DE2814028A1

DE2814028A1 - Gasaetzgeraet

Info

Publication number: DE2814028A1
Application number: DE19782814028
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Horiike; Masahiro Shibagaki; Takashi Yamazaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-05
Also published as: JPS53121469A; GB1576406A; JPS543346B2; US4160690A; DE2814028C2

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

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Möhlstraße 37 Tokyo Shibaura Co. Ltd. D-8000 München 80

Kawasaki-shi, Japan Tel.: 089/982085-87

Telex: 05 29 802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

³ f. März 1978

Gasätzgerät

Die Erfindung betrifft ein Gasätzgerät.

In letzterer Zeit gelangte ein Plasmaätzprozeß sehr weit verbreitet zur Anwendung, und zwar anstelle eines Feuchtätzprozesses für die Feinst- oder Kleinbearbeitung eines Dünnfilmes, der beispielsweise auf einem polykristallinen Siliziumkörper oder Siliziumnitrit ausgebildet ist, wenn eine integrierte Schaltung hergestellt wird. Dieser Plasmaätzprozeß führt zu den Vorteilen, daß als Maske für das zu ätzende Material ein Photowiderstand verwendet werden kann, wodurch der Ätzprozeß vereinfacht wird und die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verbessert wird und darüber hinaus auch eine Umweltverschmutzung nicht entsteht, da es dabei nicht erforderlich ist, beispielsweise Fluorwasserstoffsäure zu verwenden, wie dies jedoch in dem Falle des Feuchtätzprozesses erforderlich war.

Ein Gasplasmaätzgerät, welches z.Z. vorgeschlagen wurde, ist in der US-PS 3 616 461 beschrieben. Dieses Gasplasma-Ätzgerät umfaßt eine Reaktionskammer für die Aufnahme eines zu ätzenden Materials und eine Hochfrequenz erzeugende Einrichtung

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(im folgenden als "HF" bezeichnet), die außerhalb der Reaktionskammer angeordnet ist. Bei dem Gasätzprozeß nach der US-PS.3 616 461 wird ein Fluor enthaltendes Gas wie beispielsweise Freongas in eine Reaktionskammer eingeleitet, die beispielsweise aus Quarz hergestellt ist; es wird dann HF-Energie einer HF-Spule zugeführt, welche die Reaktionskammer umgibt, um eine Entladung hervorzurufen, so daß dadurch ein Gasplasma erzeugt wird und ein Material in diesem Gasplasma geätzt wird. Dieser Gasätzprozeß ist jedoch mit den folgenden Nachteilen behaftet:

1) Die Temperatur des zu ätzenden Materials wird durch die Hitze erwärmt oder erhitzt, die von dem Gasplasma abgestrahlt wird. Als Folge hiervon wird der Photowiderstand zerstört und manchmal auch selbst mitgeätzt.

2) Die elektrischen Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung werden durch Bombardierung von HF-beschleunigten geladenen Teilchen verschlechtert, die in dem Gasplasma enthalten sind.

3) Anregende Lichtstrahlen, die Ultraviolettstrahlen enthalten, werden in der Reaktionskammer erzeugt, und zwar während der Entladung in der Kammer, wodurch Schwierigkeiten hinsichtlich der Feststellung des Endpunktes des Vorganges entstehen.

Ein Gasätzgerät, welches zur Beseitigung der zuvor erwähnten Nachteile entwickelt wurde, ist in der US-PS 3 879 597 beschrieben. Dieses Gasätzgerät umfaßt einen Quarz-Zylinder, der einen perforierten Aluminiumzylinder enthält, welcher als "Ätztunnel" bezeichnet wird und von einer HF-Generatoreinrichtung umgeben ist. Der Ätzprozeß wird in dem perforierten Aluminiumzylinder durchgeführt. Bei diesem letzteren Gas-

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ätzprozeß wird außerhalb des Ätztunnels ein Gasplasma erzeugt. Lediglich Fluor-Radikale, die in dem Gasplasma enthalten sind, werden über kleine Öffnungen des perforierten Aluminiumzylinders in den Ätztunnel eingeleitet. Dieses bekannte Gasätzgerät beseitigt daher die zuvor erläuterten Nachteile gemäß (1), (2) und (3). Bei diesem bekannten Gasätzgerät neigt jedoch ein außerhalb des Aluminiumätztunnels auf hoher Temperatur und hoher Konzentration hergestelltes Gasplasma dazu, die Aluminiumkomponente des Ätztunnels zu fluorinieren. Das auf diese Weise erzeugte Aluminiumfluorid wird unmittelbar verdampft, und zwar aufgrund des Beschüsses durch das Gasplasma und aufgrund des Temperaturanstiegs trotz eines extrem niedrigen Dampfdruckes, was sich dann auf dem zu ätzenden Material niederschlägt. Diese Erscheinung führt jedoch zu neuen Problemen, wie beispielsweise das Auftreten von Leckströmen in einem Transistor oder einer Diode. Es wurde bereits von der Anmelderin früher ein Gasätzgerät entwickelt, welches sich wesentlich von den früheren Typen unterscheidet und welches auch nicht mit den geschilderten Nachteilen behaftet war. Bei dem herkömmlichen Gasätzgerät wurde die Herstellung eines Ätzgases und die Ätzung selbst in der gleichen Kammer vorgenommen. Bei dem Gasätzgerät der Anmelderin wurden jedoch die Erzeugung des Ätzgases und der Ätzvorgang in getrennten Kammern durchgeführt. Dieses entwickelte Gasätzgerät umfaßt daher eine Ätz-Gaserzeugungskammer und eine Ätzkammer, die über eine Ätzgas-Verbindungsleitung verbunden sind. Bei diesem entwickelten Gasätzgerät wurde der Ätzvorgang in einer Zone (Ätzkammer) vorgenommen, die von einer Gasplasmazone entfernt gelegen ist und die frei von elektrischen Feldern ist, die von der Aktiviere inrichtung erzeugt werden. Das verwendete Ätzgas bestand aus einer Gasmischung, welche Fluoratome und ein Gas mit Sauerstoffatomen enthielt. Es wurde dabei weiter festgestellt, daß die Anwendung von Hochfrequenzwellen wie beispielsweise HF-Wellen oder Mikrowellen bewirken, daß ein Ätzgas eine längere

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Lebensdauer erreichen kann. Der Gasätzprozeß, der von der Anmelderin entwickelt wurde, basiert auf dieser Erkenntnis. Dort, wo ein Ätzgas nur aus einen Fluoratome enthaltenden Gas wie beispielsweise Freongas hergestellt wurde, wie dies auch bei dem Gasplasma-Ätzprozeß nach dem Stand der Technik der Fall ist, der vor dem Gasätzprozeß nach der Anmelderin vorgeschlagen wurde, besaß das Ätzgas keine lange effektive Lebensdauer, so daß es unmöglich wurde, eine Ätzgaserzeugungskammer von einer Ätzkammer entfernt anzuordnen.

Bei dem von der Anmelderin entwickelten Gasätzgerät wird jedoch ein Ätzgas aus einer Mischung von Fluoratome enthaltendem Gas und einem Sauerstoffatome enthaltenden Gas hergestellt, und ferner wird eine Ätzgaserzeugungskammer und eine Ätzkammer entfernt voneinander angeordnet, wobei beide Kammern über eine Ätzgas-Verbindungsleitung miteinander verbunden werden. Dieses entwickelte Gerät besitzt daher die folgenden Vorteile:

1) In der Ätzkammer wird Hitze von einem Gasplasma nicht abgestrahlt, so daß der Ätzvorgang außerhalb bei normaler Temperatur vorgenommen werden kann und auch ein Photowiderstand nicht zerstört wird.

2) Ein durch Anwendung des entwickelten Gasätzprozesses hergestellter Halbleiterkörper oder -vorrichtung wird nicht hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften verschlechtert.

3) Wenn beispielsweise polykristallines Silizium geätzt wird, werden Fluoreszenzstrahlen erzeugt. Darüber hinaus wird die Ätzkammer in ausreichendem Abstand von einer Lichtstrahlen anregenden Quelle, wobei dies Ultraviolettstrahlen enthalten, angeordnet. Daher läßt sich auch der Endpunkt des Ätzvorganges■einfach beobachten.

Das zuvor erwähnte und von der Anmelderin zu einem früheren

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Zeitpunkt entwickelte Gasätzgerät konnte jedoch nicht klar die Funktion einer Ätzgas-Verbindungsleitung erfüllen. Es wurden daher Anstrengungen unternommen, um definitiv die verschiedenen Faktoren in den Griff zu bekommen bzw. zu beschreiben, die bei dieser Funktion eine Rolle spielen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ätzgasgerät zu schaffen, welches für eine weitere Verbesserung des Ätzvorganges eine Ätzgas-Verbindungsleitungseinrichtung enthält, durch die ein in einer Ätzgas-Erzeugungskammer aktiviertes Ätzgas mit großem Wirkungsgrad in eine Ätzkammer eingeleitet werden kann.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht das Gasätzgerät aus einer Ätzgas-Erzeugungskammer; einer Einrichtung zum Einführen einer Gasmischung mit Fluoratomen und einem Sauerstoffatome enthaltendem Gas in die Ätzgas-Erzeugungskammer; das Gerät umfaßt ferner eine Einrichtung zum Aktivieren einer Gasmischung, die in der Ätzgas-Erzeugungskammer empfangen wurde; eine Ätzkamraer in einer Zone, die von der Ätzgas-Erzeugungskammer entfernt angeordnet ist und die frei ist von einem durch die Aktivierungseinrichtung erzeugten elektrischen Feld, und enthält schließlich eine Ätzgas-Leiteinrichtung, um eine Strömungsverbindung zwischen der Ätzgas-Erzeugungskammer und der Ätzkammer vorzusehen, wobei das Wesentliche darin besteht, daß die Ätzgas-Leitungseinrichtung so ausgelegt ist, daß sie der folgenden Formel genügti

10"¹Se C C_T < 5x1O²Se worin bedeuten:

C_m = Leitwert (l/min) der Ätzgas-Leitungseinrichtung;

Se = effektive Ausstoßgeschwindigkeit (l/min) in der Xtzkammer.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen.
Es zeigen:

Fig. 1, 3 und 7 schematische Konstruktionen von Gasätzgeräten entsprechend verschiedenen Ausführungsbeispielen nach der Erfindung;

Fig. 2 und 5 graphische Darstellungen, welche die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser der Ätzgas-Leiteinrichtung oder -rohres nach der Erfindung und der Ätzgeschwindigkeit wiedergeben;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Ätzkammer eines Gasätzgerätes gemäß der Ausführungsform in Fig. 3;

Fig. 6a bis 6F die verschiedenen Formen einer Ätzgas-Leitungs- oder -rohreinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung des Leitwertes einer Ätzgas-Leiteinrichtung oder -rohres nach der Erfindung und der Ätzgeschwindigkeit veranschaulicht.

Es wurden von der Anmelderin Studien hinsichtlich einer optimalen Auswahl der Ätzgas-Zuleitungseinrichtung für ein Gasätzgerät mit Merkmalen der Erfindung unternommen, wobei eine Ätzgas-Erzeugungskammer und eine Ätzkammer räumlich voneinander getrennt angeordnet waren und wobei beide Kammern über eine Ätzgas-Zuleitungseinrichtung verbunden waren. Dabei wurde von der Anmelderin besondere Beachtung auf den Leitwert der Ätzgas-ZuIeitungseinrichtung gerichtet und festgestellt,

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daß ein Leitwert innerhalb eines bestimmten Bereiches zu einer wirksamen Überführung eines Ätzgases in eine Ätzkammer führt. Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Erkenntnis. Von der Anmelderin wurde auch herausgefunden, daß der zuvor erwähnte Leitwert innerhalb eines Bereiches fallen muß, der durch die folgende Formel definiert ist:

10"¹Se < C_T < 5x1O²Se worin bedeutet:

C_T = Leitwert (l/min) der Ätzgas-Zuführleitvorrichtung

Se = effektive Ausstoßgeschwindigkeit (l/min) in eine Ätzkammer.

Der Gegenstand der Erfindung läßt sich jedoch besser anhand von Ausführungsbeispielen verstehen, die im folgenden dargelegt werden sollen.

Beispiel 1

Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die verschiedenen Ätzgasgeschwindigkeiten beispielsweise eines Siliziumchips zu messen, wobei der Durchmesser und die Länge einer Ätzgas-Zuleit-Leitung verändert wurde. Das Ätzgas wurde aus einer Mischung aus Kohlenstofftetrafluoridgas (hergestellt von der Du-Pont Company unter der Warenbezeichnung "Freon") und einem Sauerstoffgas hergestellt. Die Gasmischung wurde durch eine Mikrowellenentladeeinrichtung aktiviert,und zwar mit einer Frequenz von 2,45 GHz. Fig. 1 zeigt ein Gasätzgerät, welches bei diesem Experiment verwendet wurde.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Mikrowellenentladeeinrichtung 1 eine Mikrowellenquelle 2, einen Isolator 3» der mit einer

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Ersatzlast ausgestattet ist, eine Leistungsüberwachungsstufe 4, eine Dreiabstimm-Stichleitung 5 und einen Bestrahlungstubus (applicator), der mit einem kurzen Stößel 6 ausgestattet ist. Die Mikrowellen werden von der Mikrowellenquelle 2 zum Bestrahlungstubus 7 unter der Steuerung der Dreifachabstimm-Stichleitung 5 und des kurzen Stößels 6 in der ¥eise übertragen, daß der Austritt von Mikrowellenreflexionen aus der Mikrowellenquelle 2 so weit wie möglich reduziert werden kann.

Eine hohle zylindrische Ätzgas-Erzeugungskammer 8 durchdringt überkreuz den Bestrahlungstubus 7. Die Ätzgas-Erzeugungskammer ist an eine Ätzgas-Übertragungsleitung 9 aus rostfreiem Stahl angeschlossen, deren Innenwand mit einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen überzogen ist. Die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 ist mit einer Kühleinrichtung umgeben, um einen Temperaturanstieg in der Ätzgas-Erzeugungskammer 8 zu verhindern. Die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 besitzt einen Gaseinlaß 10 und die Ätzgas-Übertragungsleitung 9 besitzt einen Gasauslaß oder -rohr 11. Eine Mischung aus Kohlenstofftetrafluorgas und Sauerstoffgas, welches in die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 über den Gaseinlaß 10 eingeleitet wird, wird durch die Energie der Mikrowellen angeregt und bildet ein Gasplasma» Die Bildung des Gasplasmas führt zur Erzeugung eines hochaktivierten Materials, d. h. ein ätzendes Gas oder Ätzmittel. Dieses ätzende Gas wird in die Ätzkammer aus der Ätzgas-Erzeugungskammer 8 über die Ätzgas-Zuführleitung 9 eingeleitet und wird über die Auslaßleitung 11 abgeführt. Eine Unterdruck-Anzeigevorrichtung 12 vom Membrantyp ist nahe beim Einlaß des Ätzgas-Übertragungsrohres 9 angeordnet und eine ähnliche Unterdruck-Anzeigevorrichtung 13 vom Membrantyp ist an das Ätzgas-Auslaßrohr 11 angeschlossen. Ein Durchsatzmeßgerät 14 ist ebenfalls vorgesehen, um die Strömungsgeschwindigkeit eines Ätzgases zu messen, welches in die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 eingeleitet wird. Das Ätzgas-Auslaßrohr 11 ist mit einer Gaseinlaßöffnung 15 versehen, um die

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effektive Ausstoßgeschwindigkeit zu messen. Das Durchsatzmeßgerät 16 ist so ausgestattet, daß es die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases messen kann, welches an der Gaseinlaßöffnung 15 eingeleitet wird. Stromabwärts vom Durchsatzmeßgerät 14 ist ein Ventil 17 angeordnet, und weiter ist in ähnlicher Weise stromabwärts von dem Durchsatzmeßgerät ein Ventil 18 vorgesehen. Zwischen dem Ätzgas-Übertragungsrohr

9 und dem Ätzgas-Auslaßrohr 11 ist ein Ventil 19 vorhanden. Ein zu ätzendes Material 21 oder ein Chip, welches auf einer Halterung 20 angeordnet ist, die in dem Ätzgas-Übertragungsrohr 9 befestigt ist, wurde mit Hilfe eines Gasätzgerätes entsprechend der zuvor erläuterten Konstruktion geätzt. Es wurde dabei die Ätzgeschwindigkeit des Chips 21 ermittelt. Dieses Chip 21 bestand aus polykristallinem Silizium, welches durch thermisches Niederschlagen von Monosilan (SiH^) auf einen Siliziumkörper hergestellt wird. Bei diesem Experiment wurden vier verschiedene Ätzgas-Übertragungsleitungen 9 verwendet, die eine Länge von 3 m aufwiesen, die jedoch einen unterschiedlichen Innendurchmesser von 1 cm, 3 cm, 5 cm und

10 cm besaßen. Eine Grenze zwischen der Ätzgas- Erzeugungskammer 8 und dem Ätzgas-Übertragungsrohr 9 konnte nicht definitiv bestimmt werden, da der ErregungsStrahlbereich eines Gasplasmas sich mit der erzeugten Mikrowellenenergie ändert, ebenso mit dem erzeugten Gasdruck und der Zusammensetzung des verwendeten Ätzgases. Es wurde daher davon ausgegangen, daß das Ätzgas-Übertragungsrohr' 9 eine Länge besitzt, die vom Zentrum der Ätzgas-Erzeugungskammer 8 bis zum Einlaß der Ätzkammer reicht (oder zum Einlaß des Ätzgas-Auslaßrohres 11, wenn eine getrennte Ätzkammer nicht vorgesehen ist, wobei dann der Ätzvorgang in dem Ätzgas-Übertragungsrohr 9 selbst vorgenommen wird). Auch wurde ein Abstand zwischen dem Material 21 und dem Plansch 22 berücksichtigt. Die effektive Ausstoßgeschwindigkeit Se wurde auf 500 l/min eingestellt. Dieser Wert der effektiven Ausstoßgeschwindigkeit wurde aus einer Gleichung Se=Qe/Pe berechnet (worin Qe die Strömungsgeschwin-

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digkeit einer vorgeschriebenen Menge von Np-Gas bezeichnet, wenn dieses übe^ie Gaseinlaßöffnung 15 bei geschlossenem Ventil 19 eingeleitet wird; und wobei Pe den Druck angibt, der in dem Gasauslaßrohr 11 auftritt).

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Versuche, die unter den oben angeführten Bedingungen durchgeführt wurden. Die Ordinate der Fig. 2 stellt die Ätzgeschwindigkeit (A/min) des polykristallinen Siliziums dar, während die Abszisse die Stelle des polykristallinen Siliziums angibt, d.h. einen Abstand zwischen dem Silizium und dem Flansch 22. Die Kurven d, e, f, g der Fig. 2 geben die Ätzgeschwindigkeiten des polykristallinen Siliziums relativ zum Abstand an, wenn hohle zylindrische Ätzgas-Übertragungsleitungen verwendet wurden, und zwar mit unterschiedlichem Innendurchmesser von 3 cm, 5 cm, 10 cm und 1 cm. Die zugeführte Mikrowellenleistung betrug 680 ¥ und wurde von dem Leistungsüberwachungsgerät 4 gemessen. Das Kohlenstoff tetrafluoridgas und das Sauerstoffgas, welches als Komponenten des Ätzgases verwendet wurden, besaßen einen Partialdruck von 0,4 Torr und 0,1 Torr, was durch das Druckmeßgerät vom Membrantyp ermittelt würde.

Gemäß der graphischen Darstellung der Fig. 2 fällt bei Ver-r Wendung eines Ätzgas-Übertragungsrohres mit einem Innendurchmesser von 3 cm (Kurve d) die Ätzgeschwindigkeit nicht merklich ab, auch dann nicht, wenn der Abstand des polykristallinen Siliziums 3 m beträgt, vorausgesetzt, daß die Ätzgas-Übertragungsleitung sehr wirkungsvoll nach vorne ein Ätzgas einleiten kann. Eine Ätzgas-Übertragungsleitung oder Rohr mit einem Innendurchmesser von 5 cm (Kurve e) zeigt eine praktisch zufriedenstellende Zuleitgeschwindigkeit, obwohl diese geringfügig kleiner ist als bei dem Übertragungsrohr mit 3 cm Innendurchmesser. Dagegen zeigen die Ätzgas-Übertragungsleitungen und -rohre mit einem Innendurchmesser von 10 cm und

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1 cm eine extrem niedrige Gasübertragungsgeschwindigkeit. ¥enn beispielsweise das polykristalline Silizium mehr als 1 m von dem Flansch 22 angeordnet wird, erfolgt eine geringe Ätzung bei Verwendung eines Ätzgas-Übertragungsrohres mit 10 cm Innendurchmesser. Speziell wurde festgestellt, daß bei Verwendung eines Ätzgas-Übertragungsrohres von 1 cm Innendurchmesser die Ätzgeschwindigkeit selbst in der Nähe der Ätzgas-Erzeugungskammer niedrig liegt.

Beispiel 2

Wie bei dem Beispiel 1 wurden auch Versuche unternommen, um die Ätzgeschwindigkeit des polykristallinen Siliziums zu messen, und zwar bei Verwendung von Ätzgas-Übertragungsrohren mit unterschiedlichem Innendurchmesser. Fig. 3 zeigt ein Gasätzgerät, welches bei dem Beispiel 2 zur Anwendung gebracht wurde.

Das Ätzgasgerät nach Fig. 3 enthält den gleichen Typ der Mikrowellenentladeeinrichtung 1 wie denjenigen von Fig. 1 bzw. entsprechend dem Beispiel 1. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Ätzgas-Auslaßleitung oder -rohr 11 an die Ätzgas-Übertragungsleitung 9 angeschlossen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist eine Ätzkammer 31 zwischen dem Ätzgas-Übertragungsrohr 9 und dem Ätzgas-Auslaßrohr vorgesehen. Die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 besteht hier aus Quarz. Die Ätzgas-Übertragungsleitung 9 und die Ätzkammer 31 wurden aus rostfreiem Stahl hergestellt und wurden mit einer Polytetrafluoräthylen-Schicht ausgekleidet. Das Ätzgas-Übertragungsrohr oder -leitung 9 wurde mit einer Länge von 130 cm ausgeführt (gemessen vom Zentrum der Ätzgas-Erzeugungskammer 8 zum Eingang der Ätzkammer 31).

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine scheibenförmige Ätzkammer 31. Eine Reaktionskammer 32 ist mit Beobachtungsscheiben 34, 35 ausgestattet und auch eine Proben-Einführkammer 33 ist mit einem Beobachtungsglas oder -fenster

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ausgestattet. Die Größe der Reaktionskammer 32 ist auf das niedrigste erforderliche Maß beschränkt, und zwar insofern als eine Abweichung in der Konzentration eines Ätzgases so weit wie möglich verhindert werden kann. Eine Halterungsplatte 37 für die Aufnahme des Probenteiles oder Chips 21 ist drehbar in der Ätzkammer 31 angeordnet. Die Halterungspläfcbe 37 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt, und ihre Fläche ist mit einer Polytetrafluoräthylen-Schicht überzogen. Die Drehung der Halterungsplatte 37 ermöglicht die Ätzung einer großen Zahl von Chips.

Es wurden Messungen hinsichtlich der Ätzgeschwindigkeit des polykristallinen Siliziums durchgeführt, und zwar w:fe bei dem Ausführungsbeispiel 1 unter Anwendung des Gasätzgerätes der Fig. 3, welches wie zuvor angegeben konstruiert ist. Bei diesem Versuch wurde der Innendurchmesser des Ätzgas-Übertragungsrohres 9 innerhalb des Bereiches von 1 - 10 cm geändert. Es wurden zwei unterschiedliche Zusammensetzungen (h) und (i) eines Ätzgases getrennt verwendet. Bei der Zusammensetzung (h) besaß das Kohlenstofftetrafluoridgas einen Partialdruck von 0,4 Torr, und das Sauerstoffgas einen Partialdruck von 0,2 Torr. Bei der Zusammensetzung (i) besaß das Kohlenstofftetrafluoridgas einen Partialdruck von 0,3 Torr und das Sauerstoffgas einen Partialdruck von 0,2 Torr. Der Partialgasdruck wurde durch das Druckmeßgerät 13 vom Membrantyp ermittelt, welches an die Ätzgas-Auslaßleitung 1 angeschlossen wurde. Die angelegte Mikrowellenenergie betrug 600 ¥ und wurde von dem Energie-Überwachungsgerät 4 gemessen.

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der zuvor angegebeaen Versuche. Die Kurve h gibt die Ätzgeschwindigkeit an, wenn das Kohlenstofftetrafluoridgas einen Partialdruck von 0,4 Torr besitzt, und das Sauerstoffgas einen Partialdruck von 0,1 Torr. Die

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Kurve i gibt die Ätzgeschwindigkeit an, wenn das Kohlenstofftetrafluoridgas einen Partialdruck von 0,3 Torr und das Sauerstoffgas einen Partialdruck von 0,2 Torr besitzen. Gemäß Fig. 5 konnte eine hohe Ätzgeschwindigkeit erreicht werden, wenn die Ätzgas-Übertragungsleitung oder -rohr einen Innendurchmesser besaß, der in den Bereich von ca. 1,5 cm "bis ca. 9 cm fällt, und zwar ungeachtet des zuvor ermittelten partialen Gasdruckes.

Die zuvor beschriebenen Versuche 1 und 2 lassen erkennen, daß bei festgelegter effektiver Austragsgeschwindigkeit die Gasätzgeschwindigkeit oder die Wirksamkeit der Übertragung von Ätzgas in erster Linie von dem Innendurchmesser des Ätzgasübertragungsrohres oder -leitung abhängig, ist. Dort, wo nämlich die Ätzgas-Übertragungsleitung oder -rohr einen Innendurchmesser besitzt, der in einen bestimmten Bereich fällt, lassen sich hohe Ätzgeschwindigkeiten erzielen. Umgekehrt fällt dort, wo der Innendurchmesser außerhalb dieses bestimmten Bereiches fällt, die Ätzgeschwindigkeit scharf ab. Es wird angenommen, daß sich dies auf die folgenden Gründe zurückführen läßt:

Für eine hohe Ätzgeschwindigkeit muß eine große Menge von Ätzgas zugeführt werden. Zu diesem Zweck soll das Ätzgas-Übertragungsrohr einen großen Innendurchmesser besitzen, und zwar unter der Bedingung, daß die effektive Austragsgeschwindigkeit festgelegt ist. Umgekehrt nimmt die Strömungsgeschwindigkeit eines Ätzgases in einem Ätzgas-Übertragungsrohr mit großem Innendurchmesser ab. Da das Ätzgas eine bestimmte begrenzte effektive Lebensdauer besitzt, nimmt die Konzentration des aktivierten Ätzgases aufgrund einer langsamen Überführung oder Übertragung in die Ätzkammer über die Übertragungsleitung oder -rohr mit großem Innendurchmesser ab, was zu einem entsprechenden Abfall in der Ätzgeschwindigkeit führt. Bei einer effektiv festgelegten Austragsgeschwindig-

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keit bietet ein Ätzgas-Übertragungsrohr mit einem großen Innendurchmesser einen größeren Vorteil hinsichtlich des Transportes einer großen Menge von Ätzgas. Dagegen wird mit enger werdendem Ätzgas-Übertragungsrohr oder -leitung immer mehr effektiv die Abnahme der Konzentration des aktivierten Ätzgases verhindert. Wenn man all die zuvor erwähnten Faktoren in Betracht zieht, läßt sich erkennen, daß der Innendurchmesser des Ätzgas-Übertragungsrohrs innerhalb eines bestimmten Bereiches fallen muß, um eine hohe Ätzgeschwindigkeit zu erzielen. Aufgrund dieser Tatsache wurde von der Anmelderin besondere Aufmerksamkeit dem Leitwert eines Ätzgas-Übertragungsrohrs geschenkt, und es wurde festgestellt, daß der optimale Wirkungsgrad der Zuführung von Ätzgas in eine Ätzkammer in erster Linie durch den Leitwert des Ätzgas-Übertragungsrohres oder -leitung und der effektiven Austragsgeschwindigkeit in der Ätzkammer definiert werden kann.

Die Ätzgas-Übertragungsleitung braucht nicht nur aus einem einzelnen Rohr mit kreisförmigem Querschnitt bestehen, wie dies in den Fig. 3 und 6A gezeigt ist, sondern kann auch anders gestaltet sein, wie dies in den Fig. 6B bis 6F gezeigt ist. In allen Fig. 6A bis 6F zeigt der Buchstabe A eine Ätzgas-Erzeugungskammer an, der Buchstabe B ein Ätzgas-Übertragungsrohr oder -leitung; und der Buchstabe C eine Ätzkammer an. Die in den Fig. 6B, 6C und 6D veranschaulichten Ätzgas-Übertragungsleitungen sind so ausgelegt, daß ein einheitlicher Ätzvorgang bzw. Ätzwirkung des zu ätzenden Materials oder Chips erzielt wird. Wenn gemäß den Fig. 6E und 6F mehrere Ätzgas-Erzeugungskammern oder Ätzkammern vergesehen sind, sollte das Ätzgas-Übertragungsrohr oder -leitung aus mehreren Zweigleitungen bzw. -rohren bestehen.

Beispiel 3

Es wurde die Ätzgeschwindigkeit bei polykristallinem Silizium relativ zum Leitwert des Ätzgas-Übertragungsrohres ge-

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messen und ebenso die effektive Austragsgeschwindigkeit in der Ätzkammer unter Verwendung eines Gasätzgerätes, welches mit einer verzweigten Ätzgas-Übertragungsleitung ausgestattet ist. Fig. 7 zeigt ein Gasätzgerät, welches bei diesem Versuch zur Anwendung gebracht wurde. In Fig. 7 sind die Mikrowellenentladeeinrichtung/und die Ätzgas-Erzeugungskammer 8 in derselben Weise ausgeführt wie bei den Beispielen 1 und 2. Eine Ätzgas-Übertragungsleitung 41 ist in vier Zweige am stromabwärts gelegenen Abschnitt aufgeteilt. Die unteren Enden der jeweiligen Zweige sind zu einer gemeinsamen Verteilerleitung oder -rohr 43 zusammengeführt und mit einer großen Zahl von kleinen Öffnungen 42 ausgestattet. Dieses Verteilerrohr 43 ist auch so ausgeführt, daß eine einheitliche Einführung von Ätzgas in eine Ätzkammer 44 sichergestellt wird. Die jeweiligen Zweigleitungen sind mit einem Ventil 45 ausgestattet, um die Strömungsgeschwindigkeit des Ätzgases zu steuern. Eine Halterungsplatte 46 aus rostfreiem Stahl ist einer Polytetrafluoräthylen-Schicht überzogen und in der Ätzkammer 44 angeordnet. Mehrere polykristalline Siliziumkörper oder -chips 21 werden auf die Halterungs- oder Abstützplatte 46 aufgelegt. Ein gemeinsames Gasauslaßrohr 47 ist für eine einheitliche Abführung des Ätzgases aus der Ätzkammer 44 vorgesehen. Die Ätzkammer 44 ist darüber hinaus mit einem Druckmeßgerät 48 vom Membrantyp, einem Gaseinlaßrohr 49, einem Durchsatzmeßgerät 50 und einem Ventil 51 ausgestattet, die alle zur Ermittlung einer effektiven Austragsgeschwindigkeit erforderlich sind.

Es läßt sich nun der Leitwert C_T des Ätzgas-Übertragungsrohres oder -leitung durch die folgende Gleichung ausdrucken:

Q.Se

c_T =

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worin bedeuten:

Se = effektive Austragsgeschwindigkeit (l/min)

in der Ätzkammer 44; Pm = Gasdruck (Torr) an einem Einlaß zum Ätzgas-

Übertragungsrohr 41; Q. = Massenströmungsgeschwindigkeit (Torr·l/min)

des Ätzgases, welches in das Gasätzgerät

eingebracht wird;
Se kann aus der an früherer Stelle angegebenen

Gleichung Se=Qe/Pe.ermittelt werden.

Das polykristalline Silizium wurde durch das Gasätzgerät nach Fig. 7 geätzt. Es wurde die Ätzgeschwindigkeit des polykristallinen Siliziums relativ zu dem zuvor definierten Leitwert des Ätzgas-Übertragungsrohres gemessen. Es wurde C_m durch Änderung des Durchmessers der kleinen Öffnungen 42 und durch Steuerung des Ventils 45 verändert. Ferner wurde P^ mit Hilfe des Druckmeßgerätes 12 gemessen, ebenso Qy. mit Hilfe des Massenströmungsmeßgerätes 14, Pe mit Hilfe des Druckmeßgerätes 48 und Qe mit Hilfe eines Massenströmungsmeßgerätes bzw. Durchsatzmeßgerätes 50. Das in das Gasätzgerät für die Ermittlung des Leitwertes C_m eingeführte Gas war N₂. Die weiteren bei dem zuvor erwähnten Versuch gegebenen Bedingungen waren wie folgt:

Temperatur:	300° K
Druckbereich (in der Ätz kammer) :	0,1 - 1,5 Torr
Länge des Ätzgas-Übertra gungsrohres:	1 m
Se:	500 l/min
	2000 l/min
das geätzte Material:	eine polycristalline Siliziumprobe oder -chip

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Ätzgas zusammensetzung: Kohlens tofftetrafluorid-

gas mit einem Partialdruck von 0,4 Torr und Sauerstoffgas mit einem Partialdruck von 0,2 Torr

Mikrowellenleistung: 680 W.

Die Ergebnisse des Versuchs sind in Fig. 8 festgehalten. Die Kurven j, k geben die Daten an, die erhalten wurden, wenn Se auf 500 l/min und 2000 l/min eingestellt wurde. Es wurde Se mit Hilfe von unterschiedlichen Vakuumpumpen verändert. Es wurde aus den zwei Kurven j, k herausgefunden, daß eine Ätzgeschwindigkeit von 100 S/min erhalten werden kann, wobei die folgende Formel befriedigt v/ird:

10"¹Se < C_T < 5x1O²Se

Diese Formel ist anwendbar auf jeden Typ einer Ätzgasübertragungsleitung. Speziell dort, wo die Ätzgas-Übertragungsleitung aus einem einzelnen Rohr mit kreisrundem Querschnitt besteht, sollte der Innendurchmesser des Übertragungs- und tjberführungsrohres in den Bereich von 1,5 - 9 cm fallen, um die zuvor angegebene Formel zu befriedigen.

Wie sich aus der vorangegangenen Beschreibung erkennen läßt, kann man mit Hilfe des Gasätzgerätes nach der Erfindung sehr wirkungsvoll und mit hohem Wirkungsgrad eine polykristalline Siliziumprobe oder -chip ätzen.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

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Tokyo Shibaura Co. Ltd. D-8000München80

Kawasaki-shi, Japan _Te,_{; 08}9/982085-87

Telex: 05 29 802 hnkl d

Telegramme: ellipsoid

3 1. harz 1978

Patentansprüche

Gasätzgerät, bestehend aus einer Ätzgas-Erzeugungskammer, einer Einrichtung zum Einleiten einer Gasmischung, die Fluoratome und ein Gas mit Sauerstoffatomen enthält, in die Kammer, einer Aktivierungseinrichtung zum Aktivieren des Gasgemisches in der Ätzgas-Erzeugungskammer, einer Ätzkammer, die entfernt von der Ätzgas-Erzeugungskammer gelegen ist und die frei von elektrischen Feldern der Aktivierungseinrichtung gehalten ist, und aus einer Ätzgas -Übertragungs- oder -Überführungseinrichtung, um eine Strömungsverbindung zwischen der Ätzgas-Erzeugungskammer und der Ätzkammer vorzusehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung aus einer Leitung oder einem Rohr besteht, welches derart konstruiert ist, daß es der folgenden Formel genügt:

10"¹Se < C₁₁, ^ 5x10²Se

worin bedeuten:

C_T = Leitwert (l/min) der Ätzgas-Übertragungsleitung oder -rohres;

Se = effektive Austragsgeschwindigkeit (l/min) in der Ätzkammer.

^vl/ro 8 0 9 8 4 0/1101

ORIGINAL INSPECTED

28H028
2. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungseinrichtung zur Aktivierung des Gasgemisches aus einer Hochfrequenz-Entladeeinrichtung besteht.
3. Gasätzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Entladeeinrichtung aus einer Mikrowellen-Entladeeinrichtung besteht.
4. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Erzeugungskammer aus Quarz hergestellt ist und daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung und die Ätzkammer aus einer.Metallplatte hergestellt sind, die mit einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen überzogen ist.
5. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung aus einem Rohr besteht.
6. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung aus mehreren getrennten Rohren besteht.
7. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung aus mehreren Zweigrohren besteht.
8. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgas-Übertragungseinrichtung aus einem einzigen runden Rohr bzw. Rohr mit kreisrundem Querschnitt besteht, welches einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 1,5 und 9 cm besitzt.
9. Gasätzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungseinrichtung zum Aktivieren der Gasmischung aus einer Mikrowellen-Entladeeinrichtung besteht, die eine Mikrowellenquelle, einen Isolator mit einer Ersatzlast, ein

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-D-

Leistungs- oder Energieüberwachungsgerät, eine Dreifach-Abstimmstichleitung und einen Bestrahlungstubus, der einen kurzen Stößel aufweist, umfaßt, daß die Ätzgas-Erzeugungskammer den Bestrahlungstubus quer oder kreuzend durchdringt, daß weiter die Ätzgas-Übertragungsleitung in die Ätzkammer eingeführt ist, wobei der zwischenliegende Abschnitt in mehrere Zweige aufgeteilt ist, deren untere Enden zu einem einzigen gemeinsamen Verteilungsrohr zusammengeführt sind, welches mit einer großen Zahl von kleinen Öffnungen ausgestattet ist, und daß die Ätzkammer mit einem Auslaßrohr vom Ansaugrohrtyp ausgestattet ist.
10. Gasätzverfahren, bei welchem eine Gasmischung mit Fluoratomen und einem Sauerstoffatome enthaltenden Gas in eine Ätzgas-Erzeugungskammer eingeleitet wird, die Gasmischung aktiviert wird und die aktivierte Gasmischung über eine Ätzgas-übertragungseinrichtung in eine Ätzkammer eingeleitet wird, die von der Ätzgas-Erzeugungskammer räumlich entfernt angeordnet ist und von elektrischen Feldern freigehalten ist, die durch Aktivierung des Gasgemisches entstehen, und wobei ein in die Ätzkammer eingebrachtes nichtgasförmiges Material durch die aktivierte Gasmischung geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierte Gasmischung derart übertragen oder in die Ätzkammer eingeleitet wird, daß der folgenden Formel genügt wird:

10"¹Se < C_T < 5x10²Se worin bedeuten:

C_T = Leitwert (l/min) des Ätzgas-Übertragungsrohres

oder -leitung;
Se = effektive Austrags- oder Ausstoßgeschwindigkeit

(l/min) in der Ätzkammer.

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_₄_ 28U028
11. Gasätzverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluoratome enthaltendes Gas ein Kohlenstofftetrafluoridgas und als Sauerstoffatome enthaltendes Gas Sauerstoffgas verwendet werden.
12. Gasätzverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung des Gasgemisches Mikrowellenenergie dem Gasgemisch zugeführt wird.

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