DE102006060302B3 - Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen Download PDF

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Abstract

Anordnung und Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2) die in einer Trockenkammer (1) platziert sind, die eine Trocknergaseinheit (3) nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt, wobei die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) nach Art eines NDIR-Messgerätes ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, welche auf Wafern als Trägereinheiten angeordnet und in einer Trockenkammer platziert sind, die eine Trocknergaseinheit nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Analysetechnik, genauer im Zusammenhang mit der Steuerung und Überwachung von Trocknungsprozessen bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen durch Messung der Lösemittelkonzentration. Da üblicherweise Isopropylalkohol (IPA) als Lösemittel im Zusammenhang mit der Trocknung von Wafern eingesetzt wird, wird dieser Typ von Anlagen auch als IPA-Trockner bezeichnet.
  • Nach dem allgemein bekannten Stand der Technik muss bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen vor der Prozessierung des Wafers dessen Oberfläche von Wasserspuren befreit werden, welche aufgrund vorangegangener Fertigungsschritte hieran anhaften. Dies erfolgt dadurch, dass üblicherweise Isopropylalkohol in gasförmiger Form zusammen mit Stickstoff in eine Trockenkammer eingebracht wird. Der Isopropylalkohol kondensiert an der Oberfläche des Wafers und bindet dabei hieran anhaftendes Wasser. Der Trocknungsprozess erfolgt in einem zweistufigen Verfahren, wobei im ersten Schritt die Trockenkammer solange mit dem gasförmigen Lösemittel geflutet wird, bis eine stabile Konzentration in der Gasphase erreicht wird. Dies wird durch eine Gaskonzentrationsmesseinheit überwacht. Nach erfolgter Trocknung der Oberfläche des Wafers wird in einem zweiten Schritt die Trockenkammer solange mit gasförmigem Stickstoff gespült, bis die Konzentration des Lösemittels unter einen vorgebbaren Wert gefallen ist. Um den Trocknungsprozess zu beschleunigen, wird teilweise auch mit Unterdruck gearbeitet. Die Überwachung der Lösemittelkonzentration und damit der Spülzeiten erfolgt üblicherweise mit Pellistoren oder unter Zuhilfenahme von Wärmleitfähigkeitssensoren.
  • Nachteilig bei der bekannten Lösung ist jedoch, dass hinsichtlich Nachweisgrenze, Reproduzierbarkeit und einsetzbarem Druckbereich keine optimalen Ergebnisse erreicht werden. Insbesondere auch bei Drücken kleiner 1 bar ist die Nachweisgrenze der bekannten Messtechnik nicht ausreichend, um ein sicheres Ende der jeweiligen Spülschritte zu detektieren. Deshalb werden meistens zu lange Spülzeiten gewählt um sicherzustellen, das der Prozess abgeschlossen ist. Dies führt jedoch dazu, dass sich einerseits die Prozessdauer verlängert, was den wirksamen Durchsatz durch den Trocknungsprozess reduziert; andererseits wird recht viel Lösemittel sowie Stickstoff verbraucht. Des Weiteren ist für die Kalibrierung der Messtechnik ein geeignetes Prüfgas notwendig, was den Wartungsaufwand entsprechend erhöht.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen zu schaffen, welche/welches sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnet, sich einfach kalibrieren lässt und die Verbrauchsmengen an Lösemittel und Stickstoff minimal hält.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
  • Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Die jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Gaskonzentrationsmesseinheit nach Art eines NDIR-Messgeräts ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels, ausgewählt aus der Gruppe der Alkohole, zum Trocknen der Wafer überwacht.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass mit dem hier verwirklichten NDIR-Messverfahren (NichtDispersives InfraRotlicht) sich die Gaskonzentration mit einer wesentlich höheren Genauigkeit nachweisen lässt. Die Nachweisgrenze ist in etwa um einen Faktor 100 besser im Vergleich zu den eingangs vorgestellten Messverfahren des Standes der Technik.
  • So haben Wärmeleitfähigkeitssensoren für diesen Einsatzzweck üblicherweise eine Nachweisgrenze größer 100ppm. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich damit das Ende des Spül- und Trocknungsprozesses wesentlich genauer bestimmen. Dies führt letztlich zu einer Reduzierung der Durchlaufzeiten und damit zu einer Reduzierung des benötigten gasförmigen Lösungsmittels sowie des Stickstoffs.
  • Basis für die Verwendung eines NDIR-Messverfahrens ist der Einsatz eines Ersatzgases anstelle von Isopropylakohol. Der Detektor und die Kalibrierküvette des NDIR Messgerätes werden mit dem Ersatzgas gefüllt, das im vorliegenden Temperaturbereich immer gasförmig ist und ein ähnliches Absorptionsverhalten wie Isopropylalkohol hat. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise Propan als gasförmiges Ersatzgas verwendet. Propan gehört bekanntlich der Gruppe der Alkane an und weist ein ähnliches Absorptionsverhalten auf, wie das zu messende Gas. Propan ist kommerziell auch als Prüfgas erhältlich. Ein weiterer für Propan sprechender Vorteil ist, dass dieses im Temperaturbereich von –30°C bis +80°C auf jeden Fall gasförmig ist, wogegen die eigentlich verwendetet Messkomponente Isoprophylalkohol, je nach Konzentration in diesem Temperaturbereich flüssig sein kann. Damit ist Isopropylalkohol nicht als Füllgas für NDIR Detektoren und Kalibrierküvetten einsetzbar.
  • Die Verwendung des NDIR-Messverfahrens auf den speziellen, der Erfindung zugrunde liegenden Anwendungsfall hat weiterhin den Vorteil, dass eine Kalibrierung auch mit Kalibrierküvetten erfolgen kann. Kalibrierküvetten sind gasgefüllte Küvetten, die periodisch in den Strahlengang eingeführt werden und eine bestimmte Gaskonzentration simulieren. Auf diese Gaskonzentration kann die Empfindlichkeit des Messverfahrens abgeglichen werden. Damit entfällt eine vergleichsweise aufwendigere Kalibrierung mittels Prüfgas.
  • Die Messtechnik auf Basis von NDIR lässt sich in einem recht weiten Druckbereich einsetzen, der insbesondere auch in den Fällen, wo im Unterdruck gemessen wird. Typischerweise wird ein Bereich von 50 bis 2000 hPa verwendet.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, und
  • 2 eine graphische Darstellung des Absorptionsverhaltens von gasförmigem Isopropylalkohol und des Ersatzgases Propan
  • Gemäß 1 werden innerhalb einer für den – nicht weiter dargestellten – Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen vorgesehenen Trockenkammer 1 mehrere Wafer 2 angeordnet. An der Trockenkammer 1 ist eine Trocknergaseinheit 3 angeordnet, welche zwecks Trocknung gasförmiges Lösemittel – hier Isopropylalkohol – in die Trockenkammer 1 einleitet. Die Steuerung der Gaseinleitung erfolgt nach Maßgabe einer mit der Trocknergaseinheit 3 gekoppelten Gaskonzentrationsmesseinheit 4. Die Gaskonzentrationsmesseinheit 4 misst die aktuelle Gaskonzentration des gasförmigen Lösemittels oder den Restgehalts des Lösemittels in einem Spülgases innerhalb der Trockenkammer 1.
  • Als Gaskonzentrationsmesseinheit 4 kommt ein NDIR-Messgerät zum Einsatz. Dieses misst bekanntermaßen die Konzentration eines Gases durch Bestimmung des Ausmaßes der Lichtabsorption von Licht, dessen Wellenlängen normalerweise so ausgewählt wird, dass diese mit einem verhältnismäßig starken Absorptionsband zusammenfallen, das für das zu messende Gas kennzeichnend ist. Während des Betriebes wird Licht von der IR-Strahlungsquelle emittiert und durch eine – nicht weiter dargestellte – Probenkammer geleitet, wo ein Teil des Lichts von dem Probengas absorbiert wird. Üblicherweise ist der Detektor mit dem Messgas gefüllt und misst damit selektiv nur die Lichtabsorption des zu messenden Gases. In der vorliegenden Erfindung wird aber anstelle des Messgases das Ersatzgas Propan in den Detektor eingefüllt. Schließlich berechnet die zugeordnete Elektronik der Gaskonzentrationsmesseinheit 4 die in der Probenzelle gemessene Gaskonzentration.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es auch denkbar, als gasförmiges Lösungsmittel ein anderes geeignetes Lösungsmittel auszuwählen, sofern dieses ein ähnliches Absorptionsverhalten wie Propan aufweist, wie in 2 dargestellt.

Claims (9)

  1. Anordnung zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2), die in einer Trockenkammer (1) platziert sind und die eine Trocknergaseinheit (3) nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) nach Art eines NDIR-Messgerätes ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektor der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) das Ersatzgas Propan anstelle von Isopropylakohol verwendet wird.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierküvetten zum Kalibrieren der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) vorgesehen sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kalibrierküvetten der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) das Ersatzgas Propan anstelle von Isopropylakohol verwendet wird.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) auf eine Nachweisgrenze von unterhalb 1 ppm gasförmiges Lösungsmittel einstellbar ist.
  6. Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2) die in einer Trockenkammer (1) platziert werden, die über eine Trocknergaseinheit (3) nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Gaskonzentration in der Trockenkammer (1) durch ein NDIR-Messverfahren ermittelt wird, mit dem die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Spülen der Trockenkammer (1) Stickstoffgas eingeleitet wird, dessen Restgehalt an Lösemittel ebenfalls nach dem NDIR-Messverfahren ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) mit Kalibrierküvetten durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen der Wafer (2) innerhalb der Trockenkammer (1) bei einem weiten Druckbereich von typischerweise 50 bis 2000 hPa durchgeführt wird.
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