DE2933850C2

DE2933850C2 - Plasma-Ätzvorrichtung

Info

Publication number: DE2933850C2
Application number: DE2933850A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Tokyo Hayashida; Kiyozi Hachioji Tokyo Ikeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4243506A; JPS5617432B2; DE2933850A1; JPS5531154A

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Ätzvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung, wie sie in »Solid State Technology«, April 1978, Seiten 104 und 105 beschrieben ist.

Es ist bekannt, daß man mit dem Plasma-Ätzen ein Verfahren bezeichnet, bei dem zum Beispiel ein Halogenid, wie CF₄, CCI₄ und BCI3, 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 Anordnungen 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 Fig. 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 dos Innenraumes des Reaktionsrohres 4 angeordnet

Bei den herkömmlichen Anordnungen mit derartigen Elektroden ist, wenn CF₄, O₂, N₂, Ar, Luft oder dergleichen als Gas verwendet wird, das in das Reaktionsrohr eingeleitet wird, das Plasma vergleichsweise homogen im Reaktionsrohr verteilt so daß der Äizvorgang 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. CCI₄ und BCI₃, 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 bekanntlich eine in Fig.2 schematisch dargestellte Anordnung der Plasma-Ätzvorrichtung verwendet. Wie sich aus Fig.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.

ju Eine Plasma-Ätzvorrichtung unter Verwendung von parallelen plattenförmigen Elektroden kann ein homogenes Plasma zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugen, auch wenn der Ätzvorgang so durchgeführt wird, daß ein Chlor enthaltendes Gas, wie z. B. CCI₄ oder r> BCI3, 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 ist, wird das Plasma in der Weise inhomogen, daß die Intensität im Randbereich höher ist als im mittleren Bereich des Werkstücks. Aus diesem Grunde werden insbesondere der Kav.ienbcreieh 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

so Halbleiterbauelements.

Plasma-Ätzvorrichtungen der Faßbauart und der Planarbauart sind in großem Umfang verwendet worden und in einer ganzen Reihe von Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise in Kodak Microelectronies Seminar Proceedings, Interfache 77, Seite 55 bis 65, und in der eingangs erwähnten Literaturstelle aus »Solid State Technology«.

Um die mangelnde Gleichmäßigkeit beim Ätzen zu verringern, hat man auch bereits eine Vorrichtung der Planarbauart verwendet, bei der sich eine Elektrode 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-Ätz-

vorrichtung zu kommen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrilt 20 37 854 ist eine Ätzvorrichtung bekannt, bei der eine Elektrode als Siebelektrode ausgebildet und das Werkstück in Abstand von dieser auf der von der anderen Elektrode abgewandten Seite angeordnet ist. Die dort beschriebene Vorrichtung dient zur lonenstrahlätzung, wobei die beiden Elektroden eine Ionenkanone bilden und die darin beschleunigten Ionen durch die Siebelektrode austreten, auf die Werkstückoberfläche treffen und infolge ihrer kinetischen Energie Moleküle aus der Werkstückoberfläche herausschlagen. Diese physikalisch-mechanische Ätzung arbeitet anders als die mit einer Plasma-Ätzvorrichtung durchführbare chemische Ätzung. Während es bei der Ionenstrahl-Ätzung auf die kinetische Energie der Ionen ankommt, kommt es bei der Plasmaätzung auf die elektrische Ladung der das Plasma bildenden Ionen an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-Ätzvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich die gesamte Oberfläche eines Werkstücks gleichförmig ätzen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Mittel gelöst.

Dadurch kann sich vorteilhafterweise das Plasma aufgrund der Wechselwirkungen und den im Hochfrequenzfeld zwischen den beiden Elektroden erzeugten Ladungsträgern bis zu gewissen Entfernungen auch in Bereiche außerhalb dieses Feldes ausbreiten und durch die Siebelektrode hindurchtreten, so daß bei Anordnung i<> des Werkstücks in diesem außerhalb der Siebelektrode bestehenden »Außenfeld« das auf die benachbarte Werkstückoberfläche wirkende Plasma besonders gleichmäßig ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der π Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der herkömmlichen Faßbauarten und Planarbauarten von Plasma-Ätzvorrichtungen; *o

F i g. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung;

F i g. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Plasmaausbildung mit der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung; und in ⁴J

F i g. 5 in Diagramm zur Erläuterung der mit der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung erzielbaren Wirkungen.

In F i g. 3 ist die beschriebene Plasma-Ätzvorrichtung schematisch dargestellt. Eine metallische Plattenelek- ^5Ü trode 21 und eine metallische Siebelektrode 22 sind innerhalb eines Reaktionsrohres 4 parallel und einander gegenüberliegend angeordnet und an eine entsprechende Hochfrequenz Energieversorgung oder -Spannungsversorgung angeschlossen. Wie in F i g. 3 dargtstellt. 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, ist eine Hochfrequenzspannung mit ^b0 einer Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz an die Plattenelektrode 21 und die Siebelektrode 22 angelegt wird, so wird zwischen den beiden Elektroden ein Plasma 23 der in F i g. 4 dargestellten Art erzeugt. Wenn beide Elektroden flach ausgebildet sind, so wird das ^b"> Plasma im wesentlichen im Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden auftreten. Da die eine Elektrode 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 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 bestrahlt 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 F i g. 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 wurden, und zwar unter Verwendung von Anordnungen m:t parallelen Plattenelektroden gemäß der in F i g. 3 dargestellten Plasma-Ätzvorrichtung der beschriebenen Art einerseits und einer herkömmlichen Anordnung nach F i g. 2 andererseits. Wie sich aus der Kurve 6 in F i g. 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 beschriebene Plasma-Ätzvorrichtung verwendet wird, so ist die Ätzgeschwindigkeit des Chromfilms über die gesamte Oberfläche gleichförmig, wie sich der Kurve 5 in F i g. 5 entnehmen läßt, und sie nimmt auch im Randbereich kaum zu. Das bedeutet, daß es mit der beschriebenen 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 beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung können die verschiedensten Gase, wie CF₄, CCl₄, BCI3, Ar, O2, N2, H2 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 günst'g, während dann, wenn Chrom geätzt werden soll, eine aus CCI₄ 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 schwc, ätzen lassen, wie z. B. aus Aluminium und Platin. Der Abstand zwischen 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 i< > 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 r> von 100 W, etwa 10 cm bei einer Ausgangsleistung von jüü Tv,ctwa υ cm uci cinei nüaguiigSicisiung vufi ι rv tv und etwa 25 cm bei einer Ausgangsleistung von 2 kW. Wenn jedoch die Hochfrequenzausgangsleistung 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 Hochfrequenzlei- r> stung, 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 Werkstücks 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, Chrom und Tantal. Selbstverständlich werden die Materialien in geeigneter Weise ausgewählt, w 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 dei 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 ausbildet. 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 Äizvorgäng zu verhindern, empfiehlt es sich, die Metalldrähte des die Siebelektrode 22 bildenden Siebes so fein wie möglich auszubilden. *>">

Beispiel 1

Ein Chromfilm mit einer Dicke von 600 Ä und ein Film aus Chromoxid CrÜ3 mit einer Dicke von 200 Ä wurden auf einer Glasplatte mit einer Dicke von 2,4 mm w aufeinander aufgebracht. Unter Verwendung eines gehärteten Photoresistfilms als Maske wurde mit der in Fig.3 dargestellten Plasma-Ätzvorrichtung ein Plasma-Ätzvorgang durchgeführt Das in das Reaktionsrohr eingeleitete Gas bestand aus CCU + O2, der Druck ^hi betrug 0,25 Torr und die Ätzzeit belief sich auf Minuten.

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

Beispiel 2

Ein Chromfilm mit einer Dicke von 800 A wurde auf einer Glasplatte aufgebracht. Wie beim Beispiel 1 wurde der Chromfilm einem Plasma-Ätzvorgang unter Verwendung eines gehärteten Photoresistfilms als Maske unterworfen. Dabei wurde eine Dimensionsgenauigkcit von ±0,15 μπι erzielt.

Beispiel 3

Auf einer Glasplatte wurden übereinander ein Chromoxidfilm mit einer Dicke von 200 A, ein Chromfilm mit einer Dicke von 600 A und ein Chromoxidfilm mit einer Dicke von 200 A 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 Genauigkeit von ±0,15 μπι geätzt werden.

Bei sämtlichen obigen Beispielen war das Substrat als Werkstück ein Isolator. Der Ätzvorgang mit der beschriebenen Ätzvorrichtung ist jedoch nicht auf derartige Materialien beschränkt, sondern es konnten auch gute Ergebnisse erzielt werden, wenn sie 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 Gleichmäßigkeit 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 1500 A geätzt, wobei einerseits eine herkömmliche Vorrichtung mit parallelen Plattenelektroden der in Fig. 2 dargestellten Art und andererseits die in Fi g. 3 dargestellte Plasma-Ätzvorrichtung der beschriebenen Art verwendet wurden. Die geätzten Endteile der beiden Proben wurden beobachtet und unter Verwendung eines Elektronenmikroskops miteinander vergli-

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ciicii. lyi^. Lfcuiiiguiigdi, uiitci UCIiCiI uaa ι laama-ni£.cn durchgeführt wurde, waren für beide Proben die gleichen. Genauer gesagt wurde CF4 mit 4,0% Sauerstoff bei einem Druck von 0,5 Torr eingeleitet, 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 Fig.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 beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung. Darüber hinaus war festzustellen, daß unerwünschte Wölbungen in der Nähe der

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Endbereiche auftraten. Ätzvorgang in der ooen beschriebenen Weise sehr

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit der getreu dem Maskenmuster durchgeführt werden kann,

Plasma-Ätzvorrichtung der beschriebenen Art auch so daß eine derartige Vorrichtung in der Praxis von sehr

Plättchen mit großer Fläche gleichmäßig geätzt werden großem Wert ist.

können. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß der ■>

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasma-Ätzvorrichtung, bei der in einer Reaktionskammer (4) zwei metallische Elektroden im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, von denen die eine als Plattenelektrode (21) ausgebildet ist, und bei der das zu ätzende Werkstück (3) einem durch Anleger einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektroden erzeugten Plasma ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zur Plattenelektrode (21) angeordnete Elektrode als Siebelektrode (22) ausgebildet und das Werkstück (3) in Abstand von dieser auf ihrer von der Plattenelektrode (21) abgewandten Seite angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Abstand zwischen der Plattenelektrode (21) und der Siebelektrode (22) 1—20 cm beträgt.

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 Siebelektrodc (22) 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.