DE2708720C2 - Plasmaätzreaktor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaätzreaktor nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.
Solche Plasmaätzreaktoren sind bereits bekannt (DE-OS 22 41 229).
Bei bereits seit längerem bekannten Plasmareaktoren konzentriert sich der Ionisierungsstrom, analog der
elektrischen Stromverdrängung in metallischen Leitern zur Oberfläche, in Richtung zu den Kammerwänden hin.
Im Plasmareaktor werden die das Plasma bildenden ionisierten und angeregten Elemente hauptsächlich in
den Bereichen erzeugt, in welchen ein Stromdurchgang auftritt. In den gleichen Bereichen kommt es zur
Erzeugung sichtbaren Lichts als Gas- oder Glimmentladung, die auf dem Zerfall verschiedener Elemente in den
verschiedenen elektronischen Anregungszuständen beruht. Die Lebensdauer einiger elektronischer Anregungszustände
ist offensichtlich so kurz, daß den entsprechenden Elementen keine ausreichende Zeit
verbleibt, aus dem Bereich, in welchem sich der Strom konzentriert, auszudiffundieren. Daher hat es sich
gezeigt, daß Reaktionen wie das Ätzen von Aluminium od. dgl. nur innerhalb des Glimmentladungsbereichs
ausgeführt werden können. Wenn die Glimmentladung jedoch nur im Bereich der Reaktorwände auftritt, läßt
sich nur ein ganz geringer Bereich der Reaktionskammer zur Behandlung ausnutzen.
Um eine bessere Verteilung der Ätzrate möglichst über die ganze Fläche des plattenförmigen Substratträgers
zu erreichen, wurde bei dem eingangs genannten Plasmaätzreaktor innerhalb der Reaktorkammer eine
von einem geerdeten Schirm umgebene glockenförmige Elektrode angeordnet, die in ihrer Randzone mit einem
auf gleichem Potential wie die Elektrode liegenden Vorsprung versehen ist, der den Raum zwischen der
Elektrode und der plattenförmigen als Werkstückträger dienenden Gegenelektrode bis auf einen Spalt überbrückt,
aus dem die zwischen den Elektroden auftretende Glimmentladung nicht austreten kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Plasmaätzreaktor der eingangs genannten Art eine
gleichmäßige Verteilung des lonisierungsstroms und der ίο Glimmentladung des Plasmas auch dann zu ermöglichen,
wenn die Elektroden als ebene Platten ausgebildet sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Mittel gelöst.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform einer insbesondere zum Ätzen von Aluminium geeigneten Vorrichtung der beschriebenen
Art.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer zum Behandeln von
Plättchen geeigneten Vorrichtung der beschriebenen Art.
F i g. 3 zeigt im Aufrißquerschnitt im vergrößerten Maßstab einen Teil eines zur Behandlung in der
Vorrichtung nach F i g. 2 geeigneten Plättchens.
Entsprechend F i g. 1 weist die Vorrichtung zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordnete, allgemein
planar ausgebildete Elektroden 11 und 12 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, weiche parallel
zueinander ausgerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform bilden die Elektroden Boden- und Deckenwand
einer Kammer 13, die außerdem eine zylindrische Seitenwand 14 aus einem isolierenden Werkstoff wie
z. B. Quarz aufweist. Die Elektrode 11 ist abnehmbar am
oberen Bereich der Seitenwand 14 befestigt und gestattet somit den Zugang zur Kammer 13.
Die Einspeisevorrichtung für Reaklionsgas in die Kammer 13 besieht aus einem Gaseinlaßstutzen 16 mit
einem Ventil 17, sowie einer mit einem Gasauslaßstutzen 19 verbundenen Vakuumpumpe 18. Entsprechend
der hier dargestellten Ausführungsform sind Einlaß- und Auslaßstutzen auf entgegengesetzten Kammerseiten an
der Seitenwand 14 befestigt; sie können jedoch auch an anderer Stelle der Kammer wie z. B. an der Elektrode 11
angeordnet sein. Geeignetes Reaktionsgas zum Ätzen von Werkstücken aus z. B. Aluminium sind Chlor und
chlorierte Kohlenwasserstoffe, wobei besonders gute Ergebnisse mit Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) erhalten
werden. Zum Ätzen von Siliziumverbindungen und anderen Werkstoffen sind CF4, CHFj und andere
fluorierte Verbindungen geeignet.
Der Durchsatz an Reaktionsgas wird so eingestellt, daß das Gas während einer Optimalzeit innerhalb der
Kammer verbleibt, während welcher es zu einem Ausgleich an Ausbildung und Zerfall der aktiven
Elemente kommt, welche das Ätzen bewirken, wobei diese Zeit jedoch kurz genug bemessen ist, um zu
vermeiden, daß Reaktionsnebenprodukte den Reaktionsablauf inhibieren. Bei Verwendung von CCU
werden mit einer Verweilzeit in der Größenordnung von V25 see besonders zufriedenstellende Ergebnisse
erhalten. Wenn die Reaktionskammer ein Fassungsvermögen von 300 cm3 aufweist, wird dieser beispielsweise
CCI4 in einem Durchsatz in der Größenordnung von 40 bis 70 cm3 pro Minute unter atmosphärischem Druck
zugeführt, wobei die Vakuumpumpe 18 das innerhalb
der Kammer befindliche Gas mit einem Durchsalz von 7500 cmVsec absaugt, so daß sich eine Verweilzeit von
300 cm-
7500 cmVsec
oder V25 see und ein Druck in der Größenordnung
von 0,1 Torr innerhalb der Kammer 13 einstellt Mit weiche zu entfernende Bereiche der Aluminiumschicht
freigelegt werden.
Zum Ätzen des Aluminiums wird ein Oxidationsglas wie z. B. Sauerstoff oder Luft oder ein Reduktionsgas
wie z. B. Wasserstoff in die Kammer 13 eingeleitet Dazu ist ein Gaseinlaßstutzen 38 über ein Ventil 39 mit der
Seitenwand 14 verbunden, durch zusätzliches Einleiten eines Oxidationsgases kommt es zur Anhäufung
sauerstoffhahiger Aluminiumverbindungen an der freiliegenden Aluminiumoberfläche; diese Aluminiumverbindungen
verhindern ein Hinterschneiden der Aluminiumschicht. Bei Einleitung eines wasse-stoffhaltigen
Gases bilden sich auf den freiliegenden Oberflächen der Aluminiumschicht Aluminiumhydride aus; diese Aluminiumverbindungen
verhindern gleichfalls ein Hinterschneiden der Aluminiumschicht. Luft hat sich als
besonders geeignet erwiesen, da sie sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff enthält.
Vermittels (nicht dargestellter) Heizvorrichtungen werden die Elektroden auf vorbestimmter Temperatur
gehalten. Die Heizvorrichtungen können von beliebiger Beschaffenheit sein und halten beim Ätzen von
Aluminium die Elektroden 11, 12 auf einer Temperatur im Bereich von 75 -125° C bzw. 75 -135° C.
Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung beim Ätzen einer Aluminiumschicht 31 auf einem
Halbleiterplättchen 27 ist folgende: Das Plättchen 27 und die dielektrische Platte 26 werden in die Kammer 13
eingebracht, und die Elektroden 11, 12 auf einer Temperatur im Bereich von 75-125° C bzw. 75-135° C
gehalten. Zunächst sind die Ventile 17 und 39 geschlossen, und vermittels der Vakuumpumpe 18 wird
der Druck innerhalb der Kammer auf einen wesentlich unter 0,1 Torr liegenden Ausgangsdruck abgesenkt.
Dann wird das Ventil 17 geöffnet und Reaktionsgas in die Kammer in einem Durchsatz von z. B. 49 bis
70 cmVmin eingeleitet, wodurch der Druck innerhalb der Kammer auf einen Arbeitsdruck in der Größenordnung
von 0,1 Torr ansteigt. Dann werden die Elektroden erregt, ionisieren das Gas und bilden ein Plasma aus,
welches den Äti Vorgang bewirkt. Wie oben beschrieben, ist die Glimmentladung gleichförmig zwischen den
Elektroden verteilt, und das Plättchen kann an beliebiger Stelle innerhalb des Elektrodenzwischenraums
angeordnet sein.
Der Ätzvorgang verläuft besonders günstig, wenn das Ätzen taktweise ausgeführt und die Ansammlung
sauerstoffhaltiger Elemente auf den freiliegenden Aluminiumoberflächen zwischen den Ätzperioden zugelassen
wird. Anzahl und Länge der Ätzperioden sind abhängig von der Stärke der zu entfernenden
Aluminiumschicht und dem Anteil anderer Stoffe im Aluminium. Mit den meisten Halbleiterplättchen werden
zufriedenstellende Ergebnisse mit drei bis fünf Ätzperioden von jeweils 3 bis 3'Λ nun Dauer erzielt.
Bei periodischem Ätzen wird der Ionisierungsstrom während 3 bis 3'/2 min aufrecht erhalten, und dann
abgeschaltet, wobei das Ventil 17 gleichzeitig geschlossen wird, um den Eintritt von weiterem Reaktionsgas in
die Kammer zu verhindern. Die Vakuumpumpe 18 bleibt so lange in Betrieb, bis der Druck innerhalb der
Kammer auf den Ausgangsdruck unter 0,08 Torr
abgesenkt worden ist, wonach die Pumpe abgeschaltet wird. Dann wird das Ventil 39 geöffnet so daß Luft oder
ein anderes Oxidationsgas in die Kammer eintreten kann. Luft wird in einem entsprechenden Durchsatz und
während einer Zeitdauer zugeführt, die so bemessen sind, daß sich sauerstoffhaltige Elemente auf den
Drücken im Bereich von 0,05 bis 0,5 Torr werden besonders zufriedenstellende Ergebnisse erhalten.
Zur Erregung der Elektroden 11, 12 zwecks Ausbildung eines elektrischen Feldes, durch welches das
Gas innerhalb der Kammer 13 ionisiert wird, ist ein Hochfrequenzgenerator 21 vorgesehen, welcher über
Leitungen 22, 23 mit den Elektroden 11, 12 verbunden ist Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
arbeitet der Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz in der Größenordnung von 13,65 MHz und liefert eine
Leistung von größenordnungsmäßig 50 Watt, wobei diese Werte jedoch nur als Beispiel anzusehen sind und
auch andere Frequenzen und Ausgangsleistungen verwendet werden können.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung und Plasmaionisierung im ganzen Bereich zwischen den
Elektroden wird eine in Reihe mit dem Plasma geschaltete Verteilerimpedanz vorgesehen. Diese Verteilerimpeoanz
wird im Vergleich zur Plasmaimpedanz groß gemacht, so daß der Strom durch die Mitte des
Plasmas im wesentlichen gleich hoch ist wie der Strom in den äußeren Plasmabereichen. Da die Impedanz eines
Strompfads durch die Mitte des Plasmas klein ist im Vergleich zu der eines Strompfads von der Mitte zur
Kammeraußenwand, ist die Stromverteilung innerhalb des ganzen Plasmas ebenfalls im wesentlichen gleichförmig.
Bei Verwendung kreisrunder Elektroden mit einem Durchmesser von 20,3 cm, an die eine Leistung von
50 Watt angelegt ist, werden beim Ätzen von Aluminium zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn der
Elektrodenabstand 2,5 cm oder weniger beträgt und zur Erzielung besonders guter Ergebnisse insbesondere bei
etwa 1,0 cm liegt. Allgemein gilt, daß der Elektrodenabstand wesentlich kleiner sein sollte als der Elektrodendurchmesser,
wobei das Verhältnis von Elektroden durchmesser zu Elektrodenabstand bevorzugt wenigstens
3 : 1 beträgt.
In der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein dielektrischer Körper in Form einer Platte 26 auf die
Elektrode 12 gelegt und dient als Verteilerimpedanz. Geeignete Dielektrika sind Quarz, Pyrexglas und
andere Glasarten, und gute Ergebnisse werden Pyrexglasplatten in einer Stärke von etwa 0,16 cm erhalten.
Das Dielektrikum bewirkt nicht nur eine Verteilung des Ionisierungsstroms über den ganzen Plasmabereich,
sondern scheint auch zu bewirken, daß ein Teil des lonisierungsstroms durch ein Plättchen oder ein anderes
im Plasmabereich befindliches Werkstück hindurchgeht.
Auf die Platte 26 des Werkstücks ist ein Halbleiterplättchen 27 aufgelegt Die gegenseitige Lage von
Dielektrikum und Plättchen sind nicht kritisch, und es kommt lediglich darauf an, daß diese hinter- bzw.
übereinander im Elektrodenzwischenraum angeordnet sind. So kann das Dielektrikum an der oberen Elektrode,
und das Plättchen unmittelbar auf der unteren Elektrode angeordnet sein.
Das Plättchen 27 hat die Form eines Substrats 28 aus Halbleiterwerkstoff, in welchem in der bei Halbleiterelementen
üblichen Weise Fremdstoffbereiche ausgebildet
sind. Eine Siliziumdioxidschicht 29 überlagen die Unterlage und trägt ihrerseits eine Aluminiumschicht
31. Auf der Aluminiumschicht ist eine Photoresistschicht 32 ausgebildet, und diese weist »Fenster« 33 auf, durch
freiliegenden Aluminiumoberflächen ansammeln können. Wenn die Kammer ein Fassungsvermögen in der
Größenordnung von «300 cm3 aufweist, werden gute
Ergebnisse mit einem Luftdurchsatz von 300 cmVmin und einer Einlaßdauer von 45 Sekunden erhalten. Nach
dem Einleiten von Luft wird das Ventil 39 wieder geschlossen und die Vakuumpumpe 18 angeschaltet, um
den Druck innerhalb der Kammer auf den Druckausgangswert herabzusetzen. Das Ventil 17 wird wieder
geöffnet, und die Elektroden werden von neuem erregt, so daß der nächste Ätztakt ausgeführt werden kann.
Beispie!
Es wurde eine Aluminiumschicht in einer Stärke in der Größenordnung von 10 000 Ä in drei Taktperioden
von einem Halbleiterplättchen entfernt, wobei jede Ätzperiode 3V2 min, und die Oxidationsperiode 45 Sekunden
dauerte. Die Kammer wies ein Fassungsvermögen von etwa 300 cm3 auf, und als Reaktionsgas wurde
CCU verwendet, wobei die Verweilzeit bei etwa V25 see
betrug. Während der Oxidationsperiode wurde Luft in die Kammer in einem Durchsatz von 300 cnWmin
eingeleitet. Der Arbeitsdruck in der Kammer betrug 0,08 Torr, und die obere und die untere Elektrode
wurden auf einer Temperatur von 75° C bzw. 125° C gehalten. Der Hochfrequenzgenerator 21 arbeitete mit
einer Frequenz von 13,56MHz und lieferte eine Ausgangsleistung von 50 Watt. Der Abstand zwischen
den Elektroden 11,12 betrug 1,01 cm.
Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt eine Kammer 51 mit Wänden 52
aus z. B. Aluminium. Ein (nicht dargestellter) abnehmbarer Deckel gestattet das Einlegen und Herausnehmen in
bzw. aus der Kammer. Innerhalb der Kammer befinden sich planare Elektroden 53, 54, welche mit einer
außerhalb der Kammer befindlichen Hochfrequenzquelle 56 verbunden sind. Ein dielektrischer Körper in Form
einer Glasplatte 50 ist zwischen der Elektrode 53 und der oberen Wand 52 angeordnet, und weitere
Glasplatten 55 sind an den Rändern der Glasplatte 50 und der Elektrode 53 angeordnet Die Elektrode 54 ist
vorzugsweise mit Durchlässen versehen, durch welche Wasser oder ein anderes Kühlmittel umgewälzt werden
kann, durch welches diese Elektrode auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten wird.
An einem Ende der Kammer befindet sich ein Einlaßstutzen 57, durch den Gas in die Kammer
eingeleitet werden kann. Eine Absaugpumpe 58 ist mit einem am anderen Kammerende angeordneten AusiaB-stutzen
59 verbunden. Bei dieser Anordnung tritt Gas an einem Ende in die Kammer ein, strömt zwischen den
Elektroden hindurch und tritt am anderen Kammerende wieder aus. Der Gasströmungsweg kann jedoch nach
Wunsch auch anders geführt werden; so kann das Gas durch die untere Elektrode hindurch unmittelbar in den
Elektrodenzwischenraum eingeführt werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des lonisierungsstroms
und damit der aktiven Elemente im Plasma im Elektrodenzwischenraum sind hier außerdem Glasplatten
61, 62 an der oberen Elektrode 53 vorgesehen. Die Glasplatte 61 besteht aus einer Massivglasplatte, deren
Oberseite gegen die untere Elektrodenoberfiäche anliegt; die Glasplatte 62 weist Durchbrechungen oder
Perforationen auf, die mit ihrer Oberseite gegen die
untere Oberfläche der Glasplatte 61 anliegt. Die Durchbrechungen 63 verlaufen senkrecht durch die
ganze Glasplatte 62 hindurch und dienen zur Konzentration des Plasmas im Bereich unterhalb der Durchbrechungen.
Die Größe der Durchbrechungen ist nicht kritisch; einwandfreie Ergebnisse wurden mit Durchbrechungen
erhalten, deren Durchmesser in der Größenordnung des halben Plättchendurchmessers liegt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform zum Ätzen von 7,6 cm dicken Plättchen werden rechteckige
Platten von etwa 61cm Länge und 30,5 cm Breite verwendet, wobei die Glasplatte 61 etwa 0,3 cm, und die
Glasplatte 62 etwa 0,95 cm stark ist, während die Durchbrechungen einen Durchmesser von 3,8 cm
aufweisen. Die Plättchen 64 sind axial zu den Durchbrechungen ausgerichtet auf die obere Oberfläche
der Elektrode 54 aufgelegt, und der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der Elektrode 53 und
der oberen Oberfläche der Elektrode 54 beträgt etwa 2.5 cm.
Ein typischer Aufbau eines Plättchens 64 ist in F i g. 3 dargestellt. Dieses Plättchen besteht aus einer Unterlage
oder einem Substrat 66 aus Halbleiterwerkstoff wie z. B. Silizium, in welchem in bekannter Weise Fremd-Stoffbereiche
ausgebildet sind. Eine Isolierschicht 67 aus z. B. Siliziumdioxid überlagert die Unterlage, und auf
dieser ist wiederum eine Aluminiumschicht 68 ausgebildet. Das Aluminium reicht durch Fenster 69 in der
Siliziumdioxidschicht 67 hindurch und bildet Kontakte mit der Siliziumunterlage. Auf der Aluminiumschicht ist
eine Photoresistmaslce 71 ausgebildet und gibt ein Leitermuster vor, das durch Wegätzen der freiliegenden
Bereiche der Aluminiumschicht ausgebildet werden soll. Geeignete Reaktionsgase zum Ätzen von Aluminium
in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung sind Chlor
und chlorierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. CCU. Für Plättchen der in F i g. 3 dargestellten Ausführung, bei
denen das Aluminium abschnittsweise in unmittelbarer Berührung mit dem Silizium steht, lassen sich noch
bessere Ergebnisse dadurch erzielen, daß entweder eine Quarzplatte unterhalb der Plättchen auf die Elektrode
54 gelegt oder ein Helium oder ein anderes wärmeleitfähiges, inertes Gas enthaltendes Reaktionsgas eingeleitet
wird. Besonders gute Ergebnisse werden mit einem Reaktionsgas erhalten, das 110 Volumenteile CCl4 und
40 Volumenteile Helium enthält
Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform
der Vorrichtung zum Ätzen von Aluminium zwecks Ausbildung von Leitermustern auf Plättchen der
in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist wie folgt: Nachdem die Plättchen auf die Elektrode 54 gelegt
worden sind, wird die Kammer geschlossen und die Äbsaugpunipe 58 angeschaltet, um den Druck innerhalb
der Kammer auf einen Anfangswert in der Größenordnung von 0,10 bis 0,50 Torr abzusenken. Vor dem
Ätzvorgang wird innerhalb der Kammer ein Sauerstoffplasma ausgebildet, um ggf. vorhandenes Wasser oder
Wasserdampf zu beseitigen. Das Sauerstoffplasma wird typischerweise etwa 30 see lang beibehalten. Dann
werden die Reaktionsgase eingeleitet, und das Ätzplasma
kommt zur Ausbildung. Dieses Plasma wird während einer zum Ätzen des Aluminium ausreichend längen
Zeitspanne beibehalten, welche pro um Aluminiumätzdicke typischerweise bei 5 bis 7 min liegt, wenn das
Plasma aus einem Gemisch aus CCU, das in einem Durchsatz von llOcmVmin eingeführt wird, und
Helium, das in einem Durchsatz von 40cm3/min
eingeführt wird, besteht In einem Reaktor mit den
vorstehend angegebenen Abmessungen werden die Elektroden typischerweise mit einer Leistung von etwa
1000 bis 1100 Watt erregt, und die untere Elektrode 54
wird auf einer unter 300C liegenden Temperatur gehalten. Der Druck innerhalb der Kammer beträgt
während des Ätzvorgangs typischerweise etwa 0,29 Torr. Nach Abschluß des Ätzvorgangs wird ein
zweites Sauerstoffplasma ausgebildet, um ggf. zurückbleibende Chlorrückstände zu entfernen. Dieses Plasma
wird typischerweise etwa 2 min lang aufrecht erhalten. Anschließend wird das System mit einem trockenen,
inerten Gas wie z. B. Argon ausgespült, wonach die Kammer geöffnet werden kann und die geätzten
ϊ Plättchen herausgenommen werden können. Vor Behandlung einer nächsten Plättchenserie wird die
Oberfläche der unteren Elektrode vorzugsweise mit Azeton gereinigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Plasmaätzreaktor mit einer geschlossenen Reaktionskammer, in der zwei Elektroden in einem
Abstand voneinander angeordnet sind, in die ein Reaktionsgas einführbar ist und bei der die
Elektroden mit Anschlüssen zur Speisung mit einem lonisationsstrom versehen sind, um das Gas zu
erregen und ein Plasma in dem Bereich zwischen den Elektroden zu bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dielektrischer Körper (26; 50, 61, 62) sich quer zur Kammer (13; 51) zwischen den
Elektroden (11, 12; 53, 54) erstreckt, dessen Impedanz für den lonisationsstrom wesentlich
größer ist als die Impedanz des Plasmas und der eine elektrische Isolation zwischen den Elektroden bildet,
so daß der gesamte lonisationsstrom durch diesen Körper hindurch gehen muß, und daß das zu ätzende
•Material (27; 64) zwischen dem dielektrischen Körper (26; 50) und einer der Elektroden (12; 54)
angeordnet ist.
2. Plasmaätzreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (62)
Öffnungen (63) aufweist, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden (53,
54) erstrecken und dazu dienen, das Plasma in vorbestimmten Teilen des Bereichs zwischen den
Elektroden zu konzentrieren.
3. Plasmaätzreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (50,
61, 55) eine der Elektroden (53) umgibt und einschließt.
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