DD237331A1 - HOLLOW CYCLE REACTOR FOR PLASMACHEMICAL APPLICATION - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkatoden-Reaktor fuer plasmachemisches Aetzen von Metall-, Isolator- oder Halbleiter-Substraten. Die Erfindung ist beim Trockenaetzen waehrend der Strukturierung mikroelektronischer Bauelemente einsetzbar. Das Ziel der Erfindung besteht in der Ausnutzung der Vorteile einer Gleichstromglimmentladung gegenueber der HF-Entladung in Verbindung mit der effektiven Fragmentierung und Aktivierung eines Aetzmediums unter Entladungsbedingungen, die den Hohl- bzw. Doppelkatodeneffekt aufweisen.The invention relates to a hollow cathode reactor for plasmachemisches etching of metal, insulator or semiconductor substrates. The invention can be used during dry-setting during the structuring of microelectronic components. The object of the invention is to exploit the advantages of DC glow discharge versus RF discharge in conjunction with the effective fragmentation and activation of an etching medium under discharge conditions having the hollow or double cathode effect.
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Die Erfindung betrifft die Anwendung von Gleichstrom-Niederdruckglimmentladungen im Hohlkatoden-Regime bei der plasmachemischen Ätzung von Festkörperoberflächen.The invention relates to the use of DC low pressure glow discharge in the hollow cathode regime in the plasma chemical etching of solid surfaces.
Die Erfindung kann zur Ätzung von Metall-, Isolator- oder Halbleiterschichten bei der Strukturierung mikroelektronischer Bauelemente eingesetzt werden.The invention can be used for the etching of metal, insulator or semiconductor layers in the structuring of microelectronic components.
Die plasmachemische Trockenätzung von Festkörperoberflächen erfolgt gegenwärtig überwiegend mittels Hochfrequenz-Gasentladungen in Planarreaktoren.The plasma-chemical dry etching of solid surfaces currently takes place predominantly by means of high-frequency gas discharges in planar reactors.
Durch die Ven/vendung von Hochfrequenz (meist 13,6 bzw. 27,3 MHz) entsteht als ein wesentlicher Nachteil die Gefahr der Abstrahlung von elektromagnetischer Energie, womit eine ernste Störung in der Nähe befindlicher elektrischer und elektronischer Meßgeräte verbunden ist. Als Abhilfe sind spezielle Abschirmungen und Abblockmaßnahmen erforderlich. Als ein weiterer Mangel ist der beträchtliche Aufwand zu nennen, der zur Bestimmung der HF-Reaktordaten (z. B. eingespeiste HF-Leistung) sowie der HF-Plasmadaten (z. B. mittels Sonden gemessener Elektronenkonzentrationen) benötigt wird. Außerdem ist die HF-Entladung infolge des Fehlens energiereicher Elektronen durch eine relativ geringe Fragmentierung der eingesetzten Ätzgase, d.h. relativ geringe Produktionsraten aktiver Ätzspezies, gekennzeichnet.The use of high frequency (usually 13.6 or 27.3 MHz) creates a significant disadvantage of the risk of radiation of electromagnetic energy, which is a serious disturbance in the vicinity of electrical and electronic measuring instruments is connected. As a remedy special shielding and Abblockmaßnahmen are required. Another shortcoming is the considerable effort required to determine the RF reactor data (eg, injected RF power) as well as the RF plasma data (eg, using probe-measured electron concentrations). In addition, due to the absence of high energy electrons, RF discharge is due to relatively low fragmentation of the etching gases used, i. relatively low production rates of active etching species.
Die Anwendung von Gleichstromglimmentladungen wird nur in wenigen Erfindungsbeschreibungen dargelegt. Zum Einsatz einer Hohlkatode konnte nur eine Patentschrift (DD WP 155181) ermittelt werden, wobei die Hohlkatode lediglich als eine unter verschiedenen Anordnungen zur Erzeugung eines örtlich begrenzten und inhomogenen Plasmas ohne Spezifizierung als Glimm- oder Bogenentladung und ohne Bezugnahme auf den Hohikatodeneffekt Erwähnung findet. Das Wesen der Erfindung DD WP 155181 besteht in der Anwendung eines periodischen Plasmaätzbetriebes.The use of DC glow discharges is only set out in a few invention descriptions. For use of a hollow cathode, only a patent (DD WP 155181) could be identified, the hollow cathode being mentioned only as one among various arrangements for producing a localized and inhomogeneous plasma without specification as a glow or arc discharge and without reference to the high-mode effect. The essence of the invention DD WP 155181 is the use of a periodic plasma etching operation.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Verwendung einer Gleichstromentladung die HF-Störung der Umwelt sowie die vielfältigen Probleme und Schwierigkeiten der HF-Meßtechnik bisher üblicher Ätzreaktoren zu vermeiden. Durch Ausnutzung des sog. Hohlkatodeneffektes wird bei der Fragmentierung und Aktivierung des Ätzmediums eine hohe Effektivität erzielt, wie Untersuchungen in den verschiedensten Stoffsystemen zeigen (vgl. z. B. J. F. BEHNKE, H. LANGE, H.E.WAGNER, Polish. J. of Chemistry 56 [1982] 1175).The aim of the invention is to avoid the use of a direct current discharge, the RF interference of the environment as well as the various problems and difficulties of the RF measuring technique hitherto conventional etching reactors. By exploiting the so-called hollow cathode effect, a high degree of effectiveness is achieved in the fragmentation and activation of the etching medium, as shown by studies in various material systems (see, for example, BJF BEHNKE, H. LANGE, HEWAGNER, Polish J. of Chemistry 56 [1982 ] 1175).
In bestimmten Bereichen des Gasdruckes und der Stromstärke bildet sich in konkaven oder z. T. geschlossenen Katodenanordnungen einer Gleichstrom-Niederdruckglimmentladung der Hohikatodeneffekt aus, dessen elektrische Charakteristik gegenüber gewöhnlichen (z. B. ebenen) Katoden durch wesentlich geringere Brennspannungen bei gleicher Stromstärke gekennzeichnet ist. Im negativen Glimmlicht der Hohlkatode liegen relativ hohe Konzentrationen energiereicher Elektronen vor, die im Katodenfallraum beschleunigt wurden (unter üblichen Bedingungen auf etwa 200...80OeV).In certain areas of the gas pressure and the current strength forms in concave or z. T. closed cathode arrangements of a DC low-pressure glow discharge of Hohikatodeneffekt whose electrical characteristic compared to ordinary (eg flat) cathodes is characterized by significantly lower burning voltages at the same current. In the negative glow of the hollow cathode are relatively high concentrations of high-energy electrons, which were accelerated in the cathode trap space (under normal conditions to about 200 ... 80OeV).
Die Erfindung nutzt die hohe Effektivität des Hohlkatoden-Glimmlichtplasmas bei der Dissoziation von Molekülgasen und der Erzeugung plasmachemisch aktiver Radikale aus. Bereits bei kleinen Leistungen P < 100W sind Umsetzungsgrade nahe 100% (z.-B. bei der Fragmentierung von CCU) zu erzielen.The invention exploits the high efficiency of the hollow cathode glow light plasma in the dissociation of molecular gases and the generation of plasma-chemically active radicals. Already at low powers P <100 W, conversion rates close to 100% (eg in fragmentation of CCU) can be achieved.
Ein analoges Verhalten wie Hohlkatoden zeigen Doppelkatoden, bestehend aus zwei ebenen, parallel angeordneten Katoden, wenn die Glimmlichter der sich gegenüber stehenden Katoden verschmelzen (Doppelkatodeneffekt).An analogous behavior as hollow cathodes show Doppelkatoden, consisting of two flat, parallel cathodes arranged when the glow of the opposing cathodes merge (Doppelkatodeneffekt).
Der Betrieb der Hohl- oder Doppelkatoden-Entladung erfolgt mit Gleichspannung, so daß die bei HF-Entladungen auftretenden Schwierigkeiten entfallen.The operation of the hollow or double-cathode discharge takes place with DC voltage, so that the difficulties occurring in RF discharges omitted.
\ Die zu ätzenden Substrate können in das Innere der Hohl- bzw. Doppelkatode eingebracht oder in der Nähe des Glimmlichtes außerhalb auf einem speziellem Substrathalter angeordnet werden. Durch Anlegen einer passenden Vorspannung lassen sich Ionen aus dem Glimmlichtplasma auf den Substrathalter zu beschleunigen, wodurch die Ätzrate erhöht und die Anisotropie des Ätzvorganges verbessert werden (induziertes Ätzen).The substrates to be etched can be introduced into the interior of the hollow or double cathodes or arranged outside on a special substrate holder in the vicinity of the glowing light. By applying an appropriate bias voltage, ions from the glowing light plasma can be accelerated onto the substrate holder, which increases the etching rate and improves the anisotropy of the etching process (induced etching).
Als Ätzmedien dienen die bekannten Halogenverbindungen wie CF4, CCl4, CCl2F2 u. a. m., eventuell in Mischung mit Edelgasen (Ar) und einfachen Molekülgasen (O2, H2).Suitable etching media are the known halogen compounds such as CF 4 , CCl 4 , CCl 2 F 2, etc., possibly in admixture with noble gases (Ar) and simple molecular gases (O 2 , H 2 ).
Durch die Anwendung von Gleichstromglimmentladungen in Verbindung mit der Ausnutzung des Hohl- oder Doppel katodeneffektes konnte ein einfach handhabbarer und effektiver plasmachemischer Ätzreaktor entwickelt werden, der durch eine hohe Ätzrate gekennzeichnet istThrough the use of DC glow discharges in conjunction with the utilization of the hollow or double cathode effect, an easily manageable and effective plasma-chemical etching reactor could be developed, which is characterized by a high etching rate
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen erläutertThe invention will be explained with reference to the following embodiments
Flg. 1 zeigt eine zweckmäßige Anordnung in zylindrischer Ausführung. Flg. 1 shows a convenient arrangement in a cylindrical design.
Die Hohlkatode besteht aus einem Edelstahlzylinder (1) von 16mm Durchmesserund 30mm Länge, die Anode (2) aus einem Nickelzylinder von 10 mm Durchmesser und 40 mm Länge. Zur Erreichung hoher Entladungsleistungen werden sowohl die Katode als auch die Anode wassergekühlt. Der Anodenzylinder ist durch einen isolierenden Umavit-Körper (4) von der Kühlflüssigkeit elektrisch getrennt. Über Flansche (fl) erfolgt die Verbindung der Entladungsanordnung mit dem Gaseinlaßsystem und dem Abpumpsystem. Die toxischen und korrosiven Entladungsprodukte werden in einer mit flüssigem Stickstoff beschickten Kühlfalle ausgefroren.The hollow cathode consists of a stainless steel cylinder (1) of 16mm diameter and 30mm length, the anode (2) of a nickel cylinder of 10 mm diameter and 40 mm in length. To achieve high discharge rates, both the cathode and the anode are water cooled. The anode cylinder is electrically isolated from the coolant by an umavit insulating body (4). Flanges (fl) connect the discharge arrangement to the gas inlet system and the pumping system. The toxic and corrosive discharge products are frozen in a cold trap charged with liquid nitrogen.
Der Substrathalter (3) besteht aus einem Edelstahlzylinder (Durchmesser: 8 mm). Er wird vom aktivierten Reaktant/ Trägergasgemisch angeströmt und kann gegenüber der Katode eine wählbare Vorspannung erhalten. Maximale Substratfläche 28mm2. Größere Substrate erfordern eine Vergrößerung des Katodendurchmessers. Bei Aufrechterhaltung des Hohlkatodeneffektes sind hier Werte bis etwa 4cm (oder etwa 10 cm2 Substratfläche) erreichbar. Zur Ätzung von Substraten mit hoch größerer Fläche kann eine Parallelanordnung mit mehreren Hohlkatoden eingesetzt werden (Paketkatode).The substrate holder (3) consists of a stainless steel cylinder (diameter: 8 mm). It is flown by the activated reactant / carrier gas mixture and can receive a selectable bias voltage with respect to the cathode. Maximum substrate area 28mm 2 . Larger substrates require an enlargement of the cathode diameter. While maintaining the hollow cathode effect, values of up to about 4 cm (or about 10 cm 2 of substrate area) can be achieved here. For etching of substrates with a high surface area, a parallel arrangement with a plurality of hollow cathodes can be used (packet cathode).
Fig. 2 zeigt als ein Beispiel die mit einer Anordnung entsprechend Fig. 1 gemessene Abhängigkeit der Ätzrate von Al und GaAs als Funktion der.Hohlkatodenleistung (Ätzgasgemisch: CCl4/Ar im Verhältnis '/32 (Al) und V24 (GaAs); Trägergasdruck pAr = 53Pa;Fig. 2 shows as an example the dependence of the etch rate of Al and GaAs measured with an arrangement according to Fig. 1 as a function of the hollow cathode power (etching gas mixture: CCl 4 / Ar in the ratio '/ 32 (Al) and V 24 (GaAs); p Ar = 53 Pa;
Strömungsrate Q = 12,5Pal/s). .Flow rate Q = 12.5 Pal / s). ,
Eine zweckmäßige Doppelgitterkatoden-Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Katode (K) besteht aus zwei in 10 mm Abstand angeordneten Edelstählgittern (Drahtdurchmesser 0,55mm; Drahtabstand 2,5mm). Zwischen ihnen'ist isoliert ein AnodenringA convenient Doppelgitterkatoden arrangement is shown in Fig. 3. The cathode (K) consists of two stainless steel grids arranged at a distance of 10 mm (wire diameter 0.55 mm, wire spacing 2.5 mm). Between them is an anode ring isolated
(A) aus Ni-8lech befestigt. Für die elektrische Isolation und die Einstellung definierter Strömungsverhältnisse sorgen Glimmerscheiben (G).(A) fastened from Ni-8lech. Electrical insulation and the setting of defined flow conditions are provided by mica disks (G).
Der Probenhalter (C) zur Aufnahme der Substrate (S) befindet sich in Strömungsrichtung hinter der Doppelkatode. Er ist aus Edelstahl gefertigt (0 = 10 mm) und kann wahlweise gegenüber der Doppekatode eine elektrische Vorspannung Vc erhalten.The sample holder (C) for receiving the substrates (S) is located in the flow direction behind the double cathodes. It is made of stainless steel (0 = 10 mm) and can optionally be compared to the Doppekatode an electrical bias voltage V c .
Wie das Experiment zeigte, konnte mit der netzförmigen Doppelkatode ein ausgeprägter Doppelkatodeneffekt im Druckbereich 10...300Pa erzielt werden (Ätzmedium CCI4/Ar = 1Z-S).As the experiment showed, a pronounced double cathode effect in the pressure range 10 ... 300Pa could be achieved with the reticulated double cathode (etching medium CCI 4 / Ar = 1 ZS).
Die gemessenen Ätzraten sind mit denen der zylindrischen Anordnung vergleichbar. Eine beträchtliche Steigerung der Ätzrate ist durch Zumischung von Sauerstoff zu erzielen (z.B. ergab eine Zumischung von 20% O2 eine Steigerung der Ätzrate um den Faktor 3).The measured etching rates are comparable to those of the cylindrical arrangement. A considerable increase in the etching rate can be achieved by admixing oxygen (for example, an admixture of 20% O 2 resulted in an increase in the etching rate by a factor of 3).
Ein Vorteil der Doppekatoden-Anordnung besteht in der einfachen Möglichkeit zur Entwicklung großflächiger Ätzreaktoren (Ätzung großflächiger Substrate).One advantage of the double-cathode arrangement is the simple possibility of developing large-area etching reactors (etching of large-surface substrates).
Außerdem weist die Gitter-Doppelkatode den Vorteil auf, daß die der Katode benachbarte Substratoberfläche auch beim Fehlen zusätzlicher Vorspannungen von einem gerichteten lonenstrom getroffen wird, der die Katode durch die Gitterlücken hindurch verfehlt (Kanalstrahlen). Dieser lonenstrom verbessert die Parameter des Ätzvorganges (Ätzrate, Anisotropie).In addition, the lattice double cathode has the advantage that the substrate surface adjacent to the cathode is hit even in the absence of additional biases by a directed ion current that misses the cathode through the grid gaps (channel beams). This ion current improves the parameters of the etching process (etching rate, anisotropy).
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD27649785A DD237331A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | HOLLOW CYCLE REACTOR FOR PLASMACHEMICAL APPLICATION |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD27649785A DD237331A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | HOLLOW CYCLE REACTOR FOR PLASMACHEMICAL APPLICATION |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DD237331A1 true DD237331A1 (en) | 1986-07-09 |
Family
ID=5567935
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DD27649785A DD237331A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | HOLLOW CYCLE REACTOR FOR PLASMACHEMICAL APPLICATION |
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Country | Link |
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DD (1) | DD237331A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT387989B (en) * | 1987-09-01 | 1989-04-10 | Miba Gleitlager Ag | DEVICE FOR THE TREATMENT OF THE INTERIOR AREAS OF OBJECTS SWITCHED AS A CATHODE BY ION Bombardment FROM A GAS DISCHARGE |
-
1985
- 1985-05-20 DD DD27649785A patent/DD237331A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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AT387989B (en) * | 1987-09-01 | 1989-04-10 | Miba Gleitlager Ag | DEVICE FOR THE TREATMENT OF THE INTERIOR AREAS OF OBJECTS SWITCHED AS A CATHODE BY ION Bombardment FROM A GAS DISCHARGE |
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