DE3026859A1

DE3026859A1 - Vorrichtung fuer das aufbringen von photolack auf siliziumwafer

Info

Publication number: DE3026859A1
Application number: DE19803026859
Authority: DE
Inventors: Robert Stephen Blackwood
Original assignee: Fsi Corp
Current assignee: Fsi Corp
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1981-02-26
Also published as: US4286541A; GB2056323A

Description

FSL Corporation, 3 35 Lake Hazeltine Drive, Chaska, Minn./USA

"Vorrichtung für das Aufbringen von Photolack auf Siliziumwafer"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für das Aufbringen von Photolack auf Siliziumwafer im Zuge der Herstellung von Chips für integrierte Schaltkreise.

Im Zuge der Herstellung von integrierten Schaltkreischips wird auf die Wafer Photolack in unterschiedlicher Weise aufgetragen,und verschiedene Arten von Vorrichtungen werden verwendet. Im allgemeinen wird der Photolack auf die Wafer nach vier unterschiedlichen Verfahren aufgetragen. Es ist üblich, einen Wafer auf eine stationäre oder umlaufende Fläche zu legen, um so die Oberseite des Wafers zu exponieren, und wenn der Wafer stationär gehalten wird, wird der Photolack auf die Oberseite des Wafers durch Sprühen oder Aufrollen aufgebracht. Wenn der Wafer mit seinem Support zum Umlauf angetrieben ist, läßt man einige wenige Tropfen oder einen kleinen Spritzer von Photolack auf das Zentrum des rotierenden Wafers fallen, nahe der Drehachse, und der Photolack verteilt sich durch die Zentrifugalkraft über die Waferflache. In anderen Fällen hat man vorgesehen, die Wafer in ein Photolackbad zu tauchen, um den Photolack auf die Waferflache aufzubringen.

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Es hat sich gezeigt, daß das Aufbringen von Photolack nach jeder dieser bekannten Methoden langsam und zeitaufwendig ist und eine erhebliche Menge des Photolacks verschwendet wird. In den meisten Fällen wird der überschüssige Photolack von dem Wafer entfernt, aber trotzdem ist die verschwendete Menge an Photolack etwa 2o mal größer als die Menge an Photolack, die schließlich auf der Waferflache nach Abschluß des Auftrags verbleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen zu schaffen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung soll der Photolack gleichzeitig auf eine Vielzahl von Wafern unter minimaler Verschwendung des Photolacks aufgetragen werden. Der Auftrag soll gleichzeitig auf beide Seiten der Wafer erfolgen.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1; die Unteransprüchen definieren zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin , daß eine Mehrzahl der Siliziumwafer im Abstand voneinander mit den Flächen einander zugekehrt auf einem umlaufenden Rotor in einer geschlossenen Kammer angeordnet werden. Die Wafer auf dem Rotor sind so gehaltert, daß sie quer zur Rotationsachse liegen und im wesentlichen konzentrisch zu dieser. Der Photolack wird zugeführt über eine aufrechte Sammelleitung, die sich parallel zum Rotor erstreckt und über eine Anzahl stationäre Düsen, die voneinander im Abstand angeordnet sind und den Photolack mit erheblicher Kraft auf die im Abstand auf der Rotationsachse angeordneten Wafer sprühen und auf die Vertikaldrehachse gerichtet sind. Der Photolack wird dabei gleichzeitig auf beide Seiten einer

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Vielzahl solcher Wafer aufgetragen. Danach wird die Motordrehzahl erheblich gesteigert, um den überschüssigen Photolack von den Wafern abzuzentrifugieren.

Der Photolack wird den Düsen sehr plötzlich und unter erheblichem Druck zugeführt, in der Größenordnung von 5 bis 7 Bar. Der Photolack explodiert gewissermaßen aus den Düsen, und im wesentlichen gleiche Quantitäten werden von jeder der Düsen ausgetragen, obgleich sie in Vertikalabstand längs der Sammelleitung an diese angeschlossen sind.

Der sehr erhebliche Druck auf den Photolack wird erzeugt durch Speichern einer zugemessenen Quantität des Photolacks in einem Vorlagetank, der an die Sammelleitung und an die Düsen angeschlossen ist. Der Druck wird plötzlich aufgebracht durch Einspeisen von Stickstoffgas unter 5 bis 7 Bar Druck in den Vorlagetank, wodurch der Photolack sehr rapid aus dem Tank ausgetrieben wird und durch die Düsen auf die Wafer in der Kammer.

Mehrere erhebliche Vorteile lassen sich durch diese Ausbildung erzielen. Zunächst wird eine Vielzahl von Wafern gleichzeitig mit Photolack beschichtet, ohne daß erhebliche Mengen an Photolack verschwendet werden. Beide Seiten aller Wafer werden gleichzeitig mit dem Photolack beschichtet.

Das Düsen- und Sammelleitungssystem, durch welches der Photolack in die Kammer eingespeist wird und auf die Wafer aufgesprüht wird, ist im wesentlichen selbstreinigend wegen der zeitweiligen Speicherung einer Quantität von Photolack in einem Vorlagetank, gefolgt vom Aufbringen des unter hohem Druck stehenden Stickstoffgases in den Tank, womit die gesamte Menge an Photolack im Tank durch die Sammelleitung unddie Düsen ausgetragen wird. Dabei werden die Sammel-

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leitung und die Düsen vollständig von Photolack ausgeblasen, und zwar bei jedem Betriebszyklus. Darüber hinaus hat das unter hohem Druck stehende Stickstoffgas, das zum Austreiben des Photolacks und zum Säubern der Sammelleitung und der Düsen verwendet wird, zugleich den Effekt, überschüssigen Photolack von den Wafern abzublasen, bevor das mit hoher Drehzahl ausgeführte Zentrifugieren der Wafer beginnt. Es hat sich gezeigt, daß zwar die Quantität an Photolack, die den Wafern verbleibt, durchaus ausreichend ist für den beabsichtigten Zv/eck, etwa in einer Menge von 1/2 bis 1 ecm Photolack pro Wafer, das jedoch die Gesamtmenge an Photolack, die tatsächlich aufgetragen wird, sehr erheblich verringert wird im Vergleich mit den Mengen, die nach den bisher üblichen Methoden aufgetragen wurden: Unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nur 5 bis 7 ecm pro Wafer in die Kammer eingesetzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine weitgehend schematisierte Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist ein maßstäblich vergrößerter Teilschnitt zur Illustration eines typischen Trägers, der auf dem Rotor montiert werden kann, und

Fig. 3 ist eine maßstäblich vergrößerte Teilschnittdarstellung, etwa nach Linie 3-3 der Fig.

Wie oben ausgeführt, bezieht sich die Erfindungauf das Auftragen von Photolack auf Wafer W, bei denen es sich üblicherweise um Siliziumwafer des Typs handelt, der extrem

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dünn und spröde ist und deshalb sehr delikat in der Handhabung. Solche Wafer können etwa einen Millimeter dick sein, jedoch gibt es auch häufig Wafer, die nur zwei bis vier Zehntel Millimeter dick sind. Die Wafer haben üblicherweise einen Durchmesser von 7o bis 1oo mm, doch gibt es sie auch in noch größeren Abmessungen. Die Wafer werden in der Sprühkammer Ί1ο eines topfförmigen Gehäuses 111 behandelt mit einer im wesentlichen zylindrischen Seitenwandung 112, einem im wesentlichen konisch geformten Boden 113, um so einen am Außenrand liegenden Sumpf 114 in dem Gehäuse auszubilden, an den eine Drainageröhre 115 angeschlossen ist. Das Gehäuse weist ferner einen abnehmbaren Deckel 116 auf, um so den Innenraum der Kammer II0 vollständig abzuschließen.

Ein Rohr 117 in der Kammer umfaßt eine Art Skelettrahmen 118, der einen Träger oder Kob 119 umschließt; in diesem befindet sich eine Mehrzahl von Wafern W.

Der Träger 119 ist aus Kunststoff gespritzt, etwa aus Polytetrafluorathylen. Der Träger ist an der Oberseite 12o und an der Unterseite 121 offen und besitzt eine Seitenwandung 122 mit einer Vielzahl von Schlitzen 123, so daß sich ein offener Zugang zu den in ihm aufgenommenen Wafern ergibt. Die Wafer werden in Abstand ihrer Flächen voneinander gehalten durch eine Mehrzahl von Abstandsrippen 124, so daß die einander gegenüberliegenden Seiten jedes Wafers, der in den Träger aufgenommenen ist, zugänglich sind. Der Träger 119 ist in dem Skelettrahmen 118 derart eingeschlossen, daß die Wafer W im wesentlichen konzentrisch bezüglich der Drehachse des Rotors 117 liegen.

Der Rotor umfaßt ferner mitumlaufende Sammelrohre 125 mit Sprühdüsen 126, die in mehrfachen Richtungen je nach Bedarf sprühen. Der Rotor wird getragen von einer Hohlwelle 12 7, die an dem Skelettrahmen 118 und den Sammelrohren 125

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befestigt ist und in einem Lager 128 aufgenommen ist, das seinerseits Teil des Rahmens für das Gehäuse 111 ist. Die Welle 127 wird von einem Motor 129 über ein Zugmittelgetriebe 13o angetrieben. Das untere Ende der Welle 127 ist über ein Endlager und ein Hydraulikfitting 131 an ein Mehrstellungsventil 132 mit Betätigungsspule 133 angeschlossen , so daß irgendeiner von mehreren Eingängen an die Hohlwelle 127 angeschlossen werden kann, auswählbar aus Eingangsleitungen 134, 135, 136, so daß irgendeines aus einer Anzahl unterschiedlicher Fluide einschließlich Wasser, Stickstoff und flüssigem Lösungsmittel mittels der Düsen 126 aufgesprüht werden kann.

Eine Abluftleitung 137 ist außerdem an dem Gehäuse 112 vorgesehen und anschließbar an ein Abluftsystem, um gasförmige Fluide aus der Sprühkammer 11o abzuführen. Typischerweise ist das zylindrische Gehäuse 111 mit einem Durchmesser von etwa 3o cm ausgebildet, um Photolack auf Wafer aufzutragen, deren Durchmesser 7o bis 1oo mm beträgt.

Ein Tank 138 zum Zumessen einer Charge an Photolack kann etwa eine Kapazität von 2oo Millilitern besitzen, was ausreichen sollte, um Photolack für das Beschichten einer vollständigen Charge des Trägers an Wafern W zu beschichten, wobei es sich um etwa 2 5 Wafer handeln kann. Der Tank 138 ist vollständig geschlossen und weist einen bodenseitigen Auslaß auf, der über ein Solenoidventil 139 an eine Sammelleitung 14o angeschlossen ist, die an der Außenseite der zylindrischen Seitenwandung 112 des Gehäuses 111 anliegt. Die Sammelleitung 14o ist mit einer Mehrzahl von Sprühdüsen 141 bestückt, welche sich in das Innere der Sprühkammer 11o erstrecken, also durch die zylindrische Seitenwandung 112. Man erkennt, daß die Düsen 141 im wesentlichen ausgefluchtet und allgemein parallel zur Drehachse des Rotors 117 nahe der Peripherie des Rotors angeordnet sind.

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Die Düsen 141 sind so orientiert, daß sie in die Sprühkammer ihren Sprühstrahl auf die Wafer W im Trigger etwa in Richtung der Umlaufachse des Rotors richten.

Der Vorlagetank 138 ist an seiner Oberseite über eine Fluidleitung 142 an ein Ventil 143 angeschlossen, mittels dem der Tank an eine Stickstoffgasquelle anschließbar ist, welche unter erheblichem Druck steht, d.h. in der Größenordnung von5 bis 7 Bar. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Stickstoffgas in der Größenordnung von 5 Bar einzusetzen, doch kann man mit dem Druck bis 7,5 Bar heraufgehen. Die Betätigung des Gasventils 143 wird gesteuert durch einen Steuerkreis 144, welcher die Schaltfolge der verschiedenen Ventile steuert. Eine andere Zuleitung 145, die an die Oberseite des Tanks 138 angeschlossen ist, ist über ein Ventil 146 an eine Photolackquelle angeschlossen, um die Photolackcharge im Tank 138 wiederaufzufüllen. Das Photolackeinsetzventil 146 ist ebenfalls vom Steuerkreis 144 aus gesteuert. Obwohl die Füllung des Photolacktanks 138 im Zurneßverfahren erfolgen kann, etwa unter Verwendung eines Schwimmerventils, ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, das Ventil 146 auf der Basis der Zeit zu steuern, während der das Ventil sich öffnet, derart, daß der Tank 138 bis zu dem richtigen Pegel gefüllt wird. Eine andere Einlaßeinrichtung 147 ist an den Tank 138 angeschlossen und über ein Ventil 148 an eine LösunspmittelqueHe abgeschlossen, um das Innere des Tanks reinigen zu können und ebenso das Innere des Ventils 139 der Sammelleitung 14o der Düse 141 wie auch des Inneren des Gehäuses 11o, nachdem die Wafer herausgenommen worden sind. Die Betätigung des Ventils 148 wird gesteuert vom Steuerkreis 144,und man kann hier Handsteuerung vorsehen. Zusätzlich wird das Ventil außerdem gesteuert vom Steuerkreis 144, um sicherzustellen, daß die Verbindung zwischen dem Vorlagetank 138 und der Sammelleitung 14o offen, bevor das Hochdruckstickstoffgas in

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den Tank eingelassen wird.

Es ist zu berücksichtigen, daß der Photolack ziemlich schwer und dickflüssig ist, jedoch etwas variabel ist, je nach der angewandten Formel; üblicherweise variiert seine Konsistenz zwischen der Viskosität von Motoröl und der von Honig.

Wenn der Vorlagetank 138 im wesentlichen mit dem Photolack gefüllt ist, kann der Steuerkreis das Ventil öffnen und danach das Gasventil 142,um plötzlich das unter hohem Druck stehende Stickstoffgas in den Tank 138 einzulassen. Da das Gas unter einem Druck in der Größenordnung von 5 bis 7 Bar steht, ist der Aufbau der Strömungsrate des Photolacks durch die Sammelleitung 14o und die Du sen 141, und obwohl die Du sen 141 voneinander in Vertikalrichtung im Abstand liegen, ergibt sich praktisch keine zeitliche Verzögerung zwischen dem Eintreffen des Photolacks an den verschiedenen Düsen, noch irgendein Unterschied in dem Druck, der auf den Photolack an den verschiedenen Düsen ausgeübt wird. Im Ergebnis erhält man einen im wesentlichen gleichförmigen Sprühstrahl von Photolack aus allen Düsen, die auf die Drehachse des Rotors und auf alle auf ihm befindlichen Wafer W gerichtet sind. Der sehr erhebliche Druckpegel, der auf dem Photolack lastet und durch das Stickstof fgas übertragen wird, führt dazu, daßder Photolack gewissermaßen aus den Düsen 141 explodiert, so daß der Photolack auf die Wafer in einer extrem kurzen Zeit aufgetragen wird.

Etwa 5 bis 7 ecm Photolack wird auf jeden Wafer aufgebracht. Natürlich tritt der Photolack,der eingesprüht wird durch die offene Ober- oder Unterseite des Trägers 119 oder durch die Seitenschlitze 123 ein, so daß jeder der Wafer gründlich auf beiden Seiten mit Photolack

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bedeckt wird. Während der Zeit des Aufsprühens von Photolack durch die Düsen treibt der Motor 129 den Rotor 117 mit relativ niedriger Drehzahl in der Größenordnung von 25 bis 1oo upm an.

Nachdem die Photolackcharge aus dem Tank 138 vollständig ausgeblasen worden ist, läßt man die Einspeisung von Stickstoffgas aus der Quelle für einige Zeit noch nachwirken, um den Photolack vollständig aus dem Ventil 139 und der Sammelleitung 14o sowie den Düsen 141 einzublasen. Das Stickstoffgas, das aus den Düsen 141 ausgeblasen wird, unterstützt die Abfuhr überschüssigen Photolacks von den Flächen der WAfer W. Nach Vervollständigung des Auftrags von Photolack auf die Wafer wird der Motor 123 unmittelbar beschleunigt, um den Rotor 117 mit viel höherer Drehzahl laufen zu lassen in der Größenordnung von 1ooo bis 2ooo upm, je nach der Natur und der Viskosität des verwendeten Photolacks. Überschüssiger Photolack wird von den Wafern abgeschleudert oder abzentrifugiert und nach Abschleudern des Photolacküberschusses verbleibt etwa ein halber bis ein Kubikzentimeter Photolack auf jedem Wafer.

Nachdem der Photolack im Tank 138 ausgeblasen worden ist und nach einigen Momenten Aufblasens von Stickstoffgas durch die Düsen 141 wird dann der Steuerkreis 144 das Ventil 133 schließen und danach auch das Ventil 138 schließen, sowie das Ventil 146 wieder öffnen, um erneut Photolack in den Tank 138 einzusetzen. Das Ventil 136 bleibt solange offen wie erforderlich, um den Tank 138 mit der notwendigen Quantität an Photolack für den nächsten Betriebszyklus zu füllen. Danach wird der Rotor abgestoppt und der Träger 119, gefüllt mit den Wafern W, wird als Ganzes aus der Sprühkammer 11o nach Abnehmen des Deckels 116 herausgenommen.

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Ein weiterer Träger kann nun auf dem Rotor plaziert werden und auch dessen Wafer werden im wesentlichen konzentrisch bezüglich der Drehachse im Abstand ihrer Flächen voneinander längs der Achse angeordnet sein. Falls gelegentlich ein Ansammeln von Photolack im Inneren der Sprühkammer festgestellt wird, kann eine Lösungsmittelcharge in den Tank 138 eingesetzt werden, während dieser leer ist und danach durch die Sammelleitung und die Du s en ausgeblasen werden, um so vollständig das Innere der Sprühkammer zusammen mit dem Rotor zu reinigen. Darüberhinaus kann über Ventil 132 und Sammelrohr 125 und Düsen 126 zusätzliches Lösungsmittel zugeführt werden, um eine noch gründlichere Reinigung des gesamten Innenraumes der Sprühkammer vorzunehmen.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Verwendung zum Auftragen von Photolack auf eine Vielzahl von Siliziumwafern gleichzeitig vorgeschlagen wird, wobei die Wafer voneinander in flächigem Abstands längs der Drehachse eines Rotors in einer geschlossenen Kammer liegen und der Photolack in Richtung der Drehachse unter hohem Druck von einer Mehrzahl von Düsen gesprüht wird, die in einer vertikal orientierten Reihe angeordnet sind, so daß beide Seiten jedes Wafers gleichzeitig mit Photolack beschichtet werden. Während der Photolack auf die Wafer aufgebracht wird, laufen Rotor und Wafer ziemlich langsam um, nach Beendigung des Aufsprühens jedoch wird der Rotor beschleunigt auf hohe Drehzahlen, um so den überschüssigen Photolack von den Wafern abzuschleudern oder wegzuzentrifugieren.

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Claims

FSI Corporation 335 Lake Hazeltine Drive Chaska, Minn./USA Patentansprüche

1. Vorrichtung für das Aufbringen von Photolack auf Siliziumwafer im Zuge der Herstellung von Chips für integrierte Schaltkreise, welche Vorrichtung eine, eine geschlossene Kammer (1o) begrenzende Hülle (111), einen in der Kammer angeordneten und um eine Drehachse zum Umlauf antreibbaren Rotor (117) mit Trageinrichtungen (119) zur Halterung der Wafer quer zur Drehachse, im Abstand voneinander und einander zugekehrt längs der Drehachse und im wesentlichen konzentrisch mit dieser sowie eine Mehrzahl von in der Kammer nahe dem Rotor vorgesehenen Düsen (141) umfaßt, welche Düsen in einer Reihe hinter dem Rotor auf diesen und seine Drehachse gerichtet angeordnet sind zum Aufsprühen von Photolack über die auf dem Rotor gehalterten Wafer, wofür an die Düsen eine Photolackquelle (145, 146) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackquelle einen Meßtank (138) und eine ventilsteuerbare Gashochdruckquelle(142, 143) unter einigen Bar Druck umfaßt, die an den Tank angeschlossen ist zum Ausblasen des Photolacks aus dem Tank und über die Düsen auf die Wafer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gashochdruckquelle unter etwa fünf Bar Druck steht.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aufrechtstehend in der Kammer angeordnet ist und daß die Düsen an eine Sammelleitung (14o) angeschlossen sind, die sich von der Hülle und den Düsen nach unten zu einem Anschluß an die Photolackquelle erstreckt.

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