DE69722633T2

DE69722633T2 - Entfernung von material durch in schiefem winkel angewendete strahlung

Info

Publication number: DE69722633T2
Application number: DE69722633T
Authority: DE
Inventors: C. Audrey ENGELSBERG; W. Andrew JOHNSON; P. William PARKER
Original assignee: Cauldron LP
Current assignee: Cauldron LP
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2017-07-23
Also published as: ATE242065T1; CN1231623A; EA199900160A1; KR100476814B1; HU9903927A; EP0921871A1; HUP9903927A3; US5800625A; AU3966397A; LV12345A; NO990150D0; TW388075B; WO1998004366A1; DE69722633D1; CZ19899A3; JP2000515811A; MY113873A; NO990150L; KR20000029533A; BR9710764A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf die Entfernung von Material von einer Oberfläche und insbesondere auf die Entfernung von Material von der Oberfläche eines Substrats durch Anwendung einer Strahlung in einem schief zum Substrat stehenden Einfallswinkel, ohne die physikalischen Eigenschaften des auf dem Substrat zu belassenden Materials zu verändern, das unter oder nahe dem zu entfernenden Material liegt. Diese Methode ist bei Bedingungen von Nutzen, wo die Anwendung einer Bestrahlung in einem senkrechten Winkel zur Substratoberfläche zu nicht adäquater Materialentfernung, zu Beschädigung der Substratoberfläche, die unter oder nahe dem zu entfernenden Matrial liegt, oder zu beidem führt.
WO 95/07152 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Fremdmaterial an einer Substratoberfläche mit Bildung eines Reaktionsprodukts, das die Bereitstellung eines direkten Flusses einer Flüssigkeit einschließlich eines Reaktionspartners in der Nähe des Fremdmaterials umfasst und durch Anwendung eines Lichtstrahls die Reaktion des Reaktionspartners mit dem Fremdmaterial unterstützt, um das Reaktionsprodukt zu erzeugen.
WO 93/19888 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen unerwünschten Matrials von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats ohne Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften des auf der Bearbeitungsoberfläche zu belassenden gewünschten Materials, das nahe oder unter dem unerwünschten Material liegt, wobei die Bearbeitungsoberfläche mit energiereichen Photonen bestrahlt wird, um das unerwünschte Material von der Bearbeitungsoberfläche zu lösen, und wobei die Bearbeitungsoberfläche und das unerwünschte Material in eine reaktionsunfähige Gasumgebung getaucht werden, während gleichzeitig die Bearbeitungsoberfläche in einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel bestrahlt wird.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Verbesserung des Stands der Technik ab, der am besten beschrieben wird in: IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology – Part A, Dez. 1994, Nr. 4, New York (USA); H. K. Park et al.: „A Practical Excimer Laser-Based Cleaning Tool for Removal of Surface Contaminants", S. 631–643.
Die effiziente Entfernung unerwünschten Materials von der Oberfläche eines Substrats ist ein bedeutender Aspekt bei vielen wichtigen Materialverarbeitungs- und Produktfertigungsverfahren. In der Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 08/335.258 zählen Partikel, unerwünschte chemische Elemente oder Verbindungen sowie Materialfilme oder -schichten zu den unerwünschten Materialien (die auch als Kontaminanten angesehen werden können). Partikel können einzelne Materialstücke sein, deren Größe sich vom submikroskopischen Bereich bis zu Körnern erstreckt, die für das bloße Auge sichtbar sind. Zu den unerwünschten Chemikalien gehören alle Arten, Elemente oder Verbindungen, die zum Zeitpunkt der Durchführung des Entfernungsverfahrens nicht gewünscht werden. Beispielsweise können Hydroxyl-Gruppen (-OH) bei einer Prozessstufe ein gewünschter Reaktionsbeschleuniger auf der Oberfläche eines Substrats und bei einer anderen Prozessstufe ein unerwünschter Kontaminant sein. Materialfilme oder -schichten können organisch – z. B. Körperabsonderungen bei menschlichen Fingerabdrücken, Farbe und Epoxidharz – oder anorganisch sein – z. B. Oxide des Substratmaterials oder andere anorganische Substanzen, denen das Substrat ausgesetzt wurde.
Solche unerwünschten Materialien müssen möglicherweise entfernt werden, um den Nutzen des Substrats für dessen beabsichtigte Verwendung zu steigern. Beipielsweise geht bei bestimmten präzisen wissenschaftlichen Messinstrumenten die Genauigkeit verloren, wenn sich auf optischen Linsen oder Spiegeln eine mikrofeine Schicht aus Oberflächenkontaminanten bildet. Ähnlich ist der Fall bei Halbleitern, wo Oberflächendefekte wegen kleiner molekularer Kontaminanten oft Photomasken oder Chips unbrauchbar machen. Der Produktionsertrag bei Halbleiterchips kann radikal verbessert werden, wenn die Anzahl der molekularen Oberflächendefekte in einer Photomaske auch nur um ein geringes Maß reduziert wird. In vergleichbarer Weise wird die Qualität fertiger Computerchips verbessert, wenn molekulare Oberflächenkontaminanten (z. B. Kohlenstoff oder Sauerstoff) von Siliciumwafer-Oberflächen vor oder zwi schen dem Aufbringen der Schaltkreisschichten auf dem Wafer entfernt werden.
Durch selektive Entfernung von Schichten des Substratmaterials können sehr kleine Strukturen auf der Substratoberfläche erzeugt werden (die so genannten „Nanostrukturen"). Material (Substratmaterial, Oxid- oder andere Materialschichten) kann auch selektiv in unterschiedlichem Ausmaß quer über die Substratoberfläche entfernt werden, um die Oberflächentopographie des Substrats zu verändern (z. B. Glätten einer rauen Oberfläche).
Für die Ausrüstung bei der Materialbearbeitung ist häufig eine Behandlung zur Entfernung unerwünschten Materials notwendig, um eine Verunreinigung der mit der Ausrüstung bearbeiteten Produkte zu verhindern. Beispielsweise stammt ein beträchtlicher Anteil des unerwünschten Materials, das letztlich die Siliciumwafer während der Produktion verunreinigt, aus Produktionseinrichtungen wie z. B.: Prozesskammern, in denen die Wafer positioniert werden; Quarzwaferbooten, die die Wafer transportieren, während sie die Quarzrohröfen durchlaufen (auch die Rohröfen selbst); und Röhren, die das Prozessgas durch die Kammern leiten. Demgemäß kann die Waferverunreinigung während des Produktionslaufs durch periodische Reinigung solcher Einrichtungen beträchtlich reduziert werden.
Normalerweise sollte kein Verfahren, mit dem Material von einem Substrat entfernt wird, die physikalischen Eigenschaften des verbleibenden (gewünschten) Materials beeinträchtigen. Zu den physikalischen Eigenschaften, die nicht beeinflusst werden sollten, gehören im Allgemeinen: kristalline Struktur, Leitfähigkeit, Dichte, Dielektrizitätskonstante, Ladungsdichte, Hall-Koeffizient und der Diffusionskoeffizient für Elektronen bzw. Löcher. Bei speziellen Halbleiteranwendungen – z. B. Metalloxid-Halbleitern („MOS"), Feldeffekttransistoren („FET") und Bipolar-Junction-Transistoren („BJT") – sollten u. a. folgende Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden: die Kapazität/Fläche bei einem MOS; Sperrschichtkapazität; der Kanalstrom vom Drain zur Source bei einem FET; die Kollektor-Basis-Spannung und Emitter-Basis-Spannung bei einem BJT; die Drain-Source-Spannung und Gate-Source-Spannung bei einem FET; die Schwellenspannung bei einem MOS; der Zustand der Ladung/Fläche der MOS-Oberfläche; und die Verzögerungszeit beim Speichern. Darüber hinaus wird möglicherweise nicht gewünscht, dass die Topographie (z. B. die Oberflächenrauheit) des verbleibenden Materials verändert wird.
In der detallierten Beschreibung der US-Patentanmeldungen Nr. 08/335.258 und 08/306.431 wurden zahlreiche Methoden zur Entfernung unerwünschter Materialien vorgeschlagen (die gegenwärtig auch verwendet werden). Dazu gehören: nasschemische Reinigung (RCA-Verfahren), Reinigung mit verdünntem HF, Megaschall, Ultraschall und superkritschen Flüssigkeiten, UV- und Ozon-Reinigung, Reinigung mit Bürsten, Reinigung mit HF-Dampf, laserunterstützte Reinigung mit Flüssigkeiten (einschließlich des Allen-Verfahrens und des Tam-Verfahrens), Schmelzen, Glühen und Ablation der Oberfläche, Plasmareinigung und Reinigung mit Trockeneis (CO₂).
All diese Methoden haben manche Nachteile, beispielsweise: fehlendes Vermögen, sehr kleine Partikel zu entfernen; unerwünschte Änderung der physikalischen Eigenschaften des darunter liegenden Substrats; hoher Verbrauch von teuren Materialien wie ultrareinem Wasser und ultrareinen Gasen; und Entstehung giftiger Abfallprodukte (z. B. HF-Säuren). Engelsbergs Bestrahlungserfindungen lösen die Probleme und vermeiden die Nachteile dieser dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren, indem unerwünschtes Material von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats durch Bestrahlung mit energiereichen Photonen entfernt wird, deren räumliche und zeitliche Konzentration (Energie- und Leistungsflüsse) für das Entfernen des unerwünschten Materials ausreicht, aber nicht in der Lage ist, die physikalischen Eigenschaften des darunter liegenden Substrats zu verändern. Engelsbergs Bestrahlungserfindungen erweisen sich jedoch unter bestimmten Bedingungen bei der Entfernung unerwünschten Materials als unwirksam oder beschädigen die Materialien, die auf dem Substrat zu belassen sind, das unter oder nahe dem zu entfernenden Material liegt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung behebt die Probleme und vermeidet die Nachteile des Stands der Technik und von Engelsbergs Bestrahlungserfindungen, indem un erwünschtes Material von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats durch Bestrahlung mit energiereichen Photonen entfernt wird, die in einem bezogen auf die Substratoberfläche nicht-senkrechten Winkel auftreffen und deren räumliche und zeitliche Konzentration (Energie- und Leistungs lüsse) für das Entfernen des unerwünschten Materials ausreicht, aber nicht in der Lage ist, die physikalischen Eigenschaften des darunter liegenden Substrats zu verändern. Vorzugsweise wird ein Gas kontinuierlich über die Oberfläche geleitet, um das entfernte Material mitzunehmen und dadurch eine Wiederablagerung dieses Materials an einer anderen Stelle des bearbeiteten Substrats zu vermeiden. Das Gas ist unter optimalen Bedingungen inert gegenüber dem Substrat und dem zu entfernenden Material. Darüber hinaus bewegt sich der Gasstrom vorzugsweise in der Laminarströmung, um so am besten die Möglichkeit zu vermeiden, dass sich im Strom mitgerissene Kontaminanten auf der Bearbeitungsoberfläche ablagern.
Die Strahlungsquelle (der energiereichen Photonen) kann irgendein in der Technik bekanntes Mittel sein, das Photonen mit dem erforderlichen Energiegrad bereitstellt; zu diesen Mittel gehören z. B. Impuls- oder Dauerstrichlaser und energiereiche Lampen. Bei einigen Anwendungen – z. B. solche, bei denen die nahezu gleichzeitige Anwendung mehrerer Photonen erforderlich ist – wird eine Quelle mit hoher Bestrahlungsleistung bevorzugt, beispielweise ein UV-Impulslaser.
Es wird gezeigt, dass die Erfindung dafür anwendbar ist, den Schlammrest des chemisch-mechanischen Polierens („CMP") von strukturierten Siliciumwafern zu entfernen. Der Schlammrest wurde bei senkrechtem Einfallswinkel von den Wafern entfernt, doch die Aluminium-Schaltungsmuster wurden dabei beschädigt. Bei einem schiefen Winkel und bei reduzierten Energie- und Leistungsflüssen wurde der Schlamm überraschenderweise ohne Beschädigung entfernt.
Es wird auch gezeigt, dass die Erfindung dafür anwendbar ist, Siliciumnitridpartikel von bloßem Silicium zu entfernen. Hier ergab sich eine unzureichende Entfernung bei senkrechtem Winkel und eine wirksame Entfernung ohne Beschädigung, als die Bestrahlung in einem schiefen Winkel auf das Substrat gerichtet wurde.
Es wird ferner gezeigt, dass die Erfindung dafür anwendbar ist, Polyurethanschaum von Vinyl zu entfernen. Bei vergleichbaren Energiegraden ergab sich für den senkrechten Einfallswinkel eine Beschädigung des Materials und eine unzureichende Entfernung, während sich der Schaum bei schiefen Winkeln ohne Beschädigung entfernen ließ.
Es wird darüber hinaus gezeigt, dass die Erfindung dafür anwendbar ist, Photolack-Partikel von einem dünnen Chromfilm auf der Quarzphotomaske zu entfernen. Die Partikel wurden bei einem schiefem Winkel ohne Beschädigung entfernt. Im Gegensatz dazu ergab sich bei senkrechtem Winkel, dass die Entfernung der Partikel unzureichend war und dass das Chrom von der Quarzphotomaske abgeschält wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Entfernen unerwünschten Materials von einem Substrat gemäß den Grundsätzen von Engelsbergs Bestrahlungserfindungen.
2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der Erfindung zum Entfernen unerwünschten Materials von einem Substrat gemäß den Grundsätzen der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung der Geometrie der Zone des einfallenden Strahls, die von einer Vorrichtung der 1–2 auf einem Substrat erzeugt wird.
4A und 4B sind schematische Darstellungen, die die Position der Gasdüsen in einem der Beispiele zeigen.
5A und 5B sind schematische Darstellungen, die die Anordnung der Brennebene des Lichtstrahls zeigen.
Detaillierte Beschreibung
Es werden nun die gegenwärtig bevorzugten Ausführungen der Erfindung beschrieben, deren Beispiele in den begleitenden Zeichnungen darge stellt sind. Bei allen Zeichnungen dienen gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher Teile.
1. Verfahren und Vorrichtung für die Grundbearbeitung
In 1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung unerwünschten Materials von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats ohne Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften des Substrats schematisch dargestellt. Gemäß 1 schließt die Vorrichtung 10, die zur Bearbeitung des von unerwünschtem Material zu befreienden Substrats 12 dient, ein Bestrahlunssystem 400, ein Gassystem 500 und ein Relativbewegungs-System 600 ein. Das Bestrahlungssystem 400 schließt eine Quelle 410 der Bestrahlung 11 (die aus energiereichen Photonen besteht) ein, beispielsweise einen Laser und ein geeignetes optisches Zufuhrsystem 450, mit dem die Bestrahlung 11 zur Bearbeitungsoberfläche des Substrats 12 gerichtet wird. Das Gassystem 500 schließt eine Quelle 510 eines Gases 18 und ein zugeordnetes Gaszufuhrsystem 550 ein, um das Gas 18 über zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats 12 zu leiten, auf das die Bestrahlung 11 gerichtet wird. Das Gas 18 ist vorzugsweise inert gegenüber dem Substrat 12 und wird quer darüber geführt, um es so in eine reaktionsunfähige Gasumgebung zu tauchen. Das Gas 18 ist vorzugsweise ein chemisch inertes Gas wie z. B. Helium, Stickstoff oder Argon und wird in der Laminarströmung zugeführt. Das Relativbewegungs-System 600 sorgt für die relative Bewegung zwischen einem Teil der Bearbeitungsoberfläche des zu behandelnden Substrats 12 und der Bestrahlung 11 sowie – optional – des Gases 18.
Jeder Bestandteil dieser Komponenten der Vorrichtung 10 (Bestrahlungsquelle 410, optisches Zufuhrsystem 450, Gasquelle 510, Gaszufuhrsystem 550 und Relativbewegungs-System 600) kann so beschaffen sein wie in der Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 08/335.258 und leicht vom Fachmann ausgewählt werden, um die Vorrichtung gemäß den Grundsätzen der Erfindung zu konfigurieren. Das optische Zufuhrsystem 450 kann beispielsweise Spiegel, Linsen, Lichtleitfasern, Kollimatoren, Blenden, Strahlhomogenisierer und andere Elemente enthalten. Das Gaszufuhrsystem 550 kann Rohre, Kammern, Leitungen, Ventile, Filter, Durchflussmessgeräte und andere Elemente einschließen. Das Relativbewegungs-System 600 kann irgendein geeignetes System für die Translations- oder Rotationsbewegung des Substrats 12 gegenüber der Bestrahlung 11 und dem Gas 18 enthalten; es kann auch eine Translationsstufe für die Parallelverschiebung des Substrats in der Ebene, eine Drehvorrichtung für das Drehen des Substrats oder bewegliche Komponenten im optischen Zufuhrsystem einschließen, um den Lichtstrahl 11 quer über das Substrat zu führen. Die abgebildeten Ausführungen der Vorrichtung 10 werden nachstehend detaillierter beschrieben.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird die Bearbeitungsoberfläche des Substrats mit energiereichen Photonen in einer räumlichen und zeitlichen Konzentration (Energie- und Leistungsflüsse) bestrahlt, die zum Entfernen unerwünschten Materials von der Bearbeitungsoberfläche ausreicht und dagegen zur Änderung der physikalischen Eigenschaften des Materials nicht ausreicht, das auf der Substratoberfläche verbleiben soll.
Zur Entfernung des unerwünschten Materials müssen die Bindungen, durch die es an dem darunter liegenden oder benachbarten Material (das dasselbe Material, ein Substratmaterial oder ein drittes Material sein kann) der Bearbeitungsoberfläche haftet, gespalten werden. Jede solche Bindung wird durch Zufuhr einer Energiemenge gespalten, die zumindest der Bildungsenergie der Bindung gleicht. In der nachfolgenden Tabelle 1a sind Bildungsenergien von Bindungen (d. h. die Menge der Energie, die bei der Bildung der Bindung freigesetzt wird) für übliche Substratmaterialien aufgeführt. Dabei sind die Bindungsenergien zwischen den Materialelementen selbst (z. B. Cr-Cr) und zwischen dem Materialelement und Sauerstoff (z. B. Cr-O) verzeichnet. In der anschließenden Tabelle 1 b sind die Bindungs-Bildungsenergien verschiedener Kohlenstoffverbindungen dargestellt.
Tabelle 1a
Tabelle 1b
Die Bindungen werden gespalten, wenn die von den Photonen mitgeführte und auf die Bindungen übertragene Energie größer ist als die Bildungsenergie der Bindungen. Man geht davon aus, dass der energetische Wirkungsgrad bei diesem Verfahren des Spaltens der Bindung unzulänglich ist und dass folglich eine Photonenenergie erforderlich ist, die ungefähr doppelt so groß ist wie die Bildungsenergie der Bindung. Die Tabellen 1a und 1b zeigen, dass die Oxid-Bindungsenergien im Bereich zwischen 4,0 und 8,3 eV und die organischen (Kohlenstoff-) Bindungsenergien im Bereich zwischen 3,5 und 11,2 eV liegen. Es sind also Photonenenergien von ungefähr 7–22 eV notwendig.
Die Energie eines Photons hängt von seiner Wellenlänge in folgender Beziehung ab:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit (3,00 × 10⁸ m/s), λ die Wellenlänge (m) und h die Planck'sche Konstante (4,14 × 10^–15 eV sec) ist. Die Auswahl der Photonenquelle hängt demgemäß von der erforderlichen Photonenenergie und damit von der Wellenlänge ab. In der Tabelle 1c unten sind verschiedene Laser aufgeführt. Die Tabelle kennzeichnet das Lasermedium [und ob das Medium ein Gas (G), eine Flüssigkeit (Fl), ein Feststoff (Fs) oder Plasma (P) ist], die Photonen-Wellenlänge λ (nm) sowie die Photonenenergie E_ph (eV). Für Dauerstrichlaser ist außerdem die durchschnittliche Leistung P_ave (W) und für Impulslaser die Energie pro Puls E_pulse (J), eine repräsentative Pulsdauer t_pulse (ns) und die Spitzenleistung eines Pulses P_peak (MW) aufgelistet.
Tabelle 1c
Vergleicht man die Photonenenergien der obigen Laser mit den erforderlichen Energien, die oben für übliche Substratmaterialien aufgeführt wurden (und berücksichtigt man die zu erwartenden Unzulänglichkeiten in Bezug auf den energetischen Wirkungsgrad), wird deutlich, dass die Energie eines einzelnen Photons in den meisten Fällen nicht ausreicht, um die betreffenden Bindungen zu spalten. Man geht jedoch davon aus, dass die bindungsspaltende Energie durch mehrere Photonen bereitgestellt werden kann, wenn die Photonen in sehr kurzer Zeit oder im Wesentlichen „gleichzeitig" auf die Bindung auftreffen.
Da eine bestimmte Energiemenge für das Spalten jeder Bindung benötigt wird, ist die Gesamtmenge der Energie (und demnach die Gesamtanzahl der Photonen einer vorgegebenen Energie), die zur Entfernung einer vorgegebenen Menge unerwünschten Materials von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats erforderlich ist, im Allgemeinen proportional zur Anzahl der Bindungen in dieser Materialmenge. Es wird angenommen, dass Photonen nur an der Grenzzone der Bearbeitungsoberfläche [d. h.: die oberste oder die beiden ober sten Schichten von Atomen oder Molekülen (monomolekulare Schichten)] mit Bindungen in Wechselwirkung treten. Zum Entfernen von im Wesentlichen kontinuierlichen Schichten (z. B. Oxidschichten) ist es daher von Nutzen, wenn man die Flächen- und Dickeneinheiten des Materials in monomolekularen Schichten berücksichtigt. Folglich wird bei einer vorgegebenen Oberfläche für die Entfernung einer bestimmten Materialdicke (oder Anzahl an monomolekularen Schichten) die wirksame Anwendung einer vorgegebenen Energiemenge (Anzahl an Photonen) benötigt. Selbstverständlich tragen nicht alle Photonen, die auf die Bearbeitungsoberfläche eines Substrats auftreffen, zur Spaltung von Bindungen bei, sondern nach vorherrschender Meinung nur ein kleiner Teil davon. Es wird angenommen, dass dies zumindest teilweise der Wirklichkeit entspricht, da die wirksamen Stellen (die Bindungen bzw. Teile davon) für die Absorption der Photonenenergie nur einen kleinen Teil der Oberfläche einnehmen. Man geht jedoch davon aus, dass zumindest für ein vorgegebenes Material ein relativ konstantes Verhältnis zwischen der tatsächlich erforderlichen Photonenanzahl und der theoretischen Anzahl besteht, die auf der Anzahl der zu spaltenden Bindungen basiert. Ein zu berücksichtigender relevanter Parameter ist demzufolge der auf die Substrat-Bearbeitungsoberfläche einwirkende Energiefluss (Energie pro Flächeneinheit bzw. Photonenanzahl pro Flächeneinheit), der der Dicke des zu entfernenden unerwünschten Materials entspricht.
Es gibt – wie oben beschrieben – Fälle, bei denen für die betreffenden Bindungen mehr Energie benötigt wird als ein einzelnes von der ausgewählten Bestrahlungsquelle ausgehendes Photon tragen kann. Solche Bindungen werden hier als „Multiphotonen-Bindungen" bezeichnet. Es wurde ebenfalls oben beschrieben, dass sich die Energien von zwei oder mehr Photonen wahrscheinlich additiv zueinander verhalten und dass dadurch die Energie, die für die Spaltung einer Multiphotonen-Bindung erforderlich ist, nur dann bereitgestellt werden kann, wenn die Photonen gleichzeitig auf die Bindung auftreffen. Dies bringt die Auftreffrate der Photonen an einer Bindungsstelle ins Spiel, wobei diese Auftreffrate ein Leistungsfluss ist (Energie pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit). Ferner wird davon ausgegangen, dass die Spaltung von Multiphotonen- Bindungen wahrscheinlich ist. Bei einem vorgegebenen durchschnittlichen Leistungsfluss über eine Substratfläche besteht eine durchschnittliche Auftreffrate von Photonen an irgendeiner vorgegebenen Bindungsstelle. Die tatsächliche Auftreffrate der Photonen sollte jedoch zufällig um den Mittelwert herum verteilt sein. Wenn es also eine minimale Photonen-Auftreffrate (maximales Zeitintervall zwischen den Photonen) gibt, bei der die Addition der Photonenenergie stattfindet, um die Spaltung einer Multiphotonen-Bindung zu ermöglichen, wirkt ein mittlerer Leistungsfluss – der auf eine vorgegebene Fläche angewendet wird, die der minimalen Auftreffrate entspricht – auf ungefähr die Hälfte der Bindungsstellen in dieser Fläche ein, die der erforderlichen Auftreffrate (oder größeren Rate) ausgesetzt sind. Umgekehrt wird erwartet, dass Photonen innerhalb des erforderlichen Zeitintervalls auf einige Bindungsstellen auftreffen, selbst wenn der mittlere Leistungsfluss etwas geringer ist als der, der für die Erzeugung der mindestens erforderlichen Photonen-Auftreffrate benötigt wird.
Zusammengefasst gesagt: es muss ein minimaler Gesamtenergiefluss (die Gesamtanzahl von Photonen eines vorgegebenen Energiegrades pro Flächeneinheit) auf das unerwünschte Material einwirken, um eine vorgegebene Dicke des unerwünschten Materials von der Bearbeitungsoberfläche eines Substrats zu entfernen. Wenn es um Multiphotonen-Bindungen geht, ist auch ein bestimmter Leistungsfluss erforderlich; und je höher der Leistungsfluss ist, desto größer ist die Möglichkeit, dass jede Bindungsstelle der notwendigen Photonen-Auftreffrate ausgesetzt wird. Bei der Auswahl einer geeigneten Quelle energiereicher Photonen muss also die erforderliche Photonenenergie und – bei Multiphotonen-Bindungen – die verfügbare Leistung abgeschätzt werden. Aus den unten dargestellten Daten geht hervor, dass zum Entfernen von CMP-Resten und Partikeln UV-Impulslaser die bevorzugten Photonenquellen sind, da diese Laser die höchsten Spitzenleistungswerte und hohe Photonenenergien aufweisen.
Eine damit konkurrierende Betrachtungsweise spricht sich für eine Begrenzung der Energie- und Leistungsflüsse aus, die auf die Bearbeitungsoberfläche eines Substrats einwirken dürfen – gemäß der Anforderung, dass eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des auf der Oberfläche zu belas senden Materials zu vermeiden ist. Normalerweise verursacht ein Temperaturanstieg des Materials über den Schwellenwert hinaus eine Änderung der physikalischen Materialeigenschaften. Die Temperaturänderung an der Oberfläche eines Materials, die durch Anwendung von Strahlenenergie herbeigeführt wird, hängt von den Wärmeübertragungs-Eigenschaften des Materials und von den Leistungs- und Energieflüssen der angewendeten Bestrahlung ab. Es sind einige Experimente erforderlich, um die maximalen Leistungs- und Energieflüsse zu ermitteln, die auf ein vorgegebenes Substratmaterial angewendet werden können. Dem Stand der Technik entsprechende Laserreinigungsverfahren, die auf Verdampfung, Ablation oder Schmelzen der Oberfläche setzen, liefern einige Anhaltspunkte für die Energie- und Leistungsflüsse, die für Änderungen der Oberflächen von Substratmaterialien erforderlich sind.
In Engelsbergs Bestrahlungserfindungen wurden die Photonen vorzugsweise senkrecht auf die Ebene des bearbeiteten Substratteils gerichtet, um für eine vorgegebene Ausgangsleistung der Photonenquelle die Leistungs- und Energieflüsse an der Oberfläche zu maximieren. Es wurde angenommen, dass die einzige Wirkung von in schiefem Winkel auftreffenden Photonen darin bestand, dass die Energie- und Leistungsflüsse an der Oberfläche um einen Faktor reduziert würden, der dem Sinus des auf die Oberflächenebene bezogenen Einfallswinkels entspricht. Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch, dass es Situationen gibt, wo die Entfernung unerwünschten Materials bei einem schiefen Winkel trotz der niedrigeren Energie- und Leistungsflüsse verbessert wird, wobei wegen dieser reduzierten Flüsse eine Beschädigung weniger wahrscheinlich ist.
2. Prüfvorrichtung
Die Prüfvorrichtung ist schematisch in 2 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung (in der Figur als 10A gekennzeichnet) dient als Bestrahlungsquelle der Laser 411, der ein gepulster KrF-Excimerlaser ist, der von Lambda Physik als Modell Nr. LEXtra 200 verkauft wird. Dieser Laser hat eine Wellenlänge von 248 nm (bei einer Photonenenergie von 5,01 eV), pro Puls eine maximale Aus gangsenergie von 600 mJ und eine fest eingestellte Pulsdauer von 34 ns (für eine Maximalleistung pro Puls von 17,65 MW). Die maximale Impulsfolgefrequenz beträgt 30 Hz und erzeugt eine maximale Durchschnittsleistung von 18 W. Der Strahl hat am Laserausgang einen Querschnitt von 23 × 13 mm.
Das optische Zufuhrsystem 450 enthält in der Reihenfolge, in der der Strahl 11 den Laser 411 verlässt, eine Blendenplatte 452, die Umlenkspiegel 453, 454 und 455 sowie die Zylinderlinse 456. Die Blendenplatte 452 kann dazu verwendet werden, die „Enden" der Gauß'schen Normalverteilung der vom Laser 411 ausgestrahlten Photonen zu blockieren, so dass sich die Energie im Laserstrahl 11 ungefähr gleichmäßig über eine senkrecht zum Strahl liegende Ebene verteilt. Das Verfahren zur Bestimmung der geeigneten Blendenmaße besteht darin, mit mehreren Laserschüssen das Abbild des Strahls ausreichend auf Faxpapier festzuhalten. Die Länge und Breite des Abbilds des Strahls wird mit einem metrischen Skalenmessschieber gemessen. Die Umlenkspiegel 453-455 sind ebene Spiegel. Der Spiegel 455 kann an der Spiegelhalterung 457 nach oben und unten bewegt und gedreht werden, um den Einfallswinkel (Al; angle of incidence), ⊝, des Strahls zu justieren, der auf die Substratoberfläche gerichtet wird. Der kleinste und der größte in den Beispielen verwendete Einfallswinkel betrug 6° bzw. 83,9° – bei größeren Winkeln würde der Laserstrahl zum optischen Zufuhrsystem 450 zurückreflektiert. Der in den Beispielen beschriebene senkrechte Einfall bezieht sich daher auf Einfallswinkel von ca. 84° relativ zur horizontalen Ebene der Bearbeitungsoberfläche. Die Zylinderlinse 456 ist eine 51 × 51 mm große Linse mit 200 mm Brennweite und ist bei Acton Research in Acton, Massachusetts, USA, erhältlich. Die Zylinderlinse 456 kann an der Linsenhalterung 458 nach oben oder unten bewegt werden, um den Strahl 11 einzufangen, und näher zum Substrat oder davon fortbewegt werden, um den Brennpunkt des Strahls einzustellen. Die Zylinderlinse 456 lässt sich so justieren, dass die Brennebene des Strahls 11 über (hier als „Vor-Brennpunkt" bezeichnet) oder unter (hier als „Durch-Brennpunkt" bezeichnet) der Ebene des bearbeiteten Substratteils liegt (die Effekte des Vor- und Durch-Brennpunkts werden ausführlicher in Abschnitt 4 beschrieben). Der Spiegel 455 und die Zylinderlinse 456 werden in fünfachsigen 100-mm-Kardanaufhängungen gehalten und durch Verwendung eines Mikrometertischs eingestellt. Die Strahlbreite auf der Oberfläche des Substrats wird ebenfalls mit dem Mikrometertisch justiert. Optional kann das Element 459 hinzugefügt werden, das ein Polarisator, Strahlteiler oder Lichtdämpfer sein kann. Alle optischen Teile haben eine Antireflex-Beschichtung für 248 nm Wellenlänge. Diese Vorrichtung kann mit einem Motor ausgestattet und für die Computersteuerung automatisiert werden.
Der Laserstrahl 11 wird auf den Tisch 610 gerichtet, auf dem das Substrat 12 befestigt ist. In 3 ist ersichtlich, dass der Tisch 610 in der X- und Y-Richtung seitlich bewegt werden kann (parallel zur Tischebene; in 3 durch die Pfeile X und Y gekennzeichnet). Der Strahl 11 erzeugt eine normalerweise rechteckige Strahleinfallszone 611 mit eine Breite w und einer Länge l. Die Zone 611 wird durch seitliches Bewegen des Tischs 610 quer über die Oberfläche des Substrats 12 geführt.
Das Gaszufuhrsystem 500 schließt ein Dewar-Gefäß mit flüssigem Stickstoff (4500 L Inhalt) ein, das in folgender Reihenfolge angeschlossen ist an: einen zweistufigen Regler; einen Feuchtigkeits-/Sauerstoff-Adsorptionsapparat (MG Industries Oxisorb, der bis zu Konzentrationen von 0,01 ppb adsorbiert); einen Millimore-Partikelfilter, Modell 304 (filtert bis 0,003 μm); einen Durchflussmesser, der an einen Edelstahl-Massendurchflussregler von Cole-Palmer (Teilenummer H-32561-42, kalibriert für Stickstoff- und Inertgasbetrieb) angeschlossen ist; einen zweiten Millimore-Partikelfilter, Modell 304 (filtert bis 0,003 μm); und eine Düse 551, die nahe der Zone 611 endet. Die Düse 551 gibt einen Strom des Gases 18 quer über die Zone 611 ab und bleibt gegenüber der Zone 611 fest arretiert, so dass sich der Tisch 610 und das Substrat 12 seitlich gegenüber der Düse bewegen. Dieses Gaszufuhrsystem ist bei Materialien von Nutzen, die gegen typische atmosphärische Gase unempfindlich sind, und erlaubt eine einfachere Vorrichtung als in dem Fall, bei dem das Substrat während der Bearbeitung von der Atmosphäre isoliert werden muss oder soll (wie z. B. in der Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 08/335.258).
Es wird eine Videokamera 700 positioniert, um die Zone 611 zu betrachten und dadurch die Daten der Bearbeitungsergebnisse sichtbar erfassen zu können.
In der dargestellten Ausführung wird der Tisch 610 zuerst längs in der X-Richtung bewegt, während der Strahl 11 auf die Oberfläche des Substrats 12 auftrifft, wobei eine längliche, rechteckige Materialabtragsfläche 612 auf dem Substrat 12 entsteht, das dem Laserstrahl 11 ausgesetzt ist. Der Tisch 610 kann zu einer Startposition zurückgefahren und erneut in die X-Richtung bewegt werden, so dass der Strahl 11 einen weiteren „Durchlauf" über die Materialabtragsfläche 612 durchführen kann. Nach einem oder mehreren Durchläufen kann der Tisch 610 seitlich in der Y-Richtung um eine ungefähr der Länge 1 gleiche Strecke bewegt und dann wieder in der X-Richtung verschoben werden, um eine weitere Materialabtragsfläche zu erzeugen, die an die vorherige Materialabtragsfläche 612 angrenzt. Demzufolge wird der Oberflächenteil des zu bearbeitenden Substrats 12 sequentiell dem Laserstrahl 11 und dem gleichzeitig strömenden Gas 18 ausgesetzt.
Der Energiefluss (Energie pro Flächeneinheit), der mit dem Strahl 11 während eines einzelnen Impulses des Lasers 411 auf irgendeinen Punkt der Oberfläche des Substrats 12 einwirkt, ist gleich der Energie des Impulses an der Oberfläche geteilt durch die Fläche, über die diese Energie verteilt wird. Dies kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei F_eps der Pulsenergiefluss pro Flächeneinheit an der Oberfläche (J/cm²), E_ps die Pulsenergie an der Oberfläche (J) und l und w die Länge und Breite der Zone 611 sind (mm). In ähnlicher Weise lässt sich der Pulsleistungsfluss (F_pps) wie folgt berechnen:
wobei t_p die Dauer des Laserpulses ist, Im Zusammenhang mit dem Durchlauf des Laserstrahls 11 durch die optischen Teile und die Blendenplatte treten Energieverluste auf. Demzufolge ist die Energie des Laserpulses an der Oberfläche (E_ps) geringer als die ausgestrahlte Laserpulsenergie. Der LEXtra-200-Laser enthält einen Miniregler mit einem Pulsenergie-Messgerät, der für die Aufzeichnung der Laser-Ausgangsenergie während der Experimente nützlich ist. Das interne Messgerät ist allerdings nicht extrem genau. Die Prüfvorrichtung wurde für präzisere Energiemessungen kalibriert, um einen auf den Messwert des internen Messgeräts anzuwendenden Korrekturfaktor zu entwickeln, mit dem genauere Messungen durchgeführt werden konnten. Demgemäß wurde die Laserpulsenergie an der Oberfläche (E_ps) mit einem Molectron-J50-Messkopf und -JD-1000-Joulemeter gemessen, die an der Stelle der Bearbeitungsoberfläche angeordnet wurden; der gemessene Energiewert wurde dann mit dem Messwert verglichen, den das interne Messgerät für die Pulsenergie (E_pm) anzeigte. Es wurde folglich ein Korrekturfaktor (R_correction) entwickelt, der sowohl die Verluste im optischen Zufuhrsystem als auch die Ungenauigkeiten des Messgeräts einschloss.
Eps = Epm·Rcorrection Gleichung 4
Dieser Korrekturfaktor ist nicht konstant; es wurde festgestellt, dass er ungefähr linear mit der Ausgangsleistung des Lasers variiert. Die Pulsenergie hängt von der Eingangsspannung (V_l) des Lasers ab, die auf etwa 17 bis 22 kV eingestellt werden kann. Die Ausgangsenergie des Lasers (die vom internen Messgerät angezeigte) variiert bei einer vorgegebenen Spannungseinstellung und hängt von solchen Faktoren wie dem Grad der Laser-Gaszufuhr ab, so dass sich die Spannung nicht direkt zur Messung der Pulsenergie verwenden lässt; statt dessen wird das interne Messgerät abgelesen. Aus praktischen Gründen wird der Korrekturfaktor als eine Funktion der Spannungseinstellung berechnet und dann auf die Energie angewendet, die das interne Messgerät anzeigt. Der Korrekturfaktor wird folgendermaßen berechnet:
wobei m die Steigung und b der Achsenabschnitt der linearen Beziehung sind. Demnach ist die Energie pro Puls an der Bearbeitungsoberfläche:
In der abgebildeten Ausführung wird aus einer Reihe von einzelnen Zonen 611 (wie durch die gestrichelte zweite Zone 611' in 3 dargestellt) eine Materialabtragsfläche 612 erzeugt. Die Strecke, um die die Zone 611' von der Zone 611 versetzt ist (ΔX), ist das Produkt aus der Zeit zwischen den Laserpulsen (die der Kehrwert der Impulsfolgefrequenz R_l des Lasers ist) und der Geschwindigkeit der seitlichen Bewegung des Tischs 610 (die Führgeschwindigkeit v_s, mit der der Laserstrahl über das Substrat gleitet). Der Energiefluss, der einem vorgegebenem Punkt des Substrats zugeführt wird, ist also das Produkt aus dem Energiefluss pro Puls (Feps) und der Anzahl der Laserpulse, denen der Punkt ausgesetzt wird (N_pl). Die Pulsanzahl N_pl ist gleich der Breite w der Zone 611 geteilt durch die Strecke ΔX, die sich der Tisch zwischen den Pulsen bewegt. Selbstverständlich empfängt – wenn w kein ganzzahliges Vielfaches von ΔX ist (es muss ja eine ganzzahlige Pulsanzahl auf jeden Punkt auftreffen) – nicht jeder Punkt die gleiche Anzahl an Pulsen. Die oben aufgeführte Beziehung ist aber genau genug, um die durchschnittliche Energie zu bestimmen, die auf jede Materialabtragsfläche 612 einwirkt. Statt den Tisch seitlich zu bewegen, bevor mit einer weiteren Materialabtragsfläche 612 angefangen wird, kann man ihn auch in der gleichen seitlichen Position belassen und dann mit einer weiteren Materialabtragsfläche 612 beginnen, wodurch ein weiterer „Durchlauf" über das Substrat erfolgt. Der zugeführte Gesamtenergiefluss (F_et) ist daher gleich dem Energiefluss pro Durchlauf (F_epa) multipliziert mit der Anzahl der Durchläufe (N_pa).
Der auf die Oberfläche des Substrats 12 angewendete durchschnittliche Energiefluss errechnet sich demnach wie folgt:
Den auf einen vorgegebenen Punkt einwirkenden Gesamtenergiefluss erhält man, wenn man den Energiefluss pro Durchlauf (Fepa) mit der Anzahl der Durchgänge multipliziert: Fet = Fepa·npa Gleichung 8
In den unten aufgeführten Daten der Experimente sind die Prüfparameter gekennzeichnet, wie in der Tabelle 2b ersichtlich ist.
Tabelle 2b
3. Beispiele für das Entfernen von Material bei verschiedenen Einfallswinkeln
Die oben in Bezug auf unerwünschte Materialien beschriebene Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung für die Grundbearbeitung wird in den folgenden Beispielen dargestellt. Bei jedem Beispiel wurde eine Reihe von Arbeits-„Läufen" zur Behandlung einer oder mehreren Proben des Substratmaterials durchgeführt. Jeder Lauf bestand aus der Behandlung einer einzelnen Materialabtragsfläche 612 quer über die Bearbeitungsoberfläche – mit einem oder mehreren Durchläufen auf der Materialabtragsfläche. Soweit nicht anders angegeben, wurden die Proben an einer ebenen Oberfläche bearbeitet.
Bei diesen Prüfungen bestand das Ziel darin, alle unerwünschten Materialien in so wenigen Durchläufen wie möglich (vorzugsweise in einem einzigen Durchlauf) und bei der höchstmöglichen Geschwindigkeit des Tischs ohne Beschädigung der Bearbeitungsoberfläche zu entfernen. Dies entspricht einer maximalen Bearbeitungsrate für industrielle Anwendungen: Bearbeitung eines Substrats in der kürzestmöglichen Zeit. Wie oben beschrieben, wird angenommen, dass der Energiefluss pro Puls (F_eps), der (wegen der fest eingestellten Pulsdauer von 34 ns) direkt darauf bezogene Leistungsfluss pro Puls (F_pps) sowie der Gesamtenergiefluss (F_et) die Hauptprozessfaktoren sind. Diese Prozessfaktoren wurden durch Einstellung der Pulsenergie (E_ps), der Impulsfolgefrequenz des Lasers (R_l), der Tischgeschwindigkeit (V_s) und der Einfallszonen breite (w) variiert. Außerdem wurde der Einfallswinkel (Al) des Strahls auf die Bearbeitungsoberfläche verändert.
a) Schlammreste vom chemisch-mechanischen Polieren (CMP)
In diesem Beispiel wurde der Schlammrest des chemischmechanischen Polierens (CMP) von einem strukturierten Siliciumwafer entfernt. Das CMP wird in der Halbleiterindustrie eingesetzt, um Oberflächen von Mikroprozessor- und Speicherteilen eben zu machen, und hinterlässt Verunreinigungen, die am schwierigsten von der Oberfläche eines Siliciumwafers zu entfernen sind. In der gegenwärtigen industriellen Praxis werden doppelseitige Bürstenreiniger, Wasser, Basen und oberflächenaktive Substanzen entweder allein oder in verschiedenen Kombinationen verwendet.
In diesem Beispiel wurden 100-mm-Wafer benutzt, die in eine 5%-ige Polierlösung in einen 150-mm-Waferträger gepackt wurden. Diese Wafer waren bis zur M1-Schicht (Metall 1) strukturiert. Vorher war ein Aluminiumoxidschlamm verwendet worden, um die Oberfläche eben zu machen. Die Waferproben waren sowohl poliert als auch unpoliert (die polierten Proben wiesen weniger Schlammreste an der Oberfläche auf), doch es wurde bei der Wirksamkeit des Entfernens kein Unterschied zwischen polierten und unpolierten Proben festgestellt. Die Wafer waren noch nass, als sie dem Verfahren der Erfindung unterzogen wurden. Obwohl der Schlamm entfernt worden war, verblieben anfangs noch Wasserstreifen auf der Waferoberfläche nach der Bearbeitung, die in der in 4A dargestellten Konfiguration angewendet wurde; 4A zeigt eine Gasstrom-Expansionszone 18a, die mittig auf die Bestrahlungszone 611 ausgerichtet ist. Es wurde festgestellt, dass die Wasserstreifen durch eine geringfügige Änderung der Strömungsrichtung des Gases 18 vollständig entfernt wurden. In 4B ist ersichtlich, dass die Ausrichtung der Gasdüse 551 etwas vor der Bestrahlungszone 611 angeordnet ist, so dass der Strom des Gases 18 in der Gasstrom-Expansionszone 18a die auf dem Wafer verbleibende Feuchtigkeit 13 entfernt, bevor der Wafer der Bestrahlung und dem strömenden Gas zusammen ausgesetzt wird. Mit dieser Konfiguration minimierte der Stickstoffstrom bei 44 L/min nicht nur das erneute Mitreißen von Partikeln, sondern unterstützte auch das Entfernen der Wasserstreifen, die von den nasschemischen Tauchbädern erzeugt wurden, die Bestandteil des CMP-Prozesses sind.
Bei den Läufen 1–4 wurde die Bestrahlung in einem Einfallswinkel (Al) von 83,9° auf die Oberfläche gerichtet. Bei den Läufen 1 und 2 wurde das Substrat beschädigt. Bei Lauf 2 war das Entfernen besser als bei Lauf 1, wahrscheinlich weil höhere Energie- und Leistungsflüsse verwendet wurden. In den Läufen 3 und 4 wurde das Element 459 benutzt (siehe 2). In Lauf 3 wurde ein 50%-Strahlteiler verwendet und trat eine Beschädigung auf, ohne dass der Schlammrest entfernt wurde. In Lauf 4, in dem ein Polarisator eingesetzt wurde, war das Ergebnis ähnlich schlecht wie bei Lauf 3. Lauf 5 wurde mit einer Bestrahlung durchgeführt, die in einem Winkel von 15° relativ zum Substrat ausgerichtet war. In diesem Lauf trat zwar keine Beschädigung auf, doch die Reste wurden schlecht entfernt.
Der Einfallswinkel der Bestrahlung wurde dann auf 6° eingestellt, wobei sich überraschend gute Ergebnisse zeigten. Die Läufe 6 und 7 verzeichneten ausgezeichnete Ergebnisse beim Entfernen der Reste ohne Beschädigung des Substrats bei Energie- und Leistungsflüssen, die um Einiges niedriger waren als bei den Läufen 1–5. Folglich war die Reinigung bei geringeren Energie- und Leistungsflüssen besser, was den erwarteten Ergebnissen widerspricht, da die Effizienz der Reinigung bei reduzierten Flüssen normalerweise abnahm. Die Resultate der Reinigungsprüfungen für CMP-Schlammreste sind unten in Tabelle 3a zusammengefasst.
Tabelle 3a
b) Siliciumnitridpartikel
In diesem Beispiel wurden Siliciumnitridpartikel in einer wässrigen Suspension auf bloßem Silicium abgelagert und trocknen gelassen. Diese Partikel repräsentieren einen stark haftenden und sehr dichten Kontaminanten (über 10.000 Partikel auf einem 150-mm-Wafer). Das strömende Gas war in diesem Beispiel Argon bei Lauf 1 und Stickstoff bei den Läufen 2–17. Das Gas wurde mit ungefähr 44 L/min zugeführt. Die Menge des Kontaminanten auf dem Substrat vor und nach der Bearbeitung wurde mit dem Partikelzähler für Siliciumwafer, Modell 3600 XP, von Particle Measurements Systems (PMS) gemessen. Dieser Partikelzähler verwendet zwei HeNe-Laser: einer läuft mit p-Polarisation und der andere mit s-Polarisation, wobei sein Strahl in einem Winkel von 30° zur Waferebene einfällt. Die optischen Sammelsysteme für den Partikelzähler sind senkrecht zur Waferebene angeordnet. Folglich kann vor und nach der Bearbeitung die Anzahl der verunreinigenden Partikel auf dem Substrat in verschiedenen Größenbereichen verglichen werden.
Die Wirksamkeit der Bearbeitung kann durch Berechnung eines „Entfernungs-Prozentsatzes" oder „PR" (percentage removal) beurteilt werden, der sich wie folgt ergibt: PR (%) = (entfernte Partikel/Partikel vor der Bearbeitung) × (100)
Obwohl Daten für mehrere Partikelgrößenbereiche gesammelt wurden (alle Daten sind unten dargestellt), wurden die PR-Werte für drei zusammengefasste Bereiche von Partikelgrößen berechnet: 0,1–0,3; 0,4–10; und 0,1–10 um.
In den Läufen 1 und 2 wurde die Bestrahlung mit einem Einfallswinkel von 83,9° auf die Oberfläche gerichtet. In den Läufen 1 und 2 wurde unpolarisiertes Licht und in den Läufen 3 und 4 ein Polarisator als Element 459 verwendet. Die übrigen Läufe wurden mit unpolarisiertem Licht bei Einfallswinkeln von 6,5° (Läufe 5–10) und 10° (Läufe (11–17) durchgeführt. Das durchschnittliche Entfernen über den gesamten Bereich von Partikelgrößen (0,1–10 μm) betrug 66,1% bei einem Einfallswinkel von 83,9°; im Vergleich dazu wurden 80,8% bzw. 72,9% der Partikel bei Einfallswinkeln von 10° bzw. 6,5° entfernt. Demgemäß ist der 10°-Einfallswinkel offensichtlich am effizientesten. Die glei che relative Wirksamkeit wurde bei den Partikelgrößen-Bereichen 0,1–0,3 und 0,4–10 μm beobachtet, obwohl der Effekt bei größeren Partikeln ausgeprägter ist.
Die Ergebnisse der Prüfungen für das Entfernen von Sliciumnitridpartikeln sind unten in Tabelle 3b1 zusammengefasst.
Tabelle 3b1
Die folgenden Tabellen 3b2 und 3b3 stellen die detaillierte Partikelanalyse dar und geben für Partikelgrößen von 0,1 bis 10 μm die Partikelzählungen „vor" und „nach" der Bearbeitung an.
Tabelle 3b2
Tabelle 3b3
c) Von Vinyl entfernter Polyurethanschaum
In diesem Beispiel wurde Polyurethanschaum von Vinylpolsterungen aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymer entfernt. Bei etwa senkrechtem Einfallswinkel – 83,9° – schien der Polyurethanschaum bei den Läufen 6 und 7 in die Vinylpolster einzuschmelzen. Im Gegensatz dazu wurde der Schaum in den Läufen 1–5 bei einem Einfallswinkel von 6° sauber entfernt. Die Anzahl der Durchläufe, N_pa, hing von der Dicke des an der Vinyloberfläche haftenden Schaums ab. Diese Ergebnisse wurden bei vergleichbaren Flüssen pro Durchlauf (Fepa) und etwas niedrigeren Flüssen pro Puls (F_eps und F_pps) erzielt. Die Resultate dieses Beispiels sind unten in Tabelle 3c dargestellt.
Tabelle 3c
d) Partikel auf einem dünnen Chromfilm auf einer Quarzphotomaske
In diesem Beispiel wurden Partikel von einer Photomaske entfernt, die aus mit einer dünnen Chromschicht beschichtetem Quarz bestand. Die Läufe 1–17 wurden bei einem Einfallswinkel von 83,9° und die Läufe 18–21 bei einem Einfallswinkel von 7° durchgeführt. Bei den Läufen 19–21 wurde ein Polarisator als Element 459 verwendet (siehe 2). Die Energie- und Leistungsflussbereiche für den ungefähr senkrechten Einfallswinkel lagen bei 0,04–0,07 J/cm² bzw. 1,2–2,0 MW/cm². Mehr als die Hälfte dieser Läufe war entweder nicht effizient oder verursachte Beschädigungen des Substrats. Im Gegensatz dazu besaßen die Läufe bei „schiefem Winkel" einen wesentlich größen Flussbereich, waren trotzdem wirksam und beschädigten nicht das Substratmaterial. Diese Ergebnisse belegen, dass die Betriebsmöglichkeiten für die Entfernung von Partikeln dieser Art bei nicht-senkrechten Einfallswinkeln beträchtlich größer sind. Die Resultate dieses Beispiels sind unten in Tabelle 3d dargestellt.
Tabelle 3d
4. Beispiele für das Entfernen von Material mit einfallender Bestrahlung im Vor- und Durch-Brennpunkt
Wie oben beschrieben, kann die Brennebene der Zylinderlinse 456 so fokussiert werden, dass sie vor oder unter der Ebene der zu bearbeitenden Substratoberfläche liegt. Die Vor- und Durch-Brennpunkte sind jeweils in den 5A und 5B dargestellt.
Die nachstehenden Beispiele ergaben durchmischte Ergebnisse. Einige Beispiele zeigten Vorteile beim Vor-Brennpunkt, während andere bei der Durch-Brennpunkt-Methode besser entfernten und weniger Beschädigung verursachten. Es wird davon ausgegangen, dass die Position der Brennebene eine weitere der verschiedenen Prozessvariablen repräsentiert – von den Erfindern ermittelt-, die die konkurrierenden Ziele der Erfindung bewirken: effiziente Entfernung und Vermeidung von Beschädigung. Bei allen Läufen wurde Stickstoff als strömendes Gas verwendet, das mit 44 L/min zugeführt wurde.
a) Masken für die Röntgenlithographie
In diesem Beispiel wurden Partikel von einer Quarzmaske entfernt, die eine dünne Goldbeschichtung aufwies. In den Läufen 1–8 und 11–16 mit Durch-Brennpunkt und einem Polarisator 459 mit p-Polarisation wurden beim Entfernen gute Ergebnisse erzielt. Andererseits ergaben sich in den Läufen 17-21 Beschädigungen, als der Vor-Brennpunkt ohne einen Polarisator verwendet wurde. Die Resultate dieses Beispiels sind unten in Tabelle 4a dargestellt.
Tabelle 4a
b) Quarzphotomasken
In diesem Beispiel wurden Partikel von einer Quarzphotomaske entfernt, die eine dünne Chrombeschichtung aufwies. In den Läufen 2 und 3 mit Vor-Brennpunkt wurden beim Entfernen gute Ergebnisse erzielt, während in Lauf 1 mit Durch-Brennpunkt Beschädigungen auftreten. Die Resultate dieses Beispiels sind unten in Tabelle 4b dargestellt.
Tabelle 4b

Claims

Verfahren zur Entfernung unerwünschten Materials von einer Bearbeitungsoberfläche eines Substrats (12) ohne Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften des auf der Bearbeitungsoberfläche zu belassenden gewünschten Materials nahe oder unter dem unerwünschten Material, umfassend die Schritte zur: Bereitstellung eines Substrats (12) mit unerwünschtem Material, das von der Bearbeitungsoberfläche des Substrats (12) zu entfernen ist; Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche mit energiereichen Photonen, um das unerwünschte Material von der Bearbeitungsoberfläche zu lösen; gekennzeichnet durch Einbringen eines Stroms eines Gases (18), das gegenüber dem Substrat (12) und dem unerwünschten Material im Wesentlichen inert ist, quer über das unerwünschte Material bei gleichzeitiger Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche, wobei das eingebrachte Gas (18) die Bearbeitungsoberfläche und das unerwünschte Material in eine reaktionsunfähige Gasumgebung taucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung eines Substrats (12) mit von dessen Bearbeitungsoberfläche zu entfernendem unerwünschten Material die Bereitstellung eines Substrats (12) mit unerwünschtem Material einschließt, das nicht durch Bestrahlung (11) der Bearbeitungsoberfläche mit energiereichen Photonen entfernt werden kann, die in ungefähr senkrechtem Winkel zur Bearbeitungsoberfläche in einer vorher festgelegten räumlichen und zeitlichen Konzentration auftreffen, die zur Änderung der physikalischen Eigenschaften des gewünschten Materials nicht ausreicht, und wobei die Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche mit energiereichen Photonen in einem schiefen Winkel von unter ungefähr 20° in der vorher festgelegten räumlichen und zeitlichen Konzentration durchgeführt wird, die zum Herauslösen des unerwünschten Materials aus der Bearbeitungsoberfläche ohne Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften des auf der Bearbeitungsoberfläche zu belassenden gewünschten Materials ausreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel unter ungefähr 10° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gewünschte Material Silicium ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das unerwünschte Material aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid und Siliciumnitrid ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gewünschte Material Chrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gewünschte Material Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymer und das unerwünschte Material Polyurethan ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die energiereichen Photonen eine Energie von ungefähr 5 eV / Photon aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die energiereichen Photonen mit einem gepulsten KrF-Excimerlaser erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: als Vorbereitungsschritt – vor dem Schritt der Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche des Substrats (12) mit in schiefem Winkel auftreffenden energiereichen Photonen – die Bestrahlung einer Bearbeitungsoberfläche eines Vorbereitungsschritt-Substrats, das unerwünschtes Material aufweist, welches nach gemeinsamen Merkmalen zu entfernen ist wie beim mit in schiefem Winkel auftreffenden energiereichen Photonen bearbeiteten Substrat (12), durch Zufuhr energiereicher Photonen bei ungefähr senkrechtem Einfallswinkel und gleichzeitiger Zufuhr eines inerten Gases (18) zum Vorbereitungsschritt-Substrat; und einen Schritt zur Bestimmung, ob das unerwünschte Material entfernt und/oder das Vorbereitungsschritt-Substrat beschädigt wurde.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Bestrahlung des Vorbereitungssubstrats und die Bestrahlung des mit in schiefem Winkel auftreffenden energiereichen Photonen bearbeiteten Substrats (12) ferner den Durchlauf eines Laserstrahls (11) von einer gemeinsamen Laserstrahlquelle quer über das jeweilige Substrat (12) einschließt, wobei die Leistungsflüsse pro Puls (F_pps) der energiereichen Photonen für den auf das Vorbereitungssubstrat auftreffenden Laserstrahl (11) größer sind als beim mit in schiefem Winkel auftreffenden energiereichen Photonen bearbeiteten Substrat (12); und wobei der durchschnittliche Energiefluss pro einzelnem Durchlauf des Laserstrahls (F_epa), der auf das Vorbereitungssubstrat trifft, niedriger ist als der F_epa, der auf das mit den energiereichen Photonen in schiefem Winkel bearbeitete Substrat (12) trifft; und wobei der Energiegrad des Laserpulses an der Bearbeitungsoberfläche (E_ps), der auf das Vorbereitungssubstrat trifft, niedriger ist als der E_ps, der auf das mit in schiefem Winkel auftreffenden energiereichen Photonen bearbeitete Substrat (12) trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einbringen des Gases (18) das Einbringen eines inerten Gases (18) einschließt, das bezogen auf die Bearbeitungsoberfläche und das unerwünschte Material chemisch inert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das chemisch inerte Gas (18) aus der Gruppe bestehend aus Helium, Stickstoff und Argon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel ungefähr 6° bis 15° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel ungefähr 6° bis 10° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel ungefähr 6° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel ein spitzer Winkel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel auf einen Bereich zwischen 5° und 10° eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einbringen des Gasstroms das Einbringen des Gases (18) quer über das unerwünschte Material teilweise vor einer Anwendung der Bestrahlungsenergie einschließt, um sowohl eine Trocknungsfunktion vor Einwirkung der energiereichen Strahlen als auch eine Anwendung zur Entfernung des unerwünschten Materials nach Einwirkung der energiereichen Strahlen bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Gasstrom von einer festen Gasstromquelle (510) bereitgestellt wird und die energiereichen Photonen an eine feste Position geleitet werden, während die Bearbeitungsoberfläche relativ zu beiden justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche die Justierung eines Brennpunkts des optischen Wegs eines Laserstrahlgeräts (11) einschließt, um für die energiereichen Photonen einen Brennpunkt bereitzustellen, der sich vor der Ebene des Substrats (12) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche die Justierung eines Brennpunkts des optischen Wegs eines Laserstrahlgeräts (11) einschließt, um für die energiereichen Photonen einen Brennpunkt bereitzustellen, der durch die Ebene des Substrats (12) geht oder sich darunter befindet.
Vorrichtung zur Entfernung unerwünschten Materials von einer Bearbeitungsoberfläche eines Substrats (12) ohne Beinträchtigung der physikalischen Eigenschaften des auf der Bearbeitungsoberfläche zu belassenden gewünschten Materials nahe oder unter dem unerwünschten Material, wobei die Vorrichtung einen Substratträger (610) und ein Bestrahlungssystem (400) zum Leiten der Bestrahlung eines auf dem Substratträger (610) gehaltenen Substrats (12) aufweist, gekennzeichnet durch ein Gaszufuhrsystem (550), das gleichzeitig mit dem Leiten der Bestrahlung des auf dem Substratträger gehaltenen Substrats (12) den Strom eines Gases (18) einbringt, das gegenüber dem Substrat (12) und dem unerwünschten Material im Wesentlichen inert ist, wobei das eingebrachte Gas die Bearbeitungsoberfläche und das unerwünschte Material in eine reaktionsunfähige Gasumgebung taucht, während die Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche geleitet wird, und eine Anpassung des Bestrahlungssystems (400), das zum Leiten der Bestrahlung eines auf dem Substratträger (610) gehaltenen Substrats (12) für einen schiefen Winkel unter 20° auszulegen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Bestrahlungssystem (400) einen Laser und einen im Weg der vom Laser (411) ausgehenden Bestrahlung (11) positionierten Umlenkspiegel (453, 454, 455) einschließt; und wobei das Bestrahlungssystem (400) ferner eine Umlenkspiegelhalterung (457) einschließt, die justierbar den Umlenkspiegel (453, 454, 455) so hält, dass dieser zumindest in vertikaler Richtung eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Bestrahlungssystem (400) ferner eine Zylinderlinse (456), die im Weg der vom Laser (411) ausgehenden Bestrahlung (11) liegt, und eine Zylinderlinsenhalterung (458) umfasst, die Mittel einschließt, um die Zylinderlinse (456) vertikal und außerdem entlang einer horizontalen Achse zu justieren, um den Brennpunkt der Bestrahlung (11) relativ zum Substratträger (610) veränderbar zu einer Stelle zu leiten, die innerhalb der Zone unter oder über der Ebene des Substrats (12) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Bestrahlung in schiefem Winkel bereitstellende Bestrahlungssystem (400) und das Gas bereitstellende Gaszufuhrsystem (510) relativ zur Bearbeitungsoberfläche so angeordnet sind, dass eine Vortrocknung des unerwünschten Materials und der Bearbeitungsoberfläche unmittelbar vor der Bestrahlung des unerwünschten Materials entlang mehrerer Bestrahlungsstellen der Bearbeitungsoberfläche bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, ferner umfassend Justiermittel für den Substratträger (610), um diesen entlang einer durch eine X- und Y-Achse dargestellten horizontalen Ebene einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Justiermittel des Substratträgers (610) die Halterung des Substratträgers (610) zuerst entlang einer der X- und Y-Achsen und anschließend entlang der anderen Richtung einer der X- und Y-Achsen verschiebt.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die X-Achse quer zur Richtung der Bestrahlung des Substrats (12) verläuft und das Gaszufuhrsystem (510) eine Düse (551) mit einer Mittelachse einschließt, die so positioniert ist, dass zumindest ein Teil des ausströmenden Gases (18) vor der auf das Substrat (12) auftreffenden Bestrahlung (11) bleibt, um vor der Bestrah lungsbearbeitung eine Trocknungsfunktion für das Substrat (12) bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Bestrahlungssystem (400) an einer festen Position einen Laserstrahl (11) auf die Bearbeitungsoberfläche wirft, während das Substrat (12) durch die Justiermittel des Substratträgers (610) relativ zum festen Gasstrom und zur Bearbeitungsoberflächenposition, auf die der feste Laserstrahl trifft, bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Gaszufuhrsystem (550) das Gas (18) in Gegenstromrichtung bezogen auf die Richtung der auf das Substrat (12) treffenden Bestrahlung leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Bestrahlungssysatem (400) Mittel zur Justierung des Einfallswinkels der Bestrahlung (11), die auf einen Teil des Substrats (12) auf dem Substraträger (610) trifft, und Mittel zum Verschieben des Substratträgers (610) relativ zur auftreffenden Bestrahlung einschließt, um eine Materialabtragsfläche (612) auf dem Substrat zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Justiermittel Mittel zur Veränderung des Einfallswinkels in einem Bereich von 5–10° einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei die Justiermittel Veränderungen des Einfallswinkels in Schritten einschließen, die ein Zehntel des Winkels betragen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Gaszufuhrsystem (550) eine Quelle des inerten Gases (510) einschließt, das gegenüber der Bearbeitungsoberfläche und dem unerwünschten Material chemisch inert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das chemisch inerte Gas (18) aus der Gruppe bestehend aus Helium, Stickstoff und Argon ausgewählt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, ferner umfassend eine Kombination aus Substrat und unerwünschtem Material, bei der das unerwünschte Material nicht entfernbar oder nur bei Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Substrats (12) entfernbar ist, wenn die vom Bestrahlungssystem (400) ausgehende Energie ungefähr senkrecht auftrifft.