DE3013679A1 - Verfahren und vorrichtung zum chemischen behandeln von werkstuecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum chemischen behandeln von werkstuecken

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Description

Be Schreibung
Die Erfindung betrifft die chemische Gasphasenbearbeitung von Werkstücken und insbesondere eine derartige Bearbeitung, die eine durch Laserlicht herbeigeführte Dissoziation von gasförmigen Bestandteilen verwendet, um Reaktionsprodukte für die chemische Behandlung der Werkstücke zu erzeugen.
Bisher werden Werkstücke wie beispielsweise Halbleiterplättchen dadurch bearbeitet, daß eine Dissoziation von gasförmigen Bestandteilen einer kontrollierten Gasatmosphäre bewirkt wird, um ein gasförmiges Reaktionsprodukt für eine chemische Reaktion mit der Oberfläche des Werkstückes zu erzeugen, um dieses zu bearbeiten. Eine bekannte Klasse von derartigen Bearbeitungsanlagen weist eine Plasmaätz- und eine Plasmaniederschlagseinrichtung auf. Bei diesen Plasmabearbeitungsanlagen wird die Dissoziation im typischen Fall entweder über eine elektrische Entladung oder über eine Ultraviolettlichtbestrahlung des zu dissoziierenden Gasbestandteils erreicht. Die Schwierigkeit bei den bekannten Anlagen besteht darin, daß die Dissoziation nicht selektiv ist und viele unerwünschte Nebenreaktionsprodukte erzeugt werden, die die gewünschte chemische Reaktion an der Oberfläche des behandelten Werkstückes nachteilig stören können. Darüberhinaus wird eine unerwünscht hohe Energiestrahlung und werden Teilchen mit unerwünscht hoher Energie im Plasma erzeugt, was Versetzungen in der Gitterstruktur, der Halbleiter hervorrufen kann, was zu einer nicht notwendig hohen Defektstellenkonzentration in den bearbeiteten Halbleiterbauelementen führt, wodurch die Produktivität abnimmt oder das elektrische Betriebsverhalten dieser Bauteile beeinträchtigt wird.
Es ist auch bekannt, Halbleiterplättchen dadurch zu bearbeiten, daß gewählte Teile des Plättchens mit einer Laserstrahl bestrahlt werden, um von der bestrahlten Oberfläche des Plättchens bestimmte Materialien zu verdampfen, um beispielsweise
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Widerstände abzustimmen usw. Dieses Verfahren der Laserbearbeitung von Plättchen bringt keine durch das Laserlicht herbeigeführte chemische Gasphasenreaktion mit der Oberfläche des Plättchens oder mit der Oberfläche eines Werkstückes während der Behandlung mit sich.
Es ist weiterhin bekannt, Werkstücke dadurch zu bearbeiten, daß ihre Oberfläche mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, um diese lokalisiert zu erhitzen, was dann zu einer thermischen Dissoziation von gasförmigen Bestandteilen, beispielsweise Wolframhexafluorid und ähnlichen Bestandteilen führt, so daß ein Metallbestandteil der Gaskomponente thermisch dissoziiert wird und auf der durch das Laserlicht erhitzten Oberfläche des behandelten Plättchen niedergeschlagen wird. Diese Dissoziation ist pyrolytisch und keine direkte Folge 'einer Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem dissoziierten Molekül.
Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemischen Gasphasenbearbeitung von Werkstücken und insbesondere ein derartiges Verfahren und eine derartige Vor- * richtung, die eine selektive vom Laserlicht herbeigeführte Dissoziation einer Gaskomponente liefern, um ein gewünschtes gasförmiges Reaktionsprodukt für die chemische Bearbeitung des Werkstückes zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird das zu bearbeitende Werkstück einer kontrollierten Gasatmosphäre ausgesetzt, die einen gasförmigen Bestandteil enthält, der durch einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte gewählter Wellenlänge dissoziiert wird, der in die Gasatmosphäre an eine Stelle dicht an der zu behandelnden Oberfläche, jedoch in einem begrenzten Abstand davon, gelenkt wird, um selektiv den gasförmigen Bestandteil zu dissoziieren und ein gasförmiges Reaktionsprodukt für eine Reaktion mit der Oberfläche des Werkstückes zu erzeugen,
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um diese chemisch zu bearbeiten.
Erfindungsgemäß ist das Reaktionsprodukt weiterhin aus einer Gruppe gewählt, die aus F, CF3, CF3, CF, NF2, NF, BCl2, Cl und O besteht.
Erfindungsgemäß ist weiterhin der gasförmige Bestandteil, der zu dissoziieren ist, aus einer Gruppe gewählt, die aus O2, CCl4, BCl3, CF3I, CDF3, CF4, SiH4, NH3, CHF3, CFCl3, N3F4,Fluorverbindungen und Halogencarbonen besteht.
Insbesondere ist das zu behandelnde Werkstück erfindungsgemäß ein Halbleiterplättchen.
Erfindungsgemäß kann weiterhin die Querschnittsabmessung des Laserstrahles ausgedehnt werden und kann der ausgedehnte Laserstrahl durch die Gasatmosphäre in eine Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes und in einem relativ geringen Abstand davon gelenkt werden.
Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem Verfahren und in einer Vorrichtung zur chemischen Behandlung von Werkstücken, wobei das zu bearbeitende Werkstück einer kontrollierten Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die einen gasförmigen Bestandteil enthält, der durch Laserstrahlung zu dissoziieren ist, um ein gasförmiges Reaktionsprodukt für eine Reaktion mit der Oberfläche des Werkstückes zu erzeugen, um das Werkstück chemisch zu bearbeiten. Die Wellenlänge der Laserstrahlung ist so gewählt, daß nur die gewünschten Bindungen aufgebrochen werden, um nur das gewünschte Reaktions- ■ produkt zu erzeugen, ohne unerwünschte Nebenprodukte zu bilden, die die gewünschte chemische Reaktion nachteilig stören könnten. Beispiele für die gewünschte, durch das Laserlicht herbeigeführte Dissoziation zur Erzeugung gewünschter Reaktionsprodukte sind beispielsweise die Dissoziation zur Er-
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zeugung von reaktivem·Sauerstoff für eine chemische Reaktion mit dem Fotolack, um diesen zu entfernen oder den Fotolack zu veraschen, die vom Laserlicht herbeigeführte Dissoziation von Halogenverbindungen, um reaktives Halogen oder Halogenverbindungen zur Metallätzung zu erzeugen,und die vom Laserlicht herbeigeführte Dissoziation von Fluorverbindungen, um reaktives Fluor oder Fluorverbindungen zu erzeugen, um selektiv siliziumhaltige,metallische oder keramische Materialien zu ätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Bearbeitung von HaIbleiterplattehen.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:
Die einzige Figur zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Werkstückbearbeitungsstation .
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen chemischen Gasphasenbearbeitungsstation 11 für ein Werkstück dargestellt. Die Bearbeitungsstation 11 weist eine evakuierbare Hülle 12 auf, die das zu bearbeitende Werkstück 13 aufnimmt. Im· typischen Fall ist das Werkstück 13 ein Halblei terplättchen mit einem Durchmesser von 2,54 cm bis 15,24 cm und einer Stärke von 0,127 bis 0,89 mm, das auf einer Drehplatte 14 gehalten ist, die in der evakuierbaren Hülle 12 über eine Zwischenachse 15 und einen evakuierten mechanischen Bewegungsdurchgang 16 gedreht wird.
Die Gasatmosphäre in der evakuierbaren Kammer 12 wird über eine Absaugpumpe 17 gesteuert, die in Gasverbindung mit der Hülle 12 über ein Zwischenabsaugrohr 18 und ein Ventil 19 steht. Eine Gasquelle 21 ist gleichfalls in Gasverbindung an die evakuierbaren Hülle 12 über ein Zuleitungsrohr 12 und ein Ventil 23 angeschlossen. Die Gasatmosphäre in der Hülle 12
wird dadurch gesteuert, daß das darin befindliche Gas abgesaugt wird und vorgewählte gasförmige Bestandteile von der Gasquelle 21 in gesteuerten Mengen zugeführt werden. Die Gasströmung von der Gasquelle 21 durch die Hülle 12 zur Absaugpumpe 17 kann durch eine Steuerung der Ventile 19 und aufrechterhalten werden. Ein Vakuumverschluß 24 1st in der Hülle 12 vorgesehen, um die Werkstücke 13 in die Kammer 12 einzuführen.
Ein Laserstrahl 25 wird von einer Laserquelle 26 durch ein optisch transparentes und gasdichtes Fenster 27 in die Gasatmosphäre in der Kammer 12 gelenkt, um einen gasförmigen Bestandteil in der Kammer zu dissoziieren und dadurch ein gewünschtes gasförmiges Reaktionsprodukt für eine Reaktion mit der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes zu liefern. Eine Beobachtungsöffnung 29 aus Glas optischer Qualität ist in der Hülle 12 vorgesehen, um das Werkstück während seiner Bearbeitung zu beobachten.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Laser 26 ein gepulster abstimmbarer CO~~Hochleistungslaser, beispielsweise ein TEA-Laser, der auf eine gewünschte Wellenlänge abstimmbar ist, um selektiv eine gewählte Gaskomponente·zu dissoziieren. Das typische Fenstermaterial für das Laserstrahleintrittsfenster 27 schlie&t Zinkselenid mit einem Antireflektionsüberzug ein. Die Ventile 19 und 23 und die Absaugpumpe 17 werden so gesteuert, daß der Druck in der Kammer 12 auf dem gewünschten Wert im Bereich von 10 Torr bis 1 Atmosphäre gehalten wird.
Der Laserstrahl 25 wird durch das Fenster 27 in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes 13 gelenkt. Eine zylindrische Linse 32 ist so angeordnet, daß die Querschnittsfläche des Strahls 25 im wesentlichen nur in einer Richtung ausgedehnt wird, um
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einen Strahlquerschnitt zu erzeugen, der relativ breit und flach ist. Der Strahlquerschnitt liegt dann so, daß die Breitenabmessung im allgemeinen parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes liegt und daß der Abstand des Laserstrahls vom Werkstück relativ gering, d.h. kleiner als einige mittlere freie Weglängen der Gasmoleküle in der Kammer 12 ist. Das hat den Vorteil, daß das gasförmige Reaktionsprodukt in großer Nähe der zu behandelnden Oberfläche erzeugt wird, so daß die Chancen für eine Rekombination vor einer chemischen Reaktion mit der zu behandelnden Oberfläche vermindert sind. Diese Vorrichtung hat auch den Vorteil, daß die zu behandelnde Oberfläche nicht mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Das ist ein wesentlicher Vorteil, da es dadurch möglich ist, einen Laserstrahl hoher Energiedichte zu verwenden, der sonst das Werkstück beschädigen oder zerstören würde. Die Verwendung eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte erhöht die Produktionsrate auf einen wirtschaftlich annehmbaren Wert.
Im folgenden werden verschiedene Beispiele für die chemischen Bearbeitungsschritte gegeben, die in der oben beschriebenen Arbeitsstation 11 ausgeführt werden:
Beispiel I
• Ein selektives Ätzen der Siliziumoxidschicht, die ein SiIiziumsubstratplättchen als Werkstück 13 überlagert, wird dadurch erhalten, daß Trifluormethyljodid CF3I in die Kammer 12 von der Gasquelle 21 bei einem Druck von wenigen Torr eingeführt und mit einem Laserstrahl der CO^-Linie R 14 (9,6 um) von einem TEA-Laser 26 mit einer Laserfluenz oder
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Strahlungsdichte von 1,2 Joule/cm und einer Impulsbreite von 10 ns bis 1 με bestrahlt wird, um das CF_I-Molekül· in I + CF _ (neutrales Radikal) zu dissoziieren. Das CF _ wandert zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes und reagiert dort chemisch-mit dem Siliziumdioxyd, so daß sich SiF4 und Sauerstoff ergibt. Das Dissoziatiönsreaktionspro-
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der CO2~Linie P 20 (10,6 μΐη) bestrahlt, um das BCl3 in und Cl zu dissoziieren. Die Komponente Cl und möglicherweise die Komponente BCl2 bilden die Reaktionsprodukte, die mit dem Metall auf der Oberfläche des plättchenförmigen Werkstückes reagieren, um das Metall selektiv zu ätzen. Die in dieser Weise zu ätzenden Metalle schließen Aluminium, Wolfram, Titan, Chrom und deren Legierungen ein.
Beispiel V
Dieses Verfahren ist im wesentlichen das gleiche wie beim Beispiel II mit der Ausnahme, daß der zu dissoziierende gasförmige Bestandteil N3F4 mit einem Partialdruck von 2 bis 20 Torr in einem Argonpuffergas mit einem Partialdruck von 0 bis 85 Torr ist. Die Impulsenergien liegen im
2 Bereich von 0,3 bis 1,0 Joule / cm . Das Reaktionsprodukt ist NF„. Eine noch höhere NF^-Ausb.eute wird dadurch erhalten, daß SFpNF- mit einer Laserstrahlwellenlänge von
-1
950 cm (10,5 μΐη) und Laserstrahlungsdichten im Bereich
von 0,1 bis 1,0 Joule / cm dissoziiert wird.
Beispiel VI
Dieses Verfahren dient dazu, selektiv eine Fotolackschicht auf einem Werkstück abzuziehen, wozu ein gasförmiger Bestandteil O2 eingeleitet wird, der durch den Laserstrahl dissoziiert wird, um atomaren Sauerstoff zu erzeugen, der mit dem Fotolack reagiert, um diesen zu oxidieren und zu entfernen.
Statt des CF3I beim Beispiel I können die folgenden anderen gasförmigen Bestandteile verwandt werden: CF-Br bei den CO9-
2 Linien R 26 oder R 28 mit 9,6 μΐη und 2 Joule / cm , CF^NO,
2 C3F3 bei der CO3-LInIe R 36 mit 9,6 μΐη und 6 Joule / cm oder Hexafluoraceton (CF3J3CO bei der CO3-LXnXe R 12 mit 10,6 μπι
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und 0,1 bis 1,0 Joule / cm ,
Beim Beispiel II können die folgenden weiteren Gasbestandteile dissoziiert werden: CF2HGl, CF3HBr, CF2Cl3/ CF3Br3, CF2CFCl, CF2CFH und CF2CF2CH2.
Im Gegensatz zu den bekannten Plasmabearbeitungsverfahren und Vorrichtungen haben das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß es möglich ist, stark entspannte Unterdruckerfordernisse in der Kammer zu verwenden, die das Reaktionsprodukt enthält. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine Beschädigung des Werkstückes durch die Strahlung beträchtlich vermindert ist. Das heißt, daß weniger Ladungen implantiert werden, was zu geringeren Versetzungen im Gitter des Substrats führt. Diese Versetzungen und Fehler im Gitter wurden bisher durch den Ionenbeschuß, den Elektronenbeschuß, die UV- und Röntgenstrahlung hervorgerufen. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn auf Einrichtungen mit höherer. Dichte und flacheren DIffusionsschichten übergegangen wird, die einer Beschädigung.durch die Strahlen stärker ausgesetzt sind. Durch eine Abnahme der Strahlungsbeschädigung erübrigt sich die Notwendigkeit, die beschädigte Oberfläche zu vergüten oder zu glühen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine genauer bestimmte Dissoziationsreaktion mit Hilfe der Laserstrahlung als bei bekannten Plasmaentladungen erhalten werden kann, so daß unerwünschte Dissoziationsprodukte vermieden werden, wodurch eine Unterätzung der Maske vermieden wird und wirksamer von dem Gas und den höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten und der höheren Selektivität beim Ätzen eines über einem anderen Material befindlichen Materials Gebrauch gemacht wird.
Das Reaktionsprodukt FCO wird durch eine Laserstrahldissoziierung im Infrarotbereich entweder von F3CO oder (FCO)3 erhalten.
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Claims (18)

Main Avenue, Norwalk, Connecticut 06856, USA VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM CHEMISCHEN BEHANDELN VON WERKSTÜCKEN PATENTANSPRÜCHE
1. ) Verfahren zum chemischen Behandeln von Werkstücken
idurch gekennzeichnet , daß ein Werkstück einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt wird, die einen gasförmigen Bestandteil enthält, der zu dissoziieren ist, um ein gasförmiges reaktives Produkt 2u erzeugen, daß ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte in die Gasatmosphäre in großer Nähe an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes jedoch in einem begrenzten Abstand davon gelenkt wird, um den gasförmigen Bestandteil zu dissoziieren und das gasförmige reaktive Produkt zu erzeugen, und daß das gasförmige reaktive Produkt mit der Oberfläche des Werkstückes, reagieren gelassen wird, um das Werkstück zu bearbeiten.
— 2 —
ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Produkt ein Halogen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Produkt aus einer Gruppe gewählt ist, die aus F, CF^, CF-, CF, NF3, NF, Cl, O, BCl2, BCl und FCO besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, daß der zu dissoziierende gasförmige Bestandteil aus einer Gruppe gewählt ist, die aus O«, CCl4, BCl3, CDF3, CF4, SiH4, CFCl3, F3CO, (FCO)2, SF5NF3 , N3F4, CF3Br, CF3NO, (CF3J2CO, CF2HCl, CF2HBr, CF3Cl2, CF3Br3, CF3CFCl, CF3CFH, CF3CF2CH3, NH3, CHF3, Fluorhalogeniden und Halogencarbonen besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Halbleiterplättchen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Produkt mit der Oberfläche des Werkstückes reagieren gelassen wird, um das Werkstück zu ätzen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Werkstückes mit einer Fotolackschicht beschichtet ist und daß das reaktive Produkt mit dem Fotolack reagieren gelassen wird, um diesen zu entfernen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Lenken des Laserstrahles in die Gasatmosphäre der Laserstrahl in eine Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Werkstückes in einem rela-
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— O M
tiv geringen Abstand davon gelenkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Lenken des Laserstrahls in die gasförmige Atmosphäre die Querschnittsabmessung des Laser-Strahls ausgedehnt wird, um einen relativ breiten flachen Strahl zu erzeugen, und daß der breite Strahl in die Gasatmosphäre in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Werkstückes in einem geringen Abstand davon gelenkt wird.
10. Produkt hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 .
11. Produkt hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch
12. Vorrichtung zum chemischen Behandeln von Werkstücken gekennzeichnet durch eine Arbeitsstation (11), an der ein Werkstück (13) einer kontrollierten Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die einen gasförmigen Bestandteil enthält, der zu dissoziieren ist, um ein gasförmiges reaktives Produkt zur Reaktion mit einer Oberfläche des Werkstückes (13) zum chemischen Bearbeiten des Werkstückes (13) zu erzeugen, und durch eine Einrichtung (26) zum Lenken eines Laserstrahles hoher Energiedichte in die kontrollierte Gasatmosphäre in großer Nähe, jedoch in einem begrenzten Abstand von der Oberfläche, um den gasförmigen Bestandteil zu dissoziieren und das gasförmige reaktive Produkt zu erzeugen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ArbeitsStation (11) eine evakuierba-"' re Hülle (12) aufweist, die die kontrollierteGasatmosphäre und das zu bearbeitende Werkstück (13) enthält.
osotue/oesö
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (12) ein Fenster (27) aufweist, das für die.Laserstrahlung transparent ist und gasdicht an der Hülle (12) abgedichtet ist, so daß der Laserstrahl durch das Fenster (27) hindurch in die kontrollierte Gasatmosphäre gehen kann.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laserstrahl in die Gasatmosphäre lenkende Einrichtung eine Einrichtung aufweist, die den Laserstrahl in einer. Richtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes und in einem relativ geringen Abstand davon lenkt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laserstrahl lenkende Einrichtung eine Einrichtung (3 2) zum Ausdehnen des Laserstrahls aufweist, die die Querschnittsabmessung des Laserstrahls so ausdehnt, daß sich ein relativ breiter flacher Strahl ergibt, und die den breiten flachen Laserstrahl in eine Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Werkstückes lenkt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte Abstand kleiner als wenige mittlere freie Wellenlängen der Gasmoleküle in der Arbeitsstation (11) ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl eine Laserstrahlungs-
2 dichte von etwa 0,1 bis etwa 25 Joule/cm hat.
046/oeSO
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