DE10328367A1

DE10328367A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen molekularerKontamination kritischer Oberflächen unter Verwendung beschichteter SAW-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10328367A1
Application number: DE10328367A
Authority: DE
Inventors: Daniel Louisville Rodier
Original assignee: Particle Measuring Systems Inc
Current assignee: Particle Measuring Systems Inc
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-01-22
Also published as: GB0314106D0; US6945090B2; GB2390162B; US20030233864A1; JP2004029022A; GB2390162A

Abstract

Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination auf einer beeinflußten Oberfläche, deren Qualität durch molekulare Kontamination beeinträchtigt werden kann. Die Vorrichtung weist eine Oberflächenschallwellen(SAW)-vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche auf, die mit einem Material beschichtet ist, das dem beeinflußten Material bezüglich spontaner Kontaminierung durch eine Verunreinigung äquivalent ist. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung das gleiche Material auf wie die beeinflußte Oberfläche oder ein Material, das auf eine äquivalente Weise wie die beeinflußte Oberfläche mit der Verunreinigung chemisch wechselwirkt. Exemplarische Beschichtungen sind ein Photoresist, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Titan, Wolfram, Aluminium, Nickel, Metalloxide, Stearinsäure, Silizium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Germanium, Silizium-Germanium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Glas. Exemplarische Beschichtungsverfahren sind Sputtern, CVD-Verfahren, ALD-Verfahren und Sprühbeschichten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Echtzeitüberwachung chemischer und physikalischer Wechselwirkungen an Grenzflächen zwischen molekularem Gas und einem Festkörper z.B. zum Detektieren luftgetragener molekularer Verunreinigungen (Airborne Molecular Contaminants, AMC) in Fertigungs- und Verarbeitungsumgebungen.
Viele Fertigungsprozesse und Technologien sind anfällig für luftgetragene oder gasförmige molekulare Verunreinigungen (AMC) und mit einer damit verbundenen molekularen Oberflächenkontamination (SMC), die durch chemische Wechselwirkungen zwischen AMCs und ihnen ausgesetzten kritischen Oberflächen hervorgerufen wird. Solche kritischen Oberflächen (nachstehend als "beeinflußte Oberflächen" bezeichnet) sind beispielsweise Oberflächen integrierter Schaltungen, z.B. Resist-, Silizium- und andere Halbleitermaterialien; Verdrahtungsoberflächen aus Wolfram, Aluminium oder. anderen Metallen; Siliziumdioxidoberflächen; optische Oberflächen; mechanische Oberflächen; Oberflächen von Festplatten; Oberflächen von Flachbildschirmen; usw. Nachteilige Wirkungen von SMC sind beispielsweise Änderungen der chemischen, elektrischen und optischen Qualitäten kritischer Oberflächen. Diese nachteiligen Wirkungen vermindern die Produktleistung und -zuverlässigkeit und erhöhen die Fertigungskosten. Einige Beispiele solcher nachteiligen Wirkungen auf die vorstehend erwähnten kritischen Oberflächen sind T-Topping von Resistmaterial, defektes oder gestörtes epitaktisches Wachstum, unbeabsichtigtes Dotieren, ungleichmäßiges Oxidwachstum, Änderungen der Eigenschaften der Waferoberfläche, Korrosion und ein vermindertes Haftvermögen metallischer Pads. Viele dieser Wirkungen werden insbesonders dann nachteilig, wenn Leitungsbreiten von weniger als 0,18 μm verwendet wer den. Außerdem wird, wenn die Wafergröße zu- und die Bauelementgeometrie abnimmt, die Nachfrage nach empfindlicheren Überwachungstechniken zunehmen. In der Optikindustrie ist SMC eine bekannte Ursache für Schleierbildung auf optischen Oberflächen. SMC verursacht außerdem Striktionsprobleme in bestimmten mechanischen Vorrichtungen, z.B. in Festplattenlaufwerken, weil SMC-kontaminierte Oberflächen einen wesentlich größeren Reibungskoeffizienten aufweisen können als nicht kontaminierte Oberflächen. SMC beeinflußt außerdem die Fertigung von Festplattenlaufwerken und Flachbildschirmen, die aus auf dem Fachgebiet bekannten Gründen typischerweise in mehreren "Mini"-Reinräumen erfolgt.
Die verschiedenen AMCs, die nachteilig SMC verursachen, können in vier allgemeine Kategorien eingeteilt werden: Säuren, Basen, kondensierende Stoffe und Dotierstoffe, die auch als SEMI F21-95 Klassen A, B, C und D bezeichnet werden. Einige AMCs sind jedoch keiner dieser Klassen zugeordnet.
Ursachen für AMC sind ungeeignete Filtration von Umluft, chemische Verunreinigung von Querprozessen oder parallelen oder verschränkten Prozessen, Ausgasen von Reinraummaterialien, z.B. von Filtern, Geldichtungsmassen und Konstruktionsmaterialien, sowie Verunreinigungen, die von Menschen übertragen und ausgegeben werden. Wenn das Fluid,"frische" Außenluft ist, sind AMC-Quellen Automobilabgase, Evapotranspiration von Pflanzen und verschiedene Industrieemissionen. AMCs können auch chemische Verbindungen und Dämpfe sein, die bei der chemischen Zerstörung von und der Wechselwirkung zwischen Molekülen bei der AMC-Kontamination von den Primärquellen erhalten werden. Andere Quellen für AMC/SMC sind chemische Kontamination durch Querprozesse oder parallele Prozesse innerhalb eines Arbeitsbereichs oder einer Fabrik und ungeeignet ventilierte oder durchlüftete Umluft. Noch andere Quellen sind Ausgasen von Reinraummaterialien, z.B. von Filtern, Geldichtungsmassen und Konstruktionsmaterialien, insbesondere neuer Textilmaterialien, und verschiedenartige Verunreinigungen, die durch industrielle Geräte ausgegeben werden, z.B. durch Pumpen, Motoren, Roboter und Behälter. Eine andere Quelle sind Unfälle, z.B. Verschütten von Chemikalien, und Störungen in der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung. Eine noch andere Quelle sind Menschen, z.B. ihre Körper, ihre Kleidung und ihre Hygiene- oder Kosmetikprodukte.
AMCs können auch dann zu Produktivitätsverlusten führen, wenn sie in Konzentrationen im unteren ppbv- (parts per billion by volume) Bereich vorhanden sind. Solche Prozesse erfordern daher eine ultrareine, gut überwachte Umgebung.
Es ist kein einzelnes Überwachungsinstrument und kein einzelnes Überwachungsverfahren in der Lage, alle vier AMC-Kategorien gleichzeitig zu überwachen. Die meisten bekannten Technologien konzentrieren sich stattdessen auf Untergruppen der AMC-Kategorien oder auf spezifische AMC-Arten innerhalb einer der Kategorien.
Ein anderer Nachteil herkömmlicher Überwachungstechnologien ist, daß die meisten davon luftgetragene oder als Umgebungssuspension vorliegende AMC-Konzentrationen überwachen. Quartz-Crystal-Microbalance- (QCM) und verfügbare O-berflächenschallwellen(SAW)-techniken überwachen SMC, jedoch nur auf der Oberfläche des QCM- oder SAW-Elements. Eine Überwachung akkumulierter SMC auf der Oberfläche des QCM-Kristalls oder des SAW-Substrats kann keine geeignete Messung der oder Information über die chemischen Wechselwirkungen an der kritischen Oberfläche bereitstellen. Ein wesentlicher Grund für dieses Versagen der Technik ist, daß die Eigenschaften oder die Natur der chemischen Wechselwirkungen zwischen AMCs und der beeinflußten Oberfläche nicht nur von der luftgetragenen oder Umgebungskonzentration der AMCs abhängt, sondern auch von anderen Faktoren, z.B. vom Ausmaß und der Natur anderer AMCs auf der Oberfläche, der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit und insbesondere von der chemischen Struktur der kritischen Oberfläche. Wenn daher Luftproben hinsichtlich AMC ausgewertet werden, werden die gemessenen Konzentrationen in geschätzte Mengen der molekularen Kontamination auf den beeinflußten Oberflächen umgewandelt. Typischerweise basiert diese Abschätzung auf der Probennahmedauer oder der Expositionszeit und der Depositionsrate.
(1) S = E(NV/4), wobei
S die Depositionsrate in Molekülen/cm²/s;
E ein dimensionsloser Haftkoeffizient mit einem Wert zwischen 0 und 1; und
N die absolute Konzentration (Number Density) in Luft in Molekülen/cm³ ist; und
E von der Temperatur, der Feuchtigkeit, der Oberflächenzusammensetzung und der Größe und dem Typ anderer vorhandener AMCs abhängig ist. E kann nur experimentell bestimmt werden und ist für nahezu jede Situation verschieden. Daher wird E als eine sichere und erhebliche Fehlerquelle betrachtet.
Das einzige kommerziell verfügbare Verfahren, das versucht, diese Daten bereitzustellen, ist das QCM-Verfahren. QCM-Vorrichtungen werden jedoch typischerweise bei Frequenzen zwischen 4 MHz und 12 MHz betrieben. SAW-Vorrichtungen werden hingegen typischerweise bei Frequenzen von 200 MHz und mehr betrieben. Die Massenempfindlichkeit piezoelektrischer Vorrichtungen, sowohl von QCM- als auch von SAW-Vorrichtungen, ist dem Quadrat der Frequenz proportional., Die QCM-Massenempfindlichkeit ist daher herkömmlich zwei Größenordnungen schlechter als die SAW-Massenempfindlichkeit. Die geringere Massenempfindlichkeit führt zu einer schlechteren Zeitauflösung von Massenänderungsereignissen, wenn z.B. SMC-Verunreinigungen sich aufgrund eines RMC-Ereignisses auf dem QCM-Kristall ansammeln. D.h., wenn eine SAW- und eine QMC-Vorrichtung der gleichen AMC-Konzentration ausgesetzt sind, weist die SAW-Vorrichtung eine Frequenzänderungsrate auf, die etwa zwei Größenordnungen größer ist als diejenige der" QCM-Vorrichtung. Daher muß die QCM-Vorrichtung länger exponiert sein als die SAW-Vorrichtung, um die gleiche Frequenzänderung zu erhalten. Dadurch können Kontaminationsereignisse, die innerhalb kurzer Zeitabschnitte auftreten, verschmiert werden oder unbemerkt bleiben. Aus diesem Grunde weist die QCM-Technologie keine ausreichende Massenempfindlichkeit für eine geeignete Überwachung kritischer Oberflächen auf, die kurzzeitigen AMC-Ereignissen ausgesetzt sind. Ein Beispiel hierfür ist die Überwachung von Photoresistmaterialien, die Ammoniak und Aminen ausgesetzt sind, was über eine Zeitdauer von nur zwei Stunden auftreten kann.
SAW-Vorrichtungen sind zum Detektieren molekularer Kontamination verwendet worden (vergl. US-A-6122954 und AS-A-5918258). In diesen Vorrichtungen wird ein Fluid, das eine Verunreinigung enthält, mit der SAW-Vorrichtung unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die die Deposition der Verunreinigung auf der SAW-Vorrichtung unterstützen, z.B. durch Verdampfen des Fluids, so daß die Verunreinigungen zurückbleiben, oder durch Beschichten der SAW-Vorrichtung mit einem hydroskopischen Polymer, um das Absorptionsvermögen für Wasser zu verbessern, wenn Wasser eine Verunreinigung ist. Das erstgenannte Verfahren ist jedoch langsam, und das zweitgenannte verfahren ist sowohl durch die Typen der Verunreinigungen, die detektiert werden können, als auch durch die Wiederverwendbarkeit der SAW-Vorrichtung begrenzt.
Die vorliegende Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Stands der Technik und eliminiert die vorstehend erwähnten Probleme durch Bereitstellen einer SAW-Vorrichtung, die mit einem Oberflächenmaterial beschichtet ist, das die kritische Oberfläche, die einer Verunreinigung ausgesetzt ist, d.h. die beeinflußte Oberfläche, nachbildet. Wenn beispielsweise die beeinflußte Oberfläche die Kupferoberfläche eines Festplattenelements ist, wird die SAW-Vorrichtung mit Kupfer beschichtet. Das SAW-Ausgangssignal kann dann verwendet werden, um die Oberflächenkontamination einer Kupferoberfläche eines Festplattenelements zu überwachen, das der gleichen Umgebung ausgesetzt ist. Wenn gemäß einem anderen Beispiel die beeinflußte Oberfläche eine Oberfläche ist, die für Korrosion durch Säuredampf anfällig ist, kann eine silberbeschichtete SAW-Vorrichtung verwendet werden, um die Korrosion zu überwachen, weil Silber für Korrosion durch Säuredampf hochgradig anfällig ist. Als anderes Beispiel kann eine stearinsäurebeschichtete SAW-Vorrichtung verwendet werden, um eine beeinflußte Oberfläche nachzubilden, deren Qualität durch Ammoniak abnimmt, weil die Qualität von Stearinsäure selbst durch Ammoniak herabgesetzt wird. Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein hochempfindliches Echtzeitüberwachungsverfahren für einen gehäuften Aufprall von AMC auf kritische Oberflächen bereitgestellt, wobei die Abhängigkeit von geschätzten Haftkoeffizienten und die damit in Beziehung stehende Abschätzung der SMC-Kontamination auf kritischen Oberflächen wesentlich reduziert oder sogar eliminiert wird. Durch die Empfindlichkeit und Stabilität der erfindungsgemäßen SAW-Vorrichtung wird eine Hochfrequenzoberfläche und eine hochfrequente AMC-Abtastung und eine Korrelation zwischen den Daten und lokalen Prozeßereignissen bereitgestellt. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße SAW-Vorrichtung eine wesentlich verbesserte Massenempfindlichkeit bereitgestellt, so daß neue Oberflächentypen überwacht werden können, die durch QCM-Techniken nicht effektiv überwacht werden können.
Durch die Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer ACM-Überwachungseinrichtung mit dem Schritt zum Beschichten einer SAW-Oberfläche mit einer Dünnschicht bereitgestellt. Hierin wird der Ausdruck "Dünnschicht" im gleichen Sinne verwendet wie auf dem Fachgebiet integrierter Schaltungen, d.h. sie bezeichnet eine Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 μm. Die Beschichtung kann durch Sputtern, ein CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren, ein ALD- (Atomic Layer Deposition) Verfahren oder durch Sprühbeschichten (Misted Deposition) hergestellt werden.
Durch die Erfindung wird erstmals eine praktische Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination bereitgestellt. Zahlreiche andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen SAW-Vorrichtung;
2 zeigt ein Beispiel eines reaktiven Detektionsgeräts, das die SAW-Vorrichtung von 1 aufweist;
3 zeigt eine Querschnittansicht der SAW-Meßfläche 4A in der Nähe eines Kontaktpads entlang der Linie 3-3 in
1;
4 zeigt das reaktive Detektionsgerät von 2, ferner mit einer Referenz-SAW-Vorrichtung;
5 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer beobachteten Frequenz als Funktion der Zeit für eine SAW-Vorrichtung, die gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung beschichtet und Ammoniak ausgesetzt ist; 6 zeigt ein {Meßdiagramm zum Darstellen einer beobachteten Frequenz als Funktion der Zeit für eine SAW-Vorrichtung, die wie die für die Messung von 5 verwendete SAW-Vorrichtung, jedoch mit einer anderen Schichtdicke beschichtet ist;
7 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer Korrosionsmassenakkumulation oder -materialanhäufung bezüglich der Zeit auf einer erfindungsgemäßen, silberbeschichteten SAW-Vorrichtung;
8 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer Massenakkümulation oder -materialanhäufung bezüglich der Zeit auf einer erfindungsgemäßen, kupferbeschichteten SAW-Vorrichtung;
9 zeigt einen Vergleich zwischen einer Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen beschichteten SAW-Vorrichtung und einer herkömmlichen SAW-Vorrichtung;
10 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer Frequenzverschiebung einer erfindungsgemäßen, beschichteten SAW-Vorrichtung, die für eine begrenzte Zeitdauer Ammoniak ausgesetzt ist; und
11 zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Messung einer Frequenzänderungsrate, die durch eine erfindungsgemäße, beschichtete SAW-Vorrichtung erhalten wird.
Der Ausdruck "Fluid" ist hierin als Flüssigkeit oder Gas oder Dampfgemisch, wie beispielsweise Luft, elementare Gase, z.B. Stickstoff oder Argon, und Gemische davon definiert. Wenn ein beispielhafter Betrieb beschrieben wird, soll durch das für die Beschreibung verwendete spezifische Fluid, falls dies nicht ausdrücklich erwähnt oder anhand des Zusammenhangs deutlich ist, der Umfang oder die Betriebs- oder Funktionsweise der Erfindung nicht eingeschränkt werden.
1 zeigt ein Beispiel einer SAW-Vorrichtung 2 mit einer Äquivalenzfläche gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das in 1 dargestellte Beispiel einer SAW-Vorrichtung 2 mit einer Äquivalenzfläche weist ein Substrat 4 mit einer Meßfläche 4A mit einem ersten Paar 6 Interdigital-Wandlern(-Transducern) 6A bzw. 6B auf, die in einem ersten Bereich 7 der Fläche 4A angeordnet sind. Ein zweites Paar 8 Interdigital-Wandler(-Transducer) 8A bzw. 8B ist in einem zweiten Bereich 9 der Fläche 4A angeordnet. Ein erstes Kontaktpad (Kontaktfleck) 10A ist mit dem Transducer 6A des ersten Paars und einer ersten Verbindungs- oder Anschlußleitung 12A verbunden. Ähnlicherweise ist ein zweites Kontaktpad 10B mit dem Transducer 10B des ersten Paars und einer zweiten Verbindungsleitung 12B verbunden. Ein drittes Kontaktpad 14A ist mit dem Transducer 8A des zweiten Transducerpaars und einer dritten Verbindungsleitung 16A verbunden. Ein viertes Kontaktpad 14B ist mit dem Transducer 8B des zweiten Transducerpaars und einer vierten Verbindungsleitung 16B verbunden.
Eine Beschichtung oder eine Dünnschicht 20 ist auf der Fläche 4A über einem Bereich angeordnet, in dem Oberflächenschallwellen sich in Antwort auf elektrische Signale ausbreiten, die dem ersten Transducerpaar 6A, 6B und/oder dem zweiten Transducerpaar 8A, 8B zugeführt werden, wie nachstehend beschrieben wird. Die Schicht 20 ändert die Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Substrat 4, das keine Beschichtung auf seiner Oberfläche 4A aufweist.
Für diesen ersten Aspekt der Erfindung weist die Schicht 20 ein Material auf, das der zu überwachenden kritischen Oberfläche äquivalent und vorzugsweise das gleiche Material ist wie das Material der zu überwachenden kritischen Oberfläche. Hierin bezeichnet "äquivalentes Material" ein Material, das die kritische Oberfläche bezüglich spontaner Kontamination durch eine Verunreinigung nachbildet. Die Kontamination ist dahingehend spontan, daß sie auf die gleiche Weise auftritt wie die Kontamination der kritischen Oberfläche, im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kontamination durch Manipulation, wobei z.B. eine Probe eines kontaminierten Fluids auf die Oberfläche gegossen oder aufgebracht und dann verdampft wird. Wenn eine molekulare Verunreinigung durch die Oberfläche der Schicht 20 absorbiert wird oder mit der Oberfläche der Schicht 20 reagiert, werden neue Moleküle gebildet, so daß die Masse auf der Oberfläche zunimmt. Die erhöhte Masse beeinflußt die Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit und ändert die Wellenlänge einer Schallwelle, die eine vorgegebene Frequenz aufweist. Weil die Schicht 20 aus dem gleichen Material besteht wie die kritische Oberfläche, wird durch das Reaktionsvermögen der Schicht 20 und die erhaltenen neuen Moleküle eine Detektionsfläche bereitgestellt, die für molekulare Verunreinigungen selektiv ist, die mit der kritischen Oberfläche reagieren können.
Der Ausdruck "Dünnschicht" wird hierin im gleichen Sinne verwendet wie auf dem Fachgebiet der integrierten Schaltungen. Sie bezeichnet einen Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 μm und vorzugsweise mit einer Dicke von höchstens 0,5 μm. Typischerweise kann die Dünnschichtdicke im Bereich von beispielsweise 1 nm bis 100 nm liegen, wobei die Dicke teilweise von der spezifischen Sensoranwendung abhängt, in der die Vorrichtung verwendet wird. Als allgemeine Richtlinie entspricht die Dicke vorzugsweise der Dicke der kritischen Oberfläche, für die AMC überwacht wird. Wenn beispielsweise die kritische Oberfläche eine Schicht mit einer Dicke von 5 nm ist, sollte die Sensor- oder Prüfschicht vorzugsweise eine Dicke von 5 nm aufweisen. Wenn die kritische Oberfläche eine Schicht mit einer Dicke von 50 nm ist, sollte die Sensor- oder Prüfschicht vorzugsweise eine Dicke von etwa 50 nm aufweisen. Wenn die Sensor- oder Prüfschichtdicke zu groß ist, wird die Massenempfindlichkeit reduziert. Der Ausdruck "Dünnschicht" soll nicht die sogenannten "Dünnschichten" im makroskopischen Bereich beinhalten, wie beispielsweise für diskrete Kondensatoren. In diesen Bereichen ist die Schicht zwar im Vergleich zu Schichten "dünn", die Nichtfachmänner tagtäglich verwenden, sie sind jedoch hundert- wenn nicht tausendmal dicker als die routinemäßig in integrierten Schaltungen verwendeten Schichten, und die Prozesse zum Herstellen der Schichten sind völlig unterschiedlich.
Beispiele von Materialien für die Schichten 20 sind Kupfer, Siber, Gold, Platin, Titan, Wolfram, Aluminium, Nickel, Metalloxide und -legierungen, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Halbleiter, Metalloxide, Photoresistmaterialien, al- le Glasarten, Siliziumdioxid, Polymere, Stearinsäure und verschiedene andere, für bestimmte Industrien, Technologien und Prozesse spezifische Beschichtungen. Wenn die Schicht 20 aus einem nichtleitenden Material besteht, z.B. aus einem Polymer, kann sie auf die gesamte Oberfläche 4A aufgebracht werden. Metallschichten 20 können die Oberfläche 4A mit Ausnahme der Kontaktpads 10A, 10B, 14A und 14B abdecken. Vorzugsweise wird im voraus eine nichtleitfähige Schicht auf die Kontaktpads aufgebracht, wenn ein Metall auf diese Pads oder Flecken aufgebracht werden soll.
Die Schicht 20 kann direkt auf die Meßfläche 4A aufgebracht werden. In vielen Fällen wird es jedoch bevorzugt sein, eine Zwischenschicht oder mehrere Zwischenschichten zwischen der Fläche 4A und der Schicht 20 auszubilden. Diese Zwischenschichten können eine Passivierungsschicht, eine Sperr- oder Begrenzungsschicht, eine Isolierschicht oder eine Adhäsions- oder Haftschicht sein. Dies ist in 3 dargestellt. 3 zeigt eine Querschnittansicht durch den Bereich des Kontaktpads 14A. In diesem Bereich ist eine Kontaktpad-Metallschicht 31 auf der Fläche 4A aufgebracht. Eine Passivierungsschicht 32 ist allgemein auf der gesamten Fläche 4A aufgebracht. Diese Schicht dient auch als Isolierschicht zwischen dem Kontakt 31 und der Detektionsfläche 20. Eine Sperr- oder Begrenzungsschicht 34, z.B. eine Siliziumnitridschicht, kann auf der Passivierungsschicht 32 ausgebildet sein. Eine Adhäsions- oder Haftschicht 36 ist auf der Isolierschicht 34 ausgebildet, und ein Detektionsmaterial 20, das einer kritischen Oberfläche äquivalent ist, ist auf der Adhäsions- oder Haftschicht 36 ausgebildet. Die Schichten 32, 34 und 36 sind optional und dargestellt, um zu zeigen, daß erfindungsgemäß vorzugsweise eine Passivierungs-, Isolier-, Sperr- oder Begrenzungs- und Adhäsions- oder Haftschicht nach Erfordernis vorgesehen sind, um die Schicht 20 in ihrer Funktion effektiv, stabil und zuverlässig zu machen. Wenn beispielsweise die Detektionsflächenschicht 20 aus Platin besteht, kann eine Passivierungs-/Isolierschicht 34 verwendet werden, die durch ein CVD-Verfahren hergestellt wird, durch das Siliziumdioxid, Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumnitrid aufgebracht wird, um das Platin von der Kontaktschicht 32 zu isolieren, woraufhin eine dünne Adhäsionsoder Haftschicht 36 durch Aufsputtern von Titan aufgebracht wird, weil Platin an einigen Materialien, z.B. Siliziumdiöxid, nicht geeignet anhaftet. In diesem Fall dient das Siliziumdioxid auch als Passivierungsschicht 32, und die Titan-Adhäsions- oder Haftschicht 36 wirkt zusammen mit der Siliziumdioxid-Passivierungsschicht 32 als Sperr- oder Begrenzungsschicht.
Die Dünnschicht 20 kann durch Sputtern, ein CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren, ein ALD- (Atomic layer Deposition) Verfahren, Sprühbeschichten (Misted Deposition) oder durch ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren ausgebildet werden. Das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen von Metallen ist Ionenstrahl-Sputtern auf eine maskierte SAW-Oberfläche. Dadurch wird eine gute Oberfläche erhalten. Ein exemplarisches Verfahren zum Aufbringen von Polymerbeschichtungen ist ein CVD-Verfahren. Ein anderes Verfahren ist Sprühbeschichten (Misted Deposition) mit kleinen Tröpfchen einer dünnen Polymerlösung in einem flüchtigen Lösungsmittel, z.B. 2-Methoxyethanol). Die Beschichtung kann als einzelne oder mehrere Schichten aufgebracht werden.
Ein geeignetes CVD-Verfahren ist in der WO 99102756 beschrieben, und ein geeignetes Sprühbeschichtungsverfahren ist in der US-A-5997642 beschrieben. Diese Verfahren beginnen mit dem Bereitstellen eines flüssigen Vorgängers, der chemische Elemente enthält, die zum Ausbilden des Detektionsmaterials geeignet sind. Flüssige Vorgänger, die sich als geeignet erwiesen haben, sind Alkoxide, Metallalkyle, Beta-Diketonate und Carboxylate, die in einem Lösungsmittel gelöst sind. Geeignete Lösungsmittel sind z.B. Methylethylketon, Isopropanol, Methanol, Tetrahydrofuran, Xylol, n-Butylacetat, Hexamethyldisilazan (HMDS), Oktan, 2-Methoxyethanol und Ethanol. Der flüssige Vorläufer wird auf das Substrat aufgebracht. Wenn er durch ein CVD-Verfahren aufgebracht wird, kann das beschichtete Substrat ohne weitere Behandlung verwendet werden, obwohl es vorzugsweise nach dem Beschichten bei einer Temperatur von 500°C bis 800°C geglüht wird. Wenn er durch Sprühbeschichten aufgebracht wird, wird die flüssige Schicht bei einer Temperatur von 150°C bis 300°C getrocknet und dann in einem Ofen bei einer Temperatur von 500°C bis 800°C geglüht. Alternativ kann ein RTA-Prozeß (Rapid Thermal Anneal) oder ein RTP-Prozeß (Rapid Thermal Processing) verwendet werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind.
Sputtern und das ALD-Verfahren sind auf dem Fachgebiet der integrierten Schaltungen bekannt.
2 zeigt ein Beispiel eines SAW-Meßgeräts mit einer reaktiven Oberfläche, wobei die in 1 dargestellte SAW-Vorrichtung 2 mit einer reaktiven Oberfläche mit einer freischwingenden Oszillatorschaltung 21 verbunden ist. Das Verbinden der SAW-Vorrichtung 2 mit einem freischwingenden Oszillator 21 ist eines der erfindungsgemäß anwendbaren Verfahren zum Erfassen von Änderungen der Masse der Schicht 20. Die Schaltung von 2 bildet eine freischwingende Oszillatorschaltung 21, indem das erste und das zweite Transdu cerpaar 6A, 6B bzw. 8A, 8B mit einem Verstärker 22 verbunden werden, wie in 2 dargestellt, der auf dem Fachgebiet der SAW-basierten AMC-Detektoren bekannt ist. Der Verstärker 22 kann Phasenverschiebungselemente für gewünschte Oszillationscharakteristika aufweisen, wie ebenfalls auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Oszillationsfrequenz hängt teilweise von der Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit ab. Durch die Änderungen der Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit, die durch eine erhöhte Masse der Schicht 20 verursacht wird, die durch neue Moleküle gebildet wird, die durch die Wechselwirkung mit molekularen Verunreinigungen erzeugt werden, wird daher die Oszillationsfrequenz geändert. Die Änderung der Oszillationsfrequenz wird durch den Frequenzdetektor 24 erfaßt. Der in 2 dargestellte freischwingende Oszillator ist lediglich ein Beispiel, und auf dem Fachgebiet sind andere SAW-basierte Oszillatorschaltungen bekannt. Weitere Details einer SAW-Detektorschaltung sind in der US-A-6122954 und in der US-A-4871984 dargestellt.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung 40 für molekulare Kontamination. Die Überwachungseinrichtung 40 weist einen unter Bezug auf 1 beschriebenen SAW-Sensor 26 mit einer Detektionsfläche auf, der eine Schicht, z.B. eine Schicht 20, aufweist, die einem Umgebungsfluid ausgesetzt ist, und einen Referenz-SAW-Sensor 28, der mit der SAW-Vorrichtung von 1 im wesentlichen identisch und vorzugsweise in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer angeordnet ist, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Ein Vergleicher 30 empfängt ein Oszillationssignal SENS(t) vom SAW-Sensor 26 mit der Detektionsfläche und ein Oszillationssignal REF(t) vom Referenz-SAW-Sensor 28 und erzeugt ein die Frequenzdifferenz darstellendes Differenzsignal DIFF(t), das auf dem Fachgebiet manchmal als Schwebungsfrequenz bezeichnet wird. Der Wert des Signals DIFF(t) entspricht der erhöhten Masse auf der Schicht (z.B. auf der Schicht 20) auf dem SAW-Sensor 26. Diese Frequenz liegt in der Größenordnung von 1/2 MHz und typischerweise im Bereich von 0,3 bis 0,8 MHz. Die in den
5–11 dargestellten Daten wurden alle durch eine in 4 dargestellte Überwachungseinrichtung 40 für molekulare Kontamination erhalten.
Die Temperaturregelung des SAW-Geräts von 1 ist ein weiteres erfindungsgemäß in Betracht zu ziehendes Merkmal, wobei z.B. ein in der Nähe der SAW-Vorrichtung 2 angeordneter Temperaturregler verwendet wird, wie in der vorstehend erwähnten US-A-6122954 dargestellt ist.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung sind die Verwendung mehrerer SAW-Sensoren, wie beispielsweise des in 1 dargestellten Typs, um verschiedene kritische Oberflächenmaterialien gleichzeitig zu überwachen. Außerdem können höherfrequente (empfindlichere) SAW-Kristalle für Frequenzen bis zu 1 GHz oder mehr verwendet werden.
5 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer beobachteten Frequenz in Hertz als Funktion der Zeit in Minuten eines SAW-Substrats, das mit Stearinsäure mit einer Dicke von 35 nm beschichtet und Ammoniak ausgesetzt ist. Stearinsäure ist eine äquivalente Oberfläche für eine Säurekatalysatorkomponente eines Photoresistmaterials. Der SAW-Sensor wurde mit einer freischwingenden Oszillatorschaltung verbunden, die eine Anfangsoszillationsfrequenz von 0,506 MHz oder 506 kHz aufwies. Der SAW-Sensor wurde Ammoniak(NH₃)-dampf in einer Konzentration von 1 ppm ausgesetzt. Nach einer Expositionszeit von 50 Minuten hatte die Frequenz auf 0,505 MHz abgenommen und nahm entlang einer Meßkurve M2 weiter monoton ab, bis nach einer Expositionszeit von 170 Minuten die Frequenz auf etwa 0,502 MHz abgenommen hat. Die Gesamtfrequenzänderung beträgt daher 4 kHz. Wie in 5 dargestellt ist, war die beobachtete Frequenzänderungsrate, obwohl monoton abnehmend, nicht vollständig linear.
6 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer beobachteten Frequenz als Funktion der Zeit für eine mit einer Schicht beschichtete SAW-Vorrichtung, die der für die Messung von 5 verwendeten SAW-Vorrichtung im wesentlichen glich, jedoch eine Schichtdicke von 75 nm aufwies. Wie dargestellt ist, erzeugte die unterschiedliche Schichtdicke ei ne Frequenzänderung, die über eine Beobachtungszeit von 200 Minuten im wesentlichen linear war. Die Geamtfrequenzänderung über die Beobachtungszeit von 200 Minuten betrug 7 kHz.
7 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen einer Korrosionsmassenakkumulierung in Nanogramm pro Quadratzentimeter (ng/cm²) bezüglich der Zeit für eine erfindungsgemäße, silberbeschichtete SAW-Vorrichtung. Die für die Messungen von 7 verwendete SAW-Vorrichtung wies ein dem Bezugszeichen 4A in 1 entsprechendes Substrat auf, das mit einer dem Bezugszeichen 20 entsprechenden Silberschicht mit einer Dicke von 4 nm beschichtet war. Die SAW-Vorrichtung war mit einer freischwingenden Oszillatorschaltung 21 verbunden und wies eine Anfangsoszillationsfrequenz von 199,5 MHz auf, wobei die Messung zu einem durch "0:00,2/1/01" bezeichneten Zeitpunkt begann. Zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor "6:00, 2/1/01" wurde die obere Fläche der Silberschicht einem Säuregas, d.h. Schwefeldioxid, mit einer Konzentration von 75 ppb ausgesetzt. Die vertikale Achse von 6 zeigt die spezifische Masse in Einheiten von Nanogramm pro Quadratzentimeter (ng/cm ). Es wurde ein Umwandlungsfaktor von 0,020 Nanogramm pro Quadratzentimeter pro Hertz [ng/(cm²Hz)] verwendet, um die gemessene Oszillationsfrequenz in die dargestellten Einheiten "ng/cm " umzuwandeln.
8 zeigt ein Meßdiagramm zum Darstellen der Korrosionsmassenakkumulierung bezüglich der Zeit für eine SAW-Vorrichtung, die der für die Messung von 7 verwendeten SAW-Vorrichtung im wesentlichen glich, die an Stelle von Silber jedoch mit Kupfer beschichtet war. Die SAW-Vorrichtung war innerhalb einer ähnlichen freischwingenden Oszillatorschaltung verbunden, die eine Anfangsoszillationsfrequenz von 199,5 MHz aufwies. Die vertikale Achse von 8 ist in den gleichen Einheiten von Nanogramm pro Quadratzentimeter (ng/cm) dargestellt wie in 7, wobei der gleiche Umwandlungsfaktor von 0,020 Nanogramm pro Quadratzentimeter pro Hertz [ng/(cm²Hz)] verwendet wurde. Die Testumgebung für die Messung von 8 war Luft mit einer rela tiven Feuchtigkeit von 70%, einer Temperatur von 30°C mit den folgenden Verunreinigungen:

Verbindung Konzentration (ppbv)

Cl₂ 10

H₂S 10

NO₂ 100
Das Meßdiagramm M8 wurde unter Verwendung einer besten Anpassung durch die Abtast- oder Meßpunkte S8 konstruiert.
9 zeigt ein Vergleichsdiagramm der Massenakkumulierung in ng/cm² als Funktion der Zeit in Stunden zwischen einer Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen beschichteten SAW-Vorrichtung (Kurve M9) und einer herkömmlichen SRW-Vorrichtung (Kurve P9).
10 zeigt ein Meßdiagramm M10 der Frequenz in Hertz als Funktion der Zeit zum Darstellen einer Frequenzverschiebung einer mit einer Stearinsäureschicht beschichteten SAW-Vorrichtung, die einem Ammoniakimpuls oder -stoß ausgesetzt ist.
11 zeigt ein Beispiel eines Meßdiagramms einer Ablagerungsrate in ng/cm²/Minute als Funktion der Zeit über eine 8-Tage-Periode, das mit einer silberbeschichteten SAW-Vorrichtung erhalten wurde. Die Peaks am 2., 3. und 6. bis 8. Tag entsprachen dem Betrieb eines Dieselgenerators, der außerhalb des Gebäudes lief, in dem die Messung vorgenommen wurde.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine eindeutige Information über die auf kritischen Oberflächen auftretenden chemischen und physikalischen Prozesse erhalten wird.
Durch die erdindungsgemäße Oberflächenschallwellenvorrichtung werden Echtzeitbeobachtungen des Aufpralls luftgetragener molekularer Verunreinigungen (AMC) auf Oberflä chen unter Verwendung eines direkteren Verfahrens als durch Luftprobenüberwachung bereitgestellt, und es wird eine Massenempfindlichkeit bereitgestellt, die mehr als 100-mal besser ist als in herkömmlichen QCM- (Quartz Crystal Microbalance) Technologien. Durch Nachbilden spezifischer kritischer Oberflächen, auf denen die Wirkung von AMCs auftritt, werden viele Fehlerquellen eliminiert z.B. die Abschätzung typspezifischer Haftkoeffizienten, Änderungen von Haftkoeffizienten aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen, und synergistische chemische Wechselwirkungen auf der Targetoberfläche.

Claims

Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination auf einer untersuchten Oberfläche, deren Qualität durch molekulare Kontamination beeinträchtigt wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Oberflächenschallwellen(SAW)-vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche, wobei die SAW-Vorrichtung eine elektrische Schaltung zum Bereitstellen eines eine Kontamination auf der Meßfläche anzeigenden Ausgangssignals aufweist; wobei die SAW-Meßfläche eine Beschichtung aufweist, die dem beeinflußten Material der untersuchten Oberfläche bezüglich einer spontanen Kontamination durch eine Verunreinigung äquivalent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung im wesentlichen das gleiche Material aufweist wie die untersuchte Oberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung ein Material aufweist, das mit der Verunreinigung auf eine Weise chemisch wechselwirkt, die der Art der Wechselwirkung zwischen der Verunreinigung und der untersuchten Oberfläche äquivalent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung eine metallische Beschichtung oder eine Photoresistbeschichtung oder ein chemisches Äquivalent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die SAW-Vorrichtung einen Wandler (Transducer) aufweist, die Beschichtung auf dem Transducer aufgebracht ist und die Vorrichtung einen zwischen dem Transducer und der Beschichtung angeordneten Isolierfilm aufweist, so daß die Beschichtung nicht mit dem Transducer in elektrischem Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Beschichtung ein Metall aufweist, das aus der Gruppe Kupfer, Silber, Gold, Platin, Titan, Wolfram, Aluminium und Nickel ausgewählt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung ein Metalloxid aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung ein Halbleitermaterial aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die SAW-Vorrichtung einen Transducer aufweist, die Beschichtung auf dem Transducer angeordnet ist und die Vorrichtung einen zwischen dem Transducer und der Beschichtung angeordneten Isolierfilm aufweist, so daß die Beschichtung nicht mit dem Transducer in elektrischem Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Beschichtung ein Material aufweist, das aus der Gruppe Silizium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Germanium und Silizium-Germanium ausgewählt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Beschichtung ein Material aus der Gruppe Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Glas aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Beschichtung Stearinsäure aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Beschichtung eine Dünnschicht aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination auf einer zu untersuchenden Oberfläche, deren Qualität durch molekulare Kontamination beeinträchtigt wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; und Beschichten der SAW-Meßfläche mit einem Detektormaterial, das dem Material der zu untersuchenden Oberfläche bezüglich spontaner Kontamination durch eine Verunreinigung äquivalent ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Beschichtungsschritt ein Sputterverfahren, ein CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren, ein ALD- (Atomlagenabscheide – oder Atomic Layer Deposition) Verfahren oder ein Sprühbeschichtungsverfahren (Misted Deposition) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Beschichtungsschritt aufweist: Bereitstellen eines flüssigen Vorläufers, der chemische Elemente in Mengen enthält, die zum Ausbilden des Detektormaterials geeignet sind; und Verwenden des flüssigen Vorläufers zum Ausbilden der Beschichtung.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; und Aufsputtern einer Detektorbeschichtung auf die SAW-Meßfläche.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)-vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; und Verwenden eines ALD- (Atomlagenabscheide – oder Atomic Layer Deposition) Verfahrens zum Ausbilden einer Detektorbeschichtung auf der SAW-Meßfläche.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; und Verwenden eines CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahrens zum Ausbilden einer Detektorbeschichtung auf der SAW-Meßfläche.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; und Verwenden eines Sprühbeschichtungsverfahrens (Mested Deposition) zum Ausbilden einer Detektorbeschichtung auf der SAW-Meßfläche.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Überwachen molekularer Kontamination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Oberflächenschallwellen(SAW)vorrichtung mit einer SAW-Meßfläche; bereitstellen eines flüssigen Vorläufers, der chemische Elemente in Mengen enthält, die dazu geeignet sind, ein Detektormaterial auszubilden; und Verwenden des flüssigen Vorläufers zum Ausbilden einer Beschichtung aus dem Detektormaterial auf der SAW-Meßfläche.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 21, wobei der flüssige Vorläufer ein Alkoxid, ein Metallalkyl, ein Beta-Diketonat oder ein Carboxylat aufweist.