DE3031220A1 - Verfahren und einrichtung zum gravieren integrierter schaltungen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum gravieren integrierter schaltungen

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Description

P 3793 - 3 -
Anmelder; OFFICE NATIONAL D1ETUDES ET
DE RECHERCHES AEROSPATIALES abgekürzt: O.N.E.R.A. 29, Avenue de la Division Leclerc F-92320 CHATILLON Frankreich
Verfahren und Einrichtung zum Gravieren integrierter Schaltungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Gravieren integrierter Schaltungen, nämlich zur Herstellung integrierter Schaltungen durch chemisches Gravieren auf trockenem Wege.
Es gibt verschiedene Arten von Gravierverfahren, um feine Einzelheiten integrierter Schaltungen herzustellen. Die bekanntesten sind die Gravierverfahren mit Hilfe eines Elektronenstrahles und Fotogravurtechniken, bei denen eine chemische Gravur auf trockenem Wege durchgeführt wird.
Die Verfahren der chemischen Gravur auf trockenem Wege benötigen eine Quelle von reagierenden Mitteln, die in Plasmaform durch eine hochfrequente elektrische Entladung erzeugt werden,
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die in einem Vakuumgefäß unter geringem Druck abläuft, das ein Gas oder ein passend gewähltes Gasgemisch enthält. Die Entladung liefert ein Plasma als Erzeuger von Strahlung, von Ionen und Elektronen, die geeignet sind, mit einem Substrat chemische Reaktionen zu bilden, die zu der Gravur führen.
Die Einrichtungen zur Durchführung einer chemischen Gravur auf trockenem Wege weisen ein Vakuumgefäß auf, das eine innere, das zu gravierende Substrat tragende Elektrode aufweist, die auf das Potential einer hochfrequenten Leistungsquelle gelegt ist. Die metallische Masse des Gefäßes bildet die zweite Elektrode und ist mit dem Masseanschluß der Hochfrequenzquelle verbunden.
Wenn die Hochfrequenzquelle in Betrieb ist, wird das im Gefäß enthaltene Gas ionisiert und bildet ein Plasma. Eine Ionenbeschießung des Substrats erfolgt, weil ein elektrisches Gleichspannungspotential des Plasmas vorhanden ist und dieses Potential ausreichend positiv gegenüber dem Substrat ist.
Zum Stand der Technik wird auf die FR-PS 23 12 114 verwiesen, die ein Verfahren zur Bearbeitung eines Materials durch reagierende Ionen betrifft.
Jüngere Versuche haben ergeben, daß die Gravur an eine Ionenbeschießung durch Energiepartikel von einigen hundert Elektronenvolt gebunden ist (siehe Artikel von M. F. WINTERS in der Fachzeitschrift "Journal of Applied Physics", No. 49 (10) vom Jahre 1978).
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten haben ergeben, daß beim Einsatz von elektrischen Entladungen bei der chemischen Gravur es unter bestimmten Bedingungen möglich ist, zu erreichen, daß die Entladung der Gravur einen anisotropen Charakter verleiht, das heißt, daß der Grund der zu gravierenden Nut rascher angegriffen wird als ihre Wände.
Eine Studie der allgemeinen Eigenschaften des Potentials des Plasmas bei einer kapazitiven Entladung bei hoher Frequenz ist von der Anmelderin in einem Bericht veröffentlicht worden, welcher der Akademie der Wissenschaften in Paris am 18.12.1978 übermittelt worden ist (T. 287).
Bei der kapazitiven Entladung bei hoher Frequenz wird das Plasma durch den Fluß eines vom Hochfrequenzgenerator stammenden Wechselstromes über die Hüllen, welche die Elektroden begrenzen, aufrechterhalten. Dieser Strom bewirkt an der Hülle eine wechselnde Potentialdifferenz, und wenn die Frequenz ausreichend klein ±e% und die absorbierte Energie entsprechend hoch sind, ist die wirksame Größe VA dieser Wechselpotentialdifferenz ausreichend groß, damit die Gleichpotentialdifferenz V , die mit der ambipolaren Diffusion der Entladung verbunden ist, die gleiche Elektronentemperatur hält.
Wegen dieser Wechselpotentialdifferenz können die Elektronen des Plasmas sehr rasch entweichen, wenn das Gleichpotential dieses Plasmas nicht ausreichend positiv wird, um die Elektronen gefangen zu halten. Es zeigt sich, daß die Gleichpotentialdifferenz, die durch diesen Effekt analog dem Verhalten eines Gleichrichters erhalten wird, mindestens gleich VA YlT ist.
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Die Dichte der Hülle oder des Elektrodenmantels ist gebunden einerseits an diese Gleichpotentialdifferenz, an die Elektronendichte des Plasmas und an seine Elektronentemperatur, durch das Gesetz von Child-Langmuir, und andererseits an V. durch die Beziehung, welche die hochfrequente Potentialdifferenz am Elektrodenmantel als Produkt der Impedanz des Mantels mit dem hochfrequenten Strom ausdrückt. Aus diesen beiden Beziehungen kann man den Ausdruck ermitteln, der die potentielle Energie der Ionen des Plasmas angibt, das ist die Energie, welche die Ionen, mit denen das Substrat bombardiert wird, haben würdef^ wenn sie den Mantel ohne Kollision mit neutralen Teilen (neutres) passieren könnten.
Unter diesen Bedingungen ist die Energie W+ der das Substrat bombardierenden Ionen durch folgende Gleichung gegeben:
(1) VkTeTvT = 1,26 %^- W, wobei
k die Boltzmann-Konstante; Te die Elektronentemperatur (temperature electron!que)
der Entladung;
w/2η die angelegte Frequenz;
οορ/2η die Frequenz des Plasmas (gebunden an die Elektronendichte n_ des Plasmas durch die Beziehung
2 ne n2
ω ρ = -j*—5Γ"> wobei e die Elektronenladung, m die Masse des Elektrons und £Q die Dielektrizitätskonstante des Vakuums sind);
..
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¥_ die von der Hochfrequenzquelle einem Elektron bei der Entladung zwischen zwei Kollisionen mit neutralen Teilen gelieferte Energie sind.
Die Gleichung (1) läßt sich auch folgendermaßen schreiben:
(2) W+=(1,26)2 t~Z e2 in"1 (kTe)~2 W4 )\2 (f)2'
+(1,26) t e in (kTe
wobei
der mittlere freie Weg für die Entladungselektronen und
(τ?) die Energiedichte bei hoher Frequenz und hierbei P die Energie und V das Volumen sind.
Um diese Gleichungen anwenden zu können, ist zusätzlich noch erforderlich, daß die Stärke 1 der Hülle der Entladung (epaisseur de gaine de la decharge) kleiner ist als der mittlere freie Weg ^. für die Ionen der Entladung, nämlich:
Man hat in Wirklichkeit:
und
(5) I0 = πΓ1^ (W_
die sich auch schreiben läßt als
(6) lo.£.o-1 β* .-3A (P,3/2 -1/2
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Folglich sollte gelten:
(7) 46O-1 e2m-3A (P)3/2 ^-1/2 (kTe)"7/4
Wenn die elektrische Entladung durch die Hochfrequenz co/2n erhalten wird, ist diese letzte Bedingung oft unvereinbar mit den Beziehungen, welche die Energiebilanzen und insbesondere die Bilanzen der Entladung liefern, welches komplexe Beziehungen sind, die von speziellen Eigenschaften der verwendeten Gasmischungen abhängen.
Ein Studium der Gleichungen (2) und (7) läßt vermuten, daß zur Erzielung eines ionischen Bombardements mit ausreichender Energie (100 eV beispielsweise) auf das Substrat man keinen zu hohen Wert für a> wählen sollte; und daß die Gleichung (7) bei diesen Bedingungen nur respektiert werden kann, wenn der Wert der Elektronendichte η genügend groß ist und wenn die Energiedichte (??) nicht zu groß ist, was man im allgemeinen nicht gleichzeitig auf Grund von Beschränkungen erreichen kann, die sich aus den oben erwähnten Bilanzverhältnissen ergeben.
Die folgenden Beispiele zeigen den Fall, wo die beiden Bedingungen sich nicht gleichzeitig erfüllen lassen:
Beispiel 1: o/2n = 13,56 MHz; P = 200 W; V= 5.1O"3m3; Te = 8 eV; ([= 3.iO"3m; ne = 4.1016 m~3; W- = 1,25.10"2 eV; fcop/^)2 = 1,75.1O4;
Vp = 9500 V und 1Q = 1,5.10"2m.
Die Bedingung ^^4lQ ist nicht erfüllt.
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Beispiel 2: &>/2η = 13,56 MHz; P = 20 W; V= 5.1Ο~\3; Te = 8 eV; \ = 3.1O"3m; η = 4.1O16 m~3;
W- = 1,25.1O"3 eV; fcp/*?)2 = 1,75.1O~4;
Vp = 95 V und 1Q = O,5.1O"3m. Die Bedingung^ )4 1 ist erfüllt, doch ist es nicht möglich, eine Elektronendichte von 4.10 m~D mit einer Leistung von 20 W in 5.10~-ίβτ zu erhalten. Dieser Fall ist also in der Praxis nicht verwirklichbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren und eine geeignete Einrichtung zu schaffen, um sich von den Bindungen freizumachen, die mit den Bilanzverhältnissen verbunden sind, die von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Gasmischungen abhängen, dergestalt, daß es möglich ist, gleichzeitig einen ausreichend geringen Wert für die Energiedichte bei hoher Frequenz (^) und einen ausreichend großen Wert für die Elektronendichte (n ) zu finden, so daß die vorstehend erwähnte Gleichung (7) erfüllt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den eingangs erwähnten Verfahren das Plasma von einer Plasmaquelle erzeugt wird, die von der Quelle für die Polarisationsspannung unabhängig ist. Das Verfahren gemäß der Erfin dung läßt sich mit einer Einrichtung mit den im Anspruch 5 aufgeführten Merkmalen durchführen. Weitere vorteilhafte Merk male des Verfahrens und der zu seiner Durchführung vorgesehenen Einrichtung sind in Unteransprüchen aufgeführt. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Plasmaquelle
... 10
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durch einen Ultrahochfrequenzgenerator oder Mikrowellengenerator gebildet sein. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Plasmaquelle durch eine Quelle mit Hohlkathode gebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Übersichtsdar-
stellung einer Einrichtung zum Gravieren integrierter Schaltungen;
Fig. 2 eine Teilansicht der Einrichtung
bei einer abgewandelten Ausführungsform.
Die Einrichtung weist ein metallisches Vakuumgefäß 1 auf, das einen geeigneten Hohlraum bildet. Es kann ein einfaches Gefäß sein, das aus einer Glocke 2 mit kreisförmigem Querschnitt und einer Sockelplatte 3 zusammengesetzt ist, wobei die Glocke unter Zwischenlage einer Dichtung 5 mittels metallischer Befestigungsorgane 4 dicht verbunden ist mit 3.
Im Innern des Vakuumgefäßes 1 ist eine metallische Elektrode 6 angeordnet, die gegenüber der Wandung des Vakuumgefäßes durch auf der Sockelplatte 3 befestigte Isolationsfüße 7 isoliert angeordnet ist. Die innere Elektrode 6 hat die Form einer geschlossenen Scheibe, auf welcher die zu gravierenden Substrate 8 angeordnet sind. Die Wandung des Vakuumgefäßes 1 weist Öffnungen 9 und 10 auf, in welche Kanäle münden, über
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welche das Vakuumgefäß 1 an ein Pumpensystem 11 mit einem Regelventil 12 und mit einem Gaseingabesystem 13 mit einem Ventil 14 verbunden ist.
Die Innenelektrode 6 ist mit einem Leiter 15 verbunden, der über eine Dichtung 16 durch die Wandung des Gefäßes isoliert hindurch nach außen geführt ist und eine Verbindung einerseits über einen Kondensator 19 mit einer hochfrequenten Spannungsquelle 18 und andererseits über einen hochohmigen Widerstand 20 und ein durch einen Kondensator 22 überbrücktes Strommeßgerät 21 mit Masse schafft. Die Frequenz der Spannungsquelle 18 liegt zwischen 1 und 30 MHz, beispielsweise bei der industriell verwerteten Frequenz von 13,56 MHz.
Die Wandung des Vakuumgefäßes 1 bildet die zweite Elektrode und ist über eine Verbindung 23 an Masse gelegt. Auch ein Pol 24 der Spannungsquelle 18 ist an Masse gelegt.
Das Vakuumgefäß weist eine Verbindung mit einer Plasmaquelle auf. Zu diesem Zweck ist auf der Oberseite des Vakuumgefäßes dessen Wandung mit einer Öffnung 25 versehen, die mit einer Irisblende 26 zu Kopplungszwecken besetzt ist. Von der Öffnung 25 führt ein Wellenleiter 27 (Hohlleiter) zu einem Mikrowellengenerator 28, dessen Frequenz sich zwischen 3 und 10 GHz regeln läßt.
Das Vakuumgefäß weist an seiner Innenwandung eine Langmuir-Sonde 29 auf, die über einen Leiter 30 mit einem Instrument 31 zum Anzeigen der Plasmadichte verbunden ist.
Durch die gewählte Unabhängigkeit der Plasmaquelle von der Polarisationsspannungsquelle müssen nur die vorstehend aufge-
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zeigten Gleichungen (3) und (4) mit den nachfolgend aufge führten Gleichungen (S) und (10) berücksichtigt werden.
Man kann das neue Verfahren ausgehend von der bekannten Gleichung erläutern:
Wenn man annimmt, daß die Ausgangsgrößen sind: 1.) Der Druck p, unter welchem die Gravur durchgeführt
werden kann;
2.) die Beschleunigungsspannung Vp , die optimal gewählt ist, um das gewünschte Maß von Anisotropie zu erreichen.
Die Wahl eines Druckes ρ liefert <\ unzweideutig. Die Glei chung (3) wird also (mit den bekannten numerischen Werten der physikalischen Konstanten):
(9) ne > 1,4.1O8 .
wobei Vm die in Elektronenvolt gemessene Elektronentemperatur ist. Wenn der mittlere freie Weg gleich einem Millimeter (10"^m) und Vm = 6 eV sind, dann erhält man beispielsweise
5,7.1016nf3.
Man reguliert den Ultrahochfrequenzgenerator so, daß die minimale, durch die obengenannte Gleichung (9) definierte Elektronendichte erzeugt wird.
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Die gewählte Beschleunigungsspannung Vp wird durch eine Regelung der Hochfrequenzquelle 18 erreicht.
Bai der ultrahochfrequenten Entladung sind die Hüllen (gaines) von einer vernachlässigbaren Stärke, und das Plasmapotential ist sehr nahe dem Potential der Masse. Indem man die innere Elektrode 6, auf welcher sich das zu gravierende Substrat befindet, mit der die Hochfrequenzspannung liefernden Spannungsquelle 18 verbindet, bewirkt man die Bildung einer zusätzlichen Hülle mit einer merklichen Stärke um die Elektrode herum und das Auftreten einer Gleichspannung Vp passender Polarität zwischen der Elektrode und dem Plasma, wodurch das Ionenbombardement begünstigt wird.
Die nachfolgende Gleichung verbindet diese Spannung Vp mit der Dichte I/S des eingegebenen Wechselstromes (S ist die Gesamtoberfläche der Elektrode, die in Kontakt mit dem Plasma steht):
(10) Vp = 1,58. £0~2 β"1 . n/2 O>"4 (kTe)"1 (§)4.
Die Bedienungsperson muß hierbei nicht den Strom I messen, um die Einrichtung zu regulieren. Die Spannung Vp erscheint zwischen der Elektrode und der Masse. Es genügt also, auf dem Strommeßgerät 21 den Gleichstrom I. abzulesen, der den Widerstand 20 durchfließt, um Vp aus der Beziehung Vp = I.R zu erhalten.
Da der Ultrahochfrequenzgenerator wie vorstehend erwähnt geregelt wird, ist die Gleichung (3) erfüllt. Solange Vp viel kleiner oder gleich Vp ist, erleiden die auf das Substrat beschleunigten Ionen keine Kollision in der Hülle. Wenn Vp Vpo wird, treten diese Kollisionen auf und das Gravieren
...
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wird, isotrop. Wenn Vp zu klein ist, wird die Wirkung des ionischen Bombardements vernachlässigbar und die Gravur ebenfalls isotrop. Man muß also am besten Vp auf den gev/ählten Wert Vp regeln.
Die Verwendung einer Wechselspannung mit hoher Frequenz für die Polarisierung der inneren Elektrode 6 erlaubt es, isolierende Substrate gegenüber einem Plasma zu polarisieren.
Nachfolgend wird der Vorgang der Regulierung der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben:
Man wählt die Beschleunigungsspannung Vp ; man stellt den Ultrahochfrequenzgenerator 28 oder Mikrowellengenerator so ein, daß eine Dichte erzielt wird, welche die Gleichung (9) befriedigt; man reguliert Vp (indem man Vp, das man aus der Gleichung Vp β RI. aus dem am Strommeßgerät 21 abgelesenen Gleichstrom I. errechnet hat, ansteigen läßt) durch Handregelung der hochfrequenten Stromdichte I/S des durch die Hochfrequenzquelle 18 in das Plasma über die Elektrode 6 eingegebenen Stromes.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die obere Wandung der Glocke 2 des Vakuumgefäßes 1 mit einer Öffnung versehen, in welche der vordere Teil 32 eines Plasmagenerators mit einer Hohlkathode 33 ragt, der ein Versorgungs- und Erregungssystem aufweist.
Die Regulierung der Einrichtung wird wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vorgenommen, nachdem vorher die Hohl-
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kathode erregt worden ist.
Die erhaltene anisotrope Gravur, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, erlaubt es, die Dichte der Gravuren auf einem zu behandelnden Substrat zu erhöhen, so daß mit Hilfe der Erfindung integrierte Schaltungen mit einer großen Schaltungsdichte erreicht werden können.
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L e e r s e i t e

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    ί 1.)Verfahren zum Gravieren integrierter Schaltungen, bei welchem ein zu gravierendes Substrat einem Plasma ausgesetzt wird, das in einem dichten, ein Gas oder Gasgemisch mit geringem Druck enthaltenden Raum erzeugt wird, wobei das Substrat auf einer inneren Elektrode angeordnet ist, die durch eine hochfrequente Spannung polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mittels einer Plasmaquelle (28) erzeugt wird, die von der Polarisationsspannungsquelle (18) unabhängig ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmaquelle ein Ultrahochfrequenzgenerator (28) dient.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle durch einen Generator mit Hohlkathode (33) gebildet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle (28) eine Frequenz zwischen 3 und 10 GHz und die Polarisationsspannung eine Frequenz von 1 bis 30 MHz aufweisen.
  5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem dichten, ein Gas oder Gasgemisch mit geringem Druck enthaltenden Gehäuse, einer gegenüber dem Gehäuse isoliert angeordneten inneren
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    Elektrode als Träger für das zu gravierende Substrat, elektrische^Verbindungen, mit denen die innere Elektrode und die Masse des Gehäuses an eine hochfrequente Polarisationsspannungsquelle gelegt sind, mit einer Vorrichtung zum Einbringen des Gases oder des geeigneten Gasgemisches in das Innere des Gehäuses sowie mit einer Evakuiervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Gehäuses (1) eine Öffnung (25) aufweist, die mit einer Plasmaquelle (28) in Verbindung steht.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (25) eine Irisblende (26) zum Koppeln eines Wellenleiters (27) aufweist, der zu einem Ultrahochfrequenzgenerator (28) führt.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Öffnung (25) der vordere Teil (32) eines Plasmagenerators mit Hohlkathode (33) ins Innere des Gehäuses (1) eintauchen kann.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (6) über einen hochohmigen Widerstand (20) und eine Intensitätsmeßvorrichtung (Strommeßgerät 21) mit Masse verbunden ist.
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