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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schallreinigung
von Halbleiterwafern und mikroelektronischen Substraten und spezieller
auf ein gesteuertes Versetzen von Waferreinigungslösungen mit
Gas in Megasonic-Reinigungsanwendungen.
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Eine
Entfernung von Partikeln und anderen Verunreinigungen von Halbleiterwaferoberflächen ist
nach vielen Prozessschritten bei der Herstellung von integrierten
Schaltkreischips (IC-Chips)
wesentlich. Bei einer herkömmlichen
Reinigungsanordnung werden die Halbleiterwafer nach einem Prozessschritt
mittels Laden einer Mehrzahl der Wafer durch eine Haltevorrichtung
ins Innere eines Behälters
gereinigt, in den deionisiertes Wasser und reaktive Reinigungsfluide
in Mengen zugeführt
werden, die effektiv sind, die Waferoberflächen mit Flüssigkeit zu bedecken und zu
reinigen. Die reaktiven Reinigungsfluide können in die Reinigungszusammensetzung
in flüssiger
Form oder gasförmig
eingebracht werden. Nach der Reinigung werden die Wafer getrocknet,
wie durch Hochgeschwindigkeitsschleudern oder Ersetzung von Oberflächenwasser
durch Isopropylalkohol, und werden in einer reinen Umgebung bis
zur weiteren Verarbeitung aufbewahrt.
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Es
sind verschiedene Techniken zur Unterstützung des Reinigungsprozesses
bekannt, welche die Bewirkung einer schnellen Anregung der Reinigungsbehälterfluide,
z.B. durch Sprudeln von Inertgasen (z.B. Stickstoff) durch die Reinigungsbehälterfluide,
die Verwendung von magnetischen Rührern in dem Reinigungsbehälter, die
Verwendung von Schallenergie, die gegen die Wafer in der Prozessflüssigkeit
gerichtet ist, und Kombinationen dieser Techniken beinhalten.
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Es
ist bekannt, dass die Fähigkeit,
Partikel von Waferoberflächen
in derartigen Nassreinigungsprozessen zu entfernen, von vielen Faktoren
abhängt,
wie Prozesstemperatur, Wafervorbehandlung und Grad an Hydrophobie,
der chemischen Zusammensetzung der Reinigungslösungen und Anregungsparametern,
wie der Schallleistungsintensität
(wenn verwendet).
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Ein
weit verbreiteter Nassreinigungsprozess für Wafer ist der so genannte "RCA-Reinigungsprozess". Ein herkömmlicher
RCA-Reinigungsprozess
beinhaltet eine erste Reinigungslösung mit 5:1:1-Volumenverhältnissen
von Wasser, konzentriertem Wasserstoffperoxid (H2O2) und konzentriertem Ammoniumhydroxid (NH4OH) (für
SC-1) und eine zweite Reinigungslösung mit 5:1:1-Volumenverhältnissen
von Wasser, konzentriertem Wasserstoffperoxid (H2O2) und konzentrierter Salzsäure (HCl)
(für SC-2).
Der RCA-Reinigungsprozess enthält
die Schritte:
SC-1-Reinigung, gefolgt von einer Spülung mit
Wasser, gefolgt von der SC-2-Reinigung, gefolgt von einer Spülung mit
Wasser, gefolgt von einer letzten Spülung mit Wasser (üblicherweise
in einem separaten Tank) und anschließender Trocknung. Die RCA-Reinigung wurde eingeführt, bevor
Megasonic-Wandler extensiv verwendet wurden, und die Reinigungen
beruhten auf den hohen chemischen Konzentrationen für die Reinigung. Seither
wurde realisiert, dass durch Hinzufügen von Megasonic bei der SC-1-Reinigung die Entfernung
von Partikeln selbst mit reduzierten chemischen Konzentrationen
und mit niedrigeren Prozesstemperaturen erreicht werden konnte,
was außerdem
die nominelle Menge an geätztem
Silicium reduziert, und somit eine kostengünstigere, bessere Durchführung einer
Reinigung. Außerdem
tendieren einige Chemikalien, wie Wasserstoffperoxid, dazu, stärker als
deionisiertes Wasser intrinsisch kontaminiert zu werden, was die
Industrie weiter dazu motivierte, verdünnte Chemien bei den Waferreinigungsbädern zu
betrachten. Es wurde die direkte Injektion von reaktiven Gasen,
wie Ammoniak, in Reinigungslösungen
zur Präparation
einer verdünnten SC-1-Reinigungslösung als
ein Weg vorgeschlagen, verdünnte
ultrahochreine Bäder
herzustellen. Eine Injektion von reaktiven Gasen wird jedoch in
der Siliciumindustrie nicht allgemein praktiziert, insbesondere
beim Erstellen von konzentrierten chemischen Bädern.
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Die
primäre
Komponente der Reinigungslösung,
Wasser, dient als Medium für
die Reinigungsagenzien. Wasserstoffperoxid wirkt dahingehend, alle
verbliebenen organischen Verunreinigungen auf der Waferoberfläche zu oxidieren,
die aufgrund einer unvollständigen
Entfernung von Photoresist und außerdem aufgrund von aus der
Luft stammenden Materialien und physischer Handhabung vorliegen.
Ammoniak ist effektiv bei der Entfernung von Schwermetallen, wie
Cadmium, Kobalt, Kupfer, Quecksilber, Nickel und Silber, indem Aminokomplexe
mit diesen Spezies gebildet werden. HCl ist effektiv zur Entfernung
von Aluminium, Magnesium, Eisen und leichten Alkaliionen und zur
Verhinderung einer Verlagerungs-Wiederplattierung aus der Lösung.
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Die
RCA-Reinigung wird außerdem üblicherweise
unter Bedingungen schneller Anregung ausgeführt, was sowohl Schallenergie
als auch Sprudeltechniken mit inertem (nicht-reaktivem) Gas beinhaltet. Zum Beispiel
wurde ein Ultraschallwandler auf der Außenseite einer Quarzwand eines
Reinigungsbehälters
angebracht und Ultraschallenergie wurde durch die Wand und die RCA-Reinigungsprozesslösung zu
den Wafern durchgeleitet. Unter anderem fördert die Ultraschallenergie
eine Blasenbildung in der Reinigungslösung selbst. Alternativ wurde
Stickstoffgas als ein inertes (nicht-reaktives) Gas unter Bedingungen, die
in einem RCA-Reinigungsprozess
angetroffen werden, von einer externen Quelle zugeführt und
durch die Ätzmittel
gesprudelt, die in dem Reinigungsbehälter enthalten waren, um eine
separate Form von Anregung bereitzustellen. Für diese Anwendung bedeutet
ein "inertes" Gas ein Gas, das
mit den Wafermaterialien, die unter Reinigungsbedingungen gereinigt
werden, nicht reagiert. Das gleiche Gas kann in Abhängigkeit
von den speziellen Materialien und Reinigungsbedingungen als reaktiv
oder inert klassifiziert werden.
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Die
Effekte von Gasen auf die Nassreinigungsprozesse für Wafer
waren vor der vorliegenden Erfindung nur in einer beschränkten Weise
verstanden.
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Normalerweise
gibt es verschiedene Arten von Gasen, die in RCA-Prozessreinigungsbädern gelöst sind.
Das SC-1-Bad weist zum Beispiel gelösten Sauerstoff von zersetztem
Wasserstoffperoxid und irgendwelche anderen Gase auf, die in dem
deionisierten Wasser (DI-Wasser) vorhanden waren. In verdünnten SC-1-Bädern dominiert
der Gasgehalt des DI-Wassers die Gesamtgaskonzentrationen in dem
Bad. Die in der Lösung
gelöste
Menge jedes Gases addiert sich zu dem Gesamtgrad an Gassättigung,
der durch die Menge jedes Gases festgelegt ist, das in der Lösung gelöst ist.
Wenn zum Beispiel Wasser in Gleichgewicht mit Luft ist und wenn
Luft nur aus 79 Stickstoff und 21 % Sauerstoff bestand, dann beträgt der Grad
an (Gesamt-)Gassättigung
in dem Wasser 100 %, während
Sauerstoff bei 21 % Sättigung
liegt und Stickstoff bei 79 Sättigung. Somit
ist Sauerstoff etwa doppelt so löslich
in Wasser wie Stickstoff, so dass die molare Konzentration van gelöstem Stickstoff
nur etwa doppelt so groß ist
wie jene von Sauerstoff. Temperatur und Druck beeinflussen ebenfalls
die Menge an Gasen, die in einer Lösung gelöst werden können. Eine höhere Temperatur
oder ein niedrigerer angewendeter Druck reduzieren die Menge an
Gas, die gelöst
werden kann, wodurch die Erwärmung
eines gasgesättigten
Wassers bewirkt, dass eine gewisse Menge des gelösten Gases über Blasen ausgetrieben wird.
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Zwei
empirische Beobachtungen haben eine mögliche Gefahr aufgezeigt, die
auftritt, wenn zu viel Gas in den Waferreinigungslösungen vorhanden
ist. Erstens tendieren Gasblasen, die sich in heißem deionisiertem Wasser
(aufgrund einer temperaturgesteuerten Sättigung) bilden, dazu, Defekte
in Siliciumoberflächen
zu verursachen. Zweitens wurde beobachtet, dass das Vorhandensein
von Sauerstoff in deionisiertem Wasser ein Oberflächenätzen und
demzufolge eine Aufrauung von mit Wasserstoff abgeschlossenen Siliciumoberflächen verursacht.
Das heißt,
es wurde beobachtet, dass Sauerstoffgas reaktiv gegenüber mit
Wasserstoff abgeschlossenen Siliciumoberflächen ist, wenngleich es inert
gegenüber
zu reinigenden Oxidwaferoberflächen
ist. In jedem Fall haben diese zwei Probleme bei einigen Waferverarbeitungen
zu der Verwendung von Entgasern für das deionisierte Wasser geführt, entweder
in der gesamten Anlage (d.h. überall,
wo das deionisierte Wasser aufbewahrt, gehandhabt und schließlich bei
der Waferreinigung verwendet wird) oder zum Zeitpunkt der Verwendung
(d.h. im Reinigungsbehälter
selbst).
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Ein
entgegengesetztes Problem ergibt sich jedoch daraus, dass die zum "Entgasen" des deionisierten Wassers
verwendeten Verfahren nicht selektiv sind und nicht nur dem Wasser
Sauerstoff entziehen, sondern auch dazu tendieren, eine Verarmung
an jeglichem Stickstoffgasgehalt herbeizuführen. Die auf diese Weise angetroffene
Stickstoffgasverarmung kann signifikant sein. Das Fluid wird in
diesem Fall, in dem der Gesamtgasgehalt nur einen geringen Bruchteil
der vollständigen
Sättigung
ausmacht, als "vakuumentgast" betrachtet.
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Dieses
Problem wurde jedoch bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen
Zusammensetzungen des RCA-Reinigungsprozesses mit ihren relativ
hohen Reinigungsfluidkonzentrationen für Wasserstoffperoxid und Ammoniak
ohne Absicht vermieden, so dass wesentliche Mengen von Gas aufgrund
der Zersetzung von Wasserstoffperoxid, das Sauerstoffgas (O2) erzeugt, und für SC-1, sowie aufgrund der Flüchtigkeit von
Ammoniumhydroxid (der wässrigen
Form von Ammoniak), das Ammoniakgas (NH3)
freisetzt, intrinsisch zur Verfügung
stehen. Aufgrund derartiger relativ hoher Konzentrationen von Reinigungsfluiden,
die während der
Reinigung Gase erzeugen, wurden die vorstehend erwähnten Nachteile,
die mit der Verwendung von entgastem Wasser verknüpft sind,
großteils
durch die Verfügbarkeit
von Gasen aus den anderen gaserzeugenden Komponenten der Reinigungszusammensetzung überlagert.
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In
jüngerer
Zeit ist jedoch das Interesse an der Verwendung von Reinigungszusammensetzungen
gewachsen, die sehr viel verdünnter
als die traditionellen "RCA-Reinigungsmittel" aus 5:1:1 H2O/H2O2/NH4OH sind. Die "verdünnte
Chemie" bietet den
Vorteil einer beträchtlichen
Verringerung chemischer Anforderungen und des Verbrauchs, wobei
sie weniger aggressiv gegenüber
den Wafern ist. Eine Reinigung mit "verdünnter Chemie" kann jedoch versagen,
wobei nur wenige Defekte entfernt werden und gelegentlich sogar
Defekte hinzugefügt
werden. Vor der vorliegenden Erfindung wurde die Quelle derartiger
Ausfälle,
die mit verdünnten
Waferreinigungschemien verknüpft
waren, nicht gefunden. Frühere
Versuche bei der Prozessoptimierung durch Management des Gasgehaltes
waren bei der Steuerung der Menge und der Identität der in
den Prozessflüssigkeiten
gelösten
Gase nicht erfolgreich. Tatsächlich
wurde vor der vorliegenden Erfindung lediglich die Steuerung des
Sauerstoffgehalts untersucht.
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Ein
Waferreinigungssystem, wie es in der US-Patentschrift 5427622 (Stanaslovich)
beschrieben ist, erfordert die Einbringung eines Stroms von äußerst feinen
Blasen in die Reinigungsflüssigkeit
entweder durch Düseninjektion
eines kontinuierlichen Stroms von Blasen in den Rezirkulationsbehälter, oder
es werden alternativ Blasen über
einen in dem Rezirkulationsbehälter
platzierten aktiven Katalysator bereitgestellt, und jede dieser
Maßnahmen,
soweit vorhanden, stellt eine vollständige Sättigung sicher (siehe Spalte
5, Zeile 1 bis 24).
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In ähnlicher
Weise beschreibt die englischsprachige Zusammenfassung für JP-02-091922
eine Ultraschall- Wascheinrichtung
zum Reinigen von Halbleiterwafern mit einem "Mechanismus zum Lösen von Gas in Waschwasser".
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Die
deutsche Patentschrift
DE 4209865 offenbart
die Effektivität
eines auf Wasser basierenden Reinigungsmittels zur Entfernung von
metallhaltigen Rückständen auf
Halbleiteroberflächen,
insbesondere wird ein Siliciumwafer durch Dosen von Stickstoffdioxid
und/oder Oxalsäure
verbessert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Daher
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Realisierung der Erfindung
in der Bereitstellung einer effizienten Reinigung von mikroelektronischen
Bauelementen mit geringeren Niveaus von Schallleistung, geringerer
Temperatur und viel geringeren Konzentrationen von Chemikalien.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Effektivität einer
megasonic-unterstützten
Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen bereitgestellt, das
die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Reinigungslösung, die
ein nicht-reaktives Gas und Wasser enthält, wobei das Gas in der Reinigungslösung nicht
mit einem zu reinigenden Substrat reagiert; Steuern einer Gaskonzentration
in der Reinigungslösung
durch i) vakuumentgastes Wasser, das von einer Wasserversorgung
erhalten wird, und ii) Wiederhinzufügen von Gas zum vakuumentgasten
Wasser in geeigneten Mengen, um eine Teilsättigung der Lösung mit
dem Gas derart zu bewirken, dass die Lösung bei einer Prozesstemperatur
nicht in Sättigung
gelangt; und Reinigen eines Substrats in der Reinigungslösung bei
der Prozesstemperatur durch Induzieren von Megasonic-Energie in die Reinigungslösung, wobei
die Reinigungslösung
mit dem Gas bei der Prozesstemperatur teilweise gesättigt ist.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Verfahren bereitgestellt, um die Effektivität einer
megasonic-unterstützten
Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen zu steuern, die den
Schritt der Bereitstellung eines Gaskonzentrationsniveaus in einer
Reinigungslösung
beinhaltet, wodurch die Lösung
mit dem Gas bei Prozesstemperatur teilweise gesättigt ist. Die Teilsättigung
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 60 und etwa 98 % Sättigung.
Für die
Zwecke dieser Anmeldung ist das Gaskonzentrationsniveau (d.h. der
Grad an Sättigung)
die Summe der relativen Konzentrationen jedes Typs von gelöstem Gas
in der Lösung
bezüglich
der Gleichgewichtskonzentration (oder Gassättigungskonzentration), wenn
die Umgebung über
der Lösung
nur aus jenem Gas besteht. Es wird angenommen, dass die interessierenden
Gase nicht miteinander wechselwirken und daher hinsichtlich ihrer
Effekte auf die physikalische Eigenschaft "Sättigung" additiv sind. Diese
Annahme basiert auf dem idealen Gasgesetz, das auf normale Prozesstemperaturen
und -drücke,
die bei der Reinigung von Wafern angetroffen werden, gut anwendbar
ist.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet die Reinigungslösung
deionisiertes H2O/H2O2/NH4OH jeweils in
einem Volumenverhältnis
von 10:1:1 bis 1.000:2:1.
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Alternativ
beinhaltet die Reinigungslösung
deionisiertes H2O/H2O2/HCl jeweils in einem Volumenverhältnis von
10:0:1 bis 1.000:1:1.
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Die
Gaskonzentration kann entweder auf dem anlagenweiten Niveau oder
vorzugsweise zum Verwendungszeitpunkt gesteuert werden. Im letzteren
Fall sind zwei Wasserzuführungen
vorgesehen, von denen eine vakuumentgastes Wasser und die andere
gasgesättigtes
Wasser ist, das von erneut mit Gas versetztem Wasser stammt. Prozesswasser
für eine
Verwendung bei der Waferreinigung mit der gewünschten Gaskonzentration wird
dann durch Mischen von Wasser von den zwei Quellen, entgastem und
mit Gas versetztem, in einem geeigneten Verhältnis erhalten.
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Die
Ausführungsform
verwendet nicht-reaktive Gase ebenso wie eine Konzentrationssteuerung
von Gasen in den Reinigungsfluiden, wie deionisiertem Wasser, das
in der Reinigungslösung
verwendet wird, um die Reinigungseffizienz zu verbessern.
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Diese
Ausführungsform
macht es möglich,
eine effiziente Waferreinigung bei geringeren Pegeln von Megasonic-Leistung,
Temperatur und Konzentrationen von Chemikalien zu erzielen, wodurch
eine potentielle Schädigung
von Wafern minimiert wird, während
der Prozess ökonomisch
günstiger
gemacht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Das
Vorstehende und weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich,
in denen: Die Figur ein Blockdiagramm eines Waferreinigungssystems
mit Mitteln zur Steuerung des Gasgehalts der Waferreinigungslösungen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung basiert auf der Bereitstellung einer gesteuerten Versetzung
der Waferreinigungslösungen
mit Gas unter Verwendung nicht-reaktiver Gase. Die vorliegenden
Erfinder haben entdeckt, dass eine Quelle der Ausfälle bei
Megasonic-Nassreinigungsvorgängen,
die an Halbleiterwafern durchgeführt
werden, mit der Verwendung von vakuumentgastem Wasser bei der Herstellung
der Reinigungslösungen
korreliert ist. Außerdem
haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass nicht nur zu
viel, sondern auch zu wenig in der Wasserkomponente der Reinigungszusammensetzung
gelöstes
Gas nachteilig ist. Im Fall einer "verdünnten Chemie" wird von den vorliegenden
Erfindern angenommen, dass ein Vakuumentgasen des Wassers aufgrund der
sehr geringen Mengen von Gas, die von jeglichen Reinigungsfluidkomponenten
verfügbar
sind, welche während
Reinigungsreaktionen Gas freisetzen, zu einem Ausfall führt. Als
eine wichtige logische Folge wird die Identität des oder der Gase wichtig,
das bzw. die in dem Wasser enthalten ist bzw. sind, schon allein
deshalb, da verschiedene Gase verschiedene Löslichkeiten aufweisen, die
ihrerseits unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten haben. Außerdem kann
die Wahl des gelösten
Gases die Reinigung auch auf andere Weisen beeinflussen.
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Um
eine ausgezeichnete Waferreinigungseffizienz zu erzielen, wurde
entdeckt, dass diese Aufgabe erreicht werden kann, indem die Gesamtgaskonzentrationen
nahe, jedoch noch unterhalb des Sättigungsniveaus in der Reinigungslösung bei
der Prozesstemperatur gehalten werden und nicht-reaktive Gase mit
relativ hoher Löslichkeit
in der Reinigungslösung
verwendet werden. Das in der Reinigungslösung aufgebaute Niveau einer
Teilgassättigung
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 60 %und etwa 98 % der
vollständigen
(100 %) Sättigung
unter den gegebenen Bedingungen von Temperatur und Druck. Die Hauptvorteile
dieser Vorgehensweise liegen darin, dass eine effiziente Reinigung
bei geringeren Pegeln von Megasonic-Leistung, niedrigerer Temperatur und
viel geringeren Konzentrationen von Chemikalien erreicht werden
kann, wodurch eine potentielle Schädigung von Wafern minimiert
wird, während
der Prozess ökonomischer
gemacht wird.
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Die
Figur ist ein Blockdiagramm eines Megasonic-Waferreinigungssystems 100,
auf das die erfinderische Technik einer gesteuerten Versetzung der
Waferreinigungslösungen
mit Gas angewendet werden kann. Die Zufuhr 101 von deionisiertem
(D.I.) Wasser bezeichnet die Wasserquelle für die Waferreinigungslösung. Die
Wasserquelle ist nicht entgast. Das Wasser, das aus der Wasserzufuhr 101 entnommen
wird, wird durch eine Vakuumentgasungsvorrichtung 102 geleitet.
Die Vakuumentgasungsvorrichtung kann entweder eine Membranapparatur
oder eine Turmvakuumkammer sein, die beide dafür ausgelegt sind, das in der
ankommenden Wasserzufuhr gelöste
Gas zu entfernen. Das entgaste Wasser wird dann zu einer Gasversetzungsvorrichtung 103 geleitet,
die typischerweise eine Membranapparatur ist, in der das gewünschte gelöste Gas (z.B.
Stickstoff) wieder in das Wasser eingebracht wird, so dass das gelöste Gas
nahe der Sättigung
ist. Unter Verwendung von Durchflussreglern 104 und 105 oder anderen
proportional dosierenden Ventilen, wie einem zweiwegesteuernden
Mischventil 106, werden dann der entgaste und der gasgesättigte Wasserstrom
wieder in einem Verhältnis
gemischt, das dem gewünschten
Pegel an gelöstem
Gas für
das Wasser entspricht, das dem Waferreinigungsbehälter mit
Megasonic-Einrichtung 107 zugeführt werden soll. Wenn zum Beispiel
der Gasgehalt in dem vakuumentgasten Wasser 5 Sättigung
aufwies und der Gasgehalt in dem wieder mit Gas versetzten Wasser,
das die Gasversetzungseinrichtung 103 verlässt, 95
% Sättigung
betrug, dann ergibt ein Gemisch, das durch Mischen des entgasten
Wassers jeweils mit wieder mit Gas versetztem Wasser in einem Mischungsverhältnis von
20 %/80 gebildet wird, einen Mischwasserstrom mit einem Gasgehalt
von 77 % Sättigung.
Der Abzweig 108 in den Strömungsleitungen ermöglicht,
dass entgastes Wasser die Gasversetzungseinrichtung 103 umgeht,
wenn der Durchflussregler 104 geöffnet ist.
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Es
wurde festgestellt, dass die Effektivität einer Partikelentfernung
von Testwafern unter Verwendung von Megasonic-Leistung und "verdünnter Chemie" stark von dem Gesamtgasgehalt
und dem relativen Grad an Gassättigung
in dem zugeführten
deionisierten Wasser abhängig
ist. Wenn das deionisierte Wasser zum Verwendungszeitpunkt vakuumentgast
ist, wurde festgestellt, dass die Partikelentfernungseffizienz (von
standardisierten Testwafern) von einem normalen Wert von 97 % auf
etwa 50 % abnahm. Die Effizienz mit dem entgasten System konnte
nicht wieder zurück
auf den normalen Wert gebracht werden, selbst bei Erhöhen der Temperatur,
der Prozessdauer oder des Megasonic-Leistungspegels. Die einzige
korrigierende Prozedur, die funktionierte, bestand darin, die Entgasungsvorrichtung
zu deaktivieren. Klarerweise ist eine substantielle Konzentration
von gelöstem
Gas für
eine effiziente megasonic-unterstützte Reinigung von Bedeutung.
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Ein übliches
Testkriterium, das in der Siliciumindustrie zur Beurteilung der
Effizienz eines Reinigungssystems verwendet wird, besteht darin,
Wafer zu reinigen, die zuvor absichtlich mit Siliciumnitridpartikeln
kontaminiert wurden. Die normale Prozedur besteht darin, die Anzahl
dieser Partikel sowohl vor als auch nach der Reinigung unter Verwendung
kommerziell erhältlicher
Instrumente zu zählen,
wie dem TENCOR-6200-Gerät. Dann
kann die "Güte" der Reinigung durch
die Entfernungseffizienz (RE%) quantifiziert werden, die als das Verhältnis der
Anzahl von entfernten Partikeln dividiert durch die Gesamtanzahl
von anfänglich
auf dem Testwafer platzierten Partikeln definiert ist. Die Fähigkeit
zur Entfernung von Partikeln (d.h. Defekten) von Siliciumwafern
in dem SC-1-Reinigungsbad
ist von den Prozessparametern abhängig, wie Temperatur, chemischen Konzentrationen
und der Eintauchdauer der Wafer. Üblicherweise ist die RE% um
so höher,
je aggressiver das Bad ist (bei höheren Temperaturen und/oder
mit einer chemischen Zusammensetzung, um einen pH-Wert zu ergeben),
jedoch üblicherweise
auf Kosten einer erhöhten
Waferaufrauung. Die Reinigungseffizienz ist außerdem intrinsisch abhängig von
der Auslegung des Reinigungsgeräts,
wobei die lieferbare Megasonic-Leistung für das Bad von größter Wichtigkeit
ist.
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Es
wurde festgestellt, dass die Verwendung von weiteren nicht-reaktiven Gasen ebenso
wie die Konzentrationssteuerung von Gasen im Allgemeinen die Reinigungseffizienz
steigert. Der Ausdruck "nicht-reaktives
Gas" bedeutet ein
Gas, das mit den zu reinigenden Materialien unter typischen Reinigungsbedingungen nicht
reagiert. Somit kann das gleiche Gasmaterial in Abhängigkeit
von den Umständen
seiner Verwendung als reaktiv oder nicht-reaktiv eingestuft werden.
Sauerstoff ist zum Beispiel ein reaktives Gas, wenn er in Kontakt
mit Siliciumoberflächen
ist, die mit Wasserstoff abgeschlossen sind, er wird jedoch als
nicht-reaktiv eingestuft, wenn er in Kontakt mit den meisten Oxidoberflächen ist.
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Nutzbare
nicht-reaktive Gase beinhalten Stickstoff, Argon, Krypton und Xenon,
Kohlendioxid und Distickstoffoxid (wenn ein geringfügig saurer
pH-Wert beziehungsweise eine gewisse oxidierende Aktivität kein Problem
sind), leichte Kohlenwasserstoffe (z.B. CH4,
C2H6), leichte perfluorierte
Kohlenwasserstoffe (z.B. CF4), leichte Äther (z.B.
CH3OCH3) und leichte
fluorierte Äther.
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Die
Reinigungseffizienz verschiedener gelöster Gase in einer schallbeaufschlagten
Lösung,
wie sie in der Ausführung
der vorliegenden Erfindung angetroffen wird, ist von mehreren Faktoren
abhängig:
- (i) Erzeugung und Wachstum von Blasen mit jedem
Schallzyklus;
- (ii) Anzahl und Abmessung der erzeugten Blasen; und
- (iii) mögliche
signifikante lokale Effekte einer Erniedrigung der Oberflächenspannung
und/oder eine Änderung
des pH-Werts an der Grenzfläche
zwischen Flüssigkeit
und Gas.
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Die
Bildung von Blasen (durch Prozesse, die als Kavitation und gerichtete
Diffusion bekannt sind) wird durch die zyklischen Druckänderungen
bestimmt, die durch Schall in der Flüssigkeit induziert werden.
Wenn der lokale Druck unter den hydrostatischen Druck abfällt, fällt die
Löslichkeit
von Gasen mit diesem ab. Wenn eine Nukleationsstelle, z.B. ein kleiner
Partikel, vorhanden ist, wird eine lokale Übersättigung durch Bilden einer
Blase gelöst,
die während
der zweiten Hälfte
des Schallzyklus (teilweise oder vollständig) von der Flüssigkeit
wieder absorbiert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit für die Bildung
von Blasen ist daher von der Amplitude der Druckfluktuationen, die
von dem Megasonic-Gerät
erzeugt werden, und folglich von der Megasonic-Leistung abhängig. Noch
wichtiger ist allerdings, dass die Blasenbildung auch von Eigenschaften
des Fluids abhängig
ist, welche die sogenannten Kavitations- und gerichteten Diffusionsschwellwerte
bestimmen. Relevante Fluideigenschaften in dieser Hinsicht umfassen:
- (i) den relativen Grad an Sättigung des gelösten Gases
(weit unter Sättigung
ist es schwierig, Blasen zu erzeugen, und jene, die gebildet werden,
kollabieren mehr energetisch und verursachen mit höherer Wahrscheinlichkeit
eine Schädigung);
- (ii) die absolute Löslichkeit
des Gases (geringe Löslichkeit,
es werden wenige Blasen erzeugt, sogar nahe Sättigung, da das verfügbare Gasvolumen
gering ist; die Blasengröße, die
bei der Entfernung relativ großer Partikel
wichtig sein kann, ist außerdem
wahrscheinlich größer, wenn
das gelöste
Gas löslicher
ist);
- (iii) Temperatur (höhere
Temperatur, es ist leichter, Blasen zu bilden);
- (iv) Oberflächenspannung
(höhere
Oberflächenspannung,
es ist leichter, Blasen zu bilden); und
- (v) Feststoffverunreinigungen (reinere Lösung, es ist schwieriger, Blasen
zu bilden; man beachte, dass Lösungen,
die bei der Waferreinigung verwendet werden, typischerweise eine
Mikrofilterung durchlaufen).
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Eine
Unzulänglichkeit
des Gassättigungsgrads
und der Löslichkeit
kann in gewissem Maß durch
Verwendung einer höheren
Megasonic-Leistung kompensiert werden. Auf der Basis der Erfahrung
mit Ultraschallreinigung beginnt jedoch jenseits von bestimmten
Leistungsgrenzen eine Schädigung
der Waferoberfläche aufzutreten.
In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, so wird von den
vorliegenden Erfindern theoretisiert, dass die Zusammensetzung des
gelösten
Gases zu der Menge an Energie in Beziehung steht, die in Form von
Sonolumineszenz freigesetzt wird (die von dem gleichen Kavitätskollapsmechanismus
erzeugt wird, von dem angenommen wird, dass er Waferoberflächen schädigt), und
daher wahrscheinlich die erlaubte Grenze an Megasonic-Leistung für ein gegebenes
System beeinflusst.
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Eine
weitere Überlegung
bei der Verwendung eines hoch löslichen
Gases ist jene von lokalen Fluktuationen der physikalischen Eigenschaften
des Mediums an der Blasengrenzfläche.
Zum Beispiel verursachen gelöste
Stoffe, wie Ammoniak und Dimethyläther, große lokale Abnahmen der Oberflächenspannung,
wenn die Blase reabsorbiert wird. Es wird angenommen, dass dies
die Entfernung von Partikeln unterstützt. Ähnliche Effekte können mit
Gasen wie CO2 und N2O
Signifikanz aufweisen, die weniger löslich als Ammoniak oder Dimethyläther, jedoch
viel löslicher
als Sauerstoff und Stickstoff sind. Der pH-Wert der Reinigungslösung kann außerdem durch
die Verwendung von basischen (Ammoniak, Methylamin etc.) und sauren
(CO2 etc.) Gasen moduliert werden. Aus ökonomischen
und Umweltgründen
werden die meisten der vorstehend erwähnten Gase am besten in einem
geschlossenen oder nahezu geschlossenen System verwendet, das einen
Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre
minimiert und ein Recycling der meisten Gases ermöglicht;
CO2 und Edelgase (z.B. Argon) können jedoch
nach Wunsch ohne Recycling verwendet werden.
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Die
Versetzung mit Gas kann entweder im Hauptzufuhrsystem oder zum Verwendungszeitpunkt durchgeführt werden.
Die letztere Vorgehensweise bietet den Vorteil der Verwendung verschiedener
Gase oder des gleichen Gases bei verschiedenen Konzentrationen für verschiedene
Prozesse oder Prozessschritte, wobei gereinigtes Wasser von einer üblichen
Zufuhr verwendet wird. Die Menge an in dem Wasser oder in der Reinigungslösung gelöstem Gas
muss gesteuert werden, um eine optimale Megasonic-Reinigung bei
minimaler Defekterzeugung sicherzustellen. Insbesondere sollte die
Gaskonzentration derart sein, dass die Lösung bei (oder unterhalb) der
Prozesstemperatur nicht gesättigt
wird.
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Da
für die
meisten nicht-reaktiven Gase einfache Online-Löslichkeitsmonitore
nicht zur Verfügung
stehen, besteht eine einfache Art und Weise, die Gaskonzentration
im korrekten Bereich zu halten, darin, Wasser von zwei Zufuhrquellen
zu mischen. Eine Wasserzufuhrleitung liefert vakuumentgastes Wasser,
während
die andere gasgesättigtes
Wasser liefert. Die zwei Zufuhren werden zum Verwendungszeitpunkt
gemischt. Da das Gerät,
das zum Entgasen von Wasser notwendig ist, komplizierter als jenes
ist, das zur Gassättigung
desselben notwendig ist, besteht eine bevorzugte Prozedur darin,
die zentrale Wasserzufuhr vakuumzuentgasen und eine bestimmte Menge
an entgastem Wasser zum Verwendungszeitpunkt mit Gas zu sättigen.
Dann können die
zwei Zufuhren in jedem beliebigen Verhältnis zum Verwendungszeitpunkt
gemischt werden, um jede beliebige Gaskonzentration zwischen ihren
zwei Werten zu ergeben.
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Ein
weiterer Modus zur Herstellung von Wasser mit der gewünschten
Menge an gelöstem
Gas besteht in der teilweisen Entgasung oder Vakuumentgasung gefolgt
von einer gesteuerten erneuten Versetzung mit Gas. Dies kann das
Verfahren der Wahl sein, wenn eine kontinuierliche Überwachung
der Gaskonzentration leicht ist, z.B. für Gase wie CO2 und
Sauerstoff.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden nicht beschränkenden
Beispiele besser verständlich.
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Es
wurden Experimente in einem von CFM-Technologies, Inc. hergestellten
Waferreinigungsgerät
mit "geschlossenem" Behälter durchgeführt, bei
dem das Reinigungsbad der Umgebung vernachlässigbar ausgesetzt war. Es
wurden SC-1-Reinigungsbäder mit
konzentriertem Wasserstoffperoxid, konzentriertem Ammoniumhydroxid
und deionisiertem (DI-)Wasser mit den in Tabelle 1 unten angegebenen
Mischungsverhältnissen hergestellt.
vor dem Mischen wurde das deionisierte Wasser zuerst durch eine
von W.L. Gore & Associates, Inc.
hergestellte Entgasungsvorrichtung geleitet. Die Entgasungsvorrichtung
bestand im Grunde aus -einer gasdurchlässigen Membran, die das DI-Wasser
entweder von einem angelegten Vakuum oder einer Atmosphäre von Stickstoff
bei einem Druck von etwa 1 Atmosphäre trennte. Bei angelegtem Vakuum
wurde die Menge an in dem DI-Wasser gelöstem Gas mit etwa 50 % Sättigung
bestimmt, und der Sättigungswert
betrug 100 %, wenn die Entgasungsvorrichtung stattdessen die angelegte
Stickstoffatmosphäre
hatte.
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Der
SC-1-Reinigung folgte eine Spülung
mit DI-Wasser und ein Trocknungsschritt. Die Eintauchdauer der Wafer
in das SC-1-Bad wurde in allen experimentellen Durchläufen, die
für diese
Untersuchungen durchgeführt
wurden, konstant gehalten. Die SC-1-Prozessparameter und der ermittelte
Grad an Sättigung
von der Entgasungsvorrichtung sind zusammen mit der RE% von Siliciumnitridpartikeln
von Testwafern tabellarisch aufgeführt. Die tabellarisch aufgeführten Bereiche
von RE%-Werten zeigen
den Bereich von Ergebnissen an, die für mehrere experimentelle Durchläufe beobachtet
wurden, die für
diesen Test durchgeführt
wurden.
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Durch
Vergleich der RE% für
Test 1 mit jenem von Test 2 ist ersichtlich, dass,
wenn nicht genügend gelöstes Gas
in der Megasonic-Reinigung vorliegt, die Fähigkeit zur Entfernung von Defekten
ernsthaft gestört ist.
Die Tests 3 und 4 erhärten weiter dieses Ergebnis,
wobei eine aggressivere chemische Reinigung durch Verwendung von
höheren
Reinigungstemperaturen angewendet wurde. Im Vergleich war die "weniger aggressive" chemische Reinigung
mit ausreichend gelöstem
Gas wie in Test 2 dem Test 3 unter Verwendung
einer "aggressiveren" chemischen Reinigung überlegen.
Die Tests 5 und 6 zeigen, dass, selbst wenn die
Reinigungslösungstemperatur
signifikant abgesenkt wird und die chemischen Konzentrationen beträchtlich
verdünnt
werden, die Reinigungseffizienz weiterhin auf einem akzeptablen
Niveau gehalten werden kann, wenn das Niveau des gelösten Gases
ausreichend für
die Megasonic-Reinigung ist.
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Wenngleich
die vorstehenden Beispiele der Erfindung auf verdünnte wässrige Reinigungslösungen abzielen,
in denen der Fokus auf der Behandlung von deionisiertem Wasser als
der Hauptlösungskomponente lag,
versteht es sich, dass ähnliche
Betrachtungen auch gelten, wenn Wasser nicht die Hauptkomponente
ist, z.B. HF-Gylcerol, Schwefelsäure-Peroxid-Gemische.
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Zusammengefasst
erfordert ein effizienter Reinigungsprozess von mikroelektronischen
Bauelementen niedrige Pegel von Megasonic-Leistung, eine niedrigere
Temperatur und viel geringere Konzentrationen von Chemikalien. Das
Verfahren steuert die Effektivität
einer megasonic-unterstützten
Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen durch Sichern eines
Gaskonzentrationsniveaus in der Reinigungslösung derart, dass die Lösung bei
der Prozesstemperatur teilweise mit dem Gas gesättigt ist. Die Gaskonzentration
kann entweder auf dem anlagenweiten Niveau oder vorzugsweise zum
Verwendungszeitpunkt gesteuert werden. Im letzteren Fall werden
zwei Wasserzuführungen
bereitgestellt, eine für
vakuumentgastes Wasser und die andere für gasgesättigtes Wasser. Prozesswasser
mit der gewünschten
Gaskonzentration wird dann durch Mischen von Wasser von den zwei
Quellen in einem geeigneten Verhältnis
erhalten, wobei das resultierende Gemisch dem Waferreinigungsbehälter zugeführt wird.
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Wenngleich
die vorstehende Erörterung
hauptsächlich
der Reinigung von Siliciumwafern gewidmet war, ist die Nützlichkeit
dieser Erfindung nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt. Für viele
weitere Herstellungssektoren, bei denen empfindliche Teile zu reinigen
sind, z.B. ladungsgekoppelte Bauelemente, Flüssigkristallanzeigen, optische
und optoelektronische Komponenten, gelten ähnliche Betrachtungen hinsichtlich
Partikelentfernung und Reinigungschemie.
