DE19904305A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen

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DE19904305A1
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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

Stand der Technik
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.
Vorteile der Erfindung
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.
Zeichnungen
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.
Ausführungsbeispiele
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.
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