WO2008071415A1 - Anordnung sowie ein verfahren zur steuerung von trocknungsprozessen für die herstellung von halbleiterbauelementen - Google Patents

Anordnung sowie ein verfahren zur steuerung von trocknungsprozessen für die herstellung von halbleiterbauelementen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for controlling drying processes in the production of semiconductor devices, which are arranged on wafers as carrier units and placed in a drying chamber, which is a dryer gas unit according to a gas concentration measuring unit for measuring the current gas concentration in the drying chamber with a gaseous Solvent filled.
  • the field of application of the invention extends to the analysis technique, more specifically in connection with the control and monitoring of drying processes in the manufacture of semiconductor devices by measuring the solvent concentration. Since isopropyl alcohol (IPA) is commonly used as a solvent in connection with the drying of wafers, this type of equipment is also referred to as an IPA dryer.
  • IPA isopropyl alcohol
  • Drying chamber rinsed with gaseous nitrogen until the concentration of the solvent has fallen below a predetermined value. In order to accelerate the drying process, partial pressure is also used.
  • the monitoring of the solvent concentration and thus the purging times is usually done with pellistors or with the aid of thermal conductivity sensors.
  • a disadvantage of the known solution is that no optimal results are achieved in terms of detection limit, reproducibility and usable pressure range. In particular, even at pressures less than 1 bar, the detection limit of the known measurement technique is not sufficient to a safe end of the respective
  • the invention includes the technical teaching that the
  • Gas concentration measuring unit is designed in the manner of a NDIR meter, which monitors the concentration of a gaseous solvent selected from the group of alcohols for drying the wafer.
  • the advantage of the solution according to the invention is, in particular, that with the NDIR measuring method realized here (non-dispersive infrared red light), the gas concentration can be detected with a much higher accuracy.
  • the detection limit is approximately 100 times better in comparison to the prior art measuring methods presented at the beginning.
  • thermal conductivity sensors for this purpose usually have a detection limit greater than 100 ppm.
  • the end of the rinsing and drying process can thus be determined much more accurately. This ultimately leads to a reduction of throughput times and thus to a reduction of the required gaseous solvent and nitrogen.
  • the basis for using an NDIR measuring method is the use of a replacement gas instead of isopropyl alcohol.
  • the detector and the calibration cuvette of the NDIR measuring instrument are filled with the substitute gas, which is always gaseous in the present temperature range and has a similar absorption behavior as isopropyl alcohol.
  • propane is preferably used as gaseous substitute gas.
  • Propane is known to belong to the group of alkanes and has a similar absorption behavior as the gas to be measured. Propane is also commercially available as a test gas.
  • the use of the NDIR measuring method on the specific application on which the invention is based also has the advantage that calibration can also be carried out with calibration cuvettes.
  • Calibration cuvettes are gas-filled cuvettes that are inserted periodically into the beam path and simulate a specific gas concentration. On this gas concentration, the sensitivity of the measurement method can be adjusted. This eliminates a comparatively more complex calibration using test gas.
  • the measurement technology based on NDIR can be used in a rather wide pressure range, which is especially useful in cases where it is measured under negative pressure. Typically, a range of 50 to 2000 hPa is used.
  • Figure 1 is a schematic representation of an arrangement for the control of
  • Figure 2 is a graph of the absorption behavior of gaseous isopropyl alcohol and the substitute gas propane
  • a plurality of wafers 2 are arranged within a drying chamber 1 provided for the production process of semiconductor components (not shown).
  • a dryer gas unit 3rd arranged, which for the purpose of drying gaseous solvent - here isopropyl alcohol - in the drying chamber 1 initiates.
  • the gas introduction is controlled in accordance with a gas concentration measuring unit 4 coupled to the dryer gas unit 3.
  • the gas concentration measuring unit 4 measures the current gas concentration of the gaseous solvent or the residual content of the solvent in a purge gas within the drying chamber 1.
  • an NDIR measuring device is used as gas concentration measuring unit 4. This is known to measure the concentration of a gas by determining the extent of light absorption of light whose wavelengths are normally selected to coincide with a relatively strong absorption band indicative of the gas to be measured.
  • light is emitted from the IR radiation source and passed through a sample chamber (not shown) where part of the light is absorbed by the sample gas.
  • the detector is filled with the sample gas and thus selectively measures only the light absorption of the gas to be measured.
  • the substitute gas propane is introduced into the detector.
  • the associated electronics of the gas concentration measuring unit 4 calculates the gas concentration measured in the sample cell.

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Abstract

Anordnung und Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2) die in einer Trockenkammer (1 ) platziert sind, die eine Trocknergaseinheit (3) nach Maβgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1 ) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt, wobei die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) nach Art eines NDIR-Messgerätes ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht.

Description

Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, welche auf Wafern als Trägereinheiten angeordnet und in einer Trockenkammer platziert sind, die eine Trocknergaseinheit nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Analysetechnik, genauer im Zusammenhang mit der Steuerung und Überwachung von Trocknungsprozessen bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen durch Messung der Lösemittelkonzentration. Da üblicherweise Isopropylalkohol (IPA) als Lösemittel im Zusammenhang mit der Trocknung von Wafern eingesetzt wird, wird dieser Typ von Anlagen auch als IPA- Trockner bezeichnet.
Nach dem allgemein bekannten Stand der Technik muss bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen vor der Prozessierung des Wafers dessen Oberfläche von
Wasserspuren befreit werden, welche aufgrund vorangegangener Fertigungsschritte hieran anhaften. Dies erfolgt dadurch, dass üblicherweise Isopropylalkohol in gasförmiger Form zusammen mit Stickstoff in eine Trockenkammer eingebracht wird. Der Isopropylalkohol kondensiert an der Oberfläche des Wafers und bindet dabei hieran anhaftendes Wasser. Der Trocknungsprozess erfolgt in einem zweistufigen Verfahren, wobei im ersten Schritt die Trockenkammer solange mit dem gasförmigen Lösemittel geflutet wird, bis eine stabile Konzentration in der Gasphase erreicht wird. Dies wird durch eine Gaskonzentrationsmesseinheit überwacht. Nach erfolgter Trocknung der Oberfläche des Wafers wird in einem zweiten Schritt die
Trockenkammer solange mit gasförmigem Stickstoff gespült, bis die Konzentration des Lösemittels unter einen vorgebbaren Wert gefallen ist. Um den Trocknungsprozess zu beschleunigen, wird teilweise auch mit Unterdruck gearbeitet. Die Überwachung der Lösemittelkonzentration und damit der Spülzeiten erfolgt üblicherweise mit Pellistoren oder unter Zuhilfenahme von Wärmleitfähigkeitssensoren.
Nachteilig bei der bekannten Lösung ist jedoch, dass hinsichtlich Nachweisgrenze, Reproduzierbarkeit und einsetzbarem Druckbereich keine optimalen Ergebnisse erreicht werden. Insbesondere auch bei Drücken kleiner 1 bar ist die Nachweisgrenze der bekannten Messtechnik nicht ausreichend, um ein sicheres Ende der jeweiligen
Spülschritte zu detektieren. Deshalb werden meistens zu lange Spülzeiten gewählt um sicherzustellen, das der Prozess abgeschlossen ist. Dies führt jedoch dazu, dass sich einerseits die Prozessdauer verlängert, was den wirksamen Durchsatz durch den Trocknungsprozess reduziert; andererseits wird recht viel Lösemittel sowie Stickstoff verbraucht. Des Weiteren ist für die Kalibrierung der Messtechnik ein geeignetes Prüfgas notwendig, was den Wartungsaufwand entsprechend erhöht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen zu schaffen, welche/welches sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnet, sich einfach kalibrieren lässt und die Verbrauchsmengen an Lösemittel und Stickstoff minimal hält.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Die jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die
Gaskonzentrationsmesseinheit nach Art eines NDIR-Messgeräts ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels, ausgewählt aus der Gruppe der Alkohole, zum Trocknen der Wafer überwacht.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass mit dem hier verwirklichten NDIR-Messverfahren (NichtDispersives InfraRotlicht) sich die Gaskonzentration mit einer wesentlich höheren Genauigkeit nachweisen lässt. Die Nachweisgrenze ist in etwa um einen Faktor 100 besser im Vergleich zu den eingangs vorgestellten Messverfahren des Standes der Technik.
So haben Wärmeleitfähigkeitssensoren für diesen Einsatzzweck üblicherweise eine Nachweisgrenze größer 100ppm. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich damit das Ende des Spül- und Trocknungsprozesses wesentlich genauer bestimmen. Dies führt letztlich zu einer Reduzierung der Durchlaufzeiten und damit zu einer Reduzierung des benötigten gasförmigen Lösungsmittels sowie des Stickstoffs.
Basis für die Verwendung eines NDIR-Messverfahrens ist der Einsatz eines Ersatzgases anstelle von Isopropylakohol. Der Detektor und die Kalibrierküvette des NDIR Messgerätes werden mit dem Ersatzgas gefüllt, das im vorliegenden Temperaturbereich immer gasförmig ist und ein ähnliches Absorptionsverhalten wie Isopropylalkohol hat. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise Propan als gasförmiges Ersatzgas verwendet. Propan gehört bekanntlich der Gruppe der Alkane an und weist ein ähnliches Absorptionsverhalten auf, wie das zu messende Gas. Propan ist kommerziell auch als Prüfgas erhältlich. Ein weiterer für Propan sprechender Vorteil ist, dass dieses im Temperaturbereich von -30°C bis +800C auf jeden Fall gasförmig ist, wogegen die eigentlich verwendetet Messkomponente Isoprophylalkohol, je nach Konzentration in diesem Temperaturbereich flüssig sein kann. Damit ist Isopropylalkohol nicht als Füllgas für NDIR Detektoren und Kalibrierküvetten einsetzbar.
Die Verwendung des NDIR-Messverfahrens auf den speziellen, der Erfindung zugrunde liegenden Anwendungsfall hat weiterhin den Vorteil, dass eine Kalibrierung auch mit Kalibrierküvetten erfolgen kann. Kalibrierküvetten sind gasgefüllte Küvetten, die periodisch in den Strahlengang eingeführt werden und eine bestimmte Gaskonzentration simulieren. Auf diese Gaskonzentration kann die Empfindlichkeit des Messverfahrens abgeglichen werden. Damit entfällt eine vergleichsweise aufwendigere Kalibrierung mittels Prüfgas.
Die Messtechnik auf Basis von NDIR lässt sich in einem recht weiten Druckbereich einsetzen, der insbesondere auch in den Fällen, wo im Unterdruck gemessen wird. Typischerweise wird ein Bereich von 50 bis 2000 hPa verwendet.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Steuerung von
Trocknungsprozessen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, und
Figur 2 eine graphische Darstellung des Absorptionsverhaltens von gasförmigem Isopropylalkohol und des Ersatzgases Propan
Gemäß Figur 1 werden innerhalb einer für den - nicht weiter dargestellten - Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen vorgesehenen Trockenkammer 1 mehrere Wafer 2 angeordnet. An der Trockenkammer 1 ist eine Trocknergaseinheit 3 angeordnet, welche zwecks Trocknung gasförmiges Lösemittel - hier Isopropylalkohol - in die Trockenkammer 1 einleitet. Die Steuerung der Gaseinleitung erfolgt nach Maßgabe einer mit der Trocknergaseinheit 3 gekoppelten Gaskonzentrationsmesseinheit 4. Die Gaskonzentrationsmesseinheit 4 misst die aktuelle Gaskonzentration des gasförmigen Lösemittels oder den Restgehalts des Lösemittels in einem Spülgases innerhalb der Trockenkammer 1.
Als Gaskonzentrationsmesseinheit 4 kommt ein NDIR-Messgerät zum Einsatz. Dieses misst bekanntermaßen die Konzentration eines Gases durch Bestimmung des Ausmaßes der Lichtabsorption von Licht, dessen Wellenlängen normalerweise so ausgewählt wird, dass diese mit einem verhältnismäßig starken Absorptionsband zusammenfallen, das für das zu messende Gas kennzeichnend ist. Während des Betriebes wird Licht von der IR-Strahlungsquelle emittiert und durch eine - nicht weiter dargestellte - Probenkammer geleitet, wo ein Teil des Lichts von dem Probengas absorbiert wird. Üblicherweise ist der Detektor mit dem Messgas gefüllt und misst damit selektiv nur die Lichtabsorption des zu messenden Gases. In der vorliegenden Erfindung wird aber anstelle des Messgases das Ersatzgas Propan in den Detektor eingefüllt. Schließlich berechnet die zugeordnete Elektronik der Gaskonzentrationsmesseinheit 4 die in der Probenzelle gemessene Gaskonzentration.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es auch denkbar, als gasförmiges Lösungsmittel ein anderes geeignetes Lösungsmittel auszuwählen, sofern dieses ein ähnliches Absorptionsverhalten wie Propan aufweist, wie in Figur 2 dargestellt.

Claims

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2), die in einer Trockenkammer (1 ) platziert sind und die eine Trocknergaseinheit (3) nach
Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1 ) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) nach Art eines NDIR-Messgerätes ausgebildet ist, welches die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Detektor der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) das Ersatzgas Propan anstelle von Isopropylakohol verwendet wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierküvetten zum Kalibrieren der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) vorgesehen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den Kalibrierküvetten der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) das Ersatzgas Propan anstelle von Isopropylakohol verwendet wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskonzentrationsmesseinheit (4) auf eine Nachweisgrenze von unterhalb 1 ppm gasförmiges Lösungsmittel einstellbar ist.
6. Verfahren zur Steuerung von Trocknungsprozessen von Wafern (2) die in einer Trockenkammer (1 ) platziert werden, die über eine Trocknergaseinheit (3) nach Maßgabe einer Gaskonzentrationsmesseinheit (4) zur Messung der aktuellen Gaskonzentration in der Trockenkammer (1 ) mit einem gasförmigen Lösemittel befüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Gaskonzentration in der Trockenkammer (1 ) durch ein NDIR- Messverfahren ermittelt wird, mit dem die Konzentration eines gasförmigen Lösemittels aus der Gruppe der Alkohole zum Trocknen der Wafer (2) überwacht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Spülen der Trockenkammer (1 ) Stickstoffgas eingeleitet wird, dessen Restgehalt an Lösemittel ebenfalls nach dem NDIR- Messverfahren ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren der Gaskonzentrationsmesseinheit (4) mit Kalibrierküvetten durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen der Wafer (2) innerhalb der Trockenkammer (1 ) bei einem weiten Druckbereich von typischerweise 50 bis 2000 hPa durchgeführt wird.
PCT/EP2007/010901 2006-12-14 2007-12-12 Anordnung sowie ein verfahren zur steuerung von trocknungsprozessen für die herstellung von halbleiterbauelementen WO2008071415A1 (de)

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