DE19904305A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem ÄtzenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturkörpers (15) mittels eines Ätzprozesses vorgeschlagen. Dabei weist der Strukturkörper (15) zunächst mindestens ein Basismaterial (30, 31) auf, das durch den Ätzprozeß mit materialabhängigen, auch von einer apparativen Einstellung mindestens eines Ätzparameters abhängigen Ätzabtragsrate geätzt wird. Die sich jeweils einstellende Ätzabtragsraten werden kontinuierlich oder stichprobenartig gemessen, mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und zeitabhängig über einen geschlossenen Regelkreis eingestellt. Der Ätzprozeß erfolgt dabei in einer Plasmakammer (10), in der ein über eine äußere Spulenanordnung (17) erzeugtes, induktiv gekoppeltes Gasplasma (11) vorliegt. Während der Ätzung werden dem Gasplasma (11) kontinuierlich Ätzgase zugeführt. Zur Analyse der Gasatmosphäre und zur Bestimmung der jeweils als Funktion der Zeit vorliegenden Ätzabtragsraten ist weiterhin mindestens ein optisches Emissionsspektrometer vorgesehen, das mit Hilfe materialspezifischer, charakteristischer optischer Emissionslinien die Gasatmosphäre quantitativ analysiert. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere zur Planarisierung von Siliziumwafern oder zur Herstellung von Mikrolinsen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen
nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Derartige Verfahren und zu ihrer Durchführung geeignete
Ätzanlagen sind vielfach bekannt. Dazu sei beispielsweise
auf das aus DE 42 41 045 bekannte Verfahren und die darin
offenbarte Vorrichtung verwiesen, die eine
Mikrowellenplasmaquelle oder eine induktiv gekoppelte Plas
maquelle zum selektiven Siliziumtiefenätzen mit sehr hohen
Ätzraten verwendet.
Weiterhin ist auch bekannt, zur Übertragung von polymeren
Strukturen in einen Siliziumwafer ein selektives
Plasmaätzverfahren einzusetzen. Dazu wird beispielsweise auf
einem Siliziumwafer eine polymere Struktur wie ein
Photolackkörper mit sphärischer Oberfläche aufgebracht. Im
Laufe des Ätzvorganges werden dann der Siliziumwafer und die
polymere Struktur abgeätzt, wobei die jeweiligen
materialabhängigen Ätzabtragsraten in einem festen,
voreingestellten, jedoch während des Ätzprozesses nicht
kontrollierbaren Verhältnis zueinander stehen. Dieses
Verhältnis der Ätzabtragsraten ist die sogenannte
Selektivität des jeweiligen Ätzprozesses für die beiden
betreffenden geätzten Materialien.
Ein derartiges Verfahren findet insbesondere Anwendung bei
der Herstellung von Mikrolinsen, wobei zunächst eine
zumindest nahezu sphärische optische Oberfläche durch einen
aufgeschmolzenen Photolack als polymerer Struktur auf einem
Siliziumwafer als Substrat erzeugt wird, die dann im Laufe
des selektiven Ätzprozesses durch Ätzen mit einer festen
Selektivität in das Substratmaterial übertragen wird.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für bekannte selektive
Ätzverfahren ist die Planarisierung von Waferoberflächen,
die häufig aufgrund von Vorprozessen Topographien besitzen,
die entweder durch Rauhigkeiten (z. B. nach
Schichtdepositionen) oder durch Siliziumstufen (nach
Strukturierungsprozessen) gekennzeichnet sind. Zur
Planarisierung wird auf derartige Oberflächen ein Polymer
aufgeschleudert, das Rauhigkeiten oder andere
Strukturmerkmale konform überdeckt. Die Polymeroberfläche
ist anschließend planar, d. h. die ursprüngliche
Siliziumtopographie wird durch das Polymer ausgeglichen.
Wird nun mit einer Selektivität von 1 : 1 zwischen Silizium
und Polymer beispielsweise mit einem Plasmaätzverfahren
rückgeätzt, tritt eine Planarisierung der zuvor
strukturierten Siliziumoberfläche ein, wobei die
ursprüngliche Polymeroberfläche die Eigenschaften der neuen,
überätzten Siliziumoberfläche definiert.
Bei den bekannten selektiven Ätzverfahren werden die
Ätzparameter des Plasmaätzprozesses einmal zu Anfang des
Prozesses auf die gewünschte Selektivität d. h.
beispielsweise das gewünschte Verhältnis einer
Ätzabtragsrate von Silizium zu einer Ätzabtragsrate eines
Polymers eingestellt, und der Ätzprozeß dann mit diesem
Parametersatz durchgeführt. Eine Kontrolle der sich während
des Ätzverfahrens möglicherweise ändernden Selektivität
insbesondere in Bezug auf den Ätzabtrag des Polymermaterials
ist bisher nicht möglich. Der Ätzabtrag des Polymermaterials
beispielsweise hängt jedoch wesentlich von der Art des
verwendeten Polymers und dem Grad der Vernetzung des
Polymers ab, die wiederum von dessen Vorbehandlung abhängig
ist. Weiterhin kann sich der Grad der Vernetzung des
Polymers auch während des Ätzverfahrens erheblich verändern,
da das Polymer während des Plasmaätzprozesses beispielsweise
thermisch beansprucht wird und/oder einer UV-Einwirkung aus
dem Plasma und/oder einer Elektronen- oder Ionenbestrahlung
aus dem Plasma ausgesetzt ist. Desweiteren beeinflußt auch
die Menge an abzutragendem Polymer die Ätzabtragsrate, d. h.
die Größe der polymerbedeckten Oberfläche auf dem Substrat
bzw. Siliziumwafer beeinflußt auch den Ätzabtrag, was unter
dem Begriff "Macroloading-Effekt" bekannt ist.
Die materialabhängigen Ätzabtragsraten werden somit zu
dynamischen Größen des Ätzprozesses, die bei statischer
Parameterwahl nicht oder nur ungenügend kontrollierbar sind.
So ist beispielsweise im Fall einer Linsenätzung in ein
Siliziumsubstrat, ausgehend von einer sphärischen
Polymerlinse auf dem Substrat, bei Prozeßstart ursprünglich
die gesamte Polymerlinse mit Radius R vorhanden, woraus ein
relativ großes Polymerangebot auf der Substratoberfläche
folgt. Je weiter der Ätzprozeß fortschreitet, desto kleiner
wird jedoch die Restpolymerlinse, d. h. der Linsenradius
r(t). Entsprechend sinkt auch die polymerbedeckte
Oberfläche, also das Polymerangebot, bis am Ende des
Ätzprozesses alles Polymer von der Substratoberfläche
verschwunden, d. h. vollständig abgetragen ist: r (tEndpunkt) = 0.
Infolgedessen wird aufgrund des Macroloading-Effekts
tendenziell auch die Ätzabtragsrate des Polymers auf das
Prozeßende hin erhöht. Gleichzeitig nimmt aber infolge der
UV-Einstrahlung aus dem Plasma, der Ionen- und
Elektroneneinwirkung auf die Polymeroberfläche und der
thermischen Beanspruchung des Polymers im Laufe des
Ätzprozesses auch der Vernetzungsgrad im Polymermaterial zu.
Dies wirkt dem weiteren Ätzabtrag tendenziell eher entgegen.
In der Summe erlaubt der bisherige Stand der Technik
aufgrund der komplexen Zusammenhänge beim selektiven Ätzen
keine zufriedenstellende Kontrolle der beispielsweise für
die Übertragungstreue wichtigen Selektivität der Ätzung.
Ein erster Ansatz zur Veränderung von Ätzparametern während
eines Ätzprozesses zur Anpassung an sich fortlaufend
verändernde Strukturierungserfordernisse ist bereits in der
unveröffentlichten Anmeldung DE 197 36 370.9 vorgeschlagen
worden. Für diesen Prozeß hat sich zwischenzeitlich der
Begriff des "Parameter-Ramping" durchgesetzt. Die
vorliegende Erfindung ist eine Weiterentwicklung eines
solchen zeitlich variablen Ätzprozesses zur Überwindung der
dargelegten Nachteile bekannter Ätzverfahren speziell
hinsichtlich der Herstellung von Strukturkörpern.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche hat gegenüber dem Stand der Technik
den Vorteil, daß damit ermöglicht wird, während einer Ätzung
eines Strukturkörpers die zeitlich Änderung der
Ätzabtragsraten für ausgewählte geätzte Materialien zu
messen und gegebenenfalls zu steuern oder zu regeln. Damit
wird sehr vorteilhaft eine Kontrolle des laufenden
Ätzprozesses hinsichtlich des Ätzabtrages möglich, was
Fehler und unvorhergesehene Abweichungen beim Ätzprozeß
detektierbar macht. Weiterhin erlaubt es das
erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft, die
Ätzabtragsraten für verschiedene geätzte Materialien
gleichzeitig zu bestimmen und damit die Selektivität des
Ätzprozesses als Funktion der Zeit. Diese Bestimmung kann
dabei kontinuierlich oder stichpunktartig erfolgen, ohne daß
der Ätzprozeß jeweils unterbrochen oder beeinflußt wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist es sehr vorteilhaft, wenn, zusätzlich zur Messung der
Ätzabtragsraten als Funktion der Ätzzeit, diese in einer
Verarbeitungseinheit mit einer als Funktion der Ätzzeit
vorgegebenen, zugehörigen Sollätzabtragsrate verglichen und
eine sich ergebende Abweichung quantitativ bestimmt wird.
Damit ist eine unerwünschte Abweichung des Ablaufs des
Ätzprozesses stets detektierbar und quantifizierbar und es
ist sehr vorteilhaft möglich, über mindestens ein mit der
Verarbeitungseinheit in Verbindung stehendes Stellglied eine
Veränderung mindestens eines Ätzparameters vorzunehmen und
somit den Ätzprozeß in Form eines geschlossenen Regelkreises
zu regeln, so daß auftretende Abweichungen der
Ätzabtragsraten von der zugehörigen Sollwertefunktion
jederzeit minimiert werden können. Dabei ist es insbesondere
vorteilhaft, wenn ein geätzter Strukturkörper mindestens
zwei verschiedene Basismaterialien aufweist, die während des
Ätzprozesses geätzt werden, und wobei jedem Basismaterial
eine für den verwendeten Ätzprozeß und das jeweilige
Material typische Ätzabtragsrate zugeordnet ist.
Weiterhin ist es durch die Regelung von die jeweiligen
Ätzabtragsraten bestimmenden Ätzparametern, wie
beispielsweise der Substratelektrodenleistung als den
Polymerabtrag oder beispielsweise den SF6-Ätzgasfluß als den
Siliziumabtrag hauptsächlich kontrollierenden
Prozeßparameter, sehr vorteilhaft möglich, die
Ätzabtragsraten des betreffenden Materials unabhängig von
Veränderungen der Materialeigenschaften während der
Prozessierung über eine als Funktion der Ätzzeit vorgegebene
Sollwertfunktion festzulegen.
Zur Messung der Ätzabtragsraten als Funktion der Ätzzeit
während der Ätzung ist es sehr vorteilhaft ein optisches
Emissionsspektrometer zu verwenden, das vorteilhaft
außerhalb der eigentlichen Plasmakammer angeordnet wird und
beispielsweise über Fenster oder Lichtleiter mit der
Plasmakammer optisch zur Analyse der jeweils dort
herrschenden Gasatmosphäre in Verbindung steht. Dabei nutzt
man sehr vorteilhaft den Effekt, daß beim Ätzen
verschiedener Materialien charakteristische gasförmige
Verbindungen entstehen, deren Konzentrationen in der
Gasatmosphäre proportional zu der jeweiligen Ätzabtragsrate
des zugehörigen Materials sind. Das optische
Emissionsspektrometer ordnet dann in an sich bekannter Weise
jeder materialabhängigen Ätzabtragsrate mindestens eine
charakteristische Emissionslinie der entsprechenden
Verbindung zu, deren Intensität wiederum proportional zur
jeweiligen Ätzabtragsrate ist. Im Fall von Polymeren auf
einem Siliziumsubstrat eignen sich sehr vorteilhaft dazu
eine CO-Emissionslinie, eine H-Emissionslinie oder eine CFx-
Emissionslinie zur Analyse des Polymerabtrages und eine SiFx
bzw. eine Fluorlinie zur Analyse des Siliziumabtrages (x =
1, 2, 3 oder 4).
Das optische Emissionsspektrometer ist zur quantitativen und
frequenzselektiven Analyse der Linienintensitäten weiterhin
vorteilhaft mit mindestens einem Monochromator und einem
Photomultiplier oder einer Photozelle versehen, so daß die
Intensität einer Emissionslinie als Funktion der Zeit
frequenzselektiv detektiert werden kann. Weiterhin leitet es
die gemessene Intensität einer oder mehrerer
charakteristischer Emissionslinien als Funktion der Zeit
jeweils einer oder mehreren Verarbeitungseinheiten zu, die
die Intensität der jeweiligen Emissionslinien jeweils durch
Verknüpfung mit entsprechenden Referenzwerten
Ätzabtragsraten zuordnen.
Der über den Ätzprozeß erfolgende Materialabtrag oder
Massenfluß in das Gasplasma, der für die dazu proportionale
Lichtemission verantwortlich ist, kann weiterhin für den
jeweiligen Ätzprozeß und die jeweilige Geometrie eines
geätzten Strukturkörpers vorteilhaft mit Hilfe eine
Ätzabtragsmodells mit den gewünschten Ätzabtragsraten und
vor dem eigentlichen Ätzverfahren berechnet werden, wodurch
man Sollwertefunktionen für die einzelnen Ätzabtragsraten
über der Prozeßzeit erhält. Diese Sollwertfunktionen sind
vorteilhaft mindestens einem Sollwertegeber eingeprägt, der
mit einer Verarbeitungseinheit in Verbindung steht oder in
einer solchen integriert ist und der der
Verarbeitungseinheit den jeweiligen Sollwert als Funktion
der Ätzzeit vorgibt, die diesen dann mit dem jeweils
gemessenen Istwert der Ätzabtragsraten aus dem optischen
Emissionsspektrometer vergleicht. Das Ergebnis dieses
Vergleiches bzw. die Differenz von Istwert zu Sollwert wird
dann vorteilhaft von der Verarbeitungseinheit mindestens
einem Stellglied zugeleitet, das oder die ebenfalls in der
Verarbeitungseinheit integriert sein können, so daß diese in
Form eines geschlossenen Regelkreises eine dynamische
Änderung mindestens eines Ätzparameters des laufenden
Ätzprozesses vornehmen kann und die detektierte Differenz
dadurch vermindert wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das jeweilige
optische Emissionsspektrometer, die zugehörige
Verarbeitungseinheit und der zugehörige Sollwertegeber in
einer Baueinheit integriert sind.
Mit einem derartigen Regelkreis können prinzipiell beliebige
Ätzabtragsraten-über-Ätzzeit-Profile bzw. Selektivität-über-
Ätzzeit-Profile vorgegeben und abgefahren werden. Auf diese
Weise ist sehr vorteilhaft insbesondere eine exakte
Selektivitätskontrolle, d. h. eine dynamische Einstellung von
Ätzabtragsraten und Ätzabtragsratenverhältnissen unabhängig
von Materialveränderungen während der Prozessierung möglich.
Das oder die Stellglieder zur Regelung der Ätzabtragsraten
über entsprechende Ätzparameter stellen vorzugsweise die
Spulenspannung an einer das induktiv gekoppelte Gasplasma
erzeugenden Spule, die Substratelektrodenspannung, die
Substratelektrodenleistung, die Substrattemperatur, den
Prozeßdruck in der Ätzkammer oder den Fluß oder die
Konzentration mindestens eines Ätzgasflusses ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige
Vorrichtung eignen sich im übrigen insbesondere zur
Planarisierung von Siliziumwaferoberflächen oder zur
Herstellung von Mikrolinsen. Dabei ist es mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren sehr vorteilhaft insbesondere
auch möglich, durch zeitvariable Steuerung mindestens einer
Ätzabtragsrate die Gestalt von Mikrolinsen während des
Ätzprozesses abweichend von einer ursprünglichen
Grundgestalt gezielt zu verändern.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 eine Prinzipskizze einer Plasmaätzanlage mit Anbauteilen
zur Regelung von Ätzparametern und Fig. 2 eine
Prinzipskizze eines Strukturkörpers im Schnitt.
Die Fig. 1 zeigt Ätzanlage 1 mit einer Plasmakammer 10, in
der ein induktiv gekoppeltes Gasplasma 11 über eine äußere
Spulenanordnung 17 und einen Hochfrequenzgenerator 18
erzeugt wird. Die Plasmakammer 10 ist mit einem Gaseinlaß 12
insbesondere zum kontinuierlichen Einlaß von Ätzgasen und
einem Gasauslaß 16 versehen, der mit einer nicht
dargestellten Pumpvorrichtung in Verbindung steht, um eine
kontinuierliche Abfuhr von Gasen aus der Plasmakammer 10 zu
gewährleisten. In der Plasmakammer 10 befindet sich ein zu
ätzender Strukturkörper 15 auf einer Substratelektrode 14,
die mit einem Generator zur Erzeugung eine
Substratelektrodenspannung oder einer
Substratelektrodenleistung als zweitem Stellglied 19 in
Verbindung steht. Der Gaseinlaß 12 ist mit regelbaren
Ventilen als erstem Stellglied 13 verbunden, das das oder
die jeweiligen Ätzgaskonzentrationen oder Ätzgasflüsse in
der Plasmakammer 10 einstellt. Weiterhin ist die
Plasmakammer 10 in diesem Ausführungsbeispiel mit einem
ersten optischen Emissionsspektrometer 21 zur Analyse einer
charakteristischen CO-, H- oder CFx-Emissionslinie und einem
zweiten optischen Emissionsspektrometer 20 zur Analyse einer
charakteristischen SiFx-Emissionslinie (x = 1, 2, 3 oder 4)
versehen. Die optischen Emissionsspektrometer 20, 21 stehen
mit der Plasmakammer 10 zur Analyse der dortigen
Gasatmosphäre bei der in Fig. 1 dargestellten äußeren
Anordnung entweder über Fenster oder Lichtleiter in
Verbindung. Sie können jedoch alternativ auch innerhalb der
Plasmakammer 10 angebracht sein. Die optischen
Emissionspektrometer 20 und 21 weisen weiterhin jeweils
einen Monochromator und eine Photozelle oder alternativ
einen Photomultiplier auf, so daß den Spektrometern 20 und
21 jeweils zugeordnete charakteristische Emissionslinien
frequenzselektiv und quantitativ hinsichtlich ihrer
Intensität detektiert werden.
Das erste und zweite optische Emissionsspektrometer 20, 21
steht weiterhin mit einer jeweils zugeordneten ersten
Verarbeitungseinheit 23 und einer zweiten
Verarbeitungeinheit 24 in Verbindung. Die erste
Verarbeitungseinheit 23 ist weiter mit einem ersten
Sollwertgeber 25 und dem ersten Stellglied 13 verbunden. Sie
vergleicht als Funktion der Ätzzeit die von dem ersten
optischen Emissionsspektrometer 21 detektierte
Linienintensität als Istwertefunktion mit einer von dem
ersten Sollwertgeber 25 vorgegebenen Sollwertefunktion und
veranlaßt bei einer Differenz von Sollwert und Istwert in
Form eines geschlossenen ersten Regelkreises eine
Veränderung der Einstellung des ersten Stellgliedes 13, so
daß sich die detektierte Differenz vermindert bzw. auf den
Wert 0 geregelt wird. Das erste Stellglied 13 verändert dazu
beispielsweise den Fluß eines Ätzgases wie SF6. Die zweite
Verarbeitungseinheit 24, der zweite Sollwertgeber 22 und das
zweite Stellglied 19 bilden ebenfalls einen analog
aufgebauten geschlossenen zweiten Regelkreis, der einen
zweiten Ätzparameter wie in diesem Beispiel die
Substratelektrodenspannung oder die
Susbtratelektrodenleistung einstellt.
Somit werden zwei verschiedene Ätzparameter, der Ätzgasfluß
und die Substratelektrodenleistung, unabhängig voneinander
geregelt, um als Funktion der Zeit eine gewünschte
Selektivität des Plasmaätzprozesses durch Veränderung von
zwei material- und ätzparameterabhängigen Ätzabtragsraten zu
erzielen.
Fig. 2 zeigt den Strukturkörper 15 aus Fig. 1 im Detail.
Er besteht aus einem Substrat aus einem Silziumwafer 30, auf
dem bereichsweise mindestens eine polymere Struktur 31
aufgebracht ist, die beispielsweise aus einem
aufgeschmolzenen Photolack besteht und vor Beginn des
Ätzprozesses eine sphärische Oberfläche mit Radius R hat. Im
Laufe des Ätzprozesses wird der Siliziumwafer 30 mit einer
zeitabhängigen ersten Ätzabtragsrate a1(t) geätzt und die
polymere Struktur 31 mit einer zeitabhängigen zweiten
Ätzabtragsrate a2(t) geätzt, so daß sich eine zeitabhängige
Selektivität S(t) = a2(t)/a1(t) einstellt, die dazu führt,
daß die Form des polymeren Strukturkörpers 31 zumindest
weitgehend im Laufe des Ätzprozesses in den Siliziumwafer 30
als Substrat überführt wird, wobei der anfängliche Radius R
der polymeren Struktur 31 als Funktion der Zeit abnimmt
(r(t)). Damit wird aus dem Siliziumwafer 30 eine Mikrolinse
herausstrukturiert.
Vor Beginn des Ätzverfahrens müssen nun zunächst die
dominanten Einflußgrößen oder Ätzparameter auf die erste
d. h. die Siliziumätzabtragsrate a1(t) und die zweite d. h.
die Polymerätzabtragsrate a2(t)des hier eingesetzten
selektiven Plasmaätzprozesses identifiziert werden. Bei
Einsatz einer hochdichten Plasmaquelle (induktiv gekoppeltes
Plasma), ohne die für die Strukturübertragung im
beschriebenen Rahmen keine wirtschaftlichen Prozeßzeiten zu
erreichen sind, gibt es zwei wesentliche Leistungsparameter:
die Spulenleistung der äußeren Spulenanordnung 17 welche
wesentlich die Plasmadichte des Plasmas 11 definiert, und
die Substratelektrodenleistung oder die
Substratelektrodenspannung an der Substratelektrode 14,
welche wesentlich die Ioneneinwirkung und damit den
Energieeintrag auf die Substratelektrode 14 und damit die
ioneninduzierten Prozesse auf dem Strukturkörper 15 steuert.
Daneben stehen die Ätzgasflüsse, die Substrattemperatur und
der Prozeßdruck als Regelparameter zur Verfügung, wobei als
Ätzgas zur Ätzung von Photolack als polymerer Struktur 31 in
an sich bekannter Weise beispielsweise Schwefelhexafluorid
SF6 oder SF6 in Kombination mit Sauerstoff verwendet wird.
Die für die Polymerätzabtragsrate a2(t) maßgeblichen Größen
sind die Spulenleistung der äußeren Spulenanordnung 17, der
Prozeßdruck in der Plasmakammer 10 und, ganz wesentlich, die
Substratelektrodenleistung oder die
Substratelektrodenspannung die über das zweite Stellglied an
der Substratelektrode 14 anliegt.
Die für die Siliziumätzabtragsrate a1(t) maßgeblichen Größen
sind die Spulenleistung der äußeren Spulenanordnung 17, der
Ätzgasfluß (insbesondere der Fluß von Schwefelhexafluorid
SF6) und der Prozeßdruck in der Plasmakammer 10.
Somit beeinflußt die Substratelektrodenleistung im
wesentlichen nur die Polymerätzabtragsrate a2(t), während
die Siliziumätzabtragsrate a1(t) darauf nahezu nicht
reagiert. Andererseits bestimmt der Ätzgasfluß (insbesondere
der Fluß von Schwefelhexafluorid) die Ätzabtragsrate a1(t)
von Silizium wesentlich, während die Polymerätzabtragsrate
a2(t) hiervon in weiten Grenzen unbeeinflußt bleibt. Somit
hat man zwei zumindest weitgehend unabhängige Ätzparameter
gefunden, die jeweils im wesentlichen nur die zugeordneten
Ätzabtragsraten a2 und a1 beeinflussen, die wiederum separat
voneinander über den ersten und zweiten Regelkreis
eingestellt werden können.
Die optischen Emissionsspektrometer 20, 21 zeichnen die
optische Emission aus der Gasatmosphäre des Plasmas 11 bei
zuvor festgelegten Wellenlängen anhand charakteristischer
Emissionslinien auf. Um die Polmerätzabtragsrate a2(t) zu
messen, wählt man eine für das polymere Material (Photolack)
charakteristische, an sich bekannte Emissionslinie, wie
beispielsweise eine der CFx-Linien (x = 1, 2, 3, 4) aus der
Umsetzung des abgetragenen Polymers mit Fluorradikalen, oder
eine der CO-Emissionslinien aus der Umsetzung des
abgetragenen Polymers mit Sauerstoff oder eine
Wasserstoffemissionslinie aus der Freisetzung von
Wasserstoffatomen aus Kohlenwasserstoffverbindungen aus.
Vorzugsweise werden die CO-Linien oder die H-Linien
verwendet, weil diese vom Gasfluß des Fluorlieferanten SF6
nahezu unabhängig sind.
Jedoch ist auch im Falle einer gleichzeitigen Regelung des
SF6-Flusses zur Steuerung der Siliziumätzabtragsrate a1(t)
die Verwendung der CFx-Linien grundsätzlich möglich, da im
Plasma 11 stets ein Fluorüberschuß vorliegt und die CFx-
Emission nur schwach vom Gasfluß des Fluorlieferanten SF6
abhängig ist.
Die Siliziumätzabtragsrate a1(t) wird mit Hilfe des ersten
optischen Emissionsspektrometers 21 gemessen und über den
ersten Regelkreis mit Hilfe der Verarbeitungseinheit 23, des
Stellgliedes 13 und des Sollwertegebers 25 geregelt.
Entsprechend wird die Polymerätzabtragsrate a2(t) mit Hilfe
des zweiten optischen Emissionsspektrometers 20 gemessen und
über den zweiten Regelkreis mit Hilfe der
Verarbeitungseinheit 24, des Stellgliedes 19 und des
Sollwertegebers 22 geregelt.
Die Siliziumätzabtragsrate a2(t) wird dabei vorzugsweise in
dem ersten Emissionsspektrometer 20 über die Intensität
einer SiFx (x = 2, 3,4), vorzugsweise einer SiF4-Linie
ermittelt. Es ist jedoch auch möglich, den Siliziumätzabtrag
aus einer Fluorlinie zu bestimmen, da Silizium als
dominanter Fluorverbraucher den Fluorgehalt des Gasplasmas
11 bestimmt. Je mehr Silizium von dem Siliziumwafer 30 pro
Zeiteinheit abgeätzt wird, umso höher ist der Gehalt des
Gasplasmas 11 an SiFx und damit die entsprechende
Linienintensität. Entsprechend geringer ist dann auch der
Anteil an Fluor in dem Gasplasma 11 und die entsprechende
Linienintensität. Die Messung der Fluoremission als Maß für
den Siliziumabtrag setzt allerdings voraus, daß die Zufuhr
des fluorliefernden Ätzgases Schwefelhexafluorid, ebenso wie
alle anderen Ätzparameter, welche den Fluorgehalt des
Gasplasmas 11 beeinflussen, konstant gehalten wird.
Im einzelnen wird der Ätzgasfluß des Fluorlieferanten
Schwefelhexafluorid SF6 nun durch die Regelung nun erhöht
bzw. erniedrigt, wenn die Intensität der für den
Siliziumätzabtrag a1(t) charakteristischen Linienemission
den Sollwert unterschreitet bzw. überschreitet, um dadurch
eine gewünschte Ätzabtragsrate a1(t) oder eine Selektivität.
S(t) einzustellen.
Für die erläuterte Überwachung der Ätzabtragsraten des
Polymers und/oder des Siliziums über die optischen
Emissionsspektrometer 20 und 21 und die Verwendung der
detektierten Linienintensitäten als direktes Maß für die
Polymer- und Siliziumätzabtragsrate, ist es weiter
wesentlich, daß in diesem Ausführungsbeispiel die übrigen,
nicht geregelten Ätzparameter, wie der Prozeßdruck und die
Spulenleistung der äußeren Spulenanordnung 17, konstant
gehalten werden, da ein höherer Prozeßdruck und/oder eine
höhere Spulenleistung bei sonst gleichen Ätzabtragsraten
eine insgeamt höhere Leuchtdichte des Gasplasmas 11 und
damit eine stärkere Emission aller charakteristischer Linien
bedeuten würde.
Eine dazu alternative Ausführungsform sieht vor, anstelle
eines Konstanthaltens der nicht geregelten Ätzparameter, die
Linienintensität mindestens einer charakteristischen
Emissionslinie anhand einer durchschnittlichen
Plasmaintensität, einer durchschnittlichen Spulenleistung
oder eines durchschnittlichen Prozeßdruckes zu normieren.
Wird beispielsweise die integrale Plasmahelligkeit mit einer
breitbandig lichtempfindlichen Photodiode oder einem
Photomultiplier ohne vorgeschalteten Monochromator gemessen
und damit eine über ein breites Frequenzspektrum
integrierte, zeitabhängige Plasmaintensität I(t)
(Plasmagrundhelligkeit) ermittelt, so liefert für die
Emissionslinie X der Frequenz ν mit einer Linienintensität
Ix(t, ν) die Rechenoperation x(t, ν) = Ix(t, ν)/I(t) in der
zugeordneten Verarbeitungseinheit stets eine normierte
Linienintensität, die von der Plasmagrundhelligkeit in 1.
Ordnung unabhängig ist. Diese Normierung erlaubt es, auch
solche Ätzparameter zu regeln, die direkt die
Plasmaintensität beeinflussen und verbessert damit die
Regelstabilität gegenüber möglichen Prozeßschwankungen.
Um störende Emissionsintensitätsschwebungen durch
Frequenzunterschiede des Hochfrequenzgenerators 18 zur
Speisung der äußeren Spulenanordnung 17 und des Generators
zur Erzeugung der Substratelektrodenspannung oder -leistung
in dem Stellglied 19 zu vermeiden, werden beide
Hochfrequenzgeneratoren vorzugsweise synchron mit gleicher
Frequenz, beispielsweise gespeist aus einem gemeinsamen
Master-Oszillator, betrieben. Alternativ können sie jedoch
auch bei voneinander deutlich verschiedenen Frequenzen
betrieben werden, so daß keine niederfrequenten
Intensitätsmodulationen des Gasplasmas 11 durch
Schwebungseffekte auftreten.
Zur Ermittlung der Emissionsintensitäten der
charakteristischen Linien in den beiden optischen
Emissionsspektrometern 20, 21 ist in diesen weiterhin
jeweils ein Monochromator mit einem nachgeschalteten
Detektor vorgesehen. Alternativ kann dieser Detektor auch
als Detektorarray zur gleichzeitigen Aufzeichnung eines
Wellenlängenspektrums ausgeführt sein. In diesem Fall ist
die Ermittlung einer mittleren Plasmahelligkeit bzw. der
Plasmagrundhelligkeit für die Normierung der einzelnen
Linienintensitäten überdies in einfacher Weise durch
Summation oder Integration der Einzelintensitäten der
verschiedenen Dioden des Detektorarrays möglich.
Weiterhin können in einer Variante des erläuterten
Ausführungsbeispiels die beiden optischen
Emissionsspektrometer 20, 21 auch in ein einziges optisches
Emissionsspektrometer integriert sein, das zwei
Monochromatoren mit zwei Detektoren oder einen
durchstimmbaren Monochromator mit einem nachgeschalteten
Dektorarray aufweist, der ein vorgegebenes Frequenzspektrum
ständig abscannt und somit mindestens zwei charakteristische
Emissionslinien erfaßt. Derartige Emissionsspektrometer sind
in vielfältiger Bauweise sowohl als
Einzelwellenlängendetektoren als auch als
Mehrfachwellenlängendetektorarrays bekannt und in
verschiedenen Ausführungen verfügbar.
Falls im jeweiligen Ätzprozeß nur die Polymerätzabtragsrate
a2(t) verändert werden soll, ist es ausreichend, aus dem
Vergleich der entsprechenden Emissionslinienintensität, die
für den Polymerätzabtrag charakteristisch ist, und dem
vorgegebenen Sollwert aus dem Sollwertegeber 22 die
Substratelektrodenleistung über das Stellglied 19 zu erhöhen
oder zu erniedrigen. Der SF6-Ätzgasfluß und damit die
Siliziumätzabtragsrate a1(t) ist dann ein zweiter, im
wesentlichen freier Parameter des Verfahrens.
Abschließend wird im Fall einer Ätzung einer Mikrolinse
erläutert, wie eine Sollätzabtragsrate als Funktion der Zeit
für das Polymermaterial (Photolack) der polymeren Struktur
31 bestimmt wird. Der Einfachheit halber wird von einer
kugelförmigen Gestalt der polymeren Struktur 31 als Linse
mit Radius R auf dem Siliziumwafer 30 ausgegangen, deren
Form während des Ätzprozesses im wesentlichen erhalten
bleibt und deren Radius sich als Funktion der Zeit ändert
(r(t)), so daß die Form der polymeren Struktur 31 bei dem
Ätzprozeß in die Oberfläche des Siliziumwafers 30 überführt
wird.
Für die in das Gasplasma 11 abgegebene Polymermenge dmPoly/dt
zur Zeit t gilt bei einer Dichte des Poly, Polymers ρPoly:
mit a2(t) = dr/dt = Ätzabtragsrate der polymeren Struktur,
sowie
für eine konstante Ätzabtragsrate a2(t)=a2
Daraus folgt:
dmPoly/dt ist somit unmittelbar die gesuchte Zeitfunktion für
die abgegebene Polymermenge beim Ätzen kugelförmiger Linsen.
Diese Funktion eignet sich als Sollwertvorgabe in dem
Sollwertgeber 19 für die dynamische Steuerung des
Ätzprosesses z. B. mit konstanter Ätzabtragsrate a2 für die
polymere Struktuir 31. Selbstverständlich sind aber auch
komplexere Ätzabtragsraten a2(t) als Funktion der Ätzzeit
als Sollwertfunktion vorgebbar. In diesem Fall wird
lediglich das Produkt a2t in Gleichung (3) durch das
entsprechende Integral aus Gleichung (2) ersetzt.
Eine analoge Betrachtung ist auch für Silizium anzustellen:
Die Siliziumwaferoberfläche ist anfangs zum Teil maskiert
durch polymere Strukturen 31 als Linsenflächen, so daß das
Silizium dort einer Änderung zunächst nicht zugänglich ist.
Für die effektiv geätzte Siliziumoberfläche Aeff auf dem
Siliziumwafer 30 mit einer Gesamtoberfläche AWafer gilt somit
näherungsweise bei einer Anzahl von N Linsen oder polymeren
Strukturen 31 mit Anfangsradius R:
Aeff = AWafer - NR2 π (4)
Dem entspricht ein anfänglicher Materialeintrag von Silizium
dmSili/dt in das Gasplasma 11 und eine dazu proportionale
Linienintensität bei einer Dichte des Siliziums ρSili gemäß:
mit a1(t) = a1 = konstante Ätzabtragsrate des Siliziumwafers
30
Beim Abätzen der Linsen als polymere Strukturen 31 wird
diese dem Ätzprozeß zugängliche Fläche Aeff des
Siliziumwafers 30 in dem Maße vergrößert, wie die Größe der
polymeren Struktur 31 in Form von (Rest)Linsen abnimmt.
Damit gilt:
Aeff(t) = AWafer - Nr(t)2 π = AWafer - N(R-a2t)2π (6)
mit a2(t) = a2 = konstante Ätzabtragesrate der polymeren
Struktur 31
Der entsprechende Materialeintrag ins Plasma und die dazu
proportionale Linienintensität ergibt sich damit zu:
Selbstverständlich sind auch hier für die
Siliziumätzabtragsrate a1(t) komplexere Ätzabtragsraten als
diFunktion der Ätzzeit als Sollwertfunktion vorgebbar.
Insgesamt erlaubt es das Verfahren in dem erläuterten
Ausführungsbeispiel somit die Ätzabtragsraten bzw. die
Selektivität beim Ätzen unterschiedlicher Materialien
unabhängig von Materialveränderungen während des
Ätzprozesses dynamisch und kontinuierlich zu kontrollieren
und zu steuern.
Claims (20)
1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturkörpers (15)
mittels eines Ätzprozesses, wobei der Strukturkörper (15)
zunächst mindestens ein Basismaterial (30, 31) aufweist und
wobei der Ätzprozeß das jeweilige Basismaterial (30, 31) mit
einer materialabhängigen Ätzabtragsrate ätzt, die auch von
einer apparativen Einstellung mindestens eines Ätzparameters
abhängig und darüber als Funktion der Ätzzeit veränderbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß im zeitlichen Verlauf des
Ätzprozesses mindestens eine Ätzabtragsrate kontinuierlich
oder stichpunktartig gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die als Funktion der Ätzzeit gemessene Ätzabtragsrate
mit einer als Funktion der Ätzzeit gegebenen, zugehörigen
Sollätzabtragsrate verglichen und eine sich ergebende
Abweichung bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Abweichung der als Funktion der Ätzzeit gemessenen
Ätzabtragsrate von der jeweiligen zugehörigen
Sollätzabtragsrate über eine Veränderung mindestens eines
Ätzparameters geregelt und insbesondere in Form eines
geschlossenen Regelkreises ausgeglichen wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper
(15) mindestens zwei verschiedene Basismaterialien (30, 31)
aufweist, wobei jedem Basismaterial (30, 31) für den
verwendeten Ätzprozeß jeweils eine materialspezifische
Ätzabtragsrate zugeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strukturkörper (15) ein Siliziumwafer (30) ist, auf
dem bereichsweise ein polymere Struktur (31), insbesondere
ein Photolack, aufgebracht ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ätzparameter die Gasflüsse eines
oder mehrerer verwendeter Ätzgase, der Prozeßdruck, die am
Strukturkörper (15) anliegende Substratelektrodenspannung,
die in den Strukturkörper (15) eingebrachte
Substratelektrodenleistung, die Substrattemperatur oder die
Spulenspannung einer ICP-Plasmaquelle sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der Ätzabtragsraten mittels mindestens eines
optischen Emissionsspektrometers (20, 21) erfolgt, wobei
jeder materialabhängigen Ätzabtragsrate mindestens eine
charakteristische Emissionslinie zugeordnet ist, deren
Intensität proportional zur jeweiligen Ätzabtragsrate ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Emissionslinie ausgewählt aus der Gruppe
der CO-Emissionslinien, der SiFx-Emissionslinien, der
Fluoremissionslinien, der CFx-Emissionslinien (x = 1, 2, 3
oder 4) oder der H-Emissionslinien verwandt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich eine spektral integrierte
Plasmaemissionsintensität zugemessen wird und damit
zumindest die gemessene Intensität einer charakteristischen
Emissionslinie normiert wird.
10. Vorrichtung zur Ätzung eines Strukturkörpers (15),
wobei sich der Strukturkörper (15) in einer Plasmakammer
(10) befindet, in der ein induktiv gekoppeltes Gasplasma
(11) vorliegt, wobei weiterhin während der Ätzung über einen
Gaseinlaß (12) mindestens ein Ätzgas zugeführt und
gleichzeitig über einen Gasauslaß (16) Gase aus der
Plasmakammer (11) abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Mittel vorgesehen ist, das die
Gasatmosphäre in der Plasmakammer (10) kontinuierlich oder
stichpunktartig analysiert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittel ein optisches Emissionsspektrometer (20, 21)
ist, das mit der Gasatmosphäre in Verbindung steht und diese
anhand mindestens einer charakteristischen Emissionslinie
analysiert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strukturkörper (15) in Kontakt mit einer
Substratelektrode (14) ist, an der eine hochfrequente
Wechselspannung anliegt, und daß das induktive Gasplasma
(11) in der Plasmakammer (10) über eine äußere
Spulenanordnung (17) erzeugt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Emissionsspektrometer (20, 21) mindestens
einen Monochromator und mindestens einen Photomultiplier,
eine Photozelle oder ein Detektorarray aufweist und die
Intensität mindestens einer charakteristischen
Emissionslinie in der Gasatmosphäre der Plasmakammer (10)
als Funktion der Zeit mißt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein optisch breitbandiger Detektor vorgesehen
ist, der eine spektral integrierte Plasmaemissionsintensität
bestimmt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Emissionsspektrometer (20, 21) die jeweils
als Funktion der Zeit gemessenen Intensitäten der
Emissionslinien mindestens einer Verarbeitungseinheit (23,
24) zuleitet, die diese mit als Funktion der Zeit
vorgegebenen Sollwerten vergleicht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das optische Emissionsspektrometer (20,
21) oder die Verarbeitungseinheit (23, 24) eine sich als
Funktion der Zeit ändernde Intensität einer Emissionslinie
einer sich als Funktion der Zeit ändernden Ätzabtragsrate
zuordnet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gegeben, daß
der Sollwert der Verarbeitungseinheit (23, 24) durch einen
Sollwertgeber (22, 25) vorgegeben ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verarbeitungseinheit (23, 24) mit mindestens einem
Stellglied (13, 19) in Verbindung steht, derart, daß ein
detektierter Unterschied zwischen dem Sollwert und dem
Istwert der Intensität mindestens einer Emissionslinie zu
einer Veränderung der Einstellung mindestens eines
Stellgliedes (13, 19) führt, das in Form eines geschlossenen
Regelkreises eine Veränderung der Einstellung mindestens
eines Ätzparameters des Ätzprozesses vornimmt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Stellglied (13, 19) für die Einstellung
der Spulenspannung und/oder der Substratelektrodenspannung
und/oder der Substratelektrodenleistung und/oder der
Substrattemperatur und/oder des Prozeßdruckes und/oder
mindestens eines Ätzgasflusses oder einer
Ätzgaskonzentration vorgesehen ist.
20. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche zur Planarisierung von
Siliziumwaferoberflächen oder zur Herstellung von
Mikrolinsen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904305A DE19904305A1 (de) | 1999-01-28 | 1999-01-28 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen |
JP2000019095A JP2000219979A (ja) | 1999-01-28 | 2000-01-27 | 構造体をエッチングするための方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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DE10142008A1 (de) * | 2001-08-28 | 2003-03-27 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Verfahren zum selektiven Ätzen einer Halbleiterschicht auf GaP-Basis gegen einen strukturierten Photolack |
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- 1999-01-28 DE DE19904305A patent/DE19904305A1/de not_active Withdrawn
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2000
- 2000-01-27 JP JP2000019095A patent/JP2000219979A/ja active Pending
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