DE2703659C2 - Ätzvorrichtung zum Ätzen eines Objekts unter Verwendung von Plasma - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ätzvorrichtung zum Ätzen eines Objekts unter Verwendung von Plasma nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In letzter Zeit .vird anstelle des Ätzens mittels Lösungen vermehrt das Plasmaätzen z. -">. mit einem im Handel als Freon-Gas bekannten Tetrafluormethan-Gases (CF₄) eingesetzt. Dieses Plasmaätz ;> wird für die sehr genaue Bearbeitung nicht nur bei polykristallinen Siliziumschichten, Siiiziumnitridschichten und Siliziumoxidschichten, sondern auch bei Molybdän- und Wolframschichten verwendet.

Das bisher übliche Plasmaätzen bietet tatsächlich Vorteile hinsichtlich einer Verringerung der Umweltverschmutzung aufgrund der Verwendung von schädlichen Chemikalien, wie Fluorwasserstoffsäure, die ais Ätzlösungen verwendet werden, sowie die 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 Arbeitsgänge herabgesetzt wird. Das bisher übliche Plasmaätzen ist jedoch auch mit dem Nachteil behaftet, daß ein zu ätzendes Werkstück, z. B. ein in ein Plasma eingesetztes Halbleiterbauelement, 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. Dies gilt für die aus »Japan Journal of Applied Physics«, Bd. 12, 1973, Nr. 1, Seiten 154 und 155, bekannte Ätzvorrichtung, bei der ein in einer Ätzkammer zu deren Achse in bestimmter Weise ausgerichtetes Objekt unmittelbar mit einem in der Kammer erzeugten Plasma beaufschlagt wird, um mit dem Objekt eine einen Ätzvorgang bildende chemische Reaktion einzugehen.

Aus der US-PS 34 10 776 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine nicht-gasförmige Substanz in einer Probenkammer zur chemischen Änderung mit einem Gas beaufschlagt wird, das zu einem Plasma aktiviert ist. Die Reaktion zwischen dem Plasma und der mit diesem zu behandelnden Substanz soll ohne Entfernen von Material dieser Substanz und ohne nennenswerten Verlust an gewünschtem Reaktionsprodukt durchführbar sein, wobei die Substanz in der Probenkammer zur Durchführung der Reaktion möglichst nahe dem Plasmagenerator angeordnet wird. Aus diesem Grund ist eine etnzige Probenkammer vorgesehen, die aus zwei L-förmig zusammengesetzten, ineinander übergehenden Kamrnerabschnitten besteht, wobei der dem vertikalen Schenkel des Buchstaben L entsprechende Kammerabschnitt den Plasmagenerator darstellt, während der sich

ίο horizontal erstreckende andere Kammerabschnitt den Reaktionsraum darstellt und einen Gasabzug aufweist, so daß hier Plasmagen srator und Reaktionskammer voneinander räumlich getrennt sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ätzvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein regelmäßiges Ätzen durchführbar ist

Diese Aufgabe wird bei einer Ätzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

Die erfindungsgemäße Ätzvorrichtung verwendet also zwar ein Plasma zum Ätzen, doch wird dieses Plasma nicht in der Ätzkammer erzeugt, sondern in einem Plasmagenerator und gelangt in die Ätzkammer, wenn noch hinlänglich aktivierte Teilchen vorhanden sind, um die Ätztätigkeit durchzuführen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein geeignetes Gas, z. B. Tetrafluormethan, das durch geladene Teilchen aktiviert ist, seine Ätzwirkung während einer gewissen Zeitspanne nach der Entnahme aus starken elektrischen und magnetischen Feldern beibehält.

Durch die bei der erfindungsgemäßen Ätzvorrichlung vorgesehene Zu- und Abfuhr des Ätzgases wird ein unregelmäßiges, das Objekt beschädigendes Ätzen vermieden.

Im folgenden sind bevorzugte Atssführui jsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer Ätzvorrichtung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch die Vorrichtung gemäß F i g. 1, F i g. 3 eine Aufsicht auf eine in die Vorrichtung gemäß F i g. 2 eingeführte Palette, und

F i g. 4 und 5 in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansichten eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Ätzvorrichtung in verschiedenen Arbeits- stufen.

Nachstehend ist anhand der Fig. 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel einer kontinuierlich arbeitenden Ätzvorrichtung 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 ein haubenförmiger Verschluß ¹A angebracht. An der anderen Öffnung ist auf ähnliche Weise unter Zwischenfügung eines O-Rings 17 ein haubenförmiger Verschluß 15 angebracht. Der Verschluß 14 ist mit sei- ■ nem 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 Objekte. In den Mittelteil de- Oberseite des anderen Verschlusses 15 mündet das eine Ende eines Giasspeisers 21 ein, der gemäß F i g. 2 mit einem Plasmagenerator 22 verbunden ist Ober zwei parallele Elektrodenplatten im Plasmagenerator 22 werden Hochfrequenzwellen, 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 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 lichtempfindlichen Elements aus z. B. Kadmiumselenid (CdSe) zur Bestimmung Jes Verlaufs des Ätzzustands eines Objekts 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. Tetrafluonmethangas 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 Vertief· .ng 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 verbunden, welche den Mittelteil der Unterseite der Bodenwand der rweiten kreisförmigen Ve-tiefung 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 die letztere nahezu vollständig ausfüllt und in dieser Vertiefung in einer waagerechten Ebene drehbar ist. Die Drehscheibe S4 ist mit mehreren, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier, kreisförmigen öffnungen 35 versehen, die um ihren Umfang herum auf gleiche Abstände verteilt sind, [ede dieser Öffnungen 35, deren Durchmesser etwas kleiner ist als derjenige der Verschlüsse 14 und 15, ist konzentrisch zum betreffenden Verschluß angeordnet, wenn sie sieh unmittelbar unter diesem befindet. Längs des Umfangs der Öffnung 35 ist ein abgestufter Abschnitt 36 ausgebildet, so daß eine als Objektträger dienende Palette 38 so gehaltert werden kann, daß sie die gesamte Öffnung 35 verschließt. Um jede Ölfnung 35 der Drehscheibe 34 herum sind zahlreiche Durchg?ngsbohrungen 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 Halbleiterplattchen 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 Gasleitrand 40 angebracht, dessen Unterkante sich ein kleines Stück über der Oberseite der Drehscheibe 34 befindet Gemäß F i g. 2 ist der Gasleitrand 40 von den Durchgangsbohrungen 37 der Drehscheibe 34 im Abstand angeordnet Durch diese Anordnung wird verhindert, daß das über den 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 Gasstrom^ beträgt der Abstand zwischen der Unterkante des Gasieitrands 40 und der Drehscheibe 34 vorzugsweise etwa 0,5— 1,0 mm. Zur effektiven Abschirmung des Gasstroms sollten der Abstand zwischen der Oberseite des Tisches 10 einerseits unu der Auflage 32 sowie der Unterseite der Drehscheibe 34 andererseits sowie der Abstand zwischen der Oberseite der Drehscheibe 34 und der Unterseite des Deckels 12 möglichst klein sein.

Die Bauteile der ätzvorrichtung, z. B. Jer Tisch 10, der Deckel 12, die Verschlüsse 15 und 25, die Drehscheibe 34 und der zylindrische Gasabschirmrand 40 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff, wie rostfreiem Stahl oder Aluminium, der durch das Ätzgas nur wenig korrodiert wird und ein Arbeiten mit hoher Präzision zuläßt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ätzvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau erläutert. Zunächst wird der Verschluß 14 der Kammer zur Aufnahme eines zu ätzenden. Werkstücks geöffnet, um beispHsweise ein Halbleiterplättchen 39 auf eine der Paletten 38 aufzulegen, die in jeder der vier Öffnungen 35 gemäß Fig. 3 angeordnet sind. Sodann wird die Drehscheibe 34 mittels der drehbaren Welle 33 von Hand oder mit Hilfe eines geeigneten Antriebs, z. P.. 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 Platte 38 übertragen wird. Der beschriebene Vorgang wird wieso derholt, um die Halbleiterplättchen 39 auf alle Paletten oder auf mehr als die Hälfte der Paletten aufzulegen. Unter diesen Bedingungen wird das Ätzen des Halbleitcrplattchens 39 eingeleitet. Vor dem Ätzen wird die Ätzkammer 26 auf einen vorgeschriebener Unterdruck von z.B. 133 ■ 10~⁴ Pa bis 133 · 10-⁴Pa evakuiert. Hierauf wird der Plasmagenerator 22 zum Aktivieren des Freoii-Gases und des gasförmigen Sauerstoffs betätigt. Ein aktivierte- Gemisch aus diesen Gasen wird über den Gasspeiser 21 von oben her in die Ätzkammer 26 eingeführt und von unten her durch die Vakuumpumpe 27 über das Gasabsaugrohr 28 aus der /Mzkammer 26 abgesaugt. Die auf der Palette 38 befindlichen Halbleiterplättchen 39 werden durch das genannte aktivierte Gasgemisch geätzt, Jas 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 Drehschei-

be 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 dieses Ätzen mit z. B. dem genannten aktivierten Gasgemisch, das aus starken elektrischen und magnetischen Feldern entnommen worden ist, zu keinem über- $ mäßigen Anätzen des Halbleiterplättchens und zu kei- to

nem unregelmäßigen Ätzen. Außerdem erfährt eine Bedienungsperson, welche den Verlauf des Ätzvorgangs an einem Objekt durch das Sichtfenster 23 hindurch beobachtet, keine Schädigung ihrer Augen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ätzvorrichtung ist die Kammer, in welche ein zu ätzendes Objekt eingebracht wird, nicht vollständig gegenüber der ÄtzkamfiiCr λ,\λ uLTgCSCiitOssen. trenn uic LfCuiCfiüicgspcrscn uS her ein neues Objekt in die Aufnahmekammer einbringt, während das vorhergehende Objekt in der Ätzkammer 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 Objekte eingebracht werden, während das vorhergehende Objekt 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 Drehscheibe 34. Bei nicht in Betrieb befindlicher Ätzvorrichtung wird die Tragscheibe 54 in die Öffnung 35 der Drehscheibe 34 eingesetzt Wenn ein zu ätzendes Objekt 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 F i g. 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 Objektes 39 auf die Palette 38 geöffnet werden. Nach dem Schließen des Verschlusses 14 werden die inneren Teile der Ätzvorrichtung wieder in den Zustand gemäß F i g. 4 zurückgeführt Hierauf wird die Drehscheibe 34 der Ätzvorrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 gedreht um die folgenden Arbeitsgänge durchzuführen.

Bei der beschriebenen Ätzvorrichtung wird als Ätzmittel ein Gemisch aus Tetrafluormethan (CF4) — im Handel als Freon-Gas bekannt — und gasförmigem Sauerstoff verwendet das durch geladene Teilchen aktiviert worden ist Es kann ein zu ätzendes Objekt unmittelbar auf den drehbaren Tragtisch 34 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ätzvorrichtung zum Ätzen eines Objekts unter Verwendung von Plasma, mit einem eine Atzkammer aufweisenden Gerätekörper, einem in der Ätzkammer angeordneten und für die Aufnahme eines Objekts in einer horizontalen Stellung vorgesehenen Objektträger, und mit einem Plasmagenerator zum Aktivieren des in die Ätzkammer einzuführenden Ätzgases, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberseite (15) der Atzkammer (26) ein Gasspeiser (21) für die Zuführung des aktivierten Gases oberhalb des zu ätzenden Objekts, an der Unterseite (25) der Ätzkammer (26) ein Gasabsaugrohr (28) für das Absaugen des Gases und im Bereich des Objektträgers (38) Durchtrittsöffnungen (38a, 37) für die vertikale Gasströmung vorgesehen sind.

2. Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzkammer (26) einen die vertikale Gasströmung stabilisierenden Gasleitrand (40) aufweist