DE69722946T2

DE69722946T2 - Polymerschichthärtung auf halbleitersubstraten mit variabler frequenz mikrowellenenergie

Info

Publication number: DE69722946T2
Application number: DE69722946T
Authority: DE
Inventors: Zakaryae Fathi; A. Denise TUCKER; S. Richard GARARD; Jianghua Wei
Original assignee: Lambda Technologies Inc
Current assignee: Lambda Technologies Inc
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-09-06
Also published as: US5879756A; US5738915A; EP0930943B1; AU4183297A; EP0930943A1; ATE243078T1; DE69722946D1; WO1998012000A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Härten bzw. Aushärten von Polymeren, und insbesondere das Härten bzw. Aushärten von Polymeren unter Verwendung einer Mikrowellenenergie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Herstellung von Halbleiterwafern werden Schichten aus verschiedenen leitenden und nicht leitenden polymerischen Materialien typischerweise auf eine Oberfläche des Wafers während verschiedener Stufen der Herstellung aufgebracht. Polyimid ist ein Polymermaterial, welches oft bei der Herstellung von Halbleitersubstraten, wie Siliziumwafern, verwendet wird. Polyimid ist ein wünschenswertes Isolationsmaterial für Halbleiterwafer wegen seiner hervonagenden physikalischen Eigenschaften. Unglücklicherweise erfordert das Aushärten von Polyimid typischerweise eine lange Zeit, wenn herkömmliche Erwärmungstechniken verwendet werden. Ein Härtungsryklus von mehreren Stunden ist typisch und dies wird oft der Engpassschritt bei der Halbleiterherstellung. Zusätzlich gibt es andere Probleme, die beim Aushärten eines Polyimidharzes mit herkömmlicher Wärme auftreten. Wenn ein Polyimidharz in einem herkömmlichen Ofen ausgehärtet wird, dann härtet zum Beispiel die äußere Oberfläche des Harzes typischerweise schneller aus als die Mittenabschnitte. Dies kann verschiedene physikalische Defekte verursachen, wie beispielsweise die Bildung von Leerstellen und kann zu verschlechterten mechanischen Eigenschaften führen, beispielsweise zu einem verkleinerten Modulus, einer erhöhten Anschwellung, der Aufnahme eines Lösungsmittels und zu einem verschlechterten thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
In einer Vielfalt von Herstellungsvorgängen, einschließlich diejenigen, die das Aushärten von polymerischen Materialien betreffen, ist eine Mikrowellenenergie untersucht worden. Man nimmt an, dass eine Mikrowellenverarbeitung von polymerischen Materialien wegen einer Anzahl von Gründen vorteilhaft ist. Die Anwendung einer Mikrowellenenergie verringert die Zeit, die im Vergleich mit herkömmlichen Erwärmungsmethoden zum Aushärten von einigen Polymeren benötigt wird. Der Grund hierfür besteht darin, dass die volumetrische Ablagerung einer Mikrowellenenergie effizienter als eine Leitung von der Oberfläche, die von herkömmlichen Erwärmungstechniken herrührt, ist; es sei zum Beispiel auf Polymer Curing In A Variable Frequency Microwave Oven, R. J. Lauf et al, Oak Ridge National Laboratory verwiesen. Es wird auch auf das U.S. Patent Nr. 5296271 von Swirbel et al. verwiesen, das ein Verfahren zum Aushärten von fotoreaktiven Polymeren, indem sie einer Mikrowellenenergie ausgesetzt sind werden, vorschlägt. Zusätzlich ist eine Mikrowellenverarbeitung wirtschaftlich attraktiver als herkömmliche Erwärmungstechniken als Folge der kürzeren Verarbeitungszeit, die zum Aushärten des Harzes benötigt wird.
Das U.S. Patent Nr. 5241040 von Cuomo et al. beschreibt die Anwendung einer Einzelfrequenz-Mikrowellenenergie innerhalb eines Monomode-Resonanzmikrowellenofenhohlraums zum Aushärten von Polyimid auf einem Halbleitersubstrat. Die Rate der Aushärtung wird durch Verändern der Mikrowellenleistung und durch Ändern der physikalischen Eigenschaften des Hohlraums (was als „Abstimmen" bezeichnet wird) gesteuert. Wenn das Polyimidharz aushärtet bewirkt dies eine Änderung der Resonanz des Hohlraums, wodurch eine Kompensation über eine Abstimmung benötigt wird, um den Hohlraum auf einer maximalen Resonanz (d. h. wenn eine reflektierte Leistung an einem Minimum ist) zu halten. Zusätzlich beschreibt das U.S. Patent Nr. 5241040 von Cuomo et al. eine Veränderung der Frequenz einer Mikrowellenenergie, die auf eine Probe außerhalb eines Mikrowellenhohlraums unter Verwendung von ein oder mehreren Mikrowellenantennen, ähnlich wie Radarantennen, gerichtet wird. Dies wird ausgeführt, um eine optimale Einzelverarbeitungsfrequenz zu lokalisieren, wenn die Probe innerhalb eines Mikrowellenofenhohlraums platziert ist. Eine tatsächliche Verarbeitung innerhalb eines Mikrowellenhohlraums wird dann nur unter Verwendung der lokalisierten optimalen einzelnen Frequenz ausgeführt. Das U.S. Patent Nr. 5241040 von Cuomo et al. beschreibt nicht wie eine Mikrowellenenergie zu verwenden ist, um eine gleichförmige Energieverteilung mit keinen heißen Flecken (hot spots) innerhalb eines Mikrowellenhohlraums zu erzeugen.
Unglücklicherweise ist die maximale Größe eines Halbleiterwafers und/oder die Anzahl von Wafern, die gleichförmig mit einer Einzelfrequenz-Mikrowellenenergie in einem Monomodus- oder Multimodus-Hohlraum verarbeitet werden können, begrenzt. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Größe und die Anzahl von Moden (die auch als „hot spots" bezeichnet werden) innerhalb eines Hohlraums begrenzt sind, wenn eine Einzelfrequenz-Mikrowellenenergie verwendet wird. Wenn das Gebiet des Halbleiterwafers, das verarbeitet werden soll, größer als ein Mode ist, wird es extrem schwierig eine gleichförmige und wiederholbare Verarbeitung bei einer einzelnen Frequenz zu erhalten. Deshalb kann eine Mikrowellenverarbeitung im großen Maßstab unter Verwendung einer festen Frequenz einer Mikrowellenstrahlung in entweder einem Monomodus- oder Multimodus-Hohlraum schwierig sein. Tatsächlich bestätigen die obigen Patente die Schwierigkeit einer Bereitstellung einer gleichförmigen Aushärtung von elektronischen Komponenten einer beträchtlichen Größe in diesen Typen von Hohlräumen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Polymerschicht auf einem Halbleitersubstrat, wie einem Wafer, gleichförmig auszuhärten, wobei das Substrat größer als ein individueller Mode in einem Monomode- oder Multimode-Mikrowellenhohlraum ist.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gleichzeitige Verarbeitung von Polymerschichten auf mehreren Halbleitersubstraten mit einer Mikrowellenenergie zu ermöglichen.
Diese und andere Aufgaben werden in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung durch Verfahren zum Aushärten einer Polymerschicht auf einem Halbleitersubstrat gelöst. Oft ist ein Halbleitersubstrat in der Form eines Wafers, der aus derartigen Materialien, wie Silizium, Germanium, Galliumarsenit, Diamant, und dergleichen gebildet ist. Halbleitersubstrate weisen typischerweise ein oder mehrere Schichten eines Polymerharzes, wie Polyimid, darauf auf. Die vorliegende Erfindung erleichtert ein schnelles Aushärten von Polymerschichten auf Halbleitersubstraten mit verschiedenen Konfigurationen. Zum Beispiel können mehrere Substrate, die jeweils ein oder mehrere Polymerschichten darauf aufweisen, zusammengestapelt und gleichzeitig über die vorliegende Erfindung verarbeitet werden. Zusätzlich kann ein Multichip-Modul, bei dem mehrere Substrate in einer Sandwich-Form zusammen angeordnet sind, eine obere Schicht aus einem Polymer aufweisen, der über die vorliegende Erfindung ausgehärtet ist.
Eine Polymerschicht wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dadurch ausgehärtet, dass ein Halbleitersubstrat mit einer Polymerschicht darauf in einen Mikrowellenofenhohlraum gelegt wird, und dann das Halbleitersubstrat mit wenigstens einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen bestrichen wird. Ein Bereich von Frequenzen umfasst eine zentrale Frequenz, die gewählt ist, um die Polymerschicht schnell zu erwärmen. Ein Bereich wird gewählt, um eine Vielzahl von Moden innerhalb des Hohlraums zu erzeugen. Ein Bestreichen wird bei einer Rate ausgeführt, die gewählt ist, um eine Beschädigung an der Polymerschicht und an dem Substrat und an irgendwelchen elektronischen Komponenten, die daran angebracht sind, zu vermeiden. Die Mikrowellenleistung bzw. -energie kann während einer Frequenzbestreichung eingestellt werden, um die Temperatur der Polymerschicht und des Halbleitersubstrats zu steuern.
Zusätzlich kann ein Ausfluss, wie Gas, dann und dergleichen, während einer Frequenzbestreichung entfernt werden. Die Entfernung eines Ausflusses kann auftreten, indem entweder ein leichter positiver Druck innerhalb des Hohlraums erzeugt wird oder ein geringes Vakuum innerhalb des Hohlraums geschaffen wird. Zum Beispiel kann der Mikrowellenofenhohlraum mit einem Edelgas, wie Stickstoff, Argon, Neon, Helium, Krypton, Xenon, und dergleichen, gefüllt werden. Das Ausmaß einer Härtung einer Polymerschicht kann durch Erfassen einer Leistungsreflektion für jede Mikrowellenfrequenz innerhalb eines Bereichs, um Leistungsreflektionsdaten bereitzustellen, und dann durch Vergleichen der Leistungsreflektionsdaten mit einem vorgegebenen Satz von Leistungsreflektionsdaten bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil ein Bestreichen eines Halbleitersubstrats mit einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen eine Aushärtung mit einer Gleichförmigkeit in drei Dimensionen erleichtert. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung skalierbar auf Herstellungsgrößen, bei denen große Substrate (d. h. Wafer von 12 Zoll (12'') (30,3 cm) im Durchmesser und darüber hinaus) verarbeitet werden können, und zwar nicht nur in einer Feldkonfiguration, sondern auch in einer dreidimensionalen aufgestapelten Feldkonfiguration.
Die Aushärtungsrate wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch Steuern der Mikrowellenleistung, der Mikrowellenfrequenz und der Bestreichungsrate gesteuert. Ein Bestreichen eines Halbleitersubstrats, wie beispielsweise eines Wafers, ist ein viel besseres Verfahren zum Steuern der Aushärtungsrate als dies eine Abstimmung des Hohlraums ist, weil eine Bestreichung eine gleichförmige Energieverteilung beibehält, ohne hot spots (heiße Flecken) innerhalb des Mikrowellenofenhohlraums zu verursachen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Flussdiagramm, welches schematisch Verfahrensschritte zum Aushärten einer Polymerschicht auf einem Halbleitersubstrat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Halbleitersubstrat, das in einen Mikrowellenofenhohlraum gelegt ist;
3a, 3b den Halter, der zum Halten eines Halbleiterwafers mit einer Polymerschicht darauf während einer Mikrowellenverarbeitung verwendet wird, wie in dem Beispiel beschrieben;
4 einen Graph, der das Temperaturprofil eines Halbleiterwafers darstellt, der mit einer Mikrowellenenergie verarbeitet wird, wie in dem Beispiel beschrieben; und
5 einen Graph, der das Temperaturprofil eines Halbleiterwafers darstellt, der mit herkömmlicher Wärme verarbeitet wird, wie in dem Beispiel beschrieben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun mit näheren Einzelheiten nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielerlei unterschiedlichen Ausbildungen umgesetzt werden und sie sollte nicht so angesehen werden, dass sie auf die Ausführungsformen beschränkt ist, so wie sie hier aufgeführt sind; anstelle davon werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig sein wird und den Umfang der Erfindung Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet vollständig mitteilen wird.
Wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet wissen werden Halbleitersubstrate, wie Halbleiterwafer, typischerweise aus verschiedenen Materialien, wie Silizium, Germanium, Galliumarsenit, Diamant und dergleichen hergestellt. Halbleitersubstrate verwenden verschiedene Polymerschichten bei der Bildung einer Schaltungsanordnung darauf, wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet wissen. Bezugnehmend auf 1 ist schematisch ein Verfahren zum Aushärten einer Polymerschicht auf einem Halbleitersubstrat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das dargestellte Verfahren umfasst das Anordnen 10 eines Halbleitersubstrats mit einer Polymerschicht darauf in einem Mikrowellenofenhohlraum, das Überstreichen bzw. Bestrahlen 12 des Halbleitersubstrats mit einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen, und das Einstellen der Mikrowellenleistung 14, um die Temperatur der Polymerschicht und des Halbleitersubstrats zu steuern. Der Bereich von Frequenzen weist vorzugsweise eine Mittenfrequenz (zentrale Frequenz) auf, die gewählt ist, um die Polymerschicht schnell zu erwärmen. Der Bereich von Frequenzen wird auch gewählt, um eine Vielzahl von Moden innerhalb des Hohlraums zu erzeugen. Ein Überstreichen wird bei einer Rate ausgeführt, die gewählt ist, um eine Beschädigung an der Polymerschicht und/oder an elektronischen Komponenten, die an dem Halbleitersubstrat angebracht sind, verursacht durch eine Bogenbildung und/oder eine lokalisierte Erwärmung, zu verhindern.
Der Schritt zum Einstellen der Mikrowellenleistung 14 kann gleichzeitig mit dem Schritt zum Überstreichen 12 des Halbleitersubstrats mit einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen ausgeführt werden. Der Zweck des Schritts zum Einstellen der Mikrowellenleistung 14 besteht darin die Temperatur des Halbleitersubstrats und der Polymerschicht darauf zu steuern. Durch Steuern der Temperatur kann das gewünschte thermische Profil des Halbleitersubstrats und der Polymerschicht während einer Aushärtung aufrecht erhalten werden.
Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung den Schritt zum Bestimmen 16 des Ausmaßes einer Härtung der Polymerschicht durch Erfassen einer Leistungsreflektion für die Polymerschicht für jede Mikrowellenfrequenz innerhalb eines Bereichs, um Leistungsreflektionsdaten bereitzustellen, einschließen. Diese Leistungsreflektionsdaten können dann mit einem vorgegebenen Satz von Leistungsreflektionsdaten verglichen werden. Vorzugsweise tritt der Schritt zum Bestimmen des Ausmaßes einer Aushärtung 16 gleichzeitig mit den Schritten der Frequenzüberstreichung 12 und der Einstellung 14 der Mikrowellenleistung auf.
Die vorliegende Erfindung kann auch den Schritt zum Entfernen eines Ausflusses 18 von dem Mikrowellenofenhohkaum während der Schritte einer Überstreichung 12 und einer Einstellung 14 der Mikrowellenleistung umfassen. Typischerweise werden flüchtige Ausflüsse, die Gase, Dämpfe und dergleichen einschließen, während der Aushärtung von Polymeren erzeugt, und es ist wünschenswert diese zu entfernen, weil sie auf der Oberfläche der Polymerschicht kondensieren können und verschiedene Unregelmäßigkeiten darin verursachen können, die die physikalischen Eigenschaften der Polymerschicht beeinflussen können. Der Schritt zum Entfernen 18 eines Ausflusses von dem Mikrowellenofenhohlraum kann das Füllen bzw. Ausblasen des Hohlraums mit einem Edelgas umfassen, um einen geringfügig positiven Druck darin zu schaffen. Beispielhafte Gase, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden und die zum Füllen bzw. Ausblasen verwendet werden können, umfassen Stickstoff, Argon, Neon, Helium, Krypton, Xenon und dergleichen. Ein bevorzugtes Edelgas zum Füllen bzw. Ausblasen ist Stickstoff. Jedoch können andere Gase verwendet werden, wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet seit langem wissen. Ein Ausblasen bzw. Füllen erleichtert auch die Entfernung von Lösungsmitteln von dem Halbleitersubstrat und stellt sicher, dass eine Oxydation von Reaktionsmitteln nicht auftritt. Der Schritt zum Entfernen 18 eines Ausflusses von dem Mikrowellenofenhohlraum kann auch das Einrichten eines geringfügigen Vakuums innerhalb des Hohlraums während der Schritte zum Überstreichen 12 und zum Einstellen 14 der Mikrowellenleistung umfassen.
Typischerweise wird ein Halbleitersubstrat 22 mit einer nicht ausgehärteten Polymerschicht darauf auf einen Halter 40 gelegt und der Halter und das Halbleitersubstrat werden innerhalb eines Hohlraums 42 eines Mikrowellenofens 43 angeordnet, wie in 2 dargestellt. Der Hauptzweck des Halters 40 besteht darin das Halbleitersubstrat während einer Verarbeitung zu halten. Jedoch kann der Halter 40 konfiguriert sein, um das Halbleitersubstrat zu umschließen und eine Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Temperatur überall in dem Substrat und dessen Polymerschicht während einer Mikrowellenverarbeitung zu erleichtern. Wärme neigt dazu, von den Kanten eines Halbleitersubstrats abgestrahlt zu werden, was oft zu einer ungleichförmigen Aushärtung der Polymerschicht darauf führt, wenn nicht Maßnahmen getroffen werden, um eine gleichförmige Temperatur um das Substrat herum aufrecht zu erhalten. Vorzugsweise ist ein Halter zur Verwendung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aus Quarz gebildet. Quarz ist ein besonders bevorzugtes Material, weil es für Mikrowellen transparent ist, es ein guter Isolator ist, es hohe Temperaturen aushalten kann und es die meisten Halbleitersubstrate nicht verunreinigt. Jedoch können andere geeignete Haltermaterialien, einschließlich Aluminiumoxid, Bornitrit und dergleichen verwendet werden.
Andere Vorgehensweisen zum Aufrechterhalten einer gleichförmigen Temperatur eines Halbleitersubstrats während einer Mikrowellenverarbeitung umfassen die Steuerung der Temperatur innerhalb des Mikrowellenofenhohlraums. Wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet verstehen werden kann dies in einer Vielzahl von Vorgehensweisen erreicht werden. Zum Beispiel kann ein Edelgas, das zum Erzeugen eines positiven Drucks innerhalb des Hohlraums während des Schritts einer Ausfluss-Entfernung 18 verwendet wird, erwärmt und geregelt werden, um die geeignete Temperatur innerhalb des Hohlraums aufrecht zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um Polymerschichten auf Halbleitersubstraten von sämtlichen Größen und Konfigurationen auszuhärten, und ist nicht auf die Verarbeitung von Halbleiterwafern beschränkt. Zum Beispiel kann ein Mehrfachchip-Modul mit mehreren Substraten, die zusammen in einer Sandwich-Form angeordnet sind, eine obere Schicht aus einem Polymer, die über die vorliegende Erfindung ausgehärtet ist, aufweisen. Ferner ist die Größe von Halbleitersubstraten, einschließlich von Halbleiterwafern, die mit der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden können, im Grunde genommen unbeschränkt.
Ein beispielhafter Mikrowellenofen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung ist in dem U.S. Patent Nr. 5321222 von Bible et al. beschrieben, wobei die Offenbarung davon hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit Teil der vorliegenden Anmeldung ist. Der Schritt zum Überstreichen bzw. Bestrahlen 12 eines Halbleitersubstrats mit einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen und der Schritt zum Einstellen einer Mikrowellenleistung 14 wird vorzugsweise innerhalb eines Multimode-Mikrowellenofenhohkaums des Typs ausgeführt, der in dem Bible et al. Patent beschrieben ist. Im Allgemeinen schließt ein Mikrowellenofen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung typischerweise einen Mikrowellensignalgenerator und einen spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillator zum Erzeugen eines Mikrowellensignals niedriger Leistung für eine Eingabe an den Mikrowellenofen ein. Ein erster Verstärker kann vorgesehen sein, um die Größe des Signalausgangs von dem Mikrowellensignalgenerator oder dem spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillator zu verstärken. Ein zweiter Verstärker wird zur Verarbeitung des Signals, das von dem ersten Verstärker ausgegeben wird, vorgesehen. Eine Energieversorgung ist für einen Betrieb des zweiten Verstärkers vorgesehen. Ein Richtkoppler ist vorgesehen, um die Richtung eines Signals zu erfassen und das Signal in Abhängigkeit von der erfassten Richtung weiter zu richten. Vorzugsweise wird ein Hochleistungs-Breitbandverstärker, wie beispielsweise eine Wanderfeldröhre (TWT), ein abstimmbares Magnetron, ein abstimmbares Klystron, ein abstimmbares Twystron, und ein abstimmbares Gyrotron, aber nicht darauf beschränkt, verwendet, um einen Bereich von Frequenzen von bis zu einer Oktave in der Bandbreite und den 300 MHz bis 300 GHz Frequenzbereich abdeckend, zu überstreichen (durchzuwobbeln). Ein Bereich von Mikrowellenfrequenzen zum Aushärten einer Polymerschicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann im Grunde genommen irgendeine Anzahl von Frequenzen umfassen und ist in der Größe nicht beschränkt.
Die Verwendung einer Verarbeitung mit variabler Frequenz, wie hier offenbart, verbessert eine gleichförmige Verarbeitung von einem Halbleitersubstrat zu dem nächsten, weil eine Anordnung jedes Substrats innerhalb des Ofenhohlraums nicht kritisch ist. Im Gegensatz dazu muss mit einer Einzelfrequenz-Mikrowellenverarbeitung jedes Substrat in genau der gleichen Weise innerhalb des Ofenhohlraums orientiert werden, um die identische und wiederholbare Verarbeitungszeit und Qualität zu erreichen. Zusätzlich kann eine gleichförmige Verarbeitung von mehreren großen Halbleitersubstraten, beispielsweise Halbleiterwafern mit Durchmessern von sechs Zoll (6'') (l5 cm) und darüber hinaus, sowohl Seite an Seite als auch aufgestapelt, sowohl in Monomode- als auch Multimode-Öfen unter Verwendung einer Einzelfrequenz-Mikrowellenbestrahlung schwierig erreicht werden.
Ein potentieller Vorteil der Verwendung einer Mikrowellenverarbeitung mit variabler Frequenz, wie hier offenbart, ist eine Verringerung der Effekte von thermischen Spannungen. Durch Wählen von Frequenzen, die ein bestimmtes Polymer aushärten, ohne eine übermäßige Erwärmung des Substrats zu verursachen, kann eine Beschädigung von thermischen mechanischen Spannungen vermieden werden. Weil die vorliegende Erfindung kürzere Aushärtungszeiten als herkömmliche Aushärtungsverfahren erzielt, haben ferner angrenzende Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht genug Zeit sich auszudehnen oder zusammenzuziehen und dadurch übermäßige thermische mechanische Spannungen an ihren Schnittflächen zu verursachen.
Der praktische Bereich von Frequenzen innerhalb des elektromagnetischen Spektrums, aus dem Mikrowellenfrequenzen gewählt werden können, ist ungefähr 0,90 GHz bis 40 GHz: Jedes Substrat und jede Polymerschicht darauf, die der Mikrowellenenergie ausgesetzt wird, weist typischerweise wenigstens einen Bereich oder ein Fenster von Mikrowellenfrequenzen auf, der/das zum Aushärten der Polymerschicht optimal ist, ohne zu ermöglichen, dass eine Beschädigung an dem Substrat, der Polymerschicht oder an irgendwelchen Komponenten, die an dem Substrat angebracht sind, entweder von einer Bogenbildung (Funkenbildung) oder einer lokalisierten Erwärmung auftritt. Der Ausdruck „Fenster", wie voranstehend definiert, bezieht sich auf einen Bereich von Mikrowellenfrequenzen, der an einem Ende durch eine spezifische Frequenz abgegrenzt ist und auf dem entgegengesetzten Ende durch eine andere spezifische Frequenz abgegrenzt ist.
Eine Beschädigung von einer Funken- bzw. Bogenbildung kann auftreten, wenn eine Mikrowellenenergie an ein Halbleitersubstrat angelegt wird, welches leitende Materialien mit daran angebrachten elektronischen Komponenten enthält. Eine Funken- bzw. Bogenbildung tritt typischerweise nur innerhalb von bestimmten Bereichen oder Fenstern von Mikrowellenfrequenzen auf. Andere Fenster oder Mikrowellenfrequenzen existieren typischerweise, bei denen eine Bogen- bzw. Funkenbildung nicht auftritt. In ähnlicher Weise gibt es Fenster von Mikrowellenfrequenzen, bei denen eine lokalisierte Erwärmung eines Halbleitersubstrats auftreten wird, und es gibt Fenster von Mikrowellenfrequenzen, bei denen eine derartige lokalisierte Erwärmung nicht auftreten wird. Durch Auswählen von einem oder mehreren Fenstern von beschädigungsfreien Frequenzen, können Polymerschichten auf Halbleitersubstraten schnell unter Verwendung einer Mikrowellenenergie ausgehärtet werden, ohne Bedenken hinsichtlich einer Beschädigung von einer lokalisierten Erwärmung oder einer Funkenbildung, sogar bei der Anwesenheit von leitenden Materialien und elektronischen Komponenten. Ferner kann die Überstreichungsrate (Bestrahlungsrate) in einem bestimmten Fenster von Frequenzen gewählt werden, um eine Beschädigung an dem Halbleitersubstrat und/oder daran angebrachten Komponenten zu vermeiden.
Jedes Fenster weist vorzugsweise ein Mittenfrequenz auf, die gewählt ist, um ein bestimmtes Polymer schnell zu erwärmen und auszuhärten. Dies bedeutet, dass die gewählte Frequenz die Frequenz ist, bei der die Polymerschicht an oder in der Nähe der maximalen Absorption der Mikrowellenenergie ist. Eine Mikrowellenenergie erzeugt eine Erwärmung durch Kopplung auf dem molekularen Niveau mit dem Material, auf das sie angewendet wird, wobei eine volumetrische Erwärmung innerhalb des Materials erzeugt wird. Wenn eine Mikrowellenenergie optimal zum Erwärmen des Materials bei einer Mittenfrequenz innerhalb eines Fensters von Frequenzen abgestimmt ist, ist die Erwärmung sehr effizient im Vergleich mit herkömmlichen Konvektionswärmeöfen. Das Ausmaß, auf das ein gegebenes Material eine Mikrowellenenergie absorbiert und dadurch erwärmt wird, wird durch dessen dielektrische Eigenschaften, die angewendete Mikrowellenfrequenz, und die elektrische Feldverteilung innerhalb des Materials, bestimmt.
Oberhalb oder unterhalb eines bestimmten optimalen Fensters von Frequenzen kann eine Beschädigung auftreten oder eine Aushärtung kann nicht optimal auftreten. Ein Fenster kann sich in Abhängigkeit von der Halbleitersubstratkonfiguration der Geometrie und der Materialzusammensetzung verändern. Ein Fenster kann sich auch in der Abhängigkeit von der Art und der Konfiguration der Polymerschicht oder der Schichten verändern. Die Auswahl eines Fensters für ein bestimmtes Halbleitersubstrat und eine bestimmte Polymerschicht wird typischerweise entweder empirisch durch Versuche oder theoretisch unter Verwendung von Leistungsreflektionskurven und dergleichen ermittelt.
Innerhalb eines Fensters von Frequenzen, die für ein bestimmtes Halbleitersubstrat und eine bestimmte Polymerschicht gewählt werden, ist es im allgemeinen wünschenswert die Frequenzen zu wählen, die zu der kürzesten Zeit zum Aushärten der Polymerschicht führen. Vorzugsweise wird ein Halbleitersubstrat mit einem Untersatz von Frequenzen aus dem oberen Ende jedes Fensters verarbeitet. Mehrere Moden können mit höheren Frequenzen als mit niedrigeren Frequenzen angeregt werden, was dadurch zu kürzeren Aushärtungszeiten führt. Zusätzlich wird eine bessere Gleichförmigkeit bei der Aushärtung typischerweise dadurch erreicht, dass die Frequenzen am oberen Ende innerhalb eines Fensters verwendet werden. Jedoch können irgendein Untersatz von Frequenzen innerhalb eines Fensters von Frequenzen verwendet werden.
Viele Halbleitersubstrate weisen mehrere Fenster von Frequenzen auf, innerhalb derer Polymerschichten sich aushärten werden, ohne eine Beschädigung an dem Substrat oder der Polymerschicht zu verursachen. Zum Beispiel kann ein Halbleitersubstrat ohne eine Beschädigung zwischen 3,50 GHz und 6,0 GHz verarbeitet werden, und kann auch ohne eine Beschädigung zwischen 7,0 GHz und 10,0 GHz verarbeitet werden. Die Verfügbarkeit von zusätzlichen Fenstern stellt eine zusätzliche Flexibilität zum Erreichen einer schnellen, gleichförmigen und dennoch beschädigungsfreien Aushärtung bereit. Oft werden Halbleitersubstrate aufgestapelt oder weisen verschiedene Polymerschichten darauf auf, die ein bestimmtes Fenster von Frequenzen, das für eine Verarbeitung verfügbar ist, tatsächlich kleiner machen oder beseitigen können. Die Verfügbarkeit von alternativen Fenstern erlaubt, dass ein Halbleitersubstrat mit einer Mikrowellenenergie verarbeitet werden kann, ohne auf andere Aushärtungsverfahren zurückgreifen zu müssen. Die Verfügbarkeit von mehreren Fenstern von Frequenzen erlaubt auch ein „Springen" zwischen zwei oder mehreren Fenstern während einer Mikrowellenverarbeitung, um eine optimale Aushärtung zu erhalten. Zum Beispiel kann eine optimal Aushärtung eines bestimmten Halbleitersubstrats mit einer Polymerschicht darauf durch Überstreichen bzw. Bestrahlen mit Mikrowellenfrequenzen zwischen 3,50 GHz und 6,0 GHz für eine Zeitperiode und dann durch Überstreichen für eine Zeitperiode zwischen 7,0 GHz und 10,0 GHz erreicht werden.
Vorzugsweise wird der Schritt einer Frequenzüberstreichung 12 unter Verwendung von Frequenzen aus innerhalb wenigstens einem Fenster von Frequenzen, wie voranstehend beschrieben, ausgeführt. Ein Frequenzüberstreichen 12 (ein Frequenzwobbeln 12) verursacht eine Gleichförmigkeit der Erwärmung, weil viele Hohlraummoden angeregt werden können. Eine Frequenzüberstreichung 12 kann erreicht werden, indem die verschiedenen Frequenzen innerhalb eines Fensters entweder gleichzeitig oder sequentiell eingekoppelt werden. Es sei zum Beispiel das Fenster von Frequenzen für ein bestimmtes Halbleitersubstrat zu 2,60 GHz bis 7,0 GHz angenommen. Eine Frequenzüberstreichung würde ein kontinuierliches und/oder selektives Einkoppeln von Frequenzen innerhalb dieses Bereichs in irgendwelchen wünschenswerten inkrementen, wie 2,6001 GHz, 2,6002 GHz, 2,6003 GHz... 3,30 GHz, etc. bedeuten. Im Grunde genommen kann irgendein inkrementales Einkopplungsmuster verwendet werden, ohne von den Grundgedanken und der Absicht der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Rate, bei der die verschiedenen Frequenzen eingekoppelt werden, wird als die Überstreichungsrate (Wobbelungsrate) bezeichnet. Diese Rate kann irgendein Wert sein, der Millisekunden und Minuten einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Vorzugsweise ist die Überstreichungsrate so s_chnell wie für die bestimmte Polymerschicht und das bestimmte Halbleitersubstrat, die gerade verarbeitet werden, praktisch ist. Zusätzlich wird die Überstreichungsrate so gewählt, dass eine optimale Anzahl von Moden innerhalb des Ofenhohkaums erzeugt werden. Die Überstreichungsrate kann auch auf Grundlage der Dicke der Polymerschicht, die ausgehärtet werden soll, gewählt werden.
Die Gleichförmigkeit einer Verarbeitung, die von einer Frequenzüberstreichung erreicht wird, stellt eine Flexibilität darüber bereit, wie ein Halbleitersubstrat innerhalb des Mikrowellenofens orientiert wird, und erlaubt, dass eine Vielzahl von Substraten während einer Verarbeitung aufgestapelt werden. Eine Aufrechterhaltung jedes Halbleitersubstrats in genau der gleichen Orientierung wird nicht benötigt, um eine gleichförmige Verarbeitung zu erzielen. Ferner kann das Überstreichungsverfahren mit variabler Frequenz zum Aushärten von Polymerschichten auf Halbleitersubstraten, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, auf sowohl Monomode- als auch Multimode-Mikrowellenhohlräume angewendet werden.
Vorzugsweise befindet sich der Mikrowellenofen mit variabler Frequenz zum Aushärten von Polymerschichten, in Übereinstimung mit der vorliegenden Erfindung, unter einer Computersteuerung. Unter einer Computersteuerung wird der Mikrowellenofen auf eine bestimmte Frequenz, vorzugsweise die optimale Einfallsfrequenz für eine bestimmte Größe und einen bestimmten Typ von Halbleitersubstrat, abgestimmt und wird dann programmiert, um um diese Mittenfrequenz herum zu wobbeln (eine Frequenzveränderung vorzunehmen), um eine Vielzahl von Moden zu erzeugen und diese schnell um den Hohlraum herum zu bewegen, um eine gleichförmige Energieverteilung bereitzustellen. Zusätzlich kann sich die optimale Kopplungsfrequenz während der Verarbeitung eines Halbleitersubstrats ändern. Der Grund hierfür besteht darin, dass die dielektrischen Eigenschaften von Polymeren wie Polyimid und/oder Substratmaterialien sich während einer Erwärmung ändern. Demzufolge wird bevorzugt, dass die Mittenfrequenz einstellbar ist, vorzugsweise unter einer Computersteuerung, um automatisch derartige Änderungen zu kompensieren.
Der Schritt zum Bestimmen 16 des Ausmaßes einer Aushärtung einer Polymerschicht auf einem Halbleitersubstrat kann im Verlauf der Bearbeitung (in situ) durch Messen der Verschiebung der dielektrischen Eigenschaften der Polymerschicht bestimmt werden, wie in der gleichzeitig anhängigen U.S. Seriennummer 08/531045 beschrieben, die im gemeinsamen Besitz ist und am 20. September 1995 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit Teil der vorliegenden Anmeldung ist. Wenn ein Halbleitersubstrat mit einer Mikrowellenenergie innerhalb eines Mikrowellenofenhohlraums bestrahlt wird, wird die Wechselwirkung zwischen der Mikrowellenenergie und dem Substrat von der angewendeten Mikrowellenfrequenz, den Hohlraumabmessungen, der Substratkonfiguration, den Substratmaterialeigenschaften einschließlich der Polymerschicht darauf, und dem Ort des Substrats innerhalb des Hohlraums beeinflusst. Diese Wechselwirkung kann unter Verwendung des prozentualen Anteils der Leistung, die an den Mikrowellen-Einkoppler zurückreflektiert wird, überwacht werden. Dieser prozentuale Anteil wird berechnet, indem die reflektierte Leistung (Pr) durch die Eingangsleistung (P_i) geteilt wird. Wenn ein Halbleitersubstrat mit einem Bereich oder einem Fenster von Frequenzen von einer Mikrowellequelle mit variabler Frequenz, zum Beispiel 1 bis 20 GHz, bestrahlt wird, kann eine Leistungsreflektionskurve als eine Funktion von einfallenden Frequenzen erhalten werden. Die Form dieser Kurve umfasst eigentümliche Spitzen, die sich auf die dielektrischen Eigenschaften, die Form, und die Konfiguration des Substratmaterials und der Polymerschicht beziehen.
Für jedes Halbleitersubstrat und jede Polymerschicht darauf gibt es an einer gegebenen Position innerhalb eines Mikrowellenhohkaums eine einzigartige Kurve oder eine „Signaturkurve" über dem eingekoppelten Mikrowellenfrequenzbereich. Irgendeine Veränderung in dieser Signaturkurve, wie mit der Frequenzverschiebung und/oder Größenänderung der eigentümlichen Spitzen angezeigt, ist ausschließlich eine Funktion einer Änderung von Materialeigenschaften oder Bedingungen. Wenn zum Beispiel die Abmessungen eines Mikrowellenhohlraums konstant gehalten werden und zwei Substrate, die jeweils aus dem gleichen Material und der gleichen Polymerschicht bestehen und im wesentlichen identische Formen und Größen aufweisen, innerhalb des Hohlraums in im wesentlichen der gleichen Weise positioniert werden, werden die Signaturkurven, die für jedes Substrat erzeugt werden, wenn es mit im wesentlichen dem gleichen Bereich von Mikrowellenfrequenzen bestrahlt wird, im wesentlichen identisch sein. Irgendeine Veränderung oder Verschiebungen zwischen den zwei Signaturkurven ist eine Anzeige darüber, dass die Substrate nicht Material oder Schichten darauf in der gleichen Bedingung oder dem gleichen Zustand umfassen. Die Größe der Verschiebung hängt von der Form, den dielektrischen Eigenschaften, und dem Ort des Halbleitersubstrats und der Polymerschicht innerhalb des Hohlraums ab.
Demzufolge kann die Aushärtungsstufe einer Polymerschicht aus Signaturkurvenverschiebungen bestimmt werden. Wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet verstehen werden, ist es nicht erforderlich Signaturkurven in einer gedruckten Form oder auf einem Computerbildschirm zu erzeugen. Eigentümliche Spitzenverschiebungen können berechnet werden und erzeugen Charakteristiken, die unabhängig von greifbaren Signaturkurven bestimmt werden. Die Leistungsreflektionsdaten, die erforderlich sind, um eine Signaturkurve zu erzeugen, können einfach innerhalb eines Prozessors, wie einem Computer, analysiert werden.
BEISPIEL
Ein acht Zoll (8'') (20,3 cm) Siliziumwafer mit einer Polyimidschicht mit einer Dicke von zwischen ungefähr eins und siebzehn Mikron und ungefähr vierzehn Mikron (l,7μ–l4μ) darauf wurde in einen Quarzhalter des in den 3a und 3b gezeigten Typs platziert. Der Halter 20 umfasste allgemein kreisförmige obere und untere Platten 20a, 20b mit einem zentralen Ring 20c, der dazwischen eingebettet ist. Der zentrale Ring 20c hatte einen äußeren Durchmesser, der im allgemeinen äquivalent zu dem Durchmesser jeder Platte 20a, 20b war. Der zentrale Ring 20c wurde konfiguriert, um den Wafer 22 darin aufzunehmen, wie dargestellt. Eine Temperatursonde 24 wurde mit der Rückseite des Wafers 22 verbunden, um eine relative Temperatur anzuzeigen und um so die Aushärtung der Polyimidschicht nicht zu stören. Die Temperatur wurde während einer Mikrowellenverarbeitung über eine Anzeige 26 angezeigt.
Der Halter- und Wafer-Aufbau wurde innerhalb eines Multimode-Mikrowellenofens des voranstehend beschriebenen Typs angeordnet. Der Ofenhohlraum wurde mit Stickstoffgas bei einer Flussrate von ungefähr einem halben Liter pro Minute bis ungefähr 5 Litern pro Minute (0,5 Liter/min-5,0 Liter/min) gefüllt bzw ausgeblasen, um einen geringfügig positiven Druck innerhalb des Hohlraums aufrecht zu erhalten. Der Halter- und Wafer-Aufbau wurden einem Fenster von Mikrowellenfrequenzen mit einer Mittenfrequenz von ungefähr fünfeinhalb (5,5) GHz und in einem Bereich zwischen ungefähr fünf (5,0) GHz und ungefähr sechs (6,0) GHz ausgesetzt. Die Überstreichungsrate (Wobbelungsrate) betrug ungefähr ein Zehntel einer Sekunde (0,1 Sekunden). Die Leistung wurde kontinuierlich zwischen ungefähr null (0) Watt bis ungefähr siebenhundert (700) Watt eingestellt, um das Temperaturprofil zu steuern.
Die Ergebnisse sind in 4 dargestellt. Die Temperatur in Grad Celsius ist auf der „Y" Achse aufgetragen und die Zeit in Minuten ist auf der „X" Achse aufgetragen. Wie mit dem Temperaturgegenüber-Zeit-Profil 30 gezeigt wurde eine gleichförmige Aushärtung der Polyimidschicht in weniger als zwanzig (20) Minuten erreicht. Im Gegensatz dazu sind die Ergebnisse einer Aushärtung eines zweiten acht Zoll (8'') (20,3 cm) Siliziumwafers mit einer Polyimidschicht mit der gleichen Dicke darauf in einem herkömmlichen Konvektionsofen in 5 dargestellt, wobei die Temperatur in Grad Celsius auf der „Y" Achse aufgetragen ist und die Zeit in Minuten entlang der „X" Achse aufgetragen ist. Wie mit dem Temperatur-gegenüber-Zeit-Profil 32 gezeigt, benötigte eine herkömmliche Aushärtung mit Wärme über fünf (5) Stunden.
Das Ausmaß einer Aushärtung und die Materialeigenschaften der Polyimidschicht jedes Wafers waren äquivalent. Jedoch benötigte, wie dargestellt, die Erreichung des gleichen Grads einer Aushärtung und der gleichen Materialeigenschaften eine viel längere Zeit mit einer herkömmlichen Wärmeaushärtung als mit der Verwendung einer Mikrowellenenergie variabler Frequenz in einem Multimode-Hohlraum in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Aushärtungszeiten unter Verwendung von Konvektionsöfen können schwierig verringert werden, weil thermische Unterschiede schlechte mechanische Eigenschaften und Leerstellen und andere Defekte in der Polymerschicht verursachen können.
In den Zeichnungen und in der Beschreibung sind typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart worden und, obwohl spezifische Ausdrücke verwendet werden, werden sie in einer generischen und nur beschreibenden Weise und nicht für den Zweck einer Beschränkung verwendet, wobei der Umfang der Erfindung in den folgenden Ansprüchen aufgeführt ist.

Claims

Verfahren zum Aushärten einer Polymerschicht auf wenigstens einem Halbleitersubstrat, das innerhalb eines Mikrowellenofen-Hohlraums platziert ist, der eine nicht-gleichförmige Energieverteilung darin mit heißen Punkten erzeugt, wenn mit einer Mikrowellenenergie fester Frequenz bestrahlt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Überstreichen (12) des wenigstens einen Halbleitersubstrats mit einer Mikrowellenenergie variabler Frequenz aus wenigstens einem Bereich von Mikrowellenfrequenzen, wobei der wenigstens eine Bereich eine zentrale Frequenz aufweist, die gewählt ist, um die Polymerschicht schnell zu erwärmen, wobei der wenigstens eine Bereich gewählt ist, um eine Vielzahl von Moden innerhalb des Hohlraums zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Moden eine gleichförmige Energieverteilung aufrecht erhalten, die keine heißen Punkte innerhalb des, Mikrowellenofen-Hohlraums erzeugt, wobei das Überstreichen bei einer Rate ausgeführt wird, die gewählt ist, um eine Beschädigung der Polymerschicht und/oder von Komponenten, die an dem wenigstens einen Halbleitersubstrat angebracht sind, zu vermeiden; und (b) Einstellen (14) der Mikrowellenleistung während des Schritts (a), um die Temperatur der Polymerschicht und des wenigstens einen Halbleitersubstrats zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Entfernen (18) eines Ausflusses, der während der Schritte (a) und (b) erzeugt wird, von dem Mikrowellenofen-Hohlraum.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen des Ausflusses (18) von dem Mikrowellenofen-Hohlraum das Einrichten eines positiven Drucks innerhalb des Ofenhohlraums durch Reinigen des Mikrowellenofen-Hohlraums mit einem Edelgas umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Stickstoff, Argon, Neon, Helium, Krypton und Xenon gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen eines Ausflusses (18) von dem Mikrowellenofen-Hohlraum das Einrichten eines positiven Drucks innerhalb des Ofenhohlraums durch Reinigen des Mikrowellenofen-Hohlraums mit Stickstoff umfasst.