DE3750502T2 - Plasmaätzvorrichtung mit Magnetfeldverstärkung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ätzreaktor mit Magnetfeldverstärkung, der sowohl für die Plasmaätzung als auch für die Plasmaätzung nach dem reaktiven Ionenätzmodus (RIE) sowie für zugehörige Prozesse zum Ätzen von Halbleiter-, Leiter- und dielektrischen Materialien geeignet ist.
• In den letzten Jahren führte der Trend zu immer größeren Vorrichtungsdichten und kleineren Minimalgrößen sowie kleineren Trennungen bei integrierten Schaltungen dazu, daß die IC-Herstellungstechnologie von der nassen chemischen Ätztechnologie zur trockenen oder Plasmaätztechnologie überging.
• Zum Stand der Technik gehören wenigstens drei Arten von Plasmaätzsystemen. Fig. 1 zeigt ein chemisches Plasmaätzsystem 10 mit Parallelplatten, das eine geschlossene Reaktionskammer 11 mit einem Anschluß 12 an eine Vakuumpumpe zum teilweisen Evakuieren des Innenraums der Kammer und eine Gaszuführung 13 zum Zuführen des reaktiven Gases zur Kammer über eine Ventil-Leitungs-Anordnung 14 aufweist. Das System 10 hat eine Energiequelle 16, die eine Kathodenanordnung 17 mit HF-Energie versorgt und eine geerdete Anode 18 benutzt. Die Wafer 19 sind auf der geerdeten Anode 18 angeordnet, die sich bezüglich der Kathode 17 in einer Parallelplattenanordnung erstreckt. Der Anschluß an die Vakuumpumpe ist so ausgestaltet, daß die reaktiven Gase in den Bereich zwischen der Anode 18 und der Kathode 17 gesaugt werden, um das von der HF- Energie gebildete und der Kathode 17 zugeführte reaktive Gasplasma einzuschnüren.
• Fig. 2 zeigt ein Plasmaätzsystem 20, das nach dem reaktiven Ionenätzmodus mit Parallelplatte arbeitet, eine im wesentlichen geschlossene Reaktionskammer 21 mit einem Anschluß 22 für eine Vakuumpumpe zum teilweisen Evakuieren des Innenraums der Kammer, eine Gaszuführung 23 zum Zuführen des reaktiven Gases zu der Kammer über eine Ventil-Leitungs-Anordnung 24, eine Energiequelle 26, die HF-Energie einer Kathodenanordnung 27 zuführt, und eine an Masse gelegte Anode 28 aufweist. Im Gegensatz zum Plasmasystem 10 von Fig. 1 sind die Wafer 19 bei dem reaktiven Ionenätzsystem 20 auf der Kathode 27 angeordnet, die gegenüber der Anode 28 abgeschirmt und von ihr getrennt ist.
• Fig. 3 zeigt schematisch ein weiteres RIE-Modus-Ätzsystem 30, das, wie die Reaktoren 10 und 20, dem Handel durch Applied Materials, Inc., Santa Clara, Kalifornien, zur Verfügung gestellt wird. Das System 30 hat eine zylindrische Reaktionskammer 31, eine sechseckige Kathode 37, die an eine HF-Versorgung 36 angeschlossen ist, und eine Auslaßöffnung 32, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die Wände der Reaktionskammer 31 und die Basisplatte 38 bilden die an Masse gelegte Anode des Systems. Die Gaszuführung 33 in die Kammer 31 erfolgt durch die Öffnung 34 und eine Leitung 35 zu einem Gasverteilerring 41 an der Oberseite der Kammer.
• Das Parallelplatten-Plasmasystem 10 ist ein System mit relativ hohem Druck, das in einem Druckbereich von 13,3322 N/m² (100 Millitorr) bis mehrere Torr (1 Torr entspricht 1,33322 · 10² N/m²) arbeitet, und somit einen wesentlichen Durchsatz an reaktiven Gasen in das System hat. Im Gegensatz dazu arbeiten die reaktiven Ionenätzsysteme 20 und 30 bei niedrigem Druck im Bereich von 1 bis 100 Millitorr, so daß wesentlich geringere Gasdurchsätze zur Anwendung kommen. Bei den reaktiven Ionenätzsystemen 20 und 30 haben aktivierte Ionenspezies in der Nähe der Kathode eine hohe inhärente Ausrichtung senkrecht zur Kathode und den darauf angeordneten Wafern. Durch Verwendung von Hochfrequenz-HF-Energie mit einigermaßen bedeutenden Leistungspegeln sind die Ätzgeschwindigkeiten in den Systemen 20 und 30 trotz der niedrigen Konzentration der aktivierten Spezies gesteigert, da der Impuls der Ionen, die freiliegende Materialbereiche auf der Waferoberfläche bombardieren, die chemische Reaktion zwischen den aktivierten Spezies und dem zu ätzenden Material steigert. Ferner beherrscht die mechanische Ionenbombardementätzkomponente, die in hohem Maße ausgerichtet ist, die mehr isotrope chemische Komponente und prägt den Ätzcharakteristika des Systems eine hohe Anisotropie auf. Demzufolge werden RIE-Modus-Systeme, wie das System 20, zum Ätzen von sehr kleinen Formen, wie Nuten und Gräben in VLSI- und ULSI-Schaltungen bevorzugt.
• Für Auslegung und Auswahl von im Handel gebräuchlichen RIE-Modus-Ätzreaktoren sind folgende Faktoren und Forderungen wesentlich. Erstens muß der RIE-Modus-Reaktor bestimmten Prozeßanforderungen, wie Direktionalität, Selektivität, Gleichförmigkeit, Durchsatz, niedrige Teilchenpegel, usw. genügen, um akzeptable Vorrichtungsfertigungserträge zu erreichen. Zweitens möchte man, daß der RIE-Modus-Ätzreaktor nur eine geringe oder keine Wartung benötigt, indem beispielsweise eine Selbstreinigungsmöglichkeit in situ eingeschlossen wird. Zu weiteren erwünschten Eigenschaften gehören die Anpaßbarkeit an die Werks- und Reaktorautomatisierung, eine kleine Reaktorgröße und niedrige Fertigungskosten.
• Die letztere Gruppe von Faktoren würde dazu führen, den Einsatz von Einzelwafersystemen gegenüber Chargensystemen zu favorisieren, wobei andere Faktoren gleich sind. Darüberhinaus sind Einzelwafersysteme zweckmäßiger für eine Prozeßentwicklung (es wird nur ein teurer Wafer für jeden Prozeßablauf benutzt) und weisen keine Probleme bezüglich Wafer-zu-Wafer-Gleichförmigkeit wie bei der Charge auf.
• Die Einzelwafer-RIE-Systeme müssen gewöhnlich jedoch bei hohen Drucken (26,6644 N/m² oder > 200 mT) sowohl beim Plasmamodus als auch beim RIE-Modus arbeiten, um die Ätzgeschwindigkeit und den Durchsatz zu steigern. Weiter verringert der Hochdruckbetrieb die Direktionalität und Selektivität und macht es schwierig, den Genauigkeitsanforderungen der VLSI- und ULSI-Vorrichtungsfertigung zu genügen. Wie es gewöhnlich der Fall ist, sind andere Dinge nicht gleich und um einen kommerziell lebensfähigen hohen Durchsatz sowie akzeptable Ausrichtungs- und Selektivitätseigenschaften zu erhalten, sind die meisten RIE- Modus-Ätzvorrichtungen, einschließlich der Ätzvorrichtungen 20 und 30 gemäß Fig. 2 und 3, im Chargenbetrieb bei niedrigem Druck arbeitende Reaktoren.
• In Fig. 4 ist ein Einzelwafer-RIE-Modus-Ätzreaktor 40 gezeigt, der gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik eine Ausnahme bildet. Das RIE-Modus-Plasmaätzsystem 40 mit Magnetfeldverstärkung ist das in der US-A-4 668 338 beschriebene.
• Das System 40 ist eine Modifizierung des magnetfeldverstärkten CVD-Abscheidungssystems, das in der US-A-4 668 365 geoffenbart ist. Der RIE-Modus-Ätzreaktor 40 verwendet eine magnetfeldverstärkte Ätzung, um eine relativ hohe Ätzgeschwindigkeit trotz Verwendung eines relativ niedrigen Drucks zu erreichen, und kann deshalb einen hohen Durchsatz vorweisen, ohne Ausrichtung bzw. Direktionalität und Selektivität oder umgekehrt aufzugeben. Der RIE-Modus-Ätzreaktor 40 verringert auch die inhärente Ätzungleichförmigkeit, die sich aus der Interaktion zwischen dem Magnetfeld und dem Plasma in den magnetfeldverstärkten RIE-Systemen ergibt.
• Das System 40 hat eine zylindrische Vakuumkammer 43 aus rostfreiem Stahl. In der Kammer 43 ist auf isolierenden Stützen (nicht gezeigt) eine Flanschkathodenanordnung 42 angebracht. Die Kathode 42 ist gewöhnlich polygonal und hat nichtmagnetische Reflektorendabschnitte 44A (Fig. 5), die aus leitendem nichtmagnetischen Material, wie Aluminium hergestellt sind. Äußere Endabschnitte 44B bestehen aus einem Material wie Maycr®-Isoliermaterial. Für den Plasmabetrieb wird die Energie von einem HF-System 46, üblicherweise einem 13,6 MHz-System zugeführt, das ein HF-Netzwerk für die Energiezufuhr und die Leistungsanpassung aufweist und mit der Kathode 42 verbunden ist. In dem Innenraum der Kammer 43 wird ein Reaktionsteilnehmer gas durch ein oder mehrere Einlaßrohre oder Ringverteiler 47 einem Gasversorgungssystem 48 aus Gasspeichertanks/Vorratsgefäßen 49-49 zugeführt.
• Durch Einrichtungen 51, wie Stützen oder Klemmen, auf der Seite der Kathode werden Halbleiterwafer 55 gehalten. Wie durch Pfeile 52 gezeigt ist, strömt das Reaktionsteilnehmergas über die Substratoberfläche und dann über eine oder mehrere Abführauslässe 53 zu einer mechanischen Pumpe (nicht gezeigt) über ein Vakuumventil und ein Rootsgebläse.
• Am Umfang um die Kammer 43 herum in der Nähe ihrer Oberseite und Unterseite sind Elektromagnete 54 und 56 angeordnet, die gewöhnlich aus Kupferlegierungen bestehen. Die Elektromagneten bilden Nord- und Südpole, die durch Umkehrung des Wicklungsstroms reversierbar sind.
• Während des RIE-Modus-Plasmaätzbetriebs des Reaktorsystems 40 wird gemäß Fig. 4 ein ausgewähltes Ätzgas oder eine ausgewählte Ätzgasmischung aus der Gaszuführung über die Einlaßrohre 52-52 in die Reaktionskammer 43 eingeführt, die durch das Abführpumpsystem evakuiert wird. Wie in Fig. 5 gezeigt, erzeugt das Anlegen von HF-Energie über die Energieversorgung 46 in der Nähe der Halbleiterwafer 55 eine Reaktionsgasentladung oder -plasma 57 von Elektronen, Ionen und dissoziierten Spezies mit niedrigem Druck. Über die Plasmaabschirmung oder den Dunkelraum, der von dem Ätzplasma mit positivem Potential zu der Oberfläche 58 des Elektrodenmittenabschnitts hin gerichtet ist, wird ein elektrisches Feld E ausgebildet. Dieses Feld beschleunigt Elektronen quer über der Hülle weg von der Elektrodenoberfläche und beschleunigt positive Ionen quer über die Hülle zu der Elektrode und dem Wafer 55 hin, wodurch die ausgerichtete Ionenbombardementätzkomponente bereitgestellt wird, die für das RIE-Modus-Plasmaätzen charakteristisch ist.
• Das umkehrbare Magnetfeld B gemäß Fig. 5 liegt an der Kammer 43 parallel zu den Substraten 55 und senkrecht zu dem elektrischen Feld E an, um die Charakteristika des Ätzprozesses zu steuern. Die Elektronen werden durch die Magnetfeldlinien eingeschnürt, die verhindern, daß sich Elektronen leicht von der Kathodenfläche 58 zur Anode 53 bewegen. Weiterhin geben das magnetische Feld und das elektrische Feld den Elektroden eine E · B-Driftgeschwindigkeit, so daß sie zum Driften und zum Bewegen von einem Punkt zum anderen längs der Kathodenoberfläche neigen. Die Elektronen sind in einem Band konzentriert, das längs der Kathode und längs des Substrats eine Eigendriftgeschwindigkeit hat. In Verbindung mit den Endreflektoren 44A führt die E · B-Driftgeschwindigkeit zum Einschnüren der Elektronen in dem Plasma.
• Wie erwähnt besteht ein inhärentes Gleichförmigkeitsproblem aufgrund der Interaktion zwischen dem Magnetfeld und dem Plasma in magnetfeldverstärkten Reaktoren. Die Plasmadichte ist stromab in E · B-Richtung höher, was eine höhere Ätzgeschwindigkeit ergibt. Gemäß Fig. 5 und gemäß der Teilquerschnittsansicht der Kathode 42 der Ätzvorrichtung 40 von Fig. 4 ist die Ätzgeschwindigkeit am Ende oder auf der Seite des Wafers größer, die der positiven Seite des Magnetfelds entspricht. Eine Umkehrung des Stroms durch die zwei zylindrischen Winklungen 54 und 56 (Fig. 4) dreht die Richtung des Magnetfelds über dem Wafer um, was gestrichelt bei B' dargestellt ist. Dadurch wird der Plasmastrom umgekehrt, so daß die höhere Ätzgeschwindigkeit auf das gegenüberliegende Ende 59 des Wafers umgeschaltet wird. Durch Umkehrung des Magnetfelds wird die inhärente Ätzungleichförmigkeit partiell dadurch kompensiert, daß die Ätzgeschwindigkeit und die Gesamtätzung über dem Wafer längs der Richtung des statischen Felds gemittelt werden.
• Bei anderen magnetfeldverstärkten RIE-Ätzvorrichtungen wird versucht, die Ätzungleichförmigkeit durch Verwenden unterschiedlicher Maßnahmen auf ein Minimum zu reduzieren. Als eine Annäherung werden beispielsweise Permanentmagnete unter dem Wafer angebracht, um das Magnetfeld bereitzustellen, wobei die Magnete mechanisch bewegt werden, um das Feld zu "verschmieren". Diese Annäherung löst jedoch das Ungleichförmigkeitsproblem nicht wirklich, weist potentielle mechanische Probleme auf und gibt keine einstellbare Magnetfeldstärke. Eine zweite uns bekannte Annäherung verwendet ebenfalls feststehende Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfelds und sehr niedrige Drucke, um die Ungleichförmigkeit auf ein Minimum zu reduzieren.
• Die US-A-4 740 628 offenbart einen magnetfeldverstärkten Plasmareaktor mit einer Reaktionskammer und vier Paaren von elektromagnetischen Polen, die durch eine Wechselstromsignaleingabe über eine Umschalt-Schaltung und eine Taktgebereinrichtung gespeist werden. Über die Kammer sind Paare von Polen in entgegengesetzten Richtungen so gewickelt, daß, wenn ein Paar aktiviert ist, die Pole entgegengesetzte Polaritäten haben. Das Feld wird dadurch gedreht, daß zuerst ein Paar, dann das nächste Paar usw. rund um den Reaktor aktiviert werden, wobei das vorhergehende Paar deaktiviert wird, wenn das nächste benachbarte Paar aktiviert wird.
• Die EP-A-017583 offenbart eine Entladereaktionsvorrichtung mit einem Vakuumbehälter, der wenigstens eine Elektrode hat, in den ein Gas mit einem gesteuerten Druck eingeführt wird, und in dem eine Entladung erzeugt wird, indem elektrische Energie an die Elektrode angelegt wird, um einen Gegenstand in dem Behälter zu behandeln. Es sind drei Paare von Erregerwicklungen angeordnet, wobei die Wicklungen in jedem Paar diametral entgegengesetzt zueinander über dem Vakuumbehälter angeordnet sind und ein Dreiphasenwechselstrom an die Wicklungen angelegt wird, um ein drehendes Magnetfeld zwischen den Wicklungen parallel zu einem ebenen Flächenabschnitt der Elektrode zu erzeugen.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Einzelwafer-Ätzreaktor bereitzustellen, der sowohl hohe Ätzgeschwindigkeiten als auch eine große Ätzgleichförmigkeit hat und zusätzlich den übrigen Prozeßanforderungen genügt.
• Diese Erfindung stellt einen magnetfeldverstärkten Plasmareaktor mit einem Gehäuse, in welchem eine Vakuumkammer zum Ätzen eines in der Kammer angeordneten Wafers mit hoher Geschwindigkeit und hoher Ätzgleichförmigkeit im wesentlichen unabhängig vom Druck ausgebildet ist, welcher einen Sockel zum Tragen des Wafers, einen Gasverteiler zum Zuführen von Reaktionsteilnehmergasen zu der Kammer und eine Einrichtung zum Anlegen von HF-Energie zwischen den Wafertragsockel und den Gasverteiler zur Erzeugung eines Waferätzplasmas aufweist, und mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung bereite die ein erstes Paar und ein zweites Paar von Elektromagneten, die um den Umfang des Gehäuses herum angeordnet sind, eine daran angeschlossene Stromzuführeinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds insgesamt parallel zur Waferoberfläche und eine Einrichtung zur selektiven Stromzuführung zu den Elektromagneten für eine Steuerung der Richtung des Feldes aufweist, wobei die Stromzuführungseinrichtung eine Gleichstromzuführungsrichtung aufweist und die Stromzuführungseinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, um die jeweiligen Gleichströme, die den Elektromagneten zugeführt werden, unabhängig voneinander zu variieren, damit sowohl die Stärke als auch die Richtung des von den Elektromagneten erzeugten Magnetfelds zur Schaffung eines gleichförmigen Ätzplasmas variiert werden kann.
• Vorzugsweise wird das Magnetfeld von zwei oder mehr Paaren von Elektromagneten, die auf gegenüberliegenden Seiten der Kammer angeordnet sind, um getrennte Magnetfelder über dem Wafer zu erzeugen, und von Rechnereinrichtungen bereitgestellt, um den Strom in den einzelnen Elektromagneten zu steuern, so daß die Größe und die Winkelausrichtung des resultierenden Magnetfeldvektors unabhängig gesteuert werden. Insbesondere können sowohl die Größe und/oder die Richtung des Magnetfelds, das von dieser paarweisen Elektromagnetausgestaltung bereitgestellt wird, verzögerungsfrei geändert werden. Das Feld kann um den Wafer mit einer geringen Geschwindigkeit von wenigen Zyklen pro Minute abgestuft werden, um ein gleichförmiges Ätzen mit hohen Drucken ohne Wirbelstromverluste bereitzustellen.
• Zusätzlich kann die Waferaustauscheinrichtung einen Klemmring haben, um den Wafer elastisch an die Elektrode zu klemmen, wenn der Wafer auf der Elektrode positioniert ist. An dem Klemmring und dem Gasverteiler sind spezielle Schutzüberzüge oder -abdeckungen aus einem Material, wie beispielsweise Quarz, vorgesehen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Elektrodenanordnung durch Flüssigkeit gekühlt und es wird Gas zwischen den Wafer und die Elektrode zugeführt, um die gleichförmige Wärmeleitung von dem Wafer zu der flüssigkeitsgekühlten Elektrode zu steigern. Diese durch Gas verstärkte Elektrodenflüssigkeitskühlung ermöglicht den Einsatz sehr hoher Leistungsdichten zum Zwecke der Steigerung der Ätzgeschwindigkeit und der Plasmasteuerung, während der Wafer auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, was die Profilkontrolle erleichtert und ein Phänomen, wie schwarzes Silizium unterbindet.
• Der Reaktor hat ferner eine Durchführvorrichtung zum Koppeln des Elektrodenkühlgases mit niedrigem Druck mit der HF-gespeisten Kathode ohne Durchschlag. Die Durchführvorrichtung hat ein Gehäuse mit einem Gaseinlaß zur Aufnahme des Kühlgases und einen im Abstand angeordneten Gasauslaß, der mit der Elektrode verbunden ist. Das Gehäuse hat ferner ein Paar von innen befindlichen, in geringem Abstand angeordneten, mit Öffnungen versehenen Platten, die sich quer über den Weg des Gases erstrecken, wobei die Platte auf der Auslaßseite des Gasstroms zusammen mit dem Sockel und die Einlaßseitenplatte mit dem Massesystem verbunden ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Heizeinrichtung, wie eine elektrische Widerstandsheizeinheit, an dem Gehäuse angebracht, um für ein gesteuertes Beheizen der inneren Kammerwände zu sorgen, damit die Bildung von Wandabscheidungen unterbunden wird.
• Diese Kombination von Merkmalen, einschließlich des elektrisch gesteuerten Mehrfachrichtungs-Magnetfelds, der Temperatursteuerung der Kathode und der Reaktorwände und der Verwendung von Schutzmaterialien, wie Quarzabdeckungen, ermöglicht es, den oben genannten Auslegungskriterien zu genügen. Es wird den verschiedenen und entgegenstehenden Prozeßforderungen, wie Direktionalität, Selektivität und Gleichförmigkeit über einen Druckbereich, einschließlich hoher Drucke, in einem In-Situ-Selbstreinigungs-Einzelwafersystem mit geringer Wartung genügt. Insbesondere ergeben das elektrisch gesteuerte Mehrfachrichtungsfeld und der Einsatz spezieller Schutzmaterialien eine hohe Ausrichtungsqualität, eine hohe Selektivität und eine hohe Gleichförmigkeit während des Betriebs. Das elektrisch gesteuerte Mehrfachrichtungsfeld sorgt für ein gleichförmige Ätzung über einem sehr breiten Druckbereich von etwa 0,133322 bis 39,9966 N/m² (0,001 bis 0,300 Torr), was hohe Drucke einschließt, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsätzen möglich wird, ohne die Gleichförmigkeit aufzugeben. Dieser breite Druckbereich ermöglicht eine In-Situ-Eigenreinigung. Die temperaturgeregelten Oberflächen und das elektrisch gesteuerte Mehrfachrichtungs-Magnetfeld erleichtern den Reinigungsvorgang und die In-Situ-Reinigung. Das elektrisch gesteuerte Mehrfachrichtungsfeld steigert unabhängig die Ätzgeschwindigkeit und führt in Kombination mit der Möglichkeit des Hochdruckbetriebs zu einer praktikablen Durchgangs-Einzelwaferätzung.
• Die obigen und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen
• Fig. 1 bis 3 schematisch drei Arten von Plasmaätzsystemen zeigen, die als Stand der Technik zur Verfügung stehen,
• Fig. 4 eine teilweise schematisch ausgeführte perspektivische Ansicht eines magnetverstärkten RIE-Modusplasmaätzsystems ist, das den Vorgänger des magnetverstärkten RIE-Modus-Plasmaätzsystems der vorliegenden Erfindung bildet,
• Fig. 5 ein teilweise schematisch gezeigter Vertikalschnitt durch die den Wafer haltende Elektrode der in Fig. 4 gezeigten Kammer ist, wobei die B- Umkehrung gezeigt ist,
• Fig. 6 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des magnetfeldverstärkten Plasmareaktors der vorliegenden Erfindung ist,
• Fig. 7 ein teilweise schematisch gezeigter Vertikalschnitt längs der Linien 7-7 in Fig. 6 ist,
• Fig. 8 bis 10 schematisierte Folgedarstellungen des Betriebs des Waferaustauschsystems beim Positionieren von Wafern auf dem Reaktorsockel und beim Entfernen von Wafern von dem Reaktorsockel sind,
• Fig. 11 vergrößert ein Vertikalschnitt des Gasdurchführsystems darstellt, das in Fig. 7 gezeigt ist, und
• Fig. 12 eine schematische Darstellung des Systems zur Erzeugung und Steuerung des elektrisch gesteuerten, quasi-statischen Mehrfachrichtungs-Gleichstrom-Magnetfelds, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und eines Rechnersystems ist, das zum Steuern des Gesamtbetriebs des vorliegenden Reaktors geeignet ist.
• Fig. 6 und 7 zeigen eine isometrische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform des magnetfeldverstärkten Einzelwafer-Plasmaätzreaktors 60 unserer vorliegenden Erfindung bzw. einen Vertikalschnitt durch den Reaktor 60. Die Beschreibung ist hier hauptsächlich auf das RIE-Modus- Plasmaätzen gerichtet. Die Fähigkeit des Reaktors erstreckt sich jedoch ebenso auch auf das Plasmamodusätzen.
• Gemäß Fig. 6 und 7 hat das Ätzreaktorsystem 60 unserer vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 62, das gewöhnlich aus nichtmagnetischem Material, wie Aluminium, besteht und eine achteckige Form der Außenwände 64 (gesehen im Horizontalschnitt) hat. Eine kreisförmige Innenwand 66 bildet eine Ätzkammer 68. Wie nachstehend näher beschrieben wird, hat das Reaktorsystem 60 auch eine spezielle gas- und flüssigkeitsgekühlte Sockel/Kathodenanordnung 70 und ein Waferaustauschsystem 74 (Fig. 8 bis 10).
• Das Waferaustauschsystem 74 hat vertikal bewegliche Waferhubfinger 79, welche einen Wafer 75 von einem externen, von Hand gehaltenen oder betätigten Blatt 76, das in die Kammer eingeführt ist, oder vorzugsweise von einem externen Ladeschleusenrobotblatt 76 aufnehmen und ihn zu der Kathode 72 für die Behandlung überführen und dann den behandelten Wafer zu dem Robotblatt zum Entfernen aus der Kammer zurückführen.
• Zusätzlich hat das Waferaustauschsystem 74 einen mit den Waferhubfingern 79 integrierten Waferklemmring 78. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben, ermöglicht die Auslegung des Waferaustauschsystems 74 und das Einschließen des zugeordneten Waferhub- und Klemmaufbaus den Einsatz eines Einachsen-Roboterantriebs in der Kammer. Die Arbeitsweise des Kammerrobots erfordert außerdem, daß der externe Robot den Wafer lediglich in einer ausgewählten Überführungsposition für den Austausch mit dem Kammerrobot präsentiert.
• Eine Vereinfachung der Anforderungen an den externen Robot ermöglicht einen relativ einfachen Robot, auch wenn er in einem Mehrkammer-Ladeschleusensystem verwendet wird, das eine Vielzahl von Reaktoren bedient. Ein solcher Robot, welcher R-R-Bewegungen benutzt, ist in der EP-A-0 272 141 geoffenbart.
• Dem Innenraum der Kammer 68 werden durch einen Gasverteiler 80 Prozeßgase aus einem Gasversorgungssystem 81 mit einem oder mehreren Gasspeicherreservoirs/Tanks zugeführt. Das Gasversorgungssystem 81 steht mit dem Verteiler 80 und der Kammer 68 über eine Zuführungsleitung (Zuführungsleitungen) 82 in Verbindung, die in den Verteiler 80 durch einen Einlaßstutzen 84 eingekoppelt ist. Das System ist ein automatisches Strömungssteuersystem oder ein anderes geeignetes Steuersystem, welches die Durchsätze der verschiedenen Ätzgasekammerträgergase usw. steuert, die der Kammer 68 zugeführt werden.
• An die Kammer wird ein Vakuum angelegt. Verbrauchte Gase und mitgeführte Produkte werden über eine Ringabzugskammer 90 abgeführt, die mit einer Abzugsöffnung 92 in Verbindung steht, welche ihrerseits an ein herkömmliches Vakuumpumpsystem 93 mit einer mechanischen Pumpe (nicht gezeigt), gewöhnlich über ein Vakuumventilsystem und ein Rootsgebläse oder andere herkömmliche Bauteile angeschlossen ist. Der Abzugsstrom wird aus der Kammer 68 durch Löcher 94 in einer horizontalen Ringplatte 96 gerichtet, die um den oberen Umfang der zylindrischen Kathodenanordnung 70 angeordnet ist. Die mit Öffnungen versehene Platte 96 unterbindet das Eindringen von Plasma in die ringförmige Abzugskammer 90. Diese Abzugsanordnung erleichtert eine gleichförmige Abdeckung und Ätzung des Wafers 75 durch das Reaktionsteilnehmergas. Die Steuerung des Abzugssystems können ein herkömmliches kapazitives System, beispielsweise ein Manometer (nicht gezeigt), das über ein Drucksteuersystem und einen Gleichstrommotor arbeitet, um die Drehzahl des Gebläses zu steuern, oder andere herkömmliche Steuersysteme sein.
• Wie durch die Pfeile 102 bis 108 in Fig. 7 gezeigt ist, wird das zu dem Einlaß 84 (Pfeil 100) transportierte Gas in den Verteiler 80 (Pfeil 102) geführt und dann aus dem Verteiler (Pfeil 104) nach unten gerichtet, wodurch ein Ätzgasplasma in den Kammerprozeßbereich 110 beim Anlegen von HF-Energie gebildet wird, das dann über den Wafer 75 radial nach außen quer über den Wafer und in die ringförmige Absaugkammer (Pfeil 106) strömt und dann durch die Absaugöffnung 92 (Pfeil 108) abgeführt wird.
• Die vorstehend erwähnte HF-Energie wird durch ein HF- Speisesystem 112 dem Reaktorsystem 60 für den Plasmabetrieb zugeführt, d. h. zur Schaffung eines Ätzgasplasmas aus den Einlaßgasen im Prozeßbereich 110. Dieses System 112 hat eine HF-Energiespeisung und ein Lastanpassungsnetzwerk und ist mit dem Sockel 72 verbunden, wobei die Kammerwände an Masse liegen. Das heißt, der Sockel ist die mit Energie beaufschlagte Kathode. Die HF-Energie wird gewöhnlich mit hoher Frequenz, vorzugsweise 13,6 MHz, zugeführt. Das Reaktorsystem 60 kann jedoch bei niedrigen Frequenzen von beispielsweise mehreren kHz betrieben werden.
• Die Verwendung einer mit Energie beaufschlagten Sockelkathode 72 hat den Vorteil, daß die HF-Energie und das Plasma an dem Oberflächenbereich des Wafers konzentriert sind und daß die Leistungsdichte über dem Wafer erhöht wird, während sie sonst überall verringert ist. Dies gewährleistet- daß das Ätzen nur auf dem Wafer erfolgt, wodurch eine Erosion in anderen Teilen der Kammer verringert und somit die Möglichkeit einer Waferverunreinigung reduziert wird. Gewöhnlich werden Leistungsdichten von etwa 2,5 bis 3,5 W/cm² verwendet und können eingesetzt werden. Wie nachstehend erläutert, erfordern diese hohen Leistungsdichten ein Kühlen. Die mit HF-Energie beaufschlagte Kathode 72 ist vorzugsweise so gebaut, daß die gasverstärkte Wafer-zu-Kathode-Wärmeleitung und die Flüssigkeitskathodenkühlung kombiniert werden. Das Beaufschlagen des energiegespeisten Sockels 72 mit Kühlgas, wie Helium, bei niedrigem Druck, würde üblicherweise zu einem Zusammenbruch des Kühlgasstroms führen. Der vorliegende Reaktor hat eine spezielle Gasdurchführung 114, Fig. 7, die das Gas zu der Hochspannungselektrode ohne Ionisierung führt.
• Der Reaktor 60 ist auch eine Verbesserung gegenüber dem oben in Fig. 4 geoffenbarten magnetfelderzeugenden System. Gemäß Fig. 6 benutzt das vorliegende System vier Elektromagneten 116, 118, 120 und 122, die in üblicher Weise Kupferwicklungen haben, die in einer Rechtecksanordnung vorgesehen sind, und zwar jeweils eine an alternierenden Wänden des achteckförmigen Gehäuses. Die beiden Wicklungspaare ergeben zusammenwirkend ein quasistatisches Mehrfachrichtungsfeld, das gestuft und um den Wafer gedreht werden kann, um eine Ätzgleichförmigkeit bei hohen und niedrigen Drucken zu erreichen. Außerdem kann die Größe des Feldes zur Wahl der Ätzgeschwindigkeit und einer Verringerung des Ionenbombardements variiert werden.
• Fig. 12 ist eine schematische Darstellung des Systems zur Erzeugung und Steuerung des quasistatischen Mehrfachrichtungmagnetfelds, wie es bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
• Zusätzlich zu Fig. 6 bilden primär gemäß Fig. 12 die beiden Wicklungspaare 116-118 und 120-122 jeweils wechselseitig senkrechte Magnetfeldvektoren By und Bx, die insgesamt parallel zu dem Sockel/der Kathode 72 und dem Wafer 75 sind. Bei der beispielsweisen Darstellung, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist, gibt ein Rechner 113 Steuersignale über Leitungen 103, 105, 107 und 109 an herkömmliche Stromversorgungssysteme 115, 117, 119 und 121 zur Steuerung der Größe und Richtung der Ströme, die über Leiter 123, 125, 127 bzw. 129 den Elektromagneten 116, 118, 120 bzw. 122 zugeführt werden. Der zugeordnete Strom bestimmt die Richtung und Größe des von jedem Wicklungspaar erzeugten Feldes.
• Die senkrechten Feldvektoren By und Bx, die jeweils von den Wicklungspaaren 116-118 und 120-122 erzeugt werden, sind definiert als
• Bx = B cos R (1),
• By = B sin R (2).
• Gibt man die gewünschten oder geforderten Werte des Feldes B und seiner Winkelausrichtung R vor, kann der Rechner 113 die Gleichungen (1) und (2) jeweils unabhängig lösen, wodurch man die zugehörigen Magnetfeldvektoren Bx und By erhält, die die gewünschte Feldstärke und Ausrichtung geben, und dann die Zuführung der erforderlichen elektrischen Ströme in die Wicklungen 116-122 steuern, um die Felder By und Bx zu erzeugen.
• Darüber hinaus können die Winkelausrichtung e und die Größe dieses Gleichstrom-Magnetfelds so schnell oder so langsam wie gewünscht durch Ändern des Stroms in den Wicklungen unabhängig geändert werden. Es können die Zeit, in der das Feld in jeder Winkelposition eingeschaltet ist, und die Richtung der Winkelabstufung sowie die Feldstärke geändert werden, da diese Parameter allein eine Funktion der Änderung der Ströme zu den Elektromagneten vom Rechner 113 leicht steuerbar sind. So kann das Feld um den Wafer herum durch den Einsatz gewählter Ausrichtungs- und Zeitinkremente abgestuft werden. Gewünschtenfalls kann die Größe des resultierenden Feldes BR so geändert werden, wie es der Prozeß oder die Reaktorauslegung erfordern können, oder es kann eine konstante Feldstärke verwendet werden. Das elektrische stromgesteuerte System sorgt somit für eine Vielseitigkeit eines sich schnell oder langsam bewegenden Magnetfelds mit konstanter oder variierender Stärke mit konstanter oder variierter Winkelgeschwindigkeit. Außerdem braucht die Ausrichtung des Feldes nicht abgestuft oder sequentiell geändert zu werden, sondern kann unmittelbar von jeder gegebenen Ausrichtung (oder Feldstärke) auf eine andere umgeschaltet werden.
• Diese Vielseitigkeit in der unabhängigen Steuerung der Richtung und Größe des Gleichstrommagnetfelds ist unterschiedlich gegenüber anderen, partiell einsetzbaren rotierenden Magnetfeldern, die gewöhnlich mit einer festgelegten, relativ hohen Frequenz drehen, beispielsweise mit dem Standardwert von 60 Hertz. Darüber hinaus unterbindet die Fähigkeit, langsam "zu drehen", nämlich mit einem Wert von beispielsweise 2 bis 5 s/Umdrehung (2 bis 30 Zyklen/min) die Wirbelstromverluste, die dem Einsatz höherer Frequenzen in Aluminium- oder Metallkammern zugeordnet sind.
• Der frühere Reaktor 40, Fig. 4, kehrt das statische Magnetfeld längs einer Achse um. Im Gegensatz dazu dreht der Reaktor 60 das Magnetfeld effektiv, vorzugsweise mit wenigen Hertz, durch die einfache Maßnahme, die Ströme zu den Elektromagnetwicklungen zu ändern. Dies stuft das Magnetfeld um den Wafer herum ab und erhöht die Ätzgleichförmigkeit 360º um den Wafer herum anstatt in einer Richtung quer über den Wafer. Als Folge kann der Reaktor 60 über einen weiten Bereich von niedrigen bis hohen Drucken in eine Direktionalität, Selektivität und Gleichförmigkeit eingesetzt werden, die jene auch der Niederdruck-RIE-Ätzer überschreitet.
• Eine Anwendung der bevorzugten Magnetfelddrehung mit niedriger Geschwindigkeit von beispielsweise 2 bis 30 Zyklen pro Minute wird in dem nachstehenden Brom/Jod- Ätzprozeß beschrieben. Speziell steuert der Einsatz des Magnetfelds in Kombination mit der Bromier- und Iodierätzchemie das Ätzen und reduziert Waferschäden. Eine Steigerung des Magnetfelds erhöht die Ätzgeschwindigkeit, so daß eine gegebene Ätzgeschwindigkeit durch Erhöhen des Magnetfelds und durch Verringern der HF-Energie und der sich ergebenden Steuerspannung -Vdc erhalten werden kann. Dies verringert das Ionenbombardement des Wafers und Vorrichtungsschäden. Die Brom- und Jod-Ätzgaszusammensetzungen, wie sie in dem als Bezug benutzten Brom-Jod- Silizium-Ätzprozeß verwendet werden, sind zur Bildung von anorganischen Seitenwandabscheidungen auf den Grabenseitenwänden sorgfältig angesetzt, wenn Siliziummaterial zu ätzen ist, um dadurch das Seitenwandprofil zu steuern. Eine Steigerung des Magnetfelds erhöht die Wirksamkeit dieser Ätzprofilsteuerung.
• Wenn die Magnetfeldstärke erhöht wird, wird insgesamt die schützende Seitenwandabscheidung dicker (wenn eine Sauerstoffquelle vorhanden ist), wodurch dem Grabenprofil eine stärkere Verjüngung und eine geringere Krümmung erteilt wird. Da man das Magnetfeld leicht ändern kann, führt dies zu der Fähigkeit, das Profil mit zunehmender Tiefe zu variieren. Beispielsweise kann es bei sehr schmalen, tiefen Gräben erwünscht sein, eine breitere Grabenmündung zu haben, um das darauffolgende Füllen des Grabens mit Dielektrikum zu erleichtern. Die Verjüngungssteuerung durch Einstellen des Magnetfelds ermöglicht erst einen solchen trichterförmigen schmal ausgebildeten Graben mit breiter Mündung.
• Die oben erläuterte Fig. 12 zeigt auch schematisch das gesamte Rechnersteuersystem für den Reaktor 60. Zur Zeit ist die Steuereinrichtung 113 eine Steuereinrichtung vom Typ 68010. Zur Steuerung des Anlegens des Stroms an die Elektromagneten 116-122 steuert der Rechner 113 zusätzlich auch den Gasstrom aus der Einspeisung 81, das Anlegen von HF-Energie aus der Zuführung 112, das Einführen von Kühlgas und Wasser zu der Kathode aus entsprechenden Zuführungen 169 und 175, das Vakuumsystem 93, die Steuerventile für den Pneumatikzylinder für den Wellenmechanismus 140, die Steuerventile für die Druckluftzylinder 163 für die Schlitzventile 162 und für die Energieversorgung 183 für den Wassererhitzer.
• Gemäß Fig. 6 und hauptsächlich gemäß Fig. 7 hat die Sockelanordnung 70 einen insgesamt zylindrischen Wandaufbau 124, der innerhalb des Gehäuses 63 angeordnet ist, sowie ein zylindrisches Bodengehäuse 126, das am Boden des Gehäuses 62 angebracht ist und sich darunter erstreckt. Die ringförmige Absaugplatte 96 ist am Umfang um das Gehäuse 124 an Vorsprüngen 127 und 129 angebracht. Die energiebeaufschlagte Sockel/Kathode 72 befindet sich auf einem insgesamt zylindrischen Basiselement 128, das an dem geerdeten Gehäuse durch passende ringförmige Isolatorteile 130 bis 134 angebracht ist.
• Die ein Stück bildende Waferaustauschanordnung 70 hat eine Vielzahl von sich vertikal erstreckenden Waferhaltezapfen/Fingern 79-79 (vier sind gezeigt), die kreisförmig angeordnet sind. Die Finger 79 erstrecken sich durch Löcher im Umfang des Sockels 72 und der Basis 128. Sowohl die Waferhaltefinger 79-79 als auch der Waferklemmring 78 sind an einer Haltearmeinrichtung angebracht, die sich horizontal erstreckende Arme 137-137 aufweist, die an einem Schafthubmechanismus 140 und an dem zylindrischen Ringelement 139 angebracht sind. Die Arme 137-137 sitzen an dem Schafthubmechanismus 140 für eine nachstehend erläuterte vertikale Verschiebung.
• Wie erwähnt, sitzen die vertikal ausgerichteten Waferhaltestifte 79-79 an entsprechenden Armen 137-137 der Armanordnung und erstrecken sich durch Löcher in der oberen Waferabstützfläche auf dem Sockel 72. Der Waferklemmring 78 ist ebenfalls an der Armanordnung angebracht, d. h. an dem Ring 139. Der Ring 139 ist in einem Kanal 141 vertikal bewegbar, der zwischen dem Gehäuse 124 und der Basis 128 ausgebildet ist. Wie ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 8 bis 11 erläutert wurde, ermöglichen der Einsatz der Waferhaltestifte 79 und des Waferklemmrings 78, der vertikal an den Stiften verschoben ist, und ihr gemeinsames Anbringen an der gemeinsamen vertikalbeweglichen Armanordnung einen einfachen Waferaustausch mit einem externen Robotblatt 76 unter Nutzung einer Einzelachsenbewegung.
• Die Schaftanordnung 140 hat eine Hülse 142 und eine zylindrische Federhalteeinrichtung 144, die durch einen Bolzen 146 verbunden sind, und ist gleitend verschiebbar auf Lagern 148 in einer in einer Basis 150 ausgebildeten Bohrung angeordnet. Die Basis 150 hat eine abgestufte zylindrische Form und ist an ihrer Stufe oder Schulter mit dem Boden der Basis 128 verbunden.
• Eine seitliche Bewegung des Schafthubmechanismus wird von einem Paar von vertikalen Führungsstiften 151 (nur einer ist gezeigt), der sich durch eine Öse 153 des Schaftes 140 erstreckt, gesteuert, d. h. unterbunden. An dem unteren Gewindeabschnitt des Stiftes 151 ist zur Begrenzung der Aufwärtsbewegung (oberste Stellung) des Schaftmechanismus 140 und des zugeordneten Klemmrings 78 und der Stifte 79 eine einstellbare Anschlagmutter 155 vorgesehen.
• Zwischen dem Boden der Basis 150 und der Federhalteeinrichtung 144 des Schafts ist zur Vorspannung des Schafts 140, der Klemme 78 und der Stifte 79 nach unten in eine normale untere Stellung eine Feder 152 festgelegt. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind in dieser federvorgespannten Position die Stifte 79-79 in ihre Löcher in dem Sockel 72 eingezogen, und der Klemmring 78 greift elastisch am Umfang des Sockels 72 an. Wenn auf dem Sockel ein Wafer 75 angeordnet wird, klemmt der Klemmring 78 den Umfang des Wafers sicher und elastisch gegen die obere Fläche 154 (Fig. 8) des Sockels. Eine vertikale Aufwärtsbewegung des Schafts 140, des Klemmrings 78 und der Stifte 79-79 erfolgt durch die vertikale Stange 156 eines Druckluftzylinders, der gewöhnlich an dem Gehäuse 126 angebracht ist und gesteuert von dem Rechner 113 (Fig. 12) betätigt wird. Die Aufwärtsbewegung der Stange 156 bewegt den Schaft 140 nach oben gegen die vorspannenden Wirkung der Feder 152, wodurch der Klemmring 78 von dem Sockel 72/Wafer 75 aus dem Eingriff gelöst wird und sich die Finger 79-79 nach oben durch den Sockel zur Aufnahme eines Wafers erstrecken.
• Fig. 8 bis 10 veranschaulichen den Betrieb des speziellen einheitlichen Klemme 78/Finger 79-Waferaustauschsystems 74. Die sich ergebende einfache Einachsenrobotbewegung überträgt der einzelne Wafer 75 von dem externen Blatt 76 (siehe auch Fig. 6) zu der Sockel/Elektrode 72 und umgekehrt und klemmt den Wafer auf dem Sockel fest, um die Position des Wafers zu sichern und um auch das Kühlen des Wafers, wie nachstehend beschrieben, zu erleichtern.
• Gemäß Fig. 6, 7 und 8 hat die Reaktorgehäusewand 66 eine verschließbare langgestreckte Öffnung oder einen Schlitz 160, der eine Bewegung des externen Blattes 76 in die Kammer und aus ihr heraus ermöglicht. Der Schlitz 160 wird durch eine schwenkbar angebrachte Klappe oder Türe 162 geschlossen, um die Kammer abzudichten, wenn das Blatt 76 nicht eingesetzt wird, um Wafer in der Kammer abzulegen oder aus ihr herauszuziehen. Die Tür 162 wird von einem Druckluftzylindersystem 163 (Fig. 12) geöffnet und geschlossen. Ein Klemmenhaltering 139 hat ein Paar von Aussparungen 164-164 (Fig. 6), die auf seinen oberen gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind und die das Einführen des Blattes 76 und des Wafers 75 ermöglichen. Alles, was für die Überführung der Wafer zwischen der Reaktorkammer 60 und einem externen Speicher, wie einer Kassette, erforderlich ist, ist ein einfaches, bidirektionales Einachsenrobotblatt 76.
• Zu Anfang ist die Klemmen-Finger-Haltearmanordnung in der etwas angehobenen Position, wie sie in Fig. 8 gezeigt und gestrichelt in Fig. 6 dargestellt ist, angeordnet, so daß die Ringaussparungen 164, der Gehäuseschlitz 160 und das Blatt 76 horizontal fluchtend ausgerichtet sind. Dies ermöglicht das Einführen des Blattes 76 durch die vordere Ausnehmung 164. Man vermerke bitte, daß die Trennung zwischen der Oberseite der Stifte 79 und dem Klemmring 78 horizontal fluchtend zu den Ausnehmungen 164 ausgerichtet ist. Somit kann das Blatt 76 auch zwischen den Stiften 79-79 und dem Klemmring 78 hindurchgehen. Wenn die Schlitze 160 und 164 so ausgerichtet sind, wird das Blatt 76 (mit einem darauf getragenen, zu behandelnden Wafer 75) über die Öffnung 160 und die Ausnehmung 164 in die Kammer 68 und den Plasmaätzbereich 110 sowie über den Sockel 72 eingeführt.
• Als nächstes wird, wie in Fig. 9 gezeigt ist, die Stange 156 ausgefahren, um den Schafthubmechanismus 140 und die Waferhaltestifte 79-79 anzuheben, um damit den Wafer 75 von dem Blatt 76 anzuheben.
• Nach dem Zurückziehen des Blattes 76 wird die Tür 162 geschlossen. Gemäß Fig. 10 zieht der Zylinder 158 (Fig. 7) dann die Stange 156 zurück, so daß die Feder 152 den Schaft 140 absenkt/einzieht und der Klemmring 78 den Wafer 75 elastisch zwischen dem Ring und dem Sockel 72 einklemmt.
• Nach der Behandlung hebt der Zylinder 158 den Schafthubmechanismus 140, wodurch der Wafer 75 über das Blatt 76 angehoben wird, so daß das Blatt in die Kammer unter dem Wafer eingeführt werden kann. Der Schaft 140 wird dann etwas abgesenkt, um die Stifte 79-79 und die Klemme 138 in die in Fig. 8 gezeigte Position zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Blatt 76, welches den behandelten Wafer 75 hält, aus der Kammer zurückgezogen. Auf dem Blatt 76 kann ein neuer Wafer angeordnet und in die Kammer zwischen die Klemme 78 und die Stifte 79-79 eingeführt werden, wie dies auch in Fig. 8 gezeigt ist, um einen anderen Waferaustauschzyklus beginnen zu lassen.
• Wie vorstehend beschrieben, überträgt das Waferaustauschsystem 74 die Wafer zu dem Blatt und von ihm weg, klemmt die Wafer fest und entfernt die Wafer von dem Sockel unter Verwendung nur eines senkrechten Punkt- und Umfangskontakts. Es fehlt der übliche Gleit- und/oder Rollreibungskontakt, der zum Anheben und Ablegen der Wafer erforderlich ist. Wie zu ersehen ist, verringert dies die Neigung, Teilchen in der Behandlungskammer 68 zu erzeugen.
• Zusätzlich ist die Halte- und Überführungsvorrichtung für den Einachsenrobot unter der Kammer 68 positioniert und ist von der Kammer durch die umgebende Sockelanordnung 70 isoliert. Zwischen dem oberen Ende der Schaftanordnung 140 und der Basis 150 ist ein Balg 166 angeordnet, um eine zusätzliche Barriere zwischen dem Schaft 140 und dem Wafer 98 und der Behandlungskammer 68 zu schaffen. Der Innenraum des Balgs 166 ist durch eine Öffnung 168 gegenüber der Atmosphärendruckumgebung in dem Gehäuse 126 belüftet. Dies erleichtert die Expansion und Kontraktion des Balgs längs der Schaftachse während ihres Anhebens und Absenkens in der Atmosphärenumgebung der Schaftkammer 167.
• Wie erwähnt, wird die Elektroden/Sockelanordnung 70 durch eine Kombination von Flüssigkeit und Gas gekühlt, d. h. durch die gasgestützte Wärmeleitung vom Wafer zur Kathode und durch Flüssigkeitskathodenkühlung. Es wird eine Flüssigkeit, gewöhnlich in Form von kaltem Wasser, durch das vom Rechner 113 gesteuerte Ventil-und-Pumpsystem 169 zu einem Einlaß 170 geführt, der mit einem unteren Ringkanal 172 in der Basis 128 und ferner mit einem Paar von oberen kreisförmigen Kanälen 174-174 in Verbindung steht. Das heißt, das Kühlwasser strömt in den Einlaß 170 und gelangt dann durch den unteren Kanal 172 und die oberen Kanäle 174-174 zu einem Auslaß (nicht gezeigt). Anstelle eines breiteren Einzelkanals zur Umgehung des Kühlgaseinlaßkanals 146 wird das Lochpaar 174-174 eingesetzt.
• Das Kühlgas wird verwendet, um die Wärmeübertragung von dem klemmengehaltenen Wafer 75 zu dem wassergekühlten Sockel 72 zu steigern. Das thermisch leitende Gas wird durch das herkömmliche, vom Rechner 113 gesteuerte Kühlsystem 175 zum Einlaßkanal 176 über die Zuführung 114, was nachstehend erläutert wird, geführt, der eine Ionisation des Niederdruckgases durch den an Spannung liegenden Sockel unterbindet. Ebenfalls gemäß Fig. 6 ist der Kanal 176 an eine Öffnung 178 angeschlossen, die radiale Nuten 180 in der Fläche des Sockels 72 schneidet.
• Wenn im Betrieb der Wafer 75 an der Elektrode 72 durch den Ring 78 klemmend gehalten ist, wird über die Zuführung 114 und den Einlaß 176 Helium oder ein anderes geeignetes Gas, das ein guter Wärmeleiter bei niedrigem Druck ist, zu den radialen Nuten 180-180 an der Trennfläche zwischen dem Wafer und dem Sockel geführt, um einen nahezu statischen Gasdruck von gewöhnlich etwa 1 Torr bis 10 Torr einzustellen. Während des Plasmabetriebs des Reaktors 60 überträgt dieses Trennflächengas Wärme von dem Wafer 75 zu dem wassergekühlten Sockel 72, wodurch eine gleichförmige Kühlung des Wafers durch die flüssigkeitsgekühlte Kathodenanordnung 70 ermöglicht wird.
• Die Bedeutung des HF-aktivierten Gases mit hoher Leistungsdichte und der flüssigkeitsgekühlten Kathodenanordnung 70 ist in der EP-A-0 272 143 erläutert.
• Durch Ausführen des erwähnten Brom/Jod-Ätzprozesses wird die Waferhaltekathodenanordnung 70 durch Wasser von etwa 20 bis 30ºC gekühlt. Zwischen den Wafer und die wassergekühlte Kathode 72 wird bei einem im wesentlichen statischen Druck von etwa 533,288 N/m² (4 Torr) ein Gas, wie Helium, aufgebracht. Dies ergibt eine gleichförmige hochwertige Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Wafer 75 und der gekühlten Kathode 72, wodurch die Waferoberflächentemperatur auf etwa 60ºC oder weniger gehalten wird. Diese Kühlung ist erforderlich, da die hohe Leistungsdichte von etwa 2,5 bis 3,5 W/cm² annähernd eine Größenordnung größer ist als die Leistungsdichten, wie sie bei herkömmlichen RIE-Ätzern verwendet werden. Die Kühlung trägt zur Ausschließung von sich wölbendem und schwarzem Silizium während des Einsatzes des erwähnten Brom/Jod- Ätzprozesses oder anderer Prozesse zum Ätzen von Silizium und anderen Materialien bei und erleichtert ansonsten die Profilkontrolle. Das Phänomen des schwarzen Siliziums kann bei Temperaturen auftreten, die so niedrig wie etwa 70ºC sind.
• Gemäß Fig. 7 ist an der Abdeckung 67 des Reaktors 60 eine Heizeinheit 181, gewöhnlich ein zylindrischer elektrischer Widerstandserhitzer oder eine andere geeignete Einheit, zu dem Zweck angebracht, die Abdeckung 67 und den oberen Abschnitt der Gehäuseseitenwände 66-66 zu erwärmen, die der Kammer 68 und speziell dem innenseitigen Gehäuse und den oberen Kammerwänden 671 und 661 entsprechen. Ebenfalls gemäß Fig. 12 wird die Leistung an die Heizeinrichtung 181 durch eine Leistungszuführung 163 zugeführt, die von dem Rechner 113 über eine Steuerleitung 185 gesteuert wird. Die Elektromagnete 116 bis 122 sorgen für eine ergänzende Heizung der Wände 66-66.
• Die Heizeinrichtung 181 wird je nach Erfordernis für das Heizen der Wände 67I und 66I sowie der Innenfläche des Gaskastens 80 selektiv betätigt, um eine Kondensation während des Reaktorbetriebs zu unterbinden. So können beispielsweise die anorganischen Seitenwandabscheidungen zur Profilkontrolle, die von den Brom- und Jod-Ätzgaszusammensetzungen gebildet werden, die bei dem Brom/Jod- Siliziumätzprozeß verwendet werden, verschiedene Kombinationen von Bestandteilen haben, wie Silizium, Sauerstoff, Brom und/oder Fluor, beispielsweise SiO&sub2;, SiBrx, SiBrxFy und SiOBrxFy. Während dieser Ätzsequenz heizt die vom Rechner 113 gesteuerte Heizeinrichtung 183 die Wand 67I und 66I auf eine Temperatur > 70ºC, um eine unerwünschte Kondensation dieser anorganischen Abscheidungen zu vermeiden.
• Gewöhnlich wird der Klemmring 78 von einem leichten elastischen Material, wie Ardel oder Lexan, gebildet, um eine Bewegung zu erleichtern und um den Umfang des Wafers ohne Beschädigung elastisch festklemmen zu können. Der Gaskasten 80 und der Rest der Kammer werden von einem nichtmagnetischen Material, wie Aluminium, gebildet. Wir haben gefunden, daß das Vorsehen einer Quarzbeschichtung oder Quarzschicht 81 mit einer Dicke von etwa 0,3175 cm (1/8 in.) auf dem Klemmring 79 und einer ähnlichen Quarzschicht oder Quarzbeschichtung 83 mit einer Dicke von etwa 0,3175 cm (1/8 in.) auf dem zugewandten Gaskasten 80 eine Verunreinigung der Siliziumwafer 75 während des Betriebs des Reaktors 60 verhindert. Quarz ist dem Silizium ähnlich und verunreinigt somit das Silizium nicht. Die Quarzabdeckungen 81 und 83 tragen auch dazu bei, schwarzes Silizium auszuschließen, da die Prozeßreaktion mit den sich ergebenden Abdeckungen, wenn dieses Isoliermaterial nicht richtig gewählt ist, einen Mikromaskeneffekt in dem freigelegten Silizium erzeugen kann, was wiederum zur Erzeugung von schwarzen Silizium führt. Außerdem wird aus dem Quarz Sauerstoff während des Betriebs des Reaktors 60 freigesetzt. Der freigesetzte Sauerstoff fügt den Oxydmasken Material zu, die zum Ätzen der Materialien, wie Silizium, verwendet werden, und erhöht den Ätzwiderstand (Selektivität) der Maske. Der Sauerstoff aus dem Quarz erhöht die Ätzgeschwindigkeit. Der Sauerstoff ist ein Zusatz zu dem Sauerstoff, der in den Ätzgaszusammensetzungen eingeschlossen ist, wie sie in dem erwähnten Brom/Jod-Ätzprozeß zum Verringern des Wölbens und zum sonstigen Steuern des Ätzprofils beschrieben sind.
• Fig. 11 ist ein vergrößerter Vertikalschnitt der Gasdurchführungsvorrichtung 114, die zur Zuführung von Kühlgas zu dem mit HF-Energie beaufschlagten Sockel 72 ohne Gasdurchschlag oder Ionisierung verwendet wird. Die Durchführvorrichtung hat einen geschlossenen Zylinder, die von einem Paar von Elektrodenabschnitten 182 und 184 gebildet wird, die insgesamt parallele, eng beabstandete, Öffnungen aufweisende, einander zugewandte Innenwände 186 und 188 haben. Das Kühlgas tritt in die Durchführvorrichtung über einen Einlaß 190 in einer stirnseitigen Abdeckung 191 ein, geht durch Löcher 198 in der Platte 196 hindurch, durchquert einen kleinen Spalt d zwischen den Platten, durchquert dann Löcher 199 in der Platte 188 und strömt durch den Auslaß 192 in der gegenüberliegenden stirnseitigen Abdeckung 193. Der Einlaß 190 steht mit der Kühlgaszuführung (nicht gezeigt) in Verbindung, während der Auslaß 192 über eine Leitung 194 (Fig. 7) an den Sockelkanal 176 angeschlossen ist.
• Ein ringförmiges Isolierdistanzstück 195 trennt die beiden Elektroden 182 und 184 körperlich und elektrisch. Die sich ergebende Zylinderanordnung ist durch Schrauben 195-195 verbunden und durch O-Ringe 196-196 abgedichtet. Die Einlaßelektrode 182 liegt an Masse, während die Auslaßelektrode 184 mit dem HF-Energie gespeisten Sockel 72 verbunden ist. Der Abstand und die Größe der Löcher 198 und 199 und die Größe des Spalts d werden so gewählt, daß sich ein hoher elektrischer Leitwert für das Gas ergibt und eine Ionisation des Gases trotz des niedrigen Drucks und des hohen Potentials über diesen beiden angrenzenden Platten unterbunden wird. Für einen Gasdruck von 533,288 N/m² (4 Torr) schließen beispielsweise ein Spalt d von 1 bis 40 mils und einem Lochdurchmesser von 10 bis 40 mils eine Ionisation des Gases aus. Ein Verändern der Höhe des Distanzstücks 195 reguliert den Spalt d für die Anpassung an unterschiedliche Gase und Drucke. Die Vorrichtung 114 ist also eine kompakte Durchführung, um das Niederdruckkühlgas auf das Potential des Sockels trotz der Empfindlichkeit des Gases gegenüber kleinen Werten des Produkts aus Druck und Abstand zu bringen.
• Mehrere Auslegungskriterien, zu denen die gesteuerte Beheizung der Reaktorwand durch das Heizelement 181 gehören, ermöglichen einen äußerst reinen Betrieb des vorliegenden Ätzreaktors 60. Dies gilt auch trotz des Einsatzes von Prozessen, wie dem erwähnten Brom/Jod- Ätzprozeß, die mit Absicht Abscheidungen bildende Gaszusammensetzungen für die Ätzprofilsteuerung, usw., verwenden. Im Durchschnitt haben wir den Reaktor etwa hundertmal zwischen den Selbstreinigungszyklen laufen lassen.
• Zusätzlich zu der langen Betriebszeit zwischen der Reinigung, wird die Reinigung weniger beschwerlich durch die Selbstreinigungsfähigkeit des Reaktors 60. Wie bekannt, ist es schwieriger, die verschiedenen Ätzkammerflächen selbst zu reinigen als einen Wafer zu ätzen, einfach wegen der Schwierigkeit der Ausdehnung des Ätzgasplasmas, um das große Volumen und die große Fläche der Kammer abzudecken.
• Bei dem Ätzreaktor 60 erhöht das von den Elektromagnetpaaren 116-118, 120-122 geschaffene Magnetfeld die Selbstreinigungsätzgeschwindigkeit, wie dies auch ein Hochdruckbetrieb tut. Der Reaktor ist so ausgelegt, daß er im Bereich von Drucken von 0,133322 bis 39,9966 N/m² (0,001 Torr bis 0,300 Torr) läuft und somit die Fähigkeit hat, den Betrieb an die Hochdruckerfordernisse der Selbstreinigung sowie an die niedrigeren, dennoch relativ hohen Druckanforderungen des Ätzens anzupassen. Das drehbare Magnetfeld und die zugeordnete unabhängige Steuerung der Feldstärkenausrichtung dehnen das reinigende Plasma überall in der Kammer aus und ermöglichen eine Steigerung der Ätzgeschwindigkeit für spezielle Bereiche der Kammer, und, wenn es erforderlich ist, alle Kammerflächen wirksam zu reinigen.
• Die Verwendung der gespeisten Kathode und der enge Abstand zwischen der Kathodenanordnung 70 und dem Anodengaskasten 80 bilden weiterhin ein eingeschnürtes dichtes Plasma. Die relativ geringe Größe der Kammer, etwa 13 Liter, und die Kreissymmetrie aller Bauteile tragen ebenfalls zur Selbstreinigung bei. Darüberhinaus sind alle frei liegenden Flächen in der Kammer aus Aluminium oder Quarz, die beide für eine Selbstreinigung undurchdringlich und dafür kompatibel sind.
• Vorzugsweise wird eine fluorierte Gaszusammensetzung für eine In-Situ-Selbstreinigung verwendet. Keinen Kohlenstoff, jedoch Fluor enthaltende Gaszusammensetzungen' wie NF&sub3;, SF&sub6;, werden aufgrund ihrer hohen Flüchtigkeit der Ätzprodukte frei von Verunreinigung usw. bevorzugt, es können jedoch auch andere Stoffe, wie C&sub2;F&sub6;, CF&sub4; oder andere Fluor enthaltende Freone verwendet werden. Ein gegenwärtig bevorzugter Selbstreinigungsprozeß verwendet eine Chemie mit fluoriertem reaktiven Gas, zu denen die Gase NF&sub3;, die in die Kammer 68 mit Durchsätzen von 60 sccm zugeführt werden, bei Magnetfeldstärken von 0 bis 45 Gauss, die sich mit 30 Zyklen pro Minute drehen, bei einer HF-Vorwärtsleistung von 450 W und bei 100 mT Kammerdruck. Diese Parameter ermöglichen ein gleichförmiges Ätzen an den inneren Kammerflächen und reinigen den Reaktor 60 in etwa 10 Minuten nach 10 Betriebsgängen effektiv und vollständig (bei jedem Betriebsgang werden 10 u Silizium entfernt). Im Gegensatz dazu werden herkömmliche Plasmaätzreaktoren mit typischen Intervallen von etwa 5 Betriebsläufen gereinigt und erfordern eine Demontage für das Reinigen bei nassen Ätzmitteln. Die Kombination der In-Situ-Selbstreinigungsfähigkeit, des aus sich selbst heraus sauberen Betriebs und der langen Zeiten zwischen Reinigungszyklen verringern die Stillstandszeit, die zum Reinigen erforderlich ist, und erhöhen den Durchsatz.

Claims (7)

1. Plasmareaktor mit Magnetfeldverstärkung

- mit einem Gehäuse (62), in welchem eine Vakuumkammer (68) zum Ätzen eines in der Kammer angeordneten Wafers (75) mit hoher Geschwindigkeit und hoher Ätzgleichförmigkeit im wesentlichen unabhängig vom Druck ausgebildet ist, welche einen Sockel (70) zum Tragen des Wafers, einen Gasverteiler (80) zum Zuführen von Reaktionsteilnehmergasen zu der Kammer und eine Einrichtung (112) zum Anlegen von HF-Energie zwischen den Wafertragsockel und den Gasverteiler zur Erzeugung eines Waferätzplasmas aufweist, und

- mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung, die ein erstes Paar (116, 118) und ein zweites Paar (120, 122) von Elektromagneten, die um den Umfang des Gehäuses herum angeordnet sind, eine daran angeschlossene Stromzuführeinrichtung (115, 117, 119, 121) zur Erzeugung eine Magnetfelds insgesamt parallel zur Waferoberfläche und eine Einrichtung zur selektiven Stromzuführung zu den Elektromagneten für eine Steuerung der Richtung des Feldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, - daß die Stromzuführungseinrichtung eine Gleichstromzuführungseinrichtung (115, 117, 119, 121) aufweist, und

- daß die Stromzuführungseinrichtung eine Steuereinrichtung (113) aufweist, um die jeweiligen Gleichströme, die den Elektromagneten (116, 118; 120, 122) zugeführt werden, unabhängig voneinander zu variieren, damit sowohl die Stärke als auch die Richtung des von den Elektromagneten erzeugten Magnetfelds zur Schaffung eines gleichförmigen Ätzplasmas variiert werden kann.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungseinrichtung unabhängige Gleichstromzuführungen (115, 117, 119, 121) aufweist, die mit den jeweiligen Elektromagneten (116, 118, 120, 122) verbunden sind, und daß die Steuereinrichtung (113) die Gleichstromzuführungen so steuert, daß die jeweiligen Ströme, die den Elektromagneten zugeführt werden, so variiert werden, daß sowohl die Stärke als auch die Richtung des von den Elektromagneten erzeugten Magnetfelds variiert werden können.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (169) zum Umlaufenlassen von Kühlfluid in dem Sockel und eine Einrichtung (175) zum Zuführen von Gas mit einem niedrigen Druck zwischen einer Fläche des Sockels (70) und einer daran befindlichen Waferklemme (78) vorgesehen sind, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Wafer und dem Sockel zu erhöhen.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (181) an der Außenseite des Reaktors zum Erhitzen der innen befindlichen Reaktoroberflächen auf eine vorher festgelegte Temperatur angeordnet ist, um Abscheidungen an den Oberflächen zu unterbinden.

5. Reaktor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchführvorrichtung (114) vorgesehen ist, um den Gasstrom mit niedrigem Druck mit dem energiegespeisten Sockel ohne Ionisation zu koppeln, wobei die Durchführvorrichtung ein Gehäuse (182, 184) mit einem Gaseinlaß (190) zur Aufnahme des Kühlgases und einen im Abstand angeordneten Gasauslaß (192) aufweist, der mit dem Sockel (70) verbunden ist, und wobei das Gehäuse weiterhin ein Paar von innen befindlichen, in geringem Abstand angeordneten, mit Öffnungen versehenen Platten (186, 188) hat, die sich quer über den Weg des Gases erstrecken, von denen eine auf der Auslaßseite des Gasstroms elektrisch zusammen mit dem Sockel (70) und die andere mit Systemmasse verbunden sind.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnete daß eine ätzdichte Materialbeschichtung, wie Quarz, über dem Gasverteiler (80) und dem Klemmring (78) vorgesehen ist.

7. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnete daß die Vakuumkammer (60) für die Behandlung eines in der Kammer angeordneten Wafers ausgebildet ist, wobei das Gehäuse eine Öffnung (160) hat, um in ihr eine Positionierung des Waferblattes (76) über dem Sockel (70) zu erhalten, um den Wafer aus der Blattposition zu entfernen und um den Wafer in die Blattposition zurückzuführen.