DE69415298T2

DE69415298T2 - Verfahren und einrichtung zum ätzen von halbleiterwarfern

Info

Publication number: DE69415298T2
Application number: DE69415298T
Authority: DE
Inventors: Henry F. St. Peters Mo 63376 Erk; Roland R. St. Peters Mo 63376 Vandamme
Original assignee: SunEdison Inc; MEMC Electronic Materials Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: KR0161794B1; CN1043278C; DE69415298D1; EP0673545A1; WO1995010850A1; US5340437A; JPH08502148A; JP3081246B2; EP0673545B1; KR950704809A; CN1115588A; SG46423A1; EP0673545A4; MY112147A; TW288167B

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von Halbleiter-Wafern, bei dem die Wafer einem Ätzmittel in Form eines Schaums ausgesetzt werden, und eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
Halbleiterwafer, wie z. B. Siliziumwafer erhält man aus einem Einkristallblock, wie z. B. einem aus Silizium gezüchteten Block, durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Schneiden des Blockes in einer Richtung, die senkrecht zu der Achse des Blockes ist, um einen dünnen Wafer herzustellen, Glattschleifen des Wafers, um seine vorderen und hinteren Oberflächen zu glätten, Ätzen des Wafers zum Entfernen möglicher Bearbeitungssmängel, die durch das Sägen und Glattschleifen entstanden sind, und von irgendwelchem eingebetteten Schleifabrieb, und Polieren der geätzten Oberfläche.
Bei einem typischen Ätzverfahren werden mehrere Halbleiter-Wafer in einem Ätzgestell oder -gehäuse befestigt und das ganze Gestell wird in ein Ätzmittel eingetaucht. Das Ätzgestell besteht typischerweise aus einem trommelähnlichen Gehäuse mit einer oder mehreren parallelen horizontalen Rollen, wobei jede von ihnen mehrere endlose Umfangsrillen besitzt, die in regelmäßigen Abständen in deren Oberfläche eingeschnitten sind. Die Rillen sind so angeordnet, daß ein in eine der Rillen jeder Rolle eingesetzter Wafer senkrecht zu den Achsen der Rollen und parallel zu den anderen von dem Ätzgestell gehaltenen Rollen steht. Die Rollen sind um ihre Achsen drehbar und werden durch einen Antriebsmechanismus angetrieben, so daß jeder Wafer um eine Achse rotiert, die parallel zu der Achse der Rollen ist, vergleiche z. B. US-Patent Nr. 3,964,957 und 5,211,794.
Im Routinegebrauch enthalten Ätzmittel typischerweise ein starkes Oxidationsmittel, wie z. B. Salpetersäure, Dichromat oder Permanganat, ein Lösungsmittel wie z. B. Fluorwasserstoffsäure, die das Oxidationsprodukt löst, und ein Verdünnungsmittel, wie Essigsäure. Der relative Anteil dieser Säuren, der die glatteste und gleichmäßigste Ätzung erreicht, ist jedoch einer mit einer noch relativ hohen Abtragungsgeschwindigkeit. Um die Ungleichmäßigkeit zu minimieren, muß daher die Drehgeschwindigkeit des Wafers relativ hoch sein, z. B. 20 bis 30 UpM, um zu verhindern, daß Dellen in den Wafer geätzt werden. Da jedoch die Wafer dicht beieinanderstehen (4 bis 7 mm entfernt voneinander) neigt jede Drehung der Wafer dazu, eine Starrkörperdrehung der Flüssigkeit zwischen den Wafern zu bewirken, und folglich ist die Säure zwischen den Wafern relativ stagnierend. Dieser Starrkörpereffekt ist ausgesprochen deutlich bei niedrigen Geschwindigkeiten wie 5 UpM und ist problematisch bei typischen Drehgeschwindigkeiten von 20 bis 30 UpM. Dieser Effekt, gekoppelt mit der großen stumpfen Form der Ätzgestelle oder -gehäuse, die bisher benutzt wurden, führte zu einem ungleichmäßigen Ätzen der einzelnen Wafer und zu ungleichmäßiger Ätzung entlang der Längsseite des Gehäuses, so daß die Wafer in verschiedenen Positionen dazu neigen, unterschiedliche Abtragungen zu erfahren.
Bei dem Bemühen, die Gleichmäßigkeit der Ätzung zu verbessern, wurden Gase in den Ätztank eingeperlt und dazu veranlaßt, zwischen die Wafer zuströmen, die von dem Ätzgestell oder -gehäuse gehalten werden, vergleiche beispielsweise US-Patent Nr. 4,251,317 und 4,840,701. Die Ergebnisse waren jedoch aus verschiedenen Gründen nicht völlig zufriedenstellend. Erstens hat es sich als schwierig erwiesen, einen gleichförmigen Strom von Gasblasen über das ganze Ätzgestell oder -gehäuse und über die ganze Oberfläche aller Wafer zu erzeugen. Zweitens neigen die Einperlvorrichtungen nicht dazu, eine annähernd gleichmäßige Verteilung von kleinen, mittleren und großen Blasen zu gewährleisten, die zur Herstellung eines Wafers mit relativ geringer Mikrorauhheit, örtlicher Dickenvariation und Gesamtdickenvariation nötig sind. Kleine Blasen (kleiner als 5 Mikrometer im Durchmesser) reduzieren die Mikrorauhheit des Wafers, mittelgroße Blasen (5 Mikrometer bis etwa 2 mm im Durchmesser) erhalten eine niedrige Variation der örtlichen Dicke des Wafers, und große Blasen (größer als 2 mm im Durchmesser) erhalten eine niedrige Gesamtdickenvariation über den Durchmesser des Wafers. Drittens wurde durch die Benutzung von Einperlvorrichtungen der Starrkörpereffekt wegen der hohen Rotationsgeschwindigkeiten nicht gänzlich ausgeschaltet.
Die Schaumätzung eines Werkstückes durch das Einperlen von Luft in einen Behälter mit flüssigem Ätzmittel zur Bildung einer Blasenstruktur oder eines Schaums des Reaktionsmittels auf der Oberfläche der Flüssigkeit, die Anbringung des Werkstückes auf einem schwimmfähigen Element und das Schwimmen lassen des schwimmfähigen Elementes auf dem Schaum, während das Werkstück in Kontakt mit dem Schaum ist, wird in dem US- Patent Nr. 3,483,049 vorgeschlagen.

Zusammenfassung der Erfindung

Als Aufgabe der Erfindung kann man daher die Schaffung eines Verfahrens zum Ätzen von Halbleiter- Wafern betrachten, die Schaffung eines solchen Verfahrens, bei dem der Starrkörpereffekt minimiert wird; die Schaffung eines solchen Verfahrens, bei dem Wafer bei relativ niedrigen Drehgeschwindigkeiten gleichförmig geätzt werden können; die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die geätzten Wafer einen relativ niedrigen Oberflächen-Mikrorauhheitswert Ra (die arithmetische mittlere Rauhheit) haben; die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die geätzten Wafer eine relativ niedrige Gesamtdickenvariation aufweisen (die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Dicke der Wafer); die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die geätzten Wafer eine relativ niedrige örtliche Dickenvariation aufweisen (die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Dicke in einem Abschnitt des Wafers, z. B. einem Abschnitt von 20 mm · 20 mm); und die Schaffung einer Vorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
Kurz gesagt ist daher die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ätzen eines Halbleiter-Wafers gerichtet. Das Verfahrens umfaßt die Stufen der Drehung des Wafers und Berührung des rotierenden Wafers mit einem fließenden Schaum. Der Schaum wird zumindest teilweise durch das Aufschäumen eines unter Druck gesetzten Ätzmittels gebildet, das ein gelöstes Gas enthält, welches nicht mit dem Halbleiter-Wafer oder mit den Bestandteilen des Ätzmittels reagiert.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiter-Wafern. Die Vorrichtung umfaßt ein Gestell zum Halten von wenigstens zwei im allgemeinen scheibenförmigen Halbleiter-Wafern, wobei das Gestell eine Fluidkammer mit entgegengesetzten offenen Enden begrenzt. Die Vorrichtung umfaßt zusätzlich ein Umlaufsystem zur Bewegung eines Halbleiter-Wafer- Bearbeitungsfluids in Form eines fließenden Schaums zwischen den Halbleiter-Wafern von dem Eintrittsende zu dem Austrittsende durch die Fluidkammer, wobei der Schaum durch das Aufschäumen eines unter Druck gesetzten Ätzmittels gebildete Blasen aufweist und das Ätzmittel ein gelöstes Gas enthält, das mit dem Halbleiter-Wafer oder den Bestandteilen des Ätzmittels nicht reagiert.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung sind zum Teil offensichtlich und werden zum Teil nachfolgend dargestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Vorderansicht der Wafer- Ätzvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Ätztank und Ätzgestell, wobei Teile weggebrochen sind;
Fig. 2 ist eine Draufsicht des Ätztanks von Fig. 1, von dem das Ätzgestell entfernt wurde;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Ätzgestells von Fig. 1;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Rollen des Ätzgestells von Fig. 1, die mit einem typischen Halbleiter-Wafer in Eingriff sind;
Fig. 5 ist eine teilweise Draufsicht auf eine der Rollen des Ätzgestells von Fig. 1;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht nach der Linie 6-6 von Fig. 5; und
Fig. 7 ist ein Schema einer Vorrichtung zur Herstellung einer unter Druck gesetzten Säure mit einem gelösten Gas zur Zuführung zu der Ätzvorrichtung von Fig. 1.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in allen Darstellungen der Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Erfindungsgemäß werden geätzte Wafer mit einer mittleren Oberflächenmikrorauhheit von weniger als 0,09 Mikrometern, vorzugsweise weniger als etwa 0,07 Mikrometern (Ra), einer mittleren Gesamtdickenvariation von weniger als etwa 1,4 Mikrometern und einer örtlichen Dickenvariation von weniger als etwa 0,6 Mikrometern durch ein Verfahren hergestellt, bei dem die Bestandsentfernung von dem Siliziumwafer weniger als etwa 25 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 20 Mikrometer, beträgt. Die Bestimmung der Oberflächenmikrorauheit (Ra) kann nach dem ASME-Standard B.46.1 und die Bestimmungen der Gesamtdickenvariationen und der örtlichen Dickenvariation können nach dem ASTM-Standard (vorläufig) 20191-Rev6 vorgenommen werden oder mit einem Tester, der von der ADE Corporation (Newton, Mass) unter der Handelsbezeichnung UltraGage 9500 verkauft wird.
Nach diesem Verfahren werden Halbleiter-Wafer mit einem fließenden Ätzmittel in Form eines Schaums in Berührung gebracht. Der Schaum wird durch ein unter Druck gesetztes Ätzmittel gebildet, das komprimierte Blasen und ein gelöstes Gas enthält. Bei einem plötzlichen Druckabfall dehnen sich die komprimierten Blasen aus und bilden mittlere und große Blasen, und das Ätzmittel schäumt unter Bildung kleiner Blasen auf (d. h. das gelöste Gas wird sofort aus der Lösung entbunden, indem es kleine Blasen auf dieselbe Weise bildet, wie sich gelöste Kohlendioxidgasblasen bilden, wenn der Korken einer Champagnerflasche entfernt wird).
Das in dem Ätzmittel gelöste Gas kann faktisch irgendein Gas sein, das mit dem Halbleiter-Wafer oder den Bestandteilen des Ätzmittels nicht reagiert. Diese nicht- reagierenden Gase umfassen elementare Gase wie z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Edelgase, wie z. B. Helium und Argon, und Gasverbindungen, wie z. B. Kohlendioxid. Ein inertes Gas wie Helium ist am meisten bevorzugt, weil es die niedrigste Löslichkeit besitzt und daher die kleinsten Blasen ergibt; Helium jedoch verbietet sich wegen der relativ hohen Kosten. Wasserstoff und Sauerstoff haben ebenso relativ niedrige Löslichkeiten, aber sie sind relativ teuer in ultrareiner Form und/oder sie können zusätzlich eine Sicherheitsrisiko darstellen. Daher werden Kohlendioxid und Stickstoff gegenüber anderen Gasen bevorzugt, und Stickstoff wird gegenüber Kohlendioxid bevorzugt, weil es die niedrigere Löslichkeit von beiden besitzt.
Das Ätzmittel umfaßt ein Oxidationsmittel wie z. B. Salpetersäure, Dichromat oder Permanganat, und eine Lösungsmittel, wie Fluorwasserstoffsäure, das das Oxidationsprodukt auflöst, und ein Verdünnungsmittel wie Essigsäure, Phosphorsäure, Glyzerin oder Wasser. Um die Größe der kleinen Blasen zu stabilisieren, umfaßt das Ätzmittel vorzugsweise auch ein oberflächenaktives Mittel, das in einem Säurebad chemisch stabil ist.
Exemplarische oberflächenaktive Mittel umfassen Phosphorsäure und fluorierte oberflächenaktive Mittel wie z. B. Ammoniumperfluoralkylsulfonat, das unter der Handelsbezeichnung FC-93 verkauft wird, Kaliumperfluoralkylsulfonate, die unter den Handelsbezeichnungen FC-95 und FC-98 verkauft werden, und ein fluoriertes, quarternäres Alkylammoniumjodid, das unter der Handelsbezeichnung FC-135 von der 3M- Corporation (St. Paul, Mn) verkauft wird. Phosphorsäure ist das bevorzugte oberflächenaktive Mittel, da es vorteilhafterweise zusätzlich als Verdünnungsmittel dienen kann. Insbesondere enthält das Ätzmittel zwischen etwa 40 und etwa 70% Salpetersäure (als 69 Gew.-% HNO&sub3; in Wasser), zwischen etwa 3 und etwa 11% Fluorwasserstoffsäure (als 49 Gew.-% HF in Wasser) und zwischen etwa 20 und etwa 40% Phosphorsäure (als 85 Gew.-% H&sub3;PO&sub4; in Wasser). Im besten Fall umfaßt das Ätzmittel 58 Vol.-% Salpetersäure, 6 Vol.-% Fluorwasserstoffsäure und 36% Phosphorsäure (auf Basis der oben dargestellten Ausgangslösungen). Das Verhältnis von Phosphorsäure zu Salpetersäure kann daher innerhalb des Bereiches von etwa 1 : 1 bis etwa 0,25 : 1 liegen, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 0,5 : 1 bis etwa 0,7 : 1 und insbesondere bei etwa 0,62 : 1. Die Polierwirksamkeit kann weiter verbessert werden, wenn konzentriertere Säuren benutzt werden und der Wassergehalt reduziert wird.
Das Ätzmittel hat eine Temperatur von etwa 25ºC bis etwa 45ºC, und der Halbleiter-Wafer wird mit dem Ätzmittel für einen Zeitraum in Berührung gebracht, der ausreicht, um eine Bestandsentfernung von nicht mehr als etwa 25 Mikrometern, vorzugsweise nicht mehr als etwa 20 Mikrometern zu erreichen. Wenn der Halbleiter-Wafer dem fließenden Schaum ausgesetzt wird, ist die Ätzgeschwindigkeit etwa 2 bis etwa 20 Mikrometer pro Minute, vorzugsweise etwa 2,5 bis etwa 15 Mikrometer pro Minute und insbesondere etwa 5 Mikrometer pro Minute. Auf diese Weise werden die Wafer in dem Schaum für einen Zeitraum von etwa 1 bis 10 Minuten geätzt, vorzugsweise für etwa 1,5 bis 5 Minuten.
Die Halbleiter-Wafer werden gedreht, während sie in Berührung mit dem fließenden Ätzmittel sind. Um den Starrkörpereffekt zu minimieren, werden die Wafer mit einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 5 UpM gedreht, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 3 UpM, und insbesondere mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 UpM.
Mit Bezug auf Fig. 1 werden die Halbleiter-Wafer in einer Ätzvorrichtung geätzt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und einen Ätztank 12 zur Aufnahme eines Ätzmittels 14 umfaßt. Ein Wehr 16 teilt den Tank 12 in die Tankabteilungen 18 und 20. Ein Abfluß 22 ist am Boden der Tankabteilung 20 zur Entfernung des Ätzmittel aus dem Ätztank angebracht, und ein Einlauf 24 ist am Boden der Tankabteilung 18 zum Zuführen des Ätzmittel zum Ätztank angebracht.
Unter der Tankabteilung 18 liegt die Kammer 26, durch die ein Ätzmittelverteiler 28 hindurchgeführt ist. Der Ätzmittelverteiler ist ein Rohr mit 18 Reihen Löchern 30 (17 Löcher pro Reihe, wobei jedes Loch einen Durchmesser von 1,5 mm hat), wobei die Reihen in einem Abstand von annährend 20º getrennt voneinander über den Umfang des Verteilers verteilt angeordnet sind. Die Enden 29a und 29b des Ätzmittelverteilers 28 sind mit einer Ätzmittelquelle verbunden. Als Verschluß der Oberseite der Kammer 26 dient eine Platte 32 mit einer zentralen Öffnung (nicht dargestellt), um den Aufwärtsstrom des Ätzmittels aus der Kammer zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die zentrale Öffnung ein Rechteck von 250 mm · 125 mm, das durch ein Gitter begrenzt wird mit einer Reihe von 50 Löchern, die in einem quadratischen Gitter von 25 x 25 mm angeordnet sind, wobei die Löcher einen Durchmesser von 1,5 mm haben.
Oberhalb der Platte 32 sind drei Sets aus perforierten oder porösen Verteilerplatten 34a, 34b und 34c, die durch die Abstandhalter 36a, 36b und 36c getragen und getrennt sind. Vorzugsweise umfaßt jeder Set von Verteilerplatten einen Stapel von drei übereinanderliegenden porösen dünnen Platten mit Poren, deren Größe in dem Bereich von 200 bis 300 Mikrometern liegt. Die Platten können poröse Polypropylenblätter sein, wie diejenigen, die unter der Handelsbezeichnung Porex X4912 von der Porex Technology Corp. (Fairburn, Georgia) verkauft werden mit Poren von etwa 250 Mikrometern, ferner vergleichbare poröse PVDF-Platten oder andere vergleichbare dünne Platten. Jeder Plattenset ist annähernd 19 mm dick und jeder Set wird durch eine Lücke von annähernd 6,35 mm getrennt. Die Anzahl der Plattensets, die benötigt wird, um den Aufwärtsfluß des Ätzmittels über die Breite und Länge der Platten bei einem bestimmten Verfahren und einer bestimmten Vorrichtung zu verteilen, hängt jedoch von der Fließgeschwindigkeit des Ätzmittels, der Art der porösen dünnen Platte und der Porösität der Plätten ab.
Ein Rahmen 38 erstreckt sich um den Umgang der Tankabteilung 18 oberhalb der Plattensets und hat eine zentrale rechteckige Öffnung, die den Einlauf 24 begrenzt.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 hat ein Ätzgestell allgemein mit 40 bezeichnete Seitenwände 42 und 44, eine Rückwand 46 und eine Vorderwand 48 (von denen ein Teil gezeigt wird). Die unteren Kanten der Wände sind nach Größe und Form so gestaltet, daß sie an dem Rahmen 38 sitzen und gegen einen Flüssigkeitsaustritt zwischen dem Ätzgestell und dem Rahmen abdichten. Die Ätzgestellwände begrenzen eine Fluidkammer 49, die das Ätzmittel von dem Einlauf 24 kommend durchfließt. Das Ätzgestell 40 umfaßt vier im allgemeinen horizontale Rollen 52 (zwei obere Rollen 52a, 52b und zwei untere Rollen 52c, 52d), die durch die Seitenwände 42 und 44 hindurchgehen. Die Rollen 52 sind so angeordnet, daß sie an den Umfangskanten mehrerer vertikaler orientierter Halbleiter-Wafer 50 angreifen, um sie abzustützen. Jede Rolle hat mehrere axial mit Abstand angeordnete Umfangsrillen 51 (vorzugsweise 21 Rillen), um die Waferkanten aufzunehmen, und mehrere Längsrillen 53 (vergleiche Fig. 5 und 6). Elastomere Bänder 55, z. B. Bänder aus Viton oder einem Elastomer, das von Dupont (Wilmington, Delaware) unter der Handelsbezeichnung Kalrez verkauft wird, werden in die Längsrillen 53 wenigstens einer Rolle, und zwar der Rolle, die unterhalb des Zentrums des Wafers liegt und die Kante des Wafers bei Drehung nach oben drängt, und vorzugsweise von zwei oder mehr Rollen eingesetzt wird, um zu verhindern, daß die Wafer auf den Rollen rutschen, während diese gedreht werden. Die Bänder 55 sind besonders gegen Ende des Ätzzyklus von Vorteil wenn das chemische Polieren einen glatten Rand herstellt, der zum Rutschen gegenüber den Plastikrollen neigt. Zwei Paare von Pseudowafern 54 und 56 (z. B. dünne Plastik- oder Siliziumscheiben mit annähernd demselben Durchmesser wie die Halbleiter-Wafer 50) werden durch die Rollen 52 und die Halterungen 57 an den Seitenwänden 42 und 44 des Ätzgestells gehalten. Die Innenmaße des Ätzgestells sind vorzugsweise etwa 135 · 254 mm, wobei es zusätzlich zu den Pseudo-Wafern siebzehn 200 mm Wafer oder fünfundzwanzig 150 mm Wafer unterbringt (ausgehend von der Annahme, daß die Rollen 52 mit einer ausreichenden Anzahl von Umfangsrillen versehen sind).
Durch die Seitenwände 42 und 44 geht eine Führung 58 hindurch, die die Aufwärtsbewegung der Wafer während des Ätzprozesses begrenzt, ferner die Griffe 60, die zum Zwecke der Bewegung des Ätzgestells erfaßt werden können, und eine Drehachse 62, die zwei koaxiale Antriebswellen 64 und 66 drehbar miteinander verbindet. Die Drehung der Wellen 64 und 66 mit Hilfe eines Elektromotors (nicht dargestellt) oder eines anderen geeigneten Mechanismus verursacht die Drehung der Rollen 52 mit Hilfe von zwei Zahnradzügen, die allgemein mit 68 und 70 bezeichnet sind und an den entgegengesetzten Enden der Rollen angreifen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt der Zahnradzug 70 ein auf der Welle 64 befestigtes Antriebszahnrad 100, die Rollenzahnräder 102a, 102b und 102c, die an den Enden der Rollen 52a, 52b und 52c befestigt sind, sowie Untersetzungszahnräder 104 und 106, die die Rollenzahnräder mit dem Antriebszahnrad drehbar kuppeln. Die Untersetzungszahnräder sind auf der Seitenwand 44 drehbar gelagert und verleihen den Rollenzahnrädern ein hohes Drehmoment und niedrige Geschwindigkeit. Obwohl der Zahnradzug 70 mit 3 Rollenzahnrädern gezeigt ist, versteht es sich, daß der Zahnradzug vier Rollenzahnräder haben kann (d. h. ein Rollenzahnrad für jede Rolle einschließlich Rolle 52d) oder nur zwei Rollenzahnräder, ohne daß dadurch der Umfang dieser Erfindung verlassen wird. Es versteht sich, daß der Zahnradzug 68 im wesentlichen dem Zahnradzug 70 gleich ist.
Die entgegengesetzten Enden der unteren Rollen 52c und 52d sind mit den Seitenwänden 42 und 44 mit Hilfe von Gleitelementen 108 verbunden, die in den an den Seitenwänden gebildeten Aussparungen 110 entlanglaufen. Die Gleitelemente sind relativ zu dem unteren Untersetzungszahnrad 106 nach oben und nach außen beweglich, um die Rollenzahnräder der unteren Rollen von dem unteren Untersetzungszahnrad zu trennen und die Rollen ausreichend auseinanderzufahren und dadurch ein schnelles Einsetzen und Entfernen der Wafer aus dem Ätzgestell 40 zu ermöglichen. Eine Blattfeder 112 ist mit den unteren Rollen verbunden, um die Rollen nach unten und nach innen zu drücken, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Anwendung eines nach oben gerichteten Druckes gegen einen Mittelteil der Blattfeder 112 veranlaßt die unteren Rollen, sich nach außen zu bewegen. Einstellschrauben 114 und 116 sind auf der Seitenwand 44 befestigt und können mit dem Gleitelement 108 in Eingriff gebracht werden, um die Einwärtsbewegung der Gleitelemente und der entsprechenden Rollen einstellbar zu begrenzen.
Im allgemeinen haben die Halbleiter-Wafer eine Orientierungflachstelle an einem Teil ihres Umfangs, um die Kristallorientierung anzuzeigen. Die Rollen müssen daher in ausreichender Anzahl vorhanden und so angebracht sein, daß sie eine radiale Bewegung der Wafer verhindern, wenn die Orientierungsflachstelle eines jeden Wafers in eine an den Rollen anliegende Position gedreht wird.
Unter besonderem Bezug auf Fig. 4 umfaßt das Ätzgestell vorzugsweise nicht mehr als und nicht weniger als 4 Rollen 52a, 52b, 52c und 52d. Die genaue Position der Rollen, die benötigt wird, um eine radiale Bewegung des Wafers zu verhindern, wenn seine Orientierungsflachstelle in eine an der Rolle anliegende Position gedreht wird, variiert in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Wafers, der Länge der Orientierungsflachstelle und der Anzahl der Bogengrade, die die Orientierungsflachstelle hat. Im allgemeinen jedoch müssen der Winkel δ kleiner als der Winkel γ und die Summe der Winkel δ und γ größer sein als der Winkel , worin δ der Bogengrad des Wafers ist zwischen einer horizontalen Ebene 120, die durch das Waferzentrum geht, und einer Ebene 122, die die Achse einer oberen Rolle und das Waferzentrum enthält. γ ist der Bogengrad des Wafers zwischen der horizontalen Ebene 120 und einer Ebene 124 mit der Achse einer unteren Rolle und dem Waferzentrum, und ist der Bogengrad des Wafers, der sich über die Flachstelle erstreckt. Der Winkel ist kleiner als der kleinere der beiden Winkel, die durch zwei beliebige Ebenen begrenzt werden, von denen eine das Waferzentrums und eine Rollenachse und die andere das Wafer-Zentrum und eine Rollenachse enthält, die der genannten einen Rollenachse benachbart ist. Außerdem ist der Winkel γ vorzugsweise so klein wie möglich, um den "Schattierungseffekt" zu minimieren, den die sich drehenden unteren Rollen auf den Wafer haben, wahrend der Ätzschaum sich an den unteren Rollen vorbei nach oben bewegt. Beispielsweise ist der Winkel γ für einen 200 mm Wafer mit einer Länge der Orientierungsflachstelle von etwa 62 mm etwa 30º, und der Winkel δ ist etwa 10º.
Mit Bezug auf Fig. 7 wird das Ätzmittel, das in dem Vorratstank 80 enthalten ist, unter Druck gesetzt mittels einer Zirkulationspumpe 82, die beispielsweise eine Zentrifugalpumpe sein kann, Modell Nr. MNK-B/F32-125 verkauft von Richter Chemie (Deutschland) oder einem Modell Nr. S16P8-1396 V, die von Sta-Rite Industries, Inc. (Delavan, Wisconsin) verkauft wird. An dem Verzweigungspunkt 84 der Ätzmittelverrohrung wird Gas aus einem Vorratsbehälter 86 in das Ätzmittel eingeführt unter Benutzung eines beispielsweise 25 Mikrometer porösen Rohres, dessen von der Gaszuführungsleitung entferntes Ende abgedichtet ist. Um eine innige Ätzmittel/Gasmischung zu gewährleisten, wird ein statischer Mixer 88 in den Rohren angebracht. Die Trimmventile 90a und 90b regulieren den Fluß des Ätzmittels in den Leitungen 92a und 92b, die mit den entgegengesetzten Enden 29a und 29b des Ätzmittelverteilers 28 verbunden sind (vergleiche Fig. 1).
Wenn nichts anders angegeben, werden alle säurebenetzten Teile aus Polyvinylchlorid ("PVC"), Polyvinylidendifluorid ("PVDF"), Propylen oder Teflon hergestellt.
Beim Betrieb werden die Ventile 90a und 90b geöffnet und die Rücklaufpumpe 82 wird eingeschaltet, um ein in dem Vorratstank 80 enthaltenes Ätzmittel aus dem Ätzmittelverteiler 28 durch die Verteilungsplatten 34a, 34b und 34c, die Einlaßöffnung 24 und nach oben durch die Fluidkammer 49 des Ätzgestells 40 fließen zu lassen. Wenn der Ätzmittelstand die Höhe der Vorderwand 48 übersteigt, fließt das. Ätzmittel über in die Tankabteilung 18 außerhalb des Ätzgestells 40. Wenn der Ätzmittelstand die Höhe des Wehrs 16 übersteigt, die vorzugsweise niedriger ist als die Höhe der Vorderwand 48, fließt das Ätzmittel über in die Abteilung 20, von wo durch den Ablauf 22 abgezogen und zu einem Sumpf (nicht gezeigt) geleitet wird, von wo es zum Vorratstank 80 zurückgeleitet oder beseitigt werden kann.
Wenn das Ätzmittel in den Ätztank fließt, werden die Griffe 60 eines Ätzgestells, das mit mehreren Halbleiter- und Pseudo-Wafern beladen ist, erfaßt (vorzugsweise durch einen Roboterarm (nicht dargestellt)), und das Ätzregal wird in die Tankabteilung 18 heruntergelassen und in den Rahmen 38 eingesetzt. Gleichzeitig wird, der Antriebsmechanimus (d. h. die Zahnradzüge 68 und 70) gedreht, um die Halbleiter-Wafer so zu drehen, daß der Teil der Umfangskante jedes Wafers, der am nächsten an der Seitenwand 48 liegt, sich abwärts bewegt (z. B. würden die in Fig. 3 dargestellten Wafer im Uhrzeigersinn gedreht). Das durch Einlaß 24 fließende Ätzmittel wird auf diese Weise gezwungen, durch das Ätzregal nach oben zu fließen und die rotierenden Halbleiter- und Pseudo- Wafer zu berühren. Nach der Berührung der Wafer fließt das Ätzmittel über die Vorderwand 48 und in die Tankabteilung 18. Folglich wird der gesamte Strom des Ätzmittels veranlaßt, durch das Ätzgestell zu fließen, und weil die Wafer relativ nahe an den Wänden 42 und 44 sind, muß das Ätzmittel eher zwischen die Wafer als um sie herum fließen. Typischerweise ist die Geschwindigkeit des Ätzmittelstroms zwischen etwa 5 und 25 Standardlitern pro Minute und vorzugsweise zwischen 7 und 15 Standardlitern pro Minute. Die Pseudo-Wafer an beiden Enden des Gestells fördern einen gleichmäßigeren und konstanten Strom zwischen den Halbleiter-Wafern, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen den Wänden 42 und 44 und den Pseudo-Wafern, die den Wänden am nächsten sind, derselbe ist wie der Abstand zwischen den Halbleiter-Wafern und den Pseudo-Wafern. Wahlweise kann ein Pseudo-Wafer pro Seite anstelle von zwei pro Seite benutzt werden.
Wenn das Ätzgestell anfangs in den Rahmen 38 eingesetzt wird und für mehrere folgende Sekunden dort verbleibt, ist das Ätzmittel im wesentlichen eine fließende Flüssigkeit, d. h. das Ätzmittel enthält keine substanzielle Menge Blasen. Danach wird jedoch Gas aus dem Vorratstank 86 am Verzweigungspunkt 84 in das Ätzmittel eingeführt. Für eine Ätzmittelfließgeschwindigkeit zwischen 5 und 25 Standardlitern pro Minute ist die Gasfließgeschwindigkeit zwischen etwa 5 und 70 Standardlitern pro Minute, vorzugsweis e zwischen etwa 30 und etwa 50 Standardlitern pro Minute und insbesondere etwa 40 Standardliter pro Minute. Das eingeführte Gas löst sich in dem Ätzungsmittel auf, bis die Sättigungsgrenze erreicht ist. Überschüssiges Gas löst sich nicht auf, sondern wird in Form von komprimierten Blasen mit der Säure weitergetragen. Der Druck des komprimierten Gemisches oberhalb der Ventile 90a und 90b ist vorzugsweise größer als 2 bar (200 kPa) absolut ("abs"), insbesondere mindestens 35 psig (241,32 kPa), besonders bevorzugt mindestens etwa 3,3 bar (330 kPa) abs, und im besten Falle mindestens etwa 4,7 bar (470 kPa) abs. In der Praxis ist die einzige Beschränkung für den Druck des Ätzmittel die Auslegung etwaiger Pumpen, Vorratsbehälter und Rohre, die bei dem Verfahren verwendet werden. Wenn das unter Druck gesetzte Ätzmittel die Ventile 90a und 90b passiert, erfährt es daher einen plötzlichen Druckabfall, der zur Bildung eines Schaums mit kleinen, mittleren und großen Blasen führt, wobei die großen und mittleren Blasen durch die Ausdehnung der komprimierten Blasen und die kleinen Blasen durch Aufschäumen gebildet werden. Der Druckabfall beträgt mindestens etwa 0,7 bar (70 kPa), vorzugsweise mindestens etwa 2 bar (200 kPa) und insbesondere mindestens 3,3 bar (330 kPa).
Der Schaum wird durch den Ätzmittelverteiler 28 abgeleitet und bewegt sich nach oben, wo er durch die Verteilerplatten 34a, 34b und 34c gleichmäßig über die Länge und Breite des Ätzgestells verteilt wird. Außerdem wird die Porengröße der Verteilerplatten 34a, 34b und 34c (die die Größe der größeren Blasen begrenzt) so ausgewählt, daß sie einen Schaum produziert, der eine annähernd gleiche Verteilung von kleinen, mittleren und großen Blasen besitzt.
Bei herkömmlichen Verfahren, die Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure und Essigsäure als Ätzmittel benutzen, verringert sich der Poliervorgang der Ätzung und der Ätzvorgang wird ungleichmäßig, wenn die Menge von Essigsäure erhöht wird. Daher kann das Verhältnis von Essigsäure zu Salpetersäure praktisch nicht größer werden als etwa 1. 2 und die Ätzgeschwindigkeit kann nicht auf Geschwindigkeiten von weniger als 15 Mikrometer pro Minute verringert werden, ohne die Polierwirkung des Ätzmittels zu vermindern. Wenn jedoch Phosphorsäure anstelle von Essigsäure als Verdünnungsmittel benutzt wird, kann die Ätzgeschwindigkeit auf etwa 2 bis 20 Mikrometer pro Minute ohne eine negative Wirkung auf den Poliervorgang des Ätzmittels reduziert werden, d. h. das Ätzmittel liefert eine glatte polierte Oberfläche mit minimaler Bestandsentfernung. Ätzgeschwindigkeiten dieser Größenordnung sind viel leichter zu überwachen, und daher können die Wafer mit einer Geschwindigkeit gedreht werden, die den Starrkörperdreheffekt minimiert.
Die Wafer werden mit dem Schaum in Abhängigkeit von der Aggressivität des Ätzmittels, d. h. der Fluorwasserstoffsäurekonzentration für einen Zeitraum von etwa 1 bis 10 Minuten geätzt. Während dieses Zeitraums liegt die Bestandsentfernung des Wafers zwischen etwa 20 und etwa 25 Mikrometern. Das Einführen von Gas an dem Verzweigungspunkt 84 wird dann unterbrochen, aber der Strom des flüssigen Ätzmittels geht weiter, bis im wesentlichen keine Blasen in dem Ätzgestell verbleiben. Die Griffe 60 des Ätzgestells werden dann erfaßt (vorzugsweise durch einen Roboterarm (nicht dargestellt)), und das Ätzgestell wird aus dem Ätztank entfernt und in einen Wasserspültank eingetaucht (nicht dargestellt), um etwaiges Ätzmittel zu entfernen, das möglicherweise auf der Oberfläche des Wafers verblieben ist. Vorzugsweise greift der Roboterarm an der Antriebswelle des Ätzgestells an, der während der Schaumätzung außer Eingriff war, um die Wafer zu drehen, wenn sie von dem Ätztank zu dem Abspültank transportiert werden.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung.

Beispiel 1

Unter Verwendung der in den Fig. 1-7 gezeigten Vorrichtung und des oben beschriebenen Verfahrens wurden sechs der 200-mm-Silizium-Wafer mit einer nominalen Entfernung von 25 Mikrometern in einem Schaum geätzt, wobei der Schaum aus einem Ätzmittel mit 58 Vol.-% Salpetersäure (als 69 Gew.-% in Wasser), 6 Vol.-% Fluorwasserstoffsäure (als 49 Gew.-% in Wasser) und 36 Vol.-% Phosphorsäure (als 85 Gew.-% in Wasser) bestand. Es wurden glatte Wafer produziert mit einem Glanzreflexionswert von 240 ± 60, bestimmt nach den Methoden ASTM D-523-85, DIN 67530 oder ISO 2813. Die mittlere Oberflächenrauheit wurde zu 0,06-0,09 Mikrometern (Ra) nach dem ASME-Standard B.46.1 bestimmt. Die mittlere Gesamtdickenvariation des Wafers wurde bestimmt zu 1, 37 Mikrometer (σ = 0,33) und die mittlere lokale Dickenvariation wurde zu 0,55 Mikrometern (σ = 0,1) nach dem ASTM-Standard (vorläufig) 20191-Rev 6 auf einem Prüfgerät bestimmt, das von der ADE Corporation (Newton, Mass) unter der Handelsbezeichnung UltraGage 9500 verkauft wird.

Beispiel 2

Vierundsechzig 200 mm Wafer wurden mit einem nominalen Abstand von 20 Mikrometern in einem Schaum geätzt, der aus einem Ätzmittel aus 57 Vol.-% HNO&sub3; (als 69 Gew.-% HNQ&sub3; in Wasser), 35 Vol.-% H&sub3;PO&sub4; (als 85 Gew.-% H&sub3;PO&sub4; in Wasser) und 8 Vol.-% HF (als 49 Gew.-% HF in Wasser) bestand. Eine Durchschnittsprobe von 15 Wafern wurde aus dem Lot herausgenommen und nach Glanz, Gesamtdickenvariation, lokaler Dickenvariation und Oberflächenrauheit bestimmt. Man fand, daß die 15 Wafer einen mittleren Glanzreflexionswert von 272 (σ = 18), bestimmt nach ASTM D-523-85, und eine mittlere Gesamtdickenvariation von 1,23 Mikrometern (σ = 0,16) und eine mittlere lokale Dickenvariation von 0,55 Mikrometern σ = 0,09) bestimmt nach dem ASTM-Standard (vorläufig) 20191-Rev 6 haben. Die Prüfung erfolgte auf einem Tester, der von der ADE Corporation (Newton, Mass) unter der Handelsbezeichnung UltraGage 9500 verkauft wird. Bei acht der fünfzehn Wafer wurde die Oberflächenrauheit bestimmt. Man fand heraus, daß die Wafer eine mittlere Oberflächenrauheit von 0,073 Mikrometern (Ra) (σ = 0,008) nach dem ASME-Standard B.46.1 haben.
Im Hinblick auf das oben ausgeführte ist ersichtlich, daß die verschiedenen Aufgaben der Erfindung verwirklicht wurden. Da verschiedene Abänderungen in den obigen Zusammensetzungen und Verfahren gemacht werden könnten, ohne sich von dem Umfang der Erfindung zu entfernen, sollen alle in der obigen Beschreibung enthaltenen Sachverhalte als Erläuterung und nicht in einem begrenzenden Sinne interpretiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Ätzen eines Halbleiterwafers (50) mit den Stufen der

Drehung des Wafers (50) und

Berührung des rotierenden Wafers (50) mit einem fließenden Schaum, der durch das Schäumen eines unter Druck gesetzten Ätzmittels gebildete Blasen aufweist, wobei das Ätzmittel ein gelöstes Gas enthält, das mit dem Halbleiterwafer oder Bestandteilen des Ätzmittels nicht reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ätzmittel ein oberflächenaktives Mittel enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Ätzmittel Phosphorsäure enthält und vor seinem Aufschäumen unter einem Druck von wenigstens 241,32 kPa (35 Psig) steht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Wafer (50) mit einer Drehzahl von nicht mehr als etwa 5 Umdrehungen pro Minute gedreht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schaum aus einem unter Druck gesetzten Ätzmittel gebildet wird, das einen Druckabfall von wenigstens etwa 206,84 kPa (30 Psi) erfährt und Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure, Phosphorsäure und vor dem Druckabfall komprimierte Blasen des gelösten Gases aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Halbleiterwafer (50) gleichzeitig mit wenigstens einem anderen Halbleiterwafer (50) geätzt wird, wobei die Halbleiterwafer in einem Ätzgestell (40) mit parallelen, horizontalen Rollen (52a bis 52d) festgelegt sind, die die Wafer (50) um eine Achse rotieren lassen, die parallel zu den Achsen der Rollen (52a bis 52d) liegt, wobei das Ätzgestell (40) eine Fluidkammer mit entgegengesetzten offenen Enden begrenzt, der Schaum in das eine dieser Enden einfließt und an dem anderen offenen Ende ausfließt und die Strömungsrichtung des Schaums im allgemeinen quer zu der Drehachse der Wafer (50) ist.

7. Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern mit

einem Gestell (40) zum Halten von wenigstens zwei im allgemeinen scheibenförmigen Halbleiterwafern (50), wobei das Gestell (40) eine Fluidkammer mit einem Eintrittsende und einem Austrittsende begrenzt, und

einem Umlaufsystem zur Bewegung eines Halbleiterwafer-Bearbeitungsfluids in Form eines fließenden Schaums von dem Eintrittsende zu dem Austrittsende zwischen den Halbleiterwafern (50) durch die Fluidkammer, wobei der Schaum durch das Schäumen eines unter Druck gesetzten Ätzmittels gebildete Blasen aufweist und das Ätzmittel ein gelöstes Gas enthält, das mit dem Halbleiterwafer oder den Bestandteilen des Ätzmittels nicht reagiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner mit einem Antriebsmechanismus mit vier Rollen (52a bis 52d) zum Angriff an dem Umfang der Wafer zum Zwecke ihrer Drehung, wobei die Rollen (52a bis 52d) um vier parallele, horizontale Achsen rotieren und zwei der vier Rollen, die die oberen Rollen (52a, 52b) darstellen, an dem Umfang der Wafer im allgemeinen oberhalb einer horizontalen Ebene (120) durch die Mittelpunkte der Wafer (50) angreifen und die anderen zwei Rollen, die die unteren Rollen (52c, 52d) darstellen, an dem Umfang der Wafer (50) im allgemeinen unterhalb der horizontalen Ebene angreifen und die Wafer (50) im allgemeinen senkrecht zu den Rollenachsen stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der ein Winkel 6, der definiert ist als der spitze Winkel des Waferbogens zwischen der horizontalen Ebene (120) und einer Ebene (122), in der beide Achsen der oberen Rollen (52a, 52b) und die Wafermittelpunkte liegen, kleiner als ein Winkel γ ist, der als der spitze Winkel des Waferbogens zwischen der horizontalen Ebene (120) und einer Ebene (124) definiert ist, die beide Achsen der unteren Rollen (52c, 52d) und die Wafermittelpunkte enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Antriebsrollen (52a bis 52d) genügend auf Abstand gehalten sind, um Wafer mit Orientierungsflachseiten aufzunehmen, so daß der durch die Flachseiten belegte Bogengrad ( ) der Wafer kleiner als der kleinere der zwei Winkel ist, die durch zwei Ebenen begrenzt sind, von denen eine die Wafermittelpunkte und irgendeine Rollenachse enthält und die andere die Wafermittelpunkte und eine zu der genannten Rollenachse benachbarte Rollenachse enthält.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner mit wenigstens zwei im allgemeinen scheibenförmigen Pseudowafern (54, 56) eines Nicht-Halbleitermaterials im Eingriff mit und in Drehung durch die genannten Rollen (52a bis 52d), wobei die Halbleiterwafer (50) zwischen und im allgemeinen parallel zu den genannten Pseudowafern (54, 56) angeordnet sind und die Pseudowafer (54, 56) durch die Rollen (52a bis 52d) mit im wesentlichen der gleichen Drehgeschwindigkeit wie die Halbleiterwafer (50) gedreht werden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der Antriebsmechanismus mehrere Rollen (52a bis 52d) umfaßt, die zum Angriff am Umfang der Wafer (50) zum Zwecke ihrer Rotation eingerichtet sind, und bei der jede Rolle (52a bis 52d) wenigstens zwei Umfangsrillen (51) zur Aufnahme der Umfänge der Wafer (50) sowie mehrere Längsrillen (53) umfaßt, wobei die Umfangsrillen die axiale Ausrichtung der in den Längsrillen (53) positionierten und sich längs dieser Rillen erstreckenden Wafer (50) aufrechterhält und die elastomeren Bänder (55) mit den Umfängen der Wafer (50) in Eingriff bringbar sind.