DE2933850A1

DE2933850A1 - Plasma-aetzvorrichtung

Info

Publication number: DE2933850A1
Application number: DE19792933850
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Hayashida; Kiyozi Ikeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1980-03-13
Also published as: US4243506A; JPS5531154A; DE2933850C2; JPS5617432B2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Ätzvorrichtung, insbesondere eine derartige Plasma-Ätzvorrichtung, mit der eine zu ätzende Oberfläche eines Werkstücks über die gesamte Fläche gleichmäßig geätzt werden kann.

Es ist bekannt, daß man mit dem Plasma-Ätzen ein Verfahren bezeichnet, bei dem zum Beispiel ein Halogenid, wie CF₄, CCl, und BCl₃, oder ein Gas, wie O₂, N₂, Ar und Luft, in ein Reaktionsgefäß eingeleitet werden, um einen vorgegebenen Druck aufzubauen, eine Hochfrequenzspannung an Elektroden zur Erzeugung eines Plasmas angelegt wird und die Oberfläche eines im Reaktionsgefäß angeordneten Werkstücks durch die Radikale geätzt wird, welche durch das Plasma erzeugt werden.

Die Anordnung zur Verwendung bei diesem Plasma-Ätzen werden eingeteilt in solche der Induktionsspulenbauart und der Kapazitätsbauart, und zwar auf der Basis der Elektrodenanordnungen zur Erzeugung des Plasmas. Der Aufbau einer typischen Plasma-Ätzvorrichtung der Kapazitätsbauart gemäß dem Stand der Technik ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Anordnungen dieser Art werden auch als "Faßbauart" bezeichnet. Halbringförmige Elektroden 1 und 2 sind einander gegenüberliegend auf der Außenwand eines Reaktionsrohres 4, in das eine gewünschte Gasfüllung eingeleitet ist, angeordnet und mit den entsprechenden Anschlüssen einer Hochfrequenz-Spannungsversorgung verbunden. Ein zu ätzendes Werkstück 3 ist im wesentlichen im mittleren Bereich des Innenraumes des Reaktionsrohres 4 angerodnet.

Bei den herkömmlichen Anordnungen mit derartigen Elektroden ist, wenn CF., O-, N₃, Ar, Luft oder dergleichen als Gas verwendet wird, das in das Reaktionsrohr eingeleitet wird, das Plasma vergleichsweise homogen im Reaktionsrohr verteilt,

030011/0696

so daß der Ätzvorgang im wesentlichen gleichförmig ohne besondere Schwierigkeiten im praktischen Betrieb abläuft. Wenn jedoch beabsichtigt ist, den Ätzvorgang durchzuführen, indem man ein chlorhaltiges Gas einleitet, wie z.B. CCl₁₁, und BCl^, so bildet sich ein Plasma nur in einem Bereich aus, in dem das Hochfrequenzpotential hoch ist. Aus diesem Grunde läuft der Ätzvorgang des Werkstücks, das im Reaktionsrohr angeordnet ist, nicht gleichförmig ab.

Um dieses Problem zu lösen, hat man daran gedacht, eine in Figur 2 schematisch dargestellte Anordnung der Plasma-Ätzvorrichtung zu verwenden. Wie sich aus Figur 2 entnehmen läßt, ist die Anordnung dort so, daß die Elektroden 11 und 12 in Form von zwei parallelen Platten innerhalb des Reaktionsrohres 4 angeordnet sind und daß sich ein Werkstück 3 zwischen den parallelen plattenförmigen Elektroden 11 und 12 befindet. Dies wird gelegentlich auch als Planarbauart bezeichnet.

Eine Plasma-Ätzvorrichtung unter Verwendung von parallelen plattenförmigen Elektroden kann ein homogenes Plasma zwisehen den Elektroden 11 und 12 erzeugen, auch wenn der Ätzvorgang so durchgeführt wird, daß ein Chlor enthaltendes Gas, wie z.B. CCl₄ oder BCl₃, eingeleitet wird. In den Fällen jedoch, wo das Werkstück 3 aus einem Isolator besteht oder wo es, obwohl aus einem Leiter bestehend, von den Elektroden isoliert 5 ist, wird das Plasma in der Weise inhomogen, daß die Intensität im Umfangsbereich höher ist als im mittleren Bereich des Werkstücks. Aus diesem Grunde werden insbesondere der Kantenbereich des Werkstücks und die Bereiche in seiner Nähe besonders stark geätzt, wenn man sie mit dem mittleren Bereich vergleicht, und es ist unmöglich, die gesamte Oberfläche des Werkstücks gleichförmig zu ätzen.

Dementsprechend war es schwierig, mit dem Plasma-Ätzen irgendwelche Bauteile herzustellen, die ein Arbeiten mit besonders hoher Präzision erfordern, z.B. ein Photomaskensubstrat zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.

Plasma-Ätzvorrichtungen der Faßbauart und der Planarbauart sind in großem Umfang verwendet worden und in einer

030011/0696

ganzen Reihe von Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise in Kodak Microelectronics Seminar Proceedings, Interface '77, Seite 55 bis 65.

Um die mangelnde Gleichmäßigkeit beim Ätzen zu verringern, hat man auch bereits daran gedacht, eine Vorrichtung der Planarbauart zu verwenden und den Ätzvorgang so durchzuführen, daß eine Elektrode sich dreht, auf der ein Werkstück liegt (Kodak Microelectronics Seminar Proceedings, Interface '77, Seite 33 bis 41). Mit derartigen Anordnungen und Verfahren gemäß dem Stand der Technik war es jedoch schwierig, zu einem gleichförmigen Ätzvorgang zu kommen, der im praktischen Gebrauch zufriedenstellend, ist,und es war daher wünschenswert, zu einem verbesserten Plasma-Ätzverfahren und einer entsprechenden Plasma-Ätzvorrichtung zu kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bei den herkömmlichen Plasma-Ätzvorrichtungen auftretenden Probleme zu lösen und eine verbesserte Plasma-Ätzvorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, die Oberfläche eines Werkstücks mit einem Plasma homogener Verteilung zu bestrahlen, um seine gesamte Oberfläche gleichförmig zu ätzen.

Zur Lösung dieses Problems wird gemäß der Erfindung eine Siebelektrode als eine der beiden plattenförmigen Elektroden bei einer Vorrichtung nach der Planarbauart verwendet und ein Werkstück außerhalb der Siebelektrode angeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der her.kömmlichen Faßbauarten und Planarbauarten von Plasma-Ätzvorrichtungen;

Figur 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Plasma-Ätzvorrichtung;

Figur 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Plasmaausbildung mit der erfindungsgemäßen Plasma-Ätzvorrichtung; und in

Figur 5 ein Diagramm zur Erläuterung der mit der erfindungsgemäßen Plasma-Ätzvorrichtung erzielbaren Wirkungen.

030011/0898

In Figur 3 ist die neuartige Plasma-Ätzvorrichtung schematisch dargestellt. Eine metallische Plattenelektrode 21 und eine metallische Siebeleketrode 22 sind innerhalb eines Reaktionsrohres 4 parallel und einander gegenüberliegend angeordnet und an eine entsprechende Hochfrequenz Energieversorgung oder -Spannungsversorgung angeschlossen. Wie in Figur 3 dargestellt, ist ein Werkstück 3 außerhalb der Siebelektrode 22 angeordnet.

Wenn ein vorgegebenes Gas in das Reaktionsrohr 4 in einer Menge eingeleitet ist, die einem vorgegebenen Druck entspricht, und eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz an die Plattenelektrode 21 und die Siebelektrode 22 angelegt wird, so wird zwischen den beiden Elektroden 21 und 22 ein Plasma 23 der in Figur 4 dargestellten Art erzeugt. Wenn beide Elektroden flach ausgebildet sind, so wird das Plasma im wesentlichen im Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden auftreten. Da die eine Elektrode 22 siebartig ausgebildet ist, dringt ein Teil des Plasmas 23 durch die Maschen der Siebelektrode 22 hindurch.

Dementsprechend wird in dem Falle, wo das Werkstück 3 in der Weise unter der Siebelektrode 22 angeordnet ist, daß es mit dem hindurchdringenden Plasma in Kontakt steht, seine Oberfläche von dem hindurchdringenden Plasma geätzt.

Darüber hinaus wird auch dann, wenn die Intensität des zwischen den beiden Elektroden 21 und 22 erzeugten Plasmas etwas inhomogen ist, die Intensität des durch die Maschen der Siebelektrode 22 hindurchdringenden Plasmas über die gesamte Oberfläche homogen werden.

Dementsprechend ist die Intensität des Plasmas, mit dem das Werkstück 3 bestraht wird, über die gesamte Oberfläche des Werkstücks 3 homogen, so daß die Oberfläche des Werkstücks 3 außerordentlich gleichmäßig im gesamten Gebiet vom mittleren Bereich zum Randbereich geätzt wird.

Insbesondere zeigen die Kurven 5 und 6 in Figur 5 den Zusammenhang zwischen dem Abstand vom mittleren Bereich der Oberfläche eines Chromfilms und der Ätzgeschwindigkeit des Chromfilms in den Fällen, wo die auf ein Glassubstrat aufgebrachten Chromfilme einem Plasma-Ätzvorgang unterworfen

030011/0698

■"■" " / "■" ■

wurden, und zwar unter Verwendung von Anordnungen mit parallelen Plattenelektroden gemäß der in Figur 3 dargestellten neuartigen Plasma-Ätzvorrichtung einerseits und einer herkömmlichen Anordnung nach Figur 2 andererseits. Wie sich aus der Kurve 6 in Figur 5 entnehmen läßt, ist die Ätzgeschwindigkeit bei Durchführung des Ätzvorganges mit einer herkömmlichen Vorrichtung mit parallelen Plattenelektroden im Randbereich viel größer als in der Nähe des mittleren Bereiches. Es versteht sich von selbst, daß mit einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung die gesamte Oberfläche nicht gleichförmig geätzt werden kann.

Wenn andererseits die neuartige Plasma-Ätzvorrichtung verwendet wird, so ist die Ätzgeschwindigkeit des Chromfilms über die gesamte Oberfläche gleichförmig, wie sich der Kurve 5 in Figur 5 entnehmen läßt, und sie nimmt auch im Randbereich kaum zu. Das beduetet, daß es mit der neuartigen Plasma-Ätzvorrichtung möglich ist, die Oberfläche eines Werkstücks mit quadratischer Form, deren Seitenlänge ungefähr 10 cm beträgt, über den gesamten Bereich gleichförmig zu ätzen.

Mit der neuartigen Plasma-Ätzvorrichtung können die verschiedensten Gase, wie CF₄, CCl₄, BCl₃, Ar, O₂/ N₂/ H₃ etc. als Gase verwendet werden, die in das Reaktionsrohr zur Durchführung des Ätzvorganges eingeleitet werden, und sie können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Art des zu ätzenden Werkstücks ausgewählt werden. Wenn beispielsweise Silizium geätzt werden soll, erweist sich eine aus CF₄ und O₂ bestehende Gasmischung als günstig, während dann, wenn Chrom geätzt werden soll, eine aus CCl₄ und O₂ bestehende Gasmischung sich als zweckmäßig erweist. Obwohl die Drucke dieser Gase selbstverständlich unterschiedlich sind und von den Arten der Gase sowie dem Werkstück und dem Zweck des Ätzvorganges abhängen, können sie innerhalb eines Bereiches gewählt werden, der ungefähr zwischen 0,05 und 5 Torr liegt.

Die Plattenelektrode 21 und die Siebelektrode 22 bestehen aus Materialien, die sich mit dem Plasma schwer ätzen lassen, wie z.B. aus Aluminium und Platin. Der Abstand zwi-

030011/0696

sehen den beiden Elektroden kann innerhalb eines Bereichs angesetzt werden, der ungefähr 1 bis 20 cm beträgt, wobei sich mit Abständen zwischen 5 und 10 cm sehr günstige Ergebnisse erzielen lassen.

Der Abstand zwischen der Siebelektrode 22 und der Oberfläche des Werkstücks 3 ist von Bedeutung. Wenn dieser Abstand zu groß ist, so kann das durch die Maschen der Siebelektrode hindurchdringende Plasma nicht die Oberfläche des Werkstücks erreichen, so daß ein Ätzen unmöglich ist. Wenn der Abstand zu klein ist, so wird der Photoresistfilm beschädigt und außerdem ein gleichförmiges Ätzen schwierig. Der zulässige maximale Wert des Abstands zwischen der Siebelektrode 22 und der Oberfläche des Werkstücks 3 hängt auch von der Hochfrequenzleistung ab, die an die Elektroden angelegt wird. Der Abstand beträgt beispielsweise ungefähr 5 cm bei einer Hochfrequenzausgangsleistung von 100 W, etwa 10 cm bei einer Ausgangsleistung von 500 W, etwa 15 cm bei einer Ausgangsleistung von 1 kW und etwa 25 cm bei einer Ausgangsleistung von 2 kW. Wenn jedoch die Hochfrequenzausgangslei- stung zu hoch ist, so wird der Temperaturanstieg des Werkstücks sehr beträchtlich, und es wird der auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebrachte Photoresistfilm beschädigt. Es ist dann schwierig, den Ätzvorgang mit einem Photoresistfilm mit einem vorgegebenen Muster durchzuführen. Aus diesem Grunde ist die Hochfrequenzleistung, die an die beiden Elektroden angelegt wird, ungefähr 500 W, während der maximale Wert für den Abstand der Siebelektrode 22 und der Oberfläche des Werkstücks 3 etwa 10 cm beträgt.

Wenn andererseits der Abstand zwischen der Siebelektrode 22 und der Oberfläche des V7erkstücks 3 zu klein ist, so wird kein gleichmäßiger Ätzvorgang durchgeführt, so daß der Abstand zwischen den beiden mindestens etwa 3 bis 5 mm betragen muß.

Für die beiden Elektroden ist es wichtig, Materialien zu verwenden, bei denen das eingeleitete Gas und das Plasma kaum eine Korrosionswirkung entfalten können, wie z.B. Platin, Aluminium, rostfreien Stahl, Nickel Molybdän, Titan,

030011/0696

Chrom und Tantal. Selbstverständlich werden die Materialien in geeigneter Weise ausgewählt, und zwar in Abhängigkeit von dem eingeleiteten Gas etc. Es ist auch möglich, Metallelektroden zu verwenden, die mit Glas, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen. Wenn die Maschengröße der Siebelektrode 22 zu klein ist, wird das Plasma das durch die Siebmaschen hindurchdringt und mit dem das Werkstück bestrahlt wird, ungleichmäßig. Wenn die Maschengröße zu groß ist, so ist es schwierig, daß sich ein gutes Plasma ausgebildet.Daher sollte die Maschengröße der Siebelektrode, also der Abstand zwischen benachbarten Metalldrähten, in einem Bereich von etwa 5 bis 20 mm liegen. Um eine mangelnde Gleichmäßigkeit beim Ätzvorgang zu verhindern, empfiehlt es sich, die Metalldrähte des die Siebelektrode bildenden Siebes so fein wie möglich auszubilden. Beispiel 1

Ein Chromfilm mit einer Dicke von 600 A und ein Film aus Chromoxid CrO₃ mit einer Dicke von 200 A wurden auf einer Glasplatte mit einer Dicke von 2,4 mm aufeinander aufgebracht. Unter Verwendung eines gehärteten Photoresistfilms als Maske wurde mit der in Figur 3 dargestellten Plasma-Ätzvorrichtung ein Plasma-ÄtzVorgang durchgeführt. Das in das Reaktionsrohr eingeleitete Gas bestand aus CCl₄ +⁰O' ^der Druck betrug 0,25 Torr und die Ätzzeit belief sich auf 11 Minuten.

Mit einem derartigen Verfahren konnten sowohl der Chromfilm als auch der Chromoxidfilm mit einer derartigen Präzision geätzt werden, daß eine Dimensionsgenauigkeit von - 5 .um erzielt wurde. Die Genauigkeit, die mit einem herkömmlichen chemischen Ätzverfahren unter Verwendung einer Cernitrat-Ammoniumlösung erreicht wird, beträgt üblicherweise etwa - 0,5 ,um. Daraus ergibt sich, daß mit der erfindungsgemäßen Plasma-Ätzvorrichtung wesentlich höhere Präzision als bislang zu erreichen sind.

Beispiel 2

Ein Chromfilm mit einer Dicke von 800 & wurde auf einer Glasplatte aufgebracht. Wie beim Beispiel 1 wurde der Chrom-

030011/0696

film einem Plasma-Ätzvorgang unter Verwendung eines gehärteten Photoresistfilms als Maske unterworfen. Dabei wurde eine Dimensionsgenauigkeit von - 0,15,um erzielt. Beispiel 3

Auf einer Glasplatte wurden übereinander ein Chromoxidfilm mit einer Dicke von 200 8, ein Chromfilm mit einer Dicke von 600 8 und ein Chromoxdifilm mit einer Dicke von 200 aufgebracht. Unter Verwendung eines gehärteten Photoresistfilms als Maske wurde der aus drei Schichten bestehende Film in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 einem Plasma-Ätzvorgang unterworfen. Er konnte ebenfalls mit einer Genaugkeit von + O, 15 um geätzt werden.

Bei sämtlichen obigen Beispielen war das Substrat als Werkstück ein Isolator. Der Ätzvorgang mit der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung ist jedoch nicht auf derartige Materialien beschränkt, sondern es konnten auch gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die neuartige Plasma-Ätzvorrichtung beim Plasma-Ätzen eines Halbleiters, wie z.B. Silizium oder verschiedenen Metallen eingesetzt wurde.

Wenn das Werkstück geätzt wird, während es in horizontaler Richtung bewegt wird, beispielsweise mit einer exzentrischen Kurvenscheibe, so wird eine mangelnde Gleichmäigkeit in sehr wirksamer Weise verhindert, und es konnten noch bessere Ergebnisse erzielt werden.

Beispiel 4

Unter Verwendung von gehärteten Photoresistfilmen als Maske wurden Molybdänfilme mit einer Dicke von 1.500 8 geätzt, wobei einerseits eine herkömmliche Vorrichtung mit parallelen Plattenelektroden der in Figur 2 dargestellten Art und andererseits die in Figur 3 dargestellte neuartige Plasma-Ätzvorrichtung verwendet wurden. Die geätzten Endteile der beiden Proben wurden beobachtet und unter Verwendung eines Elektronenmikroskops miteinander verglichen. Die Bedingungen, unter denen das Plasma-Ätzen durchgeführt wurde, waren für beide Proben die gleichen. Genauer gesagt wurde CF₄ mit 4,0 % Sauerstoff bei einem Druck von 0,5 Torr ein-

030011/0696

geleitet, die Frequenz betrug 13,56 MHz, die Hochfrequenzleistung 50 W und die Ätzzeit 5 Minuten.

Als Ergebnis ergab sich, daß bei der Verwendung der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung eine sehr kleine Anzahl von unebenen Bereichen auftrat, und man erkannte, daß das Ätzen einem Maskenmuster getreu erfolgte. Demgegenüber war bei der Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung mit parallelen Plattenelektroden die Anzahl von unebenen Bereichen größer und die Zuverlässigkeit niedriger als mit der neuartigen Plasma-Ätzvorrichtung. Darüber hinaus war festzustellen, daß unerwünschte Wölbungen in der Nähe der Endbereiche auftraten.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit der neuartigen Plasma-Ätzvorrichtung auch Plättchen mit großer Fläche gleichmäßig geätzt werden können. Außerdem ergibt sich der Vorteilydäß der Ätzvorgang in der oben beschriebenen Weise sehr getreu dem Maskenmuster durchgeführt werden kann, so daß eine derartige Vorrichtung in der Praxis von sehr großem Wert ist.

030011/0696

Claims

Patentanwalts: I ' - £ \3 J J Q 0 ü

SCHIFF ν. FÜNER STREHU SCHÜBEU-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MDNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 9SO16O, D-800O MÖNCHEN »5

HITACHI, LTD. 21. August 1979

DEA-5969

Plasma-Ätzvorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

1 .J Plasma-Ätzvorrichtung, bei der zwei Elektroden, die elektrisch an eine Hochfrequenz-Energieversorgung angeschlossen sind, in einem Reaktionsrohr angeordnet und ein in dem Reaktionsrohr untergebrachtes Werkstück mit dem Plasma geätzt wird, das durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung zwischen die Elektroden erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden im wesentlichen parallel zueinander angeordneten und einander gegenüberliegenden Elektroden als metallene Plattenelektrode (21) und Siebelektrode (22) ausgebildet sind und daß das Werkstück (3) außerhalb der Siebelektrode (22) und im Abstand von dieser angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Plattenelektrode (21) und der Siebelektrode (22) ungefähr 1-20 cm beträgt.

030011/0696
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß der Abstand zwischen der Siebelektrode (22) und einer Oberfläche des Werkstücks (3) mindestens 3 bis 5 mm und höchstens 10 cm beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschengröße der Siebelektrode (22) ungefähr 5 bis 20 mm beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelektrode (21) und die Siebelektrode (22) aus einem Material bestehen, das zu der Gruppe folgender Materialien gehört: Platin, Aluminium, rostfreier Stahl, Nickel, Molybdän, Titan,Chrom und Tantal.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelektrode (21) und/oder die Siebelektrode (22) mit Glas, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid überzogen sind.

030011/0696