DE19631333A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektronischen Funktionsschichten im Niederdruckplasma - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschicht auf elektronischen Bauteilen und/oder Substraten im Niederdruckplasma, wobei die elektronischen Bauteile und/oder Substrate in eine Kammer eingebracht werden, dann die Kammer evakuiert wird und anschließend ein Prozeßgas oder ein Prozeßgasgemisch zugegeben wird, welches durch eine Hochfrequenz- Wechselspannung, welche über mindestens eine Antenne in die Kammer eingespeist wird, aktiviert wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Vielfach ist es notwendig, die Oberflächenschichten von elektronischen Bauteilen - hierunter sollen im folgenden auch Substrate und andere zu beschichtende Elemente verstanden werden - gezielt zu verändern oder zu schützen. Hierzu wird nach heutigem Stand der Technik die Oberflächenschicht mit einer oder mehreren weiteren Schichten, sogenannten elektronischen Funktionsschichten, versehen. Diese dienen beispielsweise dem Schutz der Bauteile vor z. B. Chemikalien oder elektromagnetischer Strahlung, oder in einem integrierten Schaltkreis, der Isolation aktiver Bereiche voneinander. Außerdem ist es möglich, durch das Aufbringen bestimmter Funktionsschichten elektronische Eigenschaften, wie z. B. Kapazitäten in Schaltkreisen, gezielt zu beeinflussen.

Zur Erzeugung derartiger Schichten sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Thermische Verfahren, wie das Aufdampfen von Nitridschichten in Ammoniak- oder Stickstoffatmosphären bei Temperaturen von 1000°C, besitzen den Nachteil, daß die thermische Belastung der Bauelemente sehr hoch ist. Artverwandte Verfahren, wie Sputtern, PVD oder CVD sind aufwendig und kostenintensiv.

Eine andere Möglichkeit, Oberflächenschichten zu verändern oder zu schützen, ist durch naßchemische Ätz- und Umwandlungsprozesse. Diese Verfahren sind allerdings nur schlecht steuerbar und ebenfalls relativ aufwendig. Ferner bereitet die Entsorgung der beteiligten Reaktanten große Probleme.

Gängige Praxis ist heute die Erzeugung von Funktionsschichten mittels eines Ionenstrahls. Dabei wird N₂ als Prozeßgas verwendet, wobei Nitridschutz- bzw. Funktionsschichten entstehen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Behandlung sehr fokussiert auf die zu verändernden Oberflächenbereiche eingrenzbar ist. Das Bauteil erfährt dadurch nur eine geringe Temperaturbelastung. Die so erzeugten Schichten sind beständig, dicht und korrosionsfest. Von Nachteil sind die sehr hohen Anlagekosten und die Beschränkung auf sehr wenige Gase für die Ionisation. So ist die Art der hergestellten Schichten im wesentlichen auf Nitride und Karbide begrenzt. Bereits die Erzeugung von Oxidschichten durch den Einsatz oxidierender Gase ist beim heutigen Stand der Technik kaum möglich. Der hohe Zeitaufwand zur Schichterzeugung ist für eine Massenfertigung ebenfalls nachteilig.

Es wurde daher vorgeschlagen, zur Erzeugung von Funktionsschichten die Bauteile einem Niederdruckplasma, welches durch eine Hochfrequenz-Wechselspannung in einer Kammer erzeugt wird, auszusetzen. Beispielsweise wird zur Herstellung einer Siliziumnitridschicht auf einer Substratoberfläche ein derartiges Verfahren in der EP-B- 0 201 380 offenbart, bei dem das Substrat in eine Kammer eingebracht wird, in welcher sich eine Stickstoff enthaltende Prozeßatmosphäre bei einem Druck von vorzugsweise etwa 0,013 mbar befindet und welche durch eine Wechselspannung, die zwischen zwei Elektroden angelegt wird, aktiviert wird. Die Dicke und Struktur von plasmaerzeugten Funktionsschichten ist allerdings stark von den Verfahrensbedingungen wie Temperatur, Druck und Plasmastärke abhängig. Die Verfahren zur Schichterzeugung im Niederdruckplasma weisen daher den Nachteil auf, daß eine sehr gleichmäßige Verteilung von Temperatur, Druck und Plasmastärke in der Kammer nötig sind, um eine gleichmäßige Funktionsschicht zu erzielen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Erzeugung von elektronischen Funktionsschichten auf Bauteilen und/oder Substraten in einem Niederdruckplasma bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile weitgehend vermieden werden. Insbesondere soll die Erzeugung von gleichmäßigen Schichten im Niederdruckplasma ermöglicht werden. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Verfahrensseitig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antenne(n) und die Bauteile und/oder Substrate relativ zueinander bewegt werden.

Erfindungsgemäß werden die zu behandelnden Bauteile, in einer Kammer einem Niederdruckplasma ausgesetzt. Das Niederdruckplasma wird durch eine hochfrequente Wechselspannung angeregt, welche über mindestens eine Antenne in die Kammer, in welcher sich ein Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch befindet, eingespeist wird. Die Erzeugung einer in bezug auf Dicke und Struktur gleichmäßigen Funktionsschicht auf den Elementen wird durch eine Relativbewegung zwischen der Antenne und den Bauteilen erreicht. Dadurch werden lokale Schwankungen von Druck, Temperatur sowie Hochfrequenz-Strahlungsleistung, welche sich auf die Stärke des Plasmas und damit auf die Schichtbildung auswirken, ausgeglichen.

Die Bauteile werden in der Regel in der Kammer auf einen beweglichen Tisch oder Halter plaziert. Die Relativbewegung zwischen Antenne und Bauteilen kann durch eine Bewegung der Antenne bei ruhenden Bauteilen oder umgekehrt durch eine Bewegung der Bauteile und eine ortsfeste Antenne erzielt werden. Von Vorteil ist sowohl eine Bewegung der Antenne als auch eine der Bauteile, weil dadurch eine gleichmäßige Aktivierung des Prozeßgases und eine gleichmäßige Einwirkung des erzeugten Plasmas auf die Bauteiloberflächen erreicht wird.

Von Vorteil verläuft die Relativbewegung zyklisch, beispielsweise durch eine Rotation oder durch eine sich wiederholende lineare Hin- und Herbewegung von Antenne und/oder Tisch, weil dadurch eine besonders gleichmäßige Plasmaeinwirkung auf die Bauteile erzielt wird. Auch jede andere Bewegung, bei der sich eine bestimmte Relativposition von Antenne und Tisch mehr als einmal einstellt, ist in diesem Sinne geeignet. Ferner hat sich aber gezeigt, daß auch bei einem lediglich einmaligen Überstreifen der Antenne über den Tisch und das darauf befindliche Bauteil oder umgekehrt des Bauteils über die Antenne eine wesentlich gleichmäßigere Funktionsschichtbildung als ohne Relativbewegung erreicht wird. Aus anlagentechnischen Gesichtspunkten kann es daher zweckmäßig sein, eine sich nicht umkehrende Bewegung zwischen Tisch und Antenne vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung der Bauteile ist sowohl chargenweise als auch innerhalb einer Fertigungslinie möglich, wobei im letzteren Fall die Kammer mit einer Eingangs- und einer Ausgangsschleuse und einer Transporteinrichtung für die Bauteile versehen ist. Bei der chargenweisen Behandlung ist eine Drehbewegung der Antenne und/oder des Tisches oder Halters zweckmäßig. Bei der One-Line- Fertigung wird die Relativbewegung bereits durch die Transportbewegung der Bauteile durch die Kammer erzielt. Eine zusätzliche Bewegung der Antenne ist aber auch hier zweckmäßig.

Von Vorteil wird das Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch durch mindestens eine der Antennen umgewälzt. Dadurch wird zum einen eine bessere Aktivierung des Gases erreicht, zum anderen werden örtliche Druck- und Temperaturschwankungen ausgeglichen. Besonders vorteilhaft wird das Prozeßgas durch mindestens eine der Antennen in die Kammer eingeleitet. Die direkte Gaszuführung durch eine der auch die Hochfrequenz einspeisenden Antennen hat den Vorteil, daß das Gas bereits in der Gaszuleitung angeregt und ionisiert wird, was zu einer verbesserten Reaktivität führt.

Druck und Temperatur in der Kammer sowie Leistung und Frequenz der Hochfrequenzspannung werden vorteilhaft unabhängig voneinander geregelt. Dies erlaubt eine optimale Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche Bauteile und unterschiedliche zu erzeugende Schichtarten.

Die Temperaturbelastung der Bauteile ist möglichst gering zu halten, um mechanische Beschädigungen und Änderungen der elektrischen Eigenschaften, welche zu späteren Fehlfunktionen führen können, zu vermeiden. Zweckmäßigerweise wird die Behandlung daher bei einer Temperatur zwischen 50°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 110°C und 140°C, durchgeführt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Druck in der Kammer zwischen 0,1 und 1 mbar einzustellen, da so eine intensive, aber dennoch bauteilschonende Schichtbildung erzielt wird.

Nach dem Erreichen der Sollstärke für die Funktionsschicht werden die Bauteile von Vorteil unter Gasspülung, vorzugsweise unter Verwendung eines Inertgases, wie Stickstoff, Argon oder Helium, abgekühlt. Während der Gasspülung wird der Druck in der Kammer bevorzugt auf Umgebungsdruck erhöht, um nach der Abkühlphase die Bauteile ohne weitere Druckregulierungen aus der Kammer entfernen zu können. Erfahrungsgemäß können zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten, ebenso wie zu hohe Aufheizgeschwindigkeiten, zu Beschädigungen der Bauteile führen. Das Aufheizen und Abkühlen der Bauteile erfolgt daher unter Berücksichtigung der spezifischen thermischen Belastbarkeit der Bauteile. Als zweckmäßig hat sich eine Geschwindigkeit von etwa 50 K/min herausgestellt.

Neben dem Verfahren der eingangs genannten Art bezieht sich die Erfindung auch auf eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche eine Kammer zur Aufnahme der zu behandelnden Bauteile und/oder Substrate aufweist, wobei Mittel zum Evakuieren der Kammer sowie mindestens eine Zuleitung für ein Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch vorgesehen sind, und welche eine Einrichtung zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung sowie mindestens eine Antenne, durch welche die hochfrequente Wechselspannung in die Kammer eingespeist wird, besitzt.

Erfindungsgemäß sind dazu die Antenne und die Bauteile und/oder Substrate relativ zueinander bewegbar.

Eine möglichst gleichmäßige Verteilung aller die Schichtbildung beeinflussenden physikalischen Parameter in der Kammer, d. h. eine Vermeidung lokaler Spitzen, bildet die Grundlage für die Herstellung gleichmäßiger Schichten. Vorteilhaft ist deshalb zumindest eine der Antennen als Gasrechen ausgebildet, der bei der Bewegung der Antenne eine Umwälzung des Prozeßgases bewirkt.

Die Dicke und die Qualität der erzeugten Funktionsschicht sind von der relativen Lage von Bauteil und Antenne zueinander abhängig. Eine parallele Anordnung der Antennen zu den Bauteilen gewährleistet eine gleichmäßige Plasmaeinwirkung auf die zu behandelnden Oberflächen. Der Abstand zwischen den Antennen und den Oberflächen beträgt bevorzugt zwischen 3 und 7 mm, kann aber gegebenenfalls auch mehr betragen.

Für eine Massenfertigung im Chargenbetrieb sind mehrere Antennen und mehrere Tische oder Halter für die Bauteile vorgesehen. Von Vorteil sind diese so in einer Reihe angeordnet, daß die Halter und die Antennen jeweils parallel zueinander liegen und daß auf jeweils einen Halter eine Antenne folgt. Werden die Bauteile auf beiden Seiten der Halter befestigt, liefert somit jede Antenne die plasmaaktivierende Hochfrequenzspannung für die Behandlung von Bauteilen auf zwei Haltern. Besonders vorteilhaft ist eine senkrechte Anordnung der Antennen und der Halter für die Bauteile, da dadurch eine Schmutzablagerung auf den Bauteilen weitestgehend verhindert wird.

Üblicherweise werden der oder die Halter für die Bauteile geerdet und als Gegenelektrode für die Hochfrequenzspannung verwendet. Eine besonders intensive Erzeugung von Funktionsschichten auf den Bauteilen wird dadurch erreicht, daß die auf den Bauteilen befindlichen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert werden und als Gegenelektrode für die Hochfrequenzspannung dienen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung bieten wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die einfache Verfahrensführung erlaubt die Herstellung von in bezug auf Dicke und Struktur gleichmäßigen Funktionsschichten auf Bauteilen mit hoher Reproduzierbarkeit. Die Erfindung ist sowohl hinsichtlich der zu bearbeitenden Bauteile und deren Grundmaterial als auch hinsichtlich der zu erzeugenden Schichtarten und Schichtdicken universell einsetzbar. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können gleichmäßige Nitrid-, Oxid-, Karbid-. und andere Schichten hergestellt werden. Der gesamte Verfahrensablauf ist für die Anwendung in der Massenfertigung durchgehend automatisierbar. Der anlagentechnische Aufwand für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist relativ gering, so daß die Kosten niedrig bleiben.

Im folgenden soll die Erfindung anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beispielhaft näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von Funktionsschichten auf elektronischen Bauteilen.

In Fig. 2 ist eine Detailansicht einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Massenfertigung dargestellt.

In der Kammer 1 ist ein heizbarer Tisch 2 montiert. Auf dem Tisch 2 liegt das zu bearbeitende Werkstück 4, z. B. ein Wafer auf SiO₂-Basis mit aufgedampften Al- Leiterbahnen 5. Der Tisch 2 dient zur Werkstückaufnahme und kann fast beliebig geformt und dem Werkstück 4 in den Konturen möglichst nahe angepaßt werden. Die Kammer 1 hat eine Tür 6 sowie mehrere Durchbrüche für die Heizleistung 7, die Hochfrequenz 8, das Prozeßgas 9, das Spülgas 10, die Temperaturüberwachung 11, die Druckmessung 12 und die Gasabsaugung 13 mit Leitung 14 und Vakuumpumpe 15. Im Interesse einer gleichmäßigen Schichtumwandlung lassen sich sowohl der Tisch 2 als auch die Antenne 16 während des Prozesses drehen. Die Antenne 16 wird gleichzeitig als Gasrechen 17 zur Prozeßgaszuführung verwendet. Diese Art der Zuführung hat den Vorteil, daß das Gas bereits in der Gaszuleitung 18 und dem Gasrechen 17 angeregt und ionisiert wird, was zu einer verbesserten Reaktivität führt. Der Schichtbildungsprozeß und der gesamte Prozeßablauf werden über einen nicht dargestellten Kleinrechner gesteuert. Der Tisch 2 ist zusätzlich zur Heizung noch mit einer Kühlmöglichkeit 19 ausgerüstet, welche über die Durchführung 20 mit einem Kühlmedium versorgt werden kann. Dadurch kann die Temperatur des Werkstücks 4 genau eingestellt werden.

Der Verfahrensablauf ist wie folgt: Die offene Kammer 1 wird mit einem Wafer 4 bestückt, die Tür 6 geschlossen und der Rezipient 1 über die Vakuumpumpe 15 auf einen Druck im Rezipienten 1 von etwa 0,1 mbar evakuiert. Durch Zugabe des Prozeßgases, beispielsweise 90% O₂ + 10% Ar, erfolgt ein Anstieg auf den Prozeßdruck im Bereich von 0,5 bis 1 mbar. Die Heizleistung 7 wird eingeschaltet. Gleichzeitig beginnt die Plasmaerzeugung zwischen Antenne 16 und Tisch 2, nachdem die Hochfrequenz zugeschaltet wurde. Der Abstand zwischen Wafer 4 und Antenne 16 beträgt etwa 5 Millimeter. Zur Vergleichmäßigung der Schichtbildung werden Antenne 16 und/oder Tisch 2 langsam entgegengesetzt gedreht. Nachdem die Behandlungstemperatur von 120°C mit einer Heizleistung von 300 W erreicht wurde, setzt die Temperaturregelung ein und hält die Behandlungstemperatur auf 120°C ± 2°C konstant. Die Behandlungsdauer beträgt 20 Minuten, dann ist auf allen Leiterbahnen 5 des Wafers 4 eine 60 nm ± 5 nm dicke Al₂O₃-Schicht entstanden. Diese Schicht weist in der Regel eine hellbraune Farbe auf und hat hervorragende Korrosionsschutzeigenschaften und stellt zusätzlich einen Verschleiß- und Kratzschutz dar.

Nach dem Erreichen der Sollstärke für die Schutzschicht wird der Wafer 4 mit werkstoffspezifischer Geschwindigkeit von rund 50 K/min abgekühlt. Erfahrungsgemäß können zu hohe Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeiten zum Springen des Wafers 4 führen. Der Abkühlungsvorgang erfolgt unter Gasspülung mit Argon bei Drücken bis 1 bar. Nach dem Abkühlen wird der Wafer 4 über die Tür 6 der Kammer 1 wieder entnommen. Der Gesamtprozeß dauert etwa 30 min.

In Fig. 2 ist eine Detailansicht der Antennen 16 und Tische 2 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Massenfertigung Verwendung findet. Die Antennen 16 und die Tische 2 sind abwechselnd, parallel zueinander angeordnet. Auf den Tischen 2 ist auf beiden Seiten je ein Wafer 4 befestigt. Jede Antenne 16 befindet sich zwischen zwei Tischen 2 und liefert das plasmaanregende Hochfrequenzfeld für die Beschichtung zweier Wafer 4a und 4b. Durch die senkrechte Lage der Antennen 16 und der Tische 2 wird eine Schmutzanlagerung an den Wafern 4 weitgehend verhindert. Das Prozeßgas wird über die auch als Gasrechen 17 eingesetzten Antennen 16 zugeführt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschicht auf elektronischen Bauteilen und/oder Substraten im Niederdruckplasma, wobei die elektronischen Bauteile und/oder Substrate in eine Kammer eingebracht werden, dann die Kammer evakuiert wird und anschließend ein Prozeßgas oder ein Prozeßgasgemisch zugegeben wird, welches durch eine Hochfrequenz-Wechselspannung, welche über mindestens eine Antenne in die Kammer eingespeist wird, aktiviert wird dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne(n) (16) und die Bauteile und/oder Substrate (4) relativ zueinander bewegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas durch mindestens eine der Antennen (16) in der Kammer (1) umgewälzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas durch mindestens eine der Antennen (17) in die Kammer (1) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Druck, Temperatur sowie Leistung und Frequenz der Hochfrequenzspannung unabhängig voneinander geregelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 50°C und 300°C, vorzugsweise 110°C bis 140°C, beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Kammer (1) 0,1 mbar bis 1 mbar beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Bauteile und/oder Substrate (4) nach der Plasmabehandlung unter Gasspülung abgekühlt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Spülgas ein Inertgas verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Gasspülung der Druck in der Kammer (1) auf Umgebungsdruck erhöht wird.

10. Vorrichtung zur Herstellung einer Funktionsschicht auf elektronischen Bauteilen und/oder Substraten mit einer Kammer zur Aufnahme der zu behandelnden Bauteile und/oder Substrate, wobei Mittel zum Evakuieren der Kammer sowie mindestens eine Zuleitung für ein Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch vorgesehen sind, und welche eine Einrichtung zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung sowie mindestens eine Antenne, durch welche die hochfrequente Wechselspannung in die Kammer eingespeist wird, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (16) und die Bauteile und/oder Substrate (4) relativ zueinander bewegbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Antenne (16) eine Zuleitung (18) für das Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antennen (16) in einer Reihe angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne(n) (16) senkrecht angeordnet ist (sind).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Antenne (16) und dem nächstgelegenen Bauteil und/oder Substrat (4) zwischen 3 und 7 mm beträgt.