DE2708720C2 - Plasmaätzreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaätzreaktor nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.

Solche Plasmaätzreaktoren sind bereits bekannt (DE-OS 22 41 229).

Bei bereits seit längerem bekannten Plasmareaktoren konzentriert sich der Ionisierungsstrom, analog der elektrischen Stromverdrängung in metallischen Leitern zur Oberfläche, in Richtung zu den Kammerwänden hin. Im Plasmareaktor werden die das Plasma bildenden ionisierten und angeregten Elemente hauptsächlich in den Bereichen erzeugt, in welchen ein Stromdurchgang auftritt. In den gleichen Bereichen kommt es zur Erzeugung sichtbaren Lichts als Gas- oder Glimmentladung, die auf dem Zerfall verschiedener Elemente in den verschiedenen elektronischen Anregungszuständen beruht. Die Lebensdauer einiger elektronischer Anregungszustände ist offensichtlich so kurz, daß den entsprechenden Elementen keine ausreichende Zeit verbleibt, aus dem Bereich, in welchem sich der Strom konzentriert, auszudiffundieren. Daher hat es sich gezeigt, daß Reaktionen wie das Ätzen von Aluminium od. dgl. nur innerhalb des Glimmentladungsbereichs ausgeführt werden können. Wenn die Glimmentladung jedoch nur im Bereich der Reaktorwände auftritt, läßt sich nur ein ganz geringer Bereich der Reaktionskammer zur Behandlung ausnutzen.

Um eine bessere Verteilung der Ätzrate möglichst über die ganze Fläche des plattenförmigen Substratträgers zu erreichen, wurde bei dem eingangs genannten Plasmaätzreaktor innerhalb der Reaktorkammer eine von einem geerdeten Schirm umgebene glockenförmige Elektrode angeordnet, die in ihrer Randzone mit einem auf gleichem Potential wie die Elektrode liegenden Vorsprung versehen ist, der den Raum zwischen der Elektrode und der plattenförmigen als Werkstückträger dienenden Gegenelektrode bis auf einen Spalt überbrückt, aus dem die zwischen den Elektroden auftretende Glimmentladung nicht austreten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Plasmaätzreaktor der eingangs genannten Art eine gleichmäßige Verteilung des lonisierungsstroms und der ίο Glimmentladung des Plasmas auch dann zu ermöglichen, wenn die Elektroden als ebene Platten ausgebildet sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Mittel gelöst.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer insbesondere zum Ätzen von Aluminium geeigneten Vorrichtung der beschriebenen Art.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer zum Behandeln von Plättchen geeigneten Vorrichtung der beschriebenen Art.

F i g. 3 zeigt im Aufrißquerschnitt im vergrößerten Maßstab einen Teil eines zur Behandlung in der Vorrichtung nach F i g. 2 geeigneten Plättchens.

Entsprechend F i g. 1 weist die Vorrichtung zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordnete, allgemein planar ausgebildete Elektroden 11 und 12 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, weiche parallel zueinander ausgerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform bilden die Elektroden Boden- und Deckenwand einer Kammer 13, die außerdem eine zylindrische Seitenwand 14 aus einem isolierenden Werkstoff wie z. B. Quarz aufweist. Die Elektrode 11 ist abnehmbar am oberen Bereich der Seitenwand 14 befestigt und gestattet somit den Zugang zur Kammer 13.

Die Einspeisevorrichtung für Reaklionsgas in die Kammer 13 besieht aus einem Gaseinlaßstutzen 16 mit einem Ventil 17, sowie einer mit einem Gasauslaßstutzen 19 verbundenen Vakuumpumpe 18. Entsprechend der hier dargestellten Ausführungsform sind Einlaß- und Auslaßstutzen auf entgegengesetzten Kammerseiten an der Seitenwand 14 befestigt; sie können jedoch auch an anderer Stelle der Kammer wie z. B. an der Elektrode 11 angeordnet sein. Geeignetes Reaktionsgas zum Ätzen von Werkstücken aus z. B. Aluminium sind Chlor und chlorierte Kohlenwasserstoffe, wobei besonders gute Ergebnisse mit Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄) erhalten werden. Zum Ätzen von Siliziumverbindungen und anderen Werkstoffen sind CF₄, CHFj und andere fluorierte Verbindungen geeignet.

Der Durchsatz an Reaktionsgas wird so eingestellt, daß das Gas während einer Optimalzeit innerhalb der Kammer verbleibt, während welcher es zu einem Ausgleich an Ausbildung und Zerfall der aktiven Elemente kommt, welche das Ätzen bewirken, wobei diese Zeit jedoch kurz genug bemessen ist, um zu vermeiden, daß Reaktionsnebenprodukte den Reaktionsablauf inhibieren. Bei Verwendung von CCU werden mit einer Verweilzeit in der Größenordnung von V25 see besonders zufriedenstellende Ergebnisse erhalten. Wenn die Reaktionskammer ein Fassungsvermögen von 300 cm³ aufweist, wird dieser beispielsweise CCI4 in einem Durchsatz in der Größenordnung von 40 bis 70 cm³ pro Minute unter atmosphärischem Druck zugeführt, wobei die Vakuumpumpe 18 das innerhalb

der Kammer befindliche Gas mit einem Durchsalz von 7500 cmVsec absaugt, so daß sich eine Verweilzeit von

300 cm-

7500 cmVsec

oder V25 see und ein Druck in der Größenordnung von 0,1 Torr innerhalb der Kammer 13 einstellt Mit weiche zu entfernende Bereiche der Aluminiumschicht freigelegt werden.

Zum Ätzen des Aluminiums wird ein Oxidationsglas wie z. B. Sauerstoff oder Luft oder ein Reduktionsgas wie z. B. Wasserstoff in die Kammer 13 eingeleitet Dazu ist ein Gaseinlaßstutzen 38 über ein Ventil 39 mit der Seitenwand 14 verbunden, durch zusätzliches Einleiten eines Oxidationsgases kommt es zur Anhäufung sauerstoffhahiger Aluminiumverbindungen an der freiliegenden Aluminiumoberfläche; diese Aluminiumverbindungen verhindern ein Hinterschneiden der Aluminiumschicht. Bei Einleitung eines wasse-stoffhaltigen Gases bilden sich auf den freiliegenden Oberflächen der Aluminiumschicht Aluminiumhydride aus; diese Aluminiumverbindungen verhindern gleichfalls ein Hinterschneiden der Aluminiumschicht. Luft hat sich als besonders geeignet erwiesen, da sie sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff enthält.

Vermittels (nicht dargestellter) Heizvorrichtungen werden die Elektroden auf vorbestimmter Temperatur gehalten. Die Heizvorrichtungen können von beliebiger Beschaffenheit sein und halten beim Ätzen von Aluminium die Elektroden 11, 12 auf einer Temperatur im Bereich von 75 -125° C bzw. 75 -135° C.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung beim Ätzen einer Aluminiumschicht 31 auf einem Halbleiterplättchen 27 ist folgende: Das Plättchen 27 und die dielektrische Platte 26 werden in die Kammer 13 eingebracht, und die Elektroden 11, 12 auf einer Temperatur im Bereich von 75-125° C bzw. 75-135° C gehalten. Zunächst sind die Ventile 17 und 39 geschlossen, und vermittels der Vakuumpumpe 18 wird der Druck innerhalb der Kammer auf einen wesentlich unter 0,1 Torr liegenden Ausgangsdruck abgesenkt. Dann wird das Ventil 17 geöffnet und Reaktionsgas in die Kammer in einem Durchsatz von z. B. 49 bis 70 cmVmin eingeleitet, wodurch der Druck innerhalb der Kammer auf einen Arbeitsdruck in der Größenordnung von 0,1 Torr ansteigt. Dann werden die Elektroden erregt, ionisieren das Gas und bilden ein Plasma aus, welches den Äti Vorgang bewirkt. Wie oben beschrieben, ist die Glimmentladung gleichförmig zwischen den Elektroden verteilt, und das Plättchen kann an beliebiger Stelle innerhalb des Elektrodenzwischenraums angeordnet sein.

Der Ätzvorgang verläuft besonders günstig, wenn das Ätzen taktweise ausgeführt und die Ansammlung sauerstoffhaltiger Elemente auf den freiliegenden Aluminiumoberflächen zwischen den Ätzperioden zugelassen wird. Anzahl und Länge der Ätzperioden sind abhängig von der Stärke der zu entfernenden Aluminiumschicht und dem Anteil anderer Stoffe im Aluminium. Mit den meisten Halbleiterplättchen werden zufriedenstellende Ergebnisse mit drei bis fünf Ätzperioden von jeweils 3 bis 3'Λ nun Dauer erzielt.

Bei periodischem Ätzen wird der Ionisierungsstrom während 3 bis 3'/2 min aufrecht erhalten, und dann abgeschaltet, wobei das Ventil 17 gleichzeitig geschlossen wird, um den Eintritt von weiterem Reaktionsgas in die Kammer zu verhindern. Die Vakuumpumpe 18 bleibt so lange in Betrieb, bis der Druck innerhalb der Kammer auf den Ausgangsdruck unter 0,08 Torr abgesenkt worden ist, wonach die Pumpe abgeschaltet wird. Dann wird das Ventil 39 geöffnet so daß Luft oder ein anderes Oxidationsgas in die Kammer eintreten kann. Luft wird in einem entsprechenden Durchsatz und während einer Zeitdauer zugeführt, die so bemessen sind, daß sich sauerstoffhaltige Elemente auf den Drücken im Bereich von 0,05 bis 0,5 Torr werden besonders zufriedenstellende Ergebnisse erhalten.

Zur Erregung der Elektroden 11, 12 zwecks Ausbildung eines elektrischen Feldes, durch welches das Gas innerhalb der Kammer 13 ionisiert wird, ist ein Hochfrequenzgenerator 21 vorgesehen, welcher über Leitungen 22, 23 mit den Elektroden 11, 12 verbunden ist Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz in der Größenordnung von 13,65 MHz und liefert eine Leistung von größenordnungsmäßig 50 Watt, wobei diese Werte jedoch nur als Beispiel anzusehen sind und auch andere Frequenzen und Ausgangsleistungen verwendet werden können.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung und Plasmaionisierung im ganzen Bereich zwischen den Elektroden wird eine in Reihe mit dem Plasma geschaltete Verteilerimpedanz vorgesehen. Diese Verteilerimpeoanz wird im Vergleich zur Plasmaimpedanz groß gemacht, so daß der Strom durch die Mitte des Plasmas im wesentlichen gleich hoch ist wie der Strom in den äußeren Plasmabereichen. Da die Impedanz eines Strompfads durch die Mitte des Plasmas klein ist im Vergleich zu der eines Strompfads von der Mitte zur Kammeraußenwand, ist die Stromverteilung innerhalb des ganzen Plasmas ebenfalls im wesentlichen gleichförmig.

Bei Verwendung kreisrunder Elektroden mit einem Durchmesser von 20,3 cm, an die eine Leistung von 50 Watt angelegt ist, werden beim Ätzen von Aluminium zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn der Elektrodenabstand 2,5 cm oder weniger beträgt und zur Erzielung besonders guter Ergebnisse insbesondere bei etwa 1,0 cm liegt. Allgemein gilt, daß der Elektrodenabstand wesentlich kleiner sein sollte als der Elektrodendurchmesser, wobei das Verhältnis von Elektroden durchmesser zu Elektrodenabstand bevorzugt wenigstens 3 : 1 beträgt.

In der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein dielektrischer Körper in Form einer Platte 26 auf die Elektrode 12 gelegt und dient als Verteilerimpedanz. Geeignete Dielektrika sind Quarz, Pyrexglas und andere Glasarten, und gute Ergebnisse werden Pyrexglasplatten in einer Stärke von etwa 0,16 cm erhalten. Das Dielektrikum bewirkt nicht nur eine Verteilung des Ionisierungsstroms über den ganzen Plasmabereich, sondern scheint auch zu bewirken, daß ein Teil des lonisierungsstroms durch ein Plättchen oder ein anderes im Plasmabereich befindliches Werkstück hindurchgeht.

Auf die Platte 26 des Werkstücks ist ein Halbleiterplättchen 27 aufgelegt Die gegenseitige Lage von Dielektrikum und Plättchen sind nicht kritisch, und es kommt lediglich darauf an, daß diese hinter- bzw. übereinander im Elektrodenzwischenraum angeordnet sind. So kann das Dielektrikum an der oberen Elektrode, und das Plättchen unmittelbar auf der unteren Elektrode angeordnet sein.

Das Plättchen 27 hat die Form eines Substrats 28 aus Halbleiterwerkstoff, in welchem in der bei Halbleiterelementen üblichen Weise Fremdstoffbereiche ausgebildet

sind. Eine Siliziumdioxidschicht 29 überlagen die Unterlage und trägt ihrerseits eine Aluminiumschicht 31. Auf der Aluminiumschicht ist eine Photoresistschicht 32 ausgebildet, und diese weist »Fenster« 33 auf, durch freiliegenden Aluminiumoberflächen ansammeln können. Wenn die Kammer ein Fassungsvermögen in der Größenordnung von «300 cm³ aufweist, werden gute Ergebnisse mit einem Luftdurchsatz von 300 cmVmin und einer Einlaßdauer von 45 Sekunden erhalten. Nach dem Einleiten von Luft wird das Ventil 39 wieder geschlossen und die Vakuumpumpe 18 angeschaltet, um den Druck innerhalb der Kammer auf den Druckausgangswert herabzusetzen. Das Ventil 17 wird wieder geöffnet, und die Elektroden werden von neuem erregt, so daß der nächste Ätztakt ausgeführt werden kann.

Beispie!

Es wurde eine Aluminiumschicht in einer Stärke in der Größenordnung von 10 000 Ä in drei Taktperioden von einem Halbleiterplättchen entfernt, wobei jede Ätzperiode 3V₂ min, und die Oxidationsperiode 45 Sekunden dauerte. Die Kammer wies ein Fassungsvermögen von etwa 300 cm³ auf, und als Reaktionsgas wurde CCU verwendet, wobei die Verweilzeit bei etwa V₂5 see betrug. Während der Oxidationsperiode wurde Luft in die Kammer in einem Durchsatz von 300 cnWmin eingeleitet. Der Arbeitsdruck in der Kammer betrug 0,08 Torr, und die obere und die untere Elektrode wurden auf einer Temperatur von 75° C bzw. 125° C gehalten. Der Hochfrequenzgenerator 21 arbeitete mit einer Frequenz von 13,56MHz und lieferte eine Ausgangsleistung von 50 Watt. Der Abstand zwischen den Elektroden 11,12 betrug 1,01 cm.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt eine Kammer 51 mit Wänden 52 aus z. B. Aluminium. Ein (nicht dargestellter) abnehmbarer Deckel gestattet das Einlegen und Herausnehmen in bzw. aus der Kammer. Innerhalb der Kammer befinden sich planare Elektroden 53, 54, welche mit einer außerhalb der Kammer befindlichen Hochfrequenzquelle 56 verbunden sind. Ein dielektrischer Körper in Form einer Glasplatte 50 ist zwischen der Elektrode 53 und der oberen Wand 52 angeordnet, und weitere Glasplatten 55 sind an den Rändern der Glasplatte 50 und der Elektrode 53 angeordnet Die Elektrode 54 ist vorzugsweise mit Durchlässen versehen, durch welche Wasser oder ein anderes Kühlmittel umgewälzt werden kann, durch welches diese Elektrode auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten wird.

An einem Ende der Kammer befindet sich ein Einlaßstutzen 57, durch den Gas in die Kammer eingeleitet werden kann. Eine Absaugpumpe 58 ist mit einem am anderen Kammerende angeordneten AusiaB-stutzen 59 verbunden. Bei dieser Anordnung tritt Gas an einem Ende in die Kammer ein, strömt zwischen den Elektroden hindurch und tritt am anderen Kammerende wieder aus. Der Gasströmungsweg kann jedoch nach Wunsch auch anders geführt werden; so kann das Gas durch die untere Elektrode hindurch unmittelbar in den Elektrodenzwischenraum eingeführt werden.

Zur gleichmäßigen Verteilung des lonisierungsstroms und damit der aktiven Elemente im Plasma im Elektrodenzwischenraum sind hier außerdem Glasplatten 61, 62 an der oberen Elektrode 53 vorgesehen. Die Glasplatte 61 besteht aus einer Massivglasplatte, deren Oberseite gegen die untere Elektrodenoberfiäche anliegt; die Glasplatte 62 weist Durchbrechungen oder Perforationen auf, die mit ihrer Oberseite gegen die

untere Oberfläche der Glasplatte 61 anliegt. Die Durchbrechungen 63 verlaufen senkrecht durch die ganze Glasplatte 62 hindurch und dienen zur Konzentration des Plasmas im Bereich unterhalb der Durchbrechungen. Die Größe der Durchbrechungen ist nicht kritisch; einwandfreie Ergebnisse wurden mit Durchbrechungen erhalten, deren Durchmesser in der Größenordnung des halben Plättchendurchmessers liegt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform zum Ätzen von 7,6 cm dicken Plättchen werden rechteckige Platten von etwa 61cm Länge und 30,5 cm Breite verwendet, wobei die Glasplatte 61 etwa 0,3 cm, und die Glasplatte 62 etwa 0,95 cm stark ist, während die Durchbrechungen einen Durchmesser von 3,8 cm aufweisen. Die Plättchen 64 sind axial zu den Durchbrechungen ausgerichtet auf die obere Oberfläche der Elektrode 54 aufgelegt, und der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der Elektrode 53 und der oberen Oberfläche der Elektrode 54 beträgt etwa 2.5 cm.

Ein typischer Aufbau eines Plättchens 64 ist in F i g. 3 dargestellt. Dieses Plättchen besteht aus einer Unterlage oder einem Substrat 66 aus Halbleiterwerkstoff wie z. B. Silizium, in welchem in bekannter Weise Fremd-Stoffbereiche ausgebildet sind. Eine Isolierschicht 67 aus z. B. Siliziumdioxid überlagert die Unterlage, und auf dieser ist wiederum eine Aluminiumschicht 68 ausgebildet. Das Aluminium reicht durch Fenster 69 in der Siliziumdioxidschicht 67 hindurch und bildet Kontakte mit der Siliziumunterlage. Auf der Aluminiumschicht ist eine Photoresistmaslce 71 ausgebildet und gibt ein Leitermuster vor, das durch Wegätzen der freiliegenden Bereiche der Aluminiumschicht ausgebildet werden soll. Geeignete Reaktionsgase zum Ätzen von Aluminium

in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung sind Chlor und chlorierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. CCU. Für Plättchen der in F i g. 3 dargestellten Ausführung, bei denen das Aluminium abschnittsweise in unmittelbarer Berührung mit dem Silizium steht, lassen sich noch bessere Ergebnisse dadurch erzielen, daß entweder eine Quarzplatte unterhalb der Plättchen auf die Elektrode 54 gelegt oder ein Helium oder ein anderes wärmeleitfähiges, inertes Gas enthaltendes Reaktionsgas eingeleitet wird. Besonders gute Ergebnisse werden mit einem Reaktionsgas erhalten, das 110 Volumenteile CCl₄ und 40 Volumenteile Helium enthält

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung zum Ätzen von Aluminium zwecks Ausbildung von Leitermustern auf Plättchen der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist wie folgt: Nachdem die Plättchen auf die Elektrode 54 gelegt worden sind, wird die Kammer geschlossen und die Äbsaugpunipe 58 angeschaltet, um den Druck innerhalb der Kammer auf einen Anfangswert in der Größenordnung von 0,10 bis 0,50 Torr abzusenken. Vor dem Ätzvorgang wird innerhalb der Kammer ein Sauerstoffplasma ausgebildet, um ggf. vorhandenes Wasser oder Wasserdampf zu beseitigen. Das Sauerstoffplasma wird typischerweise etwa 30 see lang beibehalten. Dann

werden die Reaktionsgase eingeleitet, und das Ätzplasma kommt zur Ausbildung. Dieses Plasma wird während einer zum Ätzen des Aluminium ausreichend längen Zeitspanne beibehalten, welche pro um Aluminiumätzdicke typischerweise bei 5 bis 7 min liegt, wenn das Plasma aus einem Gemisch aus CCU, das in einem Durchsatz von llOcmVmin eingeführt wird, und Helium, das in einem Durchsatz von 40cm³/min eingeführt wird, besteht In einem Reaktor mit den

vorstehend angegebenen Abmessungen werden die Elektroden typischerweise mit einer Leistung von etwa 1000 bis 1100 Watt erregt, und die untere Elektrode 54 wird auf einer unter 30⁰C liegenden Temperatur gehalten. Der Druck innerhalb der Kammer beträgt während des Ätzvorgangs typischerweise etwa 0,29 Torr. Nach Abschluß des Ätzvorgangs wird ein zweites Sauerstoffplasma ausgebildet, um ggf. zurückbleibende Chlorrückstände zu entfernen. Dieses Plasma

wird typischerweise etwa 2 min lang aufrecht erhalten. Anschließend wird das System mit einem trockenen, inerten Gas wie z. B. Argon ausgespült, wonach die Kammer geöffnet werden kann und die geätzten ϊ Plättchen herausgenommen werden können. Vor Behandlung einer nächsten Plättchenserie wird die Oberfläche der unteren Elektrode vorzugsweise mit Azeton gereinigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Plasmaätzreaktor mit einer geschlossenen Reaktionskammer, in der zwei Elektroden in einem Abstand voneinander angeordnet sind, in die ein Reaktionsgas einführbar ist und bei der die Elektroden mit Anschlüssen zur Speisung mit einem lonisationsstrom versehen sind, um das Gas zu erregen und ein Plasma in dem Bereich zwischen den Elektroden zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Körper (26; 50, 61, 62) sich quer zur Kammer (13; 51) zwischen den Elektroden (11, 12; 53, 54) erstreckt, dessen Impedanz für den lonisationsstrom wesentlich größer ist als die Impedanz des Plasmas und der eine elektrische Isolation zwischen den Elektroden bildet, so daß der gesamte lonisationsstrom durch diesen Körper hindurch gehen muß, und daß das zu ätzende •Material (27; 64) zwischen dem dielektrischen Körper (26; 50) und einer der Elektroden (12; 54) angeordnet ist.

2. Plasmaätzreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (62) Öffnungen (63) aufweist, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden (53, 54) erstrecken und dazu dienen, das Plasma in vorbestimmten Teilen des Bereichs zwischen den Elektroden zu konzentrieren.

3. Plasmaätzreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (50, 61, 55) eine der Elektroden (53) umgibt und einschließt.