DE2703659A1

DE2703659A1 - Vorrichtung zum aetzen eines werkstuecks unter verwendung eines plasmas

Info

Publication number: DE2703659A1
Application number: DE19772703659
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Horiike; Masahiro Shibagaki; Yasusuke Sumitomo; Shinichi Yamamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1977-08-04
Also published as: DE2703659C2; JPS5339745B2; US4094722A; GB1535458A; JPS5291650A

Description

2703659 Henkel, Kern, Feiler Cr Hänzel Patentanwälte

MöhlstraBe37 D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

28. Januar 1977

Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd.
Kawasaki-shi, Japan

Vorrichtung zum Ätzen eines Werkstücks unter Verwendung eines Plasmas

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ätzvorrichtung und betrifft insbesondere eine Ätzvorrichtung unter Verwendung eines Plasmas.

In jüngster Zeit ist anstelle des Lösungsätzens verbreitet ein Plasmaätzverfahren z.B. unter Verwendung eines im Handel als Freon-Gas bekannten Tetrafluormethan-Gases (CF.) zur Anwendung gekommen. Dieses Plasmaätzverfahren wird für die Hochpräzisionsbearbeitung nicht nur bei polykristallinen Siliziumschichten, Siliziumnitridschichten und Siliziumoxidschichten, sondern auch bei Molybdän- und Wolframschichten angewandt. Dieses bisher übliche Plasmaätzverfahren bietet tatsächlich Vorteile in bezug auf die Verringerung einer Umweltverschmutzung aufgrund der Verwendung von schädlichen Chemikalien, wie Fluorwasserstoffsäure, wie sie beim Lösungsätzen verwendet werden, sowie der Ausschaltung des Erfordernisses für die Ausbildung einer Siliziumoxidschicht zwischen einem Photoresist- bzw. -widerstandsmaterial und einer Siliziumnitridschicht beim Ätzen der letzteren, wodurch auch die Zahl der erforderlichen Arbeite-

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gänge herabgesetzt wird. Das bisher übliche Plasmaätzverfahren ist jedoch auch mit dem Nachteil behaftet, daß ein zu ätzendes Werkstück, z.B. ein in ein Plasma eingesetztes Halbleiterelement, unnötig stark beschädigt werden kann, daß eine unregelmäßige Verteilung von positiven und negativen Fluorionen in einem starken elektrischen und magnetischen Feld zu einem unregelmäßigen Ätzen führt, daß durch die beim Plasmaätzen emittierte Ultraviolettstrahlung die Augen einer den Ätzvorgang überwachenden Bedienungsperson geschädigt werden können und daß es dabei unmöglich ist, das Ätzen kontinuierlich durchzuführen, indem mehrere Werkstücke nacheinander in das Plasma eingebracht und in vollständig geätztem Zustand nacheinander aus dem Plasma herausgenommen werden, so daß der Ätzvorgang sehr unwirtschaftlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Ätzvorrichtung, welche die Vorteile des bisher üblichen Plasmaätzverfahrens beibehält, dessen Nachteile aber vermeidet. Die erfindungsgemäße Ätzvorrichtung stützt sich auf die Tatsache, daß ein geeignetes Gas, z.B. Tetrafluormethan, das durch geladene Teilchen aktiviert ist, seine Ätzwirkung während einer gewissen Zeitspanne nach der Entnahme aus den starken elektrischen und magnetischen Feldern beibehält.

Diese Aufgabe wird bei einer Ätzvorrichtung zum Ätzen eines Werkstücks unter Verwendung eines Plasmas erfindungsgemäß gelöst durch einen Vorrichtungskörper mit einer luftdichten, flachen, hohlen Kammer sowie einer Werkstück-Eingabekammer und einer Ätzkammer, die in waagerechter Richtung voneinander entfernt sind, durch eine in der flachen Kammer angeordnete, in einer waagerechten Ebene drehbare Tragplatte, durch einen auf der Tragplatte angeordneten Werkstückhalter, der beim Drehen der Tragplatte über einen ersten Winkelweg in die Werkstück-Eingabekammer und beim Drehen der Tragplatte über einen zweiten Winkelweg in die Ätzkammer einfUhrbar ist, durch einen Plasmagenerator zum Aktivieren eines einzuleitenden Gases, so daß dieses eine Ätzwirkung erhält, durch Gasstrom-Leitmittel zur Einleitung des aktivierten Gases in die Ätzkammer über dem zu ätzenden Werkstück und zum Absaugen des verbrauchten Gases aus der Ätzkammer unterhalb des zu ätzenden Werkstücks, und durch eine Gasstrom-Leiteinrichtung zur Verhinderung eines Gasstroms aus der Ätzkammer zur Werkstück-Eingabekammer.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer Ätzvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine in den Plasmagenerator gemäß Fig. 2 eingeführte Palette und

Fig. 4 und 5 in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansichten einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung in verschiedenen Arbeitsstufen.

Nachstehend ist anhand der Fig. 1 bis 3 eine Ausführungsform einer kontinuierlich arbeitenden Ätzvorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Plasmas beschrieben.

In der Oberseite eines Auflage-Tisches 10 ist eine große, kreisförmige Vertiefung 11 ausgebildet. Auf der Oberseite des Tisches 10 ist unter Zwischenfügung eines O-Rings 13 ein scheibenförmiger Deckel 12 zur luftdichten Abdichtung der Vertiefung 11 und unter Bildung eines flachen Hohlraums montiert. Der Deckel 12 weist links und rechts seiner Mittelachse zwei symmetrische, kreisförmige öffnungen auf. An der einen öffnung ist unter Zwischenfügung eines O-Rings 16 und unter Luftabschluß eine Haube bzw, ein Verschluß 14 angebracht. An der anderen öffnung ist auf ähnliche Weise unter Zwischenfügung eines O-Rings 17 eine Haube bzw. ein Verschluß 15 angebracht. Der Verschluß ist mit seinem einen Ende mittels eines Scharniers 18 am Deckel 12 befestigt. Erforderlichenfalls kann der Verschluß 14 mittels eines Griffs 19 von Hand hochgeschwenkt und dadurch die öffnung freigegeben werden. Verschluß 14, Scharnier 18, Griff 19 und die erste öffnung bilden zusammen einen Eingabeabschnitt 20 für zu ätzende Werkstücke. In den Mittelteil der Oberseite des anderen Verschlusses 15 mündet das eine Ende eines Gasspeisers 21 ein,

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der gemäß Fig, 2 mit einem Plasmagenerator bzw, einer ein Plasma erzeugenden Vorrichtung 22 verbunden ist, über zwei parallele Elektrodenplatten im Plasmagenerator 22 werden Hochfrequenzwellen_f etwa Mikrowellen, angelegt, um z,B. Tetrafluormethan-Gas (CF₄) und Sauerstoff, die in praktisch gleichem Mengenverhältnis miteinander vermischt sind, zu einem Plasma umzuwandeln, Der bei der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung verwendete Plasmagenerator 22 kann von beliebiger, für den vorgesehenen Zweck an sich bekannter Bauart sein.

Die Oberseite des zweiten Verschlusses 15 ist mit einem Sichtfenster 23 zur Beobachtung des Inneren des Verschlußabschnitts und mit einem Photofühler 24 in Form eines lichtaufnehmenden bzw. lichtempfindlichen Elements aus z.B. Kadmiumselenid (CdSe) zur Bestimmung des Verlaufs des Ätzzustands eines Werkstücks versehen. Auf der vom Verschluß 15 abgewandten, d.h. unteren Seite des Tisches 10 ist ein weiterer luftdichter Verschluß 25 unter Zwischenfügung eines O-Rings 30 montiert. Die beiden Verschlüsse 15, 25 bilden dabei eine Ätzkammer 26. Der in bezug auf die waagerechte Achse der Ätzkammer 26 symmetrisch zum Gasspeiser 21 angeordnete Teil des unteren Verschlusses 25 kommuniziert mit dem einen Ende eines Gasabsaugrohrs 28 einer Vakuumpumpe 27. Im Betrieb der Ätzvorrichtung strömt ein über den Gasspeiser 21 in die Ätzkammer 26 eingeführtes Gemisch aus z.B.Tetrafluormethangas und gasförmigem Sauerstoff nahezu geradlinig nach unten, um über das Absaugrohr 28 abgesaugt zu werden. Der untere Verschluß 25 ist zudem mit einem Vakuummesser 29 zur Bestimmung des in der Ätzkammer 26 herrschenden Vakuums versehen.

Im Mittelteil der inneren flachen Bodenebene der ersten Vertiefung 11 des Tisches 10 ist eine zweite kreisförmige Vertiefung 31 konzentrisch ausgebildet, in welche eine scheibenförmige Auflage 32 lose eingesetzt ist. Der Mittelteil der Unterseite der Auflage 32 ist dabei mit dem oberen Ende einer drehbaren Welle 33

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verbunden, welche den Mittelteil der Unterseite der Bodenwand der zweiten kreisförmigen Vertiefung 31 des Tisches 10 konzentrisch durchsetzt und am Tisch 10 in nicht dargestellten Lagern drehbar gelagert ist. Auf der Oberseite der Auflage 32 ist eine Paletten tragende Drehscheibe 34 konzentrisch befestigt. Der Außendurchmesser dieser Drehscheibe 34 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Vertiefung 11, so daß sie letztere nahezu vollständig ausfüllt und in dieser Vertiefung in einer waagerechten Ebene drehbar ist. Die Drehscheibe 34 ist mit mehreren, bei der dargestellten Ausführungsform vier, kreisförmigen öffnungen 35 versehen, die um ihren Umfang herum auf gleiche Abstände verteilt sind. Jede dieser öffnungen 35, deren Durchmesser etwas kleiner ist als derjenige der Verschlüsse 14 und 15, ist konzentrisch zum betreffenden Verschluß angeordnet, wenn sie sich unmittelbar unter diesem befindet. Längs des Umfangs der öffnung 35 ist ein abgestufter Abschnitt 36 ausgebildet, so daß die noch zu beschreibende Palette

38 so gehaltert werden kann, daß sie die gesamte öffnung 35 verschließt. Um jede öffnung 35 der Drehscheibe 34 herum sind zahlreiche Durchgangsbohrungen 37 vorgesehen. Die in jeder öffnung 35 gehalterte Palette 38 besitzt die in Fig, 3 gezeigte Kreisform. Um die Bereiche der Palette 38 herum, auf welche jeweils ein Halbleiterplättchen

39 aufgelegt wird, sind jeweils zahlreiche kleine Durchgangsbohrungen 38a ausgebildet, die zusammen mit den kleinen Durchgangsbohrungen 37 in der Drehscheibe 34 einen Gaskanal bilden, der zwischen Ober- und Unterseite der Drehscheibe 34 verläuft. Um die gesamte Innenumfangswand der durch den zweiten und den dritten Verschluß 15, 25 gebildeten Ätzkammer 26 herum ist ein zylindrischer Gaslei trand oder -schürz 40 angebracht, dessen Unterkante sich ein kleines Stück über der Oberseite der Drehscheibe 34 befindet. Gemäß Fig. 2 ist der Gasleitrand 40 von den Durchgangsbohrungen der Drehscheibe 34 auf Abstand angeordnet. Durch diese Anordnung wird verhindert, daß das über/jen Gasspeiser 21 in die Ätzkammer 26 eingeleitete und durch die geladenen Teilchen aktivierte Gas über einen Spalt zwischen der Drehscheibe 34 und dem scheibenförmigen Deckel 12 zu einer anderen Palette 38 als der in der Ätzkammer 26 angeordneten geleitet wird. Zur zuverlässigen Abschirmung des Gasstroms

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beträgt der Abstand zwischen der Unterkante des Gasleitrands und der Drehscheibe 34 vorzugsweise etwa 0,5 -1,0 nun. Zur effektiven Abschirmung des Gasstroms sollten der Abstand zwischen der Oberseite des Tisches 10 einerseits und der Auflage 32 sowie der Unterseite der Drehscheibe 34 andererseits sowie der Abstand zwischen der Oberseite der Drehscheibe 34 und der Unterseite des Deckels vorzugsweise möglichst klein sein.

Die Bauteil der Ätzvorrichtung, z.B. der TischJIO, der Deckel 12, die Verschlüsse 15 und 25, die Drehscheibe 34 und derjfeylindrische Gasabschirmrand 40 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff, wie rostfreiem Stahl oder Aluminium, der durch das Atzgas nur wenig korrodiert wird und ein Arbeiten mit hoher Präzision zuläßt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise einer Ätzvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau erläutert. Zunächst wird der Verschluß 14 der Kammer zur Aufnahme eines zu ätzenden Werkstücks geöffnet, um beispielsweise ein Halbleiterplättchen 39 auf eine der Paletten 38 aufzulegen, die in jeder der vier öffnungen 35 gem. Fig. 3 angeordnet sind. Sodann wird die Drehscheibe 34 mittels der drehbaren Welle 33 von Hand oder mit Hilfe eines geeigneten Antriebs, z.B. eines Schrittschaltmotors gedreht, bis eine in einer vorgegebenen öffnung 35 befindliche Palette in eine Kammer gebracht worden ist, in welche das Halbleiterplättchen 39 eingebracht ist, so daß letzteres auf die Palette 38 übertragen wird. Der beschriebene Vorgang wird wiederholt, um die Halbleiterplättchen 39 auf alle Paletten oder auf mehr als die Hälfte der Paletten aufzulegen. Unter diesen Bedingungen wird das Ätzen des Halbleiterplättchens 39 eingeleitet. Vor dem Ätzen wird die Ätzkammer 26 auf einen vorgeschriebenen Unter-

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druck von z.B. 10 bis 10 Torr evakuiert. Hierauf wird der Plasmagenerator 22 zum Aktivieren des Freon-Gases und des gasförmigen Sauerstoffs betätigt. Ein aktiviertes Gemisch aus diesen Gasen wird über den Gasspeiser 21 von oben her in die Ätzkammer eingeführt und von unten her durch die Vakuumpumpe 27 über das Gasabsaugrohr 28 aus der Ätzkammer 26 abgesaugt. Die auf der Palette 38 befindlichen Halbleiterplättchen 39 werden durch das

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genannte aktivierte Gasgemisch geätzt, das praktisch lotrecht vom Gasspeiser 21 zum Gasabsaugrohr 28 strömt. Zur Ermöglichung der lotrechten Strömung des aktivierten Gasgemisches ist die Palette 38 mit einer großen Zahl kleiner Durchgangsbohrungen 38a versehen, während die Drehscheibe 34 ebenfalls eine große Zahl von kleinen Durchgangsbohrungen 37 aufweist. Wie erwähnt, ist zudem der Gasleitrand 40 vorgesehen, der ein Abweichen des Gasgemisches von der vorgesehenen Strömungsbahn verhindert. Im Gegensatz zum bisher üblichen Ätzen durch starke elektrische und magnetische Felder allein führt das erfindungsgemäß erfolgende Ätzen mit z.B. dem genannten aktivierten Gasgemisch, das aus starken elektrischen und magnetischen Feldern entnommen worden ist, zu keinem übermäßigen Anätzen des Halbleiterplättchens und zu keinem unregelmäßigen Ätzen. Außerdem erfährt eine Bedienungsperson, welche den Verlauf des Ätzvorgangs an einem Werkstück durch das Sichtfenster 23 hindurch beobachtet, keine Schädigung ihrer Augen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ätzvorrichtung ist die Kammer, in welche ein zu ätzendes Werkstück eingebracht wird, nicht vollständig gegenüber der Ätzkammer 26 abgeschlossen. Wenn die Bedienungsperson daher ein neues Werkstück in die Aufnahmekaituner einbringt, während das vorhergehende Werkstück in derÄtzkammer 26 geätzt wird, ist die Bedienungsperson zeitweilig der schädlichen chemischen Wirkung des aktivierten Gasgemisches ausgesetzt. Wenn daher ein kontinuierlicher Ätzvorgang durchgeführt werden soll, indem nacheinander mehrere Werkstücke eingebracht werden, während das vorhergehende Werkstück geätzt wird, müssen die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Zusatzausrüstungen hinzugefügt werden.

Gemäß Fig, 4 ist ein mit einem nicht dargestellten Kompressor verbundenes Rohr 50 vorgesehen, dessen Innenende mit einem von der öffnung 51 des Tisches 10 her in die Vertiefung 11 eingesetzten Balgen 52 verbunden ist. Das obere Ende des Balgens 52 ist durch eine Stirn- oder Endplatte 53 luftdicht abgedichtet. Die Oberseite der Endplatte 53 ist an die Unterseite einer Paletten-Tragscheibe 54 angepaßt, deren Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der öffnung oder Bohrung 35 der

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Drehscheibe 34. Bei nicht in Betrieb befindlicher Ätzvorrichtung wird die Tragscheibe 54 in die öffnung 35 der Drehscheibe 34 eingesetzt. Wenn ein zu ätzendes Werkstück in die Ätzvorrichtung gemäß Fig. 4 mit dem beschriebenen Aufbau eingebracht wird, wird von dem nicht dargestellten Kompressor her Druckluft in den Balgen 52 eingeblasen, wodurch die Tragscheibe 54 auf die in Fig. 5 gezeigte Weise lotrecht angehoben und der obere Umfangsrand einer Palette 38 gegen die Unterseite des scheibenförmigen Deckels 12 angepreßt und infolgedessen der Innenraum des Verschlußabschnitts 14 gegenüber der Vertiefung 11 des Tisches 10 luftdicht abgeschlossen wird. In diesem Zustand kann der Verschluß 14 zum Auflegen eines zu ätzenden Werkstücks 39 auf die Palette 38 geöffnet werden. Nach dem Schließen des Verschlusses 14 werden die inneren Teile der Ätzvorrichtung wieder in den Zustand gemäß Fig. 4 zurückgeführt. Hierauf wird die Drehscheibe 34 der Ätzvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 gedreht, um die folgenden Arbeitsgänge durchzuführen.

Bei der beschriebenen Ätzvorrichtung wird als Ätzmittel ein Gemisch aus Tetrafluormethan (CF.) - im Handel als Freon-Gas bekannt - und gasförmigem Sauerstoff verwendet, das durch geladene Teilchen aktiviert worden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Plasma-Art beschränkt. Weiterhin kann ein zu ätzendes Werkstück unmittelbar auf den drehbaren Tragtisch 10 aufgelegt werden, ohne daß die Palette 38 verwendet zu werden braucht, und das Auflegen kann auch mit Hilfe beliebiger anderer Einrichtungen erfolgen. Bei Verwendung der Palette 38 braucht nicht in jedem Fall der abgestufte Abschnitt im Umfang der betreffenden öffnungen 35 des drehbaren Tisches 10 vorgesehen zu sein« Außerdem braucht auch die öffnung 35 nicht unbedingt eine Kreisform zu besitzen.

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Claims

Patentansprüche

/ 1. !Ätzvorrichtung zum Ätzen eines Werkstücks unter Verwendung eines Plasmas, gekennzeichnet durch einen Vorrichtungskörper mit einer luftdichten, flachen, hohlen Kammer (11) sowie einer Werkstück-Eingabekammer und einer Ätzkammer (26), die in waagerechter Richtung voneinander entfernt sind, durch eine in der flachen Kammer angeordnete, in einer waagerechten Ebene drehbare Tragplatte (10), durch einen auf der Tragplatte angeordneten Werkstückhalter (z.B. 38), der beim Drehen der Tragplatte über einen ersten Winkelweg in die Werkstück-Eingabekammer und beim Drehen der Tragplatte über einen zweiten Winkelweg in die Ätzkanuner einführbar ist, durch einen Plasmagenerator (22) zum Aktivieren eines einzuleitenden Gases, so daß dieses eine Ätzwirkung erhält, durch Gasstrom-Leitmittel (21, 28) zur Einleitung des aktivierten Gases in die Ätzkammer über dem zu ätzenden Werkstück (39) und zum Absaugen des verbrauchten Gases aus der Ätzkammer unterhalb des zu ätzenden Werkstücks, und durch eine Gasstrom-Leiteinrichtung (40) zur Verhinderung eines Gasstroms aus der Ätzkanuner zur Werkstück-Ei ngabekammer.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtungskörper einen Tisch, in dessen Oberseite eine kreisförmige Vertiefung ausgebildet ist, und einen auf die Oberseite des Tisches aufgesetzten Deckel aufweist, wobei Vertiefung und Deckel gemeinsam die hohle Kammer bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet; daß der Deckel mit einem ersten Verschluß versehen ist, der zum Einbringen eines zu ätzenden Werkstücks in die Werkstück-Eingabekammer betätigbar ist, daß der Deckel zudem mit einem zweiten Verschluß versehen ist, daß der Tragtisch einen dritten Verschluß aufweist und daß der zweite und der dritte Verschluß einander zugewandt sind, so daß sie den Ober- und Unterteil der Ätzkanuner bilden.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrom-Leitmittel einen Gasspeiser, dessen eines Ende mit der Oberseite des zweiten Verschlusses und dessen anderes Ende mit dem Plasmagenerator verbunden ist, ein Gasabsaugrohr, dessen eines Ende mit der Unterseite des dritten Verschlusses verbunden ist, und eine große Zahl von im drehbaren Tragtisch ausgebildeten Bohrungen zur Führung eines Gasstroms vom zweiten zum dritten Verschluß aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückhalter eine in der Nähe des Umfangs der drehbaren Tragplatte vorgesehene Aufnahmeöffnung und eine zux Abdeckung der Öffnung angeordnete Palette aufweist, die um das auf sie aufgelegte Werkstück herum mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen versehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die drehbare Tragplatte am Umfang ihrer Aufnahmeöffnung einen abgestuften Abschnitt zur Halterung des Umfangsrands der in die Aufnahmeöffnung eingesetzten Palette aufweist,
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Gasstrom-Leiteinrichtung einen um die gesamte Innenumfangswand der Ätzkammer herum vorgesehenen Rand bzw, Schurz aufweist, dessen Unterkante etwas über dem drehbaren Tragtisch liegt.

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