Quarzglas für die Halbleiterfertigung

Halbleiter-Beschichtungsprozess

Die Dünnfilm-Abscheidung von verschiedenen Materialien ist einer der kritischsten Schritte im Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen. Die fortschreitende Integration in die dritte Dimension stellt neue und immer anspruchsvollere Anforderungen an die Abscheidungsprozesse. Insbesondere die Homogenität über die gesamte Waferfläche und die Fähigkeit, Material gleichmäßig auf 3D-Strukturen im Nanometerbereich abzuscheiden, sind die wesentlichen Treiber für neue Entwicklungen und Anforderungen innerhalb der Halbleiterindustrie.

Herausforderungen bei modernen Beschichtungsprozessen sind hierbei die Gleichmäßigkeit der Schichten, der Temperatur sowie des Gasflusses. Darüber hinaus soll außerdem die Entstehung von Partikeln und Prozessverunreinigungen vermieden werden, um eine hohe Prozessausbeute zu erzielen.

Um die Homogenität innerhalb des Prozesses zu gewährleisten, ist es entscheidend, die Temperatur und den Gasfluss zu kontrollieren. Der Gasfluss wird durch Rohre mit engen Abmessungstoleranzen und optimiertem Design des Quarzglases gesteuert. Für ein verbessertes Wärmemanagement bietet Heraeus einzigartige Lösungen aus opakem Material an.

Eine Hauptursache für die Partikelbildung in plasmagestützten Abscheideverfahren ist der Blasengehalt des Quarzglas-Basismaterials. Heraeus hat ein breites Portfolio an Materialien mit geringem Blasengehalt entwickelt, um dieser Herausforderung zu begegnen.

Verunreinigungen im Quarzglas sind aufgrund der schrumpfenden Strukturgrößen in der Halbleiterfertigung zu einer zunehmenden Sorge geworden. Heraeus stellt hochreine und synthetische Quarzmaterialien und -lösungen her um dieser Sorge entgegenzuwirken.

Batch-Verarbeitung

Epitaxie

Batch-Verarbeitung

Für Prozesse mit langen Laufzeiten ist es wünschenswert mehr als einen Wafer gleichzeitig zu bearbeiten. Dies wird als Batch-Verarbeitung bezeichnet. Bei der Batch-Verarbeitung können typischerweise Verfahren aus dem Bereich der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition) eingesetzt werden, darunter PECVD, ALD oder PEALD.

Batch-Beschichtungsprozesse werden in der Regel in vertikalen oder horizontalen Rohröfen durchgeführt. Die Wafer werden in sogenannten Waferbooten in die Batch-Ofenanlage geladen. Solche Systeme können 100 bis 160 Wafer (in einigen Fällen sogar mehr) in einem Prozessdurchlauf verarbeiten.

Epitaxie

Ein sehr spezielles Verfahren eines Abscheidungsprozesses ist die sogenannte epitaktische Abscheidung oder kurz Epitaxie genannt. Bei diesem Verfahren wird das Material auf eine einkristalline Vorlage abgeschieden und wächst als einkristalline Schicht auf. Einer der ersten Schritte in der Fertigungskette von Halbleiterbauelementen ist die Abscheidung von epitaktischem Silizium auf dem blanken Siliziumwafer. Dies geschieht in einem Epitaxieverfahren. Sehr häufig werden diese Prozesse mit jeweils nur einem Wafer (d.h. Single Wafer Verarbeitung) oder in kleinen Stückzahlen (d.h. Multi-Wafer oder Mini-Batch Verarbeitung) durchgeführt.

Halbleiter-Ätzverfahren

Neben der Lithografie und den Abscheidungsprozessen ist der Ätzprozess einer der kritischsten Prozesse in der Halbleiterfertigungskette. Für die fortschreitende 3D-Integration von immer mehr Halbleiterbauelementen, insbesondere DRAM und NAND-Flash, ist das Plasmaätzen der Prozess, der eine höhere Integrationsdichte und eine Verringerung der Strukturgrößen ermöglicht. Für High-Tech-Prozesse ist ein hohes Aspektverhältnis zwischen den seitlichen Abmessungen der Ätzstruktur und der Ätztiefe erforderlich.

Die Anforderungen an Plasmaätzprozesse für Single Wafer Verarbeitung können sehr vielfältig sein. Ein besonders kritischer Aspekt ist die Homogenität über die gesamte Waferfläche. Diese beeinflusst maßgeblich die Produktausbeute für den Halbleiterchiphersteller. Die Fähigkeit, ein Material selektiv in alle Richtungen (isotrop) statt nur in eine Richtung (anisotrop) zu ätzen, wird zu einer wichtigen Prozessanforderung, insbesondere bei der Herstellung von mehrschichtigen NAND-Flash-Bauteilen.

Die Zeit zwischen den Wartungsarbeiten wirkt sich auf die Betriebszeit Ihrer Ätz- und Veraschungsgeräte aus. Eine Hauptursache für den Ausfall von Geräten sind Partikelmengen, die die vordefinierten Grenzwerte überschreiten. Blasen im Quarzglas tragen zur Partikelbildung bei Plasmaätzprozessen bei. Dies ist ein zunehmendes Problem, da die schrumpfenden Strukturgrößen zu kleineren akzeptablen Partikelgrößen und -mengen führen.

Heraeus hat sich auf die Entwicklung kosteneffizienter, blasenarmer Materialien konzentriert, um speziell dieser Herausforderung zu begegnen.

Mikrolithografie

Seit Erfindung der integrierten Schaltkreise (Halbleiterchips) ist die Mikrolithographie der entscheidende Prozessschritt in der Fertigungskette für die Elektronik. In diesem Schritt wird Licht zur Strukturierung von Silizium oder eines anderen halbleitenden Materials verwendet, indem die winzigen Strukturen einer Maske auf den mit einem Fotolack („Photoresist“) beschichteten Wafer abgebildet werden. Nach der Entwicklung dient dieser Fotolack als Vorlage für nachfolgende Prozesse, wie z. B. Dotieren und Ätzen, um die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters lokal zu verändern. Diese Funktionalisierung des Wafers ist die Grundlage für die Erzeugung aller elektronischen Einheiten (Transistoren, Kondensatoren, ...) auf dem Chip.

er anhaltende Trend zur Miniaturisierung integrierter Schaltungen (Mooresches Gesetz) erfordert eine extrem genaue optische Abbildung der Maske auf den Wafer mit nur minimalen Aberrationen, die dicht bei den theoretischen Grenzen liegen. Die Breite der kleinsten Strukturen von den technisch anspruchvollsten Chips beträgt weniger als ein Zehntel der verwendeten Wellenlänge! Das optische Design und die Herstellung solcher Projektionsoptikmodule (s. Foto) zählen zu den anspruchsvollsten Vorgängen in der Optik.

Neben der Qualität der Optik spielt die Abbildungswellenlänge eine entscheidende Rolle. Da die minimale Merkmalgröße einer abgebildeten Struktur mit kürzeren Wellenlängen immer weiter abnimmt, kommen bei der Herstellung moderner Halbleiterchips ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm (tiefes Ultraviolett, im Englischen „Deep Ultraviolet“, DUV) als Lichtquelle zum Einsatz.

Das optische Material der Wahl für die Mikrolithographie ist synthetisches Quarzglas, da es die oben genannten Anforderungen hinsichtlich eines störungsfreien optischen DUV-Systems perfekt erfüllt. Synthetisches Quarzglas weist eine sehr hohe DUV-Transmissivität (Durchlässigkeit) und eine geringe Absorption auf, so dass keine Bildfehler durch Erwärmung der Linse auftreten. Es lässt sich mit ausgezeichneter optischer 3D-Homogenität (niedrige Brechungsindexvariationen) und vernachlässigbarer Spannungsdoppelbrechung herstellen. Eine weitere Anforderung an das optische Material ist die Beständigkeit gegen UV-Strahlung. Obwohl die bei Wafer-Steppern für die Mikrolithographie verwendeten Impulsenergiedichten relativ niedrig sind (<1 mJ/cm²), behalten nur optimierte Quarzglassorten ihre hervorragenden Anfangseigenschaften über die gesamte erwartete Lebensdauer von etwa 10 Betriebsjahren.

Weitere Informationen zu lichtinduzierten Schäden

Weitere Informationen und Kontakt