DE3721940A1 - Entfernen von partikeln von oberflaechen fester koerper durch laserbeschuss - Google Patents
Entfernen von partikeln von oberflaechen fester koerper durch laserbeschussInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Entfernen kleiner Partikel von Oberflächen fester
Körper, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens bei Masken in einer Lithographie-
Anlage.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht im
Reinigen von Si-Membranmasken, die z.B. in der Elek
tronenstrahl-Lithographie zur Herstellung integrierter
Schaltkreise verwendet werden.
Im Lithographieprozeß
müssen solche Partikel von der Maske ferngehalten
werden, deren Durchmesser größer ist als etwa 1/4 der
minimalen Linienbreite auf der Maske. Für eine Linien
breite von 0,35 µm bedeutet dies, daß Partikel bis
hinab zu einer Größe von etwa 100 nm bei dem Litho
graphieprozeß störend sind und darum entfernt werden
müssen; bisher bekannte Methoden versagen, da bei
diesen kleinen Partikeln relativ zu ihrer Größe
stärkere Adhäsionskräfte auftreten. Größere Partikel
(< 1000 nm) lassen sich etwa mit Flüssigkeits- oder
Gasspülungen entfernen, oder werden dadurch entfernt
gehalten.
Bei Photolithographieverfahren können dünne durchsich
tige Folien, sogenannte Pellikel in geringem Abstand
über der Maske angeordnet werden, um Partikel von der
Maske fernzuhalten. Bei Lithographieverfahren unter
Verwendung von Elektronen- oder Ionenstrahlen dürfen
hingegen keine materiellen Gegenstände in den Strahlen
gang gebracht werden. Zudem wirken sich bei diesen
Verfahren wegen der angestrebten und möglichen ge
ringeren Linienbreiten kleinere Partikel als bei der
Photolithographie noch als störend aus. Ähnliche
Probleme ergeben sich z.B. in der Medizin oder in der
Chemie, z.B. in der Katalytik, und allgemein überall
dort, wo extrem saubere Oberflächen in einem Her
stellungs-, Verarbeitungs- oder Bearbeitungsverfahren
hergestellt werden müssen.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, löst daher die Aufgabe, kleine Partikel von
Oberflächen fester Körper zu entfernen. Dazu wird die
zu reinigende Oberfläche mit mindestens einem Puls
eines Hochleistungslasers beschossen, dessen Pulsdauer
und Leistungsdichte so bemessen sind, daß die Ober
fläche selbst nicht beschädigt wird.
Es sind wesentliche Vorteile der Erfindung, daß ein
effektives, einfaches und zerstörungsfreies Reinigungs
verfahren für Oberflächen fester Körper bereitgestellt
wird. Zudem läßt sich das Verfahren speziell bei dem
Anwendungsbeispiel der Maskenreinigung problemlos in
Lithographieanlagen zur in-situ Reinigung integrieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand
der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Skizze einer in der
Elektronenstrahl-Lithographie Verwendung
findenden Si-Maske.
Fig. 2 eine mit Partikeln verunreinigte Maske
entsprechend Fig. 1 vor dem Beschuß mit
einem gepulsten Laserstrahl.
Fig. 3 eine mit Partikeln verunreinigte Oberfläche
nach dem Beschuß, bei der nur die durch
eine Kreuzblende beleuchteten Anteile
gesäubert wurden.
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Elektronen
strahl-Lithographie-Anlage mit einer Vorrichtung
zur in-situ Reinigung der Maske gemäß der
Erfindung.
Im folgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
hauptsächlich auf das Reinigen von Si-Membranmasken
Bezug genommen. Jedoch lassen sich die Resultate
unter Anpassung der Parameter auch bei anderen
Substanzklassen, insbesondere Halbleitern und Isola
toren, und anderen Anwendungsfällen mit glatten oder
strukturierten Oberflächen erzielen.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Si-Maske wie sie in
der Elektronenstrahl-Lithographie Verwendung findet.
(1) H. Bohlen et al, IBM J. RES. DEVELOP., Vol 26,
No. 5 (1982) 568-579. Ein Si-Wafer 1 erhält an einer
Oberfläche eine 2-3 µm dicke B-dotierte Schicht 2 als
Ätzstop und eine Au-Schicht 3 zur Absorption des
Elektronenstrahls und zum Wärmetransport. Durch
mehrere Prozessschritte (unter Verwendung von reaktivem
Ionenätzen und Ätzen von der Rückseite) wird in die
Schicht 2 das gewünschte Muster in Form physikalischer
Durchgänge 4 übertragen und es entsteht dadurch eine
Si-Membran, die als Maske z.B. im Schattenwurfverfahren
zu Herstellung der gewünschten Strukturen auf einem
weiteren Si-Wafer dient. Im Zuge höherer Integrations
dichten werden die dazu erforderlichen Linienbreiten,
also die Breite der Durchgänge 4, immer geringer, so
daß Verunreinigungen und Partikel immer geringerer
Ausmaße sich als störend auswirken.
Fig. 2 zeigt eine Zeichnung nach einer SEM-Aufnahme
(Sekundär-Elektronen-Mikroskop) von einer verun
reinigten Elektronenstrahl-Lithographie-Maske, bei der
sich die Partikel sowohl auf der Oberfläche 7 als auch
in den Durchlässen 8 befinden. Die Partikel können
dabei isoliert oder zu Agglomeraten gehäuft vorkommen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß einige
wenige oder gar nur eine einzige Belichtung derartiger
strukturierter Oberflächen mit einem Puls eines Hoch
leistungslasers ausreicht, um insbesondere Submikron-
Partikel von der Oberfläche selbst und auch aus den
Durchgängen zu entfernen, ohne die Oberfläche zu be
schädigen oder sonstwie zu beeinträchtigen.
Bei Verwendung eines Lasers zu diesem Zweck muß die
Leistungsdichte ausreichend hoch sein, um überhaupt
einen Reinigungseffekt zu erzielen, und andererseits
zusammen mit den Einstrahldauern so eingestellt
werden, daß ein Aufschmelzen oder eine Abtragung der
zu reinigenden Oberfläche vermieden wird. Beispielsweise
Excimerlaser genügen diesen Anforderungen, da sie
einerseits die gewünschten Leistungsdichten besitzen
und andererseits mit sehr kurzen Pulsdauern betrieben
werden können. Zudem haben diese Laser speziell bei
der Anwendung auf Si-Masken den Vorteil, daß ihre
Strahlung wegen der kurzen Wellenlänge (im UV-Bereich)
größtenteils reflektiert wird und so eine wesentliche
Erwärmung bei geeignet gewählten Leistungsdichten
vermieden werden kann.
Für das erfindungsgemäße Verfahren gibt es einen
relativ weiten Parameterbereich von Wellenlänge,
eingestrahlter Leistungsdichte und Einstrahlungsdauer,
in dem selektiv nur Partikel von der Oberfläche
entfernt werden, die Oberfläche selbst aber unbeschä
digt bleibt. Dieser Parameterbereich wird von vielen
Faktoren der jeweiligen Anwendung bestimmt: Er hängt
einmal von der Wellenlänge des Lasers ab, dann von der
Art der Verunreinigung, wie stark z.B. die Absorption
der Partikel bei der verwendeten Laserwellenlänge ist;
er hängt weiterhin von der Größe der Partikel ab, denn
es ist zu erwarten, daß sich große Partikel schwieriger
entfernen lassen als kleine. Nicht zuletzt hängt der
Parameterbereich auch von dem zu reinigenden Material
ab, wie stark es absorbiert, ob es leichtschmelzend
ist; er hängt darüber hinaus auch von der Beschaffen
heit der zu reinigenden Materialoberfläche ab, ob sie
z.B. amorph oder einkristallin ist.
Die Bestrahlung der Oberfläche kann großflächig
erfolgen (wenn Laser hoher Leistungsdichte zur Ver
fügung stehen) oder auch rasterförmig mit geeignet
geformten oder fokussierten Laserstrahlenbündeln.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Reinigungsver
fahrens wurden auf Si-Masken einmal Polymerpartikel
(Latex) und zum anderen Al2O3-Partikeln mit einem
Durchmesser von etwa 500 nm aufgebracht (mit einer
Äthanolsuspension). Nach Verdampfen des Äthanols
liegen die Teilchen dichtgedrängt sowohl als Einzel
partikel als auch als Agglomerate auf der Oberfläche
und auch in den die Maskenstruktur darstellenden
Durchgängen der Membran. In den Versuchen wurden
Excimerlaser (KrF, XeCl) benutzt mit Pulsdauern
zwischen 5-10 ns. Die auf die Maske fokussierte Lei
stungsdichte betrug bei:
KrF: 21 MW/cm²
XeCl: 15 MW/cm²
XeCl: 15 MW/cm²
Die Mehrzahl der Partikel, selbst derjeniger, die sich
in den Durchlässen der Maske befanden, wurden bereits
durch einen Laserpuls entfernt. Die Reinigungsversuche
zeigten im Erfolg grundsätzlich keinen Unterschied
zwischen den organischen Polymerpartikeln und den
anorganischen Aluminiumoxidpartikeln.
Zur Untersuchung des Wirkungsmeachanismus für die
Partikelentfernung wurden Abtragungsversuche mit
geschlossenen Filmen aus Photolack und Polyimidfolien
mit einer eingestrahlten Leistungsdichte von etwa 50
MW/cm2 durchgeführt; dabei wurden Ablationstiefen von
etwa 200 nm/Puls beobachtet. Das abgetragene Material
wird hierbei wahrscheinlich verdampft. Bei Vorliegen
des gleichen Wirkungsmechanismusses wäre darum auch bei
der Reinigung der Oberfläche von Partikeln zunächst zu
erwarten, daß bei ähnlichen Pulsdauern und Leistungs
dichten nur Partikel bis herauf zu einem Durchmesser
von etwa 200 nm mit einem einzigen Laserpuls entfernt
werden können. Dies ist jedoch überraschenderweise
nicht der Fall: Partikel werden offenbar leichter ent
fernt als geschlossene Filme. Der genaue Wirkungsmecha
nismus ist nicht geklärt; obige Beobachtung läßt
jedoch vermuten, daß nicht nur reine Verdampfungspro
zesse eine Rolle spielen. Dies wird auch dadurch
nahegelegt, daß die verglichen mit den Polymerpartikeln
harten und wenig absorbierenden Aluminiumoxidpartikel
dennoch ebenso entfernt wurden wie die Polymerpartikel.
Es könnte z.B. der durch das oberflächlich schwingende
oder verdampfende Material des Partikels entstehende
Rückstoßimpuls zur Überwindung der Adhäsion beitragen
und damit die völlige Loslösung des Partikels ein
leiten.
Speziell bei der Anwendung von Lasern zur Reinigung
der sehr dünnen Si-Membran-Masken ist es wesentlich,
daß bei den verwendeten Leistungsdichten und Pulsdauern
die zu reinigende Maske völlig unbeschädigt bleibt. Es
ist keinerlei Veränderung, keinerlei Verformung der
Kanten und Strukturen durch eventuell stattfindendes
Aufschmelzen der Si-Oberfläche beobachtet worden.
Unter Beibehaltung der Pulsdauern von etwa 5-10 ns
wurde erst bei wesentlich höheren Leistungsdichten von
etwa 1 GW/cm2 eine Zerstörung der Maske beobachtet.
Dadurch ist ein großer Parameterbereich gegeben, der
zur optimalen Anpassung des Verfahrens bei anderen
Verunreinigungen ausgenutzt werden kann.
Fig. 3 stellt eine Zeichnung nach einer SEM-Aufnahme
einer mit Partikeln (500 nm Durchmesser) verunreinigten
Oberfläche dar, die mit einem Laserstrahl durch eine
Kreuzblende (Strichbreite 45 µm) beaufschlagt wurde.
Das Resultat zeigt deutlich, daß nur die vom Strahl
getroffenen Teile 5 der Oberfläche gesäubert sind,
während die von der Blende abgedeckten Teile 6 ungesäu
bert bleiben. Die Übergänge zwischen beiden Bereichen
sind scharf, wodurch belegt wird, daß die Ablösung
der Partikel eine direkte Wirkung der Einstrahlung
ist und nicht etwa von Maskenschwingungen verursacht
wird.
Da möglicherweise bestimmte Arten von Partikeln durch
den direkten Laserbeschuß nicht ohne Beschädigung der
zu reinigenden Oberfläche entfernt werden können, wird
in einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung eine
Hilfsschicht benutzt, die auf die zu reinigende Fläche
unter Einschluß der zu entfernenden Partikel aufge
bracht wird. Diese Hilfsschicht kann vorzugsweise aus
einem stark absorbierenden Material z.B. einem in
Abhängigkeit von der Wellenlänge geeignet zu wählenden
Metall bestehen. Die Hilfsschicht wird durch Laserbe
schuß abgetragen und die Partikel werden dabei
mitentfernt. Versuche mit Au-Schichten auf Si-Masken
ergaben, daß die Masken auch bei dieser speziellen
Methode nicht beschädigt werden und daß es wegen der
kurzen Pulsdauern zu keiner Legierungsbildung kommt.
Fig. 4 stellt eine schematische Skizze einer Elektro
nenstrahl-Lithographie-Anlage 10 dar, in die eine Vor
richtung integriert ist, mit der das erfindungsgemäße
Reinigungsverfahren zur in-situ Reinigung der Masken
durchgeführt werden kann. Ein Elektronenstrahl 11 wird
durch die Ablenkeinheiten 12 a-12 d über die Maske 13
gefächert, die sich während des Belichtungsbetriebes
im heruntergeklappten Zustand 14 befindet. Der durch
die Durchlässe 4 in der Maske im Step-and-Repeat Ver
fahren zu belichtende Wafer 16 befindet sich auf einem
beweglichen Tisch. Durch die beiden Fenster 21, 22
können mittels der Ablenkeinheiten 19, 20 zwei ge
pulste und eventuell auch fokussierte Laserstrahlen
über Ober- und Unterseite der Maske gerastert werden.
Die Maske befindet sich während des Reinigungsprozesses
im hochgeklappten Zustand 15. Ein Hochklappen der
Maske ermöglicht auch das Reinigen der Unterseite und
wirkt zudem einer eventuell möglichen Redeposition
der entfernten Partikel entgegen.
Claims (13)
1. Verfahren zum Entfernen kleiner Partikel von
Oberflächen fester Körper,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche mit mindestens einem Laserpuls
beschossen wird, dessen Leistungsdichte die
Oberfläche selbst unbeschädigt läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zu entfernenden Partikel Durchmesser im Sub
mikronbereich haben.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zum Entfernen der Partikel ausreichende Leistungs
dichte unterhalb der zur vollständigen Verdampfung
der Partikel notwendigen Leistungsdichte liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine die Partikel und die Oberfläche bedeckende
Hilfsschicht aufgebracht und durch den Laserpuls
zusammen mit den Partikeln entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hilfsschicht aus einem die Laserstrahlung
absorbierenden Metall besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichntet, daß
die Pulsdauer in der Größenordnung von Nanosekun
den und die eingestrahlte Leistungsdichte in der
Größenordnung von MW/cm2 liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Excimerlaser verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
angewandt zur Reinigung von Halbleiteroberflächen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
angewandt zur Reinigung von Isolatoroberflächen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
angewandt zur Reinigung von Lithographiemasken.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Masken Membranmasken aus Silizium sind.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 10 oder 11 in einer Lithographie-Anlage,
dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel (21, 22) zur Einführung eines Laserstrahls
in die Anlage (10) und Mittel zur Handhabung der
Maske bereitgestellt sind, die einen Laserbeschuß
von Vorder-und Rückseite der Maske erlauben.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
Vorrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Maske
während der Reinigung senkrecht gestellt wird.
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