DE2601288A1 - Gasaetzvorrichtung, insbesondere zur herstellung von halbleitervorrichtungen - Google Patents

Gasaetzvorrichtung, insbesondere zur herstellung von halbleitervorrichtungen

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Description

9 R Π 1?fi ft PATE NTANWALTE LΌ U ' L ° Q
HENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL
BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND
TCTCY. in 90 R<12 HNKL D nr.,IADn cr-HMTn <5TR Δ <i<JF ? WECHSELBANK MÜNCHEN Nr. 318-85111
TELEX: 05 29 802 HNKL U EDUARD-SCHMID-b 1 KAäit, L DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914
TELEFON: (089) 663197, 663091 - 92 D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 162147 -
TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN
Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd. Kawasaki-shi/Japan
\ 5, Jan. 1976
Gasätzvorrichtung, insbesondere zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Gasätzvorrichtung, insbesondere eine solche, bei welcher das Ätzen unter Verwendung eines Ätzgases erfolgt, das durch Anregung und Zersetzung eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases und eines JTuoratome enthaltenden Gases gewonnen wurde.
Bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung, z.B. eines integrierten Schaltkreises, muß normalerweise eine polykristalline Silizium^Siliziumnitrid-, Siliziumdioxid-, Molybdän- oder Wolframschicht präzise bearbeitet werden, und diese Peinbearbeitung wird üblicherweise durch Naßchemikalien - bzw. chemisches Naßätzen durchgeführt. In den letzten Jahren wurde jedoch anstelle dieses chemischen Naßätzens verbreitet ein Ätzverfahren unter Verwendung des Plasmas eines Gases angewandt, das hauptsächlich aus z.B. CP^ besteht .
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Zur Durchführung dieses Plasmaätzens ist beispielsweise die Vorrichtung gemäß der US-PS 3 616 461 bekannt. Diese Vorrichtung weist einen Unterdruckbehälter bzw. -gefäß, der bzw. das außenseitig mit einer Hochfrequenzspule versehen ist, und einen im Unterdruckbehälter angeordneten Material-Einbringabschnitt auf. Bei dieser Vorrichtung wird Ireongas in den Behälter eingeführt, und durch Anlegung von Hochfrequenzenergie im Bereich von 15,56 MHz an die Hochfrequenzspule wird das Freongas durch Entladung zersetzt, so daß ein Plasma des Freongases gebildet und das Material unter Verwendung dieses Plasmas geätzt wird. Bei dieser Vorrichtung wird der Ätzvorgang unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht überwacht, das vom Plasma selbst emittierte Ultraviolettstrahlen enthält.
Außerdem ist eine Kondensator-Vorrichtung bekannt, bei welcher das Freongas anstatt durch die Hochfrequenzspule durch zwei Elektrodenplatten mit jeweils einer gekrümmten Ebene bzw. Fläche zersetzt wird.
Das mit dieser Vorrichtung durchgeführte Ätzverfahren bietet im Vergleich zum bisher angewandten chemischen Naßätzen die folgenden Vorteile:
1. Das Ätzen von polykristallinem Silizium und Siliziumnitrid kann in der Weise durchgeführt werden, daß ein Photowiderstandsmaterial (photoresist) selbst als Maske benutzt wird.
2. Infolgedessen kann die Zahl der Fertigungsschritte verringert werden.
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3. Schädliche Wirkungen oder Störungen aufgrund von Chemikalien, z.B. Fluorwasserstoffsäure, entstehen nicht, wodurch die Umgebungsbedingungen am Arbeitsplatz verbessert werden.
Hierbei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei den vorgenannten, bisher verwendeten Vorrichtungen ein Ätzgaserzeugungsbereich und ein Abschnitt zum Auflegen des zu ätzenden Materials an der gleichen Stelle angeordnet sind. Aus diesem Grund werfen die bekannten Vorrichtungen folgende Schwierigkeiten auf:
1. Aufgrund der Strahlungshitze des Plasmas und der Wirkungen des Erregerlichts (insbesondere Ultraviolettstrahlung) , der Fluorionen usw. wird ein als Maske verwendetes PhotowideiMstandsmaterial zersetzt und geätzt.
2. Da einem CF^-Gas Sauerstoff in einer Menge von
2 - 4-# zugesetzt wird, um die Ätzgeschwindigkeit zu erhöhen, erfolgt eine Veraschung des Photowiderstandsmaterials .
3. Durch die veränderten Teilchen im Plasma wird das Halbleiterelement beschädigt.
4-, Aufgrund der Wirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern sind positive und negative Fluorionen ungleichmäßig verteilt, so daß das Ä'tzmaterial bzw. die Probe oder das Werkstück ungleichmäßig geätzt wird.
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5. Bei der überwachung des Ätzvorgangs üben die Ultraviolettstrahlen eine ungünstige Wirkung auf das ungeschützte Auge aus.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausschaltung der vorgenannten Schwierigkeiten durch Schaffung einer Gasätzvorrichtung, welche die Durchführung des ÄtzVorgangs ohne Verschlechterung bzw· Zersetzung des Widerstandsmaterials oder Abdeckmittels und mithin mit feiner Musterausbildung sowie ohne elektrische Schaden an dem geätzten Material ermöglicht. Außerdem ermöglicht diese Vorrichtung das Ätzen unter Beobachtung der Ätzbedingungen mit dem unbewaffneten Auge unter Beleuchtung mittels natürlichen Lichts. Diese Vorrichtung soll dabei einfach herzustellen sein.
Diese Aufgabe wird bei einer Gasätzvorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Unterdruckbehälter. mit einer Einrichtung zur Einleitung eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases und eines ELuoratome enthaltenden Gases in den Unterdruckbehälter, mit einem in letzterem vorgesehenen Ätzgas-Erzeugungsbereich, der eine Erregereinrichtung zum Erregen oder Anregen der Gase aufweist, und mit einem im Unterdruckbehälter in einem Abstand von Ätzgas-Erzeugungsbereich angeordneten Reaktionsbereich, in den ein zu ätzendes Werkstück bzw. Material einbringbar ist.
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Ein spezielles Merkmal der Erfindung besteht darin, daß bei der Gasätzvorrichtung die Menge des Sauerstoffatome enthaltenden Gases auf mindestens "Io Vol.-# der Fluoratome enthaltenden Gasmenge eingestellt ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in der Gasätzvorrichtung eine Einrichtung zum Kühlen des Itzgas-Erzeugungsbereichs vorgesehen ist.
Weiterhin kennzeichnet sich die Gasätzvorrichtung durch eine Einrichtung zum Erwärmen des zu ätzenden Materials.
Darüber hinaus ist bei dieser Gasätzvorrichtung eine zusätzliche Erregereinrichtung vorgesehen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. .1 eine schematische Schnittansicht einer Gasätz vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,
3?ig. 2 eine graphische Darstellung der beim Ätzen mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielten Ergebnisse,
IFig. 3 eine schematische Schnitt ansicht einer Gasätzvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 4- einen Schnitt durch, eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines Ätzgas-Erzeugungsbereichs der Gasätzvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gasätzvorrichtung, bei welcher ein Hahn oder Ventil zwischen dem Ätzgas-Erzeugungsbereich und dem Reaktionsbereich vorgesehen ist,
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Reaktionsbereichen,
Fig. 8 eine schematische Schnittansieht einer erfindungsgemäßen Gasätzvorrichtung, deren Reaktionsbereich, einen aus Aluminium bestehenden Zylinder aufweist,
Fig. 9 eine graphische Darstellung der beim Ätzen mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 8 erzielten Ergebnisse,
Fig.. 1o eine schematische Schnittansicht einer Gasätzvorrichtung nach der Erfindung, um deren Xtzgas-Erzeugungsbereich Kühlrohre angeordnet «ind,
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Fig. .11 eine graphische Darstellung der bei variierender Leistung mit der Vorrichtung gemäß 1o erzielten Ätzergebnisse,
Fig. 12 eine graphische Darstellung zum Vergleich der Ätzergebnisse bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1o und einer ähnlichen, keine Kühlrohre aufweisenden Vorrichtung,
Fig. 13 eine schematische öchnittansicht einer weiteren Abwandlung der Erfindung, die mit einer Heizplatte zum Erwärmen des zu ätzenden Materials versehen ist,
Fig. 14 eine graphische Darstellung der mit der Vorrichtung gemäß Fig. 13 erzielten Ätzergebnisse,
Fig. 15 eine schematische Schnittansicht einer Vertikal-Gasätζvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 16 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung im Materialeinbringabschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 15»
Fig. 17 eine schematische Schnittansicht einer weiter abgewandelten AuEführungsform der Erfindung, bei welcher der im Rmakteiöliebereich angeordnete AIuminiumzylinder mit einer von zwei Elektrodenplatten im Ätzgas-Erzeugungsbereich verbunden ist,
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eine schematische Schnittansicht einer noch weiteren Abwandlung der Erfindung, bei welcher außerhalb des Reaktionsbereichs eine zylindrische Elektrode vorgesehen ist, an die ein Teil der Hochfrequenz angelegt wird,
Fig. 19 eine graphische Darstellung der mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 18 erzielten Ätzergebnisse ,
Fig. 2o eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gasätzvorrichtung zum Ätzen mehrerer Werkstücke, bei welcher an eine Hochfrequenzquelle angeschlossene Elektroden außerhalb von Rohren zur Führung eines Ätzgases vom Ätzgas-Erzeugungsbereich zu dem zu ätzenden Material angeordnet sind, und
Fig. 21 eine schematische Schnittansicht einer weiter abgewandelten Gasätzvorrichtung gemäß der Erfindung, die mit einer Mikrowellengeneratoreinrichtung als Erregereinrichtung versehen ist.
Die Erfindung beruht auf der Peststellung, daß bei Erzeugung eines Gasplasmas durch Einleitung eines Freongases und gasförmigen Sauerstoffs in einen Unterdruckbehälter und bei Anlegung einer Hochfrequenzenergie an zwei im Unterdruckbehälter angeordnete flache, plattenförmige Elektroden sowie Entladung dieser Elektroden aktive Substanzen (species) bzw. ein Ätzgas mit einer
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sehr langen Lebensdauer von einigen oder mehreren Sekunden erzeugt werden bzw. wird, wobei durch diese aktiven Substanzen ein pol^kristallines Silizium (poly-Si) o.dgl. auch an einer ein beträchtliches Stück vom Plasma entfernten Stelle, an welcher kein Erregerlicht vorhanden ist, ausreichend geätzt wird. Normalerweise wird angenommen, daß die mittlere freie Bahn eines Gases unter einem solchen Unterdruck, bei dem ein Gasplasma erzeugt wird, bestenfalls in der Größenordnung von einigen Hundertstel Millimetern liegt, wobei die angeregten Gasatome bzw. -moleküle miteinander kollidieren und in ihre Grundzustände (ground states) zurückkehren. Bei der bisher verwendeten Plasmaätzvorrichtung, bei welcher das Freongas durch Entladung zersetzt wird, indem Hochfrequenz an eine Hochfrequenzspule oder eine außerhalb des Unterdruckbehälters angeordnete Kondensator-Elektrode angelegt wird, konnte ein Werkstoff, wie poly-Si, an einer stromungsabgewandten Seite in einer Entfernung von etwa 1o cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich nicht geätzt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dann, wenn - wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung - das Ireongas durch Entladung mittels zweier flacher Elektroden im Unterdruckbehälter, an welche eine Hochfrequenz angelegt wird, zersetzt und angeregt wird, das in einem Abstand von etwa 1o cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich an der stromungsabgewandten Seite befindliche poly-Si angeätzt wird, obgleich die Ätzgeschwindigkeit des poly-Si bei nur etwa 2 Ä/min liegt.
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Wenn dagegen Sauerstoffgas in einem dem Freongas entsprechenden Volumen hinzugefügt wird, wird die Ätzgeschwindigkeit des poly-Si im gleichen Abstand an der stromungsabgewandten Seite auf etwa Ί500 &/min beträchtlich erhöht. Es wird angenommen, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß das !'reongas und der gasförmige Sauerstoff durch Anlegung einer hohen Leistung bzw. Hochfrequenzenergie an mit engem Abstand paarweise angeordnete Elektroden zersetzt werden, wodurch aktive Substanzen bzw. ein Ätzgas mit einer sehr langen Lebensdauer erzeugt werden.
Wie erwähnt, v/erden mit der erfindungsgemäßen Gasätzvorrichtung die verschiedenen, eingangs genannten Probleme dadurch ausgeschaltet, daß der Ätzgas-Erzeugungsbereich vom Reaktionsbereich getrennt ist. Außerdem kann bei dieser Vorrichtung die Ätzgeschwindigkeit oder -leistung beträchtlich erhöht werden, wenn die Menge des Sauerstoffatome enthaltenden Gases auf mindestens 1o Vol.-# der Fluoratome enthaltenden Gasmenge eingestellt wird. Weiterhin kann eine Verminderung der Ätzleistung aufgrund eines Temperaturanstiegs des Ätzgas-Erzeugungsbereichs durch Kühlung dieses Bereichs verhindert werden. Zudem wird durch Erwärmung des zu ätzenden Materials eine gleichmäßige Ätzwirkung gewährleistet und gleichzeitig die Ätzleistung erhöht, so daß die für die Durchführung des Fertigungsverfahrens erforderliche Zeitspanne verkürzt werden kann. Darüber hinaus kann durch Anordnung einer zusätzlichen oder Hilfs-Erregereinrichtung im Reaktionsbereich, um letzteren in einen Zustand zu versetzen, in welchem er aufgrund
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schwacher Entladung erregt oder angeregt wird, die ÄtzIeistung stark erhöht werden, wobei selbst bei einem großen Abstand zwischen dem Ätzgas-Erzeugungsbereich und dem zu ätzenden Werkstück kein Zerfall des Ätzgases auftritt, so daß das Ätzgas zu einer Anzahl von Reaktionsbereichen überführt werden kann und die Vorrichtung somit einfach zu bauen ist, weil der Ätzgas-Erzeugungsbereich und der Eeaktionsbereich durch ein Rohr zur Führung des Ätzgases miteinander verbundsn werden können.
Im folgenden ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen näher beschrieben.
]?ig. 1 veranschaulicht den Umriß einer Gasätzvorrichtung gemäß der Erfindung. Dabei besteht ein Vakuumbzw. Unterdruckbehälter 1 aus einem Quarzrohr mit einem Durchmesser von z.B. 6o mm, das einen Gaseinlaß 2 und einen Gasö&slaß 3 aufweist. Ein Gasgemisch aus einem IFluoratome enthaltenden Gas, wie Ireongas (CIV), und einem Sauerstoffatome enthaltenden Gas, wie Sauerstoffgas, wird über den Einlaß 2 in den Behälter eingeleitet. Wahlweise ist es möglich, nur das Iteongas über den Einlaß 2 einzuführen und im voraus eine das die Sauerstoffatome enthaltende Gas abgebende Substanz, etwa ein O2cid oder Quarzglas, in den Unterdruckbehälter 1 einzulegen.
Der Gasauslaß 3 ist mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden, durch welche das Behälterinnere auf einem Unterdruck von z.B. o,1 - 1 Torr gehalten wird.
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Das in den Unterdruckbehälter 1 eingeleitete Gasgemisch wird in einen zwischen zwei parallelen Elektrodenplatten 4- und 5 gebildeten Ätzgas-Erzeugungsbereich eingeführt. Da die beiden parallelen Elektrodenplatten 4· und 5 im Gegensatz zu der bisher verwendeten Plasmaätzvorrichtung, die mit außerhalb des Gefäßes oder Behälters angeordneten Spulen oder Elektroden versehen ist, senkrecht zur Gasstromrichtung im Behälter i verlaufen, kann der Stromverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung herabgesetzt werden. Die parallelen Elektrodenplatten 4-, 5 werden durch zwei parallel angeordnete, kreisförmige Aluminiumplatten gebildet, die jeweils einen Durchmesser von 56 mm besitzen, mit einer Anzahl von Bohrungen mit einem Durchmesser von 5 mm versehen und in einem Abstand von Λ2 cm voneinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen diesen paarweise angeordneten Elektroden sowie der Durchmesser der Bohrungen hat jedoch keinen wesentlichen Einfluß auf die Wirkung und Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, vielmehr reicht es aus, wenn zwei Elektrodenplatten mit jeweils einer Anzahl von Öffnungen oder Bohrungen als Gasdurchlässe parallel zueinander angeordnet sind. Venn ein Strom bzw. eine Energie mit einer Hochfrequenz von 13j56 MHZ zwischen die Elektroden 4- und 5 angelegt wird, tritt im Gasgemisch eine Entladung unter Erzeugung eines Plasmas aus positiven und negativen Ionen, neutralen Atomen und Molekülen von Fluor und Sauerstoff auf. Anstelle der Hochfrequenzstromquelle kann auch eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle oder ein Mikrowellengenerator ver-
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wendet werden, durch welche die Ätzleistung weiter erhöht werden kann. Die Verwendung eines Mikrowellengenerators bietet den Vorteil, daß die innerhalb des Unterdruckbehälters angeordneten Elektroden überflüssig werden.
Das auf diese Weise erzeugte Ätzgas wird dann in einen Reaktionsbereich 1o eingeleitet, der auf Abstand vom Ätzgas-Erzeugungsbereich 6 angeordnet und in welchem ein zu ätzendes Werkstück 8 auf einem Träger 9 in einem Abstand von z.B. 3o cm von der Elektrode 5 angeordnet ist. Einbringen oder Herausnehmen des Werkstücks 8 kann durch Abnehmen und Wiederanbringen eines Deckels 11 des Unterdruckbehälters 1 erfolgen.
Fig. 2 veranschaulicht graphisch die Ergebnisse beim Ätzen eines undotierten polykristallinen Siliziumfilms bei einer Aufwachstemperatur von 68o°C unter Verwendung von Freongas (CF7.) und Sauerstoff gas (Op) als Ätzgas in der vorstehend beschriebenen Gasätzvorrichtung. In 3?ig. 2 ist die Durchsatzmenge an O^ (cm-ymin) auf der Abszisse und die Ätzleistung oder -geschwindigkeit des poly-Sl-Films (£/ min) auf der Ordinate aufgetragen. Hierbei betrugen die Durchsatzmenge an CFn 4 cnr/min, die Hochfrequenzleistung 3oo W und die Absaugmenge der Vakuumpumpe 3oo l/min. Beim herkömmlichen Verfahren ist das Verhältnis der Durchsatzmengen von Op zu CF^ außerordentlich niedrig, d.h. es liegt bei 2 - 4$; wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann dieses Verhältnis bei
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der erfindungsgemäßen Vorrichtung effektiv auf einen wesentlich höheren Wert als dem von 2 beispielsweise auf einen Wert von mehr als 1o# eingestellt werden. Da erfindungsgemäß die Zugabemenge an O2 erhöht werden kann, wird die Steuerung der Durchsatzmenge sehr einfach, während beim bisher angewandten Verfahren die Durchsatzmenge des O- und die Ätzleistung sehr schwierig zu steuern sind, weil dabei die zugegebene Op-Menge klein ist.
Wie weiter aus Pig. 2 ersichtlich ist, nimmt die Ätzleistung schnell ab, wenn die eingeführte Op-Menge verringert wird. Bei Erhöhung der Op-Zugabemenge tritt dagegen keine wesentliche Verringerung der Ätzleistung auf, doch verringert sich hierbei die Größe des Unterdrucks. Bei Einstellung der Absaugleistung der Vakuumpumpe auf 3oo l/min tritt weiterhin eine Verringerung der Ätzleistung aufgrund einer Erhöhung oder Verkleinerung der Sauerstoffgaszugabemenge nur in einem geringen Ausmaß auf. Bei größerer Absaugleistung ist auch die Ätzleistung um so größer, weil dabei mehr Ätzgas pro Minute erzeugt wird.
Wenn das zu ätzende Werkstück in einem Abstand von nicht weniger als 1o cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich angeordnet wird, werden besonders gute Ergebnisse erzielt. Bei Erhöhung der Eingangsleistung wird auch die Ätzleistung vergrößert.
Nachstehend sind verschiedene Abwandlungen der erfindungsgemäßen Gasätzvorrichtung beschrieben.
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Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist der Ätzgas-Erz eugungsbereich. 6 der Vorrichtung von !ig. 1 gegenüber dem Reaktionsbereich 1o abgewinkelt. Bei dieser Abwandlung ist der gesamte Bereich 6 von einem Abschi^Tmelement 12 umschlossen. Hierdurch werden die vom Bereich 6 ausgestrahlten Ultraviolettstrahlen vollkommen abgeschirmt, so daß der Ätzzustand des Werkstücks bzw.. der Probe 8 unter Beleuchtung mit natürlichem Licht überwacht werden kann und somit der Arbeitswirkungsgrad wesentlich erhöht wird.
Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 4 ist der Ätzgas-Erzeugungsbereich ein ausreichend großes Stück vom Reaktionsbereich entfernt, wodurch eine wesentlich bessere Ätzleistung erzielt wird. Hierbei ist je ein mit einem Gaseinlaß 13 versehenes Rohr 14 mit einem beispielsweise aus einem Quarzrohr bestehenden Unterdruckbehälter 1 verbunden. Die Rohre 14 bestehen aus Aluminium und wirken gleichzeitig als Elektrodenpaar, und sie sind in den Unterdruckbehälter 1 eingedichtet und außerdem mit* zylindrischen Aluminiumokidrohren 15 niit einer Länge von jeweils etwa 1o cm versehen. Das über den Gaseinlaß 13 eingeführte Gas, z.B. ein Gasgemisch aus CIV und CL·» wird durch Bereiche geleitet, die jeweils durch die Außenwand des Aluminiumoxidrohrs 15 und die Innenwand des Unterdruckbehälters gebildet werden. Die durch eine ringwulstförmige, perforierte Aluminiumplatte 16 gebildeten Elektroden sind in der Nähe der Auslässe dieser Be-
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reiche angeordnet. Eine Hochfrequenzversorgung 7 ist zwischen die Elektroden und eines der Rohre geschaltet. Infolgedessen wird das Mischgas zur Lieferung eines Ätzgases zersetzt. Die Pfeile in Fig. 4 geben die Strömungsrichtung des Ätzgases an. Der Deckel 11 besteht aus Quarz. Weiterhin dient die aus Aluminiumoxid (alumina) bestehende Außenwand 17 des Ätzgas-Erzeugungsbereichs zur Verhinderung einer Korrosion des Quarzes durch die Wirkung des Ätzgases.
]?ig. 5 zeigt eine Abwandlung des Ätzgas-Erzeugungsbereichs. Das Gasgemisch aus iteongas und Sauerstoff wird über einen in einem Umfangsabschnitt eines scheibenförmigen Ätzgas-Erzeugungsbereichs 18 ausgebildeten Gaseinlaß 19 in diesen Bereich 18 eingeleitet. Im Bereich 18 sind zwei perforierte Aluminiumelektroden 2o, 21 mit jeweils einer Vielzahl von Bohrungen konzentrisch unter Isolierung und Abdichtung angeordnet. Zwischen diese Elektroden wird Hochfrequenzenergie zur Erzeugung eines Ätzgases angelegt.
Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Pig. 6 ist ein Hahn bzw. Ventil· 24 zwischen einem den Unterdruckbehälter bildenden Ätzgas-Erzeugungsbereich 22 und einem Reaktionsbereich 23 angeordnet. Der Hahn 24 dient zur Einstellung der Größe des Unterdrucks im Bereich 22. Außerhalb des Bereichs 22 sind zwei Elektroden 25, 26 vorgesehen, zwischen die eine Hochfrequenzenergiequelle geschaltet ist. Das über den Gaseinlaß 2 in den Ätzgas-Erzeugungsbereich 22 eingeleitete Gasgemisch aus Freongas und Sauerstoff wird durch Anlegung der Hochfrequenzenergie
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unter Lieferung eines Ätzgases erregt bzw. angeregt. Dieses Ätzgas wird durch einen Gasauslaß des Ätzgas-Erzeugungsbereichs und den Hahn 24 geleitet und am Gaseinlaß des Reaktionsbereichs 23 in diesen eingeleitet, wobei die Probe 8 durch dieses Ätzgas angeätzt wird. Wenn der Hahn 24 geschlossen ist, ist das Ätzgas im Bereich 22 eingeschlossen, und der Ätzvorgang kann durch Öffnen des Hahns 24 auf erforderliche Weise eingeleitet werden. Durch entsprechende Regelung des Öffnungsgrads des Hahns 24 lassen sich zudem die Plasmaerzeugungs- und Ätzreaktionsbedingungen optimal steuern.
Fig. 7 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher der Unterdruckbehälter aus einem Ätzgas-Erzeugungsbereich 27 und mehreren Reaktionsbereichen 28, 29, 3o und 31 besteht. Zwischen dem Bereich 29 und den Reaktionsbereichen 28 - 31 sind dabei Ventile 32, 33, 34 bzw. 35 angeordnet. Durch Öffnen oder Schließen dieser Ventile ,kennen die Reaktionsbereiche geöffnet bzw. geschlossen und bezüglich ihres Drucks geregelt werden. Das über einen Gaseinlaß 36 in den Ätzgas-Erzeugujagsrbereich 27 eingeleitete Gasgemisch aus iteongas und SauerstQff wird durch Anlegung von Hochfrequenzenergie zwischen zwei im Bereich 27 vorgesehene Elektroden 37» 38 angeregt bzw. zersetzt, so daß ein Ätzgas gebildet wird, das dann über die Ventile 32 - 35 zu den Reaktionsbereichen 28 - 31 geleitet wird, um dadurch das Werkstück zu ätzen. Indem die betreffenden Ventile geschlossen werden und der Atmosphärendruck in den betreffenden Reaktionsbereichen wiederhergestellt wird, können die Werkstücke in jedem einzelnen Reaktionsbereich jeweils getrennt ausgewechselt werden,
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Fig. 8 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher ein Aluminiumzylinder 39 in den Reaktionsbereich 1o der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzt ist. Bei dieser Vorrichtung kann die Ätzleistung auf das Doppelte oder mehr der Ätzleistung erhöht werden, die bei nicht eingesetztem Zylinder 39 erzielbar ist. Als Beispiel sind in Fig. 9 <lie Ergebnisse beim Ätzen von polykristallinem Silizium einmal mittels dieser Abwandlung und zum anderen mittels einer k-einen derartigen Zylinder aufweisenden Vorrichtung gemäß Fig. 1 veranschaulicht. Auf der Ordinate von Fig.9 ist dabei die Ätzleistung aufgetragen, während auf der Abszisse der Abstand zwischen der Elektrode 5 und dem Werkstück 8 aufgetragen ist. Das Ätzen wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Eingangsleistung 3oo W; Durchsatzmenge an CF7. = 4 cnr/min; Durchs atzmenge an Op = 4 emv min. In Tig. 9 ist das Ätzergebnis unter Verwendung der den Zylinder enthaltenden Vorrichtung durch die ausgezogene Linie und für die Vorrichtung ohne einen solchen Zylinder durch eine gestrichelte Linie angegeben. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird durch Anordnung eines Aluminiumzylinders im Reaktionsbereich die Ätzleistung erheblich verbessert.
Fig. 1o veranschaulicht eine weitere Abwandlung, bei welcher eine Kühleinrichtung , z.B. in Form von Kühlrohren, an der Außenseite des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 der Vorrichtung gemäß Fig. 8 vorgesehen ist. Fig. 11 veranschaulicht graphisch die Ätzleistung beim Ätzen eines polykristallinen Siliziumfilms mittels
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dieser Vorrichtung,wobei die Op-Durchsatzmenge bei auf 4- cnr/min eingestellter CS1^- Durchs atzmenge variiert wird. Diese graphische Darstellung zeigt außerdem die Beziehung zwischen der Oo-Durchsatzmenge und der Ätzleistung bei Änderung der angelegten Energie·. Aus Pig. 11 geht hervor, daß auch bei einer Plasmaerzeugung bei einer niedrigen Energie von 1oo W oder 15o W eine hohe Ätzleistung bei Mischungsverhältnissen von CIV zu O2 von etwa 4- : 1 bis 6 (6:1) erzielt wird; dies bedeutet, daß eine ausreichend große Menge an Ätzgas erzeugt wird. Außerdem ist ersichtlich, daß sich bei Erhöhung der zugeführten Leistung oder Energie die maximale Ätzleistung im Sinne einer Erhöhung der Op-Durchsatzmenge verschiebt, wobei gleichzeitig eine hohe Ätzleistung über einen weiten Bereich der Op-Durchsatzmenge hinweg erzielt wird. Genauer gesagt: Bei Anlegung einer hohen Energiemenge kann die O^-Menge über einen weiten Bereich hinweg gewählt bzw. variiert werden. Infolgedessen wird ohne Schwierigkeiten ein Ätzgas erzeugt, auch wenn die Durchsatzmenge an O0 in der Größenordnung von o,5 cnr/min bei einer CF2,-Durchsatzmenge von 4 cnr/min liegt, d.h. wenn die O -Menge im Gasgemisch etwa 1o# oder mehr der CIV-Menge beträgt. In 3fig. 11 ist außerdem die Änderung der Vakuumgröße dargestellt; ersichtlicherweise ist dieser Änderungsbereich hierbei mit o,1 - o,2 Torr sehr schmal.
Nachstehend sind die Gründe dafür aufgeführt, weshalb bei der Gasätzvorrichtung gemäß lig. 1o die Kühlrohre
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- 2ο -
4ο außerhalb des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 angeordnet sind. Im Verlauf des Ätzvorgangs erhöht sich selbstverständlich die Temperatur des Ätzgas-Erzeugungsbereichs. Bei der Plasmaätzvorrichtung nimmt im allgemeinen mit ansteigender Temperatur auch die Ätzleistung von Siliziumdioxid (SiOp) zu.
Wenn das erzeugte Ätzgas zum Anätzen der Wand des Quarzrohrs verbraucht wird, nimmt die Ätzleistung an den zu ätzenden Werkstücken ab. Dieser Temperaturanstieg wird also durch Kühlung der Wand des Ätzgas-Erzeugungsbereichs mittelsder Kühlrohre 4o verhindert. Diese Kühlwirkung ist in Fig. 12 veranschaulicht, welche bei (1) die Ätzleistung oder -geschwindigkeit an polykristallinem Silizium ohne Kühlung und bei (2) mit Kühlung zeigt. Aus dieser graphischen Darstellung geht hervor, daß die Ätzleistung durch Kühlung des Ätzgas-Erzeugungsbereichs verdoppelt werden kann.
Fig. 13 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des zu ätzenden Materials 8, z.B. eine Heizplatte 41, im Eeaktionsbereich 1o vorgesehen ist. Die Temperatur des Werkstücks 8 wird von außen her durch einen Regler 42 geregelt, der mit Thermoelementen ,4-3 und Zuleitungen 44 für die Heizeinrichtung versehen ist. J1Ig. 14 veranschaulicht graphisch die- Ätzleistung für den Fall, daß beim Ätzen von polykristallinem Silizium unter Verwendung der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 13 die Temperatur des Materials bzw. Werkstücks 8 mittels der Heizplatte 41 variiert wird. In Fig. 14 ist auf der Abszisse die Größe 1/T χ (mit T = Absoluttemperatur) aufgetragen, und die lot-
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rechten Linien geben jeweils den Gleichmäßigkeitsgrad der Ätzleistung an. Aus dieser graphischen Darstellung geht hervor, daß bei Erhöhung der Temperatur des Werkstücks die Länge der lotrechten Linien, welche den Gleichmäßigkeitsgrad beim Ätzen angeben, merklich zunimmt, d.h. die Gleichmäßigkeit beim Ätzen abnimmt.
!Fig. 15 zeigt eine Gasätzvorrichtung für die Chargenbehandlung einer großen Zahl von Siliziumscheiben oder -plättchen. Bei den vorher beschriebenen Gasätzvorrichtungen handelt es sich jeweils um Horizontalvorrichtungen, und die in diesen Vorrichtungen zu ätzenden Werkstücke werden parallel zürn Gasstrom eingesetzt. Bei dieser Vorrichtungsart wird das Ätzgas zunächst an der Stromaufseite des zu ätzenden Materials verbraucht, worauf der Ätzvorgang zur Stromabseite fortschreitet. Aus diesem Grund ist nach Abschluß des I Ätzvorgangs ein Teil des Werkstücks 8 an der Stromaufseite unnötig stark geätzt. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist die Vorrichtung gemäß IFig. 15 vertikal gebaut. Hierbei wird das Ätzgas dem Material bzw. den Werkstücken über Gaszulaßrohre 46, 47 und 48 zugeführt, welche die Einlaßteile eines Reaktionsbereichs 45 bilden. AußerdeTn wird bei dieser Vorrichtung der Ätzgas-Erzeugungsbereich gekühlt, während das zu ätzende Material erwärmt wird, ähnlich wie dies bei der Vorrichtung gemäß Mg. 1$ der Fall ist. Infolgedessen wird ein gleichmäßiges Ätzen mit hoher Ätzleistung erreicht. Außerdem sollte bei dieser Vorrichtung das Ätzen möglicherweise vom Randabschnitt zum Mittelteil des zu ätzenden Materials hin erfolgen. Aus diesem Grund kann der Ätz-
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Vorgang gleichmäßiger gestaltet v/erden, indem die Heizeinrichtung so ausgelegt wird, daß jedes Tragelement in seinem Mittelteil stärker erwärmt wird als an seinem Umfangs- oder Randabschnitt.
Im folgenden ist eine Gasätzvorrichtung erläutert, bei der im Reaktionsbereich eine zusätzliche bzw. Hilfs-Erregereinrichtung angeordnet ist.
Fig. 17 zeigt eine Konstruktion, bei welcher bei^der Gasätzvorrichtung von Pig. 8 ein in den Reaktionsbereich 1o eingesetzter Aluminiumzylinder 39 über eine Leitung 4-9 mit einer der beiden Elektroden im Ätzgas-Erzeugungsbereich verbunden ist. Da bei dieser Vorrichtung das Innere des Reaktionsbereichs aufgrund schwacher Entladung in einem Erregungszustand gehalten wird, erfährt das Ätzgas keine Aufspaltung. Beim Ätzen mittels dieser Vorrichtung wird daher eine Ätzleistung erzielt, die gemäß Pig. 19 das Vierfache derjenigen einer" bisher verwendeten Vorrichtung beträgt. Mit dieser Vorrichtung kann selbst Wolframsilizid geätzt werden, das bisher schwierig zu ätzen war. Außerdem ist es mit dieser Vorrichtung möglich, den Ätzvorgang ohne Verschlechterung eines Photowiderstands z.B. durch Ultraviolettstrahlung, wie dies bei den bekannten Vorrichtungen der Pail ist, durchzuführen.
Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Pig. 18 ist eine zylindrische Elektrode 5o an der Außenseite des Reaktionsbereichs 1o angeordnet. Durch Anlegung eines Teils
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der Hochfrequenzenergie an diese Elektrode wird der im Inneren des Reaktionsbereichs 1o vorgesehene Aluminiumzylinder 39 hochfrequenzmäßig an die Elektrode 5o angekopp.elt. Beim Ätzen mittels dieser Vorrichtung werden ebenfalls die Ergebnisse gemäß Fig. erzielt.
Diese zusätzliche Erregereinrichtung für den Reaktionsbereich ist besonders dann wirksam, wenn der Abstand zwischen dem Ätzgas-Erzeugungsbereich und dem zu ätzenden Werkstück, wie beim folgenden Beispiel, groß ist. Die Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 2o weist eine Anzahl von Reaktionsbereichen auf, in denen mehrere zu ätzende Werkstücke gleichzeitig behandelt werden können. Da bei dieser Vorrichtung die Strecke, über welche das Ätzgas zu den Werkstücken geleitet wird, ziemlich groß ist, zersetzt sich das Ätzgas unter Verminderung der Ätzleistung. Zur Verhinderung der Zersetzung des Ätzgases sind zylindrische Aluminiumelektroden 57» 58 und 59 an den Außenseiten der die Einlaßabschnitte der Reaktionsbereiche 51» 52 und 53 bildenden Zufuhrrohre 54·, 55 bzw. 56 vorgesehen, welche das Ätzgas vom Erzeugungsbereich zu den zu ätzenden Werkstücken führen. Diese Elektroden sind an eine Hochfrequenzenergiequelle des Ätzgas-Erzeugungsbereichs angeschlossen, so daß die Innenräume der Zufuhrrohre 54- - 5ö in einen durch eine schwache Entladung erregten bzw. angeregten Zustand versetzt werden. Das Ätzgas wird also selbst beim Durchströmen eines Kanals mit verhältnismäßig großer Länge nicht zersetzt oder aufgespalten, so daß eine hohe Ätzleistung gewährleistet werden kann. Darüber hinaus lassen sich
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bei Anordnung einer zusätzlichen Erregungseinrichtung, ähnlich den zylindrischen Aluminiumelektroden der Ätzgas-Einlaßrohre 46 - 48 der Vertikal-Gasätzvorrichtung gemäß S1Ig. 15 j ohne weiteres mehrere Werkstücke gleichzeitig ätzen.
Die vorstellende Beschreibung bezieht sich auf Gasätzvorrichtungen, bei denen ein Ätzgas durch Anregung oder Erregung von CU und CF. durch Anlegung von Hochfrequenzenergie erzeugt wird. Das Ätzgas kann aber auch dadurch erzeugt werden, daß die genannten Gase mittels Mikrowellen(energie) (z.B. von 2,4 GHz) erregt bzw. angeregt werden. In diesem Fall wird eine weiter vergrößerte Ätzgasmenge erzeugt, so daß das Ätzgas über eine größere Strecke geführt werden kann. Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 21 braucht der Ätzgas-Erzeugungsbereich 6 nur so ausgelegt zu sein, daß er einen Rechteck-Wellenleiter 6o durchsetzt; dies bietet den Vorteil, daß die paarweise angeordneten Elektroden im Unterdruckbehälter entfallen können. Das eingeführte Gasgemisch wird durch die von einem 'Mikrowellengenerator 61 des Wellenleiters 6o erzeugten Mikrowellen angeregt bzw. erregt, so daß es zu einem Ätzgas wird. Der Grund, weshalb der Innendurchmesser des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 kleiner gewählt wird als derjenige des Reaktionsbereichs 1o, kann darin gesehen werden, daß - weil bei der Vorrichtung gemäß Fig. 21 die Anwendung einer S-Bandfrequenz (2 4 GHz) vorausgesetzt ist - der Bereich 6 im Vergleich zum Bereich 1o, in den ein zu ätzendes Werkstück mit einem Durchmesser von 5o - 7o mm eingesetzt wird, nur schlanker ausgebildet werden kann. Bei Anwendung einer L-Bandfrequenz (1-2 GHz) kann dagegen ein Ätzgas-Erzeugungsbereich mit einem größeren Durchmesser vorgesehen werden. 609831/0962

Claims (13)

  1. - 25 Patentansprüche
    Gasätzvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Unterdruckbehälter mit einer Einrichtung (z.B. 2) zur Einleitung eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases und eines IPluoratome enthaltenden Gases in den Unterdruckbehälter, mit einem in letzterem vorgesehenen Itzgas-Erzeugungsbereich (z.B. 6), der eine Erregereinrichtung zum Erregen oder Anregen der Gase aufweist, und mit einem im Unterdruckbehälter in einem Abstand von Ätzgas-Erzeugungsbereich angeordneten Eeaktionsbereich (z.B. 1o), in den ein zu ätzendes Werkstück bzw. Material (8) einbringbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung zwei an eine Hochfrequenzenergiequelle (z.B. 7) angeschlossene Elektroden (z.B. 4, 5) aufweist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden senkrecht zur Strömungsrichtung der Gase im Unterdruckbehälter angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung ein Wellenleiter mit einer Mikrowellenerzeugerquelle ist.
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  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffatome enthaltende Gas gasförmiger Sauerstoff und das iTuoratome enthaltende Gas ein Ireongas (CF^) ist und daß die Sauerstoffmenge mindestens 1o Vol.-# der Sreongasmenge beträgt.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbereich in seinem Innenraum ein aus Metall bestehendes zylindrisches Element aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgas-Erzeugungsbereich mit einer Kühleinrichtung versehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbereich in seinem Inneren eine Einrichtung zum Erwärmen der zu ätzenden Werkstücke aufweist.
  9. 9. Gasätzvorrichtung, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Unterdruckbehälter mit Einrichtungen zur Einführung eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases und eines HLuoratome enthaltenden Gases in den Unterdruckbehälter, mit einem in letzterem vorgesehenen Ätzgas-Erzeugungsbereich, der eine Erregereinrichtung zum Erregen bzw. Anregen der Gase aufweist, mit einem im Unterdruckbehälter in einem Abstand vom Ätzgas-Erzeugungsbereich angeordneten Reaktionsbereich, in den die zu ätzenden
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    Werkstücke einbringbar sind, und mit einer zusätzlichen bzw. Hilfs-Erregereinrichtung für den Eeaktionsbereich.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Erregereinrichtung eine entweder innerhalb oder außerhalb des Reaktionsbereichs angeordnete Elektrode ist, die mit einer für den Ätzgas-Erzeugungsbereich vorgesehenen Elektrode verbunden ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgas-Erzeugungsbereich mit einer Kühleinrichtung versehen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbereich in seinem Inneren mit einer Einrichtung zum Erwärmen der zu ätzenden Werkstücke versehen ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die im Reaktionsbereich zu ätzenden Werkstücke senkrecht zum Ätzgasstrom angeordnet sind.
    Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung mehrere an eine Hochfrequenzenergiequelle angeschlossene Elektroden
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    aufweist, daß das Sauerstoffatome enthaltende Gas gasförmiger Sauerstoff und das Fluoratome enthaltende Gas ein ireongas ist, daß die Menge an gasförmigem Sauerstoff mindestens 1o Vol.-# der Ereongasmenge beträgt, daß der Reaktionsbereich in seinem Inneren ein zylindrisches Element aus Metall und eine Einrichtung zum Erwärmen der zu ätzenden Werkstücke aufweist, daß die im Eeaktionsbereich zu ätzenden Werkstücke senkrecht zum Ätzgasstrom angeordnet sind, daß der Ätzgas-Erzeugungsbereich mit einer Kühleinrichtung versehen ist und daß die Hilfs-Erregereinrichtung eine entweder innerhalb oder außerhalb des Reaktionsbereichs angeordnete Elektrode ist, die mit einer für den Ätzgas-Erzeugungsbereich vorgesehenen Elektrode verbunden ist.
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    ί3
    Leerseite
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