JP2004502535A - Heat treatment system and method for forming a low dielectric constant dielectric film suitable for incorporation into a microelectronic device - Google Patents
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Abstract
低誘電率特性及び低屈折率を有する薄膜を製造するための単一のウエハ処理方法及びシステム。この方法は、硬化及び硬化後の両方でその場所でガス冷却が起こるようにした処理ステーションを含んでいる。A single wafer processing method and system for producing thin films having low dielectric properties and low refractive index. The method includes a processing station in which gas cooling occurs in-situ both at cure and after cure.
Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、たとえばロジックデバイスやメモリーデバイス内の相互接続構造の形成における使用などの、マイクロエレクトロニクスへの応用に好適な誘電体膜を形成するシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、そのような膜が、マイクロエレクトロニックデバイスの基板上に、処理室で誘電体前駆材料を熱硬化させ、次に、基板がチャンバから取り出される前に、硬化した材料をその場で冷却することによって形成される、統合化されたシステムおよび方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
電子デバイスの動作周波数がギガヘルツ領域に入り、デバイス形状の寸法が小さくなるにつれて、高性能ＵＬＳＩ回路において、消費電力の増大を抑え、信号遅延を低減し、相互接続クロストークを最小化するために、低誘電率の絶縁材料（低ｋ 誘電体）が必要とされている。低誘電率材料は、ギャップ充填およびダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）プロセスへの応用を含む、多くのマイクロエレクトロニックデバイスへの応用において強く望まれている。誘電体の誘電率は、その品質を示す特性の１つである。誘電体の品質を示すその他の特性には、機械的特性、屈折率、均一性、熱安定性、製造性、ＣｕまたはＡｌとの集積性などが含まれる。
【０００３】
大部分の誘電体膜は、スピンコーティング法か、または化学蒸着法（たとえば、ＰＥＣＶＤやＨＤＰ）のいずれかを使用して形成される。スピンコーティング法では、適切な溶媒中に溶けた誘電体膜の前駆材料（通常、硬化性モノマー、オリゴマー、およびポリマーのうちの少なくとも１つ）を含むスピンコート可能な溶液が、マイクロエレクトロニックデバイスの前駆材料（たとえば、シリコンウエハ）やその類似物のような回転する基板上にスピンコーティングされ、その基板上に、均一で、相対的に薄い被膜が形成される。次に、溶液を除去し、被膜を乾燥し、誘電体を重合のＢ段階に進行させるために、被膜が形成された基板は、典型的には１００℃〜約３２５℃の範囲の温度で焼成される。次に、典型的には約３５０℃〜約４５０℃の範囲の適切な硬化温度で基板を加熱することによって、被膜は硬化し、重合のＣ段階に進行する。
【０００４】
硬化した誘電体膜は、一般に低ｋスピンオン誘電体と総称される。さまざまな企業から種々の低ｋスピンオン誘電体の前駆材料が購入でき、それらは、マイクロエレクトロニックデバイス中への誘電体膜の形成用として販売されている。そのような製品の代表的な例は、次のような商標で市販されている。すなわち、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ， Ｉｎｃ． の ＦＬＡＲＥ、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ． の ＳＩＬＫ、Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ の ＶＡＬＯＸ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ， Ｉｎｃ． の ＨＯＳＰ、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ の ＨＳＱ である。ＦＬＡＲＥ および ＳＩＬＫ は、それぞれポリアリールエーテルおよび芳香族炭化水素であり、有機材料である。ＨＯＳＰ はメチル置換シルセスキオキサンであり、無機−有機複合材料である。ＨＳＱ は水素化シルセスキオキサンであり、無機材料である。デュアルダマシンプロセスにおいて、これらの材料を多層化されたアルミニウムもしくは銅、またはその両方と正常に集積するためには、それぞれの材料に固有のプロセス工程が必要であるが、それぞれの材料は、一般に約３５０℃〜約４５０℃の範囲の温度で熱硬化される。
【０００５】
硬化によって多孔質誘電体膜（好ましくは、超低ｋ膜および極低ｋ膜）を形成する誘電体前駆材料も知られている。これらの材料は、一般に、硬化性の誘電体前駆材料だけではなく、１つまたは複数の相対的に揮発性の高い成分（「ポロジェン（ｐｏｒｏｇｅｎｓ）」と呼ばれる）も含むものである。これらのポロジェンは、硬化時にガスを発生させる傾向を有し、膜の多孔性の要因となる。このような材料の代表的な例は、それぞれ次のような商標で知られている。すなわち、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ． の ＮＡＵＴＩＬＵＳＴＭ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ， Ｉｎｃ． の ＰＯＲＯＵＳ ＦＬＡＲＥＴＭ、Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ（Ｃａｒｌｓｂａｄ， ＣＡ）の ＰＯＬＹ ＥＬＫＴＭ および ＭＯＮＯ ＥＬＫＴＭ、ＪＳＲ Ｃｏｒｐ． の ＬＫＤＴＭ、Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ， Ｌｔｄ．（日本）の ＩＳＰＴＭ、Ｈｉｔａｃｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． の ＨＳＧＴＭ である。
【０００６】
低ｋスピンオン誘電体の硬化方法は、合成される誘電体膜の品質に大きな影響を及ぼす。硬化が不注意に実行されると、膜の品質が害される。たとえば、膜の品質が低く、ブランケット膜としては使用できない場合、アルミニウムもしくは銅の集積プロセスには耐え得ない場合、またはその両方である場合などがあり得る。硬化に影響を及ぼす要因には、硬化処理の際の時間と、温度と、処理環境との制御方法が含まれる。
【０００７】
従来から、コーティング工程と焼成工程とは、同じ装置において、一体化された方法で実行されてきた。しかしながら、硬化工程は、通常、被膜が形成されたマイクロエレクトロニックデバイスの基板のバッチを、独立した炉内で加熱することによって達成されてきた。炉が好まれたのは、加熱プラテンによる硬化処理では、マイクロエレクトロニクス産業が要求する品質の誘電体膜を製造できないというのが、従来の常識であったからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者の見解では、炉による処理は最適な方法ではない。炉による硬化処理はバッチ処理になることが多く、３０枚から１００枚、またはそれ以上の枚数のウエハを一度に硬化することになるが、製造業者達は、それぞれの、そしてすべての工程内ウエハを、確実に同じ条件下で処理することに役立つ、単一ウエハ処理を望んでいる。単一ウエハ処理は、処理に不具合が生じた場合にも、危険に晒される基板は１枚のみであるため、望ましいものである。それに対して、炉による硬化処理時に不具合が生じた場合には、基板のバッチ全体が損壊する可能性がある。１枚の工程内３００ｍｍウエハが、１００万ドルまたはそれ以上に及ぶ価値を有する場合があるとすれば、処理のリスクを最小化することは重要である。
【０００９】
本発明者は、本発明の開発の過程で、炉による処理では、誘電体膜の形成の際にいくらかの不均一性および品質の問題が不可避的に発生することを確認した。本発明者の見解では、これらの不均一性および品質の問題が発生する理由の少なくとも一部は、焼成工程と硬化工程との間の時間の基板ごとのばらつきが大き過ぎることである。一般に、先に焼成された基板は、バッチ全体が炉内に投入される前に、後の基板が焼成されるまで待たなければならない。確かに、従来の処理では、焼成工程と硬化工程との間の時間の管理は不十分であった。その他のステーション間およびステーション内における時間の管理も不十分であった。従来の処理における例を挙げれば、コーティング工程と焼成工程との間の遅延、硬化工程とそれに続く冷却工程との間の遅延がある。本発明者は、この種の時間の変動が、ロット間、さらには基板間の膜の品質および均一性に対して有害な影響を及ぼし得ることを発見した。さらに、コンパクトで空間節約型の加熱プラテンとは違い、炉の多くは、貴重なクリーンルームの床面積を占有する、かなりの大きさの独立した装置である。
【００１０】
以上により、低誘電率誘電体膜を製造する方法を改善すること、特に、単一ウエハ処理を使用することによって、処理の変動が複数のウエハに有害な影響を及ぼす危険性を最小化することには、依然として強い要求がある。また、加熱プラテンによる 低ｋスピンオン誘電体の硬化処理を効果的に使用することも、依然として望まれている。
【００１１】
（発明の開示）
本発明は、低誘電率特性および低屈折率を有する膜を製造するための、改善された単一ウエハ処理の方法およびシステムを提供するものである。本発明の 低ｋスピンオン誘電体膜は、例外的に高いレベルの均一性、熱安定性、および機械的特性によっても特徴付けられる。重要なことに、これらの特徴は高い生産性をもって達成され、それは、たとえばクリーンルームの床面積６４平方フィート当たり、１時間当たりの基板数が１００枚に及ぶものである。さらに、好ましい実施形態では、２００ｍｍの基板と３００ｍｍの基板の両方を同じツールで処理することができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単独で、およびその組み合わせでもって、これらの利点を提供するために役立ついくつかの技術革新に基づくものである。まず、コーティング、焼成、硬化、冷却の、各工程間の時間の少なくとも１つを制御することによって、低ｋ誘電体膜の生産性、均一性、および品質が大幅に高まることが発見された。このような均一性によって、１つまたは複数の処理法を使用して、基板を、必要に応じて直列にも、並列にも、または顧客仕様に応じた方法によっても処理することができる。その際に、特定の法に従って形成された膜が、実質的にはお互いに同一であり、膜に残る処理の影響によるばらつきは、たとえあったとしてもごく僅かであるという自信をもって処理することができる。
【００１３】
さらに、低ｋスピンオン誘電体の品質および均一性は、コーティング、焼成、硬化、および冷却の各作用を、一体化された単一の処理システムに統合することによっても、大幅に高められている。そのような統合化によって、誘電体膜の形成過程において実行されるすべての処理工程の一貫性とタイミングとを制御することが可能となる。従来の炉による処理と比較して、検出可能なばらつきがほとんど現れることなく、基板ごとまたはロットごとに、特定の処理法を実行することができる。
【００１４】
本発明の、高品質の誘電体膜の提供に役立つもう１つの特徴は、硬化処理と、硬化後のその場での冷却処理とが実行される革新的な処理ステーションである。硬化処理と冷却処理とを同じ処理ステーションに統合化することによって、硬化処理および冷却処理における、時間のばらつきを含む任意の種類のばらつきが事実上消滅する。これは、誘電体膜の形成における硬化工程は、処理中の最も重要な工程になることが多いとすれば、極めて有利な点である。硬化処理と冷却処理とを単一の処理ステーションに統合化することによって、低ｋスピンオン誘電体膜が熱酸化による損傷を受ける可能性がある程度に熱い状態において、常に、酸素照射量を正確に制御することも可能となる。誘電体膜を有する高温のデバイスをロボットによって取り扱う状況とは対照的に、その場での冷却処理では、デバイスがロボットによって装置から取り出される時に、冷却されたデバイスに残るロボットの影響を最小化することも可能となる。
【００１５】
本発明は、統合化された硬化／現場冷却処理ステーションの革新的な構成も含むものであり、これによって、熱硬化工程において、炉の代りに単純な加熱プラテンを使用することができる。加熱プラテンは、炉と比較してコンパクトであるため、加熱プラテンが使用できることによって、この処理ステーションを被膜ステーションおよび焼成ステーションと同じ一群のツールに統合化することが可能となる。このことによって、今度は、基板ごと、およびロットごとの個々の処理工程におけるばらつきをほとんど起こすことなく、一貫性をもって誘電体膜を形成することが容易になる。
【００１６】
この革新的な構成の多くの特徴によって、生産もしくは研究開発、またはその両方において、低ｋスピンオン誘電体の加熱プラテンによる硬化処理が実現される。これらの革新的な特徴には、次の事項が含まれるが、これらに限定されるものではない。すなわち、
（ａ）チャンバ内のガスフロー力学を注意深く制御できる、複数のプレナムを伴う革新的なリッド機構、
（ｂ）工程内のマイクロエレクトロニックデバイスの基板をロードおよびアンロードする時に、周囲環境に晒されることを最小化するサイドドア機構、
（ｃ）加熱プラテンをそのハウジングから熱絶縁するために役立つ、加熱プラテンを支持する中空のベース、
（ｄ）加熱プラテンと処理室との環境からの熱絶縁を強化する、二重壁を備えたハウジング、
（ｅ）加熱プラテンユーティリティ通路とハウジングとの間の冷却されたシール（これによって高分子材料のシールが使用でき、そうでなければスピンオン誘電体の硬化処理で生じる高温によって損傷する可能性がある）、
（ｆ）硬化および冷却の作動段階における任意の所望の時間について、処理室内の酸素含量を制御する機能、
（ｇ）多孔質スピンオン誘電体のような材料を取り扱う時に、処理室内を真空にする機能、および
（ｈ）ガスを使用してその場でデバイスを冷却する機能
である。
【００１７】
本発明の１つの特徴は、硬化した誘電体組成物を基板上に形成する方法に関し、以下の工程を含むものである。すなわち、
（ａ） 熱的に硬化可能な誘電体の前駆材料からなる組成物を前記基板の少なくとも一部分に被膜する工程、
（ｂ） 処理室内に前記被膜された基板を配置する工程、
（ｃ） 前記被膜された基板が前記処理室内に配置されている間に、
（ｉ） 前記誘電体の前駆材料を熱的に硬化処理して、硬化した誘電体組成物を形成し、
（ｉｉ） 冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させる工程、
（ｄ） 前記冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させた後、前記被膜された基板を処理室から排出する工程を有することを特徴としている。
【００１８】
本発明の別の特徴は、複数の基板上に誘電体組成物を形成する方法に関し、以下の工程を含むものである。すなわち、
（ａ） 第１の基板上に硬化可能な誘電体の前駆材料からなる組成物を被膜する工程、
（ｂ） 前記被膜工程の終了から第１の時間間隔の後に予め焼成処理を開始して、この被膜された基板を予め焼成する工程、
（ｃ） 前記予め焼成処理の終了から第２の時間間隔の後に熱的な硬化処理を開始して、前記被膜された基板を熱的に硬化する工程、
（ｄ） 前記熱的な硬化処理の終了から第３の時間間隔の後に前記冷却処理を開始して、前記熱的に硬化した基板を冷却する工程、
（ｅ） 少なくとも１つの付加的な基板に対して、前記（ａ）〜（ｄ）の工程を繰り返す工程を有しており、前記被膜された第１の基板と前記少なくとも１つの付加的に被膜された基板の各々に対するそれぞれの第２の時間間隔がほぼ等しいことを特徴としている。
【００１９】
本発明の別の特徴は、硬化した誘電体組成物を基板上に形成する方法に関する。熱硬化性の誘電体前駆材料と、その組成物がコーティング可能な粘性を有するような量の溶媒とを含む組成物が、基板上の少なくとも一部にコーティングされる。コーティングされた基板は、まず、少なくともコーティングされた誘電体前駆材料の一部は硬化せず、コーティングされた組成物は残留溶媒を含むような条件の下で、相対的に低い温度プロファイルで予め焼成される。誘電体前駆材料は、少なくとも実質的にはすべての誘電体前駆材料が硬化して誘電体組成物を形成するような条件の下で、第２の相対的に高い温度プロファイルで熱硬化される。硬化した誘電体組成物は、次に冷却される。
【００２０】
本発明の別の特徴は、硬化した誘電体組成物を基板上に形成する方法に関する。熱硬化性の誘電体前駆材料を含む組成物が、基板上の少なくとも一部にコーティングされる。コーティングされた基板は、処理室内に配置される。コーティングされた基板が処理室内に配置されている間、誘電体駆動物質は熱硬化されて硬化した誘電体組成物を形成し（この際、少なくとも一部の熱硬化は、非酸素性の条件の下に生じる）、硬化した誘電体組成物はガスとの接触によって冷却される。硬化した誘電体組成物がガスとの接触によって冷却された後、コーティングされた基板は処理室から取り出される。
【００２１】
別の構成によれば、本発明は、複数の基板上にそれぞれの誘電体組成物を形成する方法に関し、以下の工程を含むものである。すなわち、
（ａ） 第１基板上に第１誘電体の前駆材料からなる第１組成物を被膜する工程、
（ｂ） 処理室内に前記被膜された前記第１基板を配置させる工程、
（ｃ） 前記被膜された第１基板が前記処理室内に配置されている間に、
（ｉ） 前記被膜した第１基板を熱硬化できる状態の下で、前記第１基板を熱源と熱的に接触させ、
（ｉｉ） 冷却用ガスを前記熱硬化した第１基板に接触させる工程、
（ｄ） 前記第２基板に対して前記（ａ）〜（ｃ）の工程を繰り返す工程を有することを特徴としている。
【００２２】
別の構成によれば、本発明は、複数の基板上にそれぞれの誘電体組成物を形成する方法に関し、以下の工程を含むものである。すなわち、
（ａ） 少なくとも１つの処理されるべき基板を含んでいる第１、第２群の基板を準備する工程、
（ｂ） 第１処理方法に従って、
（ｉ） 前記第１群の各基板上に第１誘電体の前駆材料からなる組成物を被膜し、
（ｉｉ） 被膜された前記第１群の基板の各々を処理室内に配置し、
（ｉｉｉ） 前記第１群の基板の各々が前記処理室内に配置されている間、第１群の被膜された各基板が、熱硬化できる状態の下で熱源と熱的に接触させ、さらに、硬化した各第１基板に冷却用ガスを接触させる工程、
（ｃ） 前記第１の処理方法と異なる第２の処理方法に従って、前記第２群の各基板に対して工程（ｂ）を繰り返す工程を有することを特徴としている。
【００２３】
別の構成によれば、本発明は、マイクロエレクトロニックデバイスの前駆材料を熱処理する装置に関する。この装置は、処理中に前駆材料が配置される処理室を含む。熱源は、処理中に前駆材料が加熱できるような方法で、処理室に結合される。冷却ガス源は、処理中に冷却ガスが前駆材料と接触して冷却するような方法で、処理室と流体的に連結される。制御システムは、前駆材料を、処理中に少なくとも１つの加熱工程と少なくとも１つの冷却工程とを含む所望の熱処理プロファイルに露出するために、熱源および冷却ガス源を制御する。
【００２４】
別の構成によれば、本発明は、少なくとも１つの複合型加熱／冷却処理ステーションを含むクラスターツールを提供するものである。このステーションは、処理中に前駆材料が配置される処理室を含む。熱源は、処理中に前駆材料が加熱できるような方法で、処理室に結合される。冷却ガス源は、処理中に冷却ガスが前駆材料と接触して冷却するような方法で、処理室と流体的に連結される。
【００２５】
本発明の上述した利点とその他の利点、およびそれらの利点を達成する方法は、付随する図面と関連させて以下の本発明の好適な実施形態の説明を参照することによってより明らかになり、本発明自体もより良く理解されるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（好適な実施形態の説明）
本発明の原理は、低ｋスピンオン誘電体を硬化させ、次に、ガスを使用してその場で冷却することができる革新的な処理ステーションと関連して有利に実施される。そのような処理ステーションの代表的な実施形態は、本発明の譲受人の同時係属中の米国特許出願であり、Ｗｏｍａｃｋ およびその他を発明者とし、“ウエハ状物体の加熱及び冷却処理用熱処理室”と称する、１９９９年７月１２日に出願された米国特許出願第０９／３５１５８６号に開示されており、この特許の全体は参考として本説明に含まれる。そのような処理ステーションのもう１つの特に好適な実施例は、商標を“ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ”と称し、ＦＳＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．（Ｆｒｅｍｏｎｔ， ＣＡ） から ＣＡＬＹＰＳＯＴＭ クラスターツールのモジュールとして購入できる。
【００２７】
ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションは、上記本発明の譲受人の同時係属中の出願に記載された処理ステーションと概ね同一のものであるが、次のような５つの相違がある。第１に、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションのチャンバおよびベークプレートは、２００ｍｍ半導体ウエハおよび３００ｍｍ半導体ウエハの両方を含む、ある範囲のサイズのデバイスを取り扱う大きさに作られている。第２に、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションに含まれるベークプレートは、独立に制御可能な内側加熱領域と外側加熱領域とを含んでいる。第３に、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションのリッド機構は、内部リッドプレナムおよび外部リッドプレナムの複数のガスポートを含むシャワーヘッド機構を通じて、１種類または複数種類のガスを処理室内に導入するように変更されている。第４に、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションのベークプレート支持層のベースにおける冷却構造および排出構造は、よりコンパクトで効率的である。第５に、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ 処理ステーションのハウジングの底部は二重壁を備え、ハウジングの熱絶縁特性をさらに改善している。
【００２８】
これら５つの変更点は、“ＩＮＳＴＡＣＵＲＥ”処理ステーション１０モジュールの代表的な実施形態を示す図１〜図４に図示されている。処理ステーション１０の部品および構成が、上記本発明の譲受人の同時係属中の出願における図１〜図６に示された熱処理ステーションの部品および構成と同様である限りにおいて、その特徴および機能は同様のものであるが、ここでは、それについて再び詳述することはしない。しかし、以下の説明は、好適な作動態様の詳細な説明と共に、上述した５つの相違点についてのより詳細な説明を含むものである。さらに、これらの各相違点はいずれも、独立に、または他との組み合わせでもって、本発明の処理ステーションに組み込めるものであることを理解されたい。
【００２９】
図１〜図４には、処理ステーション１０を含む装置が示されている。処理ステーション１０は、支持板１２上に支持され、これによって処理ステーション１０を ＣＡＬＹＰＳＯＴＭ クラスターツールのモジュールキャビネットに容易に据え付けることができる。ステーションとして有利に使用されるのはそのようなクラスターツールであるが、この処理ステーション１０は、独立なシステムとして提供することもでき、その場合には、処理ステーション１０および選択的な支持板１２は、適切なハウジング（図示せず）に支持、かつ収容されるものである。熱防護シールド１５は、処理ステーション１０上に装着され、処理ステーション１０の高温時に操作者が誤って処理ステーション１０に触れることを防ぐものである。
【００３０】
処理ステーション１０は円筒形をなし、円状の半導体ウエハに適応するものであるが、そうである必要はない。好ましくは、処理ステーション１０はハウジング１１を含み、ハウジング１１は、二重パネルの底壁２０、二重パネルの円筒状側壁２２、および二重パネルのリッド２４から形成される。これらのハウジング部品の好適な二重パネル構造は、処理室１４を環境から熱絶縁するために役立つものである。
【００３１】
処理ステーション１０の部品は、金属、セラミックス、それらの組み合わせ、およびその類似物を含む、任意の適切な耐熱材料から形成することができる。好ましくは、処理ステーション１０の部品は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、それらの組み合わせ、およびその類似物のような金属材料から形成される。さらに好ましくは、各部品はお互いに溶接され、そのような溶接を容易にするために同様の金属からなるものである。その結果、熱的にも機械的にも堅牢な構造となる。もちろん、他の応用に対しては、他の材料が適切である場合もあり、他の接合技術が使用できる。たとえば、十分低い処理温度で実行される処理のためには、高分子材料を使用し、接着剤によって部品を接合してもよい。
【００３２】
搬送スロット２６は、側壁２２の一部を通じて提供され、処理室１４への出入を提供する。好ましくは、この搬送スロット２６は、処理室１４に対する基板（図示せず）のロードおよびアンロードに使用されるロボット機構（図示せず）に適合するサイズおよび形状をなすものである。しかしながら、搬送スロットは、搬送スロット２６の開放時の環境への過剰な露出を防ぐために、そのような出入に必要な程度以上に大き過ぎないことが好ましい。たとえば、処理室１４内を無酸素性の環境に管理することが望ましい場合がしばしばある。このような状況では、環境から内部処理室１４内への不要な酸素の流入を防ぐために、搬送スロットのサイズを最小化することが有益である。
【００３３】
また、搬送スロット２６は、チャンバドア２８によって密閉可能であることが好ましい。チャンバドアは、ドア閉鎖機構３０によって、その開放位置および閉鎖位置を含む可動域内を動作可能なものである。好ましくは、チャンバドア２８は、開放方向に駆動する力が働いていない場合には、閉鎖位置の方向への偏りを有するものである。チャンバドア２８は、処理ステーション１０の外側に向かって開き、閉鎖時にはハウジングアダプタ２９に装着される。ハウジングアダプタは、チャンバドア２８を係合して閉鎖するために適した表面を備えるものである。ハウジングアダプタ２９は、内部処理室１４の密封性を損なうことなしに、任意の通常の方法でもって製造されたものであってよい。ハウジングアダプタ２９は、処理ステーション１０の外部に付属する別の部品として示されているが、所望の場合には、処理ステーション１０のハウジング１１と一体のものであってもよい。
【００３４】
ドア閉鎖機構３０は、チャンバドア２８の開閉を制御する。ドア閉鎖機構３０は、チャンバドア２８の開放および閉鎖のための、任意の公知の機構を含むものであってよいが、好ましくは、このようなドア閉鎖機構３０は、チャンバドア２８をその開放位置および閉鎖位置の間で移動させる（すなわち、搬送スロット２６の前へ、またはその前から移動させる）だけでなく、チャンバドア２８が搬送スロット２６の前の閉鎖位置にある場合には、チャンバドア２８に対してチャンバの側壁２２の方向への強制力をかけ得るものである。このようなドア閉鎖機構３０は、チャンバドア２８の内部面３３上の周縁溝内に備えられたシール３２と共に、内部処理室１４を確実に密閉するものである。
【００３５】
この密閉構成を容易にするために、搬送スロット２６の周囲の側壁２２に周縁フランジ３４を固定し、チャンバドア２８の閉鎖位置においてシール３２が係合する、外部環状シール面３５を提供することも好ましい。あるいは、空気圧式、水圧式、機械式および電気機械式の駆動装置を含むその他の閉鎖機構を代りに使用してもよい。しかし、チャンバドア２８は、搬送スロット２６を開放および閉鎖する位置の間のみを移動可能とするのではなく、側壁２２に向かう移動およびそこから離れる移動を可能とし、良好な密閉構成を備えることが好ましい。そのような動作は、１つまたは複数の独立した駆動機構によって付与することができる。
【００３６】
本発明の１つの観点に従って、側壁２２は多重壁構造（すなわち、２つまたはそれ以上の間隙を有する複数の壁）を備えることが好ましい。たとえば、図１〜図４に示された実施形態に従えば、側壁２２は、半径方向に延びた環状頂部３６、半径方向に伸びた環状中間部３８、半径方向に伸びた環状底部４０を備えている。さらに、外壁４２が備えられて環状頂部３６、環状中間部３８、環状底部４０に接合し、二重壁構造を規定している。外壁４２は、上部壁４４と下部壁４６を含んでいてもよく、これらは、別々に、または単一の一体化した部品として組み立てられるものであってもよい。この点に関連して、環状中間部３８は側壁２２の周囲全体に渡って延びる場合もあり、または、散在する複数の突起のようなものとして側壁２２の回りに配される場合もある。あるいは、環状中間部３８はなくてもよいが、二重壁構造が機械的構造強度を備えることに役立つため、それが存在することが好ましい。
【００３７】
いずれの場合においても、二重壁構造は１つまたは複数の内部壁空間を規定し、図に示されるように、上部壁空間４８と下部壁空間５０に分けられる。上部壁空間４８は、搬送スロット２６を規定する周縁フランジ３４が側壁２２の一部で上部壁空間を遮断するため、内部処理室１４の回り全体に延在するものではない。下部壁空間５０は、好ましくは、内部処理室１４の回り全体に延在するものである。外壁４２は側壁２２と接合され、周縁フランジ３４は側壁２２と接合される。この接合には、任意の適切な接合技術を使用してもよいが、好ましくは溶接によるものである。
【００３８】
処理室の底壁２０は、好ましくは、側壁２２と一体に形成されるものである。しかしながら、そうでない場合には、別々に形成されて、溶接のような任意の通常の方法によって側壁２２に固定される構造であってもよい。本実施形態では、底壁２０は、内壁層２１と外部パネル２３を含む二重壁構造を備えている。外部パネル２３は、内壁層２１から空隙を有するように、リブ２５に固着される。空間２７は、この空隙構造によって規定される。底壁２０は、好ましくはその中央部に位置する開口部５２を備え、それによって、加熱プラテンポスト９４を通じて加熱プラテン１８に対して出入する部品の通過を容易にする。
【００３９】
加熱プラテン１８は、処理ステーション１０の処理室１４内に位置し、工程内のマイクロエレクトロニックデバイスの基板（図示せず）と加熱プラテンとが熱的に接触している時に、基板に移行する熱を発生するものである。以下に説明する、処理ステーション１０の好適な作動態様と関連して、熱的な接触は必ずしも基板と支持表面９０とが直接物理的に接触することを意味しない。実際、好適な方法では、支持表面９０と基板との間には小さな間隙があり、それでも熱の伝達は発生する。定常状態作動では、加熱プラテン１８は、通常、使用している特定の種類のスピンオン誘電体の硬化に効果的な温度に維持される。この温度は、典型的には約３５０℃〜４５０℃の範囲である。
【００４０】
加熱プラテン１８は、好ましくは、基板へ熱を移行させる加熱機構を備えるものである。図４に、好適な加熱機構を示す。この好適な加熱機構は、ホットプレート１８に埋め込まれた、一組の螺旋状電気抵抗発熱素子１３０、１３１を備えている。各発熱素子１３０、１３１は、それぞれ内側加熱領域および外側加熱領域を均一に横断し、各領域の温度を独立に制御することができる。このような方法で複数の加熱領域を使用することによって、支持表面９０全体に渡って均一な温度を設定し、維持することが容易になる。
【００４１】
所望の場合には、その他の加熱機構を使用してもよい。たとえば、上述した本発明の譲受人の同時係属中の特許出願には、均一な螺旋状をなして加熱プラテンに埋め込まれた単一の発熱線を備える加熱プラテンが開示されている。発熱線の代りに、表面にヒータ回路が印刷されたフィルム層またはマイカ層を含むような面状発熱体を使用してもよい。そのような面状発熱体を、支持表面９０上に形成することもできる。あるいは、加熱プラテン１８の頂面上、印刷を用いてその積層内の層上、またはその底面上に、１つまたは複数のヒータ回路を直接印刷してもよい。さらなる代替手段として、本発明の譲受人が所有する、１９９８年３月５日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／０３５６２８号に開示されている加熱基板を使用してもよい。その他の選択肢として、加熱プラテン１８は、所望の熱を発生させるための高温の処理流体が流れる、１つまたは複数の内部通路を備えていてもよい。
【００４２】
加熱プラテン１８は、少なくともその一部は、中空のペデスタルベース５４上に支持されている。中空のペデスタルベース５４は、底壁２０のチャンバ内部側に形成された環状逃げ部５６内に装着されている。ペデスタルベース５４は、底壁２０に通常のボルト５８によって固定してもよい。ペデスタルベース５４の中空性は、加熱プラテン２８を底壁２０から熱絶縁するために役立つ。内部処理室１４を効率的に密閉するために、ペデスタルベース５４の下部面６２と、環状逃げ部５６の底部との間にシールリング６０が備えられ、これによって、良好な密閉性が得られる。この構成を容易にするために、底壁２０の中央部６４はより肉厚であることが好ましい。
【００４３】
底壁２０の肉厚の中央部６４には、排気チャンネル６６も位置し、処理室１４から除去される処理流体のための通路となる。排気チャンネル６６は、内部チャンバ側に開口した中央部６４の環状逃げ部と同様に環状とすることが好ましい。中央部６４の残りの厚み部分を通じて延在する１つまたは複数の通路（図示せず）も備えられ、これによって、排出流体を通常の配管などによって排気チャンネル６６から処理ステーション１０の外部へ排出することができる。処理室１４から排気チャンネル６６に通じる吸気通路のサイズを変更するために、着脱自在な排気プレート７０が備えられ、この排気プレートは、全開放領域に任意の所望のパターンで排気プレート７０に沿って配された一群のオリフィス７２を備えている。したがって、排気チャンネル６６を排出システム（たとえば、真空）に、流体的に連結することによって、流体は、処理室１４からオリフィス７２を通じて排気チャンネル６６へ、そして処理ステーション１０の外部へと排出される。着脱自在な排気プレート７０を使用することによって、排気プレート７０を、異なるサイズもしくはパターン、またはその両方を有する別の排気プレートと交換するだけで、オリフィス７２のサイズ、パターン、配置を、処理ステーション１０の特定の用途によって容易に変更することが可能となる。排気プレート７０は、好ましくは環状逃げ部６９の段差部分に装着されるものであり、また好ましくはペデスタルベース５４が重なる部分によって固定されるものである。
【００４４】
底壁２０の中央部６４は、冷却流体（たとえば、気体または液体）を循環させる冷却チャンネル７８も備え、これはシールリング６０の冷却に役立つ。冷却チャンネル７８は、好ましくは底壁２０の中央部６４に形成された溝を含み、この溝は、底壁２０の外側に対して開口するものである。冷却チャンネル７８は、好ましくは平面図で見た場合に概ね円状のチャンネルをなし、シールリング６０に熱的に近接するものであるが、完全な円には達しないように留め、冷却チャンネル７８の一端を注入口として、他端を排出口として使用できるようにすることが好ましい。冷却チャンネル７８を外部から閉鎖するため、底壁２０の中央部６４にプレート８０が固定され、これによって冷却チャンネル７８は密閉されて、注入通路および排出通路（図示せず）が提供される。この注入および排出通路によって、冷却チャンネル７８を、任意の通常の方法によって、適切に冷却システムの入出ラインに流体的に連結することができる。
【００４５】
また、底壁２０の中央部６４は、その内部でリフトピン機構８４を往復運動させる何本かの（好ましくは３本の）通路８２（図２には、１本だけ図示する）を備えている。単にリフトピン機構８４の往復運動を容易にするだけでなく、通路８２は、内部処理室１４を環境から効果的に密閉した状態で、この運動を可能にしなければならない。これを実行するために、中央部６４の外側に形成された溝内において通路８２の回りにシールリング８６が装着され、これによって、リフトピン機構８４に伴う密閉性と移動性とを同時に与えるものである。このようなシールリング８６は、装着プレートによって、次に、複数の締結具またはその他の任意の通常の手段によって固定されるもであってもよい。
【００４６】
通路８２、したがってリフトピン機構８４は、開口部５２と同心に配されることが好ましいが、必ずしもその必要があるわけではない。リフトピンは通路８８（図２には、１本のみを示す）内に延在し、通路８８は、加熱プラテン１８の厚肉部を貫通している。加熱プラテン１８は、ペデスタルベース５４によって直接的に支持され、工程内のマイクロエレクトロニックデバイスの基板（図示せず）を熱伝達接触状態で配置できる支持表面９０を備えている。リフトピン機構８４は、その先端部８５が基板を熱伝達接触位置に配置する場所から移動可能である。
【００４７】
また、リフトピン機構８４は、往復運動機構（図示せず）によって駆動されて、その先端部８５が支持表面９０の十分上方であって、工程内基板を加熱プラテン１８との熱伝達接触なしに支持できる位置にまで移動可能である。リフトピン機構８４の移動によって、どの程度支持表面９０から基板を物理的に分離しなければならないかは、冷却処理における必要性および内部処理室１４の流体フロー特性に依存する。つまり、リフトピン機構８４は、工程内基板を物理的および熱的に加熱プラテン１８から分離できる程度に上昇させることができ、また基板を支持表面９０との熱接触がもたらされる程度に下降させることができる。
【００４８】
複数のリフトピン機構８４の同時動作を達成するために、各リフトピン８４は、プレートまたはリング（図示せず）のような共通の部材に接続され、駆動機構９２は、その１つの部材を駆動するだけですべてのリフトピン機構９２を同時に上昇および下降させられることが好ましい。駆動機構９２は、ステップモータで駆動されるリードスクリュー機構などの、直線移動を可能にする任意の公知の機構を備えていてもよい。さらに好ましくは、各リフトピン８４は、真空ラインもしくは真空システムに通常の方法によって連結された内部通路９２を備え、先端部８５から吸引することによって、先端部８５に基板を保持するものである。
【００４９】
温度検知機構９３は、加熱プラテン１８に結合して加熱プラテンの温度を監視する。温度検知用機構は、アパーチャ９５を通じて処理室１４内に入れられ、カラー９７によってその場所に保持される。オーリング９９は、この開口部の密閉に役立つものである。温度検知機構９３は、ＲＴＤまたは熱電対のような任意の通常の機構であってもよい。温度検知機構９３は、制御回路（図示せず）に接続されて、加熱プラテンの温度は、通常の方法で監視および制御される。制御機構自体は本発明の特定の部分を構成するものではなく、温度検知情報に基づいて発生させられる熱の制御の基本作動と矛盾しない任意の公知の方法によって達成することができる。
【００５０】
リッド２４は、処理ステーション１０の頂部を密閉する。リッド２４は、好ましくは、二重パネル構造をなし、概ね、円形のパネル９８が空隙を介してカバープレート１００に接合されることによって形成されるものである。パネル９８とカバープレート１００との間の空隙は、外周壁フランジ１０２および内部の環状壁フランジ１０４によって保持され、環状壁フランジは、概ね、外周壁フランジ１０２と同心であって、半径方向に内側の位置に配されている。リッド２４の強度を増大させるため、カバープレート１００は、さらに、間隔を有して配される複数の柱部材１０６によって支持されている。柱部材１０６と環状壁フランジ１０４との間に延在する放射状強化リブ１０８によって、リッド２４はさらに強化されている。カバープレート１００は、複数の締結具１１０を使用してその場所に固定される。ガスケット１１２（図２には図示せず）は、カバープレート１００とそれに接合されるリッド２４のその他の部分との間の良好な密閉性を保つために役立つものである。
【００５１】
したがって、リッド２４の構造は、外側の環状プレナム１１４および内側プレナム１１６に区画される。外側プレナム１１４は、複数のポート１１８を通じて処理室１４と流体をやり取りし、ポートは、好適な環状配列によってパネル９８の環状部分１２２の回りに一様に散在する。各プレナム１１４、１１６は、処理ガスが、制御されたシャワー状の形態において独立にまたは集合的に処理室１４に導入される通路を、それぞれ独立に提供する。このために、１つまたは複数の処理ガス源（図示せず）を、通常の配管によって外側プレナム１１４および内側プレナム１１６に独立に連結してもよい。
【００５２】
図１〜図４に示す複合型硬化／現場冷却処理ステーション１０は、第１に、硬化性の誘電体前駆材料を含む膜を硬化して誘電体膜を形成すること、第２に、硬化した膜が形成された基板を装置１０から取り出す前に、硬化した膜をその場で冷却することにおいて、有利に使用される。膜のその場での冷却は、膜の熱酸化分解を最小化するために重要である。硬化処理およびその場での冷却処理を達成する好適な作動態様には、ロード段階、ガスパージ段階、硬化段階、冷却段階、アンロード段階が含まれる。ロード段階では、ドア２８が開き、基板を処理室１４内に配置することが可能となる。この時、１種類または複数種類の非酸化ガスの環状のカーテンが、リッド２４の外側プレナム１０８を通じてチャンバ内を下方に流れ、環境から処理室１４を絶縁する。ここで、ロード段階の間に、１種類または複数種類の非酸化ガスを、内側プレナム１１０からも処理室内に流れるように追加できるが、このことは必ずしも必要ではない。乾燥した、または実質的に乾燥した誘電体前駆材料を含む、焼成された膜が形成された基板は、上昇したリフトピン機構８４上であって、一般には、基板と加熱プラテン１８との実質的な熱接触が存在しない位置に配置される。次に、ドア２８が閉鎖されて、処理室１４を環境から密閉する。
【００５３】
この段階および作動の任意の段階に渡って、外側プレナム１１４もしくは内側プレナム１１６、またはその両方を通じて流れる非酸化ガスは、場合に応じて、窒素、ヘリウム、アルゴン、Ｎ２およびＨ２を含むフォーミングガス、これらの組み合わせ、および類似物から、独立に選択することが好ましい。現在、好んで使用されるのは窒素である。ガスは、広い範囲内の任意の温度で供給することができる。代表的な温度範囲は、約０℃〜約３００度に及び、好ましくは約１５℃〜約２５０℃、さらに好ましくは、おおよそ環境温度、すなわち約２０℃から約２５℃である。硬化処理とその場での冷却処理との全体に渡って、外側プレナム１１４および内側プレナム１１６からの各ガスの流れは、０．５立方フィート／時間〜１００立方フィート／時間の範囲内のそれぞれの流量をもって、独立に供給される。外側のガスの流れに対する好適な流量は４０立方フィート／時間、内側のガスの流れに対する好適な流量は約５０立方フィート／時であり、これとは反対の設定が好適な場合もある。
【００５４】
作動の次の段階は、ガスパージ段階である。この段階では、酸素の含量が制御されて低減化された非酸素性の処理環境を、制御可能な態様で設定して維持するために、処理室１４が、１種類または複数種類の非酸化ガスの流れでもってパージされる。多くの誘電体前駆材料だけでなく、合成される誘電体膜も、酸素が存在する高温環境における熱酸化を受け易いため、硬化段階において、酸素レベルを制御する機能は重要である。多くの誘電体前駆材料、特に有機成分を含む誘電体前駆材料では、特定の材料によって約３２５℃から約３７５℃の範囲の温度においては、通常の空気中においてさえも熱酸化がリスクとなる。誘電体前駆材料は、一般にこの温度範囲よりも高い温度で硬化されるため、これらの材料を保持する基板は、熱酸化が大きなリスクである程度にその基板が高温である限り、非酸素性の環境中に維持されることが望ましい。したがって、使用する誘電体が有機材料であある場合には、酸素含量は可能な限り低いことが望ましい。実際には、非酸素処理中の酸素含量は、好ましくは最大２００ｐｐｍ、さらに好ましくは１〜２００ｐｐｍ、最も好ましくは５〜２０ｐｐｍである。
【００５５】
誘電体の種類によっては、硬化を優先方向へ確実に進行させるために、いくらか高い酸素濃度が望ましい場合もある。たとえば、無機誘電体前駆材料に対しては、硬化に伴う副反応を最小化するために、酸素の存在が有利に働く。したがって、使用する誘電体材料が無機材料、または無機―有機複合材料の場合には、処理室１４は、１００ｐｐｍ〜２０００ｐｐ ｍ、好ましくは約２００ｐｐｍの酸素を含む非酸素性の処理環境を設定するために効果的な条件の下に、パージされる。
【００５６】
処理室１４内の酸素レベルを制御することに加えて、所望の場合、このパージ段階で処理室１４内を真空にし、硬化される膜の誘電特性を改善してもよい。このような真空の設定が特に望ましいのは、多孔質誘電体膜を形成する場合である。多孔質誘電体膜の種類によっては、誘電体前駆材料のみではなく、硬化条件下で揮発する傾向が高く、硬化時にアウトガスを発生して多孔性を作る１種類または複数種類の材料（“ポロジェン”）を含んでいる。真空は、そのようなアウトガスの発生を促進するために使用される。設定すべき真空レベルは、誘電体の性質によって変化し、通常その材料の製造業者によって指定される。１つの指針として、１ｔｏｒｒ から環境気圧程度までの範囲の真空を設定する機能が適切であろう。現在、好んで使用される真空レベルは、約２０ｔｏｒｒ である。
【００５７】
窒素パージの間に、非酸化ガスは、好ましくはリッド２４の内側プレナム１１６を通じ、処理室内部のガスを一掃しながら処理室１４に流入する。外側プレナム１１４を通じた非酸化ガスの流入を追加的に使用することもできるが、必ずしも必要ではない。内側プレナム１１６を通じた５０立方フィート／時間の流入では、パージは約１０秒間〜約５分間、好ましくは約１５秒〜６０秒で発生する。
【００５８】
処理室中の酸素含量が所望のレベルに達した後、作動における硬化段階が開始する。基板を支持するリフトピン機構８４は、基板を加熱プラテン１８との熱接触の位置まで下降させる。本発明の実施例では、熱接触は、基板と加熱プラテン１８との実際の物理的接触を含んでいてもよいが、実際の物理的接触は必ずしも必要ではない。基板を加熱プラテン１８に近接させる（たとえば、６ｍｉｌ〜５０ｍｉｌの距離）ことによって、効果的な加熱を達成することができる。実際、用途によってはこのような空隙が好ましく、それは、実際の物理的接触によって基板の裏面が汚染される場合があるからである。結果として、基板は、誘電体前駆材料を硬化して基板上に誘電体膜を形成するために効果的な条件の下で加熱される。硬化温度は、硬化される誘電体前駆材料の種類に依存して変化する。市販されている誘電体前駆材料に対しては、加熱プラテン１８は、典型的には約３５０℃〜約４５０℃の範囲内の温度に維持される。基板の効果時間も、硬化される誘電体前駆材料の種類によって変化する。一般に、本発明の処理ステーション１０は、非常に高速に硬化を達成する能力を有し、硬化時間は１０分以内、好ましくは１〜３分で十分であろう。
【００５９】
硬化段階の完了後、冷却段階が開始される。誘電体膜は、高温において環境に露出されると熱酸化を受け易いため、基板は、処理ステーション１０から取り出される前に、十分低いしきい値温度までその場で冷却される。しきい値温度は、通常２００℃〜約３２５℃の範囲内であり、好ましくは２５０℃である。所望の場合、より低い温度を使用することができるが、この場合にはサイクル時間が増大する。また、所望の場合、より高い温度を使用することもできるが、この場合には硬化した膜が熱酸化を被る危険性が増大する。
【００６０】
本発明の実施例では、このようなその場での冷却は、リフトピン機構８４を上昇させ、基板と加熱プラテン１８との熱的な結合を解除することによって達成される。実際には、加熱プラテン１８と上昇した基板と間の物理的な間隔は、通常１００ｍｉｌ〜６００ｍｉｌであり、好ましくは約５３０ｍｉｌである。次に、その場での冷却は、基板が処理ステーション１０内に残っている間に、内側プレナム１１６を通じて流入するガスが基板と接触し、冷却することによって達成される。所望の場合、外側プレナム１１４を通じた処理室内へのガスの流入を追加的に使用することもできるが、これは必ずしも必要ではない。冷却処理は比較的高速であり、約１〜２分で達成される。
【００６１】
望ましい目的温度まで基板を冷却した後、作動のアンロード段階において、基板が処理ステーション１０から取り出される。上昇したリフトピン処理機構８４上に支持された硬化処理および冷却処理後の基板に対して、（これ以前に、ガスが流れていない場合には）外側プレナム１１６を通じたガスの流れのカーテンが形成され、処理室１４と環境との間の障壁を形成する。内側プレナム１１６を通じたガスの流入を追加的に維持することもできるが、これは必ずしも必要ではない。流れのカーテンが形成された後、ドア２８が開放され、適切なハンドラ（たとえば、ロボットなど）によって処理室１４から基板が取り出される。
【００６２】
図５に、図１〜４に示す複合型硬化／現場冷却処理ステーション１０において、酸素レベルを制御できる本発明の方法の一実施形態を示す。図５には、処理ステーション１０が簡略化した形式で示されている。処理ステーション１０には、処理室１４が含まれ、処理室には、加熱プラテン１８上のリフトピン８４上に工程内のマイクロエレクトロニックデバイスの基板１６が支持されている。ドア２８の開閉によって、処理ステーション１４に対するロードおよびアンロードが可能となる。本発明に従ってその場での冷却を実行するために、冷却ガス源１７０は、供給ライン１７２を介して処理室１４に流体的に連結されている。ライン１７２を通じた冷却ガスの流れは、バルブ１７４、１７６によって制御される。ガス源１７８からの（環境中の空気のような）酸素含有ガスは、ライン１８０を介してライン１７２に流体的に連結されている。バルブ１８２は、冷却ガスと組み合わせる酸素含有ガスの量を制御し、これによって、処理室１４内に流入する冷却ガス中の酸素レベルを、硬化処理時およびその場での冷却処理時における所望の処理レベルに維持制御できる。バルブ１７６は、処理室１４に流入する酸素含有冷却ガスの流れを制御する。１つまたは複数の他の処理ガスを、処理室１４に流体的に連結することもできる。説明のため、窒素と水素とを含む通常のフォーミングガスの源１８４は、供給ライン１８６を介して処理室１４に流体的に連結するものとする。バルブ１８８は、フォーミングガスの流れを制御する。処理ガスは、排気ライン１９０を介してチャンバ１４から排出される。所望の場合、排気ライン１９０が真空ポンプ１９２に連結するように操作することによって、処理室１４を真空とすることができる。バルブ１９３は、処理室１４からの排気ガスを制御する。
【００６３】
処理室１４内の酸素レベルを監視および制御するために、排気ガスの一部がライン１９４を通じて酸素センサ１９６に引き込まれている。バルブ１９８は、この流れを制御する。酸素センサ１９６は、少なくとも約５ｐｐｍ〜約５００ｐｐｍ の範囲の酸素レベルを正確に測定できる、任意の適切なセンサであってよい。このような種々のセンサが市販されており、いずれを使用しても構わない。本発明の実施例にとって適切と思われる酸素センサの例は、販売名を Ｏｘｙｇｅｎ Ａｎａｌｙｚｅｒ Ｎｏ．６０−０３２９ と称し、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ． から購入できる。
【００６４】
酸素センサ１９６は、排気ガス中の酸素レベルを示す出力信号２００を発生させる。出力信号２００はコントローラ２０２に送信される。通常の制御方法を使用して、コントローラ２０２は、排気ガス中の酸素含量が所望のレベルからどの程度はずれているかを示す制御信号２０４を発生させる。適切な制御信号２０４は、バルブ１８２に送信され、測定された酸素レベルが高すぎる場合には、ライン１７２への酸素含有ガスの流量を低減させ、または測定された酸素レベルが低すぎた場合には、ライン１７２への酸素含有ガスの流量を増大させる。
【００６５】
図５には、処理室１４内の酸素レベルを制御するためのフィードバック方法が示されているが、任意の他の適切な制御方法を使用してもよい。たとえば、処理室１４に流入するガス中の酸素レベルを測定し、その測定値を使用してバルブ１８２に送信する適切な制御信号を導出することによって、フィードフォワード制御が実装できる。その他の方法として、入口と出口の両方のガス中の酸素レベルを監視して、フィードバック制御方法とフィードフォワード制御方法との組み合わせの基礎とすることもできる。
【００６６】
本発明の複合型硬化／現場冷却ステーションは、コーティング、焼成、硬化、冷却の各処理のすべてを１つの統合化システムで実行するクラスターツールに有利に組み込むことができる。本発明の硬化及びその場での冷却能力を組み込んだ、特に好適な統合化クラスターツールは、ＣＡＬＹＰＳＯの登録商標で、ＦＳＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．（Ｆｒｅｍｏｎｔ， ＣＡ）から購入できる。このクラスターツールは、マイクロエレクトロニックデバイスの基板上に低ｋスピンオン誘電体膜を形成するために、有利に使用される。このクラスターツールは、スピンコーティング、焼成、硬化、その場での冷却、および更なる冷却処理を、生産力の大きな単一のプラットフォームに統合化するものである。複数の種類のステーションを追加して、設置面積を増大させることなく生産性を高めることもできる。このステーションを使用して形成された誘電体膜は、炉による処理で形成された同様の膜と比較して、より低い屈折率と誘電率を有する傾向がある。
【００６７】
特に、硬化およびその場での冷却処理能力によって、硬化処理のために別の炉を所有する必要性はなくなり、さらに 低ｋスピンオン誘電体膜を形成するために必要なクリーンルームの全床面積は最小化される。つまり、このツールは、貴重なクリーンルームの床面積を非常に効率的に使用しながら、高い生産性を提供するものである。このツールによれば、約６４平方フィートの設置面積を占有するのみであるにもかかわらす、１００枚に及ぶ１時間当たりの処理基板数が容易に達成できる。コーティング処理、焼成処理、硬化処理、および冷却処理を１つのツーツに統合化するこによって、低ｋスピンオン誘電体の品質および均一性が大幅に高まるだけでなく、デバイスの汚染も低減化される。硬化処理およびその場での冷却処理は、図１〜４または上述した本発明の譲受人の同時係属中の特許出願で示された、単一の複合型硬化／現場冷却装置によって達成するのが好ましい。
【００６８】
ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールは、処理能力の点で大いに融通性がある。基板は、処理される１つまたはそれ以上の基板に対する同一の処理法又はカスタムメイドの処理法を用いて、個別処理、順次処理、または並行処理することができる。このツールは、異なるサイズの基板を容易に取り扱うことができる。例えば、中央に位置したロボット上にエンドエフェクタを単に切り替えることによって、コーティングステーションでのスピンコートシールドを行い、次に、ＰＣベースの制御装置において、適当な処理法を選択することによって、クラスターツールは、２００ｍｍ処理能力から３００ｍｍ処理能力に変換でき、またその逆への変換も可能である。２００ｍｍのウエハと３００ｍｍのウエハをそれぞれ処理するために、個別の装置を備える必要を省くことができる。これは、また別の方法があり、クラスターツールは、クリーンルームの床スペースを節約することができる。クラスターツールは、また、多孔性の誘電体膜を含む誘電体被膜を形成することができる。この膜は、低ｋスピンオン誘電体前駆材料上の広範囲から選択され、商業的に有益なＰＯＬＹ ＥＬＫ，ＬＫＤ，ＨＳＧ，ポーラスＳＩＬＫ２，ＩＳＰ，及びポーラスＦＬＡＲＥ，誘電体前駆材料を含んでいるが、これらに制限されない。
【００６９】
ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールは、また、従来の炉を用いる処理に比較して、より低ｋ誘電体膜を準備する。このクラスターツール上で実施される本発明の原理を用いて製造される誘電体膜は、より低い屈折率を有し、ウエハ同士の驚異的な厚さの均一性を示す。例えば、ＦＬＡＲＥ材料から誘電体膜を形成するとき、ウエハ間の厚さの均一性は、０．２％又はそれ以上（１シグマ）の範囲と成ることが容易に達成される。本発明の実施では、厚さの均一性は、ナノメトリックスツースを用いて測定された４９個の厚さデータ点から決定される。他の同一の炉ベースの処理と比較すると、本発明の誘電体膜は、より熱的な安定性を有する傾向がある。誘電体膜の高い品質によって、最終の膜は、ＬＳＩ応用のためのマルチレベルのアルミニウム（減法金属処理［ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｍｅｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ］）および／または銅（デュアル ダマスク象眼 処理［ｄｕａｌ ｄａｍａｓｃｅｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ］）とを用いて統合することができる。
【００７０】
可変性のＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）の代表的な実施形態のクラスターツール３００は、図６に概略的に示されており、このクラスターツール３００は、一般的に、中央ロボット３１０の回りに配置されて作動可能になる複数のモジュール３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８を含んでいる。有利なことに、各モジュール３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８は、フレーム、スキン、電子機器、制御ハードウエアおよびプロセッサ、設備接続部を有する完全に自立型のモジュールである。設備接続部は、ロボット３１０の下側中央に配置された設備プラットフォームに個別に連結される。このモジュール方式により、個々のモジュールをサービス、アップグレート、交換等のために容易に取り除くことができる。
【００７１】
壁３１２は、１つまたはそれ以上のドア、パネル等のアクセスポートを有し、サービスまたはメンテナンスのためにクラスターツール３００内に接近することができる。壁３１２は、また、１つ以上の透明パネルを有し、クラスターツール３００の内部領域３１６を目視することができる。
【００７２】
ロボット３１０は、ベース３２２、ジョイント３２６でベースに取り付けたジョイントアーム３２４、およびアーム３２４の遠方端３３０に取外し自在に取り付けたエンドエフェクタ３２８を備えている。エンドエフェクタ３２８は、処理されるべきウエハを取外し可能に把持する。いくつかの実施形態では、アーム３２４上に設けられるエンドエフェクタは、特定の寸法または寸法範囲を有するデバイスを把持しかつ開放することができるように設計されている。
【００７３】
このような実施形態では、エンドエフェクタは、２００ｍｍウエハから３００ｍｍウエハの処理またはその逆に切り替えるために交換される。他の実施形態では、いわゆるユニバーサルのエンドエフェクタが用いられ、このエンドエフェクタは、種々のサイズのウエハを把持しかつ開放することができる。このような実施形態では、同じエンドエフェクタが、別のエンドエフェクタに置き換えることなく２００ｍｍ及び３００ｍｍのウエハの両方を取り扱えるために用いることもできる。有利なことに、ロボット３１０は、クラスターツール３００内のどのステーションに到達することもできる。この十分な、作動範囲は、付加的および／または第２のロボットの必要を省く。１つまたはそれ以上のこのような付加的なロボットは、所望であれば、クラスターツール３００内に包含させることができる。
【００７４】
モジュラー式処理ステーションの統合した選択が可能となるように、ロボット３１０が、種々のモジュール３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８に到達できる作業範囲内に配置される。１つ以上のモジュール３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８におけるこの種のステーション、各ステーションの数、及び各ステーションの配置は、所望の処理能力、使用される処理方法、利用可能な設備、製造られるデバイスの形式等の要因に従う。各モジュールには、１つ以上のステーションが配置され、特定のモジュールに配置されたステーションは、同一又は異なるものとすることができる。説明のために、クラスターツール３００におけるステーションの１つの適当な配置が図６に示されている。
【００７５】
特に、１つ以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ステーションが、モジュール３０２内に挿入される。１つ以上のウエハ３４４を保持する１つまたはそれ以上のカセット３４２が、ドア（図示略）またはポッド（図示略）を介してＩ／Ｏステーション３４０内に載置することができる。ロボット３１０は、一般的に一度に１つのウエハをキャビネット３０２の内面３５０上のドア（図示略）を介して、カセット３４２内に保持されるウエハ３４４にアクセスすることができる。説明のために、３つのＩ／Ｏステーションが示されている。
【００７６】
１つ以上のスピンコート用ステーションがモジュール３０３内に含まれている。製造のために、２〜３のスピンコート用ステーションが配置されることが望ましい。モジュール３０４は、種々のステーションに用いられる１つ以上の処理薬品のリザーバ３４９（説明のために４つのリザーバ３４９が示されている。）に貯蔵するのに用いることができる。例えば、１つのリザーバ３４９は、溶媒のために使用され、別のリザーバは、誘電体前駆材料の流体を保持するのに使用される。これらのリザーバ３４９は、適当な鉛管類（図示略）によって１つ以上のスピンコート用ステーションに流体連結される。
【００７７】
１つ以上の焼成ステーションがモジュール３０６に包含される。この焼成ステーションは、焼成プレートばかりでなくステーション内の冷却プレートを含むことができ、焼成作業後の冷却を完了させる。モジュール３０６の好ましい実施形態では、６つの焼成ステーションを含む。モジュール３０６は、また、１つの冷却ステーションを含む。本発明の硬化／冷却の組合せステーションがモジュール３０７に包含される。モジュール３０７の好ましい実施形態では、６つの硬化／冷却の組合せステーションを含む。キャビネット３０８は、クラスターツール３００を操作するための中央コントローラを備えることもできる。
【００７８】
他の実施形態におけるＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツール３００’が図７に示され、このツールの形状は、リサーチ及び現像処理のために適切なものである。クラスターツール３００’は、一般的に、複数のモジュール３０２’，３０３’，３０４’，３０５’，３０６’，３０７’，３０８’を含み、中央ロボット３１０’の回りで作動可能に配置される。壁３１２’は、内部領域３１６’を分離するのに役立つ。モジュール３０２’は、一対のＩ／Ｏ（ＦＯＵＰ）ステーションを内装する。モジュール３０３’は、単一のスピンコート用ステーションを内装し、かつスピンコート薬品、例えば、ある実施形態では１つの溶媒と、３つの異なるスピンコート用流体を内装するモジュール３０４’の隣に配置される。最近のＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）の設計において、２つまでのスピンコート用ステーションをモジュール３０３’に包含させることができる。より多くのスピンコート用ステーションを望むのであれば、１つ以上の付加的なモジュールをクラスターツール３００’に付加することができる。モジュール３０５’は、現在は空で将来の拡張のために付加的な処理ステーションを内装することもできる。モジュール３０６’は、３つの焼成ステーションと１つの冷却ステーションを内装する。４つ以上の焼成ステーションまではモジュール３０６’に付加することができる。モジュール３０７’は、一対の硬化／冷却ステーションを内装し、かつこれらを４つ以上まで保持することができる。コントローラは、モジュール３０８’に内装される。
【００７９】
本発明のクラスターツールの好ましい作業モードが、図６および図８に示されたフローチャートに関連して以下に記載される。ステップ４０２において、ロボット３１０がＩ／Ｏステーション３４０からウエハ３４４を引き出す。このウエハを引き出す前に、その時、またはその後に、ステップ４０４において、ウエハのために１つの処理法が選択される。フローチャート４００における残りの処理ステップは、このような処理法の選択により実行される。ステップ４０６において、ロボット３１０は、スピンコート用ステーションにウエアを運ぶ。ステップ４０８に従うステーションでは、スピンコート可能な組成物は、ウエハが回転するときウエハ上に注がれる硬化可能な誘電体の前駆材料と溶媒を含んでいる。これは、使用されるコーティング材料に従って、１つ以上のコーティングステップにより達成することができる。スピンコートは、比較的薄く、均一な、流体による被膜をウエハ上に形成し、この被膜は、誘電体前駆材料と溶媒からなる。
【００８０】
一般的に、スピンコートの作業において、この組成物は、回転する基板の中央に分配される。例えば、ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールのスピンコートステーションは、同一または異なる基板上に３つまでの異なる薬品を通常連続して分配するために利用できる３つのノズルを含んでいる。この３つのノズル構造は、プライミング（ｐｒｉｍｉｎｉｇ）、溶媒を用いるプレ−ウェッティング（ｐｒｅ−ｗｅｔｔｉｎｇ）、及び製造業者により推奨される上層コーティングの３ステップ処理において、基板上にＳＩＬＫ材料をコーティングするために役立つ。各例において使用されるノズルは、基板を回転する中心軸に接近して転換されて分配を実行する。
【００８１】
中央分配は適切な技術であるが、いくつかの他のアプローチを用いて、効果的にスピンコートされる基板に必要な分配される材料の量を減少させることができる。このような１つの技術は、基板に溶媒を注いで濡らし、その後、誘電体組成物が分配される量を減少させる。プレ−ウェッティングは、誘電体組成物の必要量を減少することができる。別の技術では、回転する基板に対して外側又は内側のいずれかから半径方向にノズルが移動して誘電体組成物を分配することを含んでいる。半径方向に分配することは、プレ−ウェッティングのステップと組み合わせて用いることができる。半径方向への分配は、中心部への分配と比較すると、誘電体組成物の必要量を２５％だけ減少することができる。
【００８２】
スピンコートの後、エッジビード除去（ＥＢＲ）および／またはバックサイドリンス（ＢＳＲ）処理が選択的に行われる。このＥＢＲ処理は、適当な技術を用いて実施できる。好ましいＥＢＲ処理は、被膜されたウエハを適当な速度で回転させながら被膜されたウエハ上に溶媒のジェットを吹付けてエッジビードを切断することにより行われる。この方法で、エッジビードを切断するとき、誘電体材料の一部分は、ウエハの背面に移動する。従って、ＥＢＲ処理に続いてＢＳＲ処理を用いることが望ましく、ウエハの回転中に、背面側の破片が溶媒によって洗い流される。
【００８３】
好ましくは、ＥＢＲ処理／ＢＳＲ処理は、被膜された誘電体の前駆材料が適度に乾燥された後に実施される。１つのアプローチによれば、被膜されたウエハは、スピンコート用ステーション内に乾燥することができる。しかし、ウエハの大きさ及び薄膜の厚さにより、このような乾燥は約１分〜約５分間必要とされる。これは、特に、３００ｍｍウエハ上に被膜を１〜２μｍの厚さに施した場合である。この乾燥時間を減少させるために、被膜されたウエハを焼成ステーションへの移送を早めることができる。このため、被膜されたウエハを２〜３秒間焼成し、そして、被膜されたウエハをスピンコート用ステーションに戻して、ＥＢＲ処理とＢＳＲ処理を行う。
【００８４】
スピンコーティング及び他の選択的なＥＢＲおよび／またはＢＳＲ処理が行われた後、ステップ４１０に従って、ロボット３１０は、被膜したウエハを焼成ステーションに運ぶ。この焼成ステーションでは、ステップ４１２に従って、ウエハは焼成されて次に続く硬化ステップで硬化するために被膜した薄膜を準備するために溶媒の全てまたは一部分を取り除く。焼成は、一般的に、比較的低い温度範囲内で起こり、その温度は、推奨硬化温度以下であり、熱的な酸化の危険が少なくとも避けられる。この温度は、好ましくは十分に高く、しかし、溶媒が適切な時間で取り除けることができるような温度である。一般的に、焼成中、いわゆる重合作用のＢ段階に対する誘電体材料の硬化の促進がある。焼成のための一般的な温度は、約１００℃〜ら３５０℃の範囲にあり、好ましくは、材料によって決まるが、約２００℃〜３２５℃である。
【００８５】
焼付けコーティングにおいて残留している溶媒があると、最終の硬化した薄膜の品質及び均一性に目立った影響を与えることが見出された。特に、全て又はほとんどの溶媒（すなわち、焼付けコーティングが、焼付けコーティングの全重量に基づく０．１重量％又はそれ以下の残留溶媒を含んでいる場合）が、焼成中のコーティングから取り除かれる場合、最終の硬化した誘電体膜の品質が、デバイス間で大きく変化する。さらに、最終の硬化した材料自体が、最初の前駆材料に基づいて予想されるものと大いに異なってしまう。
【００８６】
対照的に、残留溶媒の量が焼成後のコーティングにおいて残り、さらに硬化中に存在する場合、最終の硬化した薄膜の特性が大いに均一になる。この硬化した材料自体の性質は、最初の前駆材料に対してより良く相関している。従って、焼成ステップにおいて残留溶媒のわずかな量だけ残してほとんどを除去することが好ましい。それゆえ、本発明の焼付けコーティングは、少なくとも約０．１重量％〜約５重量％、好ましくは約０．５〜２重量％の残留溶媒を含み、また、さらに最適には、焼付けコーティングの全重量に基づく残留溶媒の約１重量％を含むことが望ましい。
【００８７】
焼成が完了すると、ウエハは、冷却され、そしてステップ４１４に従って、ロボット３１０は、焼成ステーションから硬化及び冷却の組合せステーションに焼成したウエハを運ぶ。ステップ４１６では、ウエハは、組合せステーションに載置され、このステーションにＮ２が除去され、あるいは同様にＯ２を所望のレベルまで減少させ、ウエハ上に焼成した被膜が硬化される。そして、硬化した薄膜は、冷却ガスを用いて冷却され、冷却されたウエハがステーション３６２から取り出される。
【００８８】
ステップ４１８に従って、ロボットはウエハを冷却ステーションに運ぶ。そこで、ウエハは、ステップ４２０において、所望の最終温度に冷却される。ロボット３１０は、ステップ４２２において、ウエハをＩ／Ｏステーションに戻し、そのウエハのための処理を完了する。フローチャート４００に示された処理が、同一および／または異なる処理法を用いて、１つまたはそれ以上の連続する付加的なウエハに対して連繰り返される。薄膜が形成された後、その後、適当な技術を用いて絶縁要素又は同等物を形成するためにパターン化される。
【００８９】
本発明におけるクラスターツール等の統合処理システムの環境における本来の冷却工程は、大きな利益を与える。上述したように、第１に、この冷却は、ウエハがステーション３６２から取り出されたとき、ウエハを熱的酸化から保護するのを助ける。これは、最終の誘電体膜の品質を確実に高める。第２に、ロボットがより熱いウエハを処理するときの環境に比較して、冷却したウエハにエンドエフェクタによる印を残すことなく取り扱える。これは、最終の誘電体膜の品質を向上させる。
【００９０】
第３に、図８において、本来の冷却工程は、処理されたウエハが硬化及び冷却作業中に全く同一の処理が行われるので、硬化及び冷却工程の間の時間間隔ｔ３における変動を取り除く。この一致したタイミング能力は、最終の誘電体膜の品質を高めるばかりでなく、ウエハ同士における誘電体膜上の硬化した低誘電率スピンコートの均一性を激的に向上させる。対照的に、硬化および冷却工程の間の時間間隔ｔ３における変動があまりに大きいと、炉内でバッチ硬化されるウエハの場合、均一性は、より悪くなり、独特な処理による印が個々のウエハに対して識別できなくなる。
【００９１】
実際、この時間間隔ｔ３を一致させ、また、好ましくは、時間間隔ｔ１と時間間隔ｔ２のステーション間の移送を一定に維持しかつ制御することは、マイクロエレクトロニクスの基板の処理において、非常に柔軟性と均一性を与える。焼成、コーティング、硬化及び冷却の各作業間のこれらの時間間隔を一定にさせることによって、次の特定の処理法が、基板から基板へほとんど変動なく特定の品質を有する誘電体膜を与えることになる。
【００９２】
例えば、複数のウエハは、システムを通して順次処理され、各ウエハは、同一のコーティング、焼成、硬化、冷却の工程、さらに、選択的に、（同一の時間間隔ｔ１、ｔ２、ｔ３を含む）冷却法が施され、ウエハ間の厚さが均一な低ｋ誘電体の薄膜を有する基板が与えられる。
【００９３】
さらに、複数のウエハが、２つ又はそれ以上の処理法を用いて順次システムを通して処理される。そして、特定の処理法に従って処理された一群のウエハが最終的に互いに区別できないようになる。この柔軟性は、フライ上で処理されるカスタムメードの基板を可能にする。このような均一性は、誘電体組成物の回転によるコーティング、焼成、硬化、及び冷却工程が、単一の統合したシステムに統合されなければ、時間間隔ｔ１、ｔ２、ｔ３が容易に制御されないので、容易に達成することができない。
【００９４】
さらに、クラスターツール３００は、マルチコーティング、焼成、硬化／冷却、及び冷却の各ステーションを含むので、複数のウエハが１つまたはそれ以上の処理法に従って並行に処理することができる。重要なことは、少なくとも一部は、時間間隔ｔ１、ｔ２に渡るステーション間の制御と、時間間隔ｔ３のステーション内の制御に頼っていることであり、（たとえ、時間ｔ３が実際にはゼロでほとんど遅れることなく硬化から冷却へ移行できるとしても、）同一の処理法に従って準備された薄膜の均一性を得るのは例外的であり、特定の基板が別の基板よりも１つまたはそれ以上の異なるステーションで処理することができたとしても、薄膜の均一性を得ることは難しい。
【００９５】
従って、複数の基板に特定のコーティング、焼成、及び硬化／現場冷却処理法を施すとき、このようなデバイスの各々に対して時間間隔ｔ１、ｔ２、ｔ３の少なくとも１つが制御されることが望ましい。さらに好ましくは、これらの時間間隔の２つまたはそれ以上が、基板から基板へ一定となるように制御され、さらに、それぞれの基板に対してこれらの時間間隔の全てが制御されることが望ましい。これらの時間間隔に関して「ほぼ同一」という語句は、特定の基板に対するこのような時間間隔が、このような処理法に従って処理される他の基板に対する対応する時間間隔に対して、２５％以下、好ましくは１０％以下、より好ましくは、せいぜい約１％だけ変化することを意味する。
【００９６】
ウエハの並行処理は、図９にフローチャート５００によって概略的に示されており、このチャートに示すシステムでは、単一のＩ／Ｏステーション、３つのスピンコーティングステーション、３つの焼成ステーション、３つの硬化／冷却ステーション、及び３つの冷却ステーションを含んでいる。フローチャート５００は、３つの代表的な処理ウエハに対する処理のフローパス５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃが示されている。典型的な処理のフローパス５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃによって示されているように、各ウエハは、ステップ５０２において、Ｉ／Ｏステーションから引き出され、そして、ステップ５０４において、他の処理中のウエハに対する処理法と同一又は異なる特定の処理法を用いて関連付けられる。
【００９７】
つぎに、各ウエハは、コーティングステップ５０６、焼成ステップ５０８、硬化／冷却ステップ５１０、冷却ステップ５１２、およびデバイスがＩ／Ｏステーションに戻されるステップ５ １４を順次通過する。この処理は、所望の数のウエハに対して繰り返すことができる。単一の処理法が全てのウエハに行われると、各ウエハ上の最終の誘電体膜は、たとえ１つの特定の薄膜が他の薄膜よりも１つまたはそれ以上の異なるステーションで処理されたとしても、同一となる。１つ以上の処理法が行われる場合、特定の処理法に従って製造された最終の薄膜は、最終的に互いに同一となる。
【００９８】
最大の処理能力に対して、３つのウエハが並行して処理される。本発明の実施において、これは、必ずしも特定の３つのウエハが並列に同一ステップで処理されることを意味するもののではなく、むしろ１つのウエハに対するコーティング、焼成、及び硬化／冷却の作業段階の少なくとも一部分が、他のウエハの一方または両方に対してコーティング、焼成、及び硬化／冷却の作業段階の少なくとも一部分が生じている間に、起こることを意味している。
【００９９】
さらに、１つ以上のウエハが、特定のフローパス５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃに従ってまたは同等のパスが一度に処理される。例えば、フローパス５０１ａ上の１つのウエハが冷却ステップ５１２がおこなわれている場合、１つまたはそれ以上のウエハが、１つまたはそれ以上の他のステーションで同一のフローパスに従う。言い換えれば、処理中のウエハは、１つのステーションを出て、このステーションが空くや否や、処理能力を最大化させるために、別の処理中でのウエハをそのステーションで処理することができる。次の実施例に関連して、さらに本発明を説明する。
【０１００】
（実施例１）
低ｋスピンオン誘電体薄膜は、ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールを用いる２５個のシリコンウエハのバッチ上に形成された。ウエハを貯蔵するカセットは、クラスターのＩ／Ｏモジュール内に配置される。各ウエハは、クラスターツールと共にパッケージされたソフトウエアを介して制御される同一の、所定のシーケンシャル処理を用いて処理された。
【０１０１】
各ウエハは、最初、中央ロボットによってＩ／Ｏモジュールから被膜ステーションに搬送された。被膜ステーションでは、ウエハは定着剤（ダウケミカル社から利用できるＡＰ４０００）を用いて被膜された。このＡＰ４０００の定着剤（１ｍｌ）は、ウエハが２５００ｒｐｍで回転している間各ウエハの中心に分配された。この分配の後、中央ロボットは、ウエハを被膜モジュールから焼成ステーションに搬送する。ウエハ上のＡＰ４０００の被膜は、２００℃で６０秒間焼成された。このウエハは、次に、中央ロボットによって焼成ステーションから冷却ステーションに運ばれ、２０℃で２０秒間処理された。中央ロボットは、冷却したウエハを移動して被膜ステーションに戻した。この被膜ステーションにおいて、低ｋＳＩＬＫ誘電体の前駆材料（ダウケミカル社）が、動的な分配法を用いて１５００ｒｐｍの分配速度でウエハの中心に（１．８ｍｌ〜３ｍｌ）分配された。この分配の後、ウエハのスピン速度は、４５秒間で３６００ｒｐｍにまで上昇された。エッジビードの除去（ＥＢＲ）がウエハのエッジから２ｍｍの位置でシクロヘキサノン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ）を用いて１５００ｒｐｍで実行した。ＢＳＲ処理は、また１５００ｒｐｍのスピン速度でシクロヘキサノンを用いて実行された。ウエハは、さらに１０秒間３０００ｒｐｍでスピンコートが続けられた。
【０１０２】
中央ロボットがウエハを第１のＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーションに運び、３２５℃で６０秒間ベーキング（焼成）工程を実行した。このウエハは、４５０℃に維持された加熱プラテンを有する次のＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーションに運ばれた。被膜されたＳＩＬＫ材料の薄膜は、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内において、４５０℃で１８０秒間、酸素レベルが２０ｐｐｍ以下に維持された状態で硬化された。この硬化されたウエハは、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内で、窒素を用いて嫌気性状態を維持しながらウエハを支持するためのピンを用いる加熱プラテンからウエハを持ち上げることによって冷却された。ウエハがいったん３２５℃以下に冷却されると、ウエハは、次に冷却プレート上に運ばれて２０℃で２０秒間冷却された。この処理された複数のウエハは、カセットに戻された。
【０１０３】
ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内にウエハが載置されている間、ウエハが上昇ピン上に配置されたとき、窒素が５５ 標準ｆｔ３／ｈｒ（ＳＣＦＨ）で外側プレナムを通して流れた。ドアを閉鎖した後、ウエハがまだピン上にあるとき、窒素が５５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れ、また、窒素が４５ ＳＣＦＨで外側プレナムを通って流れた。硬化中、窒素は、４５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れた。ウエハがリフトピン上で冷却された時、窒素は、それぞれ５５ ＳＣＦＨおよび４５ ＳＣＦＨで、内側および外側プレナムを通って流れた。
【０１０４】
各ウエハ上の最終のＳＩＬＫ薄膜の厚さは、ナノメトリクス（Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ）で商業的に利用可能な器具を用いて測定された。平均厚さは、約５０００オングストロームであり、厚さの均一性は、＝０．１５％（１シグマ）であった。
【０１０５】
比較のために、２５個のウエハのバッチが同様の方法で処理された。一方、比較用のウエハは、これらとは異なり、炉内（エクスシチュー法）において、４００℃で６０分間硬化され、かつ冷却された。
【０１０６】
ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールで処理されたウエハの種々の特性が測定され、また比較用のウエハが測定された。ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールで処理されたウエハの平均屈折率１．６０８９と、炉内で硬化した薄膜の平均屈折率１．６２０６がそれぞれ改善されたことが示された。この特性と他のデータが、次の表１のように報告された。
（実施例２）
低ｋスピンコートによる誘電体の薄膜は、ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールを用いる２５個のシリコンウエハのバッチ上に形成された。ウエハを貯蔵するカセットは、クラスターのＩ／Ｏモジュール内に配置される。各ウエハは、クラスターツールと共にパッケージされたソフトウエアを介して制御される同一の、所定のシーケンシャル処理を用いて処理された。
【０１０８】
この処理を実行するために、ウエハはロボットによって被膜ステーションに搬送された。低誘電率ＳＩＬＫ（新バージョン、定着剤を必要としない）誘電体の前駆材料（ダウケミカル社）の溶媒は、動的な分配法を用いて１５００ｒｐｍの分配速度でウエハの中心に（１．８ｍｌ〜３ｍｌ）分配された。この分配の後、ウエハのスピン速度は、４５秒間で３６００ｒｐｍにまで上昇させた。エッジビードの除去（ＥＢＲ）がウエハのエッジから２ｍｍの位置でシクロヘキサノン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ）を用いて１５００ｒｐｍで実行した。ＢＳＲ処理は、また１５００ｒｐｍのスピン速度でシクロヘキサノンを用いて実行された。ウエハは、さらに１０秒間３０００ｒｐｍでスピンコートが続けられた。
【０１０９】
中央ロボットがウエハを第１のＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーションに運び、３２５℃で６０秒間ベーキング工程を実行した。このウエハは、４５０℃に維持された前加熱プラテンを有する次のＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーションに運ばれた。被膜されたＳＩＬＫ材料の薄膜は、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内において、４５０℃で１８０秒間、酸素レベルが２０ｐｐｍ以下に維持された状態で硬化された。この硬化されたウエハは、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内で、窒素を用いて嫌気性状態を維持しながら３２５℃以下の温度に冷却された。ウエハは、冷却プレート上に運ばれて２０℃で２０秒間冷却された。この処理された複数のウエハは、カセットに戻された。
【０１１０】
処理室内に載置されている間、窒素が５５ ＳＣＦＨで外側プレナムを通して流れた。ドアを閉鎖した後、ウエハがまだピン上にあるとき、窒素が５５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れ、また、窒素が４５ ＳＣＦＨで外側プレナムを通って流れた。硬化中、窒素は、４５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れた。ウエハが昇降ピン上で冷却された時、窒素は、それぞれ５５ ＳＣＦＨおよび４５ ＳＣＦＨで、内側および外側プレナムを通って流れた。
【０１１１】
各ウエハ上のＳＩＬＫ薄膜の厚さは、ナノメトリクス（Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ）で商業的に利用可能な器具を用いて測定された。平均厚さは、約５９００オングストロームであり、厚さの均一性は、０．１５％（１シグマ）以内であった。３１４ｎｍでの薄膜の屈折率は、１．９０７であった。
【０１１２】
（実施例３）
実施例２と同様の方法で、３００ｎｍのウエハがＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツール上で処理された。しかし、これらのウエハは、各ウエハが１７００ｒｐｍで回転している間に、低誘電率ＳＩＬＫの誘電体前駆材料で被膜された。さらに、ウエハは、冷却され、そしてカセットに戻すために運ばれる前に、３００℃以下で本来の場所において冷却された。最終の薄膜の平均厚さは、約１０，０００オングストロームであり、厚さの均一性は、＜０．２５％（１シグマ）であった。３１４ｎｍでの薄膜の屈折率は、１．９０４であった。
【０１１３】
（実施例４）
低ｋスピンコートによる誘電体の薄膜は、ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールを用いる２５個のシリコンウエハのバッチ上に形成された。ウエハを貯蔵するカセットは、クラスターのＩ／Ｏモジュール内に配置される。各ウエハは、クラスターツールと共にパッケージされたソフトウエアを介して制御される同一の、所定のシーケンシャル処理を用いて処理された。
【０１１４】
この処理を実行するために、中央ロボットによってウエハは被膜ステーションに搬送された。低誘電率ＦＬＡＲＥの誘電体前駆材料（ハネウエル社）は、動的な分配法を用いて１５００ｒｐｍの分配速度でウエハの中心に（２．５ｍｌ）分配された。この分配の後、ウエハのスピン速度は、４０秒間で３６００ｒｐｍにまで上昇させた。エッジビードの除去（ＥＢＲ）がウエハのエッジから２ｍｍの位置でシクロヘキサノン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ）を用いて１５００ｒｐｍで実行した。ＢＳＲ処理は、また１５００ｒｐｍのスピン速度でシクロヘキサノンを用いて実行された。ウエハは、さらに１０秒間３０００ｒｐｍでスピンコートが続けられた。
【０１１５】
中央ロボットが、複数のウエハをそれぞれ、１５０℃、２００℃、２５０℃に維持された連続する焼成ステーションに運んだ。この焼成工程は、各温度において６０秒間実行された。これらのウエハは、さらに、４５０℃に維持された前加熱プラテンを有するＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーションに運ばれた。被膜されたＦＬＡＲＥ材料の薄膜は、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内において、４５０℃で１８０秒間、酸素レベルが２０ｐｐｍ以下に維持された状態で硬化された。この硬化されたウエハは、ＩＮＳＴＡＣＵＲＥＴＭステーション内で、窒素を用いて嫌気性状態を維持しながら３２５℃以下の温度に冷却された。ウエハは、冷却プレート上に運ばれて２０℃で２０秒間冷却された。この処理された複数のウエハは、カセットに戻された。
【０１１６】
処理室内に載置されている間、窒素が５５ ＳＣＦＨで外側プレナムを通して流れた。ドアを閉鎖した後、ウエハが加熱されたプラテンと熱的に接触して低下する前に、窒素が５５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れ、また、窒素が４５ ＳＣＦＨで外側プレナムを通って流れた。硬化中、窒素は、５５ ＳＣＦＨで内側プレナムを通って流れた。ウエハの冷却中、窒素は、それぞれ５５ ＳＣＦＨおよび４５ ＳＣＦＨで、内側および外側プレナムを通って流れた。
【０１１７】
各ウエハ上のＦＬＡＲＥ薄膜の厚さは、ナノメトリクス（Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ）で商業的に利用可能な器具を用いて測定された。平均厚さは、約５９９０オングストロームであり、厚さの均一性は、０．１５％（１シグマ）以内であった。
【０１１８】
比較のために、２５個のウエハのバッチが同様の方法で処理された。比較用のウエハは、炉内（エクスシチュー法）において、４００℃で６０分間硬化され、かつ冷却されたことを除く。
【０１１９】
ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールで処理されたウエハの種々の特性が測定され、また比較用のウエハが測定された。ＣＡＬＹＰＳＯ（登録商標）のクラスターツールで処理されたウエハの平均屈折率１．６２０６と、炉内で硬化した薄膜の平均屈折率１．６２０６がそれぞれ改善されたことが示された。この特性と他のデータが、次の表２のように報告された。
本発明の他の実施形態は、本明細書又はここに開示された本発明の実例から当業者であれば容易に明らかになるであろう。ここに記載された原理および実施形態に対する種々の省略、修正、及び変更は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び技術的思想から逸脱しないで当業者によって作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る統合化された硬化／現場冷却ステーションの一部分解斜視図である。
【図２】
図１に示す装置の処理室の断面図である。
【図３】
図１の装置で使用されるリッドの分解斜視図である。
【図４】
図１の装置で使用される加熱プラテンとその発熱素子の概略図である。
【図５】
図１の装置の作動中に酸素レベルを制御するシステムの概念図である。
【図６】
生産に適した、本発明に係るツールクラスターの概略図である。
【図７】
研究および開発に適した、本発明に係るツールクラスターの概略図である。
【図８】
基板上に低ｋスピンオン誘電体膜を形成するための、図６のツールクラスターの１つの作動態様を示すフローチャートである。
【図９】
並列的な方法で、基板上に低ｋスピンオン誘電体膜を形成するための、図６のツールクラスターの別の作動態様を示すフローチャートである。[0001]
(Technical field)
The present invention relates to systems and methods for forming dielectric films suitable for microelectronics applications, such as for use in forming interconnect structures in logic and memory devices. In particular, the present invention relates to a method in which such a film thermally cures a dielectric precursor material on a substrate of a microelectronic device in a processing chamber and then in-situ cures the cured material before the substrate is removed from the chamber. An integrated system and method formed by cooling at the same time.
[0002]
(Background technology)
As the operating frequency of electronic devices enters the gigahertz range and device geometries shrink, high-performance ULSI circuits are designed to reduce power consumption, reduce signal delays, and minimize interconnect crosstalk. There is a need for low dielectric constant insulating materials (low k dielectrics). Low dielectric constant materials are highly desirable for many microelectronic device applications, including applications for gap filling and Damascene processes. The dielectric constant of a dielectric is one of the characteristics indicating its quality. Other properties indicative of the quality of the dielectric include mechanical properties, refractive index, uniformity, thermal stability, manufacturability, integration with Cu or Al, and the like.
[0003]
Most dielectric films are formed using either spin coating or chemical vapor deposition (eg, PECVD or HDP). In the spin coating method, a spin coatable solution containing a dielectric film precursor (usually at least one of a curable monomer, oligomer, and polymer) dissolved in a suitable solvent is converted into a microelectronic device precursor. Spin coating is performed on a rotating substrate, such as a material (eg, a silicon wafer) or the like, to form a uniform, relatively thin coating on the substrate. The coated substrate is then fired, typically at a temperature in the range of 100 ° C. to about 325 ° C., to remove the solution, dry the coating, and allow the dielectric to proceed to the B stage of polymerization. Is done. The coating is then cured by heating the substrate at a suitable curing temperature, typically in the range of about 350C to about 450C, and proceeds to the C stage of polymerization.
[0004]
The cured dielectric film is generally referred to as a low k spin-on dielectric. A variety of low k spin-on dielectric precursor materials are available from various companies and are sold for forming dielectric films in microelectronic devices. Representative examples of such products are marketed under the following trademarks: That is, Honeywell, Inc. FLARE, Dow Chemical Co. SILK, Schumacher's VALOX, Honeywell, Inc. HOSP, and HSQ from Dow Corning Company. FLARE and SILK are polyarylethers and aromatic hydrocarbons, respectively, and are organic materials. HOSP is a methyl-substituted silsesquioxane, an inorganic-organic composite. HSQ is hydrogenated silsesquioxane, an inorganic material. Successful integration of these materials with multi-layered aluminum and / or copper in a dual damascene process requires specific process steps for each material, but each material is typically about Heat cured at a temperature in the range of 350C to about 450C.
[0005]
Dielectric precursor materials that form porous dielectric films (preferably ultra-low k and ultra-low k films) upon curing are also known. These materials generally include not only the curable dielectric precursor material but also one or more relatively volatile components (referred to as "porogens"). These porogens have a tendency to evolve gas upon curing and contribute to the porosity of the membrane. Representative examples of such materials are known under the following trademarks respectively. That is, Dow Chemical Co. NAUTILUS TM , Honeywell, Inc. POROUS FLARE TM POLY ELK from Schumacher (Carlsbad, CA) TM And MONO ELK TM , JSR Corp. LKD TM , Catalysts and Chemicals, Ltd. (Japan) ISP TM , Hitachi Chemical Co., Japan. , Ltd., Ltd. HSG TM It is.
[0006]
The method of curing the low-k spin-on dielectric has a significant effect on the quality of the synthesized dielectric film. If the curing is performed carelessly, the quality of the film is impaired. For example, the film may be of poor quality and cannot be used as a blanket film, may not be able to withstand the aluminum or copper integration process, or may be both. Factors affecting the curing include the time of the curing process, the temperature, and the method of controlling the processing environment.
[0007]
Conventionally, the coating step and the baking step have been performed in the same apparatus by an integrated method. However, the curing step has usually been accomplished by heating a batch of coated microelectronic device substrates in an independent furnace. Furnaces were preferred because it was conventional wisdom that curing treatment with a heated platen could not produce a dielectric film of the quality required by the microelectronics industry.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the inventor's view, furnace treatment is not the optimal method. Furnace curing is often a batch process, which involves curing 30 to 100 or more wafers at once, but manufacturers have decided to use each and every wafer in the process. For single wafer processing, which helps to ensure that they are processed under the same conditions. Single-wafer processing is desirable because only one substrate is at risk if the processing fails. On the other hand, if a failure occurs during the curing process in an oven, the entire batch of substrates may be damaged. Given that a single 300 mm wafer in a process can be worth up to $ 1 million or more, it is important to minimize the risk of processing.
[0009]
In the course of developing the present invention, the inventor has confirmed that some non-uniformity and quality problems inevitably occur during the formation of the dielectric film during furnace processing. In the inventor's view, at least in part, the reason for these non-uniformity and quality problems is that the time between firing and curing steps varies too much from substrate to substrate. In general, previously fired substrates must wait until later substrates are fired before the entire batch is placed in the furnace. Certainly, in the conventional treatment, the management of the time between the firing step and the curing step was insufficient. Time management between and within other stations was also inadequate. Examples in conventional processing include a delay between the coating and baking steps, and a delay between the curing step and the subsequent cooling step. The inventors have discovered that this type of time variation can have a detrimental effect on film quality and uniformity between lots and even between substrates. Furthermore, unlike compact, space-saving heating platens, many furnaces are stand-alone units of considerable size that occupy valuable cleanroom floor space.
[0010]
Thus, to improve the method of manufacturing low-k dielectric films, and in particular to minimize the risk of processing variations having a detrimental effect on multiple wafers by using single-wafer processing. Still have strong demands. There is still a need for effective use of curing of low k spin-on dielectrics with a heated platen.
[0011]
(Disclosure of the Invention)
The present invention provides an improved single wafer processing method and system for producing films having low dielectric properties and low refractive index. The low k spin-on dielectric films of the present invention are also characterized by exceptionally high levels of uniformity, thermal stability, and mechanical properties. Importantly, these features are achieved with high productivity, for example, up to 100 substrates per hour per 64 square feet of clean room floor space. Further, in a preferred embodiment, both 200 mm and 300 mm substrates can be processed with the same tool.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is based on several innovations that, alone and in combination, serve to provide these advantages. First, it has been discovered that controlling the time of at least one of the steps of coating, baking, curing, and cooling significantly increases the productivity, uniformity, and quality of the low-k dielectric film. Such uniformity allows substrates to be processed in series, in parallel, or as required by the customer, using one or more processing techniques. At this time, it is possible to process with confidence that the films formed according to a specific method are substantially identical to each other, and the variation due to the effects of the processing remaining on the film is very small, if any. it can.
[0013]
Further, the quality and uniformity of the low k spin-on dielectric has also been greatly enhanced by integrating the coating, firing, curing, and cooling actions into a single integrated processing system. Such integration makes it possible to control the consistency and timing of all processing steps performed during the formation of the dielectric film. A specific processing method can be executed for each substrate or each lot with almost no detectable variation as compared with the processing using a conventional furnace.
[0014]
Another feature of the present invention that helps provide a high quality dielectric film is an innovative processing station where a curing process and an in-situ cooling process after curing are performed. By integrating the curing and cooling processes into the same processing station, any type of variation in the curing and cooling processes, including time variations, is virtually eliminated. This is an extremely advantageous point, as the curing step in forming the dielectric film is often the most important step during processing. Integrates curing and cooling into a single processing station, providing precise control of oxygen exposure at all times when low-k spin-on dielectric films are hot enough to be damaged by thermal oxidation It is also possible to do. In situ cooling, as opposed to robotic handling of hot devices with a dielectric film, minimizes the effect of the robot on the cooled device when the device is removed from the equipment by the robot. It is also possible.
[0015]
The present invention also includes an innovative configuration of an integrated curing / in-situ cooling processing station, which allows the use of a simple heated platen instead of a furnace in the thermal curing process. Because the heating platen is more compact than the furnace, the availability of the heating platen allows the processing station to be integrated into the same set of tools as the coating station and firing station. This makes it easy to form the dielectric film consistently with little variation in individual processing steps for each substrate and each lot.
[0016]
Many features of this innovative configuration allow for the curing of a low k spin-on dielectric with a heated platen during production and / or R & D. These innovative features include, but are not limited to: That is,
(A) an innovative lid mechanism with multiple plenums that can carefully control the gas flow dynamics in the chamber;
(B) a side door mechanism that minimizes exposure to the surrounding environment when loading and unloading the substrate of the microelectronic device in the process;
(C) a hollow base supporting the heating platen, which serves to thermally insulate the heating platen from its housing;
(D) a housing with a double wall that enhances thermal insulation from the environment of the heating platen and the processing chamber;
(E) a cooled seal between the heated platen utility passage and the housing (this allows the use of a polymeric seal, which could otherwise be damaged by the high temperatures created by the spin-on dielectric curing process). ,
(F) the ability to control the oxygen content in the processing chamber for any desired time in the curing and cooling operating phases;
(G) the ability to evacuate the processing chamber when handling materials such as porous spin-on dielectrics, and
(H) The ability to cool devices in place using gas
It is.
[0017]
One aspect of the invention relates to a method of forming a cured dielectric composition on a substrate, comprising the following steps. That is,
(A) coating at least a portion of the substrate with a composition comprising a thermally curable dielectric precursor material;
(B) placing the coated substrate in a processing chamber;
(C) while the coated substrate is placed in the processing chamber,
(I) thermally curing the dielectric precursor material to form a cured dielectric composition;
(Ii) contacting a cooling gas with the cured dielectric composition;
(D) contacting the cooling gas with the cured dielectric composition, and then discharging the coated substrate from a processing chamber.
[0018]
Another aspect of the invention relates to a method of forming a dielectric composition on a plurality of substrates, including the following steps. That is,
(A) coating a composition comprising a curable dielectric precursor on a first substrate;
(B) starting a baking process in advance after a first time interval from the end of the coating process, and firing the coated substrate in advance;
(C) starting a thermal curing process after a second time interval from the end of the pre-baking process to thermally cure the coated substrate;
(D) starting the cooling process after a third time interval from the end of the thermal curing process to cool the thermally cured substrate;
(E) repeating steps (a)-(d) for at least one additional substrate, wherein the coated first substrate and the at least one additional coating Characterized in that the respective second time intervals for each of the prepared substrates are substantially equal.
[0019]
Another aspect of the invention relates to a method of forming a cured dielectric composition on a substrate. A composition comprising a thermosetting dielectric precursor material and an amount of a solvent such that the composition has a coatable viscosity is coated on at least a portion of the substrate. The coated substrate is first pre-fired at a relatively low temperature profile under conditions such that at least a portion of the coated dielectric precursor material does not cure and the coated composition contains residual solvent. Is done. The dielectric precursor is thermally cured at a second, relatively high temperature profile under conditions such that at least substantially all of the dielectric precursor is cured to form a dielectric composition. The cured dielectric composition is then cooled.
[0020]
Another aspect of the invention relates to a method of forming a cured dielectric composition on a substrate. A composition comprising a thermoset dielectric precursor material is coated on at least a portion of the substrate. The coated substrate is placed in a processing chamber. While the coated substrate is placed in the processing chamber, the dielectric activator is thermally cured to form a cured dielectric composition, wherein at least some of the thermal curing is performed under non-oxygen conditions. Below), the cured dielectric composition is cooled by contact with the gas. After the cured dielectric composition has cooled by contact with the gas, the coated substrate is removed from the processing chamber.
[0021]
According to another aspect, the present invention relates to a method of forming a respective dielectric composition on a plurality of substrates, comprising the following steps. That is,
(A) coating a first composition comprising a first dielectric precursor material on a first substrate;
(B) arranging the coated first substrate in a processing chamber;
(C) while the coated first substrate is placed in the processing chamber,
(I) bringing the first substrate into thermal contact with a heat source in a state where the first substrate thus coated can be thermally cured;
(Ii) contacting a cooling gas with the thermoset first substrate;
(D) a step of repeating the steps (a) to (c) for the second substrate.
[0022]
According to another aspect, the present invention relates to a method of forming a respective dielectric composition on a plurality of substrates, comprising the following steps. That is,
(A) providing a first and a second group of substrates including at least one substrate to be processed;
(B) According to the first processing method,
(I) coating a composition comprising a first dielectric precursor material on each of the first group of substrates;
(Ii) placing each of the coated first group of substrates in a processing chamber;
(Iii) while each of the first group of substrates is disposed in the processing chamber, the first group of coated substrates is in thermal contact with a heat source in a thermosetting condition; and Contacting a cooling gas with each of the cured first substrates;
(C) a step of repeating step (b) for each substrate of the second group according to a second processing method different from the first processing method.
[0023]
According to another aspect, the invention relates to an apparatus for heat treating a precursor for a microelectronic device. The apparatus includes a processing chamber in which precursor materials are disposed during processing. The heat source is coupled to the processing chamber in such a way that the precursor material can be heated during processing. The cooling gas source is fluidly connected to the processing chamber in such a way that the cooling gas contacts and cools the precursor material during processing. The control system controls the heat and cooling gas sources to expose the precursor material to a desired heat treatment profile that includes at least one heating step and at least one cooling step during processing.
[0024]
According to another configuration, the present invention provides a cluster tool that includes at least one combined heating / cooling processing station. The station includes a processing chamber in which precursor materials are placed during processing. The heat source is coupled to the processing chamber in such a way that the precursor material can be heated during processing. The cooling gas source is fluidly connected to the processing chamber in such a way that the cooling gas contacts and cools the precursor material during processing.
[0025]
The above and other advantages of the present invention, and the manner of achieving them, will become more apparent by referring to the following description of a preferred embodiment of the invention in connection with the accompanying drawings, in which: The invention itself will be better understood.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Description of a preferred embodiment)
The principles of the present invention are advantageously implemented in connection with an innovative processing station that can cure a low k spin-on dielectric and then cool it in place using gas. An exemplary embodiment of such a processing station is a co-pending U.S. patent application of the assignee of the present invention, assigned to Womack and others, and entitled "Heat Treatment Chamber for Heating and Cooling Waferlike Objects" No. 09 / 351,586, filed Jul. 12, 1999, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Another particularly preferred embodiment of such a processing station is called "INSTACURE" and is a trademark of FSI International, Inc. (Fremont, CA) to CALYPSO TM It can be purchased as a cluster tool module.
[0027]
The INSTACURE processing station is generally the same as the processing station described in the above-assigned co-pending application of the present invention, with the following five differences. First, the chambers and bake plates of the INSTACURE processing station are sized to handle a range of device sizes, including both 200 mm and 300 mm semiconductor wafers. Second, the bake plate included in the INSTACURE processing station includes independently controllable inner and outer heating zones. Third, the lid mechanism of the INSTACURE processing station has been modified to introduce one or more gases into the processing chamber through a showerhead mechanism including a plurality of gas ports in the inner and outer lid plenums. . Fourth, the cooling and evacuation structures at the base of the bake plate support layer of the INSTACURE processing station are more compact and efficient. Fifth, the bottom of the INSTACURE processing station housing has double walls to further improve the thermal insulation properties of the housing.
[0028]
These five changes are illustrated in FIGS. 1-4, which illustrate an exemplary embodiment of the "INSTACURE"
[0029]
1 to 4 show an apparatus including a
[0030]
Although processing
[0031]
The components of the
[0032]
A
[0033]
Further, it is preferable that the
[0034]
The door closing mechanism 30 controls opening and closing of the
[0035]
To facilitate this sealing arrangement, an outer annular sealing surface 35 may be provided that secures a peripheral flange 34 to the side wall 22 around the
[0036]
In accordance with one aspect of the present invention, the sidewall 22 preferably comprises a multi-wall structure (ie, a plurality of walls having two or more gaps). For example, according to the embodiment shown in FIGS. 1-4, the sidewall 22 includes a radially extending annular top 36, a radially extending annular middle portion 38, and a radially extending annular bottom 40. ing. Further, an outer wall 42 is provided and joined to the annular top 36, the annular middle 38, and the annular bottom 40 to define a double wall structure. The outer wall 42 may include an upper wall 44 and a lower wall 46, which may be assembled separately or as a single integrated part. In this regard, the annular intermediate portion 38 may extend around the entire perimeter of the side wall 22 or may be disposed about the side wall 22 as a plurality of interspersed protrusions. Alternatively, the annular intermediate portion 38 may be absent, but is preferably present because the double wall structure helps provide mechanical structural strength.
[0037]
In each case, the double wall structure defines one or more internal wall spaces and is divided into an upper wall space 48 and a lower wall space 50 as shown. The upper wall space 48 does not extend all around the
[0038]
The bottom wall 20 of the processing chamber is preferably formed integrally with the side wall 22. However, otherwise, they may be formed separately and secured to the side wall 22 by any conventional method such as welding. In the present embodiment, the bottom wall 20 has a double wall structure including an inner wall layer 21 and an
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
Other heating mechanisms may be used if desired. For example, the above-identified co-pending patent application of the present invention discloses a heating platen with a single heating wire embedded in the heating platen in a uniform spiral. Instead of the heating wire, a sheet heating element including a film layer or a mica layer having a heater circuit printed on the surface may be used. Such a planar heating element may be formed on the support surface 90. Alternatively, one or more heater circuits may be printed directly on the top surface of the
[0042]
The
[0043]
An exhaust channel 66 is also located in the thick central portion 64 of the bottom wall 20 and provides a passage for processing fluid removed from the
[0044]
The central portion 64 of the bottom wall 20 also includes a cooling channel 78 for circulating a cooling fluid (eg, a gas or liquid), which helps to cool the seal ring 60. The cooling channel 78 preferably includes a groove formed in the central portion 64 of the bottom wall 20, the groove opening to the outside of the bottom wall 20. The cooling channel 78 preferably has a generally circular shape when viewed in plan and is in thermal proximity to the seal ring 60, but is kept so as not to reach a full circle, and the cooling channel 78 It is preferable that one end can be used as an inlet and the other end can be used as an outlet. A plate 80 is secured to the central portion 64 of the bottom wall 20 to close the cooling channel 78 from the outside, thereby sealing the cooling channel 78 and providing an inlet passage and an outlet passage (not shown). The inlet and outlet passages allow the cooling channel 78 to be fluidly coupled to the inlet and outlet lines of the cooling system in any conventional manner.
[0045]
Also, the central portion 64 of the bottom wall 20 is provided with several (preferably three) passages 82 (only one is shown in FIG. 2) for reciprocating the
[0046]
The passage 82, and thus the
[0047]
The
[0048]
To achieve simultaneous operation of multiple
[0049]
The temperature detection mechanism 93 is coupled to the
[0050]
Lid 24 seals the top of
[0051]
Accordingly, the structure of the lid 24 is partitioned into an outer annular plenum 114 and an inner plenum 116. The outer plenum 114 communicates with the
[0052]
The combined curing / in-situ
[0053]
During this stage and during any stage of operation, the non-oxidizing gas flowing through the outer plenum 114 and / or the inner plenum 116 may optionally include nitrogen, helium, argon,
[0054]
The next stage of operation is the gas purge stage. At this stage, the
[0055]
Depending on the type of dielectric, a somewhat higher oxygen concentration may be desirable to ensure that curing proceeds in the preferred direction. For example, for inorganic dielectric precursor materials, the presence of oxygen favors minimizing side reactions associated with curing. Therefore, when the dielectric material used is an inorganic material or an inorganic-organic composite material, the
[0056]
In addition to controlling the oxygen level in the
[0057]
During the nitrogen purge, the non-oxidizing gas flows into the
[0058]
After the oxygen content in the processing chamber has reached the desired level, the curing phase in operation begins. The
[0059]
After the completion of the curing phase, the cooling phase begins. Because the dielectric film is susceptible to thermal oxidation when exposed to the environment at high temperatures, the substrate is cooled in situ to a sufficiently low threshold temperature before being removed from the
[0060]
In an embodiment of the present invention, such in-situ cooling is achieved by raising the
[0061]
After cooling the substrate to the desired target temperature, the substrate is removed from the
[0062]
FIG. 5 illustrates one embodiment of the method of the present invention that can control the oxygen level at the combined curing / in-situ
[0063]
A portion of the exhaust gas is drawn through
[0064]
[0065]
Although FIG. 5 illustrates a feedback method for controlling the oxygen level in the
[0066]
The combined curing / in-situ cooling station of the present invention can be advantageously incorporated into a cluster tool that performs all of the coating, firing, curing, and cooling processes in one integrated system. A particularly preferred integrated cluster tool that incorporates the curing and in-situ cooling capabilities of the present invention is a registered trademark of CALYPSO, available from FSI International, Inc. (Fremont, CA). This cluster tool is advantageously used to form a low k spin-on dielectric film on a substrate of a microelectronic device. The cluster tool integrates spin coating, baking, curing, in-situ cooling, and further cooling processes into a single, high-productivity platform. Multiple types of stations can be added to increase productivity without increasing the footprint. Dielectric films formed using this station tend to have lower refractive indices and dielectric constants as compared to similar films formed in a furnace process.
[0067]
In particular, the curing and in-situ cooling capacity eliminates the need for a separate furnace for the curing process, and minimizes the total cleanroom floor area required to form low-k spin-on dielectric films. Be converted to In short, the tool offers high productivity while using valuable cleanroom floor space very efficiently. With this tool, up to 100 substrates per hour can be easily achieved, although only occupying approximately 64 square feet of footprint. By integrating the coating, baking, curing, and cooling processes into one tool, not only is the quality and uniformity of the low-k spin-on dielectric significantly increased, but also device contamination is reduced. The curing process and the in-situ cooling process can be accomplished by a single combined curing / in-situ cooling device, as shown in FIGS. 1-4 or the above-assigned co-pending patent application of the present invention. preferable.
[0068]
CALYPSO® cluster tools are very flexible in terms of processing power. Substrates can be processed individually, sequentially, or in parallel using the same or custom processing for one or more substrates to be processed. This tool can easily handle substrates of different sizes. For example, by simply switching the end effector onto a centrally located robot, a spin coat shield at the coating station is performed, and then, at a PC-based controller, by selecting the appropriate treatment method, the cluster tool can , 200 mm processing capability to 300 mm processing capability, and vice versa. It is possible to eliminate the necessity of providing a separate apparatus for processing a 200 mm wafer and a 300 mm wafer, respectively. This is another way, and cluster tools can save floor space in clean rooms. The cluster tool can also form a dielectric coating, including a porous dielectric film. This film is selected from a wide range of low k spin-on dielectric precursor materials and includes commercially useful POLY ELK, LKD, HSG, porous SILK2, ISP, and porous FLARE, dielectric precursor materials. Not limited to
[0069]
The CALYPSO® cluster tool also prepares a lower k dielectric film as compared to conventional furnace-based processes. Dielectric films fabricated using the principles of the present invention implemented on this cluster tool have lower refractive indices and exhibit surprising thickness uniformity between wafers. For example, when forming a dielectric film from FLARE material, thickness uniformity between wafers is easily achieved to be in the range of 0.2% or more (1 sigma). In the practice of the present invention, thickness uniformity is determined from 49 thickness data points measured using nanometric teeth. Compared to other identical furnace-based processes, the dielectric films of the present invention tend to have more thermal stability. Due to the high quality of the dielectric film, the final film will use multi-level aluminum (subtractive metal processing) and / or copper (dual damascene processing) for LSI applications. Can be integrated.
[0070]
A
[0071]
The
[0072]
The
[0073]
In such embodiments, the end effector is exchanged to switch from processing a 200 mm wafer to a 300 mm wafer or vice versa. In other embodiments, a so-called universal end effector is used, which can grip and release wafers of various sizes. In such an embodiment, the same end effector could be used to handle both 200 mm and 300 mm wafers without replacing it with another end effector. Advantageously,
[0074]
The
[0075]
In particular, one or more input / output (I / O) stations are inserted into
[0076]
One or more spin coating stations are included in
[0077]
One or more firing stations are included in
[0078]
In another embodiment, a CALYPSO
[0079]
The preferred mode of operation of the cluster tool of the present invention is described below with reference to the flowcharts shown in FIGS. In
[0080]
Generally, in spin coating operations, the composition is distributed in the center of a rotating substrate. For example, the spin coating station of the CALYPSO® cluster tool includes three nozzles that can be used to dispense up to three different chemicals, usually sequentially, on the same or different substrates. The three nozzle structure is used to coat the SILK material on the substrate in a three-step process of priming, pre-wetting with solvent, and top coating recommended by the manufacturer. Useful. The nozzle used in each example is turned close to the central axis that rotates the substrate to perform the dispensing.
[0081]
While central dispensing is a suitable technique, several other approaches can be used to reduce the amount of dispensed material required for a substrate to be effectively spin-coated. One such technique is to pour and wet the solvent onto the substrate and then reduce the amount by which the dielectric composition is dispensed. Pre-wetting can reduce the required amount of the dielectric composition. Another technique involves moving a nozzle radially from either the outside or the inside relative to a rotating substrate to dispense the dielectric composition. Radial distribution can be used in combination with the pre-wetting step. Radial distribution can reduce the required amount of dielectric composition by 25% when compared to central distribution.
[0082]
After spin coating, an edge bead removal (EBR) and / or backside rinse (BSR) treatment is selectively performed. This EBR processing can be performed using an appropriate technique. The preferred EBR process is performed by spinning the coated wafer at an appropriate speed while spraying a jet of solvent onto the coated wafer to cut the edge beads. In this way, when cutting the edge bead, a portion of the dielectric material moves to the back of the wafer. Therefore, it is desirable to use the BSR process following the EBR process, and the backside debris is washed away by the solvent during the rotation of the wafer.
[0083]
Preferably, the EBR / BSR treatment is performed after the coated dielectric precursor is properly dried. According to one approach, the coated wafer can be dried in a spin coating station. However, depending on the size of the wafer and the thickness of the thin film, such drying may be required for about 1 minute to about 5 minutes. This is particularly the case when the coating is applied to a thickness of 1 to 2 μm on a 300 mm wafer. To reduce this drying time, the transfer of the coated wafer to the firing station can be expedited. For this purpose, the coated wafer is baked for 2 to 3 seconds, and the coated wafer is returned to the spin coating station to perform the EBR process and the BSR process.
[0084]
After spin coating and other optional EBR and / or BSR processing have been performed, according to step 410,
[0085]
It has been found that any residual solvent in the bake coating has a noticeable effect on the quality and uniformity of the final cured film. In particular, if all or most of the solvent (i.e., the baked coating contains 0.1% or less by weight residual solvent based on the total weight of the baked coating) is removed from the coating during firing, the final The quality of the cured dielectric film varies greatly between devices. Furthermore, the final cured material itself will be very different from what would be expected based on the initial precursor material.
[0086]
In contrast, if the amount of residual solvent remains in the post-fired coating and is present during curing, the properties of the final cured film will be much more uniform. The properties of the cured material itself are better correlated to the initial precursor material. Therefore, it is preferable to remove most of the residual solvent in the firing step, leaving only a small amount. Thus, the baked coatings of the present invention contain at least about 0.1% to about 5%, preferably about 0.5 to 2%, by weight of residual solvent, and more optimally the total baked coating. It is desirable to include about 1% by weight of the residual solvent by weight.
[0087]
Upon completion of the bake, the wafer is cooled and, according to
[0088]
According to step 418, the robot transports the wafer to the cooling station. Thereupon, the wafer is cooled in
[0089]
The original cooling process in the environment of an integrated processing system such as a cluster tool in the present invention provides significant benefits. First, as described above, this cooling helps protect the wafer from thermal oxidation when the wafer is removed from station 362. This ensures that the quality of the final dielectric film is improved. Second, the cooled wafer can be handled without leaving any marks by the end effector compared to the environment in which the robot processes hot wafers. This improves the quality of the final dielectric film.
[0090]
Third, in FIG. 8, the original cooling step is a time interval t between the curing and cooling steps, since the same processing is performed during the curing and cooling operations of the processed wafer. 3 Eliminate fluctuations in This consistent timing capability not only enhances the quality of the final dielectric film, but also drastically improves the uniformity of the cured low-k spin coat on the dielectric film between wafers. In contrast, the time interval t between the curing and cooling steps 3 Is too large, the uniformity is worse for wafers that are batch cured in an oven, and the indicia due to the unique process cannot be identified for individual wafers.
[0091]
In fact, this time interval t 3 And preferably, the time interval t 1 And time interval t 2 Maintaining and controlling the transfer between different stations provides a great deal of flexibility and uniformity in the processing of microelectronic substrates. By keeping these time intervals between firing, coating, curing, and cooling operations constant, the next specific treatment method is to provide a dielectric film of a specific quality with little variation from substrate to substrate. Become.
[0092]
For example, multiple wafers may be processed sequentially through the system, and each wafer may have the same coating, baking, curing, cooling steps, and, optionally, (the same time interval t). 1 , T 2 , T 3 ) To provide a substrate having a low-k dielectric thin film having a uniform thickness between the wafers.
[0093]
Further, a plurality of wafers are processed through the system sequentially using two or more processing methods. Then, a group of wafers processed according to a specific processing method is finally indistinguishable from each other. This flexibility allows for custom made substrates that are processed on the fly. Such uniformity can result from the time interval t if the coating, firing, curing, and cooling steps of rotating the dielectric composition are not integrated into a single integrated system. 1 , T 2 , T 3 Is not easily controlled and cannot be easily achieved.
[0094]
Further, the
[0095]
Thus, when multiple substrates are subjected to a particular coating, baking, and curing / in-situ cooling process, the time interval t 1 , T 2 , T 3 Is desirably controlled. More preferably, two or more of these time intervals are controlled to be constant from substrate to substrate, and all of these time intervals are desirably controlled for each substrate. The phrase "substantially the same" with respect to these time intervals means that such a time interval for a particular substrate is less than or equal to 25%, preferably less than 25%, for a corresponding time interval for other substrates processed in accordance with such processing. Means less than 10%, more preferably at most about 1%.
[0096]
The parallel processing of wafers is schematically illustrated by the
[0097]
Next, each wafer goes through a
[0098]
For maximum throughput, three wafers are processed in parallel. In the practice of the present invention, this does not necessarily mean that three particular wafers are processed in parallel in the same step, but rather that at least one of the coating, baking, and curing / cooling steps of one wafer. A portion is meant to occur during at least a portion of the coating, baking, and curing / cooling work steps for one or both of the other wafers.
[0099]
Further, one or more wafers are processed according to
[0100]
(Example 1)
Low-k spin-on dielectric films were formed on batches of 25 silicon wafers using the CALYPSO® cluster tool. Cassettes for storing wafers are located in the I / O modules of the cluster. Each wafer was processed using the same, predetermined, sequential process controlled via software packaged with the cluster tool.
[0101]
Each wafer was first transferred from the I / O module to the coating station by a central robot. At the coating station, the wafer was coated with a fixative (AP4000 available from Dow Chemical Company). This AP4000 fixative (1 ml) was distributed to the center of each wafer while the wafers were rotating at 2500 rpm. After this distribution, the central robot transports the wafer from the coating module to the firing station. The AP4000 coating on the wafer was baked at 200 ° C. for 60 seconds. The wafer was then transported by the central robot from the firing station to the cooling station and processed at 20 ° C. for 20 seconds. The central robot moved the cooled wafer back to the coating station. At this coating station, a low k SILK dielectric precursor material (Dow Chemical Co.) was dispensed to the center of the wafer (1.8 ml to 3 ml) using a dynamic dispensing method at a dispensing speed of 1500 rpm. After this distribution, the spin rate of the wafer was increased to 3600 rpm in 45 seconds. Edge bead removal (EBR) was performed at 1500 rpm with cyclohexanone at 2 mm from the edge of the wafer. BSR treatment was also performed with cyclohexanone at a spin speed of 1500 rpm. The wafer was spin coated at 3000 rpm for an additional 10 seconds.
[0102]
Central robot transfers wafer to first INSTACURE TM It was carried to a station and a baking (firing) step was performed at 325 ° C. for 60 seconds. The wafer was loaded with the following INSTACURE with a heated platen maintained at 450 ° C. TM Transported to the station. The thin film of coated SILK material is INSTACURE TM Curing was performed in the station at 450 ° C. for 180 seconds with the oxygen level maintained below 20 ppm. This cured wafer is used as an INSTACURE TM Within the station, the wafer was cooled by lifting the wafer from a heated platen using pins to support the wafer while maintaining an anaerobic condition with nitrogen. Once the wafer was cooled below 325 ° C., the wafer was then transferred onto a cooling plate and cooled at 20 ° C. for 20 seconds. The processed wafers were returned to the cassette.
[0103]
INSTACURE TM While the wafer is placed in the station, when the wafer is placed on the lift pins, the nitrogen is 55 standard ft. 3 / Hr (SCFH) through the outer plenum. After closing the door, when the wafer was still on the pins, nitrogen flowed through the inner plenum at 55 SCFH and nitrogen flowed through the outer plenum at 45 SCFH. During cure, nitrogen flowed through the inner plenum at 45 SCFH. As the wafer was cooled on the lift pins, nitrogen flowed through the inner and outer plenums at 55 SCFH and 45 SCFH, respectively.
[0104]
The thickness of the final SILK film on each wafer was measured using commercially available equipment at Nanometrics. The average thickness was about 5000 angstroms and the thickness uniformity was = 0.15% (1 sigma).
[0105]
For comparison, a batch of 25 wafers was processed in a similar manner. On the other hand, the comparative wafer was cured and cooled at 400 ° C. for 60 minutes in a furnace (ex situ method), unlike these.
[0106]
Various properties of the wafers processed with the CALYPSO® cluster tool were measured, and a comparative wafer was measured. The average refractive index of the wafer treated with the CALYPSO® cluster tool, 1.6089, and that of the thin film cured in the furnace, 1.6206, were each shown to be improved. This property and other data were reported as in Table 1 below.
(Example 2)
Thin films of dielectric by low k spin coating were formed on batches of 25 silicon wafers using a CALYPSO® cluster tool. Cassettes for storing wafers are located in the I / O modules of the cluster. Each wafer was processed using the same, predetermined, sequential process controlled via software packaged with the cluster tool.
[0108]
To perform this process, the wafer was transferred to a coating station by a robot. The solvent for the low dielectric constant SILK (new version, no fixer required) dielectric precursor material (Dow Chemical) is applied to the center of the wafer (1.8 ml) at a dispensing rate of 1500 rpm using a dynamic dispensing method. ３3 ml). After this distribution, the spin rate of the wafer was increased to 3600 rpm for 45 seconds. Edge bead removal (EBR) was performed at 1500 rpm with cyclohexanone at 2 mm from the edge of the wafer. BSR treatment was also performed with cyclohexanone at a spin speed of 1500 rpm. The wafer was spin coated at 3000 rpm for an additional 10 seconds.
[0109]
Central robot transfers wafer to first INSTACURE TM It was transported to a station and a baking step was performed at 325 ° C. for 60 seconds. The wafer was loaded with the following INSTACURE with a pre-heated platen maintained at 450 ° C. TM Transported to the station. The thin film of coated SILK material is INSTACURE TM Curing was performed in the station at 450 ° C. for 180 seconds with the oxygen level maintained below 20 ppm. This cured wafer is used as an INSTACURE TM In the station, it was cooled to a temperature of 325 ° C. or less while maintaining an anaerobic state using nitrogen. The wafer was transferred onto a cooling plate and cooled at 20 ° C. for 20 seconds. The processed wafers were returned to the cassette.
[0110]
While mounted in the processing chamber, nitrogen flowed through the outer plenum at 55 SCFH. After closing the door, when the wafer was still on the pins, nitrogen flowed through the inner plenum at 55 SCFH and nitrogen flowed through the outer plenum at 45 SCFH. During cure, nitrogen flowed through the inner plenum at 45 SCFH. As the wafer was cooled on the lift pins, nitrogen flowed through the inner and outer plenums at 55 SCFH and 45 SCFH, respectively.
[0111]
The thickness of the SILK film on each wafer was measured using commercially available equipment at Nanometrics. The average thickness was about 5900 angstroms and the thickness uniformity was within 0.15% (1 sigma). The refractive index of the thin film at 314 nm was 1.907.
[0112]
(Example 3)
In the same manner as in Example 2, a 300 nm wafer was processed on a CALYPSO® cluster tool. However, these wafers were coated with a low dielectric constant SILK dielectric precursor while each wafer was spinning at 1700 rpm. In addition, the wafers were cooled and cooled in situ below 300 ° C. before being transported back into the cassette. The average thickness of the final film was about 10,000 angstroms and the thickness uniformity was <0.25% (1 sigma). The refractive index of the thin film at 314 nm was 1.904.
[0113]
(Example 4)
Dielectric thin films by low k spin coating were formed on batches of 25 silicon wafers using the CALYPSO® cluster tool. Cassettes for storing wafers are located in the I / O modules of the cluster. Each wafer was processed using the same, predetermined, sequential process controlled via software packaged with the cluster tool.
[0114]
To perform this process, the wafer was transferred to the coating station by a central robot. The low dielectric constant FLARE dielectric precursor material (Honeywell) was dispensed to the center of the wafer (2.5 ml) at a dispensing speed of 1500 rpm using a dynamic dispensing method. After this distribution, the spin rate of the wafer was increased to 3600 rpm in 40 seconds. Edge bead removal (EBR) was performed at 1500 rpm with cyclohexanone at 2 mm from the edge of the wafer. BSR treatment was also performed with cyclohexanone at a spin speed of 1500 rpm. The wafer was spin coated at 3000 rpm for an additional 10 seconds.
[0115]
A central robot transported the plurality of wafers to successive firing stations maintained at 150 ° C, 200 ° C, and 250 ° C, respectively. This firing step was performed at each temperature for 60 seconds. These wafers also have an INSTACURE with a pre-heated platen maintained at 450 ° C. TM Transported to the station. A thin film of the coated FLARE material is INSTACURE TM Curing was performed in the station at 450 ° C. for 180 seconds with the oxygen level maintained below 20 ppm. This cured wafer is used as an INSTACURE TM In the station, it was cooled to a temperature of 325 ° C. or less while maintaining an anaerobic state using nitrogen. The wafer was transferred onto a cooling plate and cooled at 20 ° C. for 20 seconds. The processed wafers were returned to the cassette.
[0116]
While mounted in the processing chamber, nitrogen flowed through the outer plenum at 55 SCFH. After closing the door, nitrogen flowed through the inner plenum at 55 SCFH and nitrogen flowed through the outer plenum at 45 SCFH before the wafer dropped in thermal contact with the heated platen. . During cure, nitrogen flowed through the inner plenum at 55 SCFH. During wafer cooling, nitrogen flowed through the inner and outer plenums at 55 SCFH and 45 SCFH, respectively.
[0117]
The thickness of the FLARE film on each wafer was measured using commercially available equipment at Nanometrics. The average thickness was about 5990 angstroms and the thickness uniformity was within 0.15% (1 sigma).
[0118]
For comparison, a batch of 25 wafers was processed in a similar manner. The comparative wafer was cured and cooled at 400 ° C. for 60 minutes in a furnace (ex situ method).
[0119]
Various properties of the wafers processed with the CALYPSO® cluster tool were measured, and a comparative wafer was measured. An average refractive index of 1.6206 for wafers treated with the CALYPSO® cluster tool and an average refractive index of 1.6206 for thin films cured in the furnace were shown to be improved. This property and other data were reported as in Table 2 below.
Other embodiments of the invention will be readily apparent to those skilled in the art from the specification or practice of the invention disclosed herein. Various omissions, modifications, and changes to the principles and embodiments described herein may be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention, which is set forth in the following claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a partially exploded perspective view of an integrated curing / in-situ cooling station according to the present invention.
FIG. 2
It is sectional drawing of the process chamber of the apparatus shown in FIG.
FIG. 3
FIG. 2 is an exploded perspective view of a lid used in the apparatus of FIG.
FIG. 4
FIG. 2 is a schematic view of a heating platen used in the apparatus of FIG. 1 and its heating element.
FIG. 5
FIG. 2 is a conceptual diagram of a system for controlling an oxygen level during operation of the apparatus of FIG. 1.
FIG. 6
1 is a schematic view of a tool cluster according to the invention, suitable for production.
FIG. 7
1 is a schematic view of a tool cluster according to the invention, suitable for research and development.
FIG. 8
7 is a flowchart illustrating one mode of operation of the tool cluster of FIG. 6 for forming a low k spin-on dielectric film on a substrate.
FIG. 9
7 is a flowchart illustrating another mode of operation of the tool cluster of FIG. 6 for forming a low k spin-on dielectric film on a substrate in a parallel manner.
Claims (48)
（ａ） 熱的に硬化可能な誘電体の前駆材料からなる組成物を前記基板の少なくとも一部分に被膜し、
（ｂ） 処理室内に前記被膜された基板を配置させるようにし、
（ｃ） 前記被膜された基板が前記処理室内に配置されている間に、
（ｉ） 前記誘電体の前駆材料を熱的に硬化処理して、硬化した誘電体組成物を形成し、
（ｉｉ） 冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させ、
（ｄ） 前記冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させた後、前記被膜された基板を処理室から排出する、各工程を有することを特徴とする方法。A method of forming a cured dielectric composition on a substrate,
(A) coating at least a portion of the substrate with a composition comprising a thermally curable dielectric precursor material;
(B) disposing the coated substrate in a processing chamber;
(C) while the coated substrate is placed in the processing chamber,
(I) thermally curing the dielectric precursor material to form a cured dielectric composition;
(Ii) contacting a cooling gas with the cured dielectric composition;
(D) exposing the coated substrate from a processing chamber after contacting the cooling gas with the cured dielectric composition.
（ａ） 第１の基板上に硬化可能な誘電体の前駆材料からなる組成物を被膜し、
（ｂ） 前記被膜工程の終了から第１の時間間隔の後に予め焼成処理を開始して、この被膜された基板を予め焼成させ、
（ｃ） 前記予め焼成処理の終了から第２の時間間隔の後に熱的な硬化処理を開始して、前記被膜された基板を熱的に硬化させ、
（ｄ） 前記熱的な硬化処理の終了から第３の時間間隔の後に前記冷却処理を開始して、前記熱的に硬化した基板を冷却させ、
（ｅ） 少なくとも１つの付加的な基板に対して、前記（ａ）〜（ｄ）の工程を繰り返す各工程を有しており、
前記被膜された第１の基板と前記少なくとも１つの付加的に被膜された基板の各々に対するそれぞれの第２の時間間隔がほぼ等しいことを特徴とする方法。A method of forming a dielectric composition on a plurality of substrates,
(A) coating a composition comprising a curable dielectric precursor on a first substrate;
(B) starting a baking process in advance after a first time interval from the end of the coating process, and firing the coated substrate in advance;
(C) starting a thermal curing process after a second time interval from the end of the pre-baking process to thermally cure the coated substrate;
(D) starting the cooling process after a third time interval from the end of the thermal curing process, allowing the thermally cured substrate to cool,
(E) each of the steps (a) to (d) is repeated for at least one additional substrate;
A method wherein the respective second time intervals for each of the coated first substrate and the at least one additional coated substrate are substantially equal.
（ａ） 熱的に硬化可能な誘電体の前駆材料と、前記基板の少なくとも一部分に被膜可能な粘性を有する一定量の溶媒とを含んでいる組成物を被膜し、
（ｂ） 前記被膜された誘電体の前駆材料の少なくとも一部分が硬化されずかつ被膜された組成物が一定量の残留溶媒を含んでいるような状態の下で、第１に前記被膜された基板を比較的低い温度プロファイルで予め焼成し、
（ｃ） 前記誘電体の前駆材料の少なくともほとんどが、前記誘電体組成物を形成するために硬化される状態の下で、第２に前記誘電体の前駆材料を比較的高い温度プロファイルで熱的に硬化し、
（ｄ） 前記硬化した誘電体組成物を冷却する、各工程を含むことを特徴とする方法。A method of forming a cured dielectric composition on a substrate,
(A) coating a composition comprising a thermally curable dielectric precursor material and an amount of a viscous solvent capable of coating at least a portion of the substrate;
(B) first the coated substrate under conditions such that at least a portion of the coated dielectric precursor is not cured and the coated composition includes an amount of residual solvent; In advance with a relatively low temperature profile,
(C) secondly, subjecting the dielectric precursor to a relatively high temperature profile under conditions where at least most of the dielectric precursor is cured to form the dielectric composition; Cured to
(D) cooling the cured dielectric composition.
（ａ） 熱的に硬化可能な誘電体の前駆材料からなる組成物を前記基板の少なくとも一部分に被膜し、
（ｂ） 処理室内に前記被膜された基板を配置させるようにし、
（ｃ） 前記被膜された基板が前記処理室内に配置されている間に、
（ｉ） 前記誘電体の前駆材料を熱硬化して、硬化した誘電体組成物を形成し、前記熱硬化の少なくとも一部分は、嫌気性状態の下で生じるようにし、
（ｉｉ） 冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させ、
（ｄ） 前記冷却用ガスを前記硬化した誘電体組成物に接触させた後、前記被膜された基板を処理室から排出する、各工程を有することを特徴とする方法。A method of forming a cured dielectric composition on a substrate,
(A) coating at least a portion of the substrate with a composition comprising a thermally curable dielectric precursor material;
(B) disposing the coated substrate in a processing chamber;
(C) while the coated substrate is placed in the processing chamber,
(I) thermally curing the dielectric precursor material to form a cured dielectric composition, wherein at least a portion of the thermal curing occurs under anaerobic conditions;
(Ii) contacting a cooling gas with the cured dielectric composition;
(D) exposing the coated substrate from a processing chamber after contacting the cooling gas with the cured dielectric composition.
（ａ） 第１基板上に第１誘電体の前駆材料からなる第１組成物を被膜し、
（ｂ） 処理室内に前記被膜された前記第１基板を配置させるようにし、
（ｃ） 前記被膜された第１基板が前記処理室内に配置されている間に、
（ｉ） 前記被膜した第１基板を熱硬化できる状態の下で、前記第１基板を熱源と熱的に接触させ、
（ｉｉ） 冷却用ガスを前記熱硬化した第１基板に接触させ、
（ｄ） 前記第２基板に対して前記（ａ）〜（ｃ）の工程を繰り返す、各工程を有することを特徴とする方法。A method of forming a dielectric composition on each of a plurality of substrates,
(A) coating a first composition comprising a first dielectric precursor material on a first substrate;
(B) disposing the coated first substrate in a processing chamber;
(C) while the coated first substrate is placed in the processing chamber,
(I) bringing the first substrate into thermal contact with a heat source in a state where the first substrate thus coated can be thermally cured;
(Ii) bringing a cooling gas into contact with the thermoset first substrate;
(D) A method comprising repeating the steps (a) to (c) for the second substrate.
（ａ） 少なくとも１つの処理されるべき基板を含んでいる第１、第２群の基板を供給し、
（ｂ） 第１処理方法に従って、
（ｉ） 前記第１群の各基板上に第１誘電体の前駆材料からなる組成物を被膜され、
（ｉｉ） 被膜された前記第１群の基板の各々を処理室内に配置させ、
（ｉｉｉ） 前記第１群の基板の各々が前記処理室内に配置されている間、第１群の被膜された各基板が、熱硬化できる状態の下で熱源と熱的に接触させ、さらに、硬化した各第１基板に冷却用ガスを接触させ、
（ｃ） 前記第１の処理方法と異なる第２の処理方法に従って、前記第２群の各基板に対して工程（ｂ）を繰り返す、各工程を有することを特徴とする方法。A method of forming a dielectric composition on each of a plurality of substrates,
(A) providing first and second groups of substrates including at least one substrate to be processed;
(B) According to the first processing method,
(I) a composition comprising a first dielectric precursor material is coated on each of the first group of substrates;
(Ii) disposing each of the coated first group of substrates in a processing chamber;
(Iii) while each of the first group of substrates is disposed in the processing chamber, the first group of coated substrates is in thermal contact with a heat source in a thermosetting condition; and A cooling gas is brought into contact with each of the cured first substrates,
(C) a method comprising repeating step (b) for each substrate of the second group according to a second processing method different from the first processing method.
前記前駆材料が処理中に配置される処理室と、
前記前駆材料が処理中に加熱されるように前記処理室に熱的に連結される熱源と、
処理中に前記前駆材料に接触して冷却するために、前記処理室内に流体連通する冷却ガス源と、
前記前駆材料を処理中に少なくとも１つの加熱工程と少なくとも１つの冷却工程を含む所望の温度処理プロファイルにさらすために、前記熱源と冷却ガス源を制御する制御システムとを含むことを特徴とする装置。An apparatus for heat treating a precursor material of a microelectronic element,
A processing chamber in which the precursor material is disposed during processing,
A heat source thermally coupled to the processing chamber such that the precursor material is heated during processing;
A cooling gas source in fluid communication with the processing chamber for contacting and cooling the precursor material during processing;
An apparatus comprising a control system for controlling the heat source and a cooling gas source to expose the precursor material to a desired temperature processing profile including at least one heating step and at least one cooling step during processing. .
前記処理ステーションは、前駆材料が処理中に配置される処理室と、
前記前駆材料が処理中に加熱されるように前記処理室に熱的に連結される熱源と、
処理中に前記前駆材料に接触して冷却するために、前記処理室内に流体連通する冷却ガス源と、を含むことを特徴とするクラスターツール。A cluster tool comprising at least one combined heating / cooling processing station,
The processing station includes a processing chamber in which precursor materials are disposed during processing;
A heat source thermally coupled to the processing chamber such that the precursor material is heated during processing;
A cooling gas source in fluid communication with the processing chamber for contacting and cooling the precursor material during processing.
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