DE19933842A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ätzen eines Substrates mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Ätzen eines Substrates mittels eines induktiv gekoppelten PlasmasInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Ätzen eines Substrates (10), insbesondere eines Siliziumkörpers, mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas (14) vorgeschlagen. Dazu wird mit einer ICP-Quelle (13) ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld generiert, das in einem Reaktor (15) ein induktiv gekoppeltes Plasma (14) aus reaktiven Teilchen erzeugt. Das induktiv gekoppelte Plasma (14) entsteht dabei durch Einwirken des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes auf ein Reaktivgas. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der eine mit der ICP-Quelle (13) in das induktiv gekoppelte Plasma (14) über das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld eingekoppelte Plasmaleistung pulsbar ist, so daß zumindest zeitweise eine gepulste Hochfrequenzleistung als Plasmaleistung in das induktiv gekoppelte Plasma (14) eingekoppelt werden kann. Die gepulste Plasmaleistung kann weiter mit einem gepulsten Magnetfeld und/oder einer gepulsten Substratelektrodenleistung kombiniert oder korreliert werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit
durchführbares Verfahren zum Ätzen eines Substrates,
insbesondere eines Siliziumkörpers, mittels eines induktiv
gekoppelten Plasmas nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
Um ein anisotropes Hochratenätzenverfahren beispielsweise
für Silizium unter Einsatz einer induktiven Plasmaquelle zu
realisieren, ist es bei Verfahren, wie sie beispielsweise
aus DE 42 41 045 C2 bekannt sind, erforderlich, in möglichst
kurzer Zeit eine effiziente Seitenwandpassivierung während
sogenannter Passivierschritte durchzuführen und ferner eine
möglichst hohe Konzentration von Silizium ätzenden
Fluorradikalen während sogenannter Ätzschritte zu erreichen.
Zur Erhöhung der Ätzrate ist es dabei naheliegend, mit
möglichst hohen Hochfrequenzleistungen an der induktiven
Plasmaquelle zu arbeiten und dadurch möglichst hohe
Plasmaleistungen in das erzeugte induktiv gekoppelte Plasma
einzukoppeln.
Diesen eingekoppelbaren Plasmaleistungen sind jedoch Grenzen
gesetzt, die sich einerseits aus der Belastbarkeit der
elektrischen Komponenten der Plasmaquelle ergeben,
andererseits aber auch prozeßtechnischer Natur sind. So
verstärken hohe Hochfrequenzleistungen der induktiven
Plasmaquelle, d. h. hohe einzukoppelnde Plasmaleistungen,
schädliche elektrische Eingriffe aus dem Quellenbereich in
das erzeugte induktiv gekoppelte Plasma, die die
Ätzergebnisse auf dem Substratwafer verschlechtern.
Zudem treten bei Ätzprozessen nach Art der DE 42 41 045 C2
bei sehr hohen Plasmaleistungen auch Stabilitätsprobleme bei
der Plasmaeinkoppelung in den Umschaltphasen zwischen Ätz-
und Passivierschritten auf. Dies beruht darauf, daß sich bei
hohen einzukoppelnden Leistungen im kWatt-Bereich während
der Umschaltphasen auftretende Leistungsreflektionen und
Spannungsüberhöhungen zerstörerisch im elektrischen Kreis
der Plasmaquelle (Spule, angeschlossene Kapazitäten,
Generatorendstufe usw.) auswirken.
In der Anmeldung DE 199 00 179 ist dazu bereits eine
gegenüber der DE 42 41 045 C2 weiterentwickelte induktive
Plasmaquelle beschrieben, die mittels einer verlustfreien
symmetrischen Hochfrequenzspeisung der Spule der induktiven
Plasmaquelle für besonders hohe Plasmaleistungen geeignet
ist, und die ein induktives Plasma generiert, welches
besonders arm an Störeinkopplungen ist. Doch auch für diesen
Quellentyp existiert eine praktikable Leistungsgrenze von
etwa 3 kWatt bis 5 kWatt, oberhalb der die benötigten
Hochfrequenzkomponenten extrem teuer werden oder Probleme
hinsichtlich der Plasmastabilität überhand nehmen.
Aus der Anmeldung DE 199 19 832 ist weiter bereits bekannt,
die in ein induktiv gekoppeltes Plasma mit einem
hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld eingekoppelte
Plasmaleistung adiabatisch zwischen einzelnen
Verfahrensschritten, insbesondere alternierenden Ätz- und
Passivierschritten, zu variieren.
Ein derartiger adiabatischer Leistungsübergang, d. h. ein
allmähliches Hochfahren bzw. Verringern der eingekoppelten
Plasmaleistung, bei gleichzeitiger kontinuierlicher
Anpassung der Impedanz der ICP-Quelle an die jeweilige, von
der eingekoppelten Plasmaleistung abhängige Plasmaimpedanz
mittels eines automatischen Anpaßnetzwerkes oder eines
Impedanztransformators ("Matchbox") ermöglicht es, die
erläuterten Probleme hinsichtlich Leistungsreflexion und
Spannungsüberhöhung beim Ein- und Ausschalten von
Plasmaleistungen im Bereich von 1 kWatt bis 5 kWatt zu
beherrschen. Eine typische Zeitdauer der Einschaltvorgänge
liegt dabei jedoch im Bereich von 0,1 sec bis 2 sec.
Schnellere Leistungsänderungen sind mit diesem Ansatz nicht
möglich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit durchgeführte
Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil,
daß damit eine variabel einstellbare, gepulste
Hochfrequenzleistung erzeugt wird, die als Plasmaleistung in
das induktiv gekoppelte Plasma einkoppelbar ist, wobei die
Pulsung der Plasmaleistung sehr schnell, beispielsweise
innerhalb von Mikrosekunden, erfolgen und gleichzeitig mit
Leistungsänderungen von mehreren tausend Watt verbunden sein
kann.
Die vorgenommene Pulsung der Plasmaleistung ist weiter mit
einer wesentlichen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der
ICP-Quelle verbunden und eröffnet die Möglichkeit zur
Verminderung der mittleren Plasmaleistung ohne
Ätzratenverminderung bzw. zur Ätzratenerhöhung bei
unveränderter mittlerer Plasmaleistung. Weiter lassen sich
durch das Pulsen der Plasmaleistung elektrische Störeffekte
aus dem Quellenbereich der ICP-Quelle wirksam reduzieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße
Plasmaätzanlage mit einer balancierten, symmetrisch
aufgebauten und symmetrisch gespeisten Konfiguration der
ICP-Quelle versehen ist. Auf diese Weise wird die
Homogenität der Ätzraten über die Oberfläche des Substrates
deutlich verbessert und die elektrische Einkopplung von
hohen Plasmaleistungen in das erzeugte Plasma erheblich
vereinfacht.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn im Inneren des Reaktors ein
zusätzliches, konstantes oder zeitlich variierendes
longitudinales Magnetfeld erzeugt wird, das das generierte,
induktiv gekoppelte Plasma von der Plasmaquelle ausgehend
nach der Art einer magnetischen Flasche bis zu dem zu
ätzenden Substrat führt.
Dieses Magnetfeld, dessen Richtung zumindest näherungsweise
oder überwiegend parallel zu der durch die Verbindungslinie
von Substrat und induktiv gekoppeltem Plasma definierten
Richtung ist, verbessert die Ausnützung der eingekoppelten
Hochfrequenzleistung zur Erzeugung der gewünschten
Plasmaspezies (Elektronen, Ionen, freie Radikale) d. h. die
Effizienz der Plasmageneration deutlich. Daher sind bei
gleicher Plasmaleistung damit zusätzlich deutlich höhere
Ätzraten möglich.
Eine besonders gute Führung des erzeugten Plasmas durch das
Magnetfeld und ein besonders geringer Durchgriff des
erzeugten Magnetfeldes auf das zu ätzende Substrat selbst
ergibt sich weiter vorteilhaft dann, wenn zusätzlich eine zu
der Innenwand des Reaktors konzentrisch angeordnete Apertur
vorgesehen ist, die bevorzugt ca. 5 cm oberhalb des auf
einer Substratelektrode angeordneten Substrates angeordnet
ist. Diese Apertur führt zu einer verbesserten Uniformität
der Ätzung über die Substratoberfläche und vermeidet
gleichzeitig im Fall eines zeitlich variierenden
Magnetfeldes hohe induzierte Spannungen in dem zu ätzenden
Substrat, die dort unter Umständen zu Schäden an
elektronischen Bauelementen führen.
Sehr vorteilhaft ist weiterhin, wenn in den ICP-
Spulengenerator Bauteile integriert sind, die zur
Impedanzanpassung als Funktion der einzukoppelnden
Plasmaleistung eine Variation der Frequenz des erzeugten
elektromagnetischen Wechselfeldes vornehmen, da damit eine
besonders schnelle Umschaltung zwischen
Plasmaleistungspulsen und Pulspausen erreicht wird.
Durch diese Frequenzvariation wird vorteilhaft vermieden,
daß zeitweise beim Pulsen der Plasmaleistung, insbesondere
in Zeiten einer sich schnell ändernden eingekoppelten
Plasmaleistung, d. h. bei Pulse-zu-Pause-Übergängen, hohe
reflektierte Leistungen zurück in den ICP-Spulengenerator
auftreten. Dabei liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil
einer jederzeit möglichst guten Impedanzanpassung über eine
variable Frequenz der Hochfrequenzleistung des ICP-
Spulengenerators darin, daß diese Frequenzänderung sehr
schnell durchgeführt werden kann, da sie nur durch die Re
gelgeschwindigkeit einer die Frequenzvariation
durchführenden elektronischen Schaltung begrenzt ist. So
sind Reaktionszeiten oder sehr schnelle Leistungsänderungen
der Ausgangsleistung des ICP-Spulengenerators im
Mikrosekundenbereich stabil möglich, was es erlaubt, während
der Ätz- und/oder Passivierschritte mit
Plasmaleistungspulsen zu arbeiten, deren Dauer im
Mikrosekundenbereich liegt.
Da bei einem gepulsten Betrieb der ICP-Quelle sehr schnelle
Impedanzänderungen im Plasma auftreten, ist es nach dem
bisherigen Stand der Technik bei Einzelpulsleistungen im
kWatt-Bereich, insbesondere im Bereich oberhalb 3 kWatt
unmöglich, das Auftreten hoher reflektierter Leistung beim
Ein- und Ausschalten der eingekoppelten
Hochfrequenzleistungspulse zu vermeiden oder diese zumindest
unschädlich zu machen. Durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung ist dagegen auch in diesem Fall die
Impedanzanpassung von induktiv gekoppeltem Plasma bzw. ICP-
Quelle und ICP-Spulengenerator jederzeit sichergestellt.
Ein gepulster Betrieb der ICP-Quelle hat gegenüber einem
kontinuierlichen Betrieb weiter den wesentlichen Vorteil,
daß während der Hochfrequenzleistungspulse bzw.
Plasmaleistungspulse eine wesentlich höhere Plasmadichte
erreicht wird als bei einem kontinuierlichen Betrieb. Dies
beruht darauf, daß die Erzeugung eines induktiven Plasmas
ein hochgradig nichtlinearer Vorgang ist, so daß die
mittlere Plasmadichte in diesem gepulsten Betriebsmodus
höher ist als bei einer dem Zeitmittel entsprechenden
mittleren Plasmaleistung. Man erhält daher, bezogen auf das
Zeitmittel, im Pulsbetrieb effektiv mehr reaktive Spezies
und Ionen als im Dauerstrichbetrieb. Dies gilt insbesondere
dann, wenn sogenannte "Riesenimpulse" eingesetzt werden,
d. h. relativ kurze und extrem leistungsstarke
Hochfrequenzleistungsimpulse von beispielsweise 20 kWatt
Spitzenleistung, wie dies mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nunmehr möglich ist, wobei die mittlere
Plasmaleistung im Zeitmittel dann beispielsweise bei
lediglich 500 Watt liegt.
In diesem Fall sind im übrigen unvermeidbare Wärmeverluste
im ICP-Spulengenerator und anderen Anlagenkomponenten der
Plasmaätzanlage vorteilhaft mit dem relativ niedrigen
Zeitmittelwert der Plasmaleistung korreliert, während
erwünschte Plasmaeffekte, insbesondere die erzielbaren
Ätzraten, vorteilhaft mit den auftretenden Spitzenleistungen
korrelieren. Infolgedessen wird die Effizienz der Erzeugung
reaktiver Spezies und Ionen deutlich verbessert.
Ein weiterer Vorteil eines gepulsten Betriebs der ICP-Quelle
liegt darin, daß sich in den Pausen zwischen den
Hochfrequenzleistungspulsen störende elektrische Aufladungen
auf dem zu ätzenden Substrat entladen können und damit die
Profilkontrolle beim Ätzen insgesamt verbessert wird.
Schließlich ist sehr vorteilhaft, wenn das Pulsen des
erzeugten Magnetfeldes mit dem Pulsen der eingekoppelten
Plasmaleistung und/oder dem Pulsen der über den
Substratspannungsgenerator in das Substrat eingekoppelten
Hochfrequenzleistung zeitlich korreliert oder synchronisiert
wird. So ergibt sich durch die zeitliche Synchronisation der
Pulsung von Magnetfeld und eingekoppelter Plasmaleistung
insbesondere eine deutliche Reduktion der in der
Magnetfeldspule anfallende Ohmschen Wärmeverluste, was
Probleme der Kühlung und Temperaturkontrolle der
Magnetfeldspule entschärft.
Wird beispielsweise die eingekoppelte Plasmaleistung mit
einem Puls-zu-Pause-Verhältnis von 1 : 20 betrieben, so kann
auch der Strom durch die Magnetfeldspule beispielsweise mit
einem Puls-zu-Pause-Verhältnis von 1 : 18 gepulst werden,
wodurch sich vorteilhaft die benötigte Wärmeabfuhr aus der
Magnetfeldspule auf 1/18 des ursprünglichen Werts reduziert.
Gleichzeitig sinkt auch der Verbrauch an elektrischer
Energie entsprechend.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematisierte
Plasmaätzanlage, Fig. 2 eine elektronische
Rückkopplungsschaltung mit angeschlossener ICP-Quelle, Fig.
3 ein Beispiel für eine Filterkennlinie, Fig. 4 ein
Beispiel für eine zeitliche Synchronisation von in das
Plasma eingekoppelten Hochfrequenzplasmaleistungspulsen mit
Magnetfeldpulsen, Fig. 5 eine in den
Substratspannungsgenerator integrierbare Schaltungsanordnung
zur Erzeugung sehr kurzer Hochfrequenzleistungspulse, Fig.
6 ein Ersatzschaltbild für die Entstehung der
Substratelektrodenspannung und Fig. 7 die Änderung der
Substratelektrodenspannung während eines
Hochfrequenzleistungspulses als Funktion der Zahl der
Schwingungsperioden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
Fig. 1 näher erläutert. Eine Plasmaätzanlage 5 weist dazu
zunächst einen Reaktor 15 auf, in dessen oberem Bereich in
an sich bekannter Weise über eine ICP-Quelle 13
("Inductively Coupled Plasma") ein induktiv gekoppeltes
Plasma 14 erzeugt wird. Weiterhin ist eine Gaszufuhr 19 zur
Zufuhr eines Reaktivgases wie beispielsweise SF6, ClF3, O2,
C4F8, C3F6, SiF4 oder NF3, eine Gasabfuhr 20 zur Abfuhr von
Reaktionsprodukten, ein Substrat 10, beispielsweise ein mit
dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren zu strukturierender
Siliziumkörper oder Siliziumwafer, eine mit dem Substrat 10
in Kontakt befindliche Substratelektrode 11, ein
Substratspannungsgenerator 12 und ein erster
Impedanztransformator 16 vorgesehen. Der
Substratspannungsgenerator 12 koppelt dabei in die
Substratelektrode 11 und darüber in das Substrat 10 eine
hochfrequente Wechselspannung oder Hochfrequenzleistung ein,
die eine Beschleunigung von in dem induktiv gekoppelten
Plasma 14 erzeugten Ionen auf das Substrat 10 hin bewirkt.
Die in die Substratelektrode 11 eingekoppelte
Hochfrequenzleistung bzw. Wechselspannung liegt
typischerweise zwischen 3 Watt und 50 Watt bzw. 5 Volt und
100 Volt im Dauerstrichbetrieb bzw. bei gepulstem Betrieb
jeweils im Zeitmittel über die Pulssequenz.
Weiterhin ist ein ICP-Spulengenerator 17 vorgesehen, der mit
einem zweiten Impedanztransformator 18 und darüber mit der
ICP-Quelle 13 in Verbindung steht. Somit generiert die ICP-
Quelle 13 ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld
und darüber in dem Reaktor 15 ein induktiv gekoppeltes
Plasma 14 aus Reaktiven Teilchen und elektrisch geladenen
Teilchen (Ionen), die durch Einwirken des hochfrequenten
elektromagnetischen Wechselfeldes auf das Reaktivgas
entstehen. Die ICP-Quelle 13 weist dazu eine Spule mit
mindestens einer Windung auf.
Der zweite Impedanztransformator 18 ist bevorzugt in der in
der Anmeldung DE 199 00 179.0 vorgeschlagenen Weise
ausgeführt, so daß eine balancierte, symmetrisch aufgebaute
Konfiguration und Speisung der ICP-Quelle 13 über den ICP-
Spulengenerator 17 gegeben ist. Damit wird insbesondere
gewährleistet, daß die an den beiden Enden der Spule der
ICP-Quelle 13 anliegenden hochfrequenten Wechselspannungen
zumindest nahezu gegenphasig zueinander sind. Weiter ist der
Mittelabgriff 26 der Spule der ICP-Quelle 13, wie in Fig. 2
angedeutet, bevorzugt geerdet.
Mit der Plasmaätzanlage 5 wird weiter beispielsweise der aus
DE 42 41 045 C2 bekannte anisotrope Hochratenätzprozeß für
Silizium mit alternierenden Ätz- und Passivierschritten
durchgeführt. Hinsichtlich weiterer, dem Fachmann an sich
bekannter Details zu der Plasmaätzanlage 5, die insoweit als
bisher beschrieben aus dem Stand der Technik bekannt ist,
und des damit durchgeführten Ätzverfahrens, insbesondere
hinsichtlich der Reaktivgase, der Prozeßdrücke und der
Substratelektrodenspannungen in den jeweiligen Ätzschritten
bzw. Passivierschritten sei daher auf die DE 42 41 045 C2
verwiesen.
Die erfindungsgemäße Plasmaätzanlage 5 ist im übrigen auch
geeignet für eine Prozeßführung, wie sie in der Anmeldung
DE 199 27 806.7 beschrieben ist.
Insbesondere wird beim Ätzen des Substrates 10 während der
Passivierschritte in dem Reaktor 15 mit einem Prozeßdruck
von 5 µbar bis 20 µbar und mit einer über die ICP-Quelle 13
in das Plasma 14 eingekoppelten mittleren Plasmaleistung von
300 bis 1000 Watt passiviert. Als Passiviergas eignet sich
beispielsweise C4F8 oder C3F6. Während der nachfolgenden
Ätzschritte wird dann ein Prozeßdruck von 30 µbar bis
50 µbar und einer hohen mittleren Plasmaleistung von 1000
bis 5000 Watt geätzt. Als Reaktivgas eignet sich
beispielsweise SF6 oder ClF3. Unter mittlerer Plasmaleistung
wird dabei im Sinne der Erfindung stets eine zeitlich über
eine Vielzahl von Plasmaleistungspulsen gemittelte
eingekoppelte Plasmaleistung verstanden.
Weiterhin ist in der Plasmaätzanlage 5 zwischen dem induktiv
gekoppelten Plasma 14 bzw. der ICP-Quelle 13, d. h. der
eigentlichen Plasmaerregungszone, und dem Substrat 10 ein
sogenannter "Spacer" als Distanzstück 22 aus einem nicht
ferromagnetischen Material wie beispielsweise Aluminium
plaziert. Dieses Distanzstück 22 ist in die Wand des
Reaktors 15 konzentrisch als Distanzring eingesetzt und
bildet somit bereichsweise die Reaktorwand. Er hat eine
typische Höhe von ca. 5 cm bis 30 cm bei einem typischen
Durchmesser des Reaktors 15 von 30 cm bis 100 cm.
Das Distanzstück 22 wird in bevorzugter Ausgestaltung des
Ausführungsbeispiels weiter von einer Magnetfeldspule 21
umgeben, die beispielsweise 100 bis 1000 Windungen aufweist
und aus einem für die einzusetzende Stromstärke ausreichend
dick bemessenen Kupferlackdraht gewickelt ist. Zusätzlich
können Kupferrohre mit in die Magnetfeldspule 21 aufgenommen
werden durch die Kühlwasser strömt, um Wärmeverluste aus der
Magnetfeldspule 21 abzuführen.
Es ist alternativ auch möglich, die Magnetfeldspule 21
selbst aus einem dünnen, mit einem elektrisch isolierenden
Material lackierten Kupferrohr zu wickeln, welches direkt
von Kühlwasser durchströmt wird.
Durch die Magnetfeldspule 21 wird weiter über eine
Stromversorgungseinheit 23 ein elektrischer Strom von
beispielsweise 10 bis 100 Ampère geleitet.
Im erläuterten ersten Ausführungsbeispiel ist dies
beispielsweise ein Gleichstrom, der im Inneren des Reaktors
15 ein statisches Magnetfeld erzeugt, das im Fall einer
Magnetfeldspule 21 mit 100 Windungen und einer Länge von
10 cm sowie einem Durchmesser von 40 cm beispielsweise eine
magnetische Feldstärke im Zentrum der Magnetfeldspule 21 von
etwa 0,3 mTesla/A Stromfluß erzeugt.
Um eine signifikante Steigerung der
Plasmaerzeugungseffizienz und eine ausreichende magnetische
Führung des induktiv gekoppelten Plasmas 14 zu
gewährleisten, werden Magnetfeldstärken von 10 mT bis
100 mT, beispielsweise 30 mT, benötigt. Das bedeutet, die
Stromversorgungseinheit 23 stellt zumindest während der
Ätzschritte zur Ätzung eines Substrates 10 Stromstärken von
etwa 30 bis 100 Ampère bereit.
Anstelle der Magnetfeldspule 21 kann im übrigen auch ein
Permanentmagnet eingesetzt werden. Ein derartiger
Permanentmagnet benötigt vorteilhaft keine Energie, hat
jedoch den Nachteil, daß eine Einstellung der Magnetfeld
stärke, die zur Einstellung eines optimalen Ätzprozesses von
Vorteil ist, nicht möglich ist. Überdies ist die Feldstärke
eines Permanentmagneten temperaturabhängig, so daß die
Magnetfeldspule 21 bevorzugt wird.
In jedem Fall ist wichtig, daß die Richtung des über die
Magnetfeldspule 21 oder den Permanentmagneten erzeugten
Magnetfeldes zumindest näherungsweise oder überwiegend
parallel zu der durch die Verbindungslinie von Substrat 10
und induktiv gekoppeltem Plasma 14 bzw. der
Plasmaerregungszone definierten Richtung ist (longitudinale
Magnetfeldorientierung).
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erläuterten
Ausführungsbeispiels sieht im übrigen vor, daß zur Uni
formitätsverbesserung des Ätzprozesses eine aus der
DE 197 34 278 bekannte Apertur im Inneren des Reaktors 15
konzentrisch zur Reaktorwand zwischen der ICP-Quelle 13 bzw.
der Plasmaerregungszone und dem Substrat 10 angebracht wird.
Diese Apertur ist in Fig. 1 aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Bevorzugt ist sie ca.
5 cm oberhalb der Substratelektrode 11 oder des Substrates 10
an dem Distanzstück 22 ("Spacer") befestigt.
Zudem muß im Falle der Verwendung einer Magnetfeldspule 21
in die Stromversorgungseinheit 23 eine geeignete, an sich
bekannte Überwachungsvorrichtung integriert sein, die in die
Prozeßablaufsteuerung eingebunden ist und eine Überwachung
der Spulentemperatur und eine Notabschaltung beispielsweise
bei Kühlwasserausfall vornimmt.
Der ICP-Spulengenerator 17 koppelt weiter während der
Ätzschritte und/oder während der Passivierschritte eine
gepulste Plasmaleistung in das induktiv gekoppelte Plasma 14
ein, die im zeitlichen Mittel zwischen minimal 300 Watt bis
maximal 5000 Watt liegt. Bevorzugt werden während der
Ätzschritte im zeitlichen Mittel 2000 Watt und während der
Passivierschritte 500 Watt eingekoppelt.
Um das Pulsen der eingekoppelten Plasmaleistung zu
ermöglichen ist weiter vorgesehen, daß während des Pulsens
ständig eine Anpassung der Impedanz der über den ICP-
Spulengenerator 17 erzeugten Hochfrequenzleistung an die
sich mit verändernder d. h. gepulster Plasmaleistung
verändernde Plasmaimpedanz vorgenommen wird. Dazu wird die
Frequenz des hochfrequenten elektromagnetischen
Wechselfeldes, das der ICP-Spulengenerator 17 erzeugt, zur
Impedanzanpassung innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite
variiert.
Im einzelnen ist dazu das bevorzugt symmetrisch aufgebaute
und die ICP-Quelle 13 symmetrisch speisende Anpaßnetzwerk in
dem zweiten Impedanztransformator 18 zunächst so
eingestellt, daß eine möglichst optimale Impedanzanpassung
stets dann gegeben ist, wenn die eingekoppelten
Hochfrequenzplasmaleistungspulse ihre Maximalwerte erreicht
haben. Typische Maximalwerte der
Hochfrequenzplasmaleistungspulse liegen dabei zwischen
3 kWatt und 20 kWatt bei einem Puls-zu-Pause-Verhältnis von
1 : 1 bis 1 : 10.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die Frequenzvariation des
eingekoppelten elektromagnetischen Wechselfeldes derart
erfolgt, daß mit dem Erreichen der Maximalwerte der
Hochfrequenzplasmaleistungspulse gleichzeitig die Stationär-
oder Resonanzfrequenz 1" des von dem ICP-Spulengenerator 17
erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds
erreicht ist. Die Stationärfrequenz 1" beträgt dabei
bevorzugt 13,56 MHz.
Die Variation der Frequenz des elektromagnetischen
Wechselfeldes um die Stationärfrequenz 1" beim Pulsen der
Plasmaleistung wird vorgenommen, um zu gewährleisten, daß
beim Pulsen der Plasmaleistung stets eine zumindest
weitgehende Anpassung der Impedanz der erzeugten
Hochfrequenzleistung bzw. des ICP-Spulengenerators 17 an die
jeweilige, sich zeitlich als Funktion der Plasmaleistung
ändernde Impedanz des Plasmas 14 gegeben ist. Dazu wird die
Frequenz des ICP-Spulengenerators 17 innerhalb einer
gewissen Bandbreite um die Stationärfrequenz 1" freigegeben
und durch eine Regelelektronik zur Impedanzanpassung
innerhalb dieser Bandbreite variiert.
Diese Frequenzvariation wird mit Hilfe der Fig. 3
erläutert, in der eine Filterkennlinie 1' dargestellt ist,
die einen voreingestellten Frequenzbereich (Bandbreite)
vorgibt, innerhalb dessen die Frequenz des ICP-
Spulengenerators 17 variiert wird, wobei jeder Frequenz eine
gewisse Hochfrequenzleistung bzw. einzukoppelnde
Plasmaleistung oder eine Dämpfung A der Leistung des ICP-
Spulengenerators 17 zugeordnet ist. Die zu erreichende
Frequenz im stationären Leistungsfall ist dabei die
Stationärfrequenz 1", die zumindest näherungsweise jeweils
dann vorliegt, wenn während eines Plasmaleistungspulses die
jeweilige Maximalleistung des Pulses erreicht ist.
Weitere Details einer geeigneten elektronischen Schaltung
zur Impedanzanpassung durch Frequenzvariation in Form eines
selbsttätig wirkenden Rückkopplungskreises werden mit Hilfe
der Fig. 2 erläutert. Dabei wird zunächst die ICP-Quelle
13, d. h. konkret deren Spule, zunächst in an sich aus
DE 199 00 179 bekannter Weise durch ein vorzugsweise balanciertes
symmetrisches Anpaßnetzwerk 2 aus einem unbalancierten
unsymmetrischen Ausgang des ICP-Spulengenerators 17
gespeist. Das Anpaßnetzwerk 2 ist dabei Teil des zweiten
Impedanztransformators 18. Der ICP-Spulengenerator 17 weist
weiter einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker 3 und einen
Quarzoszillator 4 zur Erzeugung einer hochfrequenten
Grundschwingung mit fester Frequenz von beispielsweise
13,56 MHz auf.
Die hochfrequente Grundschwingung des Quarzoszillators 4
wird im Stand der Technik normalerweise in den
Verstärkereingang des Leistungsverstärkers 3 eingespeist.
Diese Einspeisung jedoch zunächst dahingehend modifiziert,
daß der Quarzoszillator 4 vom Verstärkereingang des
Leistungsverstärkers 3 zumindest während der
Leistungsänderungsphasen getrennt und dessen Eingang extern,
beispielsweise über eine entsprechende Eingangsbuchse,
zugänglich gemacht wird. Da der Quarzoszillator 4 in dieser
Ausführungsform keine Funktion mehr besitzt, kann er auch
geeignet deaktiviert werden.
Es ist im übrigen auch möglich, den Quarzoszillator 4 im
stationären Fall, d. h. nach Abschluß einer
Leistungsvariation, wieder auf den Verstärkereingang zu
schalten und den externen Rückkoppelungskreis zu trennen.
Damit erfolgt ein elektrisch sehr schnell mögliches
Umschalten zwischen internem Oszillator und externem
Rückkoppelungskreis, je nachdem ob die
Generatorausgangsleistung gerade stationär oder in
Veränderung begriffen ist.
Der Leistungsverstärker 3 besitzt weiter in bekannter Weise
Generatorsteuereingänge 9, die zur externen Steuerung des
ICP-Spulengenerators 17 dienen. Darüber ist beispielsweise
ein Ein- und Ausschalten des ICP-Spulengenerators 17 oder
die Vorgabe einer zu erzeugenden Hochfrequenzleistung zur
Einkopplung in das Plasma 14 möglich. Außerdem sind
Generatorstatusausgänge 9' zur Rückmeldung von
Generatordaten, wie beispielsweise Generatorstatus,
gegenwärtige Ausgangsleistung, reflektierte Leistung,
Überlast usw., an ein nicht dargestelltes externes
Steuergerät (Maschinensteuerung) oder die
Stromversorgungseinheit 23 der Plasmaätzanlage 5 vorgesehen.
Der Verstärkereingang des Leistungsverstärkers 3 wird nun im
Sinne einer Rückkopplungsschaltung zumindest zeitweise, d.h.
während Leistungsänderungsphasen, über ein
frequenzselektives Bauteil 1 mit der ICP-Quelle 13
verbunden. Dabei können zusätzlich Kondensatoren,
Induktivitäten und Widerstände oder Kombinationen aus
derselben in an sich bekannter Weise als Spannungsteiler
verschaltet und vorgesehen sein, um die hohen Spannungen,
die an der Spule der ICP-Quelle 13 auftreten, auf ein als
Eingangsgröße für das frequenzselektive Bauteil 1 bzw. den
Verstärkereingang des Leistungsverstärkers 3 geeignetes Maß
abzuschwächen. Solche Spannungsteiler sind Stand der Technik
und sind in der Fig. 2 lediglich durch einen
Auskoppelkondensator 24 zwischen der Spule der ICP-Quelle 13
d. h. einem Signalabgriff 25 und dem frequenzselektivem
Bauteil 1 angedeutet. Man kann übrigens den Signalabgriff 25
alternativ auch in die Nähe des eingezeichneten geerdeten
Mittelpunkts oder Mittelabgriffes 26 der Spule der ICP-
Quelle 13 verlegen, wo entsprechend geringere Spannungspegel
herrschen. Je nach Abstand des Signalabgriffs 25, der
beispielsweise als verstellbarer Klemmkontakt ausgeführt
sein kann, vom geerdeten Mittelabgriff 26 der Spule der ICP-
Quelle 13 kann eine größere oder kleinere abgegriffene
Spannung eingestellt und somit günstige Pegelverhältnisse
erreicht werden.
Das frequenzselektive Bauteil 1 ist exemplarisch als
abstimmbare Anordnung von Spulen und Kondensatoren,
sogenannten LC-Resonanzkreisen dargestellt, welche zusammen
ein Bandfilter bilden. Dieses Bandfilter hat als
Durchlaßbereich eine gewisse vorgegebene Bandbreite von
beispielsweise 0,1 MHz bis 4 MHz und eine Filterkennlinie
1', wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.
Insbesondere weist das Bandfilter eine Resonanz- oder
Stationärfrequenz 1" mit maximaler Signaltransmission auf.
Diese Stationärfrequenz 1" beträgt im erläuterten Beispiel
13,56 MHz und kann insbesondere durch einen Schwingquarz 6
oder ein Piezokeramikfilterelement als zusätzlicher
Komponente des Bandfilters exakt festgelegt werden. Es ist
im übrigen auch möglich, anstelle von LC-Resonanzkreisen
sogenannte piezokeramische Filterelemente oder andere, an
sich bekannte frequenzselektive Bauelemente zu einem
Bandfilter mit einer gewünschten Filterkennlinie, Bandbreite
und Stationärfrequenz 1" zu kombinieren.
Die vorstehend beschriebene Anordnung aus geregeltem
Leistungsverstärker 3, Anpaßnetzwerk 2, ICP-Quelle 13 und
Bandfilter stellt insgesamt eine Rückkopplungsschaltung nach
Art eines Meißner'schen Oszillators dar. Dieser schwingt bei
Betrieb zunächst in der Nähe der Stationärfrequenz 1" an,
um sich auf eine vorgegebene Ausgangsleistung des Lei
stungsverstärkers 3 aufzuschaukeln. Die für das Anschwingen
erforderliche Phasenbeziehung zwischen Generatorausgang und
Signalabgriff 25 wird dazu vorher einmalig, beispielsweise
über eine Verzögerungsleitung 7 definierter Länge und damit
über eine durch die Signallaufzeit definierte
Phasenverschiebung oder einen an sich bekannten
Phasenschieber anstelle der Verzögerungsleitung 7,
eingestellt. Damit ist stets gewährleistet, daß die Spule
der ICP-Quelle 13 mit einer korrekten Phase optimal
entdämpft wird.
Über die Verzögerungsleitung 7 wird weiter sichergestellt,
daß am Ort der ICP-Quelle 13 die antreibende elektrische
Spannung und der Strom in der Spule der ICP-Quelle 13 eine
Resonanzphase von ungefähr 90° zueinander aufweisen.
In der Praxis ist im übrigen die Resonanzbedingung der
Rückkopplungsschaltung über das frequenzselektive Bauteil 1
nicht scharf, so daß vielfach eine geringe Fre
quenzverschiebung in der Umgebung der Resonanz- oder
Stationärfrequenz 1" ausreicht, um die Resonanzbedingung
hinsichtlich der Phase quasi selbsttätig richtigzustellen.
Daher ist es ausreichend, die Resonanzbedingung durch die
äußere Beschaltung nur ungefähr richtigzustellen, damit der
Resonanzkreis irgendwo in der unmittelbaren Umgebung seiner
Stationärfrequenz 1" aufschwingt.
Sollten sich jedoch alle Phasenverschiebungen vom
Signalabgriff 25 der Spule der ICP-Quelle 13 über das
Bandfilter in den Eingang des Leistungsverstärkers 3 und
durch den Leistungsverstärker zum zweiten
Impedanztransformator 18 zurück in die Spule der ICP-Quelle
13 so ungünstig aufsummieren, daß gerade eine Bedämpfung
statt einer Entdämpfung des Resonanzkreises stattfindet, so
kann das System nicht anschwingen. Die Rückkopplung wird
dann zu einer unerwünschten Gegenkopplung anstelle der
gewünschten Mitkopplung. Die Einstellung dieser zumindest
näherungsweise korrekten Phase leistet die Ver
zögerungsleitung 7, deren Länge daher einmalig für die
Plasmaätzanlage 5 so einzustellen ist, daß die Rückkopplung
konstruktiv, also entdämpfend wirkt.
Insgesamt kann im Fall einer Fehlanpassung an die
Plasmaimpedanz, beispielsweise während schneller
Leistungsänderungen, der erläuterte Rückkopplungskreis
innerhalb des Durchlaßbereiches des Bandfilters in seiner
Frequenz ausweichen und somit stets eine weitgehend optimale
Impedanzanpassung auch bei schnellen Impedanzänderungen des
induktiv gekoppelten Plasmas 14 aufrechterhalten. Während
solcher schneller Leistungsänderungen ist der erläuterte
Rückkoppelungskreis stets aktiviert und der interne
Oszillator 4 des Generators 17 deaktiviert.
Sobald sich das induktiv gekoppelte Plasma 14 dann
hinsichtlich der Plasmaimpedanz bzw. der eingekoppelten
Plasmaleistung stabilisiert, wird die Frequenz des ICP-
Spulengenerators 17 in die Nähe oder auf den Wert der
maximalen Durchlaßfrequenz zurückkehren, die durch die
Stationärfrequenz 1" gegeben ist. Diese Anpassung der
Impedanz durch Frequenzvariation geschieht selbsttätig und
sehr schnell innerhalb weniger Schwingungsperioden der
hochfrequenten, vom ICP-Spulengenerator erzeugten
Wechselspannung d. h. im Mikrosekundenbereich.
Die Verbindung zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers
3 und dem Eingang des zweiten Impedanztransformators 18
leistet im übrigen die Leitung 8, die als Koaxialkabel
ausgebildet und in der Lage ist, eine Leistung von einigen
kWatt zu tragen.
Um nun eine gepulste Plasmaleistung in das induktiv
gekoppelte Plasma einzukoppeln wird die Ausgangsleistung des
ICP-Spulengenerators 17 beispielsweise periodisch mit einer
Wiederholfrequenz von typischerweise 10 Hz bis 1 MHz,
bevorzugt 10 kHz bis 100 kHz ein- und ausgeschaltet d. h.
gepulst.
Alternativ kann auch die Hüllkurve der Ausgangsspannung des
ICP-Spulengenerators 17 mit einer geeigneten
Modulationsspannung in ihrer Amplitude moduliert werden.
Derartige Vorrichtungen zur Amplitudenmodulation sind aus
der Hochfrequenztechnik hinlänglich bekannt. Dazu wird
beispielsweise der Generatorsteuereingang 9 zur
Sollwertvorgabe der Hochfrequenzleistung des ICP-
Spulengenerators 17 verwendet, um damit das die
Hochfrequenzleistung des ICP-Spulengenerators 17 modulie
rende Signal einzuspeisen.
Selbstverständlich müssen der ICP-Spulengenerator 17 und die
übrigen betroffenen Komponenten der Plasmaätzanlage 5 beim
Pulsen der Plasmaleistung so ausgelegt werden, daß sie auch
die auftretenden Spitzenbelastungen (Strom- und
Spannungsspitzen) ohne Schaden verarbeiten können. Aufgrund
der hohen Spannungsspitzen an der induktiven Spule wirkt
sich hierbei die balancierte Speisung der ICP-Quelle 13
besonders vorteilhaft auf den Erhalt günstiger
Plasmaeigenschaften aus.
Typische Puls-zu-Pause-Verhältnisse, d. h. das Verhältnis der
Zeitdauer der Pulse zu der Zeitdauer der Pulspausen, bei dem
erläuterten Plasmaätzprozeß mit gepulster Plasmaleistung
liegen im übrigen zwischen 1 : 1 und 1 : 100. Die Amplitude der
einzelnen Hochfrequenzleistungspulse zur Erzeugung der
Plasmaleistungspulse liegt zweckmäßig zwischen 500 Watt und
20.000 Watt, bevorzugt bei ca. 10.000 Watt, wobei die
Einstellung der mittleren Plasmaleistung beispielsweise
durch eine Einstellung des Puls-zu-Pause-Verhältnisses
vorgenommen wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht in Weiterführung des
vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiels vor, daß das
über die Magnetfeldspule 21 erzeugte Magnetfeld nunmehr
ebenfalls gepulst wird. Dabei sei jedoch betont, daß der
Einsatz eines konstanten oder gepulsten Magnetfeldes zwar
vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren zur
Plasmaätzung mit Plasmaleistungspulsen, jedoch nicht
zwingend ist. Je nach Einzelfall kann auf ein zusätzliches
Magnetfeld auch verzichtet werden.
Besonders bevorzugt erfolgt die Pulsung des Magnetfeldes,
die in einfacher Weise über entsprechende von der
Stromversorgungseinheit 23 erzeugte Strompulse hervorgerufen
wird, derart, daß das Magnetfeld nur dann erzeugt wird, wenn
gleichzeitig auch ein Hochfrequenzleistungspuls zur
Erzeugung bzw. Einkopplung von Plasmaleistung in das
induktiv gekoppelte Plasma 14 an der ICP-Quelle 13 ansteht.
Solange keine Plasmaleistung eingekoppelt oder kein Plasma
angeregt wird, ist in der Regel auch keine
Magnetfeldunterstützung erforderlich.
Eine derartige zeitliche Synchronisation von
Hochfrequenzleistungspulsen zur Einkopplung von
Plasmaleistung in das Plasma 14 und Strompulsen durch die
Magnetfeldspule 21 wird mit Hilfe der Fig. 4 erläutert.
Dabei wird der Spulenstrom durch die Magnetfeldspule 21
jeweils kurz vor einem Hochfrequenzleistungspuls
eingeschaltet und kurz nach dem Ende dieses Pulses wieder
ausgeschaltet. Die zeitliche Synchronisation der Strom- bzw.
Plasmaleistungspulse kann dabei in einfacher Weise durch
einen beispielsweise in die Stromversorgungseinheit 23
integrierten, an sich bekannten Pulsgeber gewährleistet
werden, der mit zusätzlichen Zeitgliedern versehen ist, um
den Plasmaleistungspuls mit einer gewissen Verzögerung von
beispielsweise 10% der eingestellten
Hochfrequenzimpulsdauer nach dem Einschalten des Stroms der
Magnetfeldspule 21 aufzuschalten bzw. diesen Strom mit einer
gewissen Verzögerung von beispielsweise 10% der
eingestellten Hochfrequenzimpulsdauer nach dem Ende des
Plasmaleistungspulses wieder auszuschalten. Dazu ist weiter
auch eine Verbindung von Stromversorgungseinheit 23 und ICP-
Spulengenerator 17 vorgesehen. Solche Synchro
nisationsschaltungen und entsprechende Zeitglieder zur
Herstellung der benötigten Zeitverzögerungen sind Stand der
Technik und allgemein bekannt. Dazu ist die
Stromversorgungseinheit 23 weiter mit dem ICP-
Spulengenerator 17 in Verbindung. Im übrigen sei betont, daß
die Dauer eines Strompulses durch die Magnetfeldspule 21
vorteilhaft stets etwas länger als die Dauer eines
Plasmaleistungspulses ist.
Typische Wiederholraten oder Pulsraten orientieren sich an
der Induktivität der Magnetfeldspule 21, die die
Änderungsgeschwindigkeit des Spulenstroms begrenzt. Eine
Wiederholrate von einigen 10 Hz bis 10 kHz ist, abhängig von
deren Geometrie, für die meisten Magnetfeldspulen 21
realistisch. Typische Puls-zu-Pause-Verhältnisse für die
Plasmaleistungspulse liegen zwischen 1 : 1 und 1 : 100.
In diesem Zusammenhang ist weiter vorgesehen, die aus
DE 197 34 278.7 bekannte und bereits vorstehend erläuterte Apertur
unterhalb der Magnetfeldspule 21 einige cm über dem Substrat
10 oder der Substratelektrode 11, die das Substrat 10 trägt,
einzusetzen. Durch diese Apertur verbessert sich einerseits
die Uniformität der Ätzung über die Substratoberfläche
insbesondere mit einer symmetrisch gespeisten ICP-Quelle 13
deutlich. Gleichzeitig reduziert sie auch das zeitvariable
Magnetfeld - die Transienten - am Ort des Substrates 10.
Dabei führen Wirbelströme in dem Aperturring der Apertur zu
einer Bedämpfung der zeitvariablen Magnetfeldanteile
unmittelbar vor dem Substrat 10, so daß Induktionsvorgänge
auf dem Substrat 10 selbst abgeschwächt werden.
Derartige sich ändernde Magnetfelder, sogenannte
Transienten, könnten an Antennenstrukturen auf dem Substrat
10 Spannungen induzieren, die ihrerseits wieder zu
Schädigungen des Substrates 10 führen können, wenn dieses
beispielsweise integrierte Schaltkreise oder insbesondere
Feldeffekttransistoren aufweist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht in Weiterführung der
vorstehenden Ausführungsbeispiele vor, daß neben der Pulsung
der Plasmaleistung über den ICP-Spulengenerator,
gegebenenfalls wie vorstehend erläutert unter gleichzeitigem
Einsatz eines zeitlich konstanten oder gepulsten
Magnetfeldes, nun auch die über die Substratelektrode 11 an
dem Substrat 10 anliegende, von dem
Substratspannungsgenerator 12 erzeugte Hochfrequenzleistung
gepulst wird, und daß diese Pulsungen von Plasmaleistung und
Substratspannung oder von Plasmaleistung, Substratspannung
und Magnetfeld insbesondere miteinander synchronisiert
werden.
Im einzelnen erfolgt die Pulsung der in die
Substratelektrode 11 eingekoppelten gepulsten
Hochfrequenzleistung bevorzugt derart, daß über den
Substratspannungsgenerator 12 nur während der Dauer der über
den ICP-Spulengenerator 17 erzeugten Plasmaleistungspulse
eine Hochfrequenzleistung in das Substrat 10 eingekoppelt
wird. Dazu werden beispielsweise ein oder mehrere
Hochfrequenzleistungspulse mit dem
Substratspannungsgenerator 12 während eines
Plasmaleistungspulses, also bei maximaler Plasmadichte an
positiv geladenen Ionen und Elektronen, eingesetzt.
Alternativ kann die Pulsung der in die Substratelektrode 11
eingekoppelten Hochfrequenzleistung jedoch auch derart
erfolgen, daß ein oder mehrere
Substratspannungsgeneratorpulse nur während der Impulspausen
der Plasmaleistungsspulse angelegt werden. In diesem Fall
wird die über den Substratspannungsgenerator eingekoppelte
Hochfrequenzleistung gerade dann eingekoppelt, wenn die
Plasmaerzeugung nicht aktiv ist, also bei minimaler Dichte
an positiv geladenen Ionen und Elektronen, aber maximaler
Dichte an negativ geladenen Ionen, sogenannten Anionen,
welche aus der Rekombination von Elektronen und
Neutralteilchen in den Anregungspausen im zusammenbrechenden
Plasma entstehen. Diese Zeitphasen eines gerade
abgeschalteten Plasmas, das sogenannte "afterglow regime",
d. h. die "Nachleuchtphase" des gerade abgeschalteten
Plasmas, werden durch Rekombinationsprozesse von Elektronen
und positiv geladenen Ionen oder Neutralteilchen dominiert.
Wenn in dieser Nachleuchtphase die
Substratelektrodenleistung in Form von einem oder mehreren
Pulsen aktiviert wird, führt dies auf dem zu bearbeitenden
Substrat 10 bei gewissen Anwendungen, wie beispielsweise im
Fall eines Ätzstoppes auf einem vergrabenen Dielektrikum wie
SiO2 bei gleichzeitig hohen Aspektverhältnisses der
erzeugten Trenchgräben, zu wünschenswerten Wafereffekten,
die insbesondere, durch das vermehrte Einwirken von negativ
geladenen Ionen hervorgerufen werden, die ansonsten bei
Plasmaätzprozessen praktisch keine Rolle spielen. Eine in
diesem Zusammenhang besonders vorteilhafte, spezielle
Ausführung dieser zeitlichen Korrelation von
Plasmaleistungspulsen und in die Substratelektrode 11
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulsen ist dadurch
gegeben, daß die Plasmaerzeugung im wesentlichen im
Dauerstrich stattfindet und jeweils nur kurzzeitig
abgeschaltet wird, um innerhalb dieser kurzen Abschaltpausen
des ICP-Spulengenerators 17 einen Hochfrequenzleistungspuls
über den Substratspannungsgenerator 12 in das Substrat 10
einzukoppeln. Insgesamt unterbricht man damit periodisch
kurzzeitig mit der Wiederholfrequenz des Erscheinens der
Substratspannungsgeneratorpulse den ICP-Spulengenerator 17
für eine Zeitdauer, die länger, insbesondere geringfügig
länger als die Pulsdauer des
Substratspannungsgeneratorpulses ist. Das Puls-zu-Pause-
Verhältnis des ICP-Spulengenerators 17 beträgt in diesem
Fall typischerweise 1 : 1 bis 20 : 1.
Je nach konkretem Ätzprozeß bestehen eine Vielzahl von
weiteren Möglichkeiten der zeitlichen Synchronisation oder
Korrelation von über den Substratspannungsgenerator 12 in
das Substrat 10 eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulsen
und in das induktiv gekoppelte Plasma 14 eingekoppelten
Plasmaleistungspulsen. So können die
Substratspannungsgeneratorpulse sowohl während der
Plasmaleistungsspulse als auch während der
Plasmaleistungspausen eingekoppelt werden d. h. es wird
beispielsweise während eines Plasmaleistungspulses jeweils
ein Substratspannungsgeneratorpuls und während einer
Plasmaleistungspause jeweils ein weiterer
Substratspannungsgeneratorpuls gesetzt. Die Verhältnisse der
Pulsanzahlen des Substratspannungsgenerators 12 in den
Phasen "Plasma an" und "Plasma aus" können dabei im
Einzelfall weitgehend frei gewählt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die
Substratspannungsgeneratorpulse nur während abfallender
und/oder ansteigender Impulsflanken der Plasmaleistungspulse
einzusetzen d. h. bei beginnender "Afterglow-Phase" oder beim
Hochlaufen der Plasmaerzeugung. Die jeweils optimale
zeitliche Korrelation von Plasmaleistungspulsen und
Substratspannungsgeneratorpulsen muß dabei vom Fachmann im
Einzelfall für den jeweiligen Ätzprozeß oder das jeweils
geätzte Substrat anhand von einfachen Testätzungen ermittelt
werden.
Ganz besonders bevorzugt erfolgt die zeitliche
Synchronisation oder Korrelation der über den
Substratspannungsgenerator 17 in das Substrat 10
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulse mit den
Plasmaleistungspulsen derart, daß die Pulsdauer der
Hochfrequenzleistungspulse so kurz eingestellt wird, daß ein
Einzelpuls jeweils nur wenige Schwingungsperioden,
insbesondere weniger als 10 Schwingungsperioden, der hoch
frequenten Grundschwingung der im Substratspannungsgenerator
erzeugten hochfrequenten Wechselspannung andauert.
Im einzelnen wird dazu beispielsweise eine Frequenz von
13,56 MHz für die Grundschwingung der in das Substrat
einzukoppelnden Hochfrequenzleistungspulse benutzt, so daß
die Dauer einer Schwingungsperiode der hochfrequenten
Grundschwingung ca. 74 ns beträgt. Im Fall von 10
Schwingungsperioden ergibt sich somit eine Pulsdauer der
Substratspannungsgeneratorpulse von lediglich 740 ns. Somit
wird bei einer Wiederholfrequenz der Einzelimpulse der
Subtratspannungsgeneratorpulse von beispielsweise 200 kHz,
entsprechend einem Pulsabstand von 5000 ns, und einer
Pulslänge von beispielsweise 500 ns, d. h. ungefähr 7
Schwingungsperioden der hochfrequenten Grundschwingung von
13,56 MHz, ein Puls-zu-Pause-Verhältnis von 1 : 9 eingestellt.
Zur Erreichung einer im zeitlichen Mittel ca. 20 Watt
großen, in das Substrat 10 eingekoppelten
Hochfrequenzleistung ist demnach eine Maximalleistung der
Substratspannungsgeneratorpulse von 200 Watt erforderlich,
die über entsprechend große Hochfrequenzamplituden erhalten
wird.
Die Maximalleistung der einzelnen
Substratspannungsgeneratorpulse kann jedoch auch weitaus
geringer oder weitaus höher sein und beispielsweise bis zu
1200 Watt erreichen. Die im zeitlichen Mittel in das
Substrat 10 eingekoppelte Hochfrequenzleistung beträgt im
erläuterten Beispiel dann jeweils ein Zehntel des jeweiligen
Maximalwertes der Einzelpulse.
Als Parameter zur Einstellung der im zeitlichen Mittel in
das Substrat 10 eingekoppelten Hochfrequenzleistung steht
somit neben der Wahl des Puls-zu-Pause-Verhältnisses auch
der Maximalwert der Leistung eines einzelnen
Substratspannungsgeneratorpulses zur Verfügung. Daher kann
entweder die Maximalleistung während der
Substratspannungsgeneratorpulse auf einen festen Wert von
beispielsweise 1 kWatt festgelegt und das Puls-zu-Pause-
Verhältnis so geregelt werden, daß ein voreingestellter
zeitlicher Mittelwert der Hochfrequenzleistung in das
Substrat 10 eingekoppelt wird, oder umgekehrt das Puls-zu-
Pause-Verhältnis fest eingestellt werden und die
Maximalleistung während der Substratspannungsgeneratorpulse
entsprechend so geregelt werden, daß dieser zeitliche
Leistungsmittelwert erreicht wird.
Zur Realisierung dieser Regelung wird beispielsweise eine
Sollwertvorgabe der in das Substrat 10 einzukoppelnden
Hochfrequenzleistung der Maschinensteuerung der
Plasmaätzanlage 5 als analoge Spannungsgröße in eine
Wiederholfrequenz von Einzelimpulsen umgesetzt, so daß die
vom Substratspannungsgenerator 12 abgegebene, und an die
Maschinensteuerung rückgemeldete Durchschnittsleistung als
zeitlicher Mittelwert genau der Sollwertvorgabe entspricht.
Zur Übersetzung einer analogen Spannungsvorgabe in eine
Frequenz werden dazu an sich bekannte, sogenannte U/f-
Wandlerbausteine (Spannungs/Frequenzwandler) bzw. VCO's
("Voltage Controlled Oscillator") eingesetzt.
Die Erzeugung von Hochfrequenzpulsen im angegebenen
Kurzzeitbereich mit dem Substratspannungsgenerator 12 ist an
sich technisch relativ unproblematisch, da
Hochfrequenzgeneratoren kommerziell erhältlich sind, die
eine Anstiegs- und Abfallzeit von 30 ns aufweisen und
Pulsdauer von 100 ns bei Spitzenleistungen bis hin zu
mehreren Kilowatt bewältigen können.
Die erläuterten, in das Substrat 10 eingekoppelten und mit
dem Substratspannungsgenerator 12 erzeugten
Hochfrequenzleistungspulse im Bereich einiger hundert
Nanosekunden werden im übrigen zur Verbesserung der
Reproduzierbarkeit bevorzugt derart erzeugt, daß das
hochfrequente Signal innerhalb eines Einzelimpulses immer
gleich aussieht. Dazu werden für einen Einzelimpuls
beispielsweise immer drei volle hochfrequente
Schwingungsperioden der 13,56 MHz Grundschwingung so
herausgeschnitten, daß der hochfrequente Signalverlauf zu
Beginn jedes Einzelimpulses jeweils mit einem Nulldurchgang
und einem ansteigenden Sinus beginnt und zum Ende des
Einzelimpulses jeweils mit einem Nulldurchgang und ebenfalls
einem ansteigenden Sinus endet.
Diese Synchronisation von Einzelimpulsverlauf und Verlauf
der hochfrequenten Grundschwingung kann alternativ auch
derart erfolgen, daß zu Beginn eines Einzelimpulses gerade
eine positive Sinushalbwelle der hochfrequenten
Grundschwingung beginnt und zum Ende eines Einzelimpulses
gerade eine positive Halbwelle endet, d. h. der Einzelimpuls
umfaßt eine um 1 größere Zahl von positiven Sinushalbwellen
als negative Sinushalbwellen. Umgekehrt kann durch
entsprechende Synchronisation unter sonst gleichen
Verhältnissen auch eine um 1 größere Zahl von negativen
Sinushalbwellen als positiven Sinushalbwellen in einen
Einzelimpuls gelegt werden, indem der Einzelimpuls mit einer
negativen Sinushalbwelle des hochfrequenten Signals beginnt
und endet.
Ohne die erläuterte Synchronisation könnte die Zahl
positiver und negativer Sinushalbwellen in den erzeugten
Hochfrequenzpulsen unterschiedlich ausfallen, wobei in
Grenzfällen Unterschiede von bis zu zwei Sinushalbwellen
möglich wären. Dies führte besonders bei einer nur geringen
Anzahl von Schwingungsperioden innerhalb eines über den
Substratspannungsgenerator 17 erzeugten Hochfrequenzpulses
zu stochastischen Abweichungen der Signalverläufe der
Einzelpulse und insbesondere zu langsam fluktuierenden
Verhältnissen hinsichtlich der Anzahl der positiven und
negativen Sinushalbwellen, was die Reproduzierbarkeit des
gesamten Ätzprozesses negativ beeinflußt.
Um zu gewährleisten, daß immer der gleiche hochfrequente
Spannungsverlauf innerhalb eines Einzelimpulses des
Substratspannungsgenerators 12 vorliegt, wird daher zur
Synchronisation der Einzelimpulse mit der hochfrequenten
Grundschwingung bevorzugt die mit Hilfe der Fig. 5
erläuterte elektronische Schaltung in diesem
Ausführungsbeispiel zusätzlich mit dem
Substratspannungsgenerator 12 integriert ausgeführt.
Im einzelnen sieht die Schaltung gemäß Fig. 5 zunächst eine
Steuervorrichtung 32 mit einem integrierten
Frequenzgenerator vor, der ein Rechtecksignal mit der
Frequenz vorgibt, mit der die Einzelimpulse in das Substrat
10 eingekoppelt werden sollen, beispielsweise 200 kHz. Diese
Wiederholfrequenz kann jedoch alternativ auch - bei fest
vorgewählter Impulsspitzenleistung des
Substratspannungsgenerators 12 - aus der Sollwertvorgabe
einer Durchschnittsleistung der Anlagensteuerung der
Plasmaätzanlage 5 so abgeleitet werden, daß die vom
Substratspannungsgenerator 12 in Form von Einzelimpulsen
abgegebene und an die Maschinensteuerung rückgemeldete
Durchschnittsleistung der als Sollwert vorgegebenen
Durchschnittsleistung entspricht, was beispielsweise durch
eine einfache Spannungs-Frequenzwandlung mit entsprechender
Kalibrierung erreicht wird.
Die Rechteckausgangsspannung des Frequenzgenerators der
Steuervorrichtung 32 wird im weiteren dann zunächst in einer
an sich bekannten U/f-Wandlervorrichtung 34 in eine
zugeordnete Frequenz gewandelt und gleichzeitig an den D-
Eingang und den Clear-Eingang (CLR-Eingang) eines D-
Flipflops 35 angelegt. Damit bleibt das D-Flipflop 35
solange gelöscht (0-Pegel an Clear) und kann auch nicht
gesetzt werden (0-Pegel an D-Eingang), solange die
Rechteckspannung einen 0-Pegel aufweist.
Am Takteingang des D-Flipflops 35 liegt weiter über einen
einstellbaren Phasenschieber 30 eine unter Umständen
geeignet aufbereitete Oszillatorspannung eines
Hochfrequenzgenerators 31 an, der eine hochfrequente
Wechselspannung von beispielsweise 13,56 MHz erzeugt. Dieser
Ausgang wird bei kommerziell verfügbaren HF-Generatoren als
CEX-Ausgang bezeichnet ("Common Exciter").
Sobald nun das Rechtecksignal des Frequenzgenerators von 0
auf 1 gewechselt hat, wird das D-Flipflop 35 jedesmal von
der nächsten, darauffolgenden positiven Sinushalbwelle der
hochfrequenten Wechselspannung des HF-Generators 31 gesetzt
und bleibt solange gesetzt, bis das Rechtecksignal des
Frequenzgenerators wieder von 1 auf 0 zurückschaltet und
über den Clear-Eingang das D-Flipflop 35 mittels 0-Pegel
zurücksetzt.
Der Ausgang des D-Flipflops 35 ist weiter so mit dem
Takteingang eines Monoflops 33 verbunden, daß das Monoflop
33 gleichzeitig mit dem Setzen des D-Flipflops 35 einen
Einzelimpuls abgibt, dessen Impulsdauer über eine in das
Monoflop 33 integrierte Widerstands-Kondensator-Kombination
weitgehend frei, insbesondere sehr kurz d. h. kleiner als
100 ns gewählt werden kann. Dieser Einzelimpuls des
Monoflops 33 wird dem Pulseingang des Hochfrequenzgenerators
31 zugeführt und veranlaßt diesen, während der Dauer des
angelegten Einzelimpulses am Generatorausgang 36 einen
hochfrequenten Ausgangsimpuls, d. h. ein aus wenigen
hochfrequenten Schwingungsperioden bestehendes
Spannungspaket abzugeben. Damit ist das Ausgangssignal am
Generatorausgang 36 stets synchron zu der hochfrequenten
Grundschwingung des internen Hochfrequenzgenerators 31, so
daß das Ausgangssignal des Substratspannungsgenerators 12 am
Ausgang 36, d. h. die erzeugten und über das Substrat 10
eingekoppelten Substratspannungsgeneratorpulse stets gleich
aussehen.
Die beschriebene Kombination aus D-Flipflop 35 und Monoflop
33 garantiert, daß pro Rechteckperiode des
Frequenzgenerators nur ein einziger Einzelimpuls von
vorgewählter Dauer erzeugt wird, der zur hochfrequenten
Wechselspannung des Hochfrequenzgenerators 31 synchronisiert
ist. Damit erzeugt der Substratspannungsgenerator 12
Ausgangsimpulse einstellbarer Dauer und stets gleichen
Signalverlaufes, die zu der hochfrequenten Grundschwingung
des Hochfrequenzgenerators 31 synchronisiert sind.
Der Phasenschieber 30 zwischen CEX-Ausgang des
Hochfrequenzgenerators 31 und dem Takteingang des D-
Flipflops 34 erlaubt es, die Phasenlage der in jedem
Einzelimpuls bzw. Ausgangsimpuls des Hochfrequenzgenerators
31 enthaltenen hochfrequenten Schwingungsperioden innerhalb
der Pulsbreite zu variieren. Der Phasenschieber kann damit
insbesondere so abgeglichen werden, daß die hochfrequenten
Schwingungsperioden der Wechselspannung gerade mit dem
Einsetzen des Ausgangsimpulses des
Substratspannungsgenerators 12 beginnen und mit dem
Abklingen dieses Ausgangsimpulses enden, so daß jeder
Ausgangsimpuls gerade eine ganze Zahl von
Schwingungsperioden bzw. Sinushalbwellen umfaßt. Im
einfachsten Fall ist der Phasenschieber 30 ein Koaxialkabel
von definierter Länge als Verzögerungsleitung.
Die in Fig. 5 beschriebene Schaltung ist im übrigen
lediglich exemplarisch. An deren Stelle kommen weiter auch
andere Vorrichtungen, beispielsweise ein Synchronteiler,
welcher die Frequenz des generatorinternen Oszillators
dividiert und daraus Einzelimpulse und Pausen zwischen den
Einzelimpulsen ableitet, in Frage.
Die vorteilhafte Wirkung der in den vorstehenden
Ausführungsbeispielen eingesetzten, insbesondere sehr kurzen
Hochfrequenzleistungspulse mit hoher Amplitude, die über den
Substratspannungsgenerator 12 in das Substrat 10
eingekoppelt werden, beruht auf folgenden Mechanismen im
Plasma 14:
An einer einem Plasma 14 ausgesetzten Substratelektrode 11,
welche über den Substratspannungsgenerator 12 mit einer
hochfrequenten Spannung oder Hochfrequenzleistung
beaufschlagt wird, stellt sich bekanntermaßen eine negative
Gleichspannung gegenüber dem Plasma 14 und gegenüber
Erdpotential ein. Diese als "Biasspannung" oder "Self-bias"
bezeichnete Gleichspannung resultiert aus der
unterschiedlichen Beweglichkeit von Elektronen und positiven
Ionen im elektrischen Wechselfeld. Während die leichten
Elektronen dem hochfrequenten Wechselfeld instantan folgen
und während der positiven Halbwellen der Wechselspannung die
Substratelektrode 11 sehr leicht erreichen können, ist dies
für die wesentlich schwereren positiven Ionen während der
negativen Halbwellen der Wechselspannung mit zunehmender
Frequenz des elektrischen Wechselfelds immer weniger
möglich. Infolgedessen kommt es zu einer negativen Aufladung
der Substratelektrode 11 durch den Überschuß an ein
treffenden Elektronen gegenüber den eintreffenden positiven
Ionen, bis sich ein Sättigungswert der Aufladung einstellt
und im Zeitmittel gleich viele Elektronen wie positiv
geladene Ionen die Substratelektrode 11 erreichen. Diesem
Sättigungswert der negativen Aufladung entspricht die
Substratelektrodenspannung.
Die Fig. 6 zeigt zur Erläuterung dieses Effektes ein
einfaches elektrisches Ersatzschaltbild für ein einem Plasma
14 ausgesetztes, mit einer Hochfrequenzleistung aus dem
Substratspannungsgenerator 12 gespeistes
Substratelektrodenoberflächenelement 37. Die Ankopplung zur
Erde erfolgt dabei über das Plasma 14, das durch die
Parallelschaltung von Widerstand R und Diode D symbolisiert
wird. Die Diode D trägt dem Effekt der Selbstgleichrichtung
durch die unterschiedliche Beweglichkeit von Elektronen und
Ionen im Plasma 14 Rechnung, der Widerstand R der
Energiedissipation ins Plasma 14 (Wirkwiderstand). Die
Kapazität C (Blindwiderstand) ist im wesentlichen eine
apparative Konstante des Aufbaus der Substratelektrode 11.
Bei einem Pulsbetrieb unter Einsatz von hochfrequenten
Substratspannungsgeneratorpulsen baut sich demnach an der
Substratelektrode 11 zu Anfang eines jeden Pulses eine
Substratelektrodenspannung auf, die nach einer Anzahl
hochfrequenter Schwingungsperioden einen Sättigungswert
erreicht und dort bis zum Ende des Pulses verharrt. Nach dem
Ende des hochfrequenten Schwingungspakets klingt diese
Substratelektrodenspannung während der Impulspause durch
Entladeprozesse dann wieder ab. Eine typische Anzahl von
Schwingungsperioden, welche zum Erreichen einer stationären
Substratelektrodenspannung benötigt wird, liegt bei einer
Hochfrequenz von 13,56 MHz und einem hochdichten induktiv
gekoppelten Plasma 14, das in Kontakt mit der
Substratelektrode steht, bei etwa 20 bis 100
Schwingungsperioden.
Durch den Einsatz von sehr kurzen Einzelimpulsen, welche nur
wenige Schwingungsperioden, vorzugsweise weniger als 10
Schwingungsperioden umfassen, ist demnach der Sättigungswert
der Substratelektrodenspannung noch nicht erreicht und die
Substratelektrodenspannung noch im Ansteigen begriffen. Dies
wird in Fig. 7 erläutert, die zeigt, wie sich die
Substratelektrodenspannung UBias als Funktion der Zahl der
Schwingungsperioden n der Grundschwingung der in das
Substrat 10 eingekoppelten hochfrequenten
Wechselspannung (13,56 MHz) entwickelt.
Die letztlich erreichte Höhe der Lokalspannung im
Sättigungsfall nach vielen Schwingungsperioden hängt dabei
wesentlich ab vom Wirkwiderstand R (Energiedissipation ins
Plasma) und der Kapazität C des Kondensator
(Blindleistungsanteil) gemäß Fig. 6. Der Sättigungswert der
Substratelektrodenspannung, der sich nach vielen
Schwingungsperioden auf der Substratoberfläche einstellt,
hängt somit in hohem Maße vom Plasmawiderstand R ab (siehe
Fig. 6) d. h. von der Energiedissipation in das Plasma 14,
welche jedoch in der Regel lateral über das Substrat 10
inhomogen ist.
Somit treten lokale Unterschiede hinsichtlich der
Energiedissipation in das Plasma 14 beispielsweise zwischen
Mitte und Rand eines Substrats 10 auf, was zu
Spannungsgradienten zwischen verschiedenen
Oberflächenbereichen des Substrates 10 führt. Diese
Spannungsgradienten werden weiter dadurch wesentlich
verstärkt, daß die Oberfläche des Substrates 10 infolge
vielfach verwendeter dielektrischer Maskierschichten
(Photolack, SiO2-Maske usw.) beim Ätzen zumindest
bereichsweise elektrisch isolierend oder nur schwach leitend
ist.
Insofern stellt die Substratoberfläche 10 aufgrund der
erläuterten Effekte keine Äquipotentialfläche mehr dar,
sondern auftretende Spannungsgradienten von Substratmitte zu
Substratrand wirken gegenüber dem Plasma 14 als elektrische
Linse, was schließlich zu einer Ablenkung der zum Substrat
10 beschleunigten Ionen aus der Vertikalen und damit zu
Störung in den erzeugten Ätzprofilen führt.
Durch die eingesetzten, sehr kurzen
Substratelektrodenleistungspulse wird daher eine erhebliche
Homogenisierung der Substratelektrodenspannung über die
Substratoberfläche unabhängig von örtlich möglicherweise
verschiedenen Plasmawiderständen R erreicht. Dies wird in
Fig. 7 durch den linearen Kurvenverlauf im Fall einer nur
geringen Zahl von Schwingungsperioden n veranschaulicht.
Insgesamt erreicht man durch die erläuterten Maßnahmen somit
einen drastischen Abbau von Spannungsgradienten auf der
Substratoberfläche, einen Wegfall der unerwünschten
elektrischen Linsenwirkung und schließlich zu deutlich
verminderten Profilschrägen, beispielsweise in aus dem
Substrat herausstrukturierten Trenchgräben.
Weiter ist durch relativ lange Impulspausen nach jedem
relativ kurzen Einzelimpuls sichergestellt, daß eine zuvor
erreichte negative Substratelektrodenspannung zumindest
weitgehend wieder abgebaut wird. Jeder
Substratelektrodenleistungspuls startet somit von einem
gleichen, definierten, entladenen Ausgangszustand der
Substratoberfläche.
Durch das beschriebene Pulsen der Substratelektrodenleistung
wird im übrigen nur ein Bruchteil der
Substratelektrodenspannung erreicht, die sich sonst, d. h.
bei Erreichen des Sättigungswerts nach vielen
Schwingungsperioden einstellen würde. Sollen daher hohe oder
sehr hohe Substratelektrodenspannungen von im zeitlichen
Mittel beispielsweise 20 Volt bis 100 Volt realisiert
werden, muß mit entsprechend großen
Hochfrequenzspitzenleistungen während der Einzelimpulse
operiert werden.
1
frequenzselektives Bauteil
1
' Filterkennlinie
1
" Stationärfrequenz
2
Anpaßnetzwerk
3
Leistungsverstärker
4
Quarzoszillator
5
Plasmaätzanlage
6
Schwingquarz
7
Verzögerungsleitung
8
Leitung
9
Generatorsteuereingang
9
' Generatorstatusausgang
10
Substrat
11
Substratelektrode
12
Substratspannungsgenerator
13
ICP-Quelle
14
induktiv gekoppeltes Plasma
15
Reaktor
16
erster Impedanztransformator
17
ICP-Spulengenerator
18
zweiter Impedanztransformator
19
Gaszufuhr
20
Gasabfuhr
21
Magnetfeldspule
22
Distanzstück
23
Stromversorgungseinheit
24
Auskoppelkondensator
25
Signalabgriff
26
Mittelabgriff
30
Phasenschieber
31
Hochfrequenzgenerator
32
Steuervorrichtung
33
Monoflop
34
U/f-Wandlervorrichtung
35
D-Flipflop
36
Generatorausgang
37
Substratelektrodenoberfläche
Claims (30)
1. Vorrichtung zum Ätzen eines Substrates (10),
insbesondere eines Siliziumkörpers, mittels eines induktiv
gekoppelten Plasmas (14), mit einer ICP-Quelle (13) zum
Generieren eines hochfrequenten elektromagnetischen
Wechselfeldes und einem Reaktor (15) zum Erzeugen des
induktiv gekoppelten Plasmas (14) aus reaktiven Teilchen
durch Einwirken des hochfrequenten elektromagnetischen
Wechselfeldes auf ein Reaktivgas, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes Mittel vorgesehen ist, mit dem mit der ICP-
Quelle (13) in das induktiv gekoppelte Plasma (14)
einzukoppelnde Plasmaleistungspulse erzeugbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Mittel ein ICP-Spulengenerator (17) ist, der
eine hinsichtlich des Puls-zu-Pause-Verhältnisses der
Plasmaleistungspulse und/oder der Einzelpulsleistung
variabel einstellbare, gepulste Hochfrequenzleistung
erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Anpassung einer Ausgangsimpedanz des ICP-
Spulengenerators (17) an eine von der Einzelpulsleistung der
einzukoppelnden Plasmaleistungspulse abhängige
Plasmaimpedanz ein Impedanztransformator (18) in Form eines
insbesondere balancierten symmetrischen Anpaßnetzwerkes
vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Impedanztransformator (18) derart voreingestellt
ist, daß bei einer vorgegebenen maximalen Einzelpulsleistung
der in das induktiv gekoppelte Plasma (14) einzukoppelnden
Plasmaleistungspulse im stationären Leistungsfall eine
zumindest weitgehend optimale Impedanzanpassung
gewährleistet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in den ICP-Spulengenerator (17) Bauteile integriert
sind, die über eine Variation der Frequenz des erzeugten
elektromagnetischen Wechselfeldes eine Impedanzanpassung als
Funktion der einzukoppelnden Einzelpulsleistung vornehmen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der ICP-Spulengenerator (17) mit einem selbsttätig
wirkenden Rückkopplungsschaltkreis mit einem
frequenzselektiven Bauteil (1) versehen ist, wobei der
Rückkoppelschaltkreis mindestens einen geregelten
Leistungsverstärker, ein frequenzselektives Bandfilter mit
einer zu erreichenden Stationärfrequenz (1") und eine
Verzögerungsleitung (7) oder einem Phasenschieber aufweist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Mittel
vorgesehen ist, das zwischen dem Substrat (10) und der ICP-
Quelle (13) ein statisches oder zeitlich variierendes,
insbesondere gepulstes Magnetfeld erzeugt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Mittel eine Magnetfeldspule (21) mit
zugehöriger Stromversorgungseinheit (23) oder ein
Permanentmagnet ist, wobei das von der Magnetfeldspule (21)
erzeugte Magnetfeld mittels der Stromversorgungseinheit (23)
zeitlich variierbar, insbesondere pulsbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Substratspannungsgenerator (12) vorgesehen ist, mit
dem das Substrat (10), insbesondere das auf einer
Substratelektrode (11) angeordnete Substrat (10), mit einer
kontinuierlichen oder zeitlich variierenden, insbesondere
gepulsten Hochfrequenzleistung beaufschlagbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Impedanzanpassung zwischen dem
Substratspannungsgenerator (12) und dem Substrat (10) ein
erster Impedanztransformator (12) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ICP-
Spulengenerator (17) mit dem Substratspannungsgenerator (12)
und/oder der Stromversorgungseinheit (23) in Verbindung
steht.
12. Verfahren zum Ätzen eines Substrates (10),
insbesondere eines Siliziumkörpers, mit einer Vorrichtung
nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest zeitweise eine gepulste
Hochfrequenzleistung als gepulste Plasmaleistung in das
induktiv gekoppelte Plasma (14) eingekoppelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die gepulste Plasmaleistung über eine ICP-Quelle (13)
eingekoppelt wird, die mit einem hochfrequenten
elektromagnetischen Wechselfeld mit einer konstanten
Frequenz oder mit einer innerhalb eines Frequenzbereiches um
eine Stationärfrequenz (1") variierenden Frequenz
beaufschlagt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die gepulste Hochfrequenzleistung mit einem ICP-
Spulengenerator (17) erzeugt wird, der mit einer Frequenz
von 10 Hz bis 1 MHz und einem Puls-zu-Pause-Verhältnis von
1 : 1 bis 1 : 100 gepulst betrieben wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß im zeitlichen Mittel eine Plasmaleistung von 300 Watt
bis 5000 Watt in das induktiv gekoppelte Plasma (14)
eingekoppelt wird, und daß die erzeugten
Einzelpulsleistungen der Hochfrequenzleistungspulse zwischen
300 Watt und 20 kWatt, insbesondere 2 kWatt bis 10 kWatt,
betragen.
16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Pulsen der eingekoppelten
Hochfrequenzleistung von einer Veränderung der Frequenz der
eingekoppelten Hochfrequenzleistung begleitet wird, wobei
die Frequenzveränderung so gesteuert wird, daß die während
des Pulsens in das induktiv gekoppelte Plasma (14)
eingekoppelte Plasmaleistung maximiert wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis
16,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Ätzen ein statisches
oder zeitlich variierendes, insbesondere periodisch
variierendes oder gepulstes Magnetfeld erzeugt wird, dessen
Richtung zumindest näherungsweise oder überwiegend parallel
zu einer durch die Verbindungslinie von Substrat (10) und
induktiv gekoppeltem Plasma (14) definierten Richtung ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld derart erzeugt wird, daß es sich in den
Bereich des Substrates (10) und des induktiv gekoppelten
Plasmas (14) erstreckt und im Inneren des Reaktors (15) eine
Amplitude der Feldstärke zwischen 10 mTesla und 100 mTesla
aufweist.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch
gekennzeichnet, daß über die Stromversorgungseinheit (23)
ein mit einer Frequenz von 10 Hz bis 20 kHz gepulstes
Magnetfeld erzeugt wird, wobei das Puls-zu-Pause-Verhältnis
beim Pulsen des Magnetfeldes zwischen 1 : 1 und 1 : 100 liegt.
20. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10)
über einen Substratspannungsgenerator (12) mit einer
konstanten oder zeitlich variierbaren, insbesondere
gepulsten Hochfrequenzleistung beaufschlagt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pulsdauer der in das Substrat eingekoppelten
Hochfrequenzleistung zwischen dem 1-fachen und 100-fachen,
insbesondere dem 1-fachen und 10-fachen, der
Schwingungsdauer der hochfrequenten Grundschwingung der
Hochfrequenzleistung liegt.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzleistung das Substrat
(10) mit einer zeitlichen Durchschnittsleistung von 5 Watt
bis 100 Watt beaufschlagt, wobei die Maximalleistung eines
einzelnen Hochfrequenzleistungspulses das 1-fache bis 20-
fache, insbesondere das 2-fache bis 10-fache, der zeitlichen
Durchschnittsleistung beträgt.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz der eingekoppelten Hochfrequenzleistung
zwischen 100 kHz bis 100 MHz, insbesondere 13,56 MHz,
beträgt, und daß das Puls-zu-Pause-Verhältnis der
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulse zwischen 1 : 1 und
1 : 100, insbesondere 1 : 1 und 1 : 10, liegt.
24. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsen der
eingekoppelten Plasmaleistung und das Pulsen der über den
Substratspannungsgenerator (12) in das Substrat (10)
eingekoppelten Hochfrequenzleistung oder das Pulsen des
Magnetfeldes, das Pulsen der eingekoppelten Plasmaleistung
und das Pulsen der über den Substratspannungsgenerator (12)
in das Substrat (10) eingekoppelten Hochfrequenzleistung
zeitlich miteinander korreliert oder synchronisiert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrelation derart erfolgt, daß vor einem
Hochfrequenzleistungspuls des ICP-Spulengenerators (17)
zunächst das Magnetfeld angelegt, und daß das Magnetfeld
nach dem Abklingen dieses Hochfrequenzleistungspulses wieder
abgeschaltet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korrelation derart erfolgt, daß
während eines Hochfrequenzleistungspulses des ICP-
Spulengenerators (17) die über den
Substratspannungsgenerator (12) in das Substrat (10)
eingekoppelte Hochfrequenzleistung abgeschaltet wird
und/oder daß während eines über den
Substratspannungsgenerator (12) in das Substrat (10)
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulses die über den ICP-
Spulengenerator (17) eingekoppelte Hochfrequenzleistung
abgeschaltet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Synchronisation derart erfolgt, daß
das Substrat (10) jeweils während der Dauer eines über den
ICP-Spulengenerators (17) in das Plasma (14) eingekoppelten
Plasmaleistungspulses mit über den
Substratspannungsgenerator (12) in das Substrat (10)
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulsen beaufschlagt
wird.
28. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korrelation derart erfolgt, daß die
über den Substratspannungsgenerator (12) in das Substrat
(10) eingekoppelte Hochfrequenzleistung jeweils während
eines Leistungsanstieges und/oder eines Leistungsabfalles
eines über den ICP-Spulengenerator (17) in das Plasma (14)
eingekoppelten Hochfrequenzleistungspulses erzeugt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korrelation derart erfolgt, daß
während der Dauer der über den ICP-Spulengenerators (17) in
das Plasma (14) eingekoppelten Plasmaleistungspulse und
während der Dauer der Pulspausen der einzelnen über den ICP-
Spulengenerators (17) in das Plasma (14) eingekoppelten
Plasmaleistungspulse das Substrat (10) jeweils mit
mindestens einem über den Substratspannungsgenerator (12) in
das Substrat (10) eingekoppelten Hochfrequenzleistungspuls
beaufschlagt wird.
30. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen in
alternierenden Ätz- und Passivierschritten bei einem
Prozeßdruck von 5 µbar bis 100 µbar erfolgt.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19933842A DE19933842A1 (de) | 1999-07-20 | 1999-07-20 | Vorrichtung und Verfahren zum Ätzen eines Substrates mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas |
PCT/DE2000/001835 WO2001006539A1 (de) | 1999-07-20 | 2000-06-06 | Vorrichtung und verfahren zum ätzen eines substrates mittels eines induktiv gekoppelten plasmas |
JP2001511711A JP4690618B2 (ja) | 1999-07-20 | 2000-06-06 | 誘導結合されたプラズマを用いて基板をエッチングするための装置および方法 |
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