DE112020005731T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltungen unter Verwendungeines Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltungen unter Verwendungeines Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltungen (IC) unter Verwendung eines frischen Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen kann ein Laden (401) der Substrate in eine geschlossene Prozesskammer mit einem um 90° drehbaren Mittelteil; ein Schließen (402) der Prozesskammer; ein Konditionieren (403) der Prozesskammer mit Stickstoffgas mit voreingestellter Temperatur; ein sequentielles Einspritzen (404) eines frischen Gemisches aus einem chemischen Gas und aus einem chemischem Dampf in die Prozesskammer, um frische Chemikalien für die Nassbearbeitung vor Ort zu kondensieren; ein Umwälzen (405) der Gemische aus chemischen Heißdämpfen und ein Drehen mindestens eines Magnetstabs in der Prozesskammer, um die Substrate gleichmäßig zu behandeln; ein Durchführen (406) einer Spülung der Substrate mit entionisiertem Wasser und ein Einschalten der einstellbaren multimodulierten Megaschallenergie, wenn dies erforderlich ist; ein Einspritzen (408) von Lösungsmitteldampf aus Isopropylalkohol in die Prozesskammer für die Marangoni-Trocknung; ein vollständiges Trocknen (409) der Substrate in der Prozesskammer mit heißem Stickstoffgas; und ein Entladen (410) der behandelten Substrate umfassen.

Description

  • Hintergrund
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf die nasschemische Prozessbehandlung von Wafer-Substraten für integrierte Schaltkreise (IC) im Nanomaßstab und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die Reinigungssysteme für einzelne Wafer in der IC-Fertigungsindustrie durch flexiblere Nassprozessbehandlungen von Wafern ersetzt, und für einen wesentlich geringeren Verbrauch an Nasschemikalien und entionisiertem Wasser (DI), während gleichzeitig der Durchsatz in Bezug auf die Nassbearbeitung von Wafern in einer einzigen Prozesskammer verdoppelt wird.
  • Nasschemische Prozessschritte sind seit den Anfängen der IC-Fertigung, beginnend in der Mitte des letzten Jahrhunderts, die wichtigsten Bearbeitungstechnologien in Bezug auf Halbleiter. Diese Schritte dienen einem Abätzen bestimmter IC-Wafer-Materialien, einer Entfernung von Verunreinigungen aus Nichtmetallen und Metallpartikeln, die durch vorangegangene Prozessschritte eingebracht wurden, und einer Vorbereitung einer optimalen Oberflächenbeschaffenheit für den nächsten Prozessschritt in der IC-Fertigung. Herkömmlich nasschemische Verfahren machen mehr als 30% der gesamten IC-Fertigungsschritte aus. Darüber hinaus kann eine unsachgemäße Nassbearbeitung zu einer Beschädigung der Substratoberfläche, zum Ausfall von Schaltkreisen und zu einer größeren Menge an Abfall von Prozesschemikalien und DI-Wasser führen, was sich negativ auf die Ausbeute bei der Herstellung von IC-Produkten auswirken kann.
  • Nach den Regeln der physikalischen Chemie stellen die Moleküle theoretisch die kleinsten Einheiten aller Stoffe dar. Die Molekülgröße jedes Stoffes ist sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger („vapor“) Form gleich; der Abstand zwischen den Molekülen in flüssiger Form ist jedoch geringer als der Abstand zwischen den Molekülen in gasförmiger Form. Mit anderen Worten: flüssige Chemikalien besitzen eine relativ größere molekulare Bindungskraft mit einer größeren Oberflächenspannung als gasförmige Chemikalien.
  • Angesichts der immer kleineren und komplizierteren nanoskaligen Topologien von integrierten Schaltkreisen stoßen die traditionellen chemischen Nassbearbeitungsverfahren mit reinen Flüssigkeiten auf Probleme. Aufgrund der Oberflächenspannung der flüssigen chemischen Fluide für eine Nassbearbeitung ist es für die Nasschemikalien sehr schwierig oder sogar unmöglich, in die nanoskalige IC-Grabenstruktur des IC einzudringen, um eine effektive Nassbearbeitung durchführen zu können. In diese nanoskaligen Gräben können die als Heißdampf („steam vapor“) vorliegenden Chemikalien in einer weiteren, unter Druck stehenden geschlossenen Prozesskammer eindringen.
  • Nach den Grundsätzen der Thermodynamik gibt es in einem Behälter zur Erzeugung von Heißdampf bzw. überhitzten Dampf („steam vapor“) eine wichtige Variable: die Innentemperatur, die den Druck im Behälter beeinflussen kann. Insbesondere steigt der Druck im Behälter allmählich an, wenn die chemische Flüssigkeit im Behälter erhitzt wird. Wenn die Temperatur über dem Siedepunkt der chemischen Flüssigkeit liegt, steigt der Druck im Inneren des Behälters drastisch an, wodurch mehr freie Moleküle des chemischen Heißdampfes entstehen. Bei konstantem Behältervolumen werden durch den stark erhöhten Behälterdruck auch die Moleküle des Heißdampfes im Inneren des Behälters komprimiert, so dass sich dynamisch eine kleine Menge an Tröpfchen der flüssigen Chemikalie bildet, die nicht geeignet ist, in die Nanostruktur des IC-Wafers erneut eindringen zu können, insbesondere nicht im abschließenden Trocknungsschritt des Nassverfahrens, der üblicherweise mit IPA unter Verwendung der Marangoni-Trocknungsmethode durchgeführt wird. Infolgedessen würde eine große Menge an schädlichen Wassermarkern auf der Waferoberfläche zurückbleiben und unterschiedliche Formen von Granulatgruppen bilden, die den nächsten Schritt der IC-Wafer-Herstellung erheblich beeinträchtigen würden.
  • Basierend auf der Fähigkeit, eine Kreuzkontamination während der Nassbearbeitung von größeren IC-Batch-Wafern oder Fotomasken-Substraten zu eliminieren und zu minimieren, wurde das Reinigungssystem für einzelne Wafer entwickelt. Bei dieser Reinigungsmethode werden verschiedene chemische Flüssigkeiten aus Düsen gesprüht, die an Schwenkarmen über dem einzelnen, horizontal rotierenden Wafersubstrat (das durch Vakuumansaugung in der Mitte oder Spannfutter-Stifte am Waferumfang fixiert ist) im Inneren einer Prozesskammer angebracht sind. Der größte Nachteil dieser Methode und dieses Systems liegt darin, dass der Durchsatz zu gering ist, weshalb in der Regel mehrere Prozesskammern gemeinsam in einem einzigen System integriert werden, um den Durchsatz bei höheren Hardwarekosten zu erhöhen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass es unmöglich ist, die Rückseite des Wafer-Substrats zur gleichen Zeit gründlich zu reinigen, da die Haltestruktur des Vakuumsaugers oder der Spannfutter-Stifte dies nicht zulässt. Darüber hinaus ist es unmöglich, die IPA-Marangoni-Trocknung effizient durchzuführen, da das Substrat nicht vertikal platziert werden kann, um die Anforderungen der Marangoni-Trocknungstheorie zu erfüllen, und da außerdem eine erhebliche Menge an flüssigen Chemikalien und DI-Spülwasser verbraucht wird.
  • Daher werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Nassprozessbearbeitung von IC-Substraten benötigt, bei denen ein Gemisch aus chemischen Hochtemperatur-Gasen („high-temperature chemical gases“) und chemischen Hochtemperatur-Heißdämpfen („high-temperature chemical steam vapors“) zur Verwendung kommt, wobei das Gemisch mit einem Heißdampf leicht eine Größe im Bereich von weniger als einem einstelligen Nanometer erreichen kann, um in einem ausreichenden Maße nacheinander in die nanoskalige IC-Grabenstruktur des Wafer-Substrats eindringen zu können, so dass eine effektive nasschemische Dünnschicht-Formel bzw. -Rezeptur auf den Grabenoberflächen ausgebildet wird, die es ermöglicht, dass Nassprozessbearbeitungen, wie Ätzen und Reinigen, effektiv durchgeführt werden können, wobei das Verfahren und die Vorrichtung in der Lage sind, den Durchsatz der Waferbearbeitung in einer einzigen Prozesskammer zu verdoppeln, die viel weniger Chemikalien und DI-Wasser verbraucht als bestehende Nassbearbeitungsmethoden. Die resultierende chemische Dünnschicht mit einer Nassformel kann mögliche spätere Nassbearbeitungen mit reinen Flüssigchemikalien unterstützen, um reaktive Chemikalien auf der IC-Grabenoberfläche kontinuierlich zu durchdringen und auf dynamische Weise zu ersetzen. Darüber hinaus wird auch ein Verfahren und eine Vorrichtung benötigt, mit denen mehr als ein Wafer gleichzeitig behandelt werden können.
  • Zusammenfassung
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltkreise (IC) unter Verwendung eines Gemischs aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen. Das Verfahren kann das Bestücken eines mittleren Abschnitts einer Prozesskammer mit Substraten; das Schließen des mittleren Abschnitts der Prozesskammer mit ihren oberen und unteren Abschnitten; das Konditionieren der Prozesskammer mit Stickstoffgas mit einer voreingestellten Temperatur; das aufeinanderfolgende Einspritzen eines Gemischs aus chemischen Gasen und aus chemischen Heißdämpfen in die Prozesskammer; das Zirkulieren des Gemischs aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen und das Drehen eines Magnetstabs im Inneren der Prozesskammer zur gleichmäßigen Behandlung der Substrate; das Durchführen einer Spülung der Substrate mit entionisiertem Wasser ggfs. mit modulierter Megaschallenergie („megasonic energy“); das Einspritzen von Lösungsmitteldampf mit Isopropylalkohol in die Prozesskammer zur IPA-Trocknung nach Marangoni; das vollständiges Trocknen der Substrate in der Prozesskammer mit heißem Stickstoffgas; das Öffnen der Prozesskammer und das anschließende Entladen der nassbehandelten Substrate umfassen.
  • Figurenliste
  • Die ausführliche Beschreibung einiger Ausführungsformen der Erfindung erfolgt im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, wobei gleiche Bezugszeichen für übereinstimmende Teile in den Figuren stehen.
    • 1A ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung für einen nasschemischen Prozess sowohl für Batch-Wafer als auch für Doppel-Wafer veranschaulicht.
    • 1B ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, das die Verteilerprinzipien zur Erzeugung einer Mischung aus chemischen Heißdämpfen und einem chemischen Gas veranschaulicht.
    • 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die den auf dem Venturi-Effekt basierenden Zerstäuberaufbau zeigt.
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschreibt.
    • 4 ist eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die den Aufbau der Prozesskammer für die nasschemische Bearbeitung von Doppelwafern zeigt.
    • 5 ist eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die den Aufbau der Prozesskammer für die nasschemische Bearbeitung von Batch-Wafern zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung werden zahlreiche Details, Beispiele und Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird jedoch für einen Fachmann klar und offensichtlich werden, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist und dass die Erfindung in Bezug auf irgendeine von mehreren Anwendungen angepasst werden kann.
  • Die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann in Bezug auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nasschemischen Behandlung eines Substrats für integrierte Schaltungen (IC) verwendet werden und kann die folgenden Elemente aufweisen. Diese Liste möglicher Bestandteile soll nur beispielhaft sein, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese Liste dazu dient, die Vorrichtung der vorliegenden Anmeldung auf genau diese Elemente zu beschränken. Personen, die über die für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachkenntnisse verfügen, können davon ausgehen, dass es äquivalente Elemente gibt, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ersetzt werden können, ohne die wesentliche Funktion oder den Betrieb der Vorrichtung zu verändern.
  • Die verschiedenen Elemente der vorliegenden Offenbarung können in der folgenden beispielhaften Weise miteinander in Beziehung stehen. Es ist nicht beabsichtigt, den Umfang oder die Art der Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen einzuschränken, und die folgenden Beispiele sollen nur als illustrative Beispiele dargestellt werden.
  • Beispielhaft und unter Bezugnahme auf die 1A-5 umfassen einige Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltkreise (IC) unter Verwendung eines Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen. Wie z.B. in 3 beschrieben, kann der Gesamtprozess die Schritte aufweisen: ein Beladen 401 der Prozesskammer mit den Substraten (Wafer oder Displays aus Flachpaneelen, FPD) in die Prozesskammer, ein Schließen 402 der Prozesskammer, ein Konditionieren 403 der Prozesskammer mit heißem Stickstoffgas, N2, ein Einspritzen 404 eines Gemischs aus einem chemischen Gas und einem chemischen Heißdampf in die Prozesskammer, ein Zirkulieren 405 des Gemischs aus chemischen Heißdämpfen und ein Drehen 405 eines Magnetstabs im Inneren der Kammer zur gleichmäßigen Behandlung der Substrate, ein Durchführen 406 einer Spülung der Substrate mit entionisiertem Wasser ggfs. mit modulierter Megaschallenergie, ein Abschließen 407 aller weiteren erforderlichen Verfahrensschritte, ein Wiederholen der Schritte 403 - 406, falls erforderlich, ein Einspritzen 408 von Lösungsmitteldampf mit Isopropylalkohol (IPA) in die Prozesskammer zur IPA-Trocknung nach Marangoni, ein vollständiges Trocknen 409 der Substrate in der Prozesskammer mit heißem N2, und ein Entladen 410 der nassbehandelten Substrate.
  • Wie in 1A gezeigt, kann das System der vorliegenden Offenbarung eine Prozesskammer 111 mit einer Wafer-Halternut 112 beinhalten, die so ausgestaltet ist, dass sie mindestens ein Wafer-Substrat 110 für die nasschemische Bearbeitung hält. Das mindestens eine Wafer-Substrat 110 kann von mehreren kammartigen Wafer-Haltenuten 112 gehalten werden, um zu verhindern, dass die Substrate während der Behandlung miteinander in Kontakt gelangen. Mindestens ein, oder z.B. mehrere, Megaschallwandler 120 können funktionell an der Prozesskammer 111 angebracht sein. Mindestens ein Heißdampf-Einlassventil 117 kann mit der Prozesskammer 111 verbunden sein, wobei unter Druck stehender Heißdampf durch das mindestens eine Heißdampf-Einlassventil 117 in die Prozesskammer 111 eintreten kann. Mindestens ein 3-Wege-Ventil 118 kann funktionell mit der Verbindung zu dem mindestens einen Heißdampf-Einlassventil 117 in Reihe geschaltet sein, wobei jedes 3-Wege-Ventil 118 funktionell mit seinem entsprechenden Verteiler 200 für ein chemisches Heißdampf/GasGemisch verbunden ist. Die 3-Wege-Ventile 118 können von einer computergestützten Systemsteuerung gesteuert werden. Je nach Anzahl der verschiedenen Arten von chemischen Heißdampf/GasGemischen, die im Nassverfahren auf das Wafer-Substrat 110 aufgebracht werden sollen, kann die Anzahl der Verteiler 200 für chemische Heißdampf/Gas-Gemische variieren. An die Prozesskammer 111 kann auch ein Abfluss angeschlossen sein, der funktionell mit einem Abflussventil 115 für eine Isopropylalkohol(IPA)-Trocknung und einem Abflussventil 114 für Chemikalienabfälle verbunden sein kann. Das Abflussventil 115 zur IPA-Trocknung kann funktionell mit einer IPA-Trocknungs-Dosierpumpe 116 verbunden sein. Die IPA-Trocknungs-Dosierpumpe 116 und das Abflussventil 115 zur IPA-Trocknung werden während des IPA-Trocknungsprozesses nach Marangoni gesteuert, wodurch auch der Prozessdruck in der Prozesskammer 111 geregelt werden kann.
  • In den Ausführungsformen kann auch ein Prozesskammerdruckwandler 113 funktionell mit der Prozesskammer 111 verbunden sein, wobei der Druckwandler 113 verwendet werden kann, um den Prozesskammerdruck zu überwachen und eine Rückmeldung über elektrische Analogsignale an eine computergestützte Systemsteuerung zu liefern, die in technischer Hinsicht hinlänglich bekannt und in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Zusammen sorgen die Komponenten des Systems, wie zum Beispiel in 1A gezeigt, dafür, dass ein Gemisch aus chemischen Heißdämpfen in eine Prozesskammer 111 eintritt, um auf ein Wafer-Substrat 110 aufgebracht zu werden. Da die Chemikalien in die Prozesskammer 111 in einem heißdampfartigen Zustand eintreten, sind die Chemikalien in der Lage, in einem ausreichenden Maße in eine nanoskalige Grabenstruktur auf dem Wafer-Substrat 110 einzudringen.
  • Während die Ventile 117, wie oben beschrieben, als Ventile für den Eintritt von Heißdampf in die Prozesskammer 111 dienen sollen, können diese Ventile 117 auch für den Eintritt von DI-Spülwasser und einer Prozess-Stickstoffspülung verwendet werden.
  • 1B zeigt ein exemplarisches Diagramm des Verteilers 200 für das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch. Wie in 1B gezeigt, kann ein Gemisch aus einer oder mehreren flüssigen Chemikalien, Prozessstickstoff, und einem oder mehreren chemischen Gasen aus ihren jeweiligen Vorräten in den Verteiler eintreten, und ein Gemisch aus einem chemischen Gas und chemischen Heißdampf kann den Verteiler 200 verlassen, um in der Prozesskammer 111 verwendet zu werden. Insbesondere können ein oder mehrere chemische Gase und chemischer Heißdampf in einem Zerstäuber 237 für chemischen Dampf weiter kombiniert und vermischt werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Zerstäuber 237 für chemischen Dampf eine auf dem Venturi-Effekt basierende Konstruktion aufweisen. So können das eine oder mehrere chemische Gase über eine Einlassöffnung 301 für chemisches Gas und ein oder mehrere chemische Heißdämpfe über eine Einlassöffnung 300 für chemischen Heißdampf in den Zerstäuber 237 eintreten. Das eine oder die mehreren chemischen Gase und das ein oder die mehreren chemischen Heißdämpfe können sich an einer Schnittstelle 302 für den chemischen Heißdampf vermischen, wodurch ein Vakuum im mittleren, kleineren Abschnittsbad des Zerstäubers erzeugt wird, das bewirkt, dass der chemische Heißdampf in den Zerstäuber gesaugt wird und mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf eine Resonatorwand 241 strömt und in nanoskalig zerstäubte Dampfpartikel zerfällt, die dann den Zerstäuber 237 durch ein O-förmiges Auslassfitting 303 für das Gemisch in einen vertikalen Rohrpfad 242 verlassen, wo das gewünschte chemische Heißdampf/Gas-Gemisch, das in der Prozesskammer 111 verwendet werden soll, durch ein Auslassregelventil 243 für das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch austritt. Dämpfe mit Überdruck treten durch ein Entlüftungsventil 244 des Verteilers für chemische Dämpfe aus, und die kondensierten Chemikalien treten durch ein Regelventil 250 zum Sammeln der kondensierten Chemikalien in einen Behälter 249 für die Rückgewinnung der kondensierten Chemikalien und durch ein Regelventil 245 für die Rückgewinnung der kondensierten Chemikalien in eine Chemikalienrückgewinnung aus. Aufgrund der Konstruktion des Zerstäubers können kleine Mengen von Flüssigkeitströpfchen gebrochen bzw. geblockt werden, um sicherzustellen, dass nur ein nanoskaliges chemisches Heißdampf/Gas-Gemisch in die Prozesskammer 111 eintreten und in die nanoskalige IC-Grabenstruktur der Wafer-Substrate 110 eindringen kann, um eine chemische Dünnschicht mit definierter Formel für den Nassprozess auszubilden. Die Druck- und Durchflussregelung in Bezug auf die chemischen Heißdämpfe und die chemischen Gase steuert die Durchflussmenge des chemischen Heißdampf/GasGemisches.
  • Bevor das eine oder die mehreren chemischen Gase und das eine oder die mehrere chemischen Heißdämpfe in den Zerstäuber 237 eintreten, durchlaufen sie einen Prozess, der sie für den Zerstäuber 237 vorbereitet. Wie in 1B gezeigt, fließt die flüssige Chemikalie aus dem Flüssigchemikalienvorrat durch eine Flüssigchemikalien-Durchflussdosierpumpe 229 und ein Flüssigchemikalien-Füllregelventil 228 in einen Behälter 227 zur Erzeugung von chemischen Heißdämpfen. Die Anzahl der Behälter 227 zur Erzeugung von chemischen Heißdämpfen in einer bestimmten Ausführung des Systems der vorliegenden Offenbarung kann von der erforderlichen Nassprozessrezeptur abhängig sein. Es kann beispielsweise nur einer sein (DI-Heißdampf und Ozon O3-Gas), es können zwei sein (H2O2-Heißdampf + NH4OH-Heißdampf + N2-Prozessgas), oder es können mehr sein. Unabhängig von der Anzahl der Behälter 227 zur Erzeugung von chemischen Heißdämpfen können sie jedoch alle auf ähnliche Art und Weise funktionieren und eine ähnliche Struktur aufweisen.
  • Der Behälter zur Erzeugung von chemischem Heißdampf kann einen Prozesserhitzer 230 für flüssige Chemikalien enthalten, um die flüssigen Chemikalien zu erhitzen, um die flüssigen Chemikalien in Heißdämpfe umzuwandeln. Der Behälter zur Erzeugung von chemischem Heißdampf umfasst auch einen Temperatursensor 231 für den Behälter (z.B. ein Thermoelement oder ein RTD) und einen Drucksensor 234 für den Behälter zur Überwachung und Steuerung der Temperatur bzw. des Drucks darin. Prozessstickstoff kann auch aus einem Prozessstickstoff-Vorrat 236 über einen Prozessstickstoff-Druckregler 232 und ein Prozessstickstoff-Regelventil 233 in den Behälter 227 zur Erzeugung von chemischem Heißdampf gelangen. Der Behälter 227 zur Erzeugung von chemischem Heißdampf enthält zusätzlich ein Entlüftungsventil 235, um den Behälter bei Bedarf ausreichend zu entlüften, und falls der Behälterdruck zu hoch ist. Der erzeugte Heißdampf verlässt den Behälter 227 zur Erzeugung von chemischem Heißdampf durch ein Auslassregelventil 238 für den Heißdampf und passiert dann einen Auslassfilter 239 für den Heißdampf, bevor es durch den Zerstäuber 237 in die Prozesskammer gelangt.
  • Wie ebenfalls in 1B gezeigt, strömt Prozessstickstoff aus einem Vorrat durch einen Prozessstickstoff-Regler 247 und ein Prozessstickstoff-Regelventil 248 und mischt eines oder mehrere chemische Gase aus einem Vorrat 246 für chemisches Gas an einem Durchflussregler 223 für chemische Gase. Der Vorrat 246 für chemisches Gas ist funktionell mit einem Druckregler 222 für chemisches Gas verbunden, um den Druck des einen oder der mehreren chemischen Gase zu regulieren. Die chemischen Gase gelangen dann in einen Erhitzer 224 für chemisches Gas mit einem Temperatursensor 226 für chemisches Gas. Das erhitzte chemische Gas strömt dann durch einen Filter 225 für chemisches Gas, der mögliche nanoskalige Partikel aus dem entsprechenden chemischen Gas blockieren kann, und durch ein Durchflussregelventil 240 für chemisches Gas, bevor es durch den Zerstäuber 237 in die Prozesskammer gelangt.
  • Wie bereits erwähnt, gelangt das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch nach Verlassen des Zerstäubers 237 in die Prozesskammer 111. Wie in den 4 und 5 gezeigt, weist die Prozesskammer 111 einen oberen Abschnitt 501, der funktionell mit dem mittleren Abschnitt 502 verbunden ist, einen mittleren Abschnitt 502, der um 90° gedreht werden kann, um das/die Substrat(e) zu beladen bzw. zu entladen, und einen unteren Abschnitt 503 auf, der funktionell mit dem mittleren Abschnitt 502 verbunden ist. In den Ausführungsformen können die Abschnitte 501, 502, 503 der Prozesskammer während des Betriebs über einen Mechanismus 504 zur Abdichtung der Prozesskammer gemeinsam abgedichtet werden, der aus pneumatisch oder elektrisch betriebenen Zylindern bestehen kann. Tatsächlich kann der obere Abschnitt 501 einen O-Ring 505 enthalten, der an der untersten Oberfläche rundherum befestigt ist, so dass der obere Abschnitt 501 und der mittlere Abschnitt 502, wenn sie zusammen abgedichtet sind, den O-Ring 505 des oberen Abschnitts zwischen sich eingebettet haben. In ähnlicher Weise kann der untere Abschnitt 503 einen O-Ring 506 für den unteren Abschnitt aufweisen, der an seiner obersten Oberfläche rundherum befestigt ist, so dass der untere Abschnitt 503 und der mittlere Abschnitt 502, wenn sie zusammen abgedichtet sind, den O-Ring 506 für den unteren Abschnitt zwischen sich eingebettet haben. Wie in den Figuren gezeigt, kann der obere Abschnitt 501 mindestens ein daran befestigtes Einlassventil 117 für ein Heißdampf/Gas-Gemisch aufweisen, wobei das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch so ausgelegt ist, dass es über das/die Einlassventil(e) 117 für ein Heißdampf/Gas-Gemisch durch den Zerstäuber in die Prozesskammer 111 strömt.
  • Wie in den 4 und 5 gezeigt, kann die Wafer-Haltenut 112 durch einen eingekerbten Teil des mittleren Abschnitts 502 definiert werden, der integral verbunden ist. Die eingekerbten Abschnitte können im Wesentlichen bogenförmig sein. Der untere Abschnitt 503 der Prozesskammer kann mindestens einen magnetisch schwebenden rotierenden Stab 121 enthalten, der darin angeordnet ist. Der Stab 121 kann mit einem Material (wie PFA, PTFE oder ähnlichem) beschichtet sein, das fast allen typischen chemischen Flüssigkeiten und Gasen widerstehen kann, wobei der Stab 121 das Substrat während der Nassbearbeitung in der abgedichteten Prozesskammer in Rotation versetzen kann. Darüber hinaus kann der mittlere Abschnitt 502 um 90° im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, um das oder die Substrate zu beladen bzw. zu entladen, wie in den 4 und 5 dargestellt. Wie in diesen Figuren gezeigt, kann der mittlere Abschnitt 502 eine Drehstange 507 umfassen, die sich von jeder Seite aus erstreckt, wobei die Drehstange 507 mit ihrem zugehörigen Mechanismus für die Drehung des gesamten mittleren Abschnitts 502 sorgen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Fähigkeit, den mittleren Abschnitt der Prozesskammer um 90° im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen zu können, können die Wafer 110 dann aus dem mittleren Abschnitt 502 unter Verwendung eine typischen Roboterkonfiguration gemäß Industriestandard zu dem Wafer-Front-Opening-Unified-Pod (FOUP) gemäß Industriestandard geladen oder von diesem entladen werden, so dass die bearbeiteten Wafer auf einfache Art und Weise für die Nassbearbeitung aufgenommen und die behandelten Wafer zurückgeschickt werden können, bereit für den nächsten IC-Wafer-Herstellungsprozess.
  • Zusätzlich kann der mittlere Abschnitt 502 eine Vielzahl von Megaschall(„megasonic“)-Wandlerstäben 120 aufweisen, die an seiner Außenfläche angebracht sind. Bei Einzel- oder Doppelwafern können die Megaschall-Wandlerstäbe 120 am Kammerendabschnitt entlang der Durchmesserrichtung angebracht sein, wie in 4 gezeigt, und bei Batch-Wafern können die Megaschall-Wandlerstäbe 120 entlang dem mittleren Abschnitt der Kammer entlang des vorderen und hinteren Abschnitts davon angebracht sein, wie in 5 gezeigt. Die Megaschallwandler 120 können erregt werden, um erfindungsgemäße, in Bezug auf harmonische Frequenzen modulierte, in Bezug auf unterschiedliche Wellenlängen modulierte, in Bezug auf unterschiedliche Leistung modulierte Megaschallenergie während der Spülzeit der Nassbearbeitung für eine bessere Entfernung nanoskaliger Partikel zu emittieren, falls erforderlich.
  • Der untere Abschnitt 503 der Prozesskammer 111 kann einen Abfluss enthalten, der funktionell mit einem Prozesskammer-Abflussventil 114 verbunden ist, das funktionell mit einem Verteilerventil für verschiedene, benutzerspezifische Abflusseinrichtungen für Abfallchemikalien verbunden sein kann, und auch mit einem Abflussventil 115 zur IPA-Trocknung, das funktionell mit einer Dosierpumpe 116 zur Steuerung der IPA-Trocknungsprozessgeschwindigkeit verbunden sein kann.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Offenlegung sind nicht auf ein bestimmtes chemisches Heißdampf/Gas-Gemisch beschränkt. Im Gegenteil, die Vorrichtung und das Verfahren können jede beliebige Kombination von chemischen Gasen verwenden, um sie mit verschiedenen flüssigen chemischen Heißdämpfen für den Nassprozess des IC-Substrats in einer geschlossenen Prozesskammer zu vermischen, was die Flexibilität des Nassprozesses erheblich erhöht. Darüber hinaus verbrauchen die Vorrichtung und das Verfahren weitaus weniger Prozesschemikalien und DI-Spülwasser als bestehende Systeme und Verfahren und bieten gleichzeitig mehr Prozessflexibilität in Bezug auf die verschiedenen nasschemischen IC-Prozessbearbeitungen.
  • Zu den beispielhaften chemischen Heißdampf/GasGemischen gehören die Folgenden: Verwendung von erhitztem Ozongas (O3) in der Nähe von 100°C zur weiteren Zerstäubung des siedenden DI-Wasserdampfes zur Entfernung allgemeiner organischer Partikel vom Substrat und zum Strippen von Fotowiderständen; Verwendung von erhitztem Fluorwasserstoffgas (HF) in der Nähe von 158°C zur weiteren Zerstäubung des Wasserstoffperoxidwasserdampfes, um das Anhaften von Partikeln auf dem Substrat zu verhindern; Verwendung von erhitztem HF-Gas in der Nähe von 158°C zur weiteren Zerstäubung des DI-Wasserdampfes zum Ätzen von metallischem und nativem Siliziumoxid und zur Entfernung von Partikeln; Verwendung von erhitztem Stickstoff (N2)-Gas in der Nähe der entsprechenden Siedetemperatur der Abscheidungschemikalienmischung, um einen Heißdampf einer Abscheidungschemikalie mit positiver elektrischer Ladung für die Abscheidung von elektrisch negativ geladenen Substraten zu zerstäuben; und Verwendung von erhitztem Stickstoffgas in der Nähe der Siedetemperatur der entsprechenden Photobeschichtungschemikalienmischung, um einen erhitzten Heißdampf einer Photowiderstandschemikalie für den Photobeschichtungsprozess der Substrate zu zerstäuben. In jedem Fall wird das chemische Hochtemperatur-Heißdampf/GasGemisch durch Vermischen des entsprechenden chemischen Heißdampfes und des entsprechenden chemischen Gases erzeugt, die durch Erhitzen der Temperatur der chemischen Flüssigkeit über ihren Siedepunkt und durch Erhitzen des chemischen Gases in der Nähe des Siedepunkts der entsprechenden Mischchemikalie erzeugt werden, um zu vermeiden, dass der entsprechende chemische Heißdampf kondensiert, bevor er in die geschlossene Prozesskammer eintritt.
  • Da das Verfahren der vorliegenden Offenlegung ein Gemisch aus einem chemischen Gas und einem frischen chemischen Heißdampf verwendet, die einen größeren Abstand zwischen den Molekülen aufweist als ihre wiederverwendeten flüssigen chemischen Gegenstücke, kann das Gemisch in die winzige nanoskalige IC-Grabenstruktur eindringen. Das Gemisch kann dann nach und nach kondensieren, um eine chemische Dünnschicht mit Nassformel auszubilden, um die entsprechende chemische Nassprozessbearbeitung durchzuführen. Wie oben beschrieben, kann es sich bei dem Heißdampf/Gas-Gemisch um eine reine Chemikalie handeln (z.B. Fluorwasserstoff(HF)-Gas und Heißdampf aus entionisiertem Wasser), oder der Heißdampf kann aus einer Vielzahl von chemischen Gasen bestehen. Die gängigsten Chemikalien für die Nassbearbeitung sind derzeit Wasserstoffperoxid (H2O2) auf der Grundlage der RCA Standard Clean Recipes, bestehend aus SC-1 (Ammoniumhydroxid, NH4OH + Wasserstoffperoxid, H2O2+ DI-Wasser, H2O-Gemisch) und SC-2 (Salzsäure, HCl + Wasserstoffperoxid, H2O2 + DI-Wasser H2O-Gemisch). SC-1 wird für die Entfernung leichter organischer Partikel und SC-2 für die Entfernung leichter Metallpartikel verwendet. Andere gängige Chemikalien für die Nassbearbeitung sind SPM (Schwefelsäure H2SO4 + Wasserstoffperoxid, H2O2) und SOM (Schwefelsäure H2SO4 + Ozongas O3). Sowohl SPM als auch SOM werden hauptsächlich zur Entfernung schwerer organischer Verunreinigungen eingesetzt. Zu den üblicherweise verwendeten Prozesschemikalien gehören außerdem flüssiges Wasserstoffperoxid (H2O2) mit flüssigem Fluorwasserstoff (HF), um das Anhaften von Kupfer auf der Siliziumoberfläche zu verhindern. Darüber hinaus kann ozonisiertes Wasser (O3+H2O) das SPM oder SOM ersetzen, um die entsprechenden Kosten für die chemische Abfallbehandlung zu sparen und die Umwelt zu schonen. Während vorhergehend die chemischen Heißdampf/GasGemische beispielhaft beschrieben wurden, ist die Verwendung anderer Prozesschemikalien denkbar.
  • Wenn es um die Mischung von chemischen Heißdämpfen geht, können diese nacheinander zusammen mit Stickstoffgas (N2) in die Prozesskammer eingebracht werden, um dann nacheinander zu kondensieren und sich zu vermischen, um die chemische Dünnschicht mit der gewünschten Formel für den Nassprozess auf der Oberfläche der IC-Grabenstruktur auszubilden, um die entsprechende Nassprozessbearbeitung auf effektive Art und Weise durchführen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung verwenden jedes Mal frische Chemikalien für den Nassprozess, um die mögliche Kreuzkontamination durch die Wiederverwendung von flüssigen Chemikalien zu vermeiden, die bei traditionellen Nassprozessen wie dem Benchprozess auftreten. Nachdem jede entsprechende Nassprozesszeit in Bezug auf einen chemischen Heißdampf verstrichen ist, kann eine schnelle, kurzeitige DI-Wasser-Abwärtsspülung erfolgen, bei der die erfindungsgemäße modulierte Megaschallenergie angewendet werden kann, falls erforderlich. Aufgrund der rechteckigen Form der Megaschallwandler, die quer zur Durchmesserrichtung außerhalb des mittleren Abschnitts der Prozesskammerendfläche angebracht sind, können die gesamten beiden Oberflächen des Wafers ohne einen Totbereich mit dem magnetisch schwebenden Drehstab abgedeckt werden, wodurch die Wafer rotieren.
  • Um die Bildung der schädlichen Wassermarker durch kleine Flüssigkeitströpfchen während des herkömmlichen Marangoni-Trocknungsverfahrens zu vermeiden, enthält die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung einen neu konzipierten Zerstäuber. Der Zerstäuber kann angeordnet werden, bevor das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch in die Prozesskammer für die Nassbearbeitung eintritt. Wie in 2 gezeigt, kann der Zerstäuber auf der Grundlage des Venturi-Effekts ausgelegt sein. Der Zerstäuber der vorliegenden Offenbarung kann eine kleine Menge möglicher kleinerer Flüssigkeitströpfchen verhindern bzw. zerschlagen und sicherstellen, dass das gesamte, auf dem Prozessrezept basierende nanoskalige chemische Heißdampf/Gas-Gemisch ohne Flüssigkeitströpfchen in die Prozesskammer gelangt, so dass das chemische Heißdampf/Gas-Gemisch in die nanoskalige IC-Grabenstruktur auf den Wafer-Substraten eindringen kann, um einen nasschemischen Dünnfilm auf ihrer Oberfläche auszubilden und um dann die nasschemischen Prozesse auf effektive Art und Weise abzuschließen. So kann der Gasfilter im Nanomaßstab nun inline verwendet werden, ohne den effektiven Durchgang des chemischen Heißdampf/Gas-Gemisches zu beeinträchtigen, während er gleichzeitig die möglichen Verunreinigungspartikel im Nanomaßstab blockiert und reduziert, die den IC im Nanometerbereich auf den Wafer-Substraten beschädigen könnten.
  • Aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung und der Verfahrensschritte können das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung den Prozessdurchsatz in einer einzigen Prozesskammer mindestens verdoppeln, und das bei einem wesentlich geringeren Chemikalien- und DI-Wasserverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Reinigungsmethoden für einzelne Wafer. Darüber hinaus können beide Oberflächen des Substrats, einschließlich der Rückseite, gründlich gereinigt werden, ohne dass ein oder mehrere Totpunktbereiche entstehen, und es können im Vergleich zu allen derzeitigen Systemen zur Reinigung von Einzelwafern mit reinen Flüssigchemikalien wesentlich bessere Ergebnisse bei der Nassbearbeitung von IC-Wafern im Nanobereich mit einem Heißdampf/Gas-Gemisch oder zuerst mit einem Heißdampf mit Flüssigchemikalien erzielt werden. Wie oben beschrieben, können das Verfahren und die Vorrichtung auch zusätzlich die Offenbarung von in Bezug auf Multiwellen, in Bezug auf multiharmonische Frequenz, und in Bezug auf Multienergieleistung modulierter Megaschall-Reinigungsenergietechnologie beinhalten, die die einstellbare modulierte Megaschallenergie entlang der Wafer-Durchmesserrichtung emittieren kann, was zu einer vollständigen Abdeckung der gesamten Wafer-Substratoberfläche mit Megaschallenergie führt, wobei die IC-Substrate in der Lage sind, sich im Inneren der Prozesskammer zu drehen. Das Verfahren und die Vorrichtung können auch in vollem Umfang in der Lage sein, das IPA-Marangoni-Trocknungsverfahren zu nutzen, um die Marangoni-Kraft zu maximieren und Wassertröpfchen und Partikel effektiv von der Wafer-Substratoberfläche zu entfernen, was derzeit bei allen Reinigungssystemen für Einzelwafer in der IC-Fertigungsindustrie unmöglich ist.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung dargestellt. Während diese Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf zahlreiche spezifische Details beschrieben worden sind, wird ein normaler Fachmann erkennen, dass die Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Daher versteht der Fachmann, dass die Erfindung nicht durch die vorstehenden illustrativen Details eingeschränkt wird, sondern durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur nasschemischen Bearbeitung eines Substrats, wobei das Verfahren aufweist: Positionieren des Substrats in einer Prozesskammer; und Behandeln des Substrats mit einem Gemisch aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Herstellen des Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen aufweist: Erhitzen einer flüssigen Chemikalie oberhalb ihres Siedepunkts, um den chemischen Heißdampf zu erzeugen; Erhitzen eines chemischen Gases nahe dem Siedepunkt einer entsprechenden flüssigen Chemikalie, um ein chemisches Hochtemperatur-Gas zu erzeugen; und Vermischen des chemischen Hochtemperatur-Gases und des chemischen Heißdampfes.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die chemischen Heißdämpfe und die chemischen Gase nacheinander in die Prozesskammer eingebracht und kondensiert werden, um eine frische nasschemische Dünnschicht mit einer gewünschten Nassformel auf einer nanoskaligen Grabenoberfläche des Substrats auszubilden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: die Prozesskammer einen oberen Abschnitt, einen mittleren Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist; und der obere Abschnitt während der Bearbeitung gegenüber dem mittleren Abschnitt abgedichtet ist; und der untere Abschnitt während der Bearbeitung gegenüber dem mittleren Abschnitt abgedichtet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der mittlere Abschnitt sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn um 90° gedreht werden kann.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens ein magnetisch schwebender, rotierender Stab in dem unteren Abschnitt angeordnet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens ein Megaschallwandler an einer Außenfläche des mittleren Abschnitts entlang einer Richtung eines Durchmessers des Substrats angebracht ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Vermischen der Heißdämpfe und der chemischen Gase und das Durchleiten der vermischten Heißdämpfe und Gase durch einen Zerstäuber vor dem Eintritt in die Prozesskammer aufweist, wobei der Zerstäuber auf der Grundlage des Venturi-Effekts ausgelegt ist.
  9. System zur nasschemischen Behandlung eines Substrats, wobei das System aufweist: eine Prozesskammer aufweisend: einen mittleren Abschnitt; einen oberen Abschnitt, der abnehmbar mit dem mittleren Abschnitt abgedichtet ist; einen unteren Abschnitt, der abnehmbar mit dem mittleren Abschnitt abgedichtet ist; und eine Substrathaltenut, die zum Halten mindestens eines Substrats ausgelegt ist; mindestens einen Megaschallwandler, der an dem mittleren Abschnitt entlang einer Richtung des Substratdurchmessers angebracht ist; und mindestens ein Heißdampf-Einlassventil, das mit dem oberen Abschnitt verbunden ist, wobei das mindestens eine Heißdampf-Einlassventil den Eintritt von unter Druck stehendem Heißdampf in die Prozesskammer ermöglicht; und einen Zerstäuber, der funktionell mit dem mindestens einen Heißdampf-Einlassventil verbunden ist, wobei der Zerstäuber dazu ausgelegt ist, ein chemisches Gas und einen chemischen Dampf zu mischen und zu zerstäuben, um den unter Druck stehende Heißdampf zu erzeugen.
  10. Verfahren zur Nassbearbeitung von Substraten für integrierte Schaltungen (IC) unter Verwendung eines Gemisches aus chemischen Heißdämpfen und chemischen Gasen, wobei das Verfahren aufweist: Laden der Substrate in eine Prozesskammer; Schließen der Prozesskammer; Konditionieren der Prozesskammer mit heißem Stickstoffgas; Einleiten eines Gemisches aus einem chemischen Gas und einem chemischen Dampf in die Prozesskammer; Umwälzen des Gemischs aus chemischen Dämpfen und Drehen eines Magnetstabs im Inneren der Prozesskammer, um die Substrate gleichmäßig zu behandeln; Durchführen einer Spülung der Substrate mit entionisiertem Wasser mit Megaschallenergie; Einleiten von Lösungsmitteldampf mit Isopropylalkohol in die Prozesskammer; Trocknen der Substrate in der Prozesskammer mit heißem Stickstoffgas; und Entladen der behandelten Substrate.
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