DE2643592A1

DE2643592A1 - Verfahren zum verbesserten einsatz von fluessigkeiten bei der herstellung von halbleiterplaettchen

Info

Publication number: DE2643592A1
Application number: DE19762643592
Authority: DE
Inventors: Roderick Kermit Hood; Karl Heinz Raacke
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-12
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1977-06-16
Also published as: JPS5272579A; US4021278A

Description

Verfahren zuru verbesserten Einsatz von Flüssigkeiten bei der Herstellung von Ixalbleiterplättchen

!Die Erfindung betrifft ganz allgemein Verfahren, durch die bei ;der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen, die jauf Halbleiterplättchen aufgebaut oder in diesen enthalten jsind, der Verbrauch von uinweltschädigenden Flüssigkeiten eingejschränkt werden kann, ohne daß dabei die Quantität oder die j-^ualität der Fertigung nachteilig beeinflußt wird, wobei dieses !Verfahren eine Verbesserung über die aia 23. März 1975 mit dem flitel "lleniscuc-Containeä !lethod of Handling Fluids in the

,ilanufacture of Semiconductor üafers" eingereichte "-¹--Patentanmeldung der Anaielderin rait den Alctenzeichen von 572 570 darstellt, die doianäcast als US-Patent erteilt v/erden wird.

Durch die vorliegende Erfindung v?ird ein neuartiges Verfahren in der Anvzeudung von korrodierenden und anderen Flüssigkeiten vorgestellt, durch welches sich merkliche Vorteile für den Uraweltschutz, für die Technik und in der VTirtschaftlichke.it gegenüber bisher angewandten Verfahren beim Einsatz von Flüssigkeiten bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von integrierten Schaltungen oder hochintegrierten Schaltungen ergeben. Die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendeten Flüssigkeiten sind beispielsweise ivtzHittel, Lösungsmittel bei der Fotolithographie und eine Unraenge anderer organischer und anorganischer Chemikalien, die

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nicht nur umweltschädlich, sondern auch sehr kostspielig sind und damit auch die Herstellungskosten des Produktes beeinflussen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren bei der Behandlung von Flüssigkeiten in der Herstellung von Halbleiterplättchen entwickelt worden. Bisher hat man Flüssigkeiten im allgemeinen in einem Tank als Sprühmittel oder bei der Verdampfung eingesetzt. Beim Ätzen hat man beispielsweise ein Halbleiterplättchen in ein Bad aus einem Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittel eingesetzt, das Plättchen mit dem Ätzmittel besprüht oder aber die Ätzflüssigkeit verdampft.

Bei jedem dieser Verfahren werden große Mengen der Flüssigkeit eingesetzt und dies wiederum beeinflußt die Geschwindigkeit, mit der die Einwirkungen der Flüssigkeiten auf das Halbleiterplättchen beendet werden können, was bei manchen Verfahrensschritten, wie z. B. beim Ätzen, kritisch sein kann. Es können beispielsweise eine oder mehrere Sekunden vergehen, bis ein Halbleiterplättchen aus einem Tauchbad herausgenommen werden kann, so daß das Halbleiterplättchen durch Überätzen unbrauchbar werden kann.

Normalerweise wird man mehr als ein Halbleiterplättchen in ein Ätzbad einsetzen, so daß es vorkommen kann, daß einzelne der Plättchen unterätzt und einzelne der Plättchen überätzt werden, da die Oxidschichtdicke von Plättchen zu Plättchen schwankt. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, jeweils ein Plättchen zu ätzen, so daß diese Schwierigkeit ausgeräumt wird.

Außerdem kann ein Verfahren zum Verwenden einer Flüssigkeit die in der Flüssigkeit enthaltene Verunreinigungen beeinflussen, die das Halbleiterplättchen während eines Herstellungsverfahrensschritts zerstören können. Um beispielsweise eine Verunreini-

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gung der sorgfältig gereinigten Oberfläche eines Kalbleiterplättchens während einer Tauchätzung zu verhindern, hat man bisher im allgemeinen gefordert, daß für jede neu zu ätzende Schicht eines Halbleiterplättchens das Ätzbad vollständig ausgetauscht werden muß.

Fernerhin waren das Eintauchen oder das Besprühen mit Flüssigkeiten auch bei anderen Herstellungsverfahrensschritten mit einer Materialverschwendung verbunden, wie z. B. die Entwicklung und das Ablösen von Fotolack, so daß dabei übermäßig große Mengen an Fotolackentwickler oder Abziehlösung verbraucht wurden.

Das Ätzen und andere Verfahrensschritte bei der Herstellung erfordern die Ableitung großer Mengen sehr stark korrodierender Flüssigkeiten wie z. B. Fluorwasserstoffsäure (HF), Schwefelsäure (H₃SO₄) und andere Flüssigkeiten mit schädlichen Umgebungseinflüssen, die für eine Beseitigung mit besonderen kostspieligen Mittel behandelt werden müssen.

Außerdem werden beträchtliche Mengen edler Metalle wie Gold, Platin und Iridium während eines Ätzvorganges in den verschiedenen Herstellungsverfahrensschritten bei der Herstellung eines Halbleiterplättchens in dem Ätzmittel aufgelöst. Diese als !Abfall anfallenden Flüssigkeiten werden wieder aufgefangen, ;um diese wertvollen Metalle wiederzugewinnen. Wenn man also !die Menge der dabei anfallenden Flüssigkeiten verringert, werden auch die Kosten für die Wiedergewinnung solcher edler Metalle !herabgesetzt.

ϊZusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist besonders bei der Behandlung stark

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,korrodierender Materialien geeignet, wie sie für die Entwicklung von Fotolack, zum Ätzen und zum Ablösen von Fotolackschichten be-

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nutzt v/erden, während gleichzeitig der hohe Qualitätsstand und die Quantität bei Herstellung und Verarbeitung von Halbleiterplättchen erhalten bleibt. Es wurde festgestellt, daß die bei diesen Verfahrensschritten verwendeten, stark korrodierenden Materialien, wie z. B. Fluorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Kaliumhydroxyd und außerdem organische Lösungsmittel durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung gegenüber früher mengenmäßig um mehr als 90 % verringert werden können, während doch gleichzeitig eine Verbesserung beim Erreichen der Produktionsziele möglich war. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß für die erforderliche Ätzung einer durch Fotolack definierten Schicht auf einem Halblei terplättchen mit einem Durchmesser von 82,75 mm sich mit einer Menge von 2 ecm gepufferter Fluorwasserstoffsäurelösung eine Dicke der Flüssigkeitsschicht von etwa 2,2 mm erzielen ließ, während bei dem bisher üblichen Ätzverfahren durch Eintauchen im Durchschnitt 150 ecm der gleichen Ätzflüssigkeit pro Halbleiterplättchen der gleichen Größe erforderlich waren. Dieselbe relative Ersparnis ergab sich auch bei einer Ablöseflüssigkeit und bei Entwicklerlösung für Fotolack.

Durch die vorliegende Erfindung erhält man offensichtlich das bisher günstigste Ergebnis in dem Verhältnis von Menge des Ätzmittels in Beziehung zu Größe, Geschwindigkeit, Qualität und Quantität der dabei erzielten Ätzung.

iDie vorliegende Erfindung baut sich auf der Tatsache auf, daß eine durch einen möglichst klein gehaltenen Meniskus begrenzte Menge einer Ätzflüssigkeit oder anderer Flüssigkeiten oder öderen Mischungen eine ausgezeichnete Kontrolle bei der Herstellung von durch Fotolack maskierten Oberflächen auf Halbleiterplättchen liefert. Diese Reaktionsflüssigkeit mit besonders !kleinem Meniskus wird dadurch erreicht, daß man besondere Mittel !vorsieht, durch die die räumliche Höhe über dem zu behandelnden Halbleiterplättchen, in der sich ein normaler Meniskuskörper bei Aufbringen eines flüssigen Ätzmittels ausbilden würde, ent-

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709 824/1000 ORiGiNAi in*w=gted

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sprechend verringert wird.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Präzision und Gleichförmigkeit von Tiefe und Breite von über die Oberfläche eines Halbleiterplättchen geätzten Linien mindestens gleich gut oder besser sind als die beste Präzision und Gleichförmigkeit, die man bisher bei Tauchätzverfahren mit der über 75 Mal größeren Menge an Ätzflüssigkeit, als bei der Erfindung, erzielen konnte, wobei dafür mehrere Verfahrensstationen für das Halbleiterplättchen während der Herstellung von integrierten Schaltungen erforderlich sind. Bei dem Verfahren unter Benutzung der vorliegenden Erfindung haben sich keine nachteiligen Nebenwirkungen ergeben, die auf ein fehlendes Durchrühren der Flüssigkeit einschießlich des Fehlens aller Schwierigkeiten durch an der Halbleiteroberfläche anhaftende Luftbläschen ergeben haben, wie man sie aus den früheren Theorien von Ätzverfahren erwarten konnte.

Ein sich durch die Erfindung ergebendes Merkmal besteht darin, daß sich auch bei der Herstellung von Halbleiterschaltungen dadurch ein großer Durchsatz ergibt, daß man einen größeren Wirkungsgrad bei den Herstellungsverfahren und eine größere Flexibilität beim Aufbau und der Konstruktion der Vorrichtungen erhält. Insbesondere ist es durch die Erfindung möglich, daß verschiedene unterschiedliche Schritte des Herstellungsverfahrens an einem einzigen Ilerstellungsort zusammengefaßt werden können, während früher für die gleichen Verfahrensschritte das Halbleiterplättchen nach einigen verschiedenen Orten hatte bewegt werden müssen, so daß dabei die Herstellung insgesamt langsamer, die Herstellungszeit länger und die Ausrüstung und die Bauten größer waren als bei Einsatz der vorliegenden Erfindung. Somit können also bei der vorliegenden Erfindung mehrere Verfahrensschritte durchgeführt werden, während sich das Halbleiterplättchen an einem einzigen Ort befindet, so daß dadurch der Durchsatz bei der Herstellung von integrierten

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Halbleiterschaltungen beträchtlich erhöht wird.

Aus diesen Ausführungen läßt sich daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ableiten, die ganz allgemein darin besteht, ein neues Verfahren bei der Behandlung der Flüssigkeiten einzuführen, die bei der Bearbeitung der Oberfläche eines Halbleiterplättchens bei der Herstellung von elektronischen Halbleiterschaltungen eingesetzt werden, um die Menge der zur Bearbeitung erforderlichen Flüssigkeiten beträchtlich zu verringern. Dabei soll natürlich die Ätzqualität nicht nur beibehalten sondern noch dadurch verbessert werden, daß sich eine genauere Beendigung eines Ätzvorganges erreichen läßt als mit bisher bekannten ritzverfahren. Durch die Erfindung ist auch die sehr rasche Anwendung von Zentrifugalkräften oder statischen Spühlvorgängen möglich, um dadurch einen Ätzvorgang präzise abzuschließen, verglichen mit der langsamen Beendigung eines Ätzvorganges wie z. B. beim Tauchätzen oder Verdampfungsätzen.

Auch andere Verfahrensschritte wie Ätzen und fotolithographische Verfahren werden durch die Möglichkeit des Einsatzes von lichtreflektierenden und anderen einen Endpunkt anzeigenden Mitteln mit größerer Genauigkeit durchführbar. Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, die empfindlichsten Mittel zum Feststellen des Endes eines Ätzvorganges einzusetzten und die Erfindung gestattet damit eine sehr rasche Beendigung des Ätzvorganges in Abhängigkeit von einem solchen Signal. Für viele Arten von Schichten auf einem Halbleiterplättchen ist die Ätzzeit äußerst kritisch, da die Schichtdicke im allgemeinen in a" gemessen wird und eine geringfügige Überätzung die Schicht dadurch zerstören kann, daß zuviel Material von der Schicht abgetragen wird. Der Ätzschritt wurde bisher meist durch Zeitablauf und neuerdings durch Feststellung des Endpunktes der Ätzung beendet.

Von besonderem Wert bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß man dadurch eine beträchtliche Vereinfachung und Flexibili-

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tat der verschiedenen Geräte und Apparate erzielt, die bei der Entwicklung des Fotolacks, beim Ätzen und beim Abziehen der Fotolackschicht benötigt werden, im Vergleich mit den bisher erforderlichen Geräten. Diese Vereinfachung der erforderlichen Geräte kommt noch zu dem Vorteil hinzu, daß nur sehr geringe Mengen der entsprechenden Flüssigkeiten benötigt werden. Dadurch werden natürlich auch die für die Lagerung von Entwicklern, Ätzflüssigkeiten und Lösungsmitteln benötigten Vorratsbehälter entsprechend kleiner ausfallen, man benötigt keine Geräte mehr, mit deren Hilfe bereits benutzte Flüssigkeiten wieder brauchbar gemacht werden können, und bei der Abfallbeseitigung ergibt sich ebenfalls eine entsprechende Verringerung der dafür erforderlichen Vorrichtungen und insgesamt damit auch eine höhere Arbeitssicherheit.

Durch die Erfindung ist es ferner möglich, bei der Bearbeitung und Herstellung von Halbleiterplättchen mehr Verfahrensschritte an einem einzigen Ort auszuführen, als dies bisher bei der Herstellung von Halbleiterschaltungen möglich war, wie z. B. das Ablösen der Fotolackschicht nach dem Ätzen, das Waschen und Trocknen des Halbleiterplättchens in Vorbereitung für das Aufbringen einer nächsten Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens und die Wiederholung dieser Verfahrensschritte für jede niedergeschlagene Schicht im gesamten Herstellungsverfahren, bis daß die integrierte Schaltung auf dem Halbleiter-.plättchen fertiggestellt ist. Demgemäß eignet sich die vorliegende Erfindung besonders gut für die vollautomatische Herstellung von Halbleiterschaltungen und man kann leicht Halbleiteriplättchen unterschiedlicher Größen verarbeiten, indem die für die verschiedenen Verfahrensschritte erforderlichen Flüssigkeitsmengen entsprechend verändert ausgegeben werden können.

'Damit wird auch erreicht, daß ein Halbleiterplättchen während !der Herstellung von integrierten Schaltungen wesentlich weniger transportiert werden muß, als dies bei bisher bekannten Verfahren üblich war, da durch die Erfindung ein gruppenweises

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Zusarnraenfassen von Verfahrensschritten an einem einzigen Ort möglich ist, während früher für eine derartige Untergruppe von Verfahrens schritten ein wiederholtes Transportieren des HaIbleiterplättchen zwischen mehreren Orten erforderlich war.

Durch die Erfindung ist es auch nicht mehr notwendig, beim Ätzen und nachfolgenden Ablösen einer Fotolackschicht die Rückseite des Halbleiterplättchens mit einer Schutzschicht zu versehen, wie dies bisher beim Tauchätzen oder beim Verdampfungsätzen erforderlich war, da die Rückseite des Halbleiterplättchens bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ätzflüssigkeit oder der zum Abziehen der Fotolackschicht dienenden Lösung nicht mehr ausgesetzt ist.

Das ganz wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, daß eine erfolgreiche Ätzung oder eine andere Flüssigkeitsbehandlung durch eine wesentlich kleinere Menge einer statischen Flüssigkeit durchgeführt v/erden kann, die durch ihre Oberflächenspannung oder durch andere Mittel zur Bildung einer Meniskusgrenze rund um den Körper der Flüssigkeit gehalten wird, die an den Kanten der oberen Oberfläche eines abgestützten Halbleiterplättchens vorgesehen sind. Dieser durch einen Meniskus zusammengehaltene, kleiner als normale Flüssigkeitskörper für jedes Reagenzmittel oder Mischungen solcher Reagenzien wird dadurch gebildet, daß man durch besondere Mittel !die räumliche Höhe reduziert, die normalerweise von einer beistimmten Flüssigkeit zur Bildung eines innerhalb eines Meniskus liegenden Flüssigkeitskörpers erforderlich wäre, nachdem die Flüssigkeit auf der durch eine chemische Reaktion zu behandelnden !oberfläche des Halbleiterplättchens aufgebracht ist. Es wurde (daher gefunden, daß die chemische Reaktion oder die chemische 'Einwirkung ohne Bewegung der Flüssigkeit durchgeführt werden kann, die man früher für die Entfernung von Gasblasen bei der jÄtzung von präzisionsmikroskopischen Oberflächen für erforderlich hielt. Die Meniskusgrenze wird durch die scharfen Kanten

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eines Halbleiterplättchens unterstützt/ die mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit in der Weise zusammenwirken, daß eine große Toleranz im Volumen der Flüssigkeiten zulässig ist, die auf die Oberfläche eines Halbleiterplättchens aufgebracht werden, um die gesamte Oberfläche des Halbleiterplättchens zu benetzen und doch nicht an den Kanten des Halbleiterplättchens überzulaufen. Der durch einen Meniskus begrenzte Flüssigkeitskörper erfüllt jedoch diese Bedinungen mit 12 bis ungefähr 22 ecm gepufferter Fluorwusserstoffsäure als Ätzmittel auf einem Halblei terplättchen mit einem Durchmesser von 82,75 mm ohne überlaufen an der Kante des Halbleiterplättchens, wobei jedoch die gesamte obere Oberfläche des halbleiterplättchens für alle Volumina zwischen diesen Grenzen voll bedeckt ist. Es wurde festgestellt, daß die Grenzen dieser Volumina durch Netzmittel beeinflußt werden. Obgleich die hier beschriebene Erfindung auf eine Seite eines Halbleiterplättchens anwendbar ist, lassen sich doch diese Ilittel auf der Ober- und Unterseite eines Werkzeuges gleichzeitig oder voneinander getrennt anwenden.

In der ausgeführten Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ilalbleiterplättchen auf einem Drehtisch aufgebracht, wie er beispielsweise bei einer Zentrifuge oder bei einem Vakuumspannfutter benutzt wird. Die unter einem Flüssigkeitsmeniskus ablaufende Entwicklung des Fotolacks, das litzen und das Abziehen der Fotolackschicht wird durchgeführt, während das Ilalbleiterplättchen durch das Spannfutter festgehalten wird. Hachdem die durch den Meniskus begrenzte Flüssigkeit aufgebracht ist und in dem Äugenblick bei dem das Verfahren oder der Verfahrensschritt abgeschlossen ist, wird die durch den Meniskus begrenzte Flüssigkeit dadurch rasch von dem Halblei terplättchen entfernt, daß der Drehtisch mit den Halbleiterplättchen durch einen Motor rasch gedreht wird, so daß durch die Zentrifugalkraft der Meniskus sehr schnell zerstört und die Flüssigkeit von der Oberfläche des Halbleiterplättchens entfernt wird. Zum Waschen des Halbleiterplättchens kann beim

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Rotieren oder beim Stillstand Wasser oder eine andere Spülflüssigkeit auf das Halbleiterplättchen gespritzt oder gesprüht werden.

Auf diese Weise läßt sich eine Zusammenfassung der feststehenden bzv7. Rotationsschritte aufstellen, die an einem Halbleiterplättchen an einem einzigen Fertigungsort durchgeführt werden können:

1 . Fotolackentwicklung mit einer durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitsmenge (statisch),

2. Anhalten der Entwicklung und Spülen (Rotation),

3. Trocknen (Rotation),

4. Sintern (statisch),

5. Ätzen mit einem durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper (statisch),

6. Beendigung der Ätzung und Spülen (Rotation),

7. Ablösen der Fotolackschicht mit durch Meniskus begrenztem Flüssigkeitskörper (statisch),

8. Ende des Verfahrensschritts und Spülen (Rotation),

9. Trocknen (Rotation).

Das Verfahren mit feststehender Spindel und Ätzen oder andere Verfahrensschritte mit kleinstem durch Meniskus begrenztem Flüssigkeitskörper gemäß der Erfindung wurde mit großem Erfolg bei vielen verschiedenen auf einem Halbleiterplättchen aufgebrachten oder niedergeschlagenen Schichten, wie z. B. Oxid und polykristallines Silizium, dotiertes Oxid, polykristallines Siliziumnitrid, dünne Oxidschicht, dicke Oxidschicht, Aluminium und durch Zerstäubung aufgebrachte Quarzschichten durchgeführt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sina den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im Einzelnen zu entnehmen .

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch eine BearbeitungsStation in der

das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Fig. 2 eine Draufsicht einer Vorrichtung zur Begrenzung der Bearbeitungsflüssigkeit und zur Darstellung der verschiedenen Röhrchen, die durch die Oberseite einer bevorzugten Ausführungsform eintreten,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, bei der das

Halbleiterplättchen an einer drehbaren Spindel in einer Winkelposition angebracht ist,

Fig. 4 eine drehbare Spindel und ein Halbleiterplätt

chen und die der Flüssigkeitszufuhr dienenden Röhrchen auf der Unterseite des Halbleiterplättchens und

Fig. 5A und 5B eine drehbare Spindel mit Halbleiterplättchen

in aufrechter Position zur Darstellung einer konvexen und einer konkaven Form des Halbleiterplättchens und des Spindelkopfes.

Die Erfindung baut auf der Benutzung einer Vorrichtung auf, durch die ein durch einen Meniskus begrenzter Flüssigkeitskörper, der kleiner ist, als er sich normalerweise ausbilden würde, auf jder Oberfläche einer feststehenden Halbleiterscheibe zur Einwirkung gebracht werden kann, auf der entweder eine entwickelte •oder nichtentwickelte Fotolackschicht oder ein anderes Material ,während der Herstellung einer integrierten Schaltung vorhanden ist. Das Halbleiterplättchen wird dabei in praktisch jeder beliebigen Form auf einer drehbaren Vorrichtung angebracht und

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befestigt während äer Verwendung des statischen durch einen Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörpers. Eine Anzahl wichtiger Parameter spielen dabei eine Rolle, wie die in einepi von einem Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper enthaltene Flüssigkeit möglichst klein gehalten v/erden kann, wobei diese Flüssigkeit bei der Entwicklung eines Fotolacks, beim litzen mit einer Säure oder beim Abziehen der Fotolackschicht mittels einer Lauge verwendet v/erden kann. Diese Parameter enthalten die Temperatur, die Oberflächenspannungseigenschaften der bestimmten Flüssigkeit und den Anteil an einem Benetzungsmittel, falls ein solches in der Flüssigkeit verwendet wird.

Versuche mit durch einen Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörpern ergaben, daß es für eine gegebene Flüssigkeit ein kleinstraögliches Volumen gibt, das erforderlich ist, um ein Halbleiterplättchen zu bedecken und daß es ein größtmögliches Volumen gibt, über das hinaus die Begrenzung durch den Meniskus aufbricht und die Flüssigkeit an der Kante des Halbleiterplättchens überläuft. Diese überlaufende Flüssigkeit ist damit verschwendet. Ferner wurde gefunden, daß dieses kleinste Volumen verringert werden und immer noch wirksam bleiben kann, indem man eine Vorrichtung benutzt, durch die der Raum oder die Höhe begrenzt v/ird, in der sich die durch Meniskus gebildeten Flüssigkeitskörper ausbilden können.

Der Anteil an Benetzungsmittel hat einen wesentlichen Einfluß auf die Grenzwerte eines kleinsten oder größten Volumens in einem durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper auf einer gegebenen Halbleiteroberfäche. Es wurde festgestellt, daß ohne Benetzungsmittel in gepufferter Fluorwasserstoffsäure als iitzmittel mit einem Halbleiterplättchen mit einem Durchmesser von 82,75 mm und einer entwickelten Fotolackschicht, mindestens 23 ecm Flüssigkeit erforderlich waren, um die Oberfläche des Halbleiterplättchens durch einen durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper zu bedecken und daß ein überlaufen

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einsetzt, wenn das Volumen des Flüssigkeitskörpers den Höchstwert von 29 ecm überschritt. Damit erhält man einen Schwankungsbereich von 6 ccn für das in einem Meniskus enthaltene Volumen eines Flüssigkeitskörpers für eine vollständige Bedeckung der Oberfläche ohne überlauf. Wird dagegen der für die Bildung eines Flüssigkeitsmeniskus zur Verfügungs stehende Raum verringert, dann läßt sich auch die für den Verfahrensschritt erforderliche Flüssigkeitsmenge von der normalen Meniskusbildung für eine gegebene Flüssigkeit bis zu einem Kleinstwert verringern, der kurz oberhalb des für eine Flüssigkeitsströmung verfügbaren Raumes liegt.

Wenn man jedoch dem gleichen aus gepufferter Fluorwasserstoffsäure bestehenden Ätzmittel etwa 1 % eines handelsüblichen Benetzungsmittels beigemischt hat, dann stellt sich heraus, daß das kleinstmögliche Volumen an Ätzmittel in einem Flüssigkeitskörper für eine vollständige Bedeckung des Halbleiterplättchens auf 12 ecm verringert wurde, während das größtmögliche Volumen, bei dem ein Überlaufen begann, bei 14 ecm lag. Die Beigabe von etwa 1 % eines Benetzungsmittels ergibt somit eine Verringerung des Verbrauchs an in einem Meniskus enthaltenen Flüssigkeitskörper für Ätzmittel um den Faktor von etwa 50 %.

Ls wurde jedoch festgestellt, daß die Menge an Benetzungsmittel nicht ständig weiter erhöht werden kann, um damit kontinuierlich das in einem Flüssigkeitskörper enthaltene Flüssigkeitsvolumen zu verringern. D. h_v die Begrenzung durch einen Meniskus geht dann verloren, wenn der Anteil an Benetzungsmittel für eine bestimmte Flüssigkeit einen bestimmten Wert überschreitet, bei den dann ein überlaufen an einer Kante auftreten kann, bevor die gesamte Oberfläche des Halbleiters mit Flüssigkeit bedeckt ist, so daß für diesen Verfahrensschritt das Halbleiterplättchen nicht voll abgedeckt ist und das Herstellungsverfahren unbrauchbar wird.

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D. h., wenn ein Teil der Oberfläche des Halbleiterplättchens nicht mit Ätzmittel bedeckt ist, so wird damit das Herstellungsverfahren unbrauchbar, da auf der unbedeckten Fläche das erforderliche Ätzverfahren nicht durchführbar ist.

Wenn also ein Benetzungsmittel verwendet v/erden soll, so muß für jede gegebene Flüssigkeit ein brauchbarer Anteil an Benetzungsmittel gewählt v/erden. Mit einem solchen Anteil an Benetzungsmittel bleibt eine so große Oberflächenspannung in der Flüssigkeit erhalten, daß diese Flüssigkeit ohne überlaufen über der gesamten Oberfläche des Halbleiterplättchens einen durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper bilden kann. Der optimale Anteil an Benetzungsmittel liegt daher kurz unterhalb demjenigen Anteil, bei dem das Halbleiterplättchen nicht mehr vollständig bedeckt wird. Daher wird die bei einem Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Bearbeitungsflüssigkeit durch den oberhalb des Halbleiterplättchens zur Verfügung stehenden, für die Bildung eines Flüssigkeitsfilmes oder Flüssigkeitskörpers ausreichenden Raum beeinflußt.

Es wurde ferner festgestellt, daß in keinem Fall das in irgend einem durch Meniskus begrenzten Flüssigkeitskörper enthaltene Volumen an gepufferter Fluorwasserstoffsäure für die erforderliche Ätzung bei der erforderlichen Ätzgeschwindigkeit nicht ausreichend v/ar. Versuche haben gezeigt, daß die Menge an Lösungsmittel zum Lösen eines entwickelten Musters auf einem 82,75 mm Durchmesser Halbleiterplättchen nur den Bruchteil eines Kubikzentimeters beträgt. In allen beobachteten Fällen überstieg das durch das Benetzungsmittel zulässige optimale Volumen das für die geforderte Ätzgeschwindigkeit erforderliche Volumen bei weitem. (Die Ätzgeschwindigkeit an der Oberfläche wird dabei durch die Konzentration des Ätzmittels und seine Temperatur bestimmt, die oberhalb oder unterhalb Zimmertemperatur liegen kann. Zimmertemperatur und erhöhte Temperatur werden für das Ätzen unterschiedlicher Arten von Oxiden benutzt.)

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Tn Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, in der mehrere Herstellungsverfahrensschritte unter Verwendung von durch Meniskus
begrenzten Flüssigkeitskörpern auf einem Siliziumhalbleiterplättchen 1 an einem einzigen Ort in einer Verarbeitungskammer 2 durchgeführt werden können. Diese Verfahrensschritte sind die Entwicklung eines■Fotolacks, Atzen, Festellen des Endes eines Ätzvorganges, Entfernung des Ätzmittels, Abziehen der Fotolack- f maske, Waschen und Trocknen. Dann kann das Halbleiterplättchen '. für den Niederschlag eines weiteren Films, für das Aufbringen
eines Fotolacks und eine Belichtung durch Projektion an einen
anderen Ort gebracht werden, worauf das Halbleiterplättchen mit ; der neuen Schicht und der neuen Fotolackschicht nach dem in Fig. 1 j dargestellten Ort gebracht werden kann, wo die gleichen Verfah- · rensschritte an der neu niedergeschlagenen Schicht zur Bildung
eines durch das belichtete Muster auf der Fotolackschicntoberflächen bestimmten Musters wiederholt werden kann. Mehr als ein halbes
Dutzend unterschiedlicher Schichten werden normalerweise auf der i Oberfläche eines Halbleiterplattchens während der Herstellung
einer integrierten Schaltung niedergeschlagen und geätzt. Daher
kann das Halbleiterplättchen periodisch nach dem in Fig. 1 dargestellten Ort gebracht werden, damit die jeweils neue Schicht j gemäß der Belichtung der Fotolackmaskenschicht geätzt werden j kann, um dann das Halbleiterplättchen für das Aufbringen der ^: nächsten bei der Herstellung vom integrierten Halbleiterschaltüngen erforderlichen Schicht vorzubereiten.

In Fig. 1 dient eine Bearbeitungskammer 10 der Aufnahme eines j

Halbleiterplättchens 1 auf einer mit hoher Geschwindigkeit j

rotierbaren durch Vakuum betätigbare Halterung 3, auf der das \

■Halbleiterplättchen 1 waagrecht aufliegt, obgleich die Position \

des Halbleiterplättchens beim Erreichen der vorteilhaften j

■Wirkungen der Erfindung nicht auf die waagrechte Lage beschränkt ■

:ist. ■■■...■■■' ■ I

Eine Druckluftquelle 4 steht über ein durch einen elektrisch
gesteuerten Schalter 6 betätigtes Ventil mit einem Druckluft-

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motor 5 in Verbindung zum Antrieb der welle 7 und der daran angebrachten Haltevorrichtung. Der Schalter 6 dient zum raschen Su- und Abschalten von Druckluft für den Motor 5 in Abhängigkeit von einem über eine Leitung 8 von einer programmierbaren Steuerung 9 ankommenden Signal. Der Ilotor 5 läuft mit sehr hoher Beschleunigung an. Wird das Ventil 6 gesperrt, um die Rotation anzuhalten, dann bleibt das Halbleiterplättchen 1 statisch auf der Halterung 3 zentriert und eine Deckplatte 10 oder eine andere geeignete Vorrichtung wird dann so angebracht, daß zwischen Halbleiterplättchen und Deckplatte 10 ein begrenzter Raum 11 gebildet wird, der die gewünschte Eearbeitungsflüssigkeit aufnehmen kann, wobei über diese Deckplatte die Bearbeitungsflüssigkeit in der Weise zuführbar sind, daß nach Zufuhr einer vorbestimmten Flüssigkeitsmenge die der Zufuhr dienenden Leitungen abgesperrt v/erden können. Wie bereits angedeutet, kann die über dem Halbleiterplättchen liegende Deckplatte aus einem beliebigen Material oder von beliebiger Form sein je nach Form und Ausgestaltung des Halbleiterplättchens und des Bearbeitungswerkzeugs. In Fig. 3 ist eine Winkellage dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Bearbeitungsmaterialien von einer Position unterhalb der Vakuumhaitevorrichtung zugeführt werden. Fig. 5A und 5B zeigen ein konvexes bzw. konkaves Halbleiterplättchen mit entsprechend geformter Halterung und den begrenzten Raum für die Bearbeitungsflüssigkeit.

Die mit hoher Geschwindigkeit rotierbare Halterung 3 entspricht ihrer Form im allgemeinen der Form des Halbleiterplättchens und ist in Fig. 2 gezeigt und weist eine Sonde 13 auf, über die das Ende einer chemischen oder anderen Reaktion feststellbar ist sowie eine Vakuum- oder Unterdruckleitung 14, die durch die rotierende Spindel 7 nach der Oberfläche der Halterung 3 führt. Die Bearbeitungsflüssigkeiten treten über die Röhrchen 31A und 38A aus.

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Das Verfahren zum Betrieb der dargestellten Ausführungsform der Erfindung beginnt damit, daß eine Gruppe von Leitungen 16a an den Bohrungen in der Deckplatte 10 über dem Halbleiterplättchen befestigt wird. Normalerweise liegen die Leitungen rechts von dem Kalbleiterplättchen 1 in Fig. 1, so daß noch an den Enden der Leitungen hängende Tröpfchen nicht mehr auf das Halbleiterplättchen fallen können, nachdem die Reaktion abgeschlossen ist. Die Gruppe von Leitungen 16a wird dadurch über das Halbleiterplättchen 1 bewegt, daß durch Erregen eines ein Ventil betätigenden Schalters 18 Druckluft in einen Zylinder 17 in Fig. 1 eingeleitet wird. Der Kolben 19 wird dann durch über eine Leitung 20 zugeführte Druckluft betätigt, der über eine Schubstange 21 und ein Gleitstück 22 betätigt und über das Halbleiterplättchen bewegt, wenn über eine der Leitungen 16a eine Flüssigkeit nach der Oberfläche des Halbleiterplättchens geleitet werden soll. Der Kolben hält dann in einer vorbestimmten Position, in der sich die Leitungen 16a über dem Halbleiterplättchen 1 befinden, an, wenn der Kolben 19 eine Bohrung 23 im Sylinder 17 frei gibt, daß die im > Zylinder 17 befindliche Luft nach draußen entweichen kann, so daß sich der Kolben 19 nicht mehr gegen die Kraft einer Feder 24 v/eiter bewegen kann. Sobald die Flüssigkeit aus irgend einer der \ Leitungen 16a vollständig abgegeben ist, wird das Ventil durch Aberregen des Schalters 13 gesperrt und damit bewegt sich die Gruppe von Leitungen unter der Kraft der Feder 24, während sich die im Zylinder 17 befindliche Druckluft durch eine kleine iia Zylinder befindliche Ableitbohrung 25 ausgleicht.

Die Gruppe von Leitungen 16a wird von einem Block 26 getragen, der: in einer Öffnung 27 der Kammer 2 gleitend angeordnet ist. Ein biegsamer Abschnitt 16b der Leitungen ist vorgesehen, um die erforderliche Bewegung der Gruppe von Leitungen 16a und der Deckplatte 10 sicherzustellen.

V7enn sich die Gruppe der Leitungen 16a über dem Halbleiterplättchen 1 befindet, dann wird eine genau abgemessene Menge

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eines Entwicklers für Totolack über einen lleßzylinder 28 auf die Fotolackoberfläche des ITalbleiterplättchens über Leitung ■"31 und Düsen 31A aufgebracht. Der Meßzylinder 28 liefert dabei ganz genau die zur Bildung eines vorbestimmten durch ileniskus begrenzten Flüssigkeitskörpers benötigte Flüssigkeitsmenge auf die Fotolackoberfläche des Halbleiterplättchens 1 von Kante zu Kante ohne Überlauf. Es wurde festgestellt, daß diese Menge Entwickler mehr als ausreicht, das durch ultraviolette Strahlung in der Fotolackoberfläche belichtete Bild zu entwickeln. Der Flüssigkeitsmesser 28 enthält einen durch einen Elektromagnet 29 angetriebenen Kolben. Ist der Elektromagnet erregt, dann drückt der Kolben eine elastische Kunststoffhülle 30, die eine Entwicklerflüssigkeit für Fotolack enthält, zusammen, worauf diese Entwicklerflüssigkeit durch das Rohr 31 und die Düse 31a auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 1 gedrückt wird. Nach Betätigung geht der Kolben unter Einwirkung einer Rückholfeder des Elektromagneten in seine Ausgangsposition zurück, wodurch sich die elastische Hülle 30 wieder ausdehnt und eine abgemessene Menge des Entwicklers über ein Ein-Richtungsventil 33 und eine Leitung 34 aus einem Vorratsbehälter für Fotolackentwickler ansaugt.

Nach Beendigung der Entwicklung des Fotolacks bleiben die Leitungen 16a über dem Ilalbleiterplättchen und das Ventil 35 wird betätigt zum Aufsprühen einer Spülflüssigkeit, wie z. B. entionisiertes Wasser aus der Düse 35A, um damit loses Fotolackmaterial abzuwaschen, das nach dem Abschluß der Entwicklung ' noch vorhanden sein könnte. Anschließend wird der llotor 5 über ■ den Schalter 6 betätigt, um das ganze lose Material und das j Spülmittel abzuschleudern. Anschließend wird ein heizelement 37 I betätigt, wodurch die nunmehr freiliegenden Kanten des ver- i bleibenden Fotolackmaterials getrocknet und weiter gehärtet ■ werden können.

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Der Motor 5 wird jetzt angehalten und das Plättchen steht wieder still. Anschließend wird eine genau abgemessene Menge eines Ätzmittels, wie z. B. gepufferte Fluorwasserstoffsäure (HF) mit ;einem optimalen Anteil an Benetzungsmittel über Meßzylinder 33

j auf die Oberfläche der entwiekelten Fotolackschicht auf dem

!Halbleiterplättchen 1 abgegeben zur Bildung eines durch Meniskus !begrenzten Flüssigkeitskörpers 11 aus Ätzmittel ohne überlaufen. i - = "

Dies wird gemäß Fig. 1 in der Weise durchgeführt, daß der Klektromagnet 39 erregt wird, so daß eine abgemessene Menge Ätz- !mittel über die Leitung 38a und ihre Düse zur Bildung eines jvorbestimmten Volumens eines durch Meniskus begrenzten Flüssig- -keitskörpers 11 an die Oberfläche des Halbleiterplättchens 1 [abgegeben wird. Der Meßzylinder 38, 39 ist der gleiche wie der Meßzylinder 28, 29.

Sobald der aus Ätzmittel bestehende Flüssigkeitskörper 11 gebildet list, bleibt der Schalter 18 eingeschaltet, so daß die Leitungen i16a mit der Deckplatte 10 und der Sonde 13 über dem Halbleiter- ! plättchen" 1 verbleiben. Dann ist die Sonde 13 mit seiner Spitze ;in Berührung mit dem aus Ätzmittel bestehenden Flüssigkeitskörper j 11, und der Detektor wird durch Erregung eines Lasers 40 betätigt, jder über einen Lichtleiter 41 Licht auf die Oberfläche des ;Halbleiterplättchens 1 wirft, von wo es reflektiert und durch jeinen Lichtleiter 42 nach einem Fototransistor oder Lichtdetektor j 43 geleitet wird.

Die Lichtleiterbündel 41 und 42 sind biegsam, so daß die Sonde 13, der sich in der Deckplatte 10 befindet und in Berührung mit der Bearbeitungsflussigkeit steht, ebenfalls in seitliche Richtung bewegt werden kann. Die Spitze der Sonde 13 enthält eine Polykarbonatlinse, die in einer flüssigkeitsdichten Kunststoffmanschette am Ende des die Sonde bildenden Lichtfaserbündels angeordnet ist. Sonst würde das Ätzmittel nämlich die Enden der Lichtleiterfasern, die dann in unmittelbarer Berührung mit dem Ätzmittel sind, angreifen, so daß die Lichtleiterfasern kein Licht mehr übertragen könnten» Damit würde aber das Detektor-BtT975 ÖT8 ~ —- -- -

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system ausfallen.

Der daran angeschlossene Detektor 43 erhält Licht über den Lichtleiter 42 und erzeugt ein der Menge des von der zu ätzenden Oberfläche reflektierten Lichtes entsprechendes Signal. Das Ausgangssignal des Detektors 43 wird in einem Verstärker 44 verstärkt und von dort über eine Leitung 45 an die programmierbare Steuerung 9 abgegeben. Ifenn das von Verstärker 44 über Leitung 45 abgegebene Signal konstant wird, dann zeigt dies das Ende des ützvorganges an, und die programmierbare Steuerung S betätigt dann den Schalter 6, wodurch der Ilotor 5 sehr rasch anläuft und das Kalbleiterplättchen so rasch dreht, daß die auf den Ileniskus einwirkende Zentrifugalkraft den Flüssigkeitskörper unmittelbar aufbricht und die Flüssigkeit von der Oberfläche des Halbleiterplättchens auf die Innenwände der Kai.imer 2 schleudert, von wo die Flüssigkeit dann nach einem Ablauf 46 abläuft. Gleichzeitig werden auf den Ausgangsleitungen 47 una 48 der Steuerung 9 Ausgangssignale abgegeben, die das Ventil 35 betätigen, so daß Spülflüssigkeit auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 1 geleitet wird, um damit die Oberfläche von vielleicht noch verbleibendem ützmittel und anderen fremden Bestandteilen zu reinigen. Das Halbleiterplättchen kann dabei, solange die Spülflüssigkeit zugeführt wird, unter Einwirkung des Motors 5 weiter rotieren. Die iltzung ist damit für die !zuletzt auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens niedergeschlagene Schicht, auf der die derzeitige Fotolackschicht aufgebracht war, beendet.

Su diesem Zeitpunkt werden die Leitungen 16a und die Deckplatte 10 mit der Sonde 13 unter Einwirkung der Feder 24 nach jrechts von dem Halbleiterplättchen 1 bewegt, indem das den !Schalter 18 betätigende Signal abgenommen wird.

Ein Beispiel eines solchen das Ende eines iitzvorgangs anzeigenden 'Detektorsystems ist in IBM Technical Disclosure Bulletin,

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April 1973 auf Seite 3532 unter dem Titel "Etch End-Point Detector" von R. W. Price beschrieben.

Wenn der litzvorgang beendet ist, dann rauß die noch auf der llalbleiteroberfäche befindliche Fotolackschicht zur Vorbereitung für nachfolgende Verfahrensschritte abgezogen werden, bevor die näciiste Schicht auf dem Halbleiterplättchen 1 niedergeschlagen werden kann. Das Abziehen der Fotolackschicht wird ebenfalls durch Aufbringen einer weiteren genau abgemessenen Menge eines durch Ueniskus begrenzten Flüssigkeitskörpers 11 einer Ablöseflüssigkeit, wie z. B. von heißer Schv/efeisäure (H₀SO.) , in der Weise aufgebracht, daß der !Elektromagnet 46 betätigt wird, der wiederum einen Kolben in einem Meßzylinder 47 betätigt und damit die erforderliche Menge der Ablöseflüssigkeit durch eine Leitung 47a und die entsprechenden Düsen 47d zur Bildung eines durch Ileniskus begrenzten Flüssigkeitskörpers 11 auf der Halbleiteroberfläche in gleicher Weise abgibt, wie dies zuvor im Zusammenhang mit der genau bemessenen Abgabe von Flüssigkeiten durch die Zylinder 38 und 28 beschrieben wird. Nach Beendigung dieses Vorgangs, der durch einen Zeitablauf in der Steuerung

9 bestimmt ist, wenn alle verbleibenden Fotolackteile gelöst oder aufgelöst sind, wird der Motor 5 erneut erregt und die Flüssigkeit des Flüssigkeitskörpers 11 wird durch die Zentrifugalkraft augenblicklich entfernt. Die Spülflüssigkeit wird dann wiederum durch die Steuerung 9 über Leitung 35a zugeführt, uia damit die verbleibenden Verunreinigungen auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 1 zu entfernen, worauf das Heizelement 37 eingeschaltet wird, um das Plättchen zu trocknen. Das Halbleiterplättchen kann nunmehr aus der Kammer

10 herausgenommen werden, um die Verfahrensschritte durchzuführen, durch die die nächste Schicht auf dem Halbleiterplättchen 1 aufgebracht wird. Sodann kann das Halbleiterplättchen wiederum in die Kammer 2 eingebracht v/erden, so daß dann anschließend alle zuvor beschriebenen Operationen zur Bildung der nächsten Schicht wiederholt werden können usw. bis der Herstellungsvorgang für das Ilalbleiterplättchen beendet ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Behandeln von Halbleiterscheiben mit einem stationären Flüssigkeitskörper gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Anbringen der Halbleiterscheibe auf einer drehbaren Unterlage und unter einer die Höhe des für einen Flüssigkeitskörper auf der Halbleiterscheibe zur Verfügung stehenden Raumes begrenzenden Vorrichtung (10) Abgabe eines vorbestimmten Volumens der Behandlungsflüssigf-

keit in den Zwischenraum zwischen der Halbleiterscheibe und der begrenzenden Vorrichtung, wodurch die gesamte Oberfläche der Halbleiterscheibe von einem meniskusförmigep. Flüssigkeitskörper bedeckt ist, dessen Höhe jedoch ; geringer ist als ohne die begrenzende Vorrichtung (10) Stationäres Aufrechterhalten dieses meniskusartigen i Flüssigkeitskörpers auf der Halbleiterscheibe, bis die gewünschte Reaktion beendet ist

Feststellen der Beendigung der gewünschten Reaktion und sofortiges

Rotieren der Halbleiterscheibe mit so hoher Geschwindigkeit, daß der meniskusartige Flüssigkeitskörper weggeschleudert wird, wenn die Reaktion beendet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die die Höhe des meniskusartigen Flüssigkeitskörpers begrenzende Vorrichtung nacheinander verschiedene Behandlungsflüssigkeiten einschließlich Spülflüssigkeiten zugeführt werden.

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ORfGfNAL INSPECTED

Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kammer (2) eine auf einer Spindel (7) drehbare halterung (3) für Halbleiterscheiben angeordnet ist und daß eine in eine Position mit geringem Abstand von der Halbleiterscheibe verfahrbare Deckplatte (10) vorgesehen ist, die öffnungen (31a, 35a, 38a, 47d) für die Zufuhr von Behandlungsflüssigkeiten aufweist, welche über Leitungen (16b) aus Vorratsbehältern mit abgemessenen Mengen von Behandlungsflüssigkeiten speisbar sind.

Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deckplatte (10) eine Sonde (13) eingelassen ist, über die das Ende einer Reaktion mit Hilfe einer Detektoreinrichtung (40, 41, 42, 44, 45) feststellbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Halterung und die Form der Deckplatte der Form der Halbleiterscheibe angepaßt sind.

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