DE2618022A1

DE2618022A1 - Verfahren zur fluessigkeitsbehandlung im rahmen der herstellung von integrierten halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2618022A1
Application number: DE19762618022
Authority: DE
Inventors: Roderuc Jermit Hood
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-24
Publication date: 1976-11-11
Also published as: JPS5931853B2; US3953265A; FR2312113B1; JPS51132972A; GB1490828A; FR2312113A1

Description

Böblingen, 21. April 1976
moe-pi

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Bu 973 014

Verfahren zur Flüssigkeitsbehandlung im Rahmen der Herstellung ; von integrierten Halbleiterschaltungen

; I

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flüssigkeitsbehandlung j

ider Oberfläche von Substraten bzw. Wafern im Rahmen der Herstel- j lung von hochintegrierten elektrischen Halbleiterschaltkreisen,

insbesondere zur Durchführung der Fotolithographie-Prozeßschritte. I

Die Erfindung befaßt sich ganz allgemein damit, Verfahren zur ! Verringerung des Verbrauchs von umweltschädigenden Flüssigkeiten
anzugeben, die bei der Herstellung integrierter Halbleiterschal- j tungen auf einer Halbleiterscheibe Verwendung finden, ohne daß _: bei der Produktion quantitativ oder qualitativ nachteilige Aus- _: Wirkungen auftreten. Insbesondere soll ein neues Verfahren zur , Handhabung korrosiver Flüssigkeiten angegeben werden, das gegenüber bisher bei der integrierten Schaltungsherstellung hochinte- : grierter Schaltungskonzepte benutzten Vorgehensweisen bedeutende
Vorteile hinsichtlich der Umwelteinflüsse sowie der ingenieursmäßi-i gen und wirtschaftlichen Aspekte mit sich bringt.

Es wurden bereits vielfältige Techniken zur Behandlung von in der
Halbleitertechnik benutzten Flüssigkeiten entwickelt. Nach dem
Stand der Technik auf diesem Gebiet werden Flüssigkeitsbehandlunger im allgemeinen in einem Gefäß durchgeführt oder in Form eines Sprays oder durch Auf- bzw. Verdampfen angewendet. Um beispielsweise eine
Halbleiterscheibe, im folgenden Wafer genannt, zu ätzen,
wird der Wafer im allgemeinen in ein Flußsäurebad eingetaucht

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- 2 oder das Ätzmittel aufgesprüht bzw. verdampft.

Jede dieser Behandlungsmethoden verwendet dabei überschußmengen an derartiger Flüssigkeit, wobei das durchaus einen Einfluß darauf hat, wie schnell der Behandlungsschritt mit diesen Flüssigkeiten abgeschlossen werden kann. Bei vielen Herstellungsschritten, z. B. beim Ätzen, liegt darin ein kritischer Faktor. Beispielsweise können wenige Sekunden, um die ein Wafer zu spät aus einem solchen Bad herausgenommen wird, ein sog. überätzen und damit eine Zerstörung des Wafers verursachen.

Normalerweise werden mehrere Wafer in einem Ätzbad behandelt, weshalb aufgrund der von Wafer zu Wafer möglicherweise unterschiedlichen Oxydschichtdicke einige Wafer eine Unterätzung und andere im Gegensatz dazu eine "Überätzung¹¹ erfahren. Diesem Gesichtspunkt soll die Erfindung Rechnung tragen.

Darüber hinaus können diese Verfahren zur Flüssigkeitsbehandlung zu einer Verunreinigung der Flüssigkeit führen, woraus dann wiederum eine Zerstörung der Wafer beim Herstellungsprozeß resultiert. Um beispielsweise eine Verunreinigung der außerordentlich kritischen Wafer-Oberfläche während der Eintauchätzung zu verhindern, sahen bisher benutzte Verfahren im allgemeinen den vollständigen Ersatz des Ätzbades vor, sobald eine neue Wafer-Schicht zu ätzen war. In gleicher Weise waren die bisherigen Eintauch- und Spay-Techniken im Rahmen anderer Herstellungsschritte verschwenderisch, z. B. beim Fotolack-Entwicklungs- und sog. Strip- bzw. Ablöse-Vorgang, da überschußmengen an Fotolackentwickler und Ablöseflüssigkeit dabei benutzt wurden.

Ätz- und andere Herstellungsschritte erforderten große Mengen sehr korrosiver Flüssigkeiten,*z. B. Flußsäure (HF), Schwefelsäure (H₂SO.) sowie andere umweltschädliche Flüssigkeiten, die besonders sorgfältig behandelt und ihrerseits wieder aufwendige Lagerungs- und Äufbewahrungsmaßnahmen erforderten. Darüber hinaus

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wurden bedeutende Mengen wertvoller Metalle, z. B. Gold, Platin und Iridium, beim Ätzschritt im Zuge der Halbleiterherstellung aufgelöst. Die überschußmengen an derartigen Flüssigkeiten wurden zwar zur Wiedergewinnung der wertvollen Metalle in beträchtlichem Maße wieder aufbereitet, eine Verringerung der anfallenden Überschußflüssigkeiten reduziert jedoch den damit verbundenen Aufwand beträchtlich.

Der Erfindung ist demzufolge darauf gerichtet, die insbesondere bei der integrierten Schaltungsherstellung auftretenden Anfangskosten der dabei benötigten chemischen Behandlungsstoffe sowie !die Investitionen zur Wiederaufbereitung der mit den Überschuß— mengen an Flüssigkeit zunächst einmal "verbrauchten" wertvollen Materialen deutlich zu senken.

Vom technischen Standpunkt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde 'die Menge der Behandlungsflüssigkeit im Rahmen der genannten Verfahren zu verringern. Insbesondere soll eine entsprechende Ausgestaltung eines Ätzverfahrens angegeben werden, bei dem die Ätzqualität durch eine präzisere Beendigung des Ätzprozesses verbessert ist. Ein solches Ätzverfahren soll den Einsatz von Licht reflektierenden bzw. anderen Einrichtungen zur Bestimmung des Ätzendes ermöglichen. Schließlich soll eine Vereinfachung hinsichtlich der zusammenhängenden Verfahrensschritte und dafür be— ,nötigten Werkzeuge betreffend die Fotolackentwicklung, das nachfolgende Ätzen sowie den anschließenden Abstreifprozeß der Fotolackschicht erzielt werden. Haupterfordernis bei allem ist jedoch stets die Verringerung der benötigten Menge an Behandlungsflüssigjkeit.

iZur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen vor. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die Erfindung beruht Im wesentlichen auf der überraschenden Feststellung, daß eine erfolgreiche Behandlung einer Wafer-Oberfläche, Insbesondere ein erfolgreicher Ätzschritt, vorgenommen werden kann, indem man eine kleine Menge einer statischen Flüssigkeit auf einem horizontal gehalterten Halbleiter-Wafer aufbringt, wobei diese Flüssigkeit durch Oberflächenspannung in einer meniskusförmigen Ballung bzw. Randform auf dem zu behandelnden Körper einschließlich der an die Oberfläche angrenzenden Ecken vorliegt. Es wurde gefunden, daß diese meniskusförmig begrenzte Flüssigkeitsmenge den chemischen Ätzvorgang leistet, ohne daß die früher zur Beseitigung der Gasblasen auf der mikroskopisch feinen zu ätzenden jOberfläche für erforderlich gehaltene (Umrtihr-) Bewegung vorge- !sehen ist. Die sich einstellende meniskusförmlge Flüssigkeitsgrenze wird durch die scharfen Wafer-Ecken noch unterstützt, die jmlt der Oberflächenspannung der Flüssigkeit so zusammenwirken, daß ein relativ großer Flüssigkeitsvolumenbereich zugelassen wird, den man auf die Wafer-Oberfläche zur Benetzung der gesamten Oberfläche aufgießen kann, und der dennoch nicht über die Wafer-Ecken abfließt. Es wurde beispielsweise gefunden, daß diese Bedingungen erfüllt werden mit nur 12 bis 22 ecm gepufferter Flußsäure auf einem Wafer mit etwa 2,5 cm Durchmesser, ohne daß trotz völliger Oberflächenbedeckung etwas von der Flüssigkeit über die Ecken bzw. Randbereiche des Wafers abläuft. In diesem Zusammenhang wurde ferner gefunden, daß Benetzungsmittel einen gewissen Einfluß auf die Volumengrenzen ausüben können.

Im Zusammenhang mit dem besonderen Anwendungsgebiet der Erfindung bei den Verfahrensschritten der Fotolackentwicklung, Ätzung sowie dem Ablösen des Fotolacks konnte eine Verminderung der dabei benutzten Behandlungsstoffe, wie Flußsäure, Schwefelsäure, Kalilauge usw., auf etwa 1/10 der früher dafür erforderlichen Mengen erreicht werden, wobei sogar die Produktionsqualität noch gesteigert werden konnte. Für die Ätzung einer Fotolackschicht auf einem etwa 9 cm im Durchmesser betragenden Wafer kam man im Rahmen der Erfindung mit nur 12 ecm gepufferter Flußsäurelösung aus, um

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einen Flüssigkeitsfilm von 2,2 mm Dicke auszubilden, während frühere Eintauchätzungen dafür etwa 150 ecm Ätzflüssigkeit benöjtigten. Dieselbe relative Einsparung konnte auch beim Lösungsmitte] zum Ablösen des Fotolacks bzw. für den Fotolackentwickler beobachtet werden.

Die Erfindung stellt somit den zur Zeit besten Kompromiß hinsichtlich der Ätzflüssigkeitsmenge im Vergleich zur Menge, der Geschwindigkeit sowie der Qualität und der Quantität der geätzten Struktur dar. Experimente haben ergeben, daß die Präzision und Gleichförmigkeit geätzter Linien hinsichtlich Tiefe und Breite über die Wafer-Oberfläche gleich - wenn nicht sogar besser - ist als die besten Ergebnisse die man mit dem Eintauchätzen erzielen konnte, wobei nach der Erfindung demgegenüber mit nur einem Zehntel der Menge Behandlungsflüssigkeit ausgekommen werden konnte. Es wurden keine nachteiligen Nebeneffekte beobachtet, wie man sie nach den dem kontventionellen Ätzen zugrunde liegenden theoretischen Betrachtungen erwarten könnte, z. B. herrührend von dem völligen Wegfall irgendeiner Bewegung der Ätzflüssigkeit an der Ober-

jflache des Wafers, wodurch etwaige Lufteinschlüsse an der Ober-I fläche haften bleiben könnten usw.

Mit der vorliegenden Erfindung wird schließlich weitgehend die Wafer-Prozessierung an einem einzigen Arbeitsplatz ermöglicht, indem im Zuge der Herstellung mehr Verfahrensschritte an diesem einzelnen Arbeitsplatz durchgeführt werden können als dies bisher der Fall war. So können die Schritte der Fotolack-Ablösung nach dem 'Ätzen, des Waschens und Trocknens vor der nächsten Schichtauf-¹ bringung sowie die Wiederholung dieser Schritte für jede aufzubringende Schicht an ein und derselben Stelle durchgeführt werden. Demzufolge ist die Erfindung in besonderer Weise anwendbar bei der automatisierten Produktion von Halbleiterschaltkreisen und !kann leicht an unterschiedliche Wafer-Größen angepaßt werden.

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Durch die Erfindung kann ein beträchtlicher Aufwand an Trans-Porteinrichtungen zwischen den verschiedenen ansonsten erforderlichen Arbeitsplätzen eingespart werden, weil jeweils Untergruppen von Verfahrensschritten am gleichen Platz lokalisiert sein können. Die Erfindung beseitigt ferner die Notwendigkeit einer Rückseitenabdeckung des Wafers, wie das bei den momentan benutzten Eintauchiund Aufdampfschritten erforderlich ist.

Nach einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der !Wafer auf einem horizontal gelagerten drehbaren Tisch, z. B. in der Form eines Zentrifugen- oder Vakuumansaugtisches aufgelegt, wobei die genannten Verfahrensschritte am nicht bewegten Wafer !durchgeführt werden. Wenn die sich meniskusförmig ausbildende begrenzte Flüssigkeitsmenge lange genug eingewirkt hat, wird die Flüssigkeit sehr schnell in der Weise entfernt, daß der Wafer plötzlich in Rotationsbewegung auf dem Antriebstisch gesetzt wird, so daß die Zentrifugalkraft die Behandlungsflüssigkeit von der Wafer-Oberfläche abschleudert. Um den Wafer dann abzuwaschen, können Wasser oder andere Reinigungsflüssigkeiten sowohl während der Drehung als auch im Stillstand auf die Wafer-Oberfläche aufgesprüht oder in anderer Weise aufgebracht werden.

Auf diese Weise können an einem einzelnen Herstellungsplatz die im folgenden zusammengestellten Verfahrensschritte durchgeführt werden:

1. Fotolackentwicklung bei unbewegtem Wafer mittels meniskusförmig begrenzter Behandlungsflüssigkeit;

2. Entwicklungsstopp und Wässern bei Drehbewegung; I 3. Trocknung (bei Drehung);

j 4. Härten (unbewegt);

5. Ätzen bei unbewegtem Wafer unter Einwirkung der sich meniskusförmig ausbildenden Ätzflüssigkeit;

6. Ätzungsstopp und Wässerung (bei Drehung);

7. Ablösen des Fotolacks unter Einwirkung der meniskus-

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förmig begrenzten entsprechenden Behandlungsflüssigkeit (unbewegt);

8. Ablösungsstopp und Reinigung (bei rotierendem Wafer);

9. Trocknen (bei Drehbewegung).

Das erfindungsgemäß ausgestaltete Verfahren hat sich als erfolgreich erwiesen bei zahlreichen Schichtbehandlungen mit unterschiedlichen Eigenschaften auf einem Siliciumwafer, z. B. hinsichtlich von Oxyd- und Polysilicium-Oberflachen, dotierten Oxyden, Nitrid, dünnem Oxyd, dickem Oxyd, Aluminium und aufgesputtertem Quarz.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fign. IA und IB zusammen den schematischen Aufbau eines Arbeitsplatzes zur Durchführung des erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahrens;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entlang der

Linie 2-2 in Fig. IA.

Die Erfindung basiert auf dem Einsatz einer meniskusförmig begrenzten Flüssigkeitsmenge, die auf die Oberfläche eines in Ruhe befindlichen Halbleiter-Wafers mit einer entwickelten oder unentwickelten Fotolackschicht aufgebracht ist. Der Wafer wird während dieses Schrittes waagerecht gelagert. Es gibt eine ganze Anzahl von wichtigen Einflußgrößen bei der Minimierung der erforderlichen Flüssigkeitsmenge, die zur Fotolackentwicklung, Ätzung und alkalischen Ablösung erforderlich ist. Unter diesen Einflußgrößen befinden sich die Temperatur, die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sowie der Anteil an Benetzungsmittel in der Flüssigkeit.

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Es wurde experimentell gefunden, daß bei einer gegebenen Flüssigkeit ein zur Bedeckung des Wafers erforderliches Minimalvolumen |als auch ein Maximalvolumen existiert, bei dessen Überschreitung ,die meniskusförmige Flüssigkeitsbegrenzung aufbricht und die ,Flüssigkeit über die Wafer-Ränder abfließt. Ein solcher "Überfluß" wäre technisch gesehen unnötige Verschwendung.

Der Anteil eines Benetzungsmittels hat einen bedeutsamen Einfluß sowohl auf das Minimal- als auch Maximalvolumen der meniskusförmig ,begrenzten Flüssigkeitsmenge auf einer gegebenen Wafer-Oberflache. Beispielsweise wurde ohne Zusatz eines Benetzungsmittels zur gepufferten Flußsäure als Ätzlösung auf einem etwa 9 cm im Durchmesser betragenden Wafer, der mit einer entwickelten Fotolackschicht auf der Oberfläche bedeckt war, ein Minimalvolumen von 23 ecm zur vollständigen Oberflächenbedeckung sowie ein überfließen bei einem Volumen von größer als 29 ecm beobachtet. Demnach bestand ein Bereich von 6 ecm zwischen den beiden einzuhaltenden Grenzen.

Wenn jedoch etwa 1 % eines im Handel erhältlichen Benetzungsmittels der gepufferten Flußsäure beigemengt war, war das Minimalvolumen auf 12 ecm und das Maxiamivolumen auf 14 ecm reduziert. Dadurch konnte demnach der Verbrauch an Ätzlösung durch Zusatz von nur 1 % Benetzungsmittel auf etwa 50 % gesenkt werden.

Dennoch hat sich ergeben, daß der Zusatz an Benetzungsmitteln nicht unbegrenzt gesteigert werden kann, um das benötigte Flüssigkeits-

jvolumen immer weiter zu reduzieren. Der Grund liegt darin, daß sich eine meniskusförmige Randbegrenzung nicht mehr einstellt, wenn der Anteil Benetzungsmittel einen bestimmten Wert für eine gegebene Flüssigkeit überschreitet, bei dem nämlich bereits Flüssigkeit über die Waferränder abfließt noch bevor die gesamte Wafer-Oberfläche bedeckt ist. In diesem Fall der nicht vollständigen Bedeckung kann ein schwerwiegender Produktfehler nicht mehr ausgeschlossen werden. Der Zusatz an Benetzungsmittel muß demnach

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so gewählt werden, daß für eine bestimmte Flüssigkeitsart noch genügend Oberflächenspannung zur meniskusförmigen Ausbildung der Randkurve der Flüssigkeit bei gleichzeitiger und vollständiger jOberflächenbedeckung verbleibt, und ohne daß Flüssigkeit über den 'Rand abfließt. Der optimale Anteil an Benetzungsmittel liegt etwas ,unterhalb dem Anteil, bei dem ein Bedeckungsfehler auftritt.

Es wurde weiterhin gefunden, daß in keinem Fall die Menge gepuf-

iferter Flußsäure in einer solchen meniskusförmig begrenzten Flüsjsigkeitsbedeckung zur Durchführung der geforderten Ätzwirkung .nicht ausreichend war. Experimente haben vielmehr ergeben, daß jdie zum Ätzen eines entwickelten Fotolackmusters auf einem etwa '8 bis 9 cm in Durchmesser betragenden Wafer erforderliche Menge desj Ätzmittels nur einen kleinen Bruchteil von etwa 1 ecm beträgt. In allen beobachteten Fällen war das angesichts des beigemengten Benetzungsmittels sich ergebende optimale Volumen erheblich größer als das für die Ätzmenge und Ätzrate erforderliche Volumen. Die Ätzrate ist im übrigen bestimmt durch die Konzentration des Ätzmittels und seine Temperatur, welche in der Regel Raumtemperatur oder etwas mehr beträgt. Solche Temperaturen werden typisch für verschiedene Oxydarten bei deren Ätzung verwendet.

Die in den Fign. IA und IB schematisch dargestellte apparative Einrichtung gestattet verschiedene Behandlungsschritte eines Silicium-Wafers 18 an einer einzelnen Behandlungsstation innerhalb einer Verfahrenskammer 10. Darunter fallen die Fotolackentwicklung, Ätzung, Ätzendeerfassung, Ätzmittelbeseitigung, Fotoilackablösung (stripping), Waschen und Trocknen. Danach kann der Wafer zu einer anderen Stelle zur Aufbringung eines nächsten Überzugs, z. B. einer weiteren Fotolackbehandlung, oder einer Belichtung transportiert werden, worauf anschließend der Wafer mit der neuen Schicht wieder an den ersten Behandlungsplatz transportiert werden kann. Dort können dann die bereits genannten Verfahrensschritte anhand der neuen Schicht wiederholt vorgenommen werden. Im Rahmen der Herstellung einer integrierten Halblei-

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terschaltung werden normalerweise etwa ein halbes Dutzend verschiedener Schichten aufgebracht, formgeätzt usw.

Wie in Fign. IA und IB gezeigt ist, wird ein Halbleiter-Wafer 18 auf drei Unterstützungstiften 12b auf einem Zentrifugal-Tisch 12 (chuck) in die Verfahrenskammer 10 eingebracht, so daß der Wafer darin horizontal gelagert ist. Ein Druckluftbehälter 17 steht über eine Schalteinrichtung 16 zur steuerbaren Einstellung der Rotationsbewegung der Welle 11 und des damit verbundenen Tisches 12 mit einem Motor 13 in Verbindung, über die Programmsteuerung 36 werden elektrische Signale auf die Leitung 16a gegeben, aufgrund derer die Schalteinrichtung 16 sehr schnell die Zufuhr von Druckluft zum Motor 13 anschalten oder abschalten kann. Der Druckluftmotor 13 startet mit sehr großer Beschleunigung. Ist die Schalteinrichtung 16 (z. B. ein Schieber) geschlossen, hört die Drehbewegung auf und der Wafer 18 bleibt statisch auf dem Zentrifugal-Tisch 12 zentriert liegen, wobei jeder der drei durch Zentrifugalkraft bewegbaren Arme 12a vom Wafer 18 einen Abstand G von etwa 1/2 cm infolge des Gegengewichts einhält. Dieser Abstand G reicht aus, um eine von den Armen 12a ausgehende Oberflächenanziehung oder andere Kraft auszuschließen, die die Ausbildung einer meniskusförmigen Randbegrenzung einer den Wafer 18 bedeckenden Flüssigkeit zur Folge haben könnte.

Der Zentrifugal-Tisch 12 ist im allgemeinen Y-förmig ausgebildet, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die drei Unterstützungsstifte 12b zur Unterstützung des Wafers 18 nach oben vorstehen. Die drei äußeren Enden des Zentrifugal-Tisches 12 sind als Lagerungen für die zentrifugalkraftbetätigten Anne 12a ausgebildet, die ihrerseits in ihrem unteren Teil unterhalb der Lagerung schwerer ausgebildet sind als oberhalb, so daß bei einer Rotation des Tisches 12 die unteren Armteile nach außen bewegt werden. Da dabei die oberen Armteile nach innen bewegt werden, wird der Wafer 18 in einer zentrierten Position auf dem sich drehenden Tisch 12 gehalten. Hört die Drehbewegung des Tisches 12 auf, stellt sich zwischen

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ι - 11 - j

j ,den Armen 12a der in der Zeichnung mit G bezeichnete Abstand zum ^!

'Wafer 18 ein.

Bei diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß vor der Behandlung des Wafers in der Verfahrenskammer IO eine konventionelle Fotolackschicht gleichmäßig auf die obere Oberfläche des Wafers 18 aufgebracht und konventionell gehärtet wurde, und daß die Fotolackoberfläche mit einer UV-Beleuchtung über einen rProjektor oder eine Glasmaske in einem Muster belichtet worden ist. Das belichtete Muster bestimmt die in der unmittelbar darunter liegenden Schicht im nächsten Ätzschritt auszuätzende Form. ι

Die Vorgehensweise nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beginnt, indem Düsen 15a über den Wafer 18 geschwenkt werden. Damit keine Tropfen aus den Düsen auf die Wafer-Oberfläche fallen können, sind in den übrigen Zeiten die Düsen nach rechts aus den Bereich der Waferoberfläche seitlich herausgeschwenkt. Die Düsen 15a werden in die Stellung über dem Wafer 18 gebracht, indem auf einen elektrischen Impuls zum Luftschalter 67 hin Druckluft Iin einen Zylinder 76 in Fig. IB geleitet wird. Der Kolben 75 wird über die durch das Rohr 77 zugeführte Druckluft angetrieben. !Damit ist über die Stange 73 ein Düsenbetätigungsblock 72 verbunden, der jedes Mal mit den Düsen 15a zusammengebracht wird, iwenn eine der Düsen Flüssigkeit auf die Wafer-Oberfläche liefern !soll. Der Kolben stoppt an der vorbestimmten Stelle, sobald sich die Düsen über dem Wafer 18 befinden, wenn der Kolben 75 die Zylinderöffnung 76a freigibt, so daß die Druckluft im Zylinder idort ausströmt und den Kolben 75 nicht mehr weiter gegen die vor-{gespannte Feder 71 bewegen kann. Sobald die Flüssigkeit völlig aus der Düsenöffnung ausgetreten ist, wird der Luftschieber 67 !geschlossen und die Düsenanordnung durch die Federvorspannung |wieder von der Wafer-Oberfläche 18 weg bewegt. Dabei entweicht die noch im Zylinder 76 vorhandene Luft durch eine kleine Entspannungsöffnung 76b,

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Die Düsenreihe 15a ist starr mit dem Betätigungsblock 72 gekoppelt und durch die öffnung 10a in der Verfahrenskammer 10 verschiebbar vorgesehen. Die Zuführungsschläuche für die Düsen 15a weisen für diese Verschiebbarkeit einen flexiblen Bereich 15b auf.

Während sich der Düsensatz 15a über dem Wafer 18 befindet, wird eine abgemessene Menge eines kommerziell erhältlichen Fotolackentwicklers über einen Meßzylinder 42 auf die Fotolackoberfläche durch die (ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlichen) Düsen 42d aufgebracht, die mit einem Zuleitungsrohr 42a verbunden sind. Der Meßzylinder 42 liefert die präzise Menge an Flüssigkeit, die zur Ausbildung eines meniskusförmig begrenzten Flüssigkeitsvolumens 19 auf der Fotolackoberfläche des Wafers 18 erforderlich ist, das sich von einem Rand zum anderen erstreckt, ohne daß etwas überfließt. Es wurde gefunden, daß diese Menge an Entwicklerflüssigkeit mehr als ausreichend ist, um die ultraviolett belichteten Musterstrukturen in der Fotolackschicht zu entwickeln. Der Meßzylinder 42 enthält einen von einem Solenoid-Motor 43 angetriebener !Kolben. Der angetriebene Kolben drückt dabei auf einen mit Fotolack-Entwicklerflüssigkeit gefüllten flexiblen Plastikeinsatz 44c, worauf die Entwicklerflüssigkeit durch die Zuleitung 42a und die Düse 42d auf die Oberfläche des Wafers 18 gelangt. Nach einem

!solchen BetätigungsVorgang geht der Kolben unter dem Einfluß einer jRückholfeder wieder in seine Ausgangsposition zurück, entspannt dabei den Plastikeinsatz 42c und bewirkt so, daß über ein Einrichtungsventil 42b eine abgemessene Menge Entwicklerflüssigkeit über eine Zuleitung 44 aus einem entsprechenden Vorratsbehälter angezogen wird.

Wenn der Fotolack-Entwicklungsschritt abgeschlossen ist, wird der Düsensatz 15a erneut über den Wafer 18 geschwenkt und dabei über das Ventil bzw. Betätigungsglied 51 deionisiertes Wasser über die Düse 5Id aufgesprüht, um den nach dem EntwicklungsVorgang abzu- . lösenden Fotolack abzuwaschen. Anschließend wird der Spintischmotor 13 angetrieben, um den ausgewaschenen Fotolack sowie die

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aufgesprühte Flüssigkeit abzuschleudern. Zur Trocknung und weiteren Aushärtung der dabei noch belichteten Ecken in der verbliebenen Fotolackschicht kann eine Heizwicklung 22 aufgeheizt werden.

Der Motor 13 wird dann abgebremst, so daß der Wafer 18 zum Stillstand kommt. Anschließend wird eine genau abgemessene Menge eines Ätzmittels, z. B. gepufferte Flußsäure, mit einem (im oben erläuterten Sinne) optimalen Anteil eines Benetzungsmittels über den Meßzylinder 46 auf die mit einer entwickelten Fotolackschicht versehene Oberfläche des Wafers 18 so aufgebracht, daß sich dieses Ätzflüssigkeitsvolumen 19 ohne überfließen zu einer meniskusför- !mig begrenzten Form 19 ausbilden kann. Dazu wird der Motor 47 'angetrieben, über den die abgemessene Menge des Ätzmittels durch die Zuleitung 46a und die damit verbundene Düse der Oberfläche des Wafers 18 zugeführt wird. Die zur Meßeinrichtung gehörenden Elemente 46 und 47 entsprechen den oben beschriebenen Elementen 42 und 43.

Sobald sich die Ätzflüssigkeit zu dem Volumenkörper 19 ausgebildet hat, bleibt der Luftschieber 67 geöffnet, damit die Düsen 15a zusammen mit einem sogenannten EEP-Detektor 33 zur Bestimmung des Ätzendes über dem Wafer 18 verbleiben. Die Detektorspitze 35 steht dabei in Kontakt mit dem Ätzflüssigkeitsvolumen 19. Der Detektor ist durch Energiezuführung eines Lasers 26 in der Lage, durch eine Fiberoptik bzw. ein Lichtleiterbündel 31 Licht auf die Oberfläche des Wafers 18 zu leiten, das als reflektiertes Licht über ein Lichtleiterbündel 32 auf einen Fototransistor oder einen Licht-Detektor 27 geleitet wird.

Die Lichtleiterbündel 31 und 32 sind flexibel, um eine seitliche Bewegung der Detektorspitze 35 zuzulassen. Die Detektorspitze 35 ist am Ende des zusammengefaßten und durch eine Klammer 34 mit dem Düsensatz 15a verbundenen Lichtleiterbündels 33 angeordnet. Die Detektorspitze 35 umfaßt eine am Ende des Lichtleiterbündels 33 angebrachte und durch eine flüssigkeitsdichte Plastikhülse ge-

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haltene Polycarbonat-Linse, wodurch die Glasfiberoptik gegen die Ätzflüssigkeit geschützt werden soll. Andernfalls würde die Lichtdurchlässigkeit der Glasfiberoptik an den Enden der Lichtleiterbündel bei direktem Kontakt mit dem Ätzmittel zerstört und so das ganze (für die Bestimmung des Endes des Ätzvorgangs vorgesehene) Detektorsystem unbrauchbar gemacht.

Der Detektor 27 erhält Licht über das Lichtleiterbündel 32 zugeführt und erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zu der von der zu ätzenden Oberfläche reflektierten Lichtmenge ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 steht auf der Leitung 29a zur Verfügung und wird von dort auf die Programmsteuerung 36 geführt. Als Anzeichen für das Ende des Ätzvorgangs wird angesehen, daß das Signal am Verstärkerausgang sich nicht weiter ändert und konstant wird. Die Programmsteuerung 36 betätigt in diesem Fall den Luft zuf ührungs schalter 16, urn den Motor 13 und damit den Wafer 18 sehr schnell in eine Drehbewegung zu versetzen, so daß über die derart wirkende Zentrifugalkraft das meniskusförrnig begrenzte Flüssigkeitsvolumen 19 abgebaut und vom Wafer 18 an die Innenwände der Verfahrenskammer 10 abgeschleudert wird, von wo es für die endgültige Beseitigung über den Ablauf 10a abgeführt wird. Gleichzeitig werden über die Programmsteuerung 36 Signale auf den Leitungen 5Id und 52b erzeugt, um über die Betätigungsglieder bzw. Ventile 51 und 52 auf die gesamten Oberflächen des Wafers 18 Reinigungsflüssigkeit zur Spülung und Beseitigung der restlichen Ätzflüssigkeit oder anderer Stoffe zu spritzen. Dabei kann der Wafer 18 weiter in Rotation bleiben. Damit ist für die jeweils letzte auf den Wafer 18 aufgebrachte Schicht, die mit der Fotolackschicht bedeckt war, der Ätzvorgang abgeschlossen.

Zu diesem Zeitpunkt wird durch Unterbrechung des Signals für den Luftschieber 67 und unter dem Einfluß der Vorspannung der Feder 71 der Düsensatz 15a mit dem EEP-Detektor 27 nach rechts von der Waferoberfläche weggeschwenkt. Als Beispiel für ein solches Detektorsystem wird auf das IBM Technical Disclosure Bulletin,

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- 15 April 1973, Seite 3532 verwiesen.

Nach Abschluß des Ätzvorgangs muß die auf dem Wafer befindliche Fotolackschicht durch einen Ablöse- (Strip-)Schritt entfernt werden, um die nächfolgenden Schritte zur Aufbringung der nächsten Schicht auf den Wafer zu ermöglichen. Der Ablösevorgang wird wiederum so durchgeführt, daß ein weiterer meniskusförmig begrenzter Volumenkörper 19 einer Ablöseflüssigkeit, z. B. heißer Schwefelsäure (H₂SO₄), aufgebracht wird, indem wieder ein Motor 63 einen !Kolben in einem Meßzylinder 62 antreibt, der die erforderliche

jMenge der Ablöseflüssigkeit über die Zuleitung 62a und die Düsen ■62d auf die Waferoberfläche drückt. Auch dabei wird wieder, wie oben im einzelnen beschrieben, darauf geachtet, daß sich hinsieht-j lieh dieser Flüssigkeit die Bedingungen zur Ausbildung einer meniskusförmig begrenzten Flüssigkeitsmenge 19 auf der Waferoberfläche einstellen können.

Nachdem unter Einfluß der Programmsteuerung die für den Ablösevorgang des übrigen Fotolacks erforderliche Einwirkungszeit abgelaufen und der Ablösevorgang damit beendet ist, wird der Motor 13 wieder in Bewegung gesetzt und auch die Ablöseflüssigkeit 19 unter Einfluß der Zentrifugalkraft in der oben beschriebenen Weise sehr schnell und präzise abgeschleudert. Es wird erneut eine Reinigungsflüssigkeit auf beide Oberflächen des Wafers 18 gespritzt und schließlich noch das Heizelement 22 zum Trocknen des Wafers ein-, geschaltet.

'Der Wafer kann nun aus der Verfahrenskammer entnommen werden, um die nächste Schicht im Rahmen des Herstellungsvorganges aufzubringen, wonach der Wafer erneut in die Verfahrenskammer 10 eingebracht werden kann, um wiederum die oben beschriebenen Verfahrensschritte hinsichtlich dieser nächsten Schicht durchzuführen, bis der gesamte Herstellungsvorgang für den Wafer auf diese Weise abgeschlossen ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE ,

ι Verfahren zur Flüssigkeitsbehandlung der Oberfläche von j Substraten bzw. Wafern im Rahmen der Herstellung von hochintegrierten elektrischen Halbleiterschaltkreisen, j insbesondere zur Durchführung der Fotolithographie- ! Prozeßschritte, dadurch gekennzeichnet, : daß der Wafer annähernd waagerecht auf einem um eine dazu senkrechte Achse in schnelle Drehbewegung versetz- ; baren Tisch angeordnet wird, |

daß auf die Wafer-Oberflache im unbewegten Zustand eine ι

derart zugemessene Menge der Behandlungsflüssigkeit, insbesondere eines Ätz-, Entwicklungs- oder Fotolackablösungsmittels, aufgebracht wird,

daß sich ein meniskusförmig begrenztes Flüssigkeitsvolumen ausbilden kann, das einerseits die gesamte Wafer-Oberfläche bedeckt und zum anderen noch keinen Randüberlauf zur Folge hat,

und daß die Flüssigkeitseinwirkung bei ruhendem Wafer durchgeführt und ihr Abschluß durch Ingangsetzen einer hochbeschleunigten Drehbewegung des Wafers zur unter Einfluß der Zentrifugalkraft vor sich gehenden Beseitigung der Behandlungsflüssigkeit bestimmt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen Behandlungsflüssigkeit ein geringer Anteil eines Benetzungsmittels zugesetzt ist.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des der Behandlungsflüssigkeit zugesetzten Benetzungsmittels etwas unterhalb der Menge liegt, bei der ein durch das Benetzungsmittel verursachter unkontrollierbarer Flüssigkeitsablauf über die Randbereiche erfolgt.

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:4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-, durch gekennzeichnet,

daß bei einem derart durchgeführten Ätzvorgang zur Feststellung des Ätzendes eine Strahlungsquelle vorgesehen ist, von der über Lichtleiterbündel, die bis in die

: meniskusförmig begrenzte Flüssigkeitsperle auf der Wafer-Oberfläche hineinreichen. Strahlung auf die zu ätzende Fläche geschickt und davon reflektierte Strahlung zu einem Detektor zurückgeleitet wird, und daß in Abhängigkeit von dem aus den reflektierten

; Strahlen abgeleiteten Signalen das Ätzende festgestellt und gleichzeitig die den Behandlungsschritt beendende Drehbeschleunigung des Wafers veranlaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die in die Behandlungsflüssigkeit hineinreichende (n) Lichtleiter am Ende mit einer flüssigkeitsdichten Polycarbonat-Linse ausgestattet ist (sind).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wafer mit einer Oxyd- oder Metallschicht und einer darüber vorgesehenen und in einem Muster belichteten Fotolackschicht bedeckt wird,

daß auf den unbewegten Wafer ein derart zugemessenes Volumen eines Fotolack-Entwicklers aufgebracht wird, daß sich über der gesamten Wafer-Oberfläche eine meniskusförmig begrenzte Flüssigkeitsschicht ausbilden kann, daß der Wafer während der Entwicklungszeit in Ruhe gehalten und zur Beendigung des Entwicklungsvorganges schnell in eine Drehbewegung versetzt wird, daß nach einer sich anschließenden Reinigung eine wiederum entsprechend zugemessenen Menge einer Ätzflüssigkeit auf die Wafer-Oberfläche aufgebracht und nach Ablauf der Einwirkungszeit durch Abschleudern infolge Dreh-

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bewegung entfernt wird,

und daß schließlich wiederum auf den unbewegten Wafer ein Ablösemittel für den verbliebenen Fotolack als meniskusförniig begrenzte Flüssigkeitsschicht aufgebracht wird, die nach ihrer Einwirkung durch eine dritte Drehbewegung zusammen mit den gelösten Foto1ackanteilen abgeschleudert wird, woran sich weitere Reinigungs- und Trοcknungsvorgänge, vorzugsweise bei rotierendem Wafer, anschließen.

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