JPS6347788B2

JPS6347788B2 -

Info

Publication number: JPS6347788B2
Application number: JP61218284A
Authority: JP
Inventors: Deebitsudo Gurobuman Uooren; Hoo Fuaafu; Eruden Haasuto Junia Jerii; Tomukyuuitsukuzu Yafua; Jeemuzu Ritsuko Jon
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1985-10-18
Filing date: 1986-09-18
Publication date: 1988-09-26
Also published as: JPS6299480A; US4622095A; EP0219697A2; EP0219697B1; DE3682745D1; EP0219697A3

Description

【発明の詳細な説明】

Ａ産業上の利用分野本発明は金属基板の放射線誘導ドライ・エツチ
ング方法、さらに具体的には本発明は金属と反応
するハロゲン気体を使用して、エキシマ・レーザ
によつて発生した放射線ビームによつて除去出来
る固体の反応生成物を形成するドライ・エツチン
グ方法に関する。Ｂ従来技術今日のエレクトロニクスの傾向はシステムの素
子密度をたえず増大させる方向に向つている。素
子密度の増大によつて設計者はシステムの寸法を
最小に保つたままシステムの速度を増大し、シス
テムに複雑な機能を与える事が出来る様になつ
た。さらに、素子密度の増大は、集積回路の製造
方法の経済性と相まつて製造コストを安くした。素子密度を増大したいという欲求によつて、超
大規模集積回路（VLSI）が製造されるに至つた。
この様な回路では、設計者は多数の電子素子を
個々の集積回路チツプ上に集積することが出来
る。その後、これ等のチツプを基板上に集めて、
より大きな回路及びシステムの機能ブロツクを形
成している。高密度回路チツプの取付けを容易にするため
に、設計者はいわゆる多重セラミツク（MLC）
基板を開発した。MLC基板は良く知られていて、
1972年５月刊固体技術第35−40頁のH.D.カイザ
ー等著の論文「多層セラミツク・モジユールのた
めの製造技術」（“Ａ Fabrication Technique
for Multilayer Ceramic Modules”by H.D.
Kaiser at al.in Solid−State Technology
May.1972 pp.35−40）に開示されている。多層セラミツク基板を含む半導体モジユールの
例は米国特許第4245273号に与えられている。 MLCの製造業者は基板の性能、特に最大回路
速度がチツプを相互接続するため基板中に組込ま
れた厚膜金属線の長さを減少する事によつて増大
出来る事を見出した。設計者はMLCの厚膜の少
なく共一部を多層薄膜回路で置換える事によつて
相互接続線を減少する事を提案した。薄膜回路は
MLCチツプの取付け表面上に、ポリイミドもし
くは他の重合体有機材料の様な絶縁層によつて分
離した薄膜金属の多くの層として形成されてい
る。多くの金属層は予定のパターンをなして配列
した貫通孔と呼ばれる開口を通つて延びる垂直な
金属化柱によつて相互接続されている。厚膜技術と比較して薄膜技術を使用すると小さ
な寸法の線を形成する事が出来るので、基板の平
面にはより多くの回路をはめ込む事が出来る。平
面当りの回路密度が高くなると、より少い平面で
すみ、従つて多くの平面を相互接続するための回
路の配線長を短く出来る。平面間を相互接続する
金属化線が短くなると、回路のインダクタンス及
び寄生キヤパシタンスが小さくなり、高い周波数
特性が得られる。この周波数特性の改善技術は薄
膜再分布（TFR）と呼ばれる様になつた。TFR
構造体を含むMLCの例は米国特許第4221047号に
与えられている。 TFR多重レベル金属化構造体の寸法は厚膜よ
りも小さいが、チツプ上に使用する薄膜金属化構
造体ほどは小さくない。TFRの電流は多くのチ
ツプによつて供給される電流の組合せであるか
ら、TFRの電流はチツプ電流よりもかなり大き
いので、その電流密度及び関連する熱を許容レベ
ルに保持するためにはTFR金属化構造体の物理
的寸法はチツプよりもかなり大きくなくてはなら
ない。さらに、TFR金属化層を分離する絶縁層
も厚くなければならず、異なる組成のものでなけ
ればならない。上述の米国特許に開示されている
様に、銅は金属化パターンを形成するのに最も良
く使用されている金属である。従つて銅のエツチ
ングは薄膜再分布（TFR）及び金属化セラミツ
ク・ポリイミド（MCP）技術の両方にとつて、
さらに一般的には銅の厚膜中の配線パターンを画
定するのに必要な種々のパツケージングの応用に
とつて重要な技術である。不幸な事に、TFR構造体は集積回路チツプの
構造体の寸法よりも大きく、材料が若干異なるた
めに、リフト・オフ・エツチング技術及びドラ
イ・エツチング（プラズマもしくは反応イオン・
エツチング）の様な集積回路のチツプ金属化パタ
ーンの製造に通常使用されている薄膜処理技術は
手易くTFR構造体の製造に使用する事は出来な
い。ドライ・エツチングには複雑な装置及び
MgO及びSiO₂の様な無機質のマスクを含む処理
段階を必要とする。米国特許第4490211号はTFR多層銅を有する
MCL構造体をドライ・エツチングする方法を開
示している。この方法によれば、金属化銅基板は
予定の圧力の真空にした反応室中に取付けられ
る。次に塩素の様なハロゲンの気体が室中に導入
される。気体は自発的に銅の基板と反応して、銅
の表面を一部消費してその上に固体の反応生成物
（CuCl）を形成する。CuCl表面はCuClによつて
吸収される波長で動作するパルス・エキシマ・レ
ーザからのパターン化されたビームで選択的に照
射される。エキシマ・レーザが当ると、放射線の
吸収によつて発生する熱によつて、CuClの薄膜
が蒸発して、銅の新鮮な層を露出する。CuClの
新らしい層が前と同様に、金属と追加されたハロ
ゲン気体と反応する事によつて新らしく露出した
金属上に反応する事によつて形成される。次に
CuClの新らしい層がパルス・レーザの照射によ
つて除去される。この様にして、金属がエツチさ
れる。エキシマ・レーザの放射を受けなかつた銅の金
属化パターンの領域では、CuCl反応生成物はそ
のまま残り、それはレーザ・エツチング工程を止
めた後に希釈水酸化アンモニウム溶液の様な希釈
化溶液中で洗浄されて除去される。銅金属のエツ
チングの選択性によつて、エキシマ・レーザの放
射線に使用してそのパターン化が可能になる。この米国特許第4490211号に表示されているレ
ーザ誘導化学エツチング方法の１つの欠点はエツ
チング工程が比較的遅く、著しい量のレーザ・エ
ネルギを消費する点にある。Ｃ発明が解決しようとする問題点本発明の目的は高速でレーザ・エネルギの消費
が少ない、金属基板のレーザ誘導ハロゲン気体エ
ツチング方法を与える事にある。Ｄ問題点を解決するための手段本発明に従えば、エツチングすべき金属化基板
はハロゲン気体を含む反応室中に置かれる。ハロ
ゲン気体は金属化層と反応して基板上に反応生成
物であるハロゲン化金属塩を形成する。金属化基
板をハロゲン化金属塩によつて吸収される波長の
レーザ放射線ビームにパターン状に露らし、反応
生成物の形成を促進する。基板上に蓄積した反応
生成物は基板をハロゲン化金属の溶剤と接触させ
る事によつて基板から除去される。本発明のレーザ・エツチング処理の速度はレー
ザ・エツチング段階中に高温、高圧を使用する事
によつて増大される。Ｅ実施例本発明の実施には米国特許第4490211号に開示
した型のエツチング装置を使用して、銅の様な金
属化基板のエツチングはハロゲン化塩の反応生成
物の吸収帯域幅と一致する特性波長を放出する希
ガス・パルス・エキシマ・レーザで行う。エツチ
ングを行うために、エツチングさるべき金属化基
板は米国特許第4490211号に開示した型のエツチ
ング装置の反応室中に取付けられる。適切な金属
化基板は銅、クロム、チタン、モリブデン、アル
ミニウム及びステンレス銅である。本発明のエツ
チング方法はシリコンもしくはセラミツク基板上
に形成したクロム−銅−クロムのサンドイツチ層
を使用してMCL基板をエツチするのに特に適し
ている。クロム層は薄く、代表的には約200乃至
約1200Åであり、銅の厚さは約２乃至約10ミクロ
ンである。このエツチング処理は都合のよい事に
両金属をエツチングするのに同一の反応気体を使
用して同じ反応室でクロム−銅−クロムのサンド
イツチ層をエツチングする。例えば、ハロゲン気
体である塩素を使用する時はこれは自発明にクロ
ムと反応して、反応生成物である塩化クロムを形
成する。この塩化クロムは塩化銅を駆逐するのに
使用したのと同じ波長のエキシマ・レーザ・パル
スを照射する事によつて駆逐できる。反応室に金属化基板を取付けた後に、室を排気
して、10^-5以下の圧力にし、気体の成分を除去
し、その後ハロゲン気体を導入して0.001乃至100
トル、好ましくは約0.4乃至約1.0トルの圧力にす
る。反応室に導入したハロゲン気体は金属化層と
自発的に反応してハロゲン化物の塩の薄い表面を
形成する。金属化層とハロゲン気体の反応は除々
に進行する。例えば0.4トルの圧力の塩素気体を
使用すると、室温で５ミクロンの厚さの、電子ビ
ームで蒸着した銅の膜は25乃至30分で塩化第１銅
に変る。塩化第１銅はCuClを介して塩素が拡散
して下の銅と反応することによつて形成される。以下、説明する様に、一般に反応は圧力の増大
とともに増大するので、ハロゲン気体と金属化基
板間の反応は約35℃及び140℃の温度、約0.4乃至
約10.0トルの程度のハロゲン気体の圧力を使用す
る事によつて大いに加速される事が見出された。
従つて本発明の好ましい実施例では約0.1乃至100
トル程度、さらに好ましくは約0.4乃至約10トル
程度のハロゲン気体の圧力を使用する。本発明において使用される反応性拡散反応は熱
的に活性化される反応であるから、或る圧力にお
けるハロゲン気体と金属化基板間の反応は高温
度、即ち約35℃乃至約140℃の程度の温度の使用
によつても加速出来る。ハロゲン雰囲気におい
て、レーザにより金属をエツチする従来の技術で
は、エツチングは高温はエツチング速度を減少す
るか、最終エツチ構造体を劣化させるという通常
の知見に従つて行われていた。以下説明される様
に、エツチング速度は本発明に従い約35℃乃至約
140℃の温度を使用する時に著しく加速される。
約140℃を超える温度では、エツチング速度は下
かる事がわかつている。本発明において使用されるハロゲン気体につい
て云えば、臭素が好ましい気体である。以下説明
する様に、本発明の方法の反応性気体として臭素
を使用する事によつて他のハロゲンもしくはハロ
ゲン含有気体で達成されるよりもレーザ放射線に
よつて誘起されるエツチングの速度が著しく改良
される。金属化基板のパターン状のエツチングを行うた
めに、パターンが描かれたマスクを介して、ハロ
ゲン化金属塩が吸収するのに適した波長のレーザ
の放射線のパターン化されたビームを基板上に照
射する。レーザはパルス・エキシマ・レーザであ
る事が好ましく、使用波長は紫外線領域、好まし
くは370ナノメートル（ｎｍ）以下の領域にある。
本発明の実施にとつて都合のよいエキシマ・レー
ザは157nｍの波長で動作するF₂レーザ、193nｍ
で動作するArFレーザ、249nｍで動作するKrFレ
ーザ、308nｍで動作するXeClレーザ、351nｍで
動作するXeFレーザである。本発明の方法のエツチング工程中に、エキシ
マ・レーザの放射線パルスは、投影マスクによつ
て定まるパターンをなして、金属化された基板上
に形成された反応生成物、ハロゲン化金属塩に当
る。レーザと接触する事によつてハロゲン化金属
塩は放射線を吸収し、熱的及び電子的に励起し
て、金属化基板のハロゲン化金属への変化を加速
する。パターン状の照射を受けない基板領域のハ
ロゲン気体と金属基板間の反応を禁止するため
に、基板をハロゲン気体にさらす前に、基板を約
100℃乃至150℃の温度の空気中で約10乃至30分加
熱する事によつて安定化し、基板上に酸化金属の
安定化薄膜を形成する。例えば銅薄膜を約125℃
で約25分間加熱すると、薄い（100Å以下の）酸
化銅膜が銅の表面上に形成される。安定化した銅
の表面をパターン化したレーザでエツチングする
時は、レーザ放射線の最初のパルスが安定化薄膜
を破壊して下の銅の表面が露出して反応室中のハ
ロゲンの気体と反応する。酸化銅の薄膜は0.4ト
ルの圧力の塩素気体の雰囲気の中で308nｍの放
射線の10個のパルスの侵入によつて破壊される事
が判明している。金属化基板のパターン状のレーザ露光によつて
ハロゲン化金属塩はその後のレーザ・パルスによ
つて完全には除去されることなく基板の露光領域
上に蓄積される。放射線の露光を続けると、反応
生成物の蓄積は或るレベルに達し、基板に指向さ
れるレーザ射線は蓄積された反応生成物の薄膜に
よつてほぼ完全に吸収される。レーザの放射線は
ハロゲン化金属の成長を刺激して、５ミクロンの
厚さの薄膜が２分以内で全部CuClに変り、従つ
て基板はこれ以上ハロゲン気体と反応しなくな
る。従つてパターン化した領域の蓄積の生成物の
薄膜は、このエツチング工程のエツチ・ストツプ
として働き、従つて治金層がオーバーエツチング
されて下の絶縁層、例えばポリイミド層に達する
のを防止するエツチ・ストツプ層の必要がなくな
る。放射線が蓄積した反応生成物である薄膜によつ
て完全に吸収され、銅もしくは他の金属化薄膜が
完全にハロゲン化金属に変ると、さらに放射線で
露光しても露光された反応生成物が蒸発するだけ
である。従来技術の実施におけるこの段階では、基板の
パルス・レーザ照射が続けられ、蓄積した反応生
成物であるハロゲン化金属生成物を蒸発するのに
使用され、全ての金属が完全にエツチングされ、
所望の導体パターンを形成する迄続けられる。次
に金属化された基板を反応室から除去し、基板は
希釈アルカリ溶液、例えばNH₄OH及び脱イオン
水で洗浄する事によつて清浄にされる。従来の方
法では５ミクロンの厚さの銅の薄膜を完全にエツ
チするのに必要とされるエキシマ・レーザ・パル
スの数は300もしくはこれ以上の程度である。本
発明に従つて、銅の様な金属化基板を使用する
時、370nｍ以下の波長の放射線は、ハロゲン化
金属塩例えばハロゲン化第１銅の0.2nｍの厚さの
表面内で吸収される事がわかつた。金属化基板を
パルス・エキシマ・レーザにパターン状に照射し
た後、限られた数のレーザ・パルス、例えば106
−120個のレーザ・パルスで、パターン状に照射
した基板中で金属化基板が略完全にハロゲン化金
属塩に変化する。本発明の方法に従うと、パル
ス・エキシマ・レーザの照射を続けて金属化基板
の上に蓄積したハロゲン化金属塩を蒸発して除去
するのでなく、レーザ照射が中断され、蒸発する
ことなく蓄積したハロゲン化薄膜を担持する基板
が反応室から除去され、希釈NH₄OHの様な希釈
アルカリ溶液の如きこの薄膜のための溶剤に浸漬
され、これによつて蓄積したハロゲン化金属塩が
溶解し、基板から除去される。以下明らかになる
様に、5.0ミクロンの厚さの銅の薄膜のエツチン
グは約100個のレーザ・パルスで達成されるが、
従来技術のレーザ・エツチング方法では少なくと
も約300個のレーザ・パルスが必要であり、従つ
て、本発明によれば、レーザのエネルギのコスト
がかなり節約され、レーザ装置による生産率が著
しく増大することが見てとれる。本発明の方法の
副次的利点はレーザのすべてのエネルギがハロゲ
ン化金属塩によつて吸収され、レーザがハロゲン
化金属塩をエツチングしないので、レーザ・エツ
チング停止のための手段が必要でなく、基板がハ
ロゲン気体に直接露出される事がない点にある。本発明の方法をさらに次の実施例によつて説明
するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。実施例一連の流れにおいて、その上に4.0ミクロンの
厚さの銅層を有する一連のシリコン基板をパル
ス・エキシマ・レーザ装置の反応室中に取付け
た。室を排気して10^-3トルの低圧にした後に、室
中に0.4トルの圧力になる様に塩素気体を導入し
た。銅を選択的にエツチングするために、308nｍ
の波長、0.2J／cm²のエネルギ流量及び１Hzのパル
ス速度で動作しているXeClレーザからのパルス
放射線ビームをパターン化したマスクを通して室
中の銅層上に通過させた。エツチングを達成するのに使用するレーザ・パ
ルスを使用するパルスの数を約18から300に変化
させた。各工程の後に、銅の層に付着した反応生
成物である蓄積CuClの高さを測定した。次に基
板を希釈NH₄OH溶液中に約１分間浸漬し、次に
脱イオン化水で洗浄した。洗浄した基板上の残り
の銅層の厚さも測定した。この結果を下の第表
に示す。

【表】

【表】第表のデータは約100パルス以上では銅が完
全にCuClに変り、反応生成物の塩化銅の除去が
より安価に行われる事を示している。パルス・レ
ーザによる塩化銅層の蒸発と異なり、希釈
NH₄OH溶液中の塩化銅層の洗浄はより便利な方
法である。実施例２一連の流れにおいて、その上にクロム（厚さ
300Å）／銅（厚さ５ミクロン）／クロム（厚さ
1000Å）のサンドイツチ層より成るTFR型の多
重レベル金属化層を有するシリコン基板を実施例
で使用したパルス・エキシマ・レーザ装置の反
応室中に取付けた。室を排気して10^-3トルの低圧
にした。0.4トルの圧力になる様に塩素気体を室
に導入し、基板の温度を19℃から159℃に変化さ
せた。 TFR金属化層の選択的なエツチングを行うた
めに、308nｍの波長、0.5J／cm²のエネルギ流量及
び40Hzのパルス速度で動作しているXeClレーザ
からの放射線のパルス・ビームをパターン化した
マスクを介してTFR金属化層上に通過させた。
使用温度範囲での金属化層のエツチ速度を第表
に示す。第表温度（℃）エツチング速度（Å／秒） 19 1150 39 1300 59 1530 79 1550 99 1470 119 1330 139 1200 159 1040 第表に示したデータはパルス・エキシマ・レ
ーザを使用した場合のエツチング速度は室温以上
の温度で増大し、ピークに達し、その後減少する
事を示している。実施例３塩素気体の圧力を0.1から1.0トル迄変化させた
事を除き実施例２の手順を繰返した。フルエンス
は略0.55J／cm²及びパルス速度は40Hzにした。こ
の結果を次の第表に示す。

【表】第表のデータは室温以上の温度、約0.4トル
以上の塩素気体の圧力で、エツチング速度は圧力
の増大とともに増大し、相対的増加率は高温ほど
高い。実施例４実施例２の手順を繰返してクロム（1000Å）／
銅（８ミクロン）／クロム（100Å）サンドイツ
チ層より成るTFR型金属化層が付着されたセラ
ミツク基板を、10.0トルの圧力の塩素、140℃の
温度、0.54J／cm²のフルエンス及び40Hzのパルス
速度を使用して10秒間で完全にエツチした。比較のために、レーザのエツチングを室温で行
つた点を除き実施例４の手順を繰返したところ、
エツチング時間は60秒であつた。実施例５一連の工程として、クロム（1000Å）／銅
（8μｍ）／クロム（1000Å）サンドイツチ層より
成るTFR型の金属化層を付着したセラミツク基
板をパルス・エキシマ・レーザ装置の反応室中に
取付けた。室を排気して10^-3トルの低圧にした
後、室中に0.4トルの圧力になる様に臭素を導入
した。基板の温度は19℃に保持した。 TFR金属化層を選択的に達成するために、波
長308nｍ、0.25から1.0J／cm²迄のエネルギ流量及
び５乃至40Hzのパルス速度で動作しているXeCl
レーザからの放射線のパルス・ビームをパターン
化したマスクを通してTFR金属化層上に通過さ
せた。この金属化層のエツチ速度（Å／秒）を第
表に示す。臭素気体に代つて塩素気体を使用した点を除
き、実施例５の手順を繰返した。塩素気体による
金属化層のエツチング速度（Å／秒）を第表に
示す。

【表】

【表】素中のエツチング速度は一定である。
第表及び第表に示したデータは、エツチン
グ気体として臭素を使用する時は、エツチング速
度はフルエンスを0.25から1.0J／cm²に増大する
時、又パルス速度が５から40Hzに増大する時に連
続的に増大し、例えば0.6ミクロン／秒の様に非
常に高いエツチング速度が得られる事を示し、一
方塩素気体によるエツチング速度は約0.41J／cm²
で定常状態に達し、比較的エツチング速度は低
く、例えば0.16ミクロン／秒である。ハロゲンの
化学的性質が似ているという事からすれば、これ
は予想外の結果である。上述の方法の別の方法として、金属を略完全に
エツチングするのにレーザ・ビームを使用する事
が出来る。エツチング速度は高温、高圧（例えば
約0.1乃至約10トルの圧力及び約35℃乃至約140℃
の温度）の適切な組合せによつて増大される。臭
素気体を使用して基板と反応させ、ハロゲン化金
属を形成する時は、優れた結果が得られる。この
別の方法を使用する時は、基板を溶剤と接触させ
て、ハロゲン化金属塩の反応生成物を除去する必
要がなくなる。Ｆ発明の効果以上説明したように、本発明によれば、高速で
レーザ・エネルギの消費が少ない、金属基板のレ
ーザ誘導ハロゲン気体エツチング方法が与えられ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 金属化された基板を反応室中に取付け、 (b) 上記金属化された基板と反応するハロゲン気
体を上記反応室に導入して、反応生成物である
ハロゲン化金属塩を形成し、 (c) 上記基板上に、上記ハロゲン化金属塩によつ
て吸収されるのに適した波長のレーザ放射線の
パターン化したビームを投射して、形成される
反応生成物をほとんど除去する事なくパターン
化領域におけるハロゲン気体と基板間の反応を
促進し、 (d) 基板の反応生成物であるハロゲン化金属塩の
ための溶剤と接触させる事によつて上記ハロゲ
ン化金属塩を除去する工程を有する、金属化された基板のドライ・エツチング方法。