DE4238586A1 - Vorrichtung zur Feinstreinigung scheibenförmiger Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feinstreinigung von scheibenförmigen Ob­ jekten, insbesondere für die Reinigung der Funktionsflächen von Halbleiterwafern.

Die Funktionsflächen von Substratscheiben aus Halbleiterwerkstoffen erfordern in Vor­ bereitung der Prozeßschritte bei der Herstellung von Halbleiterschaltkreisen einen sehr hohen Grad an Sauberkeit im Hinblick auf die Belegung der Funktionsflächen der Sub­ stratscheiben mit kleinen und kleinsten Partikeln. Vor Hochtemperatur-, Beschichtungs- oder Lithografieprozessen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist eine mög­ lichst geringe Partikeldichte auf den Funktionsflächen der Substratscheiben zu erzielen, um eine möglichst hohe Ausbeute an elektronischen Bauelementen pro Halbleitersub­ stratscheibe zu erzielen und um die geforderten Eigenschaften der elektronischen Bauele­ mente realisieren zu können.

Üblicherweise werden vor kritischen Arbeitsprozessen bei der Herstellung von elektroni­ schen Halbleiterbauelementen die Halbleitersubstratscheiben einer Feinstreinigung unter­ zogen, bei welcher nach unterschiedlichsten Behandlungen der Substratscheiben in mehr oder weniger aggressiven Lösungen, so z. B. in H₂SO₄/H₂O₂; HNO₃; HCl/H₂O₂/H₂O und NH₃/H₂O₂/H₂O-Gemischen eine nachfolgende Spülung in hochreinem und gefilter­ tem Wasser erfolgt. Zur Reinigung des für den Spülprozeß notwendigen Wassers werden feinporige Filter mit einer Porenweite von 0,2-0,5 µm verwendet. Nicht zu vermeiden ist dabei, daß nach dem Abschleudern der gereinigten Substratscheiben in geeigneten Zentri­ fugen die hochaktiven frischgereinigten Funktionsflächen der Scheiben mit kleinsten mehr oder weniger stark absorbierten Partikeln bedeckt sind, insbesondere derartigen Par­ tikeln, die kleiner sind als die Porenweite der Filter oder mit Trockenrückständen von im Spülwasser trotz dessen Filtration vorhandener kolloider bzw. gelöster Stoffe.

Eine weitere bekannte Methode, um den Partikelbelag von Halbleiterscheiben vor kriti­ schen Bearbeitungsschritten zu reduzieren, ist die Spülung der Funktionsflächen von Halbleiterscheiben durch einen feinen Wasserstrahl extrem hoher Geschwindigkeit. Der Wasserstrahl weist dabei einen Druck von 50-100 atü auf, wodurch die entsprechenden Funktionsflächen der relativ zum Wasserstrahl bewegten Substratscheiben von für die nachfolgenden kritischen Prozeßschritte störenden Partikeln befreit werden sollen. Hier­ bei ergeben sich jedoch Probleme durch die Wasseraufbereitung. Das Spülwasser kann auf Grund des Abriebs der für diesen Prozeß notwendigen Druckpumpen Metallionen aufnehmen, die beim Reinigungsprozeß auf die Halbleiteroberfläche gelangen und die bei den nachfolgenden Bearbeitungsprozessen zu Qualitätsminderungen der Halbleiterschei­ ben führen.

Bei der Reinigung von Substratscheiben hat deshalb das Bürstenreinigungsverfahren vor kritischen Prozessen der Fertigung von elektronischen Bauelementen einige Bedeutung erlangt. Dabei dienen rotierende Bürsten verschiedenster Abmessungen, Formen, Bür­ stenhaarhärte und Anpassungsfähigkeit an die Oberflächenstruktur der zu reinigenden Oberfläche dazu, die auf den Funktionsflächen der Halbleiterscheiben haftenden Partikel zu entfernen. Die zu reinigende Halbleiterscheibe rotiert dabei zumeist in einer, zur sich drehenden Bürste, senkrechten Ebene. Auch bei diesem Reinigungsprozeß erfolgt meist gleichzeitig eine Spülung mit filtriertem und gereinigtem Wasser. Die Nachteile dieser Reinigungsmethode bestehen dabei darin, daß Partikel oder Bakterien, weiche aus den Bürstenhaaren schwer zu entfernen sind, auf die zu reinigende Scheibenoberfläche gelan­ gen. Der Reinigungseffekt auf der Scheibenoberfläche wird dabei stark gemindert, die an den Bürstenhaaren haftenden Partikel können zu Schleif- oder Wischspuren auf der Scheibenoberfläche führen. Weiterhin hat sich gezeigt, daß bei der Bürstenreinigung von bereits mikrostrukturierten Scheibenoberflächen mit steilen Strukturkanten Verunreini­ gungen oder Bestandteile der weichen Bürstenhaare, hervorgerufen durch einen mechani­ schen Abrieb der Bürsten, in den Kantenregionen der Mikrostrukturen bevorzugt angela­ gert werden. Dies führt in den nachfolgenden Fertigungsprozessen zu Fehlern und Baue­ lementeausfällen.

Derartige, das Substrat berührende Reinigungsverfahren besitzen aber mehrere Nachteile, u. a. wird das Substrat durch die Bürste flächig kontaminiert. Um dies bei der Reinigung von Funktionsflächen von Halbleitermaterialwafern zu vermeiden, sind Partikelabsaugvor­ richtungen entwickelt worden. Dabei werden die Partikel durch gezielte Strömungsfüh­ rung von der Halbleitermaterialoberfläche abtransportiert, zuvor werden die Partikel, die durch statische Aufladung an der Substratoberfläche haften, entladen. Durch Anblasen der Substratoberfläche werden diese dann strömungstechnisch gelöst.

Ein Wiederansetzen dieser Partikei wird durch eine Absaugvorrichtung unterbunden. In der modernen Mikroelektroniktechnologie werden heute Reinheitsanforderungen gestellt, die im atomaren Bereich liegen. Diese sind mit dem herkömmlichen Reinigungsvorrichtungen nicht mehr zu erreichen. Um für bestimmte Prozeßschritte der Mikroelektroniktechnologie, die im wesentlichen atomar reine Oberflächen erfordern, wie insbesondere die Molekularstrahlepi­ taxie, ist die Integration der Reinigung in die die einzelnen Prozeßschritte realisierenden An­ lagen unumgänglich.

Wirksame, im wesentlichen atomare Reinheit erzielende Reinigungsverfahren, wie beispiels­ weise die Reinigung der Oberfläche des Halbleitersubstrates durch chemische Reaktionen mit O₂ oder mit H₂, die ein Erwärmen der zu reinigenden Oberfläche auf oberhalb 700°C erforderlich machen, sind dabei gerätespezifisch bedingt oft nicht anwendbar, und zwar dann nicht, wenn die Geräteinnenwand sich beim Erwärmungsprozeß der zu reinigenden Scheibe mit erhitzen kann. Die Verwendung reaktiver Gase, wie beispielsweise H₂, führt so zur Schädigung von Anlagenteilen. Die Anwendung von O₂ führt zur Entstehung von Sauer­ stoff-Kohlenstoffverbindungen die von der Oberfläche des Halbleitersubstrates innerhalb der Anlage nur sehr schwer zu beseitigen sind und Verunreinigungen innerhalb der Anlage zur Folge haben. Reinigungsmethoden, die chemische Reaktionen auf der Oberfläche der zu rei­ nigenden Substratscheibe bedingen, sind für die Reinigung von Substratscheiben innerhalb Molekularstrahlepitaxieanlagen nicht geeignet. Zur Reinigung der Oberflächen von Sub­ stratscheiben in Vorbereitung von Molekularstrahlepitaxieprozessen wird elektromagnetische Strahlung, die die Bindungskräfte vor allem auf der Oberfläche vorhandener störender Koh­ lenstoffverbindungen überwindet, eingesetzt. Von der zu reinigenden Oberfläche schwer lös­ bare Verbindungen werden so aufgebrochen, daß die Komponenten dann mittels konventio­ neller Reinigungsmethoden beispielsweise Ätzen und oxidierende Behandlung, unter Beibe­ haltung der diesen Reinigungsmethoden bekannten Nachteile entfernt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Feinstreinigung scheibenförmiger Objekte, insbesondere für die Reinigung der Funktionsflächen von Halbleiterwafern, anzu­ geben, die den hohen Reinheitsanforderungen nachfolgender kritischer Arbeitsschritte bei der Herstellung von aktiven Halbleiterschichten weitgehend Rechnung trägt, mechanische Beschädigung und Verunreinigungsablagerungen im wesentlichen vollständig ausschließt.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Feinstreinigung von scheibenförmigen Objekten, insbesondere für die Reinigung der Funktionsflächen von Halb­ leiterwafern, anzugeben, die eine erneute Entstehung von den im nachfolgenden Prozeßschritt der Herstellung elektronischer Bauelemente störenden Verunreinigungen der Funktionsflä­ che ausschließt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung der­ art ausgebildet, daß in einer das Substrat mittels heizbarer Substratauflagevorrichtung auf­ nehmende Vakuumkammer, die mit dem Reaktionsraum einer physikalischen Ultrahochva­ kuumbeschichtungsanlage verbunden ist, eine die Substratscheibenoberfläche mit energierei­ cher elektromagnetischer Strahlung beauflagende Beleuchtungsquelle angeordnet ist und daß diese Kammer eine Öffnung zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Reaktionsgases aufweist und weiterhin mit einer Absaugvorrichtung verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsbeispielbeschreibung näher erläutert. Die Vorrichtung besteht aus einem kugelförmigen Hohlkörper, dessen Mantelfläche zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Flansche aufweist. Einer der Flansche dient der Ver­ bindung der Vorrichtung mit der Molekularstrahlepitaxieanlage, der andere Flansch mit sei­ ner hohlzylinderförmigen Verlängerung der Aufnahme der Beleuchtungsquelle, dem An­ schluß für die Zuführung des Reaktionsgases, die auf bzw. in einer den Flansch abschließen­ den kreisförmigen Platte installiert sind. Der kugelförmige Hohlkörper verfügt über einen weiteren Flansch, der dem Einbringen der zu reinigenden Substratscheibe auf die im Inneren des kugelförmigen Hohlkörpers befindliche heizbare Substratauflagevorrichtung dient. Über den Anschluß der Absaugvorrichtung in der kreisförmigen Platte wird bei Inbetriebnahme der Absaugvorrichtung ein Vakuum erzeugt. Die energiereiche Strahlung, ausgehend von der Beleuchtungsquelle, korrespondierend mit der zu reinigenden Oberfläche der Substrat­ scheibe bricht auf der Oberfläche vorhandenen, insbesondere Kohlenstoffverbindungen auf, die sich im Raum der Vorrichtung mit dem zugeführten Sauerstoff verbinden. Über die Ab­ saugvorrichtung werden diese zumeist gasförmigen Verbindungen, resultierend aus der che­ mischen Reaktion der Komponenten der die Funktionsflächenkontamination verursachten Verbindungen und den Sauerstoff, abtransportiert. Die Vorrichtung sichert so im wesentli­ chen die für die Molekularstrahlepitaxie notwendige Reinheit der zu bearbeitenden Funk­ tionsflächen von Halbleitersubstratscheiben. Durch das Aufbrechen der Bindungen unter Va­ kuumbedingungen und die durch die Sauerstoffeinleitung verursachte chemische Reaktion der Bindungskomponenten innerhalb des Innenraumes der Vorrichtung ist ein schneller und effizienter Abtransport der dann gasförmigen Verunreinigungen von der Oberfläche der Halbleitermaterialscheibe gewährleistet. Da eine erneute Berührung der Funktionsfläche der Halbleitermaterialscheibe mit kontaminierungsfähigem Material bis zu Prozeßbeginn der Schichtherstellung nicht erfolgt, kann keine Fremdstoffkontamination der Halbleitermateri­ alscheibe erfolgen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Feinstreinigung von scheibenförmigen Objekten, insbesondere für die Reini­ gung der Funktionsflächen von Halbleiterwafern, dadurch gekennzeichnet, daß in einer das Substrat mittels heizbarer Substratauflagenvorrichtung aufnehmenden Vakuumkammer, die mit dem Reaktionsraum einer Ultrahochvakuumanlage für Beschichtung verbunden ist, eine die Substratscheibenoberfläche mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung beauflagen­ de Beleuchtungsquelle mit definierter Form und definiertem Abstand zum Substrat angeordnet ist und daß diese Kammer in definierter Weise die Zuführung des sauerstoffhaltigen Reak­ tionsgases aufweist und mit einer Absaugvorrichtung verbunden ist.