DE2716592A1

DE2716592A1 - Plasma-aetzvorrichtung

Info

Publication number: DE2716592A1
Application number: DE19772716592
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kanomata; Sadayuki Okudaira; Noriyuki Sakudo; Keizo Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-04-15
Filing date: 1977-04-14
Publication date: 1977-10-20
Also published as: DE2716592B2; GB1523267A; DE2716592C3; US4101411A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung zum Behandeln einer Festkörperoberfläche mit Ionen und insbesondere eine Vorrichtung zum Ätzen einer Festkörperoberfläche mit Hilfe von Ionen, Atomradikalen und/oder Molekülradikalen in einem Plasma.

In letzter Zeit wird in zunehmendem MaB auf verschiedenen technischen Gebieten mit Hilfe von Ionenstrahlen oder Ionen, Atomradikalen und Molekülradikalen in einem Plasma trockengeätzt. Ein Anwendungsgebiet des Trockenätzens sind Halb· leiter, die sehr fein, beispielsweise einige Mikron oder weniger geätzt werden müssen. Verglichen mit früheren Verfahren auf der Grundlage von Ionenstrahlen ist die Ionendichte beim letztgenannten Verfahren, das Ionen eines Plasmas verwendet, höher. Da darüberhinaus die Ätzgeschwindigkeit höher ist, wurden zahlreiche Versuche auf diesem Gebiet gemacht. Es wurde herausgefunden, daß sich ein durch Mikrowellenentladung erzeugtes Plasma für diese Zwecke besonders gut eignet, und zwar (1) weil die Richtungen der Ionen regelmäßig werden, da ein Entladungsgas selbst unter einem niedrigen Druck (unterhalb 1 χ 1o Torr) durchbrechen kann, (2) weil ein Plasma mit außerordentlich hoher Dichte erzeugt werden kann, und (3) weil ein chemisch aktives Gas verwendet werden kann, da aufgrund einer elektrodenlosen Entladung die Lebensdauer der Vorrichtung lang ist. Einzelheiten dieser Ergebnisse sind in der japanischen Offenlegungsschrift 51-71597 beschrieben.

Fig. 1 zeigt nun eine schematische Schnittansicht einer bekannten,auf der Grundlage einer Mikrowellenentladung arbeitenden Ätzvorrichtung. Von einem Mikrowellengenerator 1 erzeugte Mikrowellen werden an einen Rechteckhohlleiter 2 abgegeben. In einer Stellung, die etwa 1/4 einer Hohlleiter-

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Wellenlänge (X) vom Abschlußende des Rechteckhohlleiters entfernt ist, ragt das eine Ende eines Innenleiters 4 einer koaxialen Wellenleitung 3 wie in der Figur dargestellt in den Hohlleiter 2. über die auf diese Weise gebildete Antenne breiten sich die Mikrowellen des Hohlleiters 2 auch im koaxialen Wellenleiter 3 aus. Darüberhinaus breitet sich ein elektrisches Feld der Mikrowellen über einen Isolator 7 als auch eine zwischen den Mikrowellen und einem Plasma koppelnde Kopplungseinrichtung 6 in einem Entladungsraum 5 aus. Bei 9 ist ein Magnetfelderzeuger dargestellt, der ein äußeres magnetisches Feld senkrecht zum vorstehend erwähnten elektrischen Mikrowellenfeld erzeugt. Das magnetische Feld führt zusammen mit dem elektrischen Mikrowellenfeld zur Mikrowellenentladung. Im allgemeinen wird mit Hilfe des Magnetfelderzeugers ein Magnetfeld vom Reflektortyp (mirror-type) erzeugt, das das Plasma wirksam umschließt. Die Zahl 8 bezeichnet eine Gaslecköffnung, Über die ein Gas, wie z.B. M-, Ar und O₀ unter einem

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Druck von 1 χ Io bis 1o Torr zugeführt wird. Das Gas wird durch die Mikrowellenentladung ionisiert. Bei 12 ist das zu ätzende Substrat dargestellt, welches von einer Energiequelle 13 auf einem vorbestimmten Potential gehalten wird oder welches geerdet ist. Bei einer derartigen Konstruktion bildet sich zwischen dem Substrat 12 und dem durch die Mikrowellenentladung im Magnetfeld erzeugten Plasma eine Ionenschicht. Die Ionen des zugeführten Gases treten durch die Ionenschicht und treffen auf das Substrat 12 auf, das hierdurch geätzt wird.

Nenn jedoch, wie bei dieser Konstruktion, ein koaxialer Wellenleiter benutzt wird, so muß dessen Innenleiter durch den Isolator gehalten werden, womit der Innenleiter von den anderen Teilen thermisch isoliert ist und sehr leicht hohe Temperaturen erreicht. Der Innenleiter kann somit leicht an der Verbindungsstelle mit dem Isolator thermisch

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zerstört werden. Bel einer Plasmaätzvorrichtung 1st darüberhlnaus die Homogenität der Plasmadichteverteilung In radialer Richtung unzureichend. Bei Konstruktionen mit einem koaxialen Wellenleiter ergeben sich große Unterschiede der Plasmadichte zwischen einem Teil unterhalb des Innenleiters oder der Mikrowellenplasma-Kopplungseinrichtung und den diesen Teil umgebenden Bereichen, so daß nicht gleichförmig geätzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend erläuterten Nachteile bekannter Plasmaätzvorrichtungen zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Plasma-Ätzvorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats mit im Plasma eines Entladungsraums erzeugten Ionen, Atomradikalen und/oder Molekülresten umfassend einen Mikrowellengenerator, einen die

Mikrowellen führenden Wellenleiter, Kopplungseinrichtungen,

die die Mikrowellenenergie dem Entladungsraum zuführen, einen an den Entladungsraum ein äußeres Magnetfeld anlegenden Magnetfelderzeuger und eine Gaslecköffnung Über die ein Entladungsgas in den Entladungsraum einführbar ist, erfindungsgemäß vor- gesehen, daß die die Mikrowellenenergie zuführende Kopplungseinrichtung als runder Hohlleiter ausgebildet ist und daß der Entladungsraum innerhalb des runden Hohlleiters angeordnet ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt:

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines AusfUhrungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung; und

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Fig. 4 und 5 schematische Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ätzvorrichtungen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Von einem Mikrowellengenerator 1 erzeugte Mikrowellen werden einem Rechteckhohlleiter 2 zugeführt. Die Mikrowellen werden einem runden Hohlleiter 11 zugeführt, der so angeschlossen ist, daß seine Achse im Abstand von 1/4 der Hohlleiterwellenlänge vom Abschlußende des Rechteckhohlleiters 2 liegt. Um einen guten Ausbreitungswirkungsgrad vom Rechteckhohlleiter 2 zum runden Hohlleiter 11 hin zu bewirken, ist das Ende des Hohlleiters 2 schräg zur Achse des Hohlleiters 11 abgeschnitten. Ein Isolator 7 trennt den runden Hohlleiter 11 von einem Entladungsraum 5. Die Zahl 8 bezeichnet eine Gaslecköffnung, mit 9 ist ein Magnetfelderzeuger und mit 12 das zu ätzende Substrat bezeichnet. Das Substrat 12 ist, wie in der Figur dargestellt ist, geerdet oder es wird auf einem vorbestimmten Potential gehalten. Wie dieses Ausführungsbeispiel zeigt, wird der runde Hohlleiter im Rahmen der Erfindung zur Zuführung und Ankopplung der Mikrowelle benutzt.

Ia Gegensatz zu herkömmlichen Einrichtungen ist kein thermisch schwaches Teil, wie es beispielsweise der Innenleiter einer koaxialen Wellenleitung ist, vorgesehen. Demzufolge wird die Vorrichtung selbst dann nicht zerstört, wenn Mikrowellen hoher Leistung zugeführt werden. Da kein Innenleiter vorhanden ist, treten keine Konzentrationen des elektrischen Felds auf, womit die Homogenität der Dichteverteilung des Plasmas in radialer Richtung verbessert und die Ätzgleichförmigkeit des Substrats 12 verbessert wird.

Flg. 3 zeigt ein mit Hilfe der Plasma-Atzvorrichtung nach Fig. 2 erhaltenes Ergebnis. In Fig. 3 ist auf der Abszissenachse der Abstand vom Mittelpunkt des Substrats aufgetragen, während die Ordinatenachse die Ätztiefe wiedergibt. Zum Ver-

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gleich zeigt die charakteristische Kurve a das Ergebnis für eine herkömmliche Vorrichtung mit einem koaxialen Wellenleiter als Mikrowellenkopplungsglied, während die charakteristische Kurve b das Ergebnis für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem runden Hohlleiter zeigt. Die Versuche wurden bei 2,45 GHz und einer Mikrowellenleistung von 2oo Watt durchgeführt. Als Gas wurde Ar bei einem Druck von 5 χ 1o~* Torr zugeführt, die Substratspannung war -5oo V. Die Intensität des Magnetfelds betrug 16oo Gauss und die Ätzdauer war eine Minute. Wie die Figur zeigt, betrug der Durchmesser, für den die Ätztiefe gleich 9o % des Werts in der Mitte war, etwa 2o mm beim runden Hohlleiter und etwa 1o mm beim koaxialen Wellenleiter, womit die Gleichförmigkeit um mehr als das Doppelte verbessert werden konnte. In der Zeichnung ist nicht dargestellt, daß bei Verwendung eines koaxialen Wellenleiters der geätzte Bereich in der Mitte des Substrats unter gewissen Voraussetzungen niedriger als in den umgebenden Bereichen war. Im Mittel wird die Ätzgleichförmigkeit durch die Erfindung auf etwa das Doppelte verglichen mit dem Stand der Technik verbessert.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Mikrowellen pflanzen sich bis sum runden Hohlleiter in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel in Fig. fort. In dem runden Hohlleiter ist ein Entladungsrohr 1o aus Isoliermaterial, wie z.B. Quarzglas, angeordnet und zur Erzeugung eines Plasmas alt einem Entladungsgas gefüllt. Das Entladungsgas kann entsprechend dem Verwendungssweck gewählt sein, geeignet ist Ar, O₂, N₂ usw. Zweck des Isolator- bzw. Entladungsrohrs 1o ist es, das Substrat 12 vor Verunreinigung zu schützen. Es soll verhindert werden, dafi das durch die Mikrowellenentladung erzeugte Plasma die Innenwand des runden Hohlleiters 11 zerstäubt und sich Substanzen, wie z.B. die Metallbestandteile der Innenwand, alt dea Substrat vermischen können. Die Kombination aus einem runden Hohlleiter und dea

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Isolatorrohr ist wirksamer als die Kombination eines koaxialen Wellenleiters und des Isolatorrohrs. Wird im letztgenannten Fall ein Entladungsgas, wie z.B. CF.-Gas benutzt, bei dessen Sersetzung ein chemisch aktives Gas entsteht, so reagiert das um den auf eine hohe Temperatur erhitzten Innenleiter herum angeordnete Isolatorrohr örtlich mit der erzeugten chemisch aktiven Gaekomponente und das Isolatorrohr wird zerstört. In der Praxis kann deshalb mit CF₄ oder dergleichen nicht geätzt werden. Im Fall der Erfindung wird selbst bei Verwendung von CF₄ oder dergleichen das Isolatorrohr nicht zerstört, da kein Teil Örtlich erhitzt wird. Auf diese Weise kann selbst mit chemisch aktiven Gasen, wie z.B. CF₄, CCl₄ und BCl₃ geätzt werden.

Fig. 5 zeigt eine noch weitere Ausführungsform der

Erfindung. Ein aus Quarzglas bestehender Zylinder 1o, der zur Erleichterung der Mikrowellenausbreitung geringe Verunreinigungen enthält, ist im runden Hohlleiter 11 so angeordnet, daß sich einerseits die Mikrowelle ausbreiten und andererseits ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Orthogonal zur Richtung des hochfrequenten elektrischen Felds wird mit Hilfe von Magnetfeldspulen 9 ein magnetisches Feld, vorzugsweise ein statisches magnetisches Feld vom Spiegel- oder Reflektortyp (mirror type) überlagert, so daß die im Vakuum vorhandenen Elektronen Energie aus dem elektrischen Mikrowellenfeld aufnehmen und sich spiralig bewegen. Die Elektronen stoßen mit den über die Gaslecköffnung 8 zugeführten Gasmolekülen zusammen und ionisieren diese, womit ein Plasma erzeugt wird. Beispielsweise wurde gemäß der Erfindung bei •inem Magnetfeld von I600 Gauss und Mikrowellen von 2,45 GHz «in Plasma mit einer Elektronentemperatur von etwa 6 eV und einer Elektronendichte von etwa io /cm bei Argongas von 1o Torr erhalten. Selbst bei Verwendung von CF₄ als aktivem Gas wurde in etwa gleichem Maß ein Plasma erhalten. Wenn das Potential des Plasmas auf Null verringert ist, so erhält ein in das

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Plasma eingebrachtes Objekt ein erdfreies, schwimmendes Potential V-. Das erdfreie Potential V- ist näherungsweise gegeben durch:

hierbei bedeutet k: Boltzmann'sehe Konstante

T_Q: Plasma-Elektronentemperatur

e s Elektronenladung

m : Elektronenmasse

M : Ionenmasse. Im vorliegenden Fall haben tatsachliche Messungen

ergeben, daß die Elektronentemperatur des Plasmas bei etwa 6 eV liegt. Für F⁺ Ionen als Gasionen wird das erdfreie Potential zu

V_£ H -22 V.

Dies bedeutet, daß das Substrat, selbst wenn es

im Plasma nicht mit einer zugeführten Spannung beaufschlagt wird, auf einem Potential von etwa -2o V liegt, womit die Ionen auf etwa 2o eV beschleunigt werden und auf das Substrat auf treffen. Die Stromdichte ist 1 bis 2 Größenordnungen oder mehr höher als bei herkömmlichen Vorrichtungen und die Arbeitsgeschwindigkeit nimmt nicht ab. Wird mit Hilfe der vorstehenden Ausführungsform ein Siliziumeinkristall mit CF₄ Gas geätzt, ohne daß an das Substrat eine Spannung angelegt wird, so kann es mit einer Geschwindigkeit von in der Größen-Ordnung o,1 ,um pro Minute bearbeitet werden. Liegt an den Substrat ein negatives Potential von 5oo V bezogen auf das Plasma-Potential an, so kann das Substrat mit einer Geschwindigkeit von in der Größenordnung 1 ,um bearbeitet werden. Für

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die Xtzgeschwindigkeit der als Maske benutzten Fotoabdeckung ergab sich ein Wert, der um eine oder mehr Größenordnungen kleiner war als bei Silizium. Auch das eingearbeitete Profil war besser als bei herkömmlichen Hochfrequenz-Plasma-Ätzvorrichtungen. Die Substratvergiftung aufgrund von Verunreinigungen war genauso groß wie bei Plasma-Atzvorrichtungen mit quarzglasbedeckter Berandung.

Auf diese Weise kann außerordentlich günstig das In hohem Maß mit dem zu verarbeitenden Material reagierende Gasplasma im magnetischen und elektrischen Feld erzeugt werden. Der Entladungsbereich liegt innerhalb des Behälters, der den Isolator als Umfangswand benutzt, so daß das Eindringen von .Verunreinigungen aufgrund der Zusammenstöße des Plasmas verhindert wird und das zu verarbeitende Substrat im Entladungsraum gehalten werden kann.

Ia Unterschied zu den vorstehend anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsformen der Erfindung kann anstelle des dem runden Hohlleiter die Mikrowellen zuführenden Bschteckhohlleiters auch ein Hohlleiter eines anderen Typs, beispielsweise ein Koaxialhohlleiter oder ein runder Hohlleiter, benutzt werden. Die Kopplung «wischen dem die Mikrowellen zuführenden Hohlleiter und dem runden Hohlleiter muß sieht, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, orthogonal erfolgen. Es kann jede Kopplungsform benutzt werden, sofern sich dl« Mikrowellen ausbreiten können.

Ds das Isolatorrohr oder der Zylinder lediglich die Mikrowellen weiterleiten und ein Vakuum aufrechterhalten soll, beschränkt sich sein Material nicht auf Quarzglas. Genausogut kann Tonerde-Porzellan usw. verwendet werden.

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Die Außenwand des Entladungsbereichs 5 der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung kann mit einem der vorstehend erläuterten Isolatorraaterialien beschichtet sein, wodurch ein ähnlicher Effekt erzielt wird.

Beim Ätzen des Substrats mit dem zugeführten Gas,

beispielsweise Ar, muß an dem Substrat ein vorbestimmtes Potential anliegen. Beim chemischen Ätzen mit einem chemisch aktiven Gas, beispielsweise CF., kann das Substrat jedoch auf dem erdfreien, schwimmenden Potential gehalten werden.

Neben CF 'können als aktives Gas auch C₃F,, C₃F-, CCl₄, CF-Cl₂ oder BCl₃ benutzt werden.

Die vorstehend im einzelnen erläuterte, erfindungsgemäße Vorrichtung ist frei von thermischer oder elektrischer Zerstörung und liefert als Plasma-Ätzvorrichtung durch Mikrowellen-Entladung gute Ätzhomogenitäten. Sie läßt sich in industriellem Rahmen sehr wirtschaftlich zur Oberflächenverarbeitung und Oberflächenbehandlung von Halbleitern usw. einsetzen.

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Claims

PATENTANWALTS SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-800O MÖNCHEN 95 HITACHI, LTD. 14. April 1977 DA-5435 Plasma-Ätzvorr1chtung Patentanspruch

1. Plasma-Ätzvorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats mit im Plasma eines Entladungsraums erzeugten Ionen, Atomradikalen und/oder Molekiilresten, umfassend einen Mikrowellengenerator, einen die Mikrowellen führenden Wellenleiter, Kopplungseinrichtungen, die die Mikrowellenenergie dem Entladungsraum zuführen, einen an den Entladungsraum ein äußeres Magnetfeld anlegenden Magnetfelderzeuger und eine Gaslecköffnung über die ein Entladungsgas in den Entladungsraum einführbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die die Mikrowellenenergie zuführende Kopplungseinrichtung als runder Hohlleiter (11) ausgebildet ist und daß der Entladungsraum (5) innerhalb des runden Hohlleiters (11) angeordnet ist.

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2. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Entladungsraum (5) durch einen Isolator (7) vom runden Hohlleiter (11) getrennt ist.

3. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem runden Hohlleiter (11) ein aus isolierendem Material hergestellter Behälter (1o) angeordnet ist und daß der Entladungsraum in dem Behälter (1o) vorgesehen ist.

4. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter (1o) aus einem Material besteht, welches aus einer Quarzglas und Tonerde-Porzellan enthaltenden Gruppe gewählt ist.

5. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der die Mikrowellen führende Wellenleiter als Rechteckhohlleiter (2) ausgebildet ist und daß der runde Hohlleiter (11) derart konstruiert ist, daß seine Achse im Abstand von einem Viertel einer Hohlleiterwellenlänge (Ag) von einem Ende des Rechteckhohlleiters (2) angeordnet ist.

6. Plasma-Ätzvorrichtung, bei der durch Einleiten eines Entladungsgases in einen Entladungsraum, welcher mit einem äußeren Magnetfeld und über eine Mikrowellenleitung

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alt einem elektrischen Mikrowellenfeld beaufschlagt ist, eine Mikrowellenentladung aufrechterhalten wird, derart, daß die Oberfläche eines Substrats durch die im Plasma erzeugten Ionen Plasma-geätzt wird, dadurch gekennzeichnet , daS die Mikrowellenzuleitung als runder Hohlleiter (11) ausgebildet ist und daß der Entladungsraum (5) in dem runden Bohlleiter (11) angeordnet ist.