelegt.
Die Bildaufnahmeeinrichtung 16 ist beispielsweise als CCD-Kamera
ausgebildet.
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In
dem Gehäuse 13 ist
weiter eine Temperaturstabilisierungseinrichtung 17 mit
einer in der Höhe verstellbaren
Temperaturtransferplatte 27 vorgesehen, um den Halbleiterwafer 1 vor
der Wägung
auf einen vorgegebenen Temperaturwert zu bringen. Auf diese Weise
wird eine vorgegebene Verdunstungsrate des Benetzungsmittels hervorgerufen.
Die Transferplatte 27 ist mit mehreren Aussparungen versehen,
durch welche die Auflagestifte 20 der Wägeeinrichtung und die Auflagestifte 25 der
Positioniereinrichtung 15 geführt werden können.
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Die
Messvorrichtung 10 weist weiter eine in 6 nicht
dargestellt Auswerteeinrichtung auf. Mit Hilfe der Auswerte einrichtung
wird der aufgenommene zeitliche Verlauf der Gewichtsabnahme des
Halbleiterwafers 1 während
der Verdunstung des Benetzungsmittels ausgewertet, um den charakteristischen Gewichtswert
des Halbleiterwafers 1 zu bestimmen. Auch wird die Auswerteeinrichtung
zum Bestimmen der Tiefe der Vertiefungen aus dem charakteristischen
Gewichtswert, dem Eigengewichtswert des Halbleiterwafers 1,
der Dichte des Benetzungsmittels und der von den Vertiefungen eingenommenen
Gesamtfläche
in dem benetzten Bereich der Oberfläche des Halbleiterwafers 1 eingesetzt.
Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise als PC mit einem entsprechenden
Auswerteprogramm ausgebildet sein.
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Darüber hinaus
kann die Messvorrichtung 10 mit einer in 6 nicht
dargestellten Sensoreinrichtung zum Erfassen der Konzentration des
verdunsteten Benetzungsmittels versehen werden, welche in dem Gehäuse 13 angeordnet
wird. Auch auf diese Weise kann der Verdunstungsvorgang kontrolliert werden.
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Zudem
ist es günstig,
weitere Regeleinrichtungen vorzusehen, um mechanische Schwingungen,
den Druck und die Feuchtigkeit während
der Wägung
des Halbleiterwafers 1 zu erfassen und zu stabilisieren.
Daneben kann die Messvorrichtung 10 mit einer Entladungseinrichtung
zum Abbauen von statischen Aufladungen des Halbleiterwafers 1 versehen
werden.
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Zur
Erläuterung
des Prozessablaufs einer Wägung
des Halbleiterwafers 1 zeigen die 7 bis 14 schematische
Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Zur übersichtlicheren
Darstellung sind unterschiedliche Niveauhöhen innerhalb des Gehäuses der
Messvorrichtung durch entsprechende Linien für ein oberes Niveau O, ein mittleres
Niveau M und ein unteres Niveau U gekennzeichnet.
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Nach
Entnehmen des Halbleiterwafers 1 aus der Halterung wird
der Halbleiterwafer 1 mit Hilfe des Roboterarms 12 wie
in 7 dargestellt in das Gehäuse der Messvorrichtung einge bracht.
Anschließend
werden die innerhalb der Aussparungen der Transferplatte 27 angeordneten
Auflagestifte 25 auf das obere Niveau O angehoben, so dass
der Halbleiterwafer 1 wie 8 zeigt
auf den Auflagestiften 25 aufliegt. Der Roboterarm 12 wird
nachfolgend wieder aus dem Gehäuse
ausgefahren und mittels der Auflagestifte 25 und unter
Nutzung der Bildaufnahmeeinrichtung wird der Halbleiterwafer 1 präzise positioniert.
Die Aussparungen der Transferplatte 27 sind hierzu entsprechend
dimensioniert, um ein berührungsfreies
Bewegen der Auflagestifte 25 innerhalb der Aussparungen
zu ermöglichen.
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Nachfolgend
wird der Halbleiterwafer 1 wie in 9 dargestellt
durch Anheben der Transferplatte 27 auf das obere Niveau
O auf der Transferplatte 27 abgelegt. Gleichzeitig werden
die Auflagestifte 25 der Positioniereinrichtung wieder
auf das untere Niveau U abgesenkt. Mit Hilfe der Transferplatte 27 wird
der Halbleiterwafer 1 auf den vorgegebenen Temperaturwert
gebracht. Nachdem der Halbleiterwafer den vorgegebenen Temperaturwert
erreicht hat, wird die Transferplatte 27 wieder auf das
untere Niveau U abgesenkt, so dass der Halbleiterwafer 1 wie
in 10 dargestellt auf den Auflagestiften 20 der
Wägeeinrichtung
zu liegen kommt. Auch für
die Auflagestifte 20 sind entsprechend dimensionierte Aussparungen in
der Transferplatte 27 ausgebildet. Nach einer Stabilisierung
der Wägeeinrichtung
erfolgt die Messung des Eigengewichtswertes des benetzungsmittelfreien
Halbleiterwafers 1.
-
Anschließend wird
die Transferplatte 27 und damit auch der Halbleiterwafer 1 wie
in 11 dargestellt wieder auf das obere Niveau angehoben. Über die
Dosierdüse 28 der
Dosiereinrichtung, welche mit Hilfe der Bildaufnahmeeinrichtung
positioniert wird, wird nachfolgend ein vorgegebener Tropfen des
Benetzungsmittels 3 auf einen vorgegebenen Bereich der
Oberfläche
des Halbleiterwafers 1 aufgebracht. Danach wird der Halbleiterwafer 1 wie
in 12 dargestellt erneut durch Absenken der Transferplatte 27 auf
den Auflagestiften 20 der Wägeeinrichtung abgelegt. Nach
Stabilisierung der Wägeeinrichtung
erfolgt die Messung des Gewichtsverlaufs des Halbleiterwafers 1 während der
Verdunstung des Benetzungsmittels. Zeitgleich wird über die
Bildaufnahmeeinrichtung der Benetzungsbereich auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 1 vermessen
sowie gegebenenfalls die Konzentration des verdunsteten Benetzungsmittels
mit der entsprechenden Sensoreinrichtung gemessen.
-
Nach
Aufnehmen des zeitlichen Verlaufs der Gewichtsabnahme werden der
Halbleiterwafer 1 wie in 13 dargestellt
durch Anheben der Auflagestifte 25 der Positioniereinrichtung
auf das obere Niveau O angehoben und der Roboterarm 12 wie
in 14 dargestellt in das Gehäuse der Messvorrichtung eingeführt, um
den Halbleiterwafer 1 wieder aus dem Gehäuse zu entnehmen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht nur zum Bestimmen der Tiefe von in einem Halbleiterwafer
ausgebildeten Vertiefungen geeignet. Möglich ist es auch, das Verfahren
zum Bestimmen der Tiefe von in anderen Trägersubstraten ausgebildeten Vertiefungen
heranzuziehen.
-
- 1
- Halbleiterwafer
- 2
- Vertiefung
- 3
- Benetzungsmittel
- 4
- Zeitlicher
Verlauf der Gewichtsabnahme
- 5,
6
- Angenäherte Gerade
- 7
- Schnittpunkt
- 10
- Messvorrichtung
- 11
- Halterung
- 12
- Roboterarm
- 13
- Gehäuse
- 14
- Schleuse
- 15
- Positioniereinrichtung
- 16
- Bildaufnahmeeinrichtung
- 17
- Temperaturstabilisierungseinrichtung
- 18
- Dosiereinrichtung
- 19
- Roboterarm
- 20,
22, 25
- Auflagestift
- 27
- Transferplatte
- 28
- Dosierdüse
- 31,
32, 33
- Verfahrensschritte
- 34,
35
- Verfahrensschritte
- R
- Grabentiefe
- O
- Oberes
Niveau
- M
- Mittleres
Niveau
- U
- Unteres
Niveau
