DE2152943B2

DE2152943B2 - Verfahren zum Abtragen von Material

Info

Publication number: DE2152943B2
Application number: DE2152943A
Authority: DE
Inventors: Janos Havas; John S. Lechaton
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-12-31
Filing date: 1971-10-23
Publication date: 1979-02-15
Also published as: US3664942A; FR2120697A5; JPS537789B1; DE2152943C3; DE2152943A1; GB1312909A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen des Zeitpunktes, in dem beim Materialabtragen von Schichten oder Teilen von Schichten eine bestimmte Abtragungstiefe erreicht ist, insbesonders beim Abtragen von Materialien mittels Kathodenzerstäubung.

Bei der Herstellung beispielsweise von Halbleiteranordnungen wird häufig die Entfernung von Materialschichten oder Teilen dieser Schichten durchgeführt Ein Verfahren zum Abtragen von Materialien ist z. B. die Kathodenzerstäubung. Dabei ist es wesentlich, möglichst genau bestimmen zu können, wann die gewünschte Abtragung beendet worden ist, d. h. wann der Abtragungsvorgang abgebrochen werden muß. Bei der Bildung eines metallischen Leitungsmusters aus einem durchgehenden Metallüberzug auf einer Halbleiteranordnung muß das Metall zwischen den verbleibenden Leitungen vollständig entfernt werden, andererseits soll jedoch das darunter befindliche Isoliermaterial so wenig wie möglich angegriffen werden. Eine Möglichkeit, den Zeitpunkt für die Beendigung des Abtragens zu bestimmen, bestellt in der visuellen Beobachtung der

ίο

Bearbeitungsobjekte. Dieses Verfahren ist jedoch sehr ungenau und vom jeweiligen Beobachter abhängig; außerdem ist seine Durchführung sehr aufwendig.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Feststellen des Zeitpunktes, in dem eine bestimmte Abtragungstiefe erreicht ist, anzugeben, das ielativ genau arbeitet und das mit einfachen Mitteln realisierbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Es sei angemerkt, daß das obere Material (35) aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Materialabtragungsvorgang mittels einer objektiv meßbaren physikalischen Größe direkt verfolgt Der Meßwert läßt sich in eine analoge elektrische Spannung umwandeln, wodurch es möglich ist den Abtragungsvorgang über einen Regelkreis automatisch zu steuern. Die Messung ist frei von subjektiven Einflüssen, so daß der Methode nicht die Unsicherheiten der visuellen Beobachtung anhaften. Bei der Anwendung der Methode is,t die Genauigkeit der Materialabtragung — anders als z. B. bei den Verfahren, bei denen die Dauer der Abtragung als Maß für die erreichte Abtragungstiefe verwendet wird — unabhängig von Schwankungen der Ätzgeschwindigkeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch einfach und zeitsparend, da es nicht notwendig ist, zur Messung den Abtragungsvorgang zu unterbrechen und das Bearbeitungsobjekt aus der Abtragungsvorrichtung herauszunehmen.

Es ist vorteilhaft, wenn ein Prüfkörper, auf welchem zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeemissionsfähigkeiten in Schichtform aufgebracht sind, und Beobachtungsobjekte demselben Abtragungsprozeß unterworfen werden und wenn der Abtragungsprozeß beendet wird, wenn mittels des auf den Prüfkörper gerichteten Temperaturfühlers festgestellt wird, daß das obere Maverial entfernt ist.

Das abzutragende Material, das durch den gleichen Prozeß auf den Prüfkörper und auf d.is Bearbeitungsobjekte aufgebracht wurde, wird vorteilhaft selektiv von den Bearbeitungsobjekten entfernt. Die abzutragenden Materialien beim Prüfkörper und bei den Bearbeitungs-Objekten können auch verschieden gewählt und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgetragen werden.

Der Temperaturfühler wird vorzugsweise außerhalb der Abtragungsvorrichtung angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Kathodenzerstäubungsanlage, F i g. 2 ein Querschnitt durch einen Prüfkörper,

Fig.3 die Ausgangsspannung eines Temperaturfühlers in Abhängigkeit von der Abtragungszeit für den Prüfkörper nach F i g. 2.

In F i g. 1 ist eine Zerstäubungskammer 1 dargestellt, die für die bekannte Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung verwendet wird. Eine Anode 3 liegt auf Erdpotential, während eine Kathode 5 über einen Kondensator 9 an eine Hochfrequenzquelle 7 angeschlossen ist. Der Kondensator 9 dient dazu, eine Vorspannung an die Kathode anzulegen. Die Kathode 5 wird vorzugsweise mit Wasser gekühlt, wobei ein Einlaß 11 und ein Auslaß 13 für das Wasser vorgesehen sind, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Eine Kathodenplatte 15, die über der Kathode 5 angeordnet ist, trägt mehrere Bearbeitungsobjekte 17,

19 und 23. Diese besitzen eine scheibenförmige Gestalt und liegen räumlich voneinander getrennt auf der Kathodenplatte 15, die leitend mit der Kathode 5 verbunden ist Auf der Kathodenplatte 15 oefindet sich ebenfalls ein scheibenförmiger Prüfkörper 21, der zur Bestimmung des Zeitpunktes, an dem der Abtragungsvorgang beendet werden soll, dient Obwohl in F i g. 1 nur drei Bearbeitungsobjekte gezeigt sind, εο ist doch selbstverständlich, daß eine beliebige Anzahl von Bearbeitungsobjekten willkürlich verteilt auf der Ka- i< > thodenplatte 15 angeordnet sein kann. Die Kathodenplatte 15 kann beispielsweise Reihen und Spalten von Erhebungen aufweisen, auf denen die Bearbeitungsobjekte und der Prüfkörper ausgerichtet werden. Die Abtragung des Materials von den Bearbeitungsobjekten kann in beliebigen Mustern erfolgen, die durch entsprechende Masken über den Bearbeitungsobjekten vorgegeben werden.

Die Bearbeitungsobjekte 17, 19 und Zi in Fig. 1 stellen beispielsweise Halbleiteranordnungen dar, die mit einem Metallüberzug aus den übereinanderliegenden Schichten Chrom-Silber-Chrom versehen sind. Diese Anordnung entspricht auch dem in F i g. 2 gezeigten Prüfkörper, wie noch erläutert werden wird. Hierbei soll der Chrom-Silber-Chrom-Überzug der 2^r> Bearbeitungsobjekte selektiv mit Hilfe von Masken so weit abgetragen werden, bis das Halbleitersubstrat erreicht wird. Es ist selbstverständlich, daß auch andere Materialien, beispielsweise Isolierstoffe, abgetragen werden können. i»

Die Verwendung von Masken für ein selektives Abtragen bei der Kathodenzerstäubung ist bekannt. Diese Masken sind daher in der F i g. 1 nicht dargestellt. Die Lage des Prüfkörpers auf der Kathodenplatte ist von untergeordneter Bedeutung. Es ist lediglich zu r> beachten, daß die von ihm ausgehenden Infrarotstrahlen durch den Temperaturfühler erfaßt werden können.

Die Verwendung einer Metallschicht auf einem Halbleitersubstrat z. B. aus Silicium, oder einem Isoliermaterial, beispielsweise Quarz, ergibt gewöhnlich ■"> einen ausgeprägten Übergang in der Wärmestrahlung und damit im Ausgangssignal des Temperaturfühlers, wenn das Metall entfernt und das darunterliegende Halbleiter- bzw. Isoliermaterial freigelegt wurde. Die Anwendung des vorliegenden Verfahrens bezieht sich ■'"> jedoch allgemein auf den Übergang zwischen zwei verschiedenen Materialien, solange hier eine unterscheidbare Änderung der Wärmeemissionsfähigkeit feststellbar ist.

In der rechten Wand der Zerstäubungskammer 1 ist ">» ein Fenster 27 vorgesehen, welches einen Durchgang der Strahlungsenergie vom Prüfkörper 21 gestattet. Diese wird von einem auf infrarote Strahlung ansprechenden Temperaturfühler 29 aufgenommen. Der Temperaturfühler ist mit einer Anzeigevorrichtung « 31 und mit einem Schreibgerät 33 verbunden. Mit der Anzeigevorrichtung 31 wird die Ausgangsspannung des Temperaturfühlers 29 dargestellt, während das Schreibgerät 33 diese Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnet. m>

Die F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Prüfkörper 21 in Fig. 1. Dieser besteht aus einer oberen Schicht 35 sowie aus einer Substratschicht 37. Das wesentliche Merkmal des Prüfkörpers besteht darin, daß eine Änderung in der Wärmeemission und b^r> damit der Temperatur erfolgt, wenn nach dem Abtragen der Schicht 35 die Substratschicht 37 freigelegt wird. Da der Prüfkörper im vorliegenden Beispiel während des Abtragungsvorganges genau die Bedingungen an den einzelnen Bearbeitungsobjekten wiedergibt, bedeutet eine entsprechende Änderung der vom Temperaturfühler 2O aufgenommenen Strahlung, daß die Metallschicht an den ausgewählten Stellen der Bearbeitungsobjekte vollständig abgetragen ist und daß der Zerstäubungsvorgang beendet werden muß. Damit am Prüfkörper die gleichen Bedingungen wie an den Bearbeitungsobjekten auftreten, sollte er im wesentlichen im gleichen Fertigungsprozeß wie diese hergestellt werden.

Wenn das gleiche abzutragende Material sowohl bei den Bearbeitungsobjekten als auch beim Prüfkörper verwendet wird und dieses an den ausgewählten Stellen der Bearbeitungsobjekte vollständig entfernt werden soll, dann wird die Dicke der Schichten aus diesem Material auf dem Prüfkörper und auf den Bearbeitungsobjekten gleich gewählt Wenn jedoch das Material auf den Bearbeitungsobjekten nicht vollständig entfernt werden soll, dann muß die abzutragende Schicht auf dem Prüfkörper entsprechend dünner ausgeführt werden. Wenn beispielsweise gewünscht wird, von einer Metallschicht auf den Bearbeitungsobjekten mit einer Dicke von mehreren lOOOÄ lediglich lOOOÄ abzutragen, dann darf die Dicke der Schicht aus diesem Metall auf dem Prüfkörper nur 1000 A betragen. Es werden bei den Bearbeitungsobjekten und beim Prüfkörper vorzugsweise gleiche abzutragende Materialien verwendet, damit sichergestellt ist, daß gleiche Abtragungsgeschwindigkeiten vorliegen. Die Substratschicht 37 des Prüfkörpers 21 kann jedoch ohne weiteres aus einem anderen Material bestehen als die Substrate der Bearbeitungsobjekte. Für das Material der Substratschicht 37 besteht lediglich die Bedingung, daß es eine von der der Schicht 35 unterscheidbare Wärmeemissionsfähigkeit besitzt. Auch das abzutragende Material des Prüfkörpers kann von dem abzutragenden Material der Bearbeitungsobjekte verschieden sein. Beispielsweise kann die Schicht 35 in Fig. 2 aus einem Isoliermaterial und die Schicht 37 aus einem Halbleitermaterial bestehen. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Materialien der einzelnen Schichten des Prüfkörpers mit den Materialien der entsprechenden Schichten der Bearbeitungsobjekte übereinstimmen, so daß auch die Substratschicht 37 des Prüfkörpers 21 aus dem gleichen Material besteht wie die Substrate der Bearbeitungsobjekte 17,19 und 23.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel wird nun anhand der F i g. 2 und 3 beschrieben. Danach besteht die Schicht 35 aus drei übereinanderliegenden Metallschichten, einer Chrornschicht 39, einer Silberschicht 41 und einer weiteren Chrornschicht 43. Die Substratschicht 37 ist aus einer Siliciumschicht 45 und einer darüber angeordneten Schicht 47 aus Siliciumdioxyd aufgebaut. Die Schicht 47 wird beispielsweise durch thermische Oxydation des Siliciums gewonnen. Wenn die Metallschicht 35 abgetragen und die Schicht 47 aus Siliciumdioxyd freigelegt wird, wird vom Temperaturfühler 29 eine deutliche Änderung in der Wärmestrahlung festgestellt.

F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung der Temperaturfühlers 29 von der Abtragungszeit, wie sie in dem Schreibgerät 33 aufgezeichnet wird. Das abzutragende Material besteht entsprechend Fi g. 2 aus einer Chrom-Silber-Chrom-Schicht. Der Temperaturfühler 29 spricht vorzugsweise auf infrarote Strahlung mit einer sehr engen Bandbreite an. Das die vom Prüfkörper 21 ausgehende Strahlungsenergie durchlassende Fenster 27 besteht z. B. aus einer Ouarzsrheihp

von 0,6 cm Dicke, deren Durchlässigkeit für die infrarote Strahlung im Bereich der gewünschten Bandbreite bei etwa 90% liegt.

Aus der rechten Seite der F i g. 3 ist ersichtlich, daß zu Beginn des Zerstäubungsvorganges, d. h. beim Abtragen der oberen Chromschicht 39, die Temperatur am Prüfkörper und damit die Ausgangsspannung des Temperaturfühlers 29 stark ansteigt. Nachdem ein Teil dieser Schicht abgetragen ist, erreicht die Spannung ihren höchsten Wert und beginnt dann wieder abzufallen. In diesem Bereich ist die Chromschicht 39, die eine ursprüngliche Dicke von 500 A hatte, schon sehr dünn und uneben, so daß die Silberschicht 41, die eine Dicke von 700 Ä besitzt, die vom Prüfkörper 21 ausgehende Wärmestrahlung zu beeinflussen beginnt Durch die Silberschicht 41 wird die vom Wärmefühler 29 empfangene Wärmestrahlung herabgesetzt. Nach einer Zeit von etwa sechs Minuten ist nur noch der Einfluß dieser Silberschicht vorhanden. Zu diesem Zeitpunkt ist somit die obere Chromschicht 39 vollständig entfernt.

Die völlige Abtragung der Silberschicht 41 ist etwa 18 Minuten nach Beginn des Zerstäubungsvorganges erreicht Es ist einleuchtend, daß bei Schichten mit vollständig gleichförmiger Dicke sich wesentlich schärfere Übergänge im Spannungsverlauf ergeben, als es die F i g. 3 zeigt Solche Schichten sind praktisch jedoch nicht zu erreichen. Wegen der ungleichmäßigen Dicke ergeben sich Überschneidungen zwischen den einzelnen Schichten. Dies ist beispielsweise zwischen der 13. und der 18. Minute der Fall, wo an manchen Stellen noch das Silber und an anderen Stellen bereits das Chrom der unteren Schicht 43 abgetragen wird.

Im Verlaufe der Abtragung der unteren Chromschicht 43 fällt die Temperatur und damit die

^rt Ausgangspannung des Temperaturfühlers 29 auf einen konstanten Wert ab, der durch die Substratschicht 37 auf der Kathodenplatte 15 bestimmt wird. Zwischen dem Prüfkörper 21 und der Kathodenplatte 115 besteht vorzugsweise ein schlechter thermischer Übergang,

κι wodurch die Temperatur des Prüfkörpers während der Kathodenzerstäubung über die der Kathodenplatte ansteigt und somit leichter erfaßt werden kann.

Die Kathodenplatte 15 selbst befindet sich in gutem thermischem Kontakt mit der wassergekühlten Katho-Ί de 5. Bei einem weiteren Abtragen der Substratschicht 37 bleibt die Temperatur konstant, da die Kathodenplatte 15 sich in thermischem Gleichgewicht befindet Nach einer Zeit von etwa 23 Minuten sind alle drei Metallschichten 39, 41 und 43 weitgehend entfernt und der Temperaturverlauf am Prüfkörper 21 beginnt sich abzuflachen. Nachdem der Temperatur- bzw. Spannungsverlauf ausgeschwungen ist was nach etwa 24 Minuten eintritt, \s\ die untere Chromschicht 43 gänzlich beseitigt so daß auch die entsprechenden Schichten auf

j) den Bearbeitungsobjekten vollständig entfernt sind und der Zerstäubungsvorgang beendet werden kann.

Die Ausgangsspannung des Temperaturfühlers 29 wird zweckmäßig einem entsprechenden Auswertegerät zugeführt werden, das den Temperaturverlauf

«< analysiert und hieraus den Zeitpunkt für die Beendigung des Abtragungsvorganges feststellt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Feststellen des Zeitpunktes, in dem beim Materialabtragen von Schichten oder Teilen von Schichten eine bestimmte Abtragungstiefe erreicht ist, insbesondere beim Abtragen von Materialien mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß dabei die unterschiedlichen Wärmeemissionsfähigkeiten eines Materials (37) und eines auf ihm aufgebrachten Materials (35) ausgenutzt werden, indem die Änderung der mittels eines in gewissem Abstand angeordneten, auf Infrarotstrahlung ansprechenden Temperaturfühlers während des Abtragungsprozesses registrierten Wärmeemission, wenn das obere Material (35) entfernt ist, als Indikator fur das Erreichen der gewünschten Abtragungstiefe verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet daß ein Prüfkörper (21), auf welchem Materialien (35 und 37) in Schichtform aufgebracht sind, und Bearbeitungsobjekte demselben Abtragungsprozeß unterworfen werden und daß der Abtragungsprozeß beendet wird, wenn mittels des auf den Prüfkörper (21) gerichteten Temperaturfühlers (29) festgestellt wird, daß das obere Material (35) entfernt ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abzutragende Material, das durch den gleichen Prozeß auf den Prüfkörper (21) und die Bearbeitungsobjekte (17,19,23) aufgebracht wurde, selektiv von den Bearbeitungsobjekten entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragenden Materialien beim Prüfkörper (21) und bei den Bearbeitungsobjekten (17,19,23) verschieden gewählt und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgetragen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Temperaturfühler (29) außerhalb der Abtragungsvorrichtung angeordnet ist.