DE69702452T2

DE69702452T2 - Verfahren zum behandeln eines scheibens mit einem plasmastrahl

Info

Publication number: DE69702452T2
Application number: DE69702452T
Authority: DE
Inventors: Oleg Siniaguine; Iskander Tokmouline
Original assignee: Ipec Precision Inc
Current assignee: Ipec Precision Inc
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: US6238587B1; EP0902961A1; EP0902961B1; JP2000511356A; WO1997045856A1; KR20000016136A; DE69702452D1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Gegenstandes wie etwa eines Silizium-Wafers mit einem Plasmastrahl. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, um ein Plasmastrahl-Werkzeug relativ zu der Oberfläche des Gegenstandes zu bewegen, die mittels des Plasmastrahl-Werkzeuges bearbeitet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein Plasmastrahl ist eine begrenzte und sehr intensive Wärmequelle. Plasmastrahl-Werkzeuge weisen in der Regel einen Querschnitt oder eine Auftrefffläche bzw. einen Fußabdruck auf, die bedeutend kleiner ist, als die Querschnittsfläche einer Oberfläche eines Gegenstandes, wie etwa eines Silizium-Wafers, der mittels des Plasmastrahls behandelt wird. Gemäß dem Stand der Technik wird bei der Plasmastrahl-Bearbeitung eines Gegenstandes üblicherweise ein Plasmastrahl verwendet, der auf die Oberfläche des Gegenstandes gerichtet ist. Während der Plasmastrahl auf die Oberfläche des Gegenstandes gerichtet ist, wird der Plasmastrahl relativ zu der Oberfläche bewegt - für gewöhnlich im Wege linearen Abfahrens, wie etwa einer linearen X-Y Abfahrbewegung.
In der Zusammenfassung der japanischen Patentschrift Nummer JP 07172986, veröffentlicht am 11. Juli 1995, ist ein Gerät beschrieben, das eine Plasmastrahlkanone aufweist, die in einem Vakuumbehälter angeordnet ist. Ein Gasplasma wird von der Kanone weggeführt und an der Substratstirnseite auf den Substratgrund aufgeblasen. Der Substratgrund wird - wie oben beschrieben - in einer linearen X- Y Abfahrbewegung in einem Bereich größer oder gleich 10 mm/s bewegt, um das Plasma über die Substratstirnseite zu führen.
Derartige Plasmastrahl-Behandlungsverfahren gemäß dem Stand der Technik, die lineares Abfahren verwenden, können zu Schäden aufgrund örtlicher Überhitzung der Oberfläche führen. Im Falle von Silizium-Wafern kann örtliche Überhitzung zu Defekten in der Kristallstruktur, zum Schmelzen des Wafers, zu Beanspruchungen aufgrund großer Temperaturgradienten sowie zu Bruch führen. Mit Plasmastrahl-Waferbearbeitungsverfahren gemäß dem Stand der Technik kann es ferner problematisch sein, eine Einheitlichkeit der Plasmastrahl-Bearbeitung von Wafern unterschiedlicher Größe zu gewährleisten.
Unter den verschiedenen Unzulänglichkeiten der linearen Abfahrbewegungsverfahren gemäß dem Stand der Technik sind insbesondere ein geringer Durchsatz und eine hohe Wahrscheinlichkeit der Beschädigung von Wafern zu nennen. Jede Linearbewegung des Plasmastrahls über den Wafer führt zu heißen Spuren auf der Waferoberfläche, denen kalte Oberflächen unmittelbar benachbart sind. Die heißen Spuren führen zu großen Temperaturgradienten, die wiederum Spannungen in dem Wafer verursachen. Um große Temperaturgradienten zu vermeiden, muss eine Verzögerung zwischen den benachbarten heißen Spuren vorgenommen werden, um ein teilweises Abkühlen einer vorangegangenen heißen Spur zu ermöglichen und den Temperaturgradienten zu verringern, um eine Überhitzung der Waferoberfläche oder eine Beschädigung des Wafers aufgrund thermischer Beanspruchung zu vermeiden. Weil viele lineare Abfahrbewegungen vorgenommen werden müssen, um die gesamte Waferoberfläche - mit hinreichender Verzögerung zum Vermeiden thermischer Schäden an dem Wafer - zu bearbeiten, wird der Durchsatz behandelter Wafer geringer.
Die linearen Abfahrverfahren gemäß dem Stand der Technik weisen ferner den Nachteil auf, dass die Qualität der Oberflächenbehandlung aufgrund von Rückablagerungen auf der Waferoberfläche gemindert ist, die bei dem Kontakt von Ätzmitteln mit der kalten Waferoberfläche in der Nähe einer heißen Spur entstehen.

Zusammenfassende Darlegung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Gegenstandes mit einem Plasmastrahl, wie sie in den Ansprüchen 1 und 5 erläutert sind. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung. Gemäß dem Verfahren werden ein Gegenstand mit einer zu behandelnden Oberfläche und ein Plasmastrahl bereitgestellt. Der Gegenstand wird um eine Achse gedreht, wobei die Drehung einen Rotationsradius definiert. Die Oberfläche des Gegenstandes gelangt derart in Kontakt mit dem Plasmastrahl, dass sich eine Plasmastrahl-Auftrefffläche mit einer vorbestimmten Ausdehnung bildet. Der Plasmastrahl wird entlang des Rotationsradius des Gegenstandes entsprechend einem Geschwindigkeitsprofil derart bewegt, dass die Oberfläche des Gegenstandes erwärmt wird und so ein gewünschtes Temperaturverteilungsprofil auf der Oberfläche des Gegenstandes - entlang des Rotationsradius gemessen - erhalten wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein relativ hoher Verarbeitungsdurchsatz erreichbar ist, ohne die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Gegenstandes zu erhöhen.
Die vorgenannten sowie andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den anliegenden Figuren dargestellt sind, deutlich.

Kurzbeschreibung der Figuren

Bei den - nicht maßstabsgetreu gezeichneten - Figuren handelt es sich im einzelnen um:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung eines Plasmastrahlgeräts zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2: Eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Plasmastrahlgeräts zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3: Eine Draufsicht auf einen kreisförmigen waferartigen Gegenstand zur Darstellung der Auftrefffläche eines darauf ausgerichteten Plasmastrahls; und
Fig. 4: Einen Graphen, der für ein Polymer das Verhältnis der Abtragungstiefe durch Abschmelzen zur Geschwindigkeit wiedergibt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 und 2 wird ein Plasmastrahl 10 mittels irgendeines bekannten Plasmastrahlgenerators 20 erzeugt, der in einer nicht dargestellten Plasmastrahl-Bearbeitungskammer angeordnet ist. Der Umgebungsgasdruck der Plasma strahl-Bearbeitungskammer wird ungefähr bei Atmosphärendruck aufrecht erhalten. In Fig. 1 und 2 ist der Plasmastrahlgenerator 20 vorzugsweise derart ausgerichtet, dass der Plasmastrahl 10 bezüglich der Erdbeschleunigung aufwärts auf einen waferartigen Gegenstand 30 wie etwa einen Silizium-Wafer, der mittels einer Halterung 40 an Ort und Stelle gehalten wird, ausgerichtet ist. Der Gegenstand 30 kann an der Halterung 40 mittels eines Saugfußes oder eines anderen bekannten Mittels zum Halten von Gegenständen befestigt sein. Der Gegenstand 30, der eine zu behandelnde Oberfläche 32 aufweist, ist an der Halterung 40 derart befestigt, dass die Oberfläche 32 dem Plasmastrahl 10 zu gewandt ist, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, und im großen und ganzen nach unten ausgerichtet ist. Während der Bearbeitung mit dem Plasmastrahl wird die Halterung 40 im allgemeinen mittels des Motors 50 mit der Drehfrequenz f gedreht. Der Gegenstand 30 ist ferner so an der Halterung 40 angeordnet, dass die Drehachse Ha der Halterung 40 durch den Massenschwerpunkt des Gegenstandes verläuft oder mit der Trägheitsachse Wa zusammenfällt.
Unten wird noch ausführlicher erläutert, dass die Drehfrequenz f des Gegenstandes 30 um die Achse Wa und die entsprechende Dauer kleiner gewählt sind als die Zeit, die dazu benötigt wird, die Temperatur eines Punktes auf der Oberfläche, der zu Beginn einer Drehung erwärmt wurde, auf die Temperatur abzusenken, die die Oberfläche gerade vor Beginn der Drehung des Gegenstandes hatte. Unter diesen Bearbeitungsbedingungen wird eine nur allmähliche Erwärmung eines jeden Punktes auf der Oberfläche 32 des Gegenstandes 30 dadurch erreicht, dass der Plasmastrahl die Oberfläche 32 des Gegenstandes 30 während seiner Drehung überstreicht. Indem zugleich der Plasmastrahl entlang des Rotationsradius des Gegenstandes bewegt und die Drehfrequenz des Wafers verändert werden, können goße Temperaturgradienten und Schäden aufgrund thermischer Beanspruchung vermieden werden.
Die Dauer zum Abkühlen eines Punktes auf der Oberfläche 32 eines Gegenstandes 30 wie etwa einem Silizium-Wafer kann unter Verwendung der genau bekannten Theorie nichtstationärer Wärmeleitung berechnet werden. Unter der Annahme beispielsweise, dass es sich bei dem Gegenstand 30 um einem Silizium-Wafer mit einer Dicke von weniger als etwa 1 mm handelt, er aufgrund großer Wärmeleitfähigkeit eine gleichmäßige Temperaturverteilung über sein Volumen aufweist und er im wesentlichen durch Konvektionswärmetransport an das Umgebungsgas konstanter Temperatur T&sub0; auf beiden Seiten gekühlt wird, kann die Kühlung des Wafers durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei:
m = Si Dichte;
C = Si Wärmekapazität;
h = Dicke des Wafers;
TS(t) = Temperatur der Waferoberfläche;
T&sub0; = Temperatur des Umgebungsgases; und
α = Wärmeleitungskoeffizient.
Unter der Annahme, dass die Waferoberfläche gerade vor Beginn der Drehung (i + 1) die Temperatur T, aufwies und dass während des Beginns der Drehung (i + 1) die Waferoberfläche auf die Temperatur Ti+1, erwärmt wurde, kann dann mittels der Gleichung (1) die Dauer einer Waferumdrehung errechnet werden, bei der die Waferoberflächentemperatur von Ti+1 zurück auf Ti sinkt:
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sollte die Dauer jeder Waferumdrehung so gewählt werden, dass die Temperatur der Waferoberfläche, die auf die Erwärmung mittels des Plasmastrahls zurückzuführen ist, geringer als tmax ist, und Frequenz f der Waferumdrehung sollte f > fmin = 1/tmax gewählt werden.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann der Plasmastrahl 10 unter einem Winkel auf die Oberfläche 32 des Gegenstandes gerichtet werden. Der Winkel zwischen dem Plasmastrahl 10 und der Oberfläche 32 beeinflußt die Bedingungen des Plasmaflusses entlang der Oberfläche 32. Wenn in Fig. 3 der Winkel des Plasmastrahls 10, der auf die Oberfläche 32 des Wafers 30 gerichtet ist, 90º beträgt, wenn mit anderen Worten der Plasmastrahl 10 mit der Oberfläche 32 einen Normalenwinkel einschließt, ist der Plasmafleck bzw. die Plasmaauftrefffläche bzw. der Plasmafußabdruck 11 auf der Oberfläche 32 eher symmetrisch und die Plasmaeigenschaften innerhalb der Plasmaauftrefffläche 11 auf der Oberfläche 32 sind gleichmäßiger, als wenn der Plasmastrahl mit der Waferoberfläche einen kleineren Winkel als 90º einschließt. Vorzugsweise ist bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung der Plasmastrahl 10 zu der Oberfläche 32 normal ausgerichtet, um so die gleichmäßige Auftrefffläche 11 zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Plasmastrahl 10 relativ zu der Oberfläche 32 üblicherweise zwischen einem ersten Oberflächenpunkt auf einem maximalen Rotationsradius Rmax und einem zweiten Waferoberflächenpunkt auf einem kleineren Rotationsradius Rmin bewegt (vgl. Fig. 1 bis 3). Die Bewegung des Plasmastrahls 10 kann entlang irgendeiner Bewegungsbahn bzw. Trajektorie über die Oberfläche 32 erfolgen, weil nur diejenige Komponente des Geschwindigkeitvektors, die in die Richtung des Rotationsradius R des Wafers zeigt, beim Umsetzen dieses Verfahrens von Beutung ist. Die Relativbewegung des Plasmastrahls kann durchgeführt werden, indem der Plasmastrahl auf einer Schiene 70 geführt wird und der Generator 20 an ein Schneckengetriebe oder ein Schraubengetriebe 80 angeschlossen ist, das von dem Motor 60 angetrieben wird. Die Schiene 70 wird parallel zu der Oberfläche 32 und entlang des Rotationsradius R des Wafers angeordnet.
Weil die Plasmastrahl-Auftrefffläche 11 eine begrenzte Querschnittsausdehnung d in der Ebene der Oberfläche 32 aufweist, bestimmt man bequem die momentane Position des Plasmastrahls 10 relativ zu der Oberfläche 32, indem die Entfernung zwischen der Drehachse Wa des Gegenstandes und der Achse Ja des Plasmastrahls gemessen oder abgelesen wird. Die Wechselwirkung des Plasmastrahls 10 mit der Oberfläche 32 beginnt an dem Punkt beim maximalen Rotationsradius Rmax, wenn er sich an der Position (R + d/2) befindet (vgl. Fig. 1 und 2). Aufgrund der Drehung des Motors 60 wird der Plasmastrahlgenerator 20 entlang der Oberfläche 32 bewegt und der Plasmastrahlfleck bzw. die Auftrefffläche 11 auf der Oberfläche 32 wird in Richtung jener Oberflächenpunkte des Gegenstandes bewegt, die einen minimalen Rotationradius Rmin aufweisen.
Es gibt zwei mögliche Varianten der Bewegung des Gegenstandes 30 relativ zu dem Plasmastrahl 10, und die zwei Varianten hängen von der Art des Gegen standes und der Position seiner Drehachse Wa ab. Die erste Variante tritt auf, wenn die Drehachse Wa außerhalb des Gegenstandes 30 und beabstandet um mehr als d/2 von dem Außenrand 33 des Gegenstandes 30 angeordnet ist, oder wenn der Gegenstand 30 eine Öffnung 34 aufweist, deren Durchmesser größer als derjenige der Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls ist, und die Drehachse Wa des Wafers innerhalb der Öffnung 34 positioniert und um mehr als d/2 von ihrem Innenrand 36 beabstandet ist (vgl. Fig. 1). In diesen Fällen ist der minimale Rotationsradius Rmin größer als der halbe Durchmesser (d/2) der Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls. Eine vollständige Behandlung der Oberfläche 32 wird nach Erreichen eines Abstandes der Drehachse Wa von der Achse Ja der Auftrefffläche des Plasmastrahls erzielt, der geringer als Rmin + d/2 ist. Wenn der Plasmastrahl 10 seine Begrenzung erreicht, kann er entweder abgestellt werden oder weiterbewegt und in dem Bereich zwischen 0 und Rmin - d/2 angehalten werden, ohne zu einer Beschädigung des Gegenstandes 30 zu führen.
In der in Fig. 2 dargestellten zweiten Variante ist die Drehachse Wa außerhalb des Gegenstandes 30 angeordnet und um weniger als d/2 von dem Außenrand 33 des Gegenstandes 30 beabstandet, oder der Gegenstand weist eine Öffnung 34 mit einer Querschnittsabmessung auf, die größer als die Ausdehnung d der Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls ist und die Drehachse Wa des Gegenstandes ist innerhalb der Öffnung 34 angeordnet und um weniger als d/2 von dem Innenrand 36 beabstandet, oder der Gegenstand hat eine Öffnung 34 mit einer Ausdehnung, die geringer als die Ausdehnung d der Plasmastrahlauftrefffläche 11 ist, oder er hat überhaupt keine Öffnung (Rmin = 0). In diesen Fällen ist der minimale Rotationsradius Rmin kleiner als die Hälfte (d/2) der Ausdehnung der Auftrefffläche des Plasmastrahls. Eine vollständige Bearbeitung der Oberfläche 32 des Gegenstandes wird nach Erreichen eines Abstandes der Drehachse Wa des Gegenstandes von der Achse Ja der Auftrefffläche des Plasmastrahls erzielt, der geringer als (Rmin + d/2) ist. Dann muß der Plasmastrahl entweder abgestellt werden oder zurück zu den Waferpunkten bei Rmax bewegt und in einem Abstand der Rotationsachse Wa des Gegenstandes von der Achse Ja des Plasmastrahls angehalten werden, der größer als (Rmax + d/2) ist. Im letzteren Fall, bei dem der Plasmastrahl nicht abstellt wird, wird die Oberfläche 32 des Gegenstandes eigentlich zweimal bearbeitet.
Die Geschwindigkeit v(R) der Relativbewegung wird verändert, indem die Frequenz des Motors 50 gesteuert wird. Der Motor weist eine Welle 55 auf, die an der Halterung 40 angeschlossen ist, um die Halterung 40 zu drehen. Die Geschwindigkeit des Plasmastrahls 10 relativ zu dem Gegenstand 30 um jeden Rotationsradius R wird durch 2pfR vorgegeben und wird größer als die Geschwindigkeit v(R) gewählt, mit der der Plasmastrahl in radialer Richtung des Gegenstandes vorgeschoben wird. Während einer Umdrehung des Gegenstandes breitet sich die von dem Plasmastrahl an dem Ratationsradius zugeführte Wärme in dem Material des Gegenstandes aufgrund der Wärmeleitfähigkeit während einer Dauer trev, aus, die einer Umdrehung entspricht. Anhand der Theorie nichtstationärer Wärmeleitfähigkeit kann die Länge Iheat der Wärmeausbreitung während der Dauer trev einer Waferumdrehung wie folgt errechnet werden:
wobei A die Wärmeleitfähigkeit des Wafermaterials ist.
Das Erfordernis, keinen radialen thermischen Gradienten auszubilden, führt zu der Bedingung:
oder
Für R < d/2 wird die maximale Geschwindigkeit in radialer Richtung Vmax (R) durch das Erfordernis gleichmäßiger Wärmeleitung so vorgegeben, dass der Vorschub des Plasmastrahls in radialer Richtung während der Dauer trev einer Umdrehung geringer als die Ausdehnung D des Plasmastrahls ist.
Die Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls auf der Waferoberfläche weist die Ausdehnung d auf, die etwa einige Zentimeter beträgt, und eine nicht-gleichförmige Verteilung des Wärmeflusses. Diese Verteilung kann mittels eines Kaloriemeters oder irgendeines anderen bekannten Instruments gemessen werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann anhand der Theorie nichtstationärer Wärmeleitung die Temperatur eines Wafergegenstandes an einem Punkt mit den Koordinaten (R,W&sub0;) mittels der nachfolgenden Differentialgleichung beschrieben werden:
wobei:
ΔT(t) = TS(t)-T&sub0;
TS(t) die Oberflächentemperatur des Gegenstandes am Punkt (R,W&sub0;) ist und niedriger als die Temperatur ist, bei der die Oberfläche des Materials des Gegenstandes beschädigt wird;
T&sub0; die Temperatur des Umgegungsgases ist;
qp1( (t), (t)) die Wärmeflussverteilung des Plasmastrahls in Polarkoordinaten mit dem momentanen Zentrum am Punkt = 0 ist; und
qcool(R,W&sub0;,ΔT(t)) der kühlende Wärmefluss an dem Waferoberflächenpunkt mit den Koordinaten (R,W&sub0;) ist.
Der Gegenstand wird um die Achse durch den Punkt R = 0 gedreht und zugleich wird der Abstand r(t) zwischen der Drehachse des Wafers und dem Zentrum des Plasmastrahls aufgrund der Relativbewegung des Plasmastrahls zu dem Gegenstand um v(R) verändert und somit:
Die Lösung der Gleichungen (*) und (**) mittels üblicher numerischer Integration ermöglicht die Bestimmung der Funktionen r(t) und W(t) und schafft ein Verfahren, mit dem für konkret vorgegebene Bedingungen eine erforderliche Oberflächentemperatur des Gegenstandes an jedem Punkt der Oberfläche des Gegenstandes erreicht wird. Die Geschwindigkeitsfunktion der Relativbewegung wird durch Ableitung von r(t) bestimmt.
Zum praktischen Gebrauch kann die Geschwindigkeitsfunktion der Relativbewegung mittels routinemäßiger Untersuchungsverfahren gefunden werden. Zur Vereinfachung wird die Drehfrequenz f fest vorgegeben, und der Gegenstand 30 ist von der Anfangstemperatur 10 auf die Temperatur Tw(R) zu erwärmen. Im ersten Schritt wird die Geschwindigkeit v(R) aus jenem Bereich zufällig gewählt, der durch die oben beschriebenen Bedingungen beschränkt ist, und sie kann konstant gewählt werden. Im zweiten Schritt wird der Plasmastrahl einmal über die Oberfläche des Gegenstandes geführt. Im dritten Schritt wird die Temperaturverteilung Theat (R) entlang des Radius R des Gegenstandes gemessen. Im vierten Schritt wird die wirkliche Temperaturverteilung Theat(R) mit der gewünschten Temperaturverteilung Tw(R) verglichen, und wenn der Unterschied zwischen Theat(R) und Tw(R) unnehmbar ist, dann wird die Geschwindigkeitsfunktion entsprechend der Relation v(R) ((Theat(R)-T&sub0;)/(Tw(R)-T&sub0;))v(R) verändert und der Ablauf vom zweiten Schritt an wiederholt. Wenn der Unterschied zwischen Theat(R) und Tw(R) annehmbar ist, wird der Ablauf angehalten und die gefundene optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) kann zur Bearbeitung des Gegenstandes verwendet werden.
Dieser Ablauf kann auf einen allgemeinen, iterativen Ablauf erweitert werden, um eine optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) zu erhalten. Bei jeder Iteration können eine neue Geschwindigkeitsfunktion vi+1(R) aus der vorhergehenden Geschwindigkeitsfunktion vi (R) erhalten werden; das über den Wafer gemessene Temperaturprofil Theat,i (R), das man erhält, wenn man die Geschwindigkeitsfunktion Vi (R) ausführt; und das vorhergehende gemessene Temperaturprofil, Theat,i-1(R), das man erhält, wenn mann die Geschwindigkeitsfunktion vi-1(R) ausführt:
Diese Iterationen können wiederholt werden, bis die an allen Punkten gemessene Temperatur Theat,i (R) annehmbar dicht an der gewünschten Temperatur Tw(R) liegt. Die Geschwindigkeitsfunktion dieser Iteration kann dann für das Verfahren der Temperaturbearbeitung verwendet werden und stellt eine optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) dar.
Um in der Praxis eine Beschädigung auf der Oberfläche 30 des Gegenstandes aufgrund thermischer Beanspruchung zu verhindern, wird die Temperaturverteilung nach jedem Durchlauf bis auf einen annehmbaren Temperaturunterschied Td konstant sein. Die Temperatur aller Punkte auf der Oberfläche 32 bei allen Radien sollte innerhalb eines annehmbaren Temperaturunterschieds der Oberflächenpunkte mit minimalem Rotationsradius, d. h. Tw(R) = T(Rmin) ± Td, sein.
Nachdem vopt(R) bestimmt ist, kann die Geschindigkeitsfunktion v*opt (R) zum Verändern der Temperatur des Gegenstandes von Tw(R) auf eine andere gewünschte Temperatur T*w(R) erhalten werden:
Die Temperatur, auf die der Gegenstand erwärmt werden sollte, hängt von den Erfordernissen der Anwendung ab, beispielsweise:
- 1000-1100ºC zur Rekristallisation von poly-Si Schichten;
- 900-1000ºC zum Aktivieren ionenimplantierter Dotierungen;
- 500-600ºC für Aufschmelz-BPSG; u. s. w..
Die Plasmastrahl-Bearbeitung kann zum Entfernen dünner Polymerschichten oder zum Abstreifen von Polymerphotoresistoren von der Oberfläche des Gegenstandes verwendet werden. Für diese Anwendungen wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung entlang des Rotationsradius des Gegenstandes niedriger als diejenige Geschwindigkeit gewählt, mit der die Polymerfilmoberfläche auf der Oberfläche des Gegenstandes auf die Polymer-Abschmelztemperatur erwärmt wird. Die spezifische Polymer-Abschmelztemperatur liegt für gewöhnlich sehr nahe bei der Polymerschmelztemperatur und kann Handbüchern über Polymereigenschaften entnommen werden. Der Wert vabl(R), über den man die Temperatur Tabl erhält, wird anhand der Gleichung (*) oder anhand gemessener Daten sowie einer aus der Gleichung (iv) abgeleiteten Relation bestimmt:
wobei vopt(R) die Geschwindigkeit der Relativbewegung ist, die aus den Messungen bezüglich der Erwärmung des Wafers auf die Temperatur Tw bekannt ist.
Wenn die Polymer-Abschmelztemperatur unbekannt ist, dann kann vabl(R) im Wege von Messungen durch das nachfolgend erläuterte Verfahren gefunden werden. Für gegebene Inaktivgas-Plasmastrahlparameter wird die Polymer-Abtragungstiefe Δh für verschiedene Werte v(R) gemessen. Ein typischer Graph, bei dem Δh gegen v(R) aufgetragen ist, ist in Fig. 4 dargestellt. vabl(R) ist darin der Wert, bei dem Steigung der Kurve sich stark ändert.
Die Geschwindigkeit vabl(R) ist die Schwelle, an der das Polymerabschmelzen beginnt. Für alle Geschwindigkeitswerte v(R) < vabl(R) ist Polymerabschmelzung und -abtragung unabhängig davon gewährleistet, ob der Plasmastrahl aus chemischen Reaktionspartnern besteht oder nicht. Je niedriger v(R) ist, desto größer ist während jeden Durchlaufs die Dicke der Abtragung:
Um für einen Gegenstand eine gleichmäßige Abschmelzabtragung des Polymers zu gewährleisten, wird die Geschwindigkeit v(R) (v(R) < vabl(R)) der Relativbewegung entlang des Rotationradius Wa des Gegenstandes in Abhängigkeit des Abstandes der Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls an der Oberfläche 32 des Gegenstandes von der Drehachse Wa des Gegenstandes derart geändert, dass die Abtragungsdicke des Polymers an allen Oberflächenpunkten des Gegenstandes für alle Rotationsradien gleich der Abtragungsdicke an den Oberflächenpunkten des Gegenstandes auf dem minimalen Rotationsradius ist.
In der Praxis kann die Geschwindigkeitsfunktion der Relativbewegung des Plasmastrahls bezüglich der Drehachse des Gegenstandes 30 direkt anhand der gemessenen Abschmelzabtragung des Polymers im Wege der folgenden Schritte bestimmt werden. Zuerst wird die Geschwindigkeit v(R) aus dem Bereich v(R) < vabl(R) gewählt; sie kann für diejenige Geschwindigkeitsfunktion genommen werden, die eine gleichmäßige Erwärmung des Gegenstandes gewährleistet. Als zweites wird der Plasmastrahl einmal über den Gegenstand geführt. Als drittes wird die Dicke Δh(R) der Polymerabtragung entlang des Radius des Gegenstandes in Schritten Δr gemessen. Dann kann eine durchschnittliche Dicke Δhav der Polymerabtragung errechnet werden:
Als viertes wird die gemessene Polymerabtragung Δ(R) mit der durchschnittlichen Abtragung Δh(R) verglichen; wenn die Differenz zwischen Δhav und Δh(R) unannehmbar ist, wird eine neue Geschwindigkeitsfunktion v*(R) gemäß der Funktion v*(R) = (Δh(R)/Δhav)v(R) noch einmal errechnet. Wenn die Differenz zwischen Ahav und Δh(R) annehmbar ist, kann der Prozess angehalten und dann die optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) = v(R) für die Polymerabtragung verwendet werden. Im allgemeinen könnte ein iteratives Verfahren ähnlich dem zur Bestimmung eines optimalen Geschwindigkeitsprofils zur Temperaturbearbeitung (Gleichung iii) für wiederholte Iterationen mit gemessener Polymerabtragung verwendet werden.
Um die gewünschte Polymerabtragungsdicke Δhdes zu erhalten, kann die Geschwindigkeit vdes(R) erhalten werden aus:
Wenn die abzutragende Polymerschichtdicke H größer als die Abtragungsdicke Δh für einen Durchgang ist, wird die Bearbeitung wiederholt, bis eine vollständige Polymerabtragung erreicht ist. Die mindestens benötigte Anzahl N erforderlicher Durchgänge kann gemäß N = H/Δh geschätzt werden.
Man beachte (in Fig. 4), dass für die Geschwindigkeitswerte v(R) > vabl(R) die Abtragung durch Abschmelzen mittels eines Inaktivgasplasmastrahls unbedeutend ist. In dem Fall, dass der Plasmastrahl chemisch aktive Reaktionspartner wie etwa Sauerstoff oder Wasserstoff enthält, wird das Polymer von dem Plasmastrahl mittels chemischer Reaktionen abgetragen, die üblicherweise als Verbrennen bzw. Veraschen (ashing) bezeichnet werden, doch viel langsamer als es mittels Abschmelzabtragung möglich ist.
Um Plasmaätzen des Materials des Gegenstandes oder anderer Materialen auf der Oberfläche 32 des Gegenstandes vorzunehmen, wird dem Plasmastrahl ein Reaktionspartner beigegeben, der mit den Materialkomponenten flüchtige chemische Substanzen bilden kann. Je größer die Konzentration des Reaktionspartners in dem Plasmastrahl 10 ist, desto größer ist die Ätzgeschwindigkeit. Der Reaktionspartner kann Flourgas sein, das ein Gas enthält (Freon, SF&sub6;, NF&sub3;, etc.), um Silizium, Poly-Silizium, SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, bzw. andere auf Silizium basierende Materialen, Mo, Ti, W, Cr zu ätzen. Er kann Chlorgas sein, das ein Gas (CCl&sub4;) zum Ätzen von Aluminium enthält. Es kann sich dabei um Sauerstoff oder um Wasserstoff zum Ätzen von Polymeren wie etwa Photowiderständen oder Polyimiden handeln.
Um innerhalb des Gegenstandes 30 eine gleichmäßige Ätzabtragung des Materials zu erhalten, wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung des Plasmastrahls 10 entlang des Rotationsradius R des Gegenstandes in Abhängigkeit des Abstandes der Auftrefffläche 11 des Plasmastrahls auf der Oberfläche 32 des Gegenstandes von der Rotationsachse Wa des Gegenstandes so verändert, dass gewährleistet ist, dass eine Abtragungsdicke von Oberflächenmaterial des Wafers an Oberflächenpunkten des Wafers für alle Radien gleich der Abtragungsdicke an den Oberflächenpunkten des Wafers an dem minimalen Rotationsradius ist. Während eines Durchlaufs des Plasmastrahls entlang dem Wafer werden die Ätzabtragungsgeschwindigkeit und Ätzgleichförmigkeit mittels der Geschwindigkeitsfunktion der Relativbewegung vetch(R) für gegebene Plasmastrahlparameter und Reaktionspartner-Konzentrationen bestimmt. In der Praxis kann die Geschwindigkeit der Funktion Vetch(R) mittels eines experimentellen Verfahrens im Wege der nachfolgend genannten Schritte aufgefunden werden. Zuerst kann die Geschwindigkeit vetch(R) als Geschwindigkeitsfunktion genommen werden, die eine gleichmäßige Erwärmung des Gegenstandes gewährleistet. Im zweiten Schritt wird der Plasmastrahl einmal über den Wafer geführt. Im dritten Schritt wird die Ätzabtragungsdicke Δh(R) entlang dem Radius des Gegenstandes in Schritten Δr gemessen. Eine durchschnittliche Materialabtragungsdicke Δhav wird gemäß der nachfolgenden Formel errechnet:
Beim vierten Schritt wird die wirkliche Ätzabtragungsdicke Δh(R) mit Δhav verglichen, und wenn die Differenz zwischen Δh(R) und Δhav unannehmbar ist, dann wird eine neue Geschwindigkeitsfunktion v*etch(R) gemäß dem Ausdruck veten(R) =(Δh(R)/Δhav)Vetch(R) errechnet und das Verfahren wird vom zweiten Schritt an wiederholt. Wenn die Differenz zwischen Δh(R) und Δhav annehmbar ist, dann wird das Verfahren beendet und die optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) kann zum gleichmäßigen Ätzen verwendet werden.
Um die gewünschte Ätzabtragungsdicke Δhdes zu erhalten, kann die Geschwindigkeit vdes(R) aus der Funktion vdes(R) = (Δhdes/Δhav)vetch(R) erhalten werden. Wie schon bei der Bestimmung der Geschwindigkeitsfunktion für eine Wärmebehandlung beschrieben ist, kann ein allgemeines, iteratives Verfahren ähnlich der Gleichung (iii) verwendet werden, um ein optimales Geschwindigkeitsprofil zum Ätzen zu erhalten.
Wenn die abzutragende Materialschichtdicke Hetch größer als die Abtragungsdicke Δh für einen Durchlauf ist, dann wird die Behandlung so lange wiederholt, bis die erforderliche Ätztiefe erreicht ist. Die mindestens erforderliche Anzahl N der Durchläufe kann anhand von N = Hetch/Δh errechnet werden.
Wenn das Ätzen durch eine Polymerphotowiderstandsmaskierung hindurch vorgenommen wird, sollte die Geschwindigkeitsfunktion für die Relativbewegung des Plasmastrahls größer gewählt werden, als die Abschmelzschwellengeschwindigkeit für das Polymermaterial, um eine Abschmelzabtragung der Polymermaskierung zu vermeiden.
Um eine plasma-geförderte chemische Ablagerung einer dünnen Schicht auf der Waferoberfläche vorzunehmen, wird dem Plasmastrahl 10 wenigstens ein reaktives Gas beigegeben, das in der Lage ist, eine nicht-flüchtige chemische Substanz auf der Waferoberfläche zu erzeugen. Beispielsweise ermöglicht eine Beigabe von SiH&sub4; zu dem Plasmastrahl 10 eine Ablagerung amorphen oder Poly-Siliziums, wenn der Plasmastrahl und die Umgebungsgase der Verfahrenskammer chemisch inaktiv sind. Wenn eine Mischung aus SiH&sub4; oder Dämpfe silikonischer organischer Substanzen und Sauerstoff dem Plasmastrahl beigegeben werden, wird eine Beschichtung aus Silikonoxid auf der Waferoberfläche abgelagert.
Zur gleichförmigen Materialablagerung wird die Geschwindigkeit Vdep(R) der Relativbewegung entlang dem Waferrotationsradius in Abhängigkeit des Abstandes des Plasmastrahls an der Waferoberfläche von der Waferdrehachse geändert, um zu gewährleisten, dass die abgelagerte Schichtdicke an Waferoberflächenpunkten aller Rotationsradien gleich der abgelagerten Schichtdicke bei Waferoberflächenpunkten am minimalen Drehradius ist.
In der Praxis kann die Geschwindigkeitsfunktion Vdep(R) mittels routinemäßiger Untersuchungsverfahren gemäß den nachfolgenden Schritten aufgefunden werden. Zuerst kann die Geschwindigkeit Vdep(R) als Geschwindigkeit genommen werden, die eine gleichmäßige Erwärmung des Wafers gewährleistet. Im zweiten Schritt wird der Plasmastrahl einmal über den Wafer geführt. Im dritten Schritt wird die Materialablagerungsdicke Δh(R) entlang dem Waferradius in aufsteigenden Intervallen Δr gemessen und die durchschnittliche Ablagerungsdicke Ahav wird gemäß dem Ausdruck
errechnet. Im vierten Schritt wird die wirkliche Ablagerungsdicke Δh(R) mit Δhav verglichen, und wenn die Differenz zwischen Δh(R) und Δhav nicht annehmbar ist, dann wird eine neue Geschwindigkeitsfunktion Vdep gemäß der Relation Vdep(R) (Δh(R)/Δhav)Vdep(R) errechnet, und das Verfahren wird vom zweiten Schritt an wiederholt. Wenn die Differenz zwischen Δh(R) und Δhav annehmbar ist, dann wird das Verfahren beendet und die aufgefundene optimale Geschwindigkeitsfunktion vopt(R) kann im weiteren für eine gleichförmige Ablagerung verwendet werden.
Um die gewünschte Ablagerungsdicke Δhdes zu erreichen, kann die Geschwindigkeit Vdes(R) anhand der Funktion: Vdes(R) = (Δhdes/Δhav)*Vdep(R) erhalten werden. Wie schon bei der Bestimmung der Geschwindigkeitsfunktion für die Wärmebehandlung beschrieben ist, kann ein allgemeines, iteratives Verfahren ähnlich der Gleichung (iii) verwendet werden, um ein optimales Geschwindigkeitsprofil zum Ablagern zu bestimmen.
Wenn die abzulagerende Materialschichtdicke Hdep größer als die Ablagerungsdicke Δh für einen Durchlauf ist, werden die Behandlungsschritte wiederholt, bis die erforderliche Schichtdicke erreicht ist. Die mindestens erforderliche Anzahl N von Durchläufen läßt sich gemäß N = Hdep/Δh schätzen.
Die Verfahren, die zur Bearbeitung von Gegenständen im Wege von Erwärmen, Polymerabschmelzen, Ätzen und Ablagern beschrieben sind, können kombiniert werden, um in einem einzigen Durchlauf mehrere Prozesse zu erledigen. Das entscheidende Moment sind die Steuerung bzw. die Fähigkeit zu einer Änderung der oben erläuterten Temperatur des Gegenstandes. Eine solche Anwendung besteht darin, eine Polysilikonbeschichtung durch eine Photowiderstandsmaskierung hindurch mit einer Struktur zu versehen und dann die Maskierung in einem einzigen Prozess abzustreifen: (1) versehe eine Polysilikonbeschichtung mit einer Struktur, indem eine Beschichtung durch eine strukturierte Photowiderstandsmaskierung bei niedriger Temperatur und hoher Durchschnittsgeschwindigkeit, v(R) > Vabl(R), geätzt wird, und (2) man entferne anschließend die Photowiderstandsmaskierung mittels eines Abschmelzprozesses unter Verwendung eines chemisch inaktiven Gases - d. h. Gasen, die nicht chemisch reagieren - bei einer höheren Temperatur und niedrigeren Durchschnittsgeschwindigkeit, V(R) < Vabl.
Man wird der vorangegangenen Beschreibung entnehmen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung das Verfahren für verschiedene Plasmastrahlbetriebsarten verwendet werden kann. Man verstehe, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen nur einer Darstellung der Grundgedanken der Erfindung dienen. Der Fachmann kann verschiedene Änderungen daran durchführen, die die Grundgedanken der Erfindung umsetzen und im Rahmen Ihrer Idee und ihres Umfangs liegen. Daher wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Erfindung nur durch die anliegenden Ansprüche bzw. deren vernünftiger Auslegung begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Behandeln der Oberfläche eines Gegenstands mit einem Plasmastrahl, welches die folgenden Schritte enthält:

((a)) Bereitstellen eines Gegenstandes (30) mit einer zu behandelnden Oberfläche (32),

((b)) Bereitstellen eines Plasmastrahls (10),

wobei das Verfahren weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß:

((c)) der Gegenstand um eine Achse (Wa) gedreht wird, wobei die Drehung einen Drehradius (R) definiert, der sich von der Achse aus erstreckt,

((d)) die Oberflächen (32) des Gegenstandes mit dem Plasmastrahl (10) in Kontakt gelangt, um einen Plasmastrahl-Fußabdruck (11) mit einer vorbestimmten Abmessung auf der Oberfläche (32) des Artikels zu bilden, und

((e)) der Plasmastrahl-Fußabdruck (11) entlang des Drehradius (R) in die radiale Richtung entsprechend einem Geschwindigkeitsprofil entlang dem Radius so bewegt wird, daß Wärme auf der Oberfläche (32) des Artikels einwirkt, um ein gewünschtes Temperaturverteilungsprofil auf der Oberfläche (32) des Artikels entlang der Drehachse (R) zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte enthält:

((a)) die Temperatur der Oberfläche (32) des Artikels wird entlang des Drehradius (R) gemessen, um eine gemessenen Temperaturverteilung für die Oberfläche (32) des Artikels entlang der Drehachse (R) zu erhalten,

((b)) die gemessene Temperaturverteilung für die Oberfläche (32) des Artikels wird mit einem gewünschten Temperaturverteilungsprofil für die Oberfläche (32) des Artikels entlang der Drehachse (R) verglichen,

((c)) ein zweites Geschwindigkeitsprofil zum Bewegen des Plasmastrahl- Fußabdruck (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands entlang der Drehachse -(R), welches das gewünschte Temperaturverteilungsprofil für die Oberfläche (32) des Gegenstands entlang des Drehradius (R) wird bestimmt, und

((d)) der Plasmastrahl-Fußabdruck (11) wird gegenüber der Oberfläche (32) entlang des Drehradius (R) entsprechend dem zweiten Geschwindigkeitsprofils so bewegt, daß die Oberfläche (32) des Gegenstands erwärmt wird, um das gewünschte Temperaturverteilungsprofil zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

bei dem das zweite Geschwindigkeitsprofil des Plasmastrahl-Fußabdrucks (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands entlang des Drehradius gemäß der Funktion Vdes(R) = ((Twärme(R)-T&sub0;)/(Tw(R)-T&sub0;))*v(R), wobei vdes(R) die Geschwindigkeit des Plasmastrahl-Fußabdrucks (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands an einem Punkt auf dem Radius ist, an dem gewünscht ist, die Oberfläche (32) des Gegenstands auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, Twärme(R) die gemessene Temperatur der Oberfläche des Gegenstands an dem Punkt auf dem Radius ist, T&sub0; die Anfangstemperatur der Oberfläche des Gegenstands, Tw(R) eine gewünschte Temperatur für die Oberfläche des Gegenstands an dem Punkt auf dem Radius und v(R) die Anfangsgeschwindigkeit des Plasmastrahl-Fußabdrucks gegenüber der Oberfläche des Gegenstands an einem Punkt auf dem Radius ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

bei dem die Temperatur des Gegenstands auf eine gleichförmige Temperatur im Bereich von ca. 30ºC bis 1200ºC gesteuert wird.

5. Verfahren zum Behandeln der Oberfläche eines Gegenstands mit einem Plasmastrahl, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:

((b)) Bereitstellen eines Plasmastrahls (10), wobei das Verfahren weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß:

((f)) die Temperatur der Oberfläche (32) des Artikels wird entlang des Drehradius (R) gemessen, um eine gemessenen Temperaturverteilung für die Oberfläche (32) des Artikels entlang der Drehachse (R) zu erhalten,

((g)) die gemessene Temperaturverteilung für die Oberfläche (32) des Artikels wird mit einem gewünschten Temperaturverteilungsprofil für die Oberfläche (32) des Artikels entlang der Drehachse (R) verglichen,

((h)) ein zweites Geschwindigkeitsprofil zum Bewegen des Plasmastrahl- Fußabdruck (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands entlang der Drehachse (R), welches das gewünschte Temperaturverteilungsprofil für die Oberfläche (32) des Gegenstands entlang des Drehradius (R) wird bestimmt, und

((i)) der Plasmastrahl-Fußabdruck (11) wird gegenüber der Oberfläche (32) entlang des Drehradius (R) entsprechend dem zweiten Geschwindigkeitsprofils so bewegt, daß die Oberfläche (32) des Gegenstands erwärmt wird, um das gewünschte Temperaturverteilungsprofil zu erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 5,

bei dem das zweite Geschwindigkeitsprofil des Plasmastrahl-Fußabdrucks (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands entlang des Drehradius gemäß der Funktion Vdes(R) = ((Twärme(R)T&sub0;)/(Tw(R)-T&sub0;))*v(R), wobei Vdes(R) die Geschwindigkeit des Plasmastrahl-Fußabdrucks (11) gegenüber der Oberfläche (32) des Gegenstands an einem Punkt auf dem Radius ist, an dem gewünscht ist, die Oberfläche (32) des Gegenstands auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, Twärme(R) die gemessene Temperatur der Oberfläche des Gegenstands an dem Punkt auf dem Radius ist, T&sub0; die Anfangstemperatur der Oberfläche des Gegenstands, Tw(R) eine gewünschte Temperatur für die Oberfläche des Gegenstands an dem Punkt auf dem Radius und v(R) die Anfangsgeschwindigkeit des Plasmastrahl-Fußabdrucks gegenüber der Oberfläche des Gegenstands an einem Punkt auf dem Radius ist.