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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur nasschemischen Behandlung einer
Halbleiterscheibe unter Verwendung von Flüssigkeitsbehältern,
die in zwei gegenüberliegenden Seitenwänden eine
jeweils unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit liegende
Eingangs- und eine Ausgangsöffnung aufweisen.
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Halbleiterscheiben,
die beispielsweise als Substrate für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente
dienen, meist Siliciumscheiben, werden nach dem Polieren, Beschichten
(beispielsweise durch epitaktische Abscheidung) oder thermischen Behandlungsschritten
(engl. „Annealing”) bzw. vor Hochtemperaturprozessschritten
mit nasschemischen Verfahren gereinigt. Ziel der Reinigung ist es, Kontaminationen
der Halbleiterscheiben, beispielsweise mit Metallen wie Kupfer oder
mit organischen Substanzen, sowie an der Scheibenoberfläche
haftende Partikel möglichst vollständig zu entfernen,
da diese Kontaminationen bei der nachfolgenden Herstellung von Bauelementen
zu Problemen führen, beispielsweise zu einem inhomogenen
Aufwachsen der Gate-Dielektrika oder zu einem inhomogenen Abscheiden
der Polysilicium- oder Metall-Gates. Um für die neuesten
Bauelemente-Generationen geeignet zu sein, müssen beispielsweise
weitgehend alle Partikel von der Oberfläche einer Halbleiterscheibe entfernt
werden, die mindestens 32 nm groß sind, oder sogar noch
kleinere Partikel.
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Im
Stand der Technik sind mehrere Verfahren zum Reinigen und Trocknen
von Halbleiterscheiben bekannt:
Der Stand der Technik kennt
Bad-Reinigungsverfahren (siehe z. B. „Handbook
of Silicon Wafer Cleaning Technology", Ed. by K. A. Reinhardt
und W. Kern, 2nd Edition, 2008, Wiliam Andrew Inc.), bei
denen eine Vielzahl von Halbleiterscheiben gleichzeitig in ein Reinigungsbad
getaucht werden (sog. „Batch-Reinigung”). Es sind
auch Sequenzen verschiedener Reinigungsbäder bekannt. Bei
immer strenger werdenden Anforderungen bezüglich Partikelgröße
und Partikelanzahl wird es jedoch immer schwieriger, mit diesem
Verfahren ein ausreichendes Reinigungsergebnis zu erzielen. Bei
den gängigen Batch-Badanlagen wirken sich auch zunehmend
Limitierungen wie Abschattungen durch benachbarte Scheiben im Batch und
durch Scheibenhalterungen sowie erschwerter Zugang von Megaschall
negativ aus.
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Zur
Verbesserung der Reinigungsleistung wurden Einzelscheibenreinigungsverfahren
vorgeschlagen, mit denen zumindest die Abschattung durch benachbarte
Halbleiterscheiben vermieden werden kann. Beispielsweise können
die Halbleiterscheiben einzeln, in der Regel senkrecht stehend,
in ein Reinigungsbad oder eine Sequenz von Reinigungsbädern
getaucht werden. (Siehe z. B. "Novel Integrated
Single Wafer Immersion Megasonics for Advanced Post CMP Cleaning
in a Next Generation Dry-in Dry-out CMP System", J. Tang
et al., 2000 DUMIC/CMP-MIC) Wenn eine Sequenz von Reinigungsbädern
verwendet wird, leidet auch dieses Verfahren daran, dass die Reinigungsleistung
trotz laufender Zirkulation und Filterung der Reinigungsflüssigkeit aufgrund
der Anreicherung von Partikeln in der Reinigungsflüssigkeit
mit der Zeit abnimmt, bis die Reinigungsflüssigkeit in
bestimmten Intervallen vollständig erneuert wird. Zudem
ist der Durchsatz bei diesem Verfahren zu gering. Die Durchsätze
können erhöht werden, indem für eine
Halbleiterscheibe die Flüssigkeit im Einzeltank sequentiell
ausgetauscht und verworfen wird, ohne die Halbleiterscheibe zu entnehmen,
aber dieser Ansatz verteuert den Prozess erheblich.
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Alternativ
sind Einzelscheibenreinigungsverfahren entwickelt worden, bei denen
die Halbleiterscheiben, in der Regel horizontal liegend, in Einzelscheibenkammern
gereinigt werden. Die Chemikalien werden über Dispenser,
Sprüher oder Düsen auf die Oberfläche
verteilt, und die Reinigung und Trocknung wird durch eine schnelle
Rotation der Halbleiterscheiben unterstützt. Bei solchen
Anlagen kann zumindest prinzipiell die gesamte Oberfläche
der Halbleiterscheibe ohne Abschattungen behandelt werden, wobei
eine Greifung zum Halten bei der Rotation noch notwendig ist. Auch
eine gleichwertige Behandlung der Vorder- und Rückseite
der Halbleiterscheibe stellt sich in der Praxis schwierig dar. Problematisch
sind zusätzlich die geringen Durchsätze, die sich
für die besonders anspruchsvollen Anforderungen an die
Reinigung einer unprozessierten Halbleiterscheibe aus den notwendigen
minimalen Prozesszeiten ergeben, und auch die schwierige Übertragung
auf größere Scheibendurchmesser aufgrund der zunehmenden
Fliehkräfte bei der Rotation.
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Es
sind auch Reinigungsverfahren bekannt, bei denen die Halbleiterscheiben
horizontal liegend mittels einer Wasserkissentransportvorrichtung
von einer Reinigungsstation zur nächsten bzw. am Ende zu
einer Trocknungsstation transportiert werden. Beide Flächen
der Halbleiterscheiben werden beispielsweise durch Rollen oder Bürsten
gereinigt. Derartige Verfahren sind beispielsweise in
US5899216 oder
US6213853B1 offenbart. Da
diese Verfahren die Partikelkontamination nicht auf ein akzeptables
Maß drücken können, werden sie in der
Regel, wie in den beiden Dokumenten beschrieben, ausschließlich
unmittelbar nach der Politur eingesetzt, nicht jedoch als Endreinigung.
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EP817246A2 offenbart
ein Reinigungsverfahren, bei dem eine Halbleiterscheibe liegend
einzeln durch einen Flüssigkeitsbehälter transportiert wird.
Der Flüssigkeitsbehälter weist zwei in gegenüberliegenden
Seitenwänden unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
angebrachte Schlitze auf, durch die die Halbleiterscheiben in den
Flüssigkeitsbehälter hinein bzw. aus dem Flüssigkeitsbehälter
heraus transportiert werden. Die Flüssigkeit wird beispielsweise durch
einen im Flüssigkeitsbehälter herrschenden Unterdruck
daran gehindert, durch die Schlitze abzufließen. Vorzugsweise
werden die Halbleiterscheiben beim Verlassen des Flüssigkeitsbehälters
getrocknet. Es hat sich gezeigt, dass auch dieses Verfahren die
Anzahl der an den Halbleiterscheiben haftenden Partikel nicht ausreichend
reduzieren kann.
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Prinzipiell
wäre es denkbar, die Reinigungsleistung bei allen bekannten
Reinigungsverfahren dadurch zu erhöhen, dass die Anzahl
der nacheinander durchgeführten Reinigungsschritte (z.
B. die Anzahl der Reinigungsbäder) erhöht wird.
Dies scheitert aber in der Praxis – insbesondere bei Halbleiterscheiben
mit einem großen Durchmesser von 300 mm oder mehr – daran,
dass die Flüssigkeitsbehälter entsprechend groß dimensioniert
sein müssen. Wird die Anzahl der Reinigungsbäder
erhöht, so beansprucht dies immer mehr Reinraumfläche,
was die Wirtschaftlichkeit stark beeinträchtigt.
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Aus
diesem Grund stellte sich die Aufgabe, ein Reinigungsverfahren bereitzustellen,
das die gestiegenen Anforderungen an die Partikelfreiheit der Halbleiterscheiben
erfüllt, ohne die Kosten für die Reinigung in
die Höhe zu treiben.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 sowie durch eine für dieses Verfahren einsetzbare Vorrichtung
gemäß Anspruch 9.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
einen horizontalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung für die nasschemische Behandlung von Halbleiterscheiben.
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2 zeigt
einen vertikalen Schnitt in Längsrichtung durch einen Teil
der Vorrichtung aus 1.
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3 zeigt
einen horizontalen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
für eine Vorrichtung zur nasschemischen Behandlung von
Halbleiterscheiben, in der mehrere erfindungsgemäße
Vorrichtungen nacheinander geschaltet sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens
einen Flüssigkeitsbehälter 11, der mit
einer Flüssigkeit 9 gefüllt werden kann.
Abhängig von der Art des Reinigungsschritts und der erforderlichen Reinigungsleistung
kann eine beliebige Zahl von Flüssigkeitsbehältern
vorgesehen werden, wobei eine zu große Zahl zu Lasten der
Wirtschaftlichkeit geht und keine nennenswerte Verbesserung der
Reinigungsleistung mit sich bringt. Die Anzahl der gleichartigen
Flüssigkeitsbehälter 1 beträgt
vorzugsweise mindestens zwei und höchstens zehn, besonders
bevorzugt sind vier bis acht gleichartige Flüssigkeitsbehälter 1.
(Die Flüssigkeitsbehälter haben in den Figuren
allgemein das Bezugszeichen 1, wobei der erste Flüssigkeitsbehälter
mit 11, der zweite mit 12 usw. bezeichnet wird.)
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Jeder
Flüssigkeitsbehälter 1 weist eine Eingangs- 31 und
eine Ausgangsöffnung 32 auf, die in zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden angebracht sind. Die Öffnungen 31, 32 sind
so dimensioniert, dass die zu behandelnden Halbleiterscheiben 5 durch
die Öffnungen 31, 32 in den bzw. aus
dem Flüssigkeitsbehälter 1 transportiert
werden können. Bei der erfindungsgemäßen
Benutzung der Vorrichtung liegen die Öffnungen 31, 32 unterhalb
des Spiegels der Flüssigkeit 9, die sich in dem
Flüssigkeitsbehälter 1 befindet. Die
Flüssigkeitsbehälter 1 können entweder
vollständig oder nur teilweise mit der Flüssigkeit 9 gefüllt
sein.
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Die
Flüssigkeitsbehälter 1 sind entlang eines Transportwegs
angeordnet, auf dem die Halbleiterscheiben 5 durch die
Vorrichtung transportiert werden. Der Transportweg muss nicht unbedingt
eine gerade Strecke sein, er kann generell oder an bestimmten Stellen
gekrümmt sein. Der Transportweg wird durch die Flüssigkeitsbehälter 1 und
die vor dem ersten Flüssigkeitsbehälter, zwischen
jeweils zwei Flüssigkeitsbehältern und nach dem
letzten Flüssigkeitsbehälter befindlichen Transportvorrichtungen 2 definiert.
Die Nummerierung der Flüssigkeitsbehälter 1 (erster 11,
zweiter 12, etc.) und die Begriffe „vor” und „nach” sind
lediglich von der zeitlichen Abfolge abgeleitet, in der die Halbleiterscheiben 5 durch
die einzelnen Flüssigkeitsbehälter 1 transportiert
werden, die Begriffe „vor” und „nach” werden
aber für die Beschreibung einer räumlichen Anordnung
verwendet.
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Zwischen
jeweils zwei Flüssigkeitsbehältern 1 sowie
vor dem ersten und nach dem letzten Flüssigkeitsbehälter
befindet sich jeweils eine Transportvorrichtung 2. (Die
Transportvorrichtungen haben in den Figuren allgemein das Bezugszeichen 2,
wobei die erste Transportvorrichtung mit 21, die zweite
mit 22 usw. bezeichnet wird.) Diese sind so angeordnet, dass
sie die Halbleiterscheibe 5 zu den jeweiligen Eingangsöffnungen 31 in
den Flüssigkeitsbehältern 1 und durch
diese in die Flüssigkeitsbehälter 1 transportieren
sowie die Halbleiterscheibe 5 jeweils an den Ausgangsöffnungen 32 übernehmen,
durch diese aus dem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter 1 heraus und
von diesem weg transportieren können.
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Die
senkrecht zur Transportrichtung 81 der Halbleiterscheibe 5 gemessene
Breite eines jeden Flüssigkeitsbehälters 1 ist
größer als seine in Transportrichtung 81 gemessene
Länge. Insbesondere sind die Flüssigkeitsbehälter 1 so
dimensioniert, dass deren Breite größer ist als
die Breite der darin zu behandelnden Halbleiterscheibe 5,
sodass eine Halbleiterscheibe 5 der Breite nach in den
Flüssigkeitsbehältern 1 Platz findet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist aber andererseits, dass
die Länge der Flüssigkeitsbehälter 1 in
Transportrichtung 81 der Halbleiterscheibe 5 kleiner
ist als die Länge der Halbleiterscheibe 5, sodass
sich eine Halbleiterscheibe 5 in Richtung ihrer Länge
nie ganz innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 1 befinden
kann. Falls die Halbleiterscheiben 5 im Wesentlichen rund
sind, sind „Länge” und „Breite” der
Halbleiterscheiben 5 jeweils mit ihrem Durchmesser gleichzusetzen.
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Diese
erfindungsgemäßen Größenverhältnisse
ermöglichen es, auf innerhalb der Flüssigkeitsbehälter 1 angeordnete
Führungselemente zu verzichten, da eine Halbleiterscheibe 5,
die durch einen der Flüssigkeitsbehälter 1 transportiert
wird, zu jedem Zeitpunkt von wenigstens einer der beiden an den
betreffenden Flüssigkeitsbehälter 1 angrenzenden
Transportvorrichtungen 2 gehalten und weitertransportiert
werden kann.
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Die
vorgehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung
wird für das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch 1 benutzt.
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Dabei
wird eine Halbleiterscheibe 5 entlang einer Transportrichtung 81 durch
Transportvorrichtungen 2 durch wenigstens einen Flüssigkeitsbehälter 1,
vorzugsweise aber nacheinander durch wenigstens zwei Flüssigkeitsbehälter 1 transportiert,
die mit der gleichen Flüssigkeit 9 gefüllt
sind. Es können jedoch auch mehrere Flüssigkeitsbehälter 1 nacheinander
durchlaufen werden, die mit unterschiedlichen Flüssigkeiten 9 gefüllt
sind.
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Zu
Beginn wird die Halbleiterscheibe 5 beispielsweise aus
einer Kassette entnommen und auf der ersten Transportvorrichtung 21 platziert.
Dies erfolgt vorzugsweise automatisch durch einen Roboter. Sie wird
anschließend durch die erste Transportvorrichtung 21 senkrecht
zur Transportrichtung 81 fixiert und in Transportrichtung 81 zur
Eingangsöffnung 31 des ersten Flüssigkeitsbehälters 11 und
durch diese hindurch in den ersten Flüssigkeitsbehälter 11 transportiert.
Während sie von der Eingangsöffnung 31 zur Ausgangsöffnung 32 durch
den ersten Flüssigkeitsbehälter 11 hindurch
transportiert wird, kommt der innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 11 befindliche
Teil der Halbleiterscheibe 5 ausschließlich mit
der Flüssigkeit 9 in Kontakt, da in dem Flüssigkeitsbehälter 11 keine
Führungselemente vorhanden sind, die die Halbleiterscheibe 5 abstützen
und somit stellenweise von der Flüssigkeit 9 abschirmen
würden. Dies wird dadurch möglich, dass der Flüssigkeitsbehälter 11 in Transportrichtung 81 gesehen
kleiner ist als die Halbleiterscheibe 5, sodass die Halbleiterscheibe 5 während
ihres Transports durch den Flüssigkeitsbehälter 11 zu
jedem Zeitpunkt durch die erste 21 oder zweite Transportvorrichtung 22 oder
durch beide senkrecht zur Transportrichtung 81 fixiert
und gleichzeitig in Transportrichtung 81 weitertransportiert
werden kann.
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Während
die Halbleiterscheibe 5 durch den ersten Flüssigkeitsbehälter 11 transportiert
wird, wird sie bereits von der zweiten Transportvorrichtung 22 übernommen,
so lange sie noch mit der ersten Transportvorrichtung 21 in
Kontakt ist. Die zweite, auf der gegenüberliegenden Seite
des ersten Flüssigkeitsbehälters 11 befindliche
Transportvorrichtung 22 fixiert die Halbleiterscheibe 5 wiederum
senkrecht zur Transportrichtung 81 und transportiert sie
in Transportrichtung 81 von der Ausgangsöffnung 32 des
ersten Flüssigkeitsbehälters 11 weg.
Ist ein zweiter Flüssigkeitsbehälter 12 vorhanden,
so transportiert sie die Halbleiterscheibe 5 zur Eingangsöffnung 31 des zweiten
Flüssigkeitsbehälters 12 und durch diese hindurch
in den zweiten Flüssigkeitsbehälter 12.
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Während
des Transports durch einen (vorzugsweise vorhandenen) zweiten Flüssigkeitsbehälter 12 wird
die Halbleiterscheibe 5 in der selben Art und Weise von
der zweiten 22 an die dritte Transportvorrichtung 23 übergeben.
Sie kommt auch im zweiten Flüssigkeitsbehälter 12 mit
keinerlei Führungselementen in Kontakt. Nach Übernahme
durch die dritte Transportvorrichtung 23 wird sie durch
diese senkrecht zur Transportrichtung 81 fixiert und in
Transportrichtung 81 von der Ausgangsöffnung 32 des
zweiten Flüssigkeitsbehälters 12 wegtransportiert.
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Werden
mehr als zwei Flüssigkeitsbehälter 1 hintereinander
geschaltet, gilt entsprechendes auch für die weiteren Flüssigkeitsbehälter
bzw. den Transport von einem zum nächsten Flüssigkeitsbehälter.
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Die
Flüssigkeit im zweiten Flüssigkeitsbehälter
ist stets weniger mit Partikeln verunreinigt als die im ersten Flüssigkeitsbehälter.
In jedem weiteren Flüssigkeitsbehälter sinkt die
Partikelkonzentration weiter ab. Durch das Hintereinanderschalten
mindestens zweier gleichartiger Reinigungsschritte, die in zwei
getrennten Flüssigkeitsbehältern ablaufen, kann
daher die Reinigungswirkung gegenüber dem in
EP817246A2 beschriebenen
Reinigungsverfahren bei einer insgesamt unveränderten Prozessdauer deutlich
verbessert werden. Das Hintereinanderschalten mehrerer mit der gleichen
Flüssigkeit gefüllter Flüssigkeitsbehälter – ohne
die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nennenswert zu beeinträchtigen – wird
erst durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung ermöglicht,
da aufgrund der geringen Länge der einzelnen Flüssigkeitsbehälter
der Platzbedarf insgesamt nicht oder nur unwesentlich ansteigt.
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Gleichzeitig
ermöglicht es die geringe Länge der einzelnen
Flüssigkeitsbehälter, die Halbleiterscheiben ohne
Führungselemente innerhalb der Flüssigkeitsbehälter
zu transportieren. Da die Halbleiterscheiben einzeln behandelt und
zudem innerhalb der Flüssigkeitsbehälter nicht
durch Führungs- oder Haltevorrichtungen abgeschirmt werden,
erhöht sich die Reinigungseffizienz nochmals – ohne
die Behandlungsdauer oder den Platzbedarf zu erhöhen. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich
betrieben werden, was sich positiv auf den Durchsatz auswirkt.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben. Diese Ausführungsformen beziehen sich gleichermaßen
auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Verfahren.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die Halbleiterscheibe 5 in
im Wesentlichen horizontaler Lage transportiert. In diesem Fall
sind die Ein- 31 und Ausgangsöffnungen 32 im
wesentlichen horizontal angeordnete Schlitze, deren Höhe vorzugsweise
geringfügig größer ist als die Dicke
der Halbleiterscheibe 5 und deren Länge geringfügig
größer ist als die Breite der Halbleiterscheibe 5.
Der horizontale Transport ermöglicht eine sehr schnelle
Bewegung von einem Flüssigkeitsbehälter zum nächsten,
und zwar unabhängig vom Durchmesser der Halbleiterscheibe.
Zudem lässt sich das in der zweiten Ausführungsform
beschriebene Auslaufen von Flüssigkeit bei einer horizontalen
Anordnung der Öffnungen besser kontrollieren. Bei einer
vertikalen Anordnung der Öffnungen würde aufgrund
des Druckunterschieds an deren unterem Ende mehr Flüssigkeit
auslaufen als an deren oberem Ende.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die Flüssigkeitsbehälter 1 derart
gestaltet, dass Flüssigkeit 9 aus den Flüssigkeitsbehältern 1 durch
die Ein- 31 und Ausgangsöffnungen 32 abfließt.
Sie kann in diesem Fall für jeden Flüssigkeitsbehälter 1 getrennt
gesammelt, filtriert und wieder in den betreffenden Flüssigkeitsbehälter 1 zurückgeführt
werden. 2 stellt schematisch für
jeden Flüssigkeitsbehälter 1 eine zugehörige
Auffangwanne 64 dar, die die aus dem Flüssigkeitsbehälter 1 ablaufende
Flüssigkeit 9 auffängt. Von der Auffangwanne 64 kann
die Flüssigkeit 9 in einen Vorratsbehälter 61 geleitet
und über eine Pumpe 62 und einen Filter 63 wieder
in den Flüssigkeitsbehälter 1 zurückgeführt werden.
Durch die Filtration und Rückführung kann die
Partikelkonzentration für eine lange Zeit auf einem niedrigen
Niveau gehalten werden. Die getrennte Sammlung, Filtration und Rückführung
ist vorteilhaft, da sich auf diese Weise in den letzten von den Halbleiterscheiben
durchlaufenen Flüssigkeitsbehältern eine besonders
niedrige Partikelkonzentration aufrecht erhalten lässt.
So kann die Nutzungsdauer einer Flüssigkeitsfüllung
verlängert werden, bis ein erneuter Komplettaustausch der
Flüssigkeit 9 erfolgt, ohne das Reinigungsergebnis
zu verschlechtern. Umgekehrt kann bei gleichen Zeitintervallen für
den Komplettaustausch das Reinigungsergebnis verbessert werden.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform kann einer der
Flüssigkeitsbehälter 1 oder mehrere oder
alle Flüssigkeitsbehälter 1 mit Hilfsmitteln ausgestattet
sein, die die Reinigungswirkung verbessern.
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Die
Strömungsrichtung innerhalb der Flüssigkeitsbehälter 1 ist
vorzugsweise entgegengesetzt zur Transportrichtung 81,
um der Verschleppung von Partikeln zum nächsten Flüssigkeitsbehälter 1 entgegenzuwirken.
Dies kann durch entsprechend ausgerichtete Düsen innerhalb
der Flüssigkeitsbehälter 1 erreicht werden,
die eine der Transportrichtung 81 entgegen gerichtete Strömung
erzeugen. Wird das Verfahren – wie in der zweiten Ausführungsform
beschrieben – so durchgeführt, dass Flüssigkeit 9 durch die
Eingangs- 31 und Ausgangsöffnungen 32 aus den
Flüssigkeitsbehältern 1 abfließt,
so ist in diesem Fall die pro Zeiteinheit aus den Eingangsöffnungen 31 entweichende
Menge der Flüssigkeit 9 größer
als die entsprechende aus den Ausgangsöffnungen 32 entweichende
Menge.
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Die
Flüssigkeitsbehälter 1 können
auch Vorrichtungen 35 zum Einbringen von Megaschall enthalten,
sog. Transducer. Megaschall unterstützt ebenfalls die Reinigungswirkung.
Vorzugsweise wird ein Winkel von 90 bis 170° zwischen Transportrichtung 81 und
Megaschallfortbewegungsrichtung eingestellt, um der Verschleppung
von Partikeln in Transportrichtung 81 der Halbleiterscheibe 5 entgegenzuwirken.
Bei einem Winkel von 90° breitet sich der Megaschall senkrecht
zur Transportrichtung 81 aus, bei einem Winkel von 170° weitgehend
entgegengesetzt zur Transportrichtung 81, wobei immer noch
eine geringe Komponente senkrecht zur Transportrichtung 81 und
damit senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterscheibe 5 vorhanden
ist.
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Eine
weitere Variante sieht das Erzeugen und Einbringen von Gasblasen
unterschiedlicher Größe und Dichte in die Flüssigkeitsbehälter
vor. Dies kann mit Hilfe von Pumpen, die Flüssigkeit und Gas
durchmischen oder von sogenannten Micro-Bubblern geschehen. Eine
Bewegung der Blasen entgegen der Transportrichtung der Halbleiterscheibe
ist vorteilhaft.
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Weiterhin
ist eine Einstellung der in der Flüssigkeit gelösten
Gasmenge innerhalb der Flüssigkeitsbehälter vorteilhaft,
wozu Einrichtungen zum gezielten Einleiten von Gasen (beispielsweise
Sauerstoff oder Stickstoff) oder zum gezielten Entgasen verwendet
werden können.
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Alle
in der dritten Ausführungsform genannten Maßnahmen
zur weiteren Verbesserung der Reinigungswirkung können
für die Vorder- oder die Rückseite der Halbleiterscheiben
ergriffen werden, besonders bevorzugt aber für beide Seiten.
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Die
vierte bevorzugte Ausführungsform betrifft die Transportvorrichtungen 2.
Für den Transport zwischen den einzelnen Flüssigkeitsbehältern 1 können
verschiedene Ansätze gewählt werden. Vorzugsweise
werden dafür Transportrollen aus einem geeigneten Material
(z. B. Polyvinylalkohol, PVA) verwendet, welche, bevorzugt im feuchten
Zustand, die Halbleiterscheibe 5 beidseitig leicht drücken
und mit Hilfe eines Motors in die Transportrichtung 81 weiter bewegen.
Die einzelnen Flüssigkeitsbehälter 1 werden
bei dieser Ausführungsform vorzugsweise weniger als halb
so lang wie die Halbleiterscheibe 5 dimensioniert, damit
einzelne Rollenpaare (eine Rolle über, die andere unterhalb
der Halbleiterscheibe 5) zwischen den Flüssigkeitsbehältern 1 ausreichend sind,
um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Unterstützung der
Halbleiterscheibe 5 und dadurch einen kontaktlosen Transport
der Halbleiterscheibe 5 innerhalb der Flüssigkeitsbehälter 1 zu
ermöglichen. Diese Ausführungsform ist in 2 beispielhaft
dargestellt. Eine Transportvorrichtung 2 kann auch aus zwei
oder mehr Rollenpaaren bestehen, vorzugsweise wird jedoch jeweils
genau ein Rollenpaar zwischen jeweils zwei Flüssigkeitsbehältern 1 eingesetzt.
Mindestens eine Rolle einer jeden Transportvorrichtung muss durch
einen Motor angetrieben werden, um die Halbleiterscheibe transportieren
zu können. Die anderen Rollen der Transportvorrichtung können
entweder ebenfalls durch einen Motor angetrieben werden und die
Halbleiterscheibe aktiv transportieren oder sie können
nicht angetrieben werden und die Halbleiterscheibe lediglich senkrecht
zur Transportrichtung fixieren.
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Alternativ
zu den Rollen können andere Transportmechanismen verwendet
werden. So können die Halbleiterscheiben auch durch mechanische Greifer
zu beiden Seiten der Flüssigkeitsbehälter weitergereicht
werden. Auch ein Transport über Wasserkissen ist möglich,
bei dem die Halbleiterscheiben zwischen den Flüssigkeitsbehältern
auf einen Flüssigkeitsfilm liegen und mit Hilfe von Düsen
vorangetrieben werden.
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Nach
der Behandlung der Halbleiterscheibe im letzten Flüssigkeitsbehälter
wird diese vorzugsweise berührungslos oder wenigstens mit
möglichst geringer Kontaktfläche entnommen. So
kann die Halbleiterscheibe z. B. mit Hilfe eines sogenannten Ultraschallgreifers
entnommen werden, mit dessen Hilfe die Halbleiterscheibe kontaktlos
schwebt.
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Alle
beschriebenen Arten von Transportvorrichtungen können mit
konstanter oder variabler Geschwindigkeit betrieben werden. Die
Halbleiterscheiben werden vorzugsweise mit geringem Abstand unmittelbar
hintereinander transportiert.
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Gemäß einer
fünften bevorzugten Ausführungsform wird die beim
Verlassen eines Flüssigkeitsbehälters auf der
Halbleiterscheibe verbleibende Flüssigkeitsmenge gesteuert.
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Gemäß dem
Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in der Regel nass transportiert,
nachdem sie ein Reinigungsbad passiert haben. Gelegentlich lässt
sich nicht vermeiden, dass die Halbleiterscheiben lokal trocknen.
Wenn beispielsweise eine Halbleiterscheibe mit großem Durchmesser
vertikal aus einem Reinigungsbad entnommen wird, kann ein Ablaufen
der Flüssigkeit und ein zumindest lokales Trocknen der
Scheibenoberfläche nicht vermieden werden.
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Es
ist alternativ möglich, die Scheiben gezielt zu trocknen
(wie in
EP817246A2 beschrieben).
Zum Teil erfolgt auch eine gezielte Trocknung durch langsames Herausziehen
aus dem Reinigungsbad.
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Dagegen
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei hydrophilen Halbleiterscheiben
ein Trocknen der Oberfläche vorzugsweise vermieden. Dies
ermöglicht nicht nur, auf einen separaten Trocknungsschritt
zu verzichten und damit die Prozessdauer zu verkürzen und
den Flächenbedarf zu reduzieren, sondern schützt
die Oberfläche auch gegen eine stärkere Haftung
der Partikel. Wenn dafür gesorgt wird, dass die Halbleiterscheiben
auf dem Weg von einem Flüssigkeitsbehälter zum
nächsten nicht trocknen, haften die noch auf der Oberfläche
vorhandenen Partikel nicht so stark und können im nächsten Flüssigkeitsbehälter
leichter entfernt werden, was die Reinigungseffizienz nochmals erhöht.
Auf der anderen Seite ist es nicht wünschenswert, mit der
Halbleiterscheibe zu viel Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsbehälter
zum nächsten zu transportieren, da dadurch die Flüssigkeit
im nächsten Flüssigkeitsbehälter verstärkt
verunreinigt würde.
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Um
zu vermeiden, dass die Oberfläche der Halbleiterscheibe
trocknet, wird vorzugsweise die Zeit begrenzt, die für
den Transport von einem Flüssigkeitsbehälter zum
nächsten benötigt wird. So ist es bevorzugt, dass
die Zeit, während der sich ein Punkt auf der Oberfläche
der Halbleiterscheibe zwischen dem ersten und zweiten Flüssigkeitsbehälter befindet,
kürzer als die Zeit, während der sich die Halbleiterscheibe
im ersten Flüssigkeitsbehälter befindet und kürzer
als die Zeit, während der sich die Halbleiterscheibe im
zweiten Flüssigkeitsbehälter befindet, ist. Dies
ist durch einen entsprechend kurzen Transportweg, d. h. durch einen
geringen Abstand zwischen den einzelnen Flüssigkeitsbehältern
zu erreichen, was sich ebenfalls positiv auf die Gesamt-Prozessdauer
und den Flächenbedarf auswirkt. Außerdem verringert
sich dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Halbleiterscheibe
während des Transports wieder mit Partikeln verunreinigt
wird.
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Da
die Halbleiterscheibe vorzugsweise horizontal transportiert wird,
kann die Dicke der auf einer hydrophilen Oberfläche verbleibenden
Flüssigkeitsschicht wesentlich besser eingestellt werden
als bei einem Reinigungsbad, aus dem die Halbleiterscheibe vertikal
entnommen wird und die Flüssigkeit nach unten abläuft.
Vorzugsweise verbleibt beim Austritt einer Halbleiterscheibe mit
hydrophiler Oberfläche aus einem Flüssigkeitsbehälter
ein Flüssigkeitsfilm mit definierter Dicke auf der gesamten
Fläche der Halbleiterscheibe. Dies kann einerseits durch
die Länge der Zeit erreicht werden, während der
sich die Halbleiterscheibe zwischen den Flüssigkeitsbehältern
befindet. Vorzugsweise wird die Dicke des Flüssigkeitsfilms
jedoch durch zusätzliche Hilfsmittel eingestellt. Beispielsweise
kann überschüssige Flüssigkeit mit einem
Kamm, einer Lippe oder Rollen von der Oberfläche der Halbleiterscheibe
abgestreift werden oder durch einen gezielt auf die Oberfläche
gerichteten Gasstrom entfernt werden.
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Vorzugsweise
wird eine Halbleiterscheibe mit hydrophiler Oberfläche
erst getrocknet, wenn sie alle Flüssigkeitsbehälter
passiert hat.
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Hydrophobe
Halbleiterscheiben sind nach dem Verlassen eines Flüssigkeitsbehälters
vorzugsweise bereits trocken und können in diesem Zustand Partikel
anziehen. Kurze Zeiten beim Transport zwischen hydrophoben Bädern
(beispielsweise Flusssäure, HF) oder bis zum nächsten
hydrophilierenden Bad (beispielsweise Wasser mit gelöstem
Ozon) sind deshalb vorteilhaft, und können mit der beschriebenen
Vorrichtung vorteilhaft optimiert werden. Bezüglich der
Transportzeiten gilt analog das oben für hydrophile Halbleiterscheiben
beschriebene. Vorzugsweise verbleiben beim Verlassen eines Flüssigkeitsbehälters
keine Tropfen auf der hydrophoben Oberfläche. Dies kann
wiederum beispielsweise mit einem gezielt auf die Oberfläche
gerichteten Gasstrom erreicht werden.
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Die
Erfindung kann auf alle Arten von Halbleiterscheiben angewandt werden,
auf multi- oder polykristalline Halbleiterscheiben (die beispielsweise
für Photovoltaik-Anwendungen verwendet werden) ebenso wie
auf monokristalline Halbleiterscheiben (beispielsweise für
die Mikroelektronik). Die Halbleiterscheiben können aus
beliebigen Halbleitermaterialien bestehen, wie Element- oder Verbindungshalbleiter.
Die größte Bedeutung hat nach wie vor Silicium.
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Die
Erfindung kann auf alle denkbaren Arten von nasschemischen Behandlungen
angewandt werden, beispielsweise auf Ätzbehandlungen, vorzugsweise
jedoch auf Reinigungsbehandlungen. Die Erfindung ist unabhängig
davon, welche Arten von Flüssigkeiten dabei zum Einsatz
kommen. Beispielsweise können folgende Reinigungsflüssigkeiten
verwendet werden: Wässrige Lösungen von Ammoniak (NH4OH) und Wasserstoffperoxid (H2O2), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und
Wasserstoffperoxid (H2O2),
Salzsäure (HCl) und Wasserstoffperoxid (H2O2), Flusssäure (HF), Salzsäure
(HCl) oder Mischungen davon, ggf. in Kombination mit Ozon, entionisiertes
Wasser mit oder ohne gelöstem Ozon, Lösungen von
Tensiden, Komplexbildnern, Isopropanol oder beliebige andere Reinigungsflüssigkeiten
gemäß dem Stand der Technik.
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Vorzugsweise
wird die vorliegende Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zur nasschemischen Behandlung
von Halbleiterscheiben mehrfach eingesetzt, wie in 3 beispielhaft
dargestellt: Dabei bilden jeweils zwei oder mehr Flüssigkeitsbehälter 1, die
dieselbe Flüssigkeit enthalten, eine Behandlungseinheit 4.
Diese Behandlungseinheit 4 steht für einen Behandlungsschritt
in herkömmlichen Reinigungsverfahren gemäß dem
Stand der Technik. Für jeden Behandlungsschritt in einem
Verfahren zur nasschemischen Behandlung wird eine Behandlungseinheit 4 eingesetzt,
die eine geeignete Anzahl von Flüssigkeitsbehältern 1 und
eine entsprechende Anzahl von Transportvorrichtungen 2 umfasst.
Diese Behandlungseinheiten 4 werden in Reihe geschaltet und
beispielsweise durch weitere Transportvorrichtungen verbunden. Jede
Behandlungseinheit 4 arbeitet mit einer anderen Flüssigkeit,
wobei die Flüssigkeit in allen Flüssigkeitsbehältern 1 einer
Behandlungseinheit 4 gleich ist. In den Behandlungseinheiten 4 können
beispielsweise die zuvor genannten Reinigungsflüssigkeiten
verwendet werden. Zwischen den verschiedenen Behandlungseinheiten 4 können
sich nicht nur weitere Transportvorrichtungen befinden, sondern
auch andersartige Behandlungsvorrichtungen wie beispielsweise Bürsten-
oder Walzenreinigungseinheiten (engl. „scrubber”) 71.
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Bei
mehrfacher Anwendung der Erfindung in einem Behandlungsverfahren
wird die Halbleiterscheibe
5 vorzugsweise nur ganz am Ende
des Verfahrens in einer Trocknungsvorrichtung
77 getrocknet.
Beispielsweise kann dafür die in
EP817246A2 beschriebene Vorrichtung
eingesetzt werden. Beim Übergang von einer Behandlungseinheit
4 zur
nächsten findet dagegen vorzugsweise keine Trocknung statt.
Stattdessen werden vorzugsweise nach Durchgang der Halbleiterscheibe
durch den letzten Flüssigkeitsbehälter
1 einer
Behandlungseinheit
4 dieselben Maßnahmen ergriffen
wie oben im Rahmen der fünften Ausführungsform
für die einzelnen Flüssigkeitsbehälter
innerhalb einer Behandlungseinheit beschrieben. Am Beginn des Verfahrens
werden die Halbleiterscheiben
5 beispielsweise durch einen
Roboter
731 aus einer Kassette
751 entnommen,
die auf einer Halterung
741 fixiert ist, und an die erste Transportvorrichtung
2 übergeben.
Am Ende der Behandlung werden die Halbleiterscheiben vorzugsweise
im trockenen Zustand wiederum durch einen Roboter
732 übernommen
und in einer auf einer Halterung
742 fixierte Kassette
752 abgelegt.
Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, bieten
die Halterungen
741,
742 vorzugsweise jeweils
Platz für mindestens zwei Kassetten
751,
752.
Die Halbleiterscheiben werden, wie für die vierte Ausführungsform beschrieben,
mechanisch oder auf einer Wasserstraße oder einer Kombination
von beiden fortbewegt. Die Geschwindigkeit kann über die
gesamte Anlage konstant sein oder lokal variiert werden, um z. B.
das Verweilen in bestimmten Flüssigkeitsbehältern
zu verlängern oder zu verkürzen. Die Halbleiterscheiben werden
vorzugsweise unmittelbar hintereinander transportiert, wobei deren
Abstand konstant ist im Fall einer konstanten Geschwindigkeit und
variierend, wenn die Geschwindigkeit variiert. Die Einstellung wird
durch den takt-limitierenden Trocknungsschritt am Ende der nasschemischen
Behandlung bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5899216 [0006]
- - US 6213853 B1 [0006]
- - EP 817246 A2 [0007, 0026, 0043, 0052]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Handbook
of Silicon Wafer Cleaning Technology”, Ed. by K. A. Reinhardt
und W. Kern, 2nd Edition, 2008, Wiliam Andrew Inc. [0003]
- - ”Novel Integrated Single Wafer Immersion Megasonics
for Advanced Post CMP Cleaning in a Next Generation Dry-in Dry-out
CMP System”, J. Tang et al., 2000 DUMIC/CMP-MIC [0004]