-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung geladener
Teilchen zur Größenmessung
durch elektrische Beweglichkeit und zur Abscheidung auf einem Wafer,
und betrifft insbesondere die Teilchenabscheidung zur Waferkontrolle, Oberflächenreinigung
und als Kristallkeime bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen.
-
Feststoffteilchen
von genau bekannter Teilchengröße, die
auf einem Wafer abgeschieden werden, sind als Eichnormale für Waferoberflächenprüfgeräten verwendbar.
Auf einem Wafer abgeschiedene Feststoffteilchen können außerdem als
künstliche Verunreinigungssubstanzen
zum Prüfen
von Waferreinigungsgeräten
eingesetzt werden, um deren Leistungsfähigkeit beim Entfernen von
Teilchen von der Waferoberfläche
zu ermitteln. Außerdem
können auf
einem Wafer abgeschiedene Teilchen als Kristallkeime zur späteren Verarbeitung
verwendet werden, um außergewöhnliche
Dünnschichten
mit gewünschten
physikalischen oder chemischen Eigenschaften zu bilden.
-
Aerosole,
die in einem Gasmedium suspendierte feste oder flüssige Teilchen
enthalten, sind für verschiedene
Zwecke verwendbar. Wenn die Aerosolteilchen elektrisch geladen sind,
kann die Teilchengröße durch
Messung ihrer elektrischen Beweglichkeit in dem Gasmedium gemessen
werden. Geladene Teilchen in einem Aerosol können auch für verschiedene Zwecke als künstliche
Verunreinigungssubstanzensubstanzen auf einem Halbleiterwafer abgeschieden
werden.
-
Eine
Anwendung betrifft die Prüfung
von Waferoberflächen
durch Laserlichtstreuung, Elektronenmikroskopie und andere Verfahren
zum Nachweis der Gegenwart von Teilchen auf der Waferoberfläche und
zur Messung der Teilchengröße. Die
Eichung solcher Oberflächenprüfgeräte erfordert
die Abscheidung fester Teilchen von genau bekannter Teilchengröße auf dem
Wafer zur Verwendung als Eichnormale. Für derartige Anwendungen werden
gewöhnlich
Polystyrollatex-(PSL-)Kugeln benutzt. Die PSL-Kugeln werden im allgemeinen in einem
wäßrigen Medium
dispergiert und durch eine Druckgasquelle zerstäubt, um Tröpfchen zu bilden. Die Tröpfchen werden
dann verdampft, um die einzelnen PSL-Kugeln als massive, kugelförmige PSL-Teilchen erscheinen
zu lassen, die in dem Zerstäubungsgas suspendiert
sind, wodurch ein PSL-Aerosol gebildet wird. Aerosol bezeichnet
ein Gas, das suspendierte Teilchen enthält. PSL-Aerosol bezeichnet
daher ein Aerosol, in dem die suspendierten Teilchen Polystyrollatexkugeln
sind. Die PSL-Kugeln werden dann aus dem Aerosol auf die Waferoberfläche abgeschieden,
um Standardwafer für
Eichzwecke herzustellen.
-
Die
Abscheidung kleiner Teilchen aus einem Aerosol durch die gewöhnlichen
Mechanismen der Schwerkraftabscheidung oder Diffusion ist im allgemeinen
zu langsam und für
praktische Anwendungen nicht geeignet. Für die meisten Anwendungen muß die Abscheidungsgeschwindigkeit
erhöht
werden. Dies läßt sich
durch Verwendung geladener Teilchen in Verbindung mit einem elektrischen
Feld erreichen, um durch Anwendung einer elektrischen Kraft auf
die geladenen Teilchen eine erhöhte
Abscheidungsgeschwindigkeit zu bewirken.
-
Durch
Zerstäubung
erzeugte Aerosole sind gewöhnlich
nicht hoch aufgeladen. Ein gebräuchliches
Verfahren zur Erhöhung
der Teilchenladung besteht darin, das Aerosol einer Quelle ionisierender Strahlung
von einem radioaktiven Material auszusetzen. Die energiereichen
Kernteilchen von Alpha-, Beta- und
Gammastrahlung, die von Material emittiert werden, das einen radioaktiven
Zerfall erfährt,
ionisieren die Gasmoleküle
und bilden Molekülionen
sowohl positiver als auch negativer Polarität. Die Molekülionen kollidieren
dann mit den in dem Gas suspendierten Aerosolteilchen und verursachen
die Aufladung der Teilchen. Die resultierende Teilchenladung ist
gewöhnlich
bipolar, was bedeutet, daß einige
Teilchen positiv geladen und einige negativ geladen sind. Da annähernd gleiche
Konzentrationen positiv und negativ geladener Teilchen erzeugt werden,
bleibt das Aerosol im wesentlichen neutral, auch wenn die einzelnen
Teilchen geladen sind. Als Ergebnis wird die Einwirkung einer Quelle
ionisierender Strahlung von einem radioaktiven Material auf ein
Aerosol oft als Neutralisierungsprozeß bezeichnet, auch wenn das
Endergebnis die Erzeugung geladener Teilchen von sowohl positiver
als auch negativer Polarität
beinhaltet.
-
Das
gebräuchlichste
radioaktive Material, das für
die Aerosolneutralisierung verwendet wird, enthält Polonium 210 und
Krypton 85. Diese beiden Materialien werden weitverbreitet
eingesetzt. Polonium 210 ist ein Alphastrahler mit einer
Halbwertszeit von 138 Tagen durch radioaktiven Zerfall, während Krypton 85 ein
Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 10,3 Jahren ist. Die Verwendung
radioaktiver Ionisierungsmittel zur Aerosolneutralisierung und Aufladung
von Aerosolteilchen wird in den Literaturstellen 1 und 2 beschrieben.
-
Wegen
Gesundheits-, Umwelt- und anderer Bedenken werden radioaktive Materialien
für Forschungs-,
kommerzielle oder industrielle Anwendung im allgemeinen durch entsprechende
staatliche Behörden
geregelt. Diese Regelungen werden immer strenger und machen die
Verwendung eines radioaktiven Ionisierungsmittels zu einem weniger
wünschenswerten
Verfahren zur Ionisierung und Teilchenaufladung für die Abscheidung
auf einem Wafer und andere Anwendungen. Daher wird eine nichtradioaktive
Alternative benötigt.
-
Eine
andere Anwendung betrifft die Erzeugung und Abscheidung fester Teilchen
auf einem Wafer zur Verwendung als künstliche Verunreinigungssubstanzen
für Waferreinigungsuntersuchungen.
Für solche
Anwendungen werden die Teilchen im allgemeinen auf einem Wafer abgeschieden.
Der Wafer wird dann durch ein Abtastungs-Oberflächenprüfgerät abgetastet, um die Anzahl
abgeschiedener Teilchen zu ermitteln. Dann wird der Wafer einer
Reinigung durch das Waferreinigungsgerät ausgesetzt. Nach der Reinigung
wird der Wafer nochmals abgetastet, um einen neuen Teilchenzählwert zu
ermitteln. Die Differenz zwischen Anfangs- und Endteilchenzahl ist
die Anzahl der durch das Waferreinigungsgerät entfernten Teilchen. Der
prozentuale Anteil der entfernten Teilchen wird dann als Reinigungsgrad
bezeichnet. Unter Verwendung von künstlich mit Teilchen verun reinigten
Wafern kann der Teilchenentfernungsgrad von Reinigungsgeräten leicht
gemessen werden.
-
Für Waferreinigungsuntersuchungen
müssen
verschiedene Teilchenmaterialien verwendet werden. Teilchenmaterialien
von größter Bedeutung sind
unter anderem Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Wolfram
und Kupfer. Trockene Feststoffteilchen verschiedener Materialien
und Größen müssen daher
auf einem Wafer abgeschieden werden, um Testwafer für Waferreinigungsuntersuchungen
herzustellen. Da verschiedene Teilchenmaterialien bei der Abscheidung
auf der Waferoberfläche
unterschiedliche Haftvermögenseigenschaften
aufweisen, ist es wichtig, daß das
Material von Teilchen, die zur Prüfung des Waferreinigungsgeräts verwendet
werden, dem Material der tatsächlichen,
auf dem Wafer festgestellten Verunreinigungsteilchen ähnlich ist.
-
Eine
weitere Anwendung ist die Erzeugung und Abscheidung von festen oder
flüssigen
Teilchen auf einem Wafer, um als Kristallkeime für die spätere Waferverarbeitung durch
chemisches Aufdampfen, Aufdampfen von Atomschichten und andere Dünnschichtabscheidungsprozesse
für die
Fertigung von integrierten Halbleiterschaltkreiselementen zu dienen.
Die Bildung von Dünnschichten
durch verschiedene Schichtbildungsprozesse wird durch das Vorhandensein
von Kristallkeimen für
Schichtbildung und -wachstum erleichtert. Für derartige Anwendungen können trockene
Feststoffteilchen aus dem gewünschten
Material auf einem Wafer abgeschieden werden. Alternativ können kleine
Flüssigkeitsteilchen auf
den Wafer aufgebracht werden, die dann zur chemischen Reaktion mit
einem anderen Material gebracht oder thermisch verarbeitet werden
können, um
die gewünschten
festen Kristallkeime für
solche Anwendungen zu erzeugen.
-
In
allen diesen Anwendungen ist die Anzahl der auf dem Wafer abgeschiedenen
Teilchen allgemein ziemlich klein im Vergleich zu der Teilchenzahl, die
zum vollständigen
Bedecken der Waferoberfläche
erforderlich ist. An sich unterscheidet sich diese Anwendung von
anderen Verfahren der Tröpfchenabscheidung
für die
Herstellung von Dünnschichten, wie
z. B. denjenigen, die in der US-Patentschrift Nr. 5 316 579 beschrieben
werden. Für
die Tröpfchenabscheidung
zur Bildung von Dünnschichten
muß die Anzahl
abgeschiedener Tröpfchen
ausreichend groß sein,
um für
eine vollständige
Oberflächenbedeckung zu
sorgen und eine zusammenhängende
Dünnschicht
auf der Oberfläche
für die
Weiterverarbeitung zur Bildung einer festen Dünnschicht mit den gewünschten
physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu erzeugen. Für die vorliegende
Anwendung ist die Anzahl der abgeschiedenen Teilchen klein, und
die abgeschiedenen Teilchen verbleiben als diskrete Gebilde statt
als zusammenhängende Schicht
auf der Waferoberfläche.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung geladener Aerosolteilchen für die Größenmessung durch elektrische
Beweglichkeit und Abscheidung auf einem Wafer. Das Verfahren umfasst
die Herstellung einer wäßrigen Suspension
der Feststoffteilchen und die Zerstäubung der Flüssigkeit
durch einen Druckgaszerstäuber,
um ein Tröpfchenaerosol
zu bilden. Im Anschluß an
die Zerstäubung
werden die Tröpfchen
verdampft, um ein Aerosol zu bilden, das in dem Gas suspendierte
Feststoffteilchen enthält.
Dann wird ein nichtradioaktiver Ionisator verwendet, um den Gasionenanteil
in dem Aerosol zum Aufladen der Teilchen zu erhöhen. Der nichtradioaktive Ionisator weist
eine Hochspannungs-Sprühelektrode
auf, die mit einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle
verbunden ist. Die Korona- bzw. Sprühentladung erzeugt Gasionen,
die dann wieder mit den Teilchen zusammenstoßen und die elektrische Aufladung
der Teilchen bewirken. Nach einem anderen Aspekt des Verfahrens
werden durch einen Elektrospray-Tröpfchengenerator feine Tröpfchen zerstäubt, die
suspendierte Feststoffteilchen enthalten. Die Tröpfchen werden dann verdampft,
um ein Aerosol zu bilden, das aus Feststoffteilchen besteht, die
in einem Gas suspendiert sind. Das Aerosol wird dann mit Gasionen
vermischt, die durch eine Sprühentladung
erzeugt werden, um eine geeignete Ladungsstärke für die anschließende Größenklassierung durch
elektrische Beweglichkeit und die Abscheidung auf einem Wafer zu
erzeugen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet außerdem ein
Verfahren zur Herstellung eines Eichnormals für die Waferprüfung durch Abschei dung
von festen ionisierten Teilchen mit einem Aerosol auf einen Wafer,
wobei die Feststoffteilchen einen bekannten Größenbereich aufweisen.
-
Die
vorliegende Erfindung beinhaltet außerdem eine Erzeugungsvorrichtung
für geladene
Teilchen mit einem Zerstäuber
und einem nichtradioaktiven Ionisator, die in Fluidverbindung miteinander
stehen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Erzeugungsvorrichtung
für geladene
Teilchen, die einen Elektrospray-Tröpfchengenerator, der ein trockene
Feststoffteilchen enthaltendes Aerosol erzeugt, und einen nichtradioaktiven
Ionisator aufweist, die in Fluidverbindung miteinander stehen. Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines aufgeladenen monodispersen Aerosols, die einen Generator für geladene
Teilchen, der einen nichtradioaktiven Ionisator enthält, und
einen elektrostatischen Klassierer aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung beinhaltet außerdem eine Vorrichtung für die Bereitstellung
geladener Teilchen zur Abscheidung auf einem Substrat, wobei die
Vorrichtung einen Generator zur Erzeugung eines Aerosols mit in
dem Gas suspendierten Teilchen und einen nichtradioaktiven Ionisator
aufweist, der das Gas in dem Aerosol ionisiert, um Ionen von positiver oder
negative Polarität
oder beider Polaritäten
in dem Gas zu erzeugen und zu bewirken, daß die Aerosolteilchen in geeigneter
Weise für
die Abscheidung auf einem Substrat aufgeladen werden. Die Vorrichtung
kann außerdem
einen Elektrospray-Tröpfchengenerator,
der ein Aerosol mit in einem Gas suspendierten trockenen Feststoffteilchen
erzeugt; einen Ionisator, der die Moleküle des Gases ionisiert, um
Ionen von positiver oder negativer Polarität oder beider Polaritäten in dem
Gas bereitzustellen; und einen Mechanismus aufweisen, der das ionisierte
Gas auf geeignete Weise mit dem Aerosol vermischt, um geladene Teilchen
für die
Abscheidung auf dem Substrat zu liefern.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht einer Erzeugungsvorrichtung für geladene
Teilchen, die einen Druckgaszerstäuber und eine Hochspannungs-Koronaionisator
aufweist.
-
2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Erzeugungsvorrichtung für geladene
Teilchen, die einen Elektrospray-Tröpfchengenerator und einen in dem
gleichen Gehäuse
untergebrachten Hochspannungs-Koronaionisator aufweist.
-
3 zeigt
eine schematische Ansicht eines Generators für geladene Teilchen, der mit
einem elektrostatischen Klassierer und einer Abscheidungskammer
für Teilchenabscheidung
auf einer Waferoberfläche
kombiniert ist.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 zeigt
eine Schemazeichnung einer Vorrichtung zur Erzeugung geladener Teilchen
durch einen Zerstäubungsprozeß in Verbindung
mit der Aufladung durch einen Hochspannungs-Korona- bzw. Sprühentladungsionisator.
Ein allgemein bei 10 dargestellter Zerstäuber weist
einen Behälter 12 auf, der
eine zu zerstäubende
Flüssigkeit 22 enthält. Ein Gasströmungsweg 14 ermöglicht die
Einleitung eines Druckgases durch den Einlaß 16 zu einer Drosselöffnung 18,
um einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom zu bilden. Der Hochgeschwindigkeitsgasstrom
führt zur
Entstehung einer Saugwirkung, d. h. eines Unterdrucks, in dem Gasaustrittssweg 20.
Als Ergebnis wird in dem Behälter 12 enthaltene
Flüssigkeit
in diesen Unterdruckbereich angesaugt. In diesem Bereich führt der
Hochgeschwindigkeitsgasstrom zur Zerstäubung der Flüssigkeit 22,
um Tröpfchen
zu bilden. Das Tröpfchenaerosol
fließt
dann aus dem Gasströmungsweg 20 in
den Raum 21 oberhalb der Flüssigkeit 22 in dem
Behälter 12.
-
Rechts
vom Zerstäuber
ist ein Gasströmungsweg 30 mit
einem Einlaß 24 links
und einem Auslaß 34 rechts
angeordnet. Zwischen dem Einlaß 24 und
dem Auslaß 34 befindet
sich ein zweiter Gaseinlaß 32,
durch den zusätzliches
Gas eingeleitet werden kann, um sich mit dem Aerosol zu vermischen
und die Tröpfchenverdampfung
zu erleichtern. Bei der Zerstäubung
von Wasser wird ein trockenes Gas durch den Einlaß 32 eingeleitet,
um die relative Feuchte des aus dem Auslaß 34 ausfließenden Gemischs
zu verringern. Auf diese Weise werden die Tröpfchen verdampft, bevor sie
in die Ladekammer eintreten, die den Hochspannungs-Koronaionisator enthält.
-
Zur
Erzeugung eines Aerosols aus in einem Gas suspendierten trockenen
Feststoffteilchen werden die Teilchen, wie z. B. Polystyrollatex-(PSL-)Kugeln,
zunächst
in Wasser dispergiert, das dann zur Zerstäubung in den Behälter 12 eingebracht
wird. Die zerstäubten
Tröpfchen
werden dann verdampft und lassen in dem Gas suspendierte feste PSL-Kugeln zur
Bildung eines PSL-Aerosols zurück.
-
Wie
weiter oben erwähnt,
sind feste und/oder flüssige
Teilchen, die durch Zerstäubung
erzeugt werden, gewöhnlich
nicht hoch aufgeladen. Die Ladung ist im allgemeinen zu niedrig
für die
meisten Anwendungen, in denen Teilchen aus einem Aerosol auf eine
Oberfläche
abgeschieden werden. Um einen höheren
Teilchenaufladungsgrad zu erzeugen, wird der nichtradioaktive Ionisator 40 benutzt.
Der nichtradioaktive Ionisator 40 umfaßt ein Gehäuse 42 mit einem inneren
Hohlraum 44. Das Gehäuse 42 enthält außerdem eine
Metallelektrode 50, die von einer elektrischen Isolierung 54 umgeben
ist, die ihrerseits von Metall 56 als Abschirmung umgeben
ist. Die Elektrode 50 ist mit einer Hochspannungsquelle (nicht
dargestellt) verbunden. Die Isolierung 54 minimiert die
Stromableitung, die sonst von der Hochspannungselektrode 52 zum
Gehäuse 42,
das bei 43 geerdet ist, auftreten kann.
-
Die
Metallelektrode 50 weist an ihrem Ende eine scharfe Spitze 52 auf.
Wenn eine Hochspannung in der Größenordnung
von einigen tausend Volt an die Elektrode angelegt wird, dann wird
in unmittelbarer Nähe
der Spitze 52 ein hoher elektrischer Feldgradient aufgebaut,
der zum Durchbruch des Gases und zur Erzeugung von Molekülionen durch
den als Korona- bzw. Sprühentladung
bekannten Prozeß führt. Die
Ionen können
unipolar, d. h. alle von der gleichen Polarität sein, wenn die angelegte
Spannung Gleichspannung ist. Wenn eine Wechselspannung angelegt
wird, werden bipolare Ionen erzeugt. Zur Erzeugung geladener Aerosolteilchen
zur Abscheidung auf einem Wafer kann entweder Gleichspannung oder
Wechselspannung benutzt werden. Die resultierenden Aerosolteilchenladung
kann unipolar sein, d. h. alle Teilchen sind von gleicher Polarität, oder
bipolar, wobei einige Teilchen eine Ladung positiver Polarität und einige
eine Ladung negativer Polarität
tragen.
-
Ein
anderes Verfahren zur Erzeugung geladener Teilchen zur anschließenden Abscheidung
auf einem Wafer ist die Anwendung eines als Elektrosprayionisation
bekannten Prozesses. Der Elektrospray-Tröpfchenerzeugungsprozeß wird vielfach
zur Erzeugung von Molekülionen
für Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie
angewandt. P. Kebarle und Yeunghaw Ho., "On the Mechanism of Electrospray Mass
Spectrometry", Kap.
1 "Electrospray
Ionization Mass Spectrometry" (Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie),
Richard B. Cole (Hrsg.), S. 3-63,
John Wiley and Sons (1997) (das hier insgesamt durch Verweis einbezogen
wird). Elektrospray umfaßt
das Sprühen
einer Flüssigkeit
durch eine dünne
Kapillare, die auf Hochspannung gehalten wird, um hoch aufgeladene
Tröpfchen
zu erzeugen, die dann zur Erzeugung von Molekülionen als Ionenquelle für Massenspektrometrie
verdampft werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Elektrosprayverfahren
als Generator für
kleine Tröpfchen zur
Erzeugung von Teilchen für
die Abscheidung auf einem Wafer genutzt.
-
In 2 ist
die Elektrospray-Erzeugungsvorrichtung für geladene Tröpfchen allgemein
bei 100 dargestellt. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 102 mit
zwei inneren Hohlräumen 104 und 130 auf.
Das Gehäuse
ist mit zwei Gaseinlässen 106 und 116 und einem
Gasauslaß 109 versehen.
-
Die
Elektrospray-Tröpfchenerzeugungsvorrichtung
selbst ist allgemein bei 110 dargestellt. Die Vorrichtung 110 umfaßt eine
dünne Kapillare 112,
die von einer elektrischen Isolierung 114 umgeben ist, die
ihrerseits von einer Metallröhre 116 umgeben
ist. Die Isolierung 114 ist von der Röhre 116 beabstandet,
um dazwischen einen ringförmigen
Raum 118 zu bilden. Die Kapillare 112 weist einen
Einlaß 120 auf, um
eine Flüssigkeit
einleiten zu können,
und einen Auslaß 122,
durch den die Flüssigkeit
austreten kann. Sowohl die Flüssigkeit
als auch die Kapillare sind mit einer Hochspannungsquelle 160 verbunden. Die
Flüssigkeitsquelle
ist als 165 dargestellt und enthält Feststoffteilchen, wie z.
B. PSL-Kugeln, die in einer Flüssigkeit,
wie z. B. Wasser, dispergiert sind. Beim Eintritt der Flüssigkeit
in den Einlaß 120 trifft
die Flüssigkeit
auf einen hohen elektrischen Feldgradienten in unmittelbarer Nähe der Kapillare.
Dieser hohe Feldgradient führt
zur Beschleunigung der Flüssigkeit.
Mit zunehmender Geschwindigkeit der Flüssigkeit nimmt die Querschnittsfläche der
Strömung ab.
Als Ergebnis bildet die aus der Kapillare austretende Flüssigkeit
eine kegelförmige
Säule mit
einer großen
Querschnittsfläche
an am Fuß,
die sich am oberen Ende zu einer dünnen Spitze verjüngt. Diese kegelförmige Flüssigkeitssäule wird
gewöhnlich
als Taylor-Kegel bezeichnet. An der Spitze des Taylor-Kegels wird
die Flüssigkeit
herausgesprüht,
um hoch aufgeladene und sehr kleine Tröpfchen in der Elektrospray-Kammer 130 zu
erzeugen.
-
Da
das Elektrospray-Verfahren nur dann richtig funktioniert, wenn in
dem den Taylor-Kegel umgebenden Gas kein Durchschlag auftritt und
zur Entstehung einer Koronaentladung führt, kann ein Gas, wie z. B.
CO2, das nicht leicht durchschlägt, durch
den ringförmigen
Zwischenraum 118 zwischen der Isolierung und der äußeren Röhre eingeleitet werden
und die Kammer 130 mit CO2 füllen. Es
können
auch andere Gase verwendet werden, die nicht leicht ionisierbar
sind, wie z. B. Argon, Helium usw. Die bei 170 dargestellte
Gasquelle ist durch den Einlaß 116 mit
dem ringförmigen
Raum verbunden.
-
Ein
Spannungsionisator 150 ähnlich
demjenigen, der unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde,
ist in Strömungsrichtung
vor dem Elektrospray-Zerstäuber 110 angeordnet.
Der Hochspannungsionisator 150 weist eine Metallelektrode 152 mit
einer scharfen Spitze 154 an einem Ende auf. Die Elektrode 152 ist
von einer elektrischen Isolierung 156 umgeben, die ihrerseits
von einem Metallmantel 158 umgeben ist. Die Elektrode 152 ist
mit eine Hochspannungsquelle 175 verbunden, die entweder eine
Gleichspannungs- oder eine Wechselspannungsquelle sein kann. Bei
Verwendung einer hohen Gleichspannung muß die Polarität der Spannung
der Polarität
der an die Elektrospray-Kapillare 120 angelegten
Spannung entgegengesetzt sein, so daß durch die Hochspannung erzeugte
Gasionen eine Polarität
aufweisen, die der Polarität
der durch das Elektrospray-Verfahren erzeugten geladenen Teilchen
entgegengesetzt ist. Der Hochspannungsionisator weist den inneren
Hohlraum 104 auf, in dem die Gasionen erzeugt werden. Der
Hohlraum 104 ist mit einer Gasquelle 180 verbunden,
die einen Gasstrom durch den Einlaß 106 dem Hohlraum 104 zuführt. Dieser
Gasstrom trägt
dann die Gasionen und die Strömung
durch die Röhre 108,
wo das Gas mit den durch Elektrospray behandelten Teilchen vermischt wird,
die durch die Öffnung 132 aus
der Kammer 130 ausfließen.
Die Elektrospray-Kammer 130 wird durch eine Quelle von
trockenem Gas 170 gespeist, so daß die Tröpfchen in der Kammer 130 verdampft
werden, um ein Aerosol zu erzeugen, das in dem Gas suspendierte
trockene Feststoffteilchen enthält.
Dadurch wird die Teilchenladung schnell verringert, während die
Teilchen mit Ionen von entgegengesetzter Polarität in dem Gas zusammenstoßen. Die
resultierende Teilchenladung kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen
des Hochspannungs-Koronaionisators und des Elektrospray-Teilchengenerators
unipolar oder bipolar sein. Wenn die an die Elektrode 152 angelegte
Spannung Wechselspannung ist, werden Gasionen beider Polaritäten erzeugt.
Diese Gasionen stoßen
dann mit den Teilchen zusammen, um ein Aerosol zu erzeugen, das
geladene Teilchen beider Polaritäten
enthält.
Die geladenen Teilchen können
dann durch Anlegen eines elektrischen Feldes auf den Wafer abgeschieden
werden, wie weiter oben beschrieben.
-
Bei
anderen Typen der Elektrospray-Teilchenerzeugungsvorrichtung, wie
z. B. derjenigen, die in der US-Patentschrift Nr. 5 247 842 beschrieben wird,
werden die Elektrospray-Tröpfchen verdampft und
gleichzeitig durch bipolare Ionen neutralisiert. Die vorliegende
Erfindung macht Gebrauch von einer Trockengasquelle 170.
Die Elektrospray-Tröpfchen werden
in der Sprühkammer 130 völlig verdampft und
lassen nur geladene trockene Feststoffteilchen in dem Gas suspendiert
zurück.
Dieses Aerosol, das trockene suspendierte Feststoffteilchen enthält, die eine
hohe elektrische Ladung tragen, wird mit dem durch 180 fließenden ionisierten
Gas vermischt, damit die Teilchenladung neutralisiert oder erheblich verringert
wird. Aerosole, die durch Druckgaszerstäuber erzeugt werden, weisen
gewöhnlich
keine einheitliche Größe auf und
werden als polydispers be zeichnet. Für viele Anwendungen ist die
Verwendung von Teilchen wünschenswert,
die monodispers, d. h. von einheitlicher Größe sind. Ein Verfahren zum Klassifizieren
der Teilchen nach der Größe muß als Teil
der Vorrichtung angewandt werden, um monodisperse Teilchen zur Abscheidung
auf einem Wafer zu erzeugen.
-
3 zeigt
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines monodispersen Aerosols durch
elektrostatische Klassfizierung. Der bei 180 dargestellte
Generator für
geladene Teilchen kann entweder der in 1 oder der
in 2 dargestellte Generator für geladene Teilchen sein. Die
allgemein bei 200 dargestellte Vorrichtung wird als elektrostatischer
Klassierer bezeichnet, der auch als differentieller Beweglichkeitsanalysator
bekannt ist. Die Vorrichtung 200 ist im allgemeinen zylinderförmig und
weist eine innere Zylinderelektrode 214 auf, die von dem
Zylinder 212 umgeben ist, der seinerseits teilweise von
der Röhre 210 umgeben
ist. Der Zwischenraum zwischen der inneren Zylinderelektrode 214 und
dem Zylinder 212 und der Zwischenraum zwischen dem Zylinder 212 und
dem Stab 214 bilden ringförmige Gasströmungswege 220 bzw. 222.
-
Die
Vorrichtung 200 ist mit zwei Gaseinlässen 202 und 204 am
oberen Abschnitt 205 und zwei Gasauslässen 206 und 208 am
unteren Abschnitt 207 versehen. Das Aerosol, das geladene
Teilchen transportiert, die durch den Generator 180 für geladene
Teilchen erzeugt werden, wird durch den Einlaß 202 in die Vorrichtung 200 eingeleitet,
während
ein reines Gas, das keine Teilchen enthält, durch den Einlaß 204 in
die Vorrichtung eingeleitet wird. Diese Gasströme fließen dann durch ihre entsprechenden Gasströmungswege
in dem ringförmigen
Raum 220 bzw. 222 nahe dem oberen Abschnitt 205 abwärts.
-
Der
Zylinder 212 weist einen Umfangsschlitz 224 auf,
um das Aerosol aus dem ringförmigen
Raum 220 in den Raum 222 fließen zu lassen. Beim Eintritt in
den ringförmigen
Raum 222 vereinigt sich der Aerosolstrom mit dem Reingasstrom,
um in dem ringförmigen
Raum 222 in der allgemeinen Richtung der Pfeile 225 abwärts zu fließen. Die
Vorrichtung 200 ist so konstruiert, daß der Gasstrom in dem ringförmigen Raum 222 laminar
ist und keine Vermischung des Aerosol- und des Reingas stroms erfolgt.
Als Ergebnis fließen
beide Ströme
als laminare Ströme
durch den ringförmigen
Raum 222 abwärts,
wobei der Reingasstrom einen Reingasmantel zwischen dem Aerosolstrom
und der inneren Zylinderelektrode 214 bildet.
-
Die
innere Zylinderelektrode 214 ist mit einer Gleichstrom-Hochspannungsquelle
verbunden, während
die äußere Röhre 210 und
der Zylinder 212 geerdet sind. Die Elektrode 214 bildet
daher eine Hochspannungselektrode, die durch den Isolator 216 gegen
Erde isoliert ist. Die angelegte Hochspannung baut in dem ringförmigen Raum 222 ein
radiales elektrisches Feld auf. Während das Aerosol in dem ringförmigen Raum 222 abwärts fließt, erfahren
die Teilchen, die elektrisch geladen sind, die Einwirkung des radialen
elektrischen Feldes und wandern in radialer Richtung. Wenn die Teilchenladung
von gleicher Polarität
wie die Gleichspannung an der Zylinderelektrode 214 ist,
werden die Teilchen durch die Elektrodenspannung abgestoßen und
wandern daher zu dem Zylinder 212 und werden auf der Innenfläche des
Zylinders 212 abgeschieden. Dagegen werden Teilchen, die
eine der Spannung an der Zylinderelektrode 214 entgegengesetzte
Ladung tragen, durch die Elektrode 214 angezogen und wandern
durch den Reingasmantelstrom zu dem Zylinder 214.
-
Nahe
dem Boden der Zylinderelektrode 214 ist ein Schlitz 226 angeordnet.
Eine kleine Gasmenge wird durch diesen Schlitz durchgelassen und
tritt durch den Auslaß 208 aus
der Vorrichtung aus. Das durch den Auslaß 208 austretende
Gas enthält
Teilchen, die durch die laminaren Gasströme in dem ringförmigen Raum 222 bis
in die Umgebung unmittelbar außerhalb
des Schlitzes gewandert sind. Diese Teilchen weisen eine bestimmte
elektrische Beweglichkeit und Größe auf,
die von den geometrischen Abmessungen der Vorrichtung, den Aerosol-
und Reingasdurchflußgeschwindigkeiten
und der an die Zylinderelektrode 214 angelegten Gleichspannung abhängig sind.
Für eine
bestimmte, an der Zylinderelektrode 214 anliegende Gleichspannung
durchlaufen Teilchen mit kleinerer Größe und höherer elektrischer Beweglichkeit
die radiale Distanz mit höherer Geschwindigkeit
und werden daher auf der Oberfläche
der Zylinderelektrode 214 oberhalb des Schlitzes aufgefangen.
Die Teilchen mit einer größeren Teilchengröße und niedrigerer
elektri scher Beweglichkeit wandern mit niedrigerer Geschwindigkeit.
Die größeren Teilchen
mit niedrigerer Beweglichkeit werden auf der Oberfläche der
Hochspannungselektrode 214 unterhalb des Schlitzes aufgefangen
oder durch den Hauptgastrom fortgetragen und treten durch den Auslaß 206 aus
der Vorrichtung aus. Auf diese Weise erscheint ein durch den Einlaß 202 in
die Vorrichtung 200 eingeleitetes polydisperses Aerosol
am Auslaß 208 als
monodisperses Aerosol. Die Vorrichtung funktioniert daher als Teilchengrößenklassierer
und wird hierin als elektrostatischer Klassifizierer bezeichnet.
Der elektrostatische Klassierer klassifiziert folglich ein polydisperses
Aerosol zu einem monodispersen Aerosol mit einem schmalen Größenbereich am
Auslaß 208.
-
Teilchen
in diesem monodispersen Aerosol sind elektrisch geladen und können in
eine Vorrichtung zur Abscheidung auf einem Wafer eingebracht werden.
Eine für
die vorliegende Erfindung verwendbare Abscheidungsvorrichtung 300 weist
ein Gehäuse 302 auf,
das eine Kammer 303 bildet, in die ein Wafer 320 aufgenommen
wird. Durch einen Einlaß 312 in
einem Abscheidungskopf 310 tritt geladenes Aerosol in die
Kammer 303 ein. Beim Ausfließen des Aerosols aus der Abscheidungsdüse 314 am
Abscheidungskopf 310 trifft das Aerosol auf die Waferoberfläche auf.
Sowohl die Kammer 303 als auch der Abscheidungskopf 310 sind
elektrisch geerdet, während
der Wafer 320 durch eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle
(nicht dargestellt) auf einer hohen Gleichspannung gehalten wird.
Die Gleichspannung hat eine Polarität, die der Polarität der Ladung
auf den Teilchen entgegengesetzt ist. Wenn zum Beispiel ein Aerosol
verwendet wird, das negativ geladene Teilchen enthält, wäre die Polarität der Ladung
auf dem Wafer positiv. Auf diese Weise werden die geladenen Teilchen
wegen der elektrostatischen Anziehung zwischen dem Wafer und den
geladenen Teilchen mit erhöhter
Abscheidungsgeschwindigkeit auf dem Wafer abgeschieden.
-
Der
Abscheidungskopf 310 kann in die Kammer 303 hinein
und aus ihr heraus bewegt werden, wie durch die Pfeile 305 in 3 angedeutet.
Die Abscheidungsdüse 314 kann
daher bezüglich
des Wafers in radialer Richtung und in eine bestimmte radiale Position
vom Mittelpunkt des Wafers bewegt werden. Ent sprechend kann der
Water durch eine Vorrichtung (nicht dargestellt) um eine zum Wafer
senkrechte Achse gedreht werden. Dadurch können Teilchen in verschiedenen
Winkel- und Radialpositionen auf dem Wafer abgeschieden werden.
Auf einem Wafer können
viele Teilchenpunkte abgeschieden werden, indem die Abscheidungsdüse einfach
in eine bestimmte radiale Position bewegt und der Wafer in eine
bestimmte Winkelstellung gedreht wird und dann die Teilchen an dieser
Stelle während
einer bestimmten Zeitspanne abgeschieden werden, bis die erforderliche
Teilchenzahl abgeschieden ist. Das Verfahren und die Vorrichtung
zur Abscheidung geladener Teilchen auf einem Wafer unter Verwendung
eines elektrostatischen Klassierers und eines beweglichen Abscheidungskopfes
in einer Kammer werden in den US-Patentschriften
Nr. 5 534 309, 6 607 597B2 und 6 746 539B2 beschrieben, die hier
durch Verweis einbezogen werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß Änderungen
an Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken
und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
-
Zusammenfassung
-
Verfahren
und Vorrichtung zur Erzeugung geladener Teilchen
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines Eichnormals zur Waferkontrolle beinhaltet
die Abscheidung ionisierter Feststoffteilchen eines bekannten Größenbereichs
mit einem Aerosol auf einen Wafer. Das Verfahren beinhaltet außerdem die
Abscheidung von Teilchen auf einen Wafer in einer Abscheidungskammer
unter Verwendung eines Aerosolstroms und der in einem Gas suspendierten
Feststoffteilchen; Ionisieren des Aerosolstroms mit negativer oder
positiver Ladungspolarität
oder beiden Polaritäten
mittels Durchleiten des Aerosolstroms durch einen nichtradioaktiven
Ionisator 40, um geladene Teilchen zu erzeugen, und Zufuhr
dieses Aerosolstroms zu der Abscheidungskammer. Eine Vorrichtung 110 zur
Erzeugung geladener Teilchen weist einen Zerstäuber 10 und einen
nichtradioaktiven Ionisator 40 in Fluidverbindung miteinander
auf. Die Vorrichtung 110 kann außerdem einen Elektrospray-Tröpfchengenerator zur
Erzeugung eines Aerosols mit trockenen Feststoffteilchen und einen
Ionisator aufweisen, der die Moleküle des Gases ionisiert. Die
Vorrichtung kann außerdem
einen Generator zur Erzeugung eines Aerosols mit in dem Gas suspendierten
Teilchen zusammen mit einem nichtradioaktiven Ionisator 40 aufweisen,
der das Gas in dem Aerosol ionisiert, wodurch die Aerosolteilchen
aufgeladen werden. Die Vorrichtung 110 kann ferner einen
elektrostatischen Klassierer zum Klassifizieren der geladenen Teilchen
in einem ausgewählten
Größenbereich
aufweisen.