DE3854541T2

DE3854541T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Materials durch Plasma.

Info

Publication number: DE3854541T2
Application number: DE3854541T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Nakajima; Hiroshi Saito; Shunji Sasabe; Yasumichi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2008-07-21
Also published as: DE3854541D1; EP0300447A3; KR890003266A; US5021114A; EP0300447B1; KR920002864B1; EP0300447A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik des Behandelns eines Materials wie eines Substrats, Wafers oder dergleichen unter Verwendung eines Plasmas. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gerät zum Durchführen einer derartigen Technik beispielsweise zum Ätzen eines Substrats durch Sputtern mit hoher Geschwindigkeit unter Benutzung eines Plasmas, ohne das Substrat zu beschädigen oder zu verletzen, oder zum Auftragen eines Filmes mit hoher Geschwindigkeit mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens (Chemical Vapour Deposition).
Im Stand der Technik ist ein Sprühätzgerät (Sputter-Ätzen) bekannt, in welchem eine Ätzelektrode mit einem darauf angeordneten Substrat in einer Vakuumkammer angebracht ist. Durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung bzw. -leistung an die Ätzelektrode wird über dem Substrat Plasma erzeugt und Ionen aus dem Plasma, beschleunigt durch das elektrische Feld, welches durch das auf dem Substrat vorhandene Potential erzeugt wird, prallen auf das Substrat, wodurch das Letztere durch das Sputtern geätzt wird. Mit diesem Aufbau des Sprühätzgeräts ist das über oder unter dem Substrat erzeugte Plasma jedoch von geringer Dichte, weshalb das Sprühätzen nur mit geringer Geschwindigkeit erfolgen kann. Wird die an die Ätzelektrode angelegte Hochfrequenzspannung mit der Absicht erhöht, den Sputterprozeß zu beschleunigen, so prallen die Ionen aufgrund der an der Elektrode und dem Substrat vorhandenen hohen Spannung mit höherer Energie auf das Substrat, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Beschädigung oder Verletzung des Substrats erhöht wird.
Zum Erhöhen der Ätzrate oder -geschwindigkeit wird in der JP-A-74436 ein durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Ätzelektrode erzeugtes Plasma in einem begrenzten Raum oberhalb des Substrats eingeschlossen unter Verwendung einer Schwimmelektrode in Kombination mit einem Magneten, um das Plasma an einer Diffusion radial nach außen zu hindern, während die Anzahl der Ionen in dem Plasma und somit dessen Dichte erhöht werden. Mit dieser Anordnung kann ein Anstieg der an der Ätzelektrode auftretenden Spannung relativ zu der der Elektrode zugeführten Leistung sicherlich verhindert werden. Es ist jedoch festzustellen, daß die Zunahme der Plasmadichte nicht in einem klaren Eins-zu- eins-Verhältnis proportional zu der Zunahme der an die Ätzelektrode angelegten Spannung ist. Wenn die angelegte Hochfrequenzleistung zum weiteren Beschleunigen des Ätzens erhöht wird wird deshalb die an der Elektrode auftretende Spannung bis zu einem solchen Grad erhöht, daß das Auftreten von Beschädigungen oder Verletzungen in dem Substrat zu einem Problem werden kann.
Ein anderes Gerät zum Behandeln mit Plasma ist in der JP-A-57-26441 beschrieben. Mit diesem bekannten Gerät wird in Verbindung mit einer Reaktionskammer eine Voranregungskammer bereitgestellt, in welche nur ein schwer zu aktivierendes Gas zur Voranregung eingebracht wird, wonach das derart aktivierte Gas zusammen mit einem leicht zu aktivierenden Gas in die Reaktionskammer eingeleitet wird. Auf diese Weise kann die Konzentration der aktivierten Gase, die direkt an der Bildung eines Films teilhaben, erhöht werden, ohne daß eine große Spannung bzw. Leistung an die Elektrode in der Reaktionskammer angelegt werden müßte, wodurch das zu behandelnde Material wie ein Substrat gegen Beschädigung oder Verletzung geschützt werden kann. Durch Regeln der elektrischen Leistung, mit der die Voranregungskammer und die Reaktionskammer versorgt werden, kann außerdem das Verhältnis der Zusammensetzung des durch die Abscheidung gebildeten Films gesteuert werden, um eine hohe Qualität des Films zu gewährleisten. Dieses bekannte Gerät leidet jedoch unter der Unzulänglichkeit, daß die Aktivierung des schwer zu aktivierenden Gases unzureichend ist, da die Anregung eines Gases dieser Art auf der Hochfrequenzentladung beruht.
Als weiteres Plasmabehandlungsverfahren ist aus dem Stand der Technik die JP-A-57-167631 bekannt. Gemäß dieses bekannten Verfahrens wird eine Voranregung eines Reaktionsgases unter Verwendung von Mikrowellenenergie erzielt. Bei der vorgeschlagenen Verwendung einer Mikrowelle (die üblicherweise eine Frequenz von 2,45 GHz hat) anstelle einer hochfrequenten elektrischen Spannungsversorgung (normalerweise 13,56 MHz) wird die Plasmadichte um ein bis zwei Größenordnungen erhöht (ungefähr bis zu 10¹¹/cm³), weil das Verhältnis, bei welchem das Reaktionsgas aufgrund von Stößen mit Elektronen aus dem Plasma angeregt wird, erhöht wird, wodurch die Konzentration des aktivierten Gases gesteigert wird. Zwischen der Aktivierungskammer und der Reaktionskammer liegt jedoch eine große Strecke. Ein Durchlaß zum Zuführen des aktivierten Gases in die Reaktionskammer ist außerdem an einer abseits liegenden Stelle vorgesehen. Folglich treten Schwierigkeiten auf, wenn das durch die Voranregung aktivierte Gas gleichförmig und ohne Verringern der Konzentration des aktivierten Gases auf ein Substrat geleitet wird. Unter diesen Umständen ist es schwierig, die Behandlung gleichförmig und mit großer Geschwindigkeit durchzuführen, auch wenn zugegeben wird, daß ein Film mit verbesserter Qualität auf dem Substrat gebildet werden kann.
In "Applications of Plasma Processes to VLSI Technology" von T. Sugano, J. Wiley & Sons Inc., 1985, Seiten 150 und 151, wird ein Plasmaprozessor des Elektronenzyklotronresonanz (ECR)-Typs beschrieben, in welchem in einer Vakuumkammer parallel zu sich ausbreitenden Mikrowellen eine magnetische Feldlinie erzeugt wird. Fällt die Intensität des Magnetfeldes mit einer Elektronenzyklotronenfrequenz (0,875 T bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz) zusammen, so wird die ECR-Bedingung erfüllt und die Mikrowelle breitet sich ungeachtet der Plasmadichte in dem Plasma aus. Das derart erhaltene Plasma hat eine Dichte, die größer ist als 10¹¹/cm³. Um das Magnetfeld wie erforderlich einheitlich parallel zu den Mikrowellen auszubilden, ist es unter diesen Umständen notwendig, in der Nähe des Plasmagenerators eine große Magnetfeldspule anzubringen. Des weiteren muß ein zu behandelnder Wafer in einem vorbestimmten Abstand von einem Mikrowelleninjektionsfenster angeordnet sein, damit die Mikrowelle sich in das Plasma hinein ausbreiten kann.
Allgemein waren im Stand der Technik keine Anstrengungen oder Überlegungen gemacht, einen gleichförmigen Film hoher Qualität mit großer Geschwindigkeit auf einem Substrat zu bilden, ohne daß das Substrat beschädigt wird. Bei den bekannten Techniken tritt deshalb ein Verlust der Qualität und/oder der Gleichförmigkeit des gebildeten Films ein, wenn die Behandlungsrate oder -geschwindigkeit vergrößert wird. Um es in anderen Worten zu sagen, wird jeder Versuch, einen gleichförmigen Film hoher Qualität zu erzeugen, unvermeidbar von einer niedrigeren Behandlungsgeschwindigkeit begleitet.
Daher ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sputterätzgerät zu schaffen, das ein Plasma mit einer hohen und gleichförmigen Dichte verfügbar macht, um das Ätzen eines Substrats dank eines zuverlässigen und einfachen Mechanismus mit hoher Geschwindigkeit und ohne Beschädigung des Substrats durchführen zu können, indem für die Plasmaerzeugung einerseits und für die Erzeugung der Spannung zum Beschleunigen der Ionen im Plasma in Richtung auf das Substrat andererseits getrennte Speisequellen vorgesehen werden, die sich demgemäß unabhängig voneinander steuern lassen.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Gerät zum Behandeln mit Plasma bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Film hoher Qualität gleichförmig auf einem Substrat mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens mit hoher Geschwindigkeit zu bilden und dabei eine Beschädigung des Substrats durch das Plasma zu vermeiden.
Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch ein Gerät zum Behandeln mit Plasma nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Insbesondere führt die Erfindung zu einem Gerät zum Behandeln mit Plasma mit einer Mikrowellenerzeugungsquelle zum Erzeugen einer Mikrowelle, einem Wellenleiter zum Einspeisen dieser Mikrowelle, einem Hohlraumresonator, in welchem die durch den Wellenleiter eingespeiste Mikrowelle in Resonanz schwingt so daß ein elektrisches Feld der Mikrowelle verstärkt wird, einer Gasversorgungsquelle, einer Evakuiereinrichtung, einer mit der Gasversorgungsquelle und der Evakuiereinrichtung verbundenen Vakuumkammer, die eine Plasmabehandlungselektrode enthält, die ein Substrat trägt einem Mikrowelleninjektionsfenster zum Einspeisen von in dem Hohlraumresonator zu Resonanz gebrachter Mikrowellenenergie, um durch diese Mikrowellenenergie Plasma zu erzeugen, wobei das Plasma entgegen dem Substrat in der Vakuumkammer angeordnet ist und das Mikrowelleninjektions fenster zwischen den Hohlraumresonator und die Vakuumkammer eingefügt ist, so daß das Mikrowelleninjektionsfenster dem Substrat gegenübersteht, und einer Speisespannungsquelle, die elektrisch mit der Plasmabehandlungselektrode verbunden ist und Ionen in dem Plasma zum Aufprallen auf das Substrat bringt. Zum zweiten stellt die Erfindung ein Gerät zum Behandeln mit Plasma bereit mit einer Mikrowellenerzeugungsquelle zum Erzeugen einer Mikrowelle, einem Wellenleiter zum Einspeisen dieser Mikrowelle, einem Hohlraumresonator, in welchem die durch den Wellenleiter eingespeiste Mikrowelle in Resonanz schwingt, so daß ein elektrisches Feld der Mikrowelle verstärkt wird, einer Gasversorgungsquelle, einer Evakuiereinrichtung, einer mit der Gasversorgungsquelle und der Evakuiereinrichtung verbundenen Vakuumkammer, die eine Plasmabehandlungselektrode enthält, die ein Substrat trägt einem Mikrowelleninjektionsfenster zum Einspeisen von in dem Hohlraumresonator zu Resonanz gebrachter Mikrowellenenergie, um durch diese Mikrowellenenergie Plasma zu erzeugen, wobei das Plasma entgegen dem Substrat in der Vakuumkammer angeordnet ist und das Mikrowelleninjektionsfenster zwischen den Hohlraumresonator und die Vakuumkammer eingefügt ist, so daß das Mikrowelleninjektionsfenster dem Substrat gegenübersteht, einer Speisespannungsquelle, die elektrisch mit der Plasmabehandlungselektrode verbunden ist und Ionen in dem Plasma zum Aufprallen auf das Substrat bringt und einem Magnetfeldgenerator, der am Umfang der Vakuumkammer in der Nähe des Mikrowelleninjektionsfensters angeordnet ist, um das Plasma daran zu hindern, radial nach außen in einen durch die Plasmabehandlungselektrode festgelegten Raum zu diffundieren, wobei das Mikrowelleninjektionsfenster und die von dem Magnetfeldgenerator erzeugten magnetischen Kraftlinien eine Plasmadichte in der Nachbarschaft des Substrats hoch und gleichförmig verteilt halten.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Hohlraumresonator verwendet, um ein Plasma hoher Dichte ohne die Verwendung eines Magnetfeldes zu erzeugen. Das Plasma hoher Dichte und eine hohe Frequenz erlauben die Abgabe einer großem Menge von Ionen an einen Wafer bei geringem Energieaufwand. Die Plasmadichte wird größer mit zunehmender Mikrowellenenergie. Wenn eine Plasmafrequenz mit einer Mikrowellenfrequenz übereinstimmt, wird eine Ausbreitung der Mikrowelle im Plasma (7 x 10¹&sup0;/cm³ bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz) unterbunden. Auf diese Weise läßt sich in einem begrenzten Raum in der Nähe des Mikrowelleninjektionsfensters ein Plasma hoher Dichte erzeugen.
Ein so erzeugtes Plasma unterliegt jedoch starker Diffusion. Um eine Diffusion des Plasmas in radialer Richtung zu verhindern, kann am Außenumfang des Mikrowelleninjektionsfensters ein Magnetfeldgenerator angeordnet werden, der magnetische Kraftlinien nur am Außenumfang entstehen läßt.
Im allgemeinen zeigt der einzuführende Mikrowellenmode eine symmetrische Verteilung des elektrischen Feldes in Bezug auf seine Achse. Das elektrische Feld ist schwach an seinem Umfang, und die Dichteverteilung im Plasma zeigt höhere Werte im zentralen Bereich. Jedoch verhindert die Ausbildung eines Magnetfelde Plasmaverluste und erlaubt eine Erhöhung der Plasmadichte insgesamt und insbesondere einen größeren Wert der Plasmadichte am Umfang und die Erzeugung eines gleichförmigen Plasmas.
Die vorliegende Erfindung erfordert keine großformatigen Spulen und somit können die Elektroden in ihrer Größe verkleinert werden. Des weiteren ist der Wafer erfindungsgemäß in der Nachbarschaft des Plasmas hoher Dichte an dem Mikrowelleninjektionsfenster angeordnet, und das gestattet eine sehr wirksame Bearbeitung mit Plasma. Darüberhinaus gibt es kein senkrecht zu einer Waferoberfläche stehendes Magnetfeld und somit wird in dem Wafer kein elektrisches Feld erzeugt, und das Auftreten von Aufladungs-Beschädigungen wird vermieden.
Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Magnetfeldes erfolgt durch einen Magneten in der Nähe des Mikrowelleninjektionsfensters. Es ist nicht unbedingt notwendig, einen Magneten auf einem Substrat anzuordnen. Eine solche Anordnung erfolgt nur, um die Wirksamkeit zusätzlich zu verbessern.
Im Hinblick auf die vorstehend zuerst genannte Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß ein Mittel zum Erzeugen eines Plasmas gegenüber einer Ätzelektrode vorgesehen ist, die in einer Vakuumkammer angebracht ist und auf der ein Substrat angeordnet ist. Unter Verwendung von Mikrowellenenergie (z.B. einer Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz) wird ein Plasma hoher Dichte über dem Substrat erzeugt wobei Ionen in dem Plasma dazu gebracht werden, unter dem Einfluß einer auf dem Substrat vorhandenen Spannung auf das Substrat aufzuprallen, indem eine Hochfrequenzspannung an die Ätzelektrode angelegt wird. Insbesondere umfaßt das Mittel zum Erzeugen eines Plasmas durch Anregung unter Verwendung von Mikrowellenenergie eine Mikrowellenerzeugungsquelle, einen Hohlraum und ein Mikrowelleninjektionsfenster, wobei in dem Hohlraum ein Abgleichmittel vorgesehen ist, um ihn als Hohlraumresonator für die Mikrowelle zu betreiben. Der Hohlraum kann in einer Koaxialstruktur ausgeführt und so dimensioniert sein, daß die Mikrowelle in dem Hohlraum eine axialsymmetrische Mode einnehmen kann. Das Mikrowelleninjektionsfenster dient zwei Zwecken: zum ersten dient es als Trennwand einer Vakuumkammer zum Abtrennen der Letzteren von dem Hohlraum und zum zweiten dient es als Fenster zum Einstrahlen oder Einspeisen der Mikrowelle in die Vakuumkammer aus dem Hohlraum. Das Mikrowelleninjektionsfenster ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das kaum Mikrowellenenergie absorbiert und für Gase undurchdringlich ist. Beispielsweise kann das Mikrowelleninjektionsfenster aus Quarz, Aluminium oder anderen Keramiken sein. Der Hohlraumresonator kann entweder eine Koaxialoder eine Rechteckstruktur aufweisen, oder auch eine Kreisstruktur, die aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. Vorzugsweise wird der Hohlraumresonator jedoch im Hinblick auf ein einfaches Erzeugen eines Plasmas gleichförmiger Dichteverteilung über der Ätzelektrode in einer Koaxialtyp-Kreisstruktur ausgeführt. Sollte das zu ätzende Substrat ein elektrisch isolierendes Material sein, ist es notwendig, eine Hochfrequenz (Radiofrequenz)-spannung an die Ätzelektrode anzulegen. Falls das zu behandelnde Substrat jedoch aus elektrisch leitendem Material wie beispielsweise Metall ist, kann anstelle der Hochfrequenzspannungsquelle eine Gleichspannungsquelle verwendet werden.
Mit dem Aufbau des Plasmaerzeugungsmittels, das zusammengesetzt ist aus der Mikrowellenerzeugungsquelle, dem Hohlraum, dem Abgleichmittel, welches einen wirksamen Eintritt der Mikrowelle in den Hohlraum gestattet, und dem Mikrowelleninjektionsfenster, durch welches die Mikrowellenenergie wie vorstehend beschrieben in die Vakuumkammer eingespeist wird, kann die von der Mikrowellenerzeugungsquelle erzeugte und durch einen geeigneten Wellenleiter zu dem Hohlraum geführte Mikrowelle wirksam in den Hohlraum eingespeist werden, indem der Hohlraum mit Hilfe des Abgleichmittels als Hohlraumresonator für die betreffende Mikrowelle betrieben wird. Daraufhin wird die Mikrowelle durch das mikrowellendurchlässige Mikrowelleninjektionsfenster in die Vakuumkammer eingespeist, um ein atmosphärisches Gas (z.B. Ar-Gas) in der Vakuumkammer zu ionisieren und dadurch ein Plasma zu erzeugen. In diesem Zusammenhang sollte festgehalten werden, daß die Mikrowelle während ihrer Ausbreitung durch das Plasma ihre Energie an das Plasma überträgt, wodurch das Plasma mit erhöhter Dichte erhalten wird. Beispielsweise kann mit einer Mikroweile der Frequenz 2,45 GHz eine Plasmadichte in der Größenordnung von 7,4 × 10¹&sup0;/cm³ erreicht werden. Des weiteren kann durch derartiges Dimensionieren des Hohlraums, daß die axialsymmetrische Mode der Mikrowelle in dem Hohlraum vorherrscht, oder durch Einführen der Koaxialrohrstruktur ein Plasma erzeugt werden, das eine hohe Gleichförmigkeit der Dichte aufweist. Ein zu behandelndes Substrat wird auf der Ätzelektrode angeordnet, über welcher sich das von dem Plasmaerzeugungsmittel in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugte Plasma hoher Dichte befindet, wobei an die Ätzelektrode eine Hochfrequenzspannung (üblicherweise bei einer Frequenz von 100 kHz bis 100 MHz) von der mit der Ätzelektrode verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle angelegt wird. Eine somit an der Oberfläche des auf der Ätzelektrode angeordneten Substrats auftretende Hochspannung bringt Ionen in dem Plasma dazu, auf das Substrat aufzuprallen, wodurch das Ätzen aufgrund des Sputterns ausgeführt wird. Die Dichte des erzeugten Plasmas und die Energie, mit welcher die Ionen in dem Plasma das Substrat beschießen, können unabhängig voneinander gesteuert werden, da die Spannungsquellen getrennt voneinander vorgesehen werden, um wie vorstehend beschrieben zum einen das Plasma zu erzeugen und zum anderen die Spannung zum Aufprallen der Ionen auf das Substrat zu erzeugen. Da das Plasma auf diese Art mittels Mikrowellenenergie mit einer hohen Dichte erzeugt werden kann, kann das Sprühätzen mit einer erhöhten Rate durchgeführt werden, ohne das Substrat zu verletzen. Obwohl die Hochfrequenzspannungsquelle unbedingt erforderlich ist, falls das mittels Sprühätzen zu ätzende Material aus elektrisch isolierendem Material besteht, kann wie vorstehend schon erwähnt eine Glelchspannungsquelle verwendet werden, wenn das Substrat aus einem elektrisch leitenden Material wie eine in Metall besteht.
Im Hinblick auf die erste vorstehend erwähnte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, daß in einem Gerät zum Sprühätzen, das die mit einem Gasversorgungssystem und einer Evakuiereinrichtung ausgestattete Vakuumkammer, die in der Vakuumkammer angeordnete Sprühätzelektrode zum Tragen eines zu behandelnden Substrats, das Plasmaerzeugungsmittel, den Hohlraum des plasmaerzeugenden Hohlraums, der auf der Vakuumkammer gegenüber des Substrats angeordnet ist, wobei das Mikrowelleninjektionsfenster zwischen den plasmaerzeugenden Hohlraum und die Vakuumkammer eingefügt ist, das Mittel zum Anlegen einer Spannung, das in Verbindung mit der Sprühätzelektrode vorgesehen ist und die Ionen dazu bringt, auf das Substrat aufzuprallen, die Spannungsquelle, die in Verbindung mit dem plasmaerzeugenden Mittel vorgesehen ist, und die zweite Spannungsquelle, die unabhängig von der ersten Spannungsquelle vorgesehen ist, um die Spannung bereitzustellen, die die Ionen dazu bringt auf das Substrat aufzuprallen, umfaßt, ein magnetfelderzeugendes Mittel zum derartigen Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen ist, daß das in einem zwischen dem Substrat und dem Mikrowelleninjektionsfenster festgelegten Raum erzeugte Plasma peripher von magnetischen Kraftlinien umgeben ist. Das magnetfelderzeugende Mittel kann in unterschiedlichen, nachfolgend erwähnten erfindungsgemäßen Ausgestaltungen angewendet werden.
(1) Eine ringförmige Anordnung von nebeneinanderliegenden Magneten, die in radialer Richtung magnetisiert sind und deren Polaritäten von einem Magneten zum anderen in Umfangsrichtung alternieren.
(2) Eine Anordnung von ringförmigen Paarmagneten, von denen einer seitlich von dem Mikrowelleninjektionsfenster und der andere seitlich von der Ätzelektrode angeordnet ist.
(3) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Paarmagneten, wobei die Magneten jedoch jeweils aus Spulen bestehen.
(4) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Paarspulen, die so angeordnet sind, daß sie elektrische Ströme jeweils in entgegengesetzter Richtung zueinander leiten.
(5) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Paarspulen, die so angeordnet sind, daß sie elektrische Ströme jeweils in gleicher Richtung leiten.
(6) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Paarmagneten, wobei die Magneten jeweils aus Permanentmagneten bestehen.
(7) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Permanentpaarmagneten, wobei die Permanentmagneten jeweils in entgegengesetzter Umfangsrichtung magnetisiert sind.
(8) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Permanentpaarmagneten, wobei die Permanentmagneten in der Tiefe in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind.
(9) Eine Anordnung der vorstehend erwähnten ringförmigen Permanentpaarmagneten, wobei die Permanentmagneten in entgegengesetzter Richtung zueinander radial magnetisiert sind.
Wenn das magnetfelderzeugende Mittel aus einer oder mehreren Spulen besteht, können diese unter Verwendung eines Supraleiters hergestellt sein, so daß ein Strom permanent durch sie hindurchfließen kann, um ein hochstabiles Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld zum stabilen Einschluß des Plasmas sollte vorzugsweise ein sichelförmiges Profil (Cusp-Profil) haben.
Die an die Ätzelektrode angelegte Spannung ist üblicherweise eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz aus dem Bereich 100 kHz bis 100 MHz. Ist das zu behandelnde Substrat jedoch aus einem elektrisch leitenden Material, so kann die an die Ätzelektrode angelegte Spannung eine Gleichspannung sein. Selbstverständlich ist die Verwendung einer Hochfrequenzspannung unerläßlich, wenn das Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material ist.
Aufgrund der Anordnung des magnetfelderzeugenden Mittels in solch einer Weise, daß das Plasma entlang dessen Umfang umschlossen ist, wird das Plasma von dem durch das magnetfelderzeugende Mittel erzeugten Magnetfeld in einem Raum oberhalb des Substrats eingeschlossen, wodurch das Plasma tatsächlich daran gehindert wird, radial nach außen zu diffundieren. Das Plasma wird somit bei einer hohen Dichte und im wesentlichen unabhängig von dem Druck in der Vakuumkammer stabil gehalten.
Auf diese Weise ist die Ätzelektrode mit dem auf ihr angebrachten Substrat unterhalb des Plasmas hoher Dichte angeordnet, das von dem vorstehend erwähnten plasmaerzeugenden Mittel erzeugt ist, wobei die Hochfrequenzspannung (im allgemeinen mit einer Frequenz aus dem Bereich 100 kHz bis 100 MHz) durch Verbinden der Hochfrequenzspannungsquelle mit der Ätzelektrode an diese angelegt wird. Unter dem Einfluß der dadurch an der Oberfläche des auf der Ätzelektrode angebrachten Substrats auftretenden Spannung werden Ionen in dem Plasma dazu bringt, auf das Substrat aufzuprallen, so daß das Substrat durch Sputtern geätzt wird. Da für die Plasmaerzeugung und die Ionenbeschleunigung zum Sprühätzen jeweils getrennte Speisespannungsquellen vorgesehen sind, können die Plasmadichte und die Spannung, mit welcher die Ionen das Substrat beschießen, getrennt und unabhängig voneinander gesteuert werden. Des weiteren kann aufgrund der hohen Dichte des mittels Anregung durch die Mikrowelle erzeugten Plasmas das Sprühätzen mit einer hohen Ätzgeschwindigkeit erfolgen, ohne daß das Substrat beschädigt wird.
Zur weiteren Erklärung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, in welchen
Figur 1 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 2 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzrate und der Hochfrequenzleistung in dem erfindungsgemäßen Sprühätzgerät verglichen mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Gerät zeigt
Figur 4 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 5 eine Draufsicht auf eine ringförmige Magnetanordnung zeigt, die als magnetfelderzeugendes Mittel zum Einschließen eines Plasmas in einem festgelegten Raum in dem in Figur 4 gezeigten Sprühätzgerätes verwendet wird,
Figur 6 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 7 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 8 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 9 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 10 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein Gerät zum Behandeln mit Plasma gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzrate und dem Abstand von der Mitte des Substrats in dem Sprühätzgerät zeigt, das mit einem Magnetsystem zum Plasmaeinschluß ausgerüstet ist, im Vergleich mit dem Gerät ohne ein derartiges System,
Figur 12 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzrate und der Hochfrequenzspannung bzw. -leistung in dem erfindungsgemäßen Sprühätzgerät verglichen mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Gerät zeigt.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter und beispielhafter Ausführungsformen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Sprühätzgerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus der Figur ersichtlich ist, umfaßt das Sprühätzgerät als Primärkomponenten eine Vakuumzelle oder -kammer 1, eine plasmaerzeugende Einheit 2, ein Evakuiersystem 3 und ein Gasversorgungssystem 4. In der Vakuumkammer 1 ist eine Ätzelektrode 6 mittels eines zwischengefügten Flansches 7 fest angebracht, der zum elektrischen Isolieren der Elektrode 6 von der Vakuumkammer 1 in einer vakuumdichten Weise dient. Auf der Elektrode 6 ist ein Substrat 5 angeordnet. Die Ätzelektrode 6 weist einen Stützbolzen 9 auf, dessen unteres Ende aus der Vakuumkammer 1 hinausragt und elektrisch mit einer Spannungsquelle 8 verbunden ist. Die plasmaerzeugende Eihheit 2 wiederum umfaßt eine Mikrowellenerzeugungseinheit 10, einen Wellenleiter 11, einen Hohlraum 12, ein Abgleichelement 13 und ein Einlaßfenster 14, welches aus einer Quarzscheibe sein kann.
Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Sprühätzgerätes wird durch Oszillation der Mikrowellenerzeugungsquelle 10 eine in den Hohlraum 12 mittels des Wellenleiters 11 einzuspeisende Mikrowelle erzeugt. Durch Einstellen mittels des Abgleichelements 13 können die Bedingungen geschaffen werden, daß der Hohlraum 12 als Hohlraumresonator für die eingespeiste Mikrowelle wirken kann. Somit wird das elektrische Feld der Mikrowelle in dein Hohlraum 12 verstärkt. Die Mikrowelle wird dann durch das Injektionsfenster 14 in die Vakuumkammer 1 geleitet, wodurch das von dem Gasversorgungssystem 4 gelieferte atmosphärische Gas in der Vakuumkammer 1 ionisiert und Plasma 15 erzeugt wird. Das Plasma 15 hat eine Dichte, die über die Leistung der Mikrowelle bis zu einem Grenzwert gesteuert werden kann, bei welchem die Mikrowelle während ihrer Ausbreitung durch das Plasma 15 an dieses keine Energie mehr abgeben kann (z.B. bis zu einer Dichte von 7,4 × 10¹&sup0;/cm³ bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz). Derart erzeugte Ionen in dem Plasma 15 werden unter dem Einfluß einer von der Spannungsquelle 8 an das Substrat 5 über die damit verbundene Ätzelektrode 6 angelegten Hochfrequenzspannung beschleunigt, wodurch die beschleunigten Ionen dazu gebracht werden, auf das Substrat 5 aufzuprallen. Auf diese Weise wird das Sprühätzen durchgeführt. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, daß eine gleichförmige Dichteverteilung des über dem Substrat 5 befindlichen Plasmas 15 erreicht werden kann, indem der Hohlraum 12 so dimensioniert wird, daß sich die axialsymmetrische Mode der Mikrowelle darin etablieren kann.
Figur 2 zeigt ein Sprühätzgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses Sprühätzgerät umfaßt ebenfalls eine Vakuumkammer 1, eine Plasmaerzeugungseinheit 2, ein Evakuiersystem 3 und ein Gasversorgungssystem 4 in einer Anordnung, die derjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich ist, mit dem Unterschied, daß ein Stab 16 koaxial in dein Hohlraum 12 angeordnet ist, der einen Teil der Plasmaerzeugungseinheit darstellt, wodurch der Hohlraum als Koaxialhohlraum ausgeführt ist. Mit dem Aufbau des Sprühätzgeräts gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform weist die in den Hohlraum 12 eingespeiste Mikrowelle in dem Hohlraum 12 eine Koaxialmode auf, wodurch leicht eine stabilere axialsymmetrische Mode der Mikrowelle in dem Hohlraum 12 eingestellt werden kann, was wiederum bedeutet, daß eine stabilere gleichförmige Dichteverteilung des Plasmas 15 erreicht werden kann.
Das unter Verwendung der Mikrowelle als Anregungs- oder Ionisierungsquelle von der Plasmaerzeugungseinheit erzeugte Plasma hoher Dichte kann gemäß der ersten und der zweiten vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung mittels des vorgesehenen Hohlraumabgleichelements 13 zum Abgleichen der Hohlraumabmessungen sowie des Koaxialstabs 16 in ein stabiles axialsymmetrisches Plasma umgewandelt werden, wobei die Dichte des Plasmas durch entsprechendes Steuern der Leistung oder der Energie der Mikrowelle gesteuert werden kann. Auf der anderen Seite kann das Sprühätzen des Substrats unter Verwendung des Plasmas durch Steuern der mit der Ätzelektrode 6 verbundenen Spannungsversorgung erfolgen. Insbesondere können die Ätzrate und die Energie, mit welcher die Ionen das Substrat beschießen, getrennt gesteuert werden. Aufgrund der Verfügbarkeit eines durch Mikrowellenionisierung erhaltenen Plasmas hoher Dichte kann des weiteren ein Beschleunigen der Ätzbehandlung erreicht werden, wobei die Möglichkeit einer Beschädigung des Substrats erheblich verringert ist.
Die Ergebnisse eines Sprühätzens, das unter Verwendung des Sprühätzgerätes der vorstehend beschriebenen Anordnungen an einem thermisch gewachsenen, auf einem Substrat aus Si gebildeten Oxidfilm (SiO&sub2;) vorgenommen wurde, sind in Figur 3 im Vergleich zu den Ergebnissen des Ätzens des Oxidfilms mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Gerät graphisch dargestellt. insbesondere zeigt Figur 3 Beziehungen zwischen der an das Substrat 5 angelegten Hochfrequenzspannung und der Ätzrate (nm/min), wobei die Mikrowellenleistungen als Parameter verwendet werden. Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, kann verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Gerät eine beträchtlich erhöhte Ätzrate erreicht werden. Die Probe sowie die bei den vorstehend erwähnten Messungen verwendeten Ätzbedingungen sind wie folgt:
(1) Probe: Si-Substrat mit auf einer Oberfläche gebildetem thermisch gewachsenem Oxidfilm
(2) Atmosphärisches Gas: Ar-Gas bei 1,32 bis 0,132 Pa (10&supmin;² bis 10&supmin;³ Torr)
(3) Mikrowellenleistung: 200 W bzw. 400 W abwechselnd in den beiden Messungen
(4) Hochfrequenzleistung: maximal 1,2 kW
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 10 Sprühätzgeräte gemäß anderen Ausführungformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Figur 4 zeigt ein Sprühätzgerät gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Gerät umfaßt eine Vakuumkammer 1, eine Plasmaerzeugungseinheit 2, ein Evakuiersystem 3 und ein Gasversorgungssystem 4. In der Vakuumkammer 1 ist eine Sprühätzelektrode (nachfolgend einfach als Ätzelektrode 6 bezeichnet) fest angebracht, auf welcher ein durch Sputtern zu ätzendes Substrat angeordnet ist, wobei die Elektrode durch einen zwischengefügten Flansch 7 montiert ist, der zur elektrischen Isolierung der Vakuumkammer 1 von der Ätzelektrode 6 in einer vakuumdichten Weise dient. Die Ätzelektrode 6 ragt mit einem Ansatz 9 nach außen und ist elektrisch mit der Spannungsquelle 8 verbunden. Die insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Plasmaerzeugungseinheit besteht aus einer Mikrowellenerzeugungsquelle 10, einem Wellenleiter 11, einem Hohlraum 12, einem Abgleichelement 13, einem elektrisch leitenden Stab 16 und einem Mikrowelleninjektions- oder -einstrahlungsfenster 14, durch welches die Mikrowelle in die Vakuumkammer 1 eingespeist wird. Zusätzlich sind Magneten 18 um einen Raum herum angeordnet, der zwischen dem Injektionsfenster und der Ätzelektrode 6 festgelegt ist. Mit dem Aufbau des vorstehend beschriebenen Sprühätzgeräts wird von der Mikrowellenerzeugungsquelle 10 eine über den Wellenleiter 11 in den Hohlraum 12 einzuspeisende Mikrowelle erzeugt. Durch Abgleichen des Abgleichgliedes 13 können in dem Hohlraum 12 die Bedingungen für den Hohlraumresonator für die Mikrowelle gebildet werden, was dazu führt, daß das elektrische Feld der Mikrowelle in dem Hohlraum 12 verstärkt wird. Das in die Vakuumkammer 1 eingespeiste atmosphärische Gas aus dem Gasversorgungssystem 4 wird unter der Einwirkung der durch das Einlaßfenster 14 in die Vakuumkammer 1 eingeleiteten Mikrowelle ionisiert, wodurch ein Plasma 20 erzeugt wird. Figur 5 zeigt eine Darstellung eines Schnitts, der in der Tiefe der um den Rand des Plasmas 20 angeordneten Magneten vorgenommen ist. Nebenbei sollte erwähnt werden, daß obwohl die Magneten 18 in der augenblicklichen Ausführungsform als aus Permanentmagneten bestehend dargestellt sind, diese Magneten 18 natürlich auch als Elektromagneten ausgeführt sein können. Bezugnehmend auf Figur 5 ist eine gerade Anzahl von Magneten 18 ringförmig mit Abschnitten in Umfangsrichtung angeordnet. Die Polaritäten dieser Magneten an ihren inneren und äußeren Polen alternieren von einem zuin anderen, so daß magnetische Kraftlinien entlang nach innen gewölbter Wege verlaufen (das Magnetfeld mit einem derartigen Muster wird als "Multi-Cusp"-Magnetfeld bezeichnet, wie es üblicherweise zum Einschluß eines Plasmas verwendet wird). Aufgrund dieser Anordnung der Magneten wird das Plasma 20 in einem eindeutigen, über dem Substrat liegenden Raum eingeschlossen, wodurch das Plasma 20 sogar im Niedrigvakuumbereich leicht nicht nur mit großer Stabilität, sondern auch mit hoher Dichte erzeugt werden kann. Des weiteren kann die Dichte des Plasmas 20 bis zu einem Grenzwert gesteuert werden, bei welchem die Mikrowelle im Laufe ihrer Ausbreitung durch das Plasma 20 keine Energie mehr an dieses übertragen kann, indem die eingespeiste Mikrowellenenergie entsprechend gesteuert wird. (Beispielsweise kann die Plasmadichte bis zu 7,4 x 10¹&sup0;/cm³ bei der Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz erhöht werden.) Die Ionen des derart erzeugten Plasmas werden durch die von der Spannungsquelle 8 über die Elektrode 6 an das Substrat 5 angelegte Spannung beschleunigt (in diesem zur Veranschaulichung dienenden Fall wird eine Hochfrequenzspannung angelegt), wodurch die Ionen zum Aufprallen auf das Substrat 5 gebracht werden. Somit findet das Sprühätzen des Substrats 5 statt. Es sollte erwähnt werde, daß durch Dimensionieren des Hohlraumes 12 in einer solchen Weise, daß sich die axialsymmetrische Mode der Mikrowelle in dem Hohlraum 12 etabliert, eine gleichförmige Verteilung der Dichte des Plasmas 20 über dem Substrat 5 erhalten werden kann. Der Hohlraum 12 ist ein Hohlraum des Koaxialtyps, in welchem der elektrisch leitende Stab 16 in der Mitte des Hohlraumes angebracht ist. Es sollte jedoch festgehalten werden, daß init Hohlräumen anderen Typs, in welchen keine leitenden Koaxialstäbe verwendet werden, ähnliche Effekte erzielt werden können.
In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, daß das Einlaß- oder Injektionsfenster 14 aus einer Quarzscheibe besteht. Dieses Fenster kann jedoch auch aus jedem isolierenden Material, wie beispielsweise Keramik, insbesondere Aluminium, oder dergleichen gebildet sein, das undurchlässig für Gase ist und zu geringer Absorption von Mikrowellen neigt, da das Mikrowelleninjektionsfenster 14 auch als Trennwand zwischen dem Hohlraum 12 und der Vakuumkammer 1 dienen muß.
Figur 6 zeigt ein Sprühätzgerät gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Gerät umfaßt eine Vakuumkammer 1, eine Plasmaerzeugungseinheit 2, ein Evakuiersystem 3 und ein Gasversorgungssystem 4 in einer im wesentlichen der vorstehend mit Bezug auf Figur 4 beschriebenen dritten Ausführungsform entsprechenden Anordnung, abgesehen von dem Unterschied, daß anstelle der ringförmigen Magnetanordnung 18 der dritten Ausführungsform ringförmige Spulen 22a und 22b verwendet werden. Insbesondere sind die ringförmigen Spulen 22a und 22b koaxial an zwei Absätzen in vertikaler Richtung angeordnet und werden in entgegengesetzter Richtung zueinander mit elektrischen Strömen versorgt, so daß die von diesen Spulen erzeugten magnetischen Kraftlinien sich über dem Substrat 5 um einen eindeutigen Raum herum schließen, wodurch das Plasma in dem Raum eingeschlossen werden kann, ohne in radialer Richtung nach außen zu diffundieren. Mit anderen Worten kann ein stabiler Einschluß des Plasmas erreicht werden, wodurch das Plasma hoher Dichte mit hoher Wirksamkeit erzeugt werden kann.
Figuren 7 und 8 zeigen eine fünfte bzw. sechste Ausführungsform der Erfindung, die jeweils einen Aufbau ähnlich dem Aufbau der in Figur 6 dargestellten vierten Ausführungsform haben, außer daß die beiden Spulenabsätze 22a und 22b durch ein Paar ringförmiger Permanentmagneten ersetzt sind. Insbesondere sind im Falle des in Figur 7 dargestellten Sprühätzgerätes die vertikal angeordneten ringförmigen Permanentpaarmagneten 23 entgegengesetzt zueinander in Umfangsrichtung des Ringes magnetisiert sind, wie durch die Pfeile 21a angedeutet ist. Mit einer derartigen Anordnung der ringförmigen Permanentpaarmagneten 23 schließen sich die von den Ringen erzeugten magnetischen Kraftlinien um den Raum über dem Substrat 5 herum, um so das Plasma 20 in dem Raum einzuschließen. Im Gegensatz dazu sind im Falle der in Figur 8 gezeigten Anordnung die ringförmigen Paarmagneten 23 in ihrer Tiefe entgegengesetzt zueinander magnetisiert, wie durch die Pfeile 21b angedeutet ist. Mit dieser Anordnung können im wesentlichen die gleichen Effekte wie mit dem in Figur 7 gezeigten Gerät erzielt werden. Mit anderen Worten ist das Plasma 20 in dem Raum über dem Substrat 5 wirksam eingeschlossen.
Figur 9 zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung, die in der gleichen Anordnung wie die in Figur 6 gezeigte vierte Ausführungsform umgesetzt ist. Insbesondere wird im Falle der siebten Ausführungsform wie im Falle der in Figur 6 gezeigten vierten Ausführungsform ein Paar ringförmiger Spulen 22a und 22b als magnetfelderzeugende Mittel verwendet. Der Unterschied zur vierten Ausführungsform besteht jedoch darin, daß beide Spulen 22a und 22b so angeschlossen sind, daß die jeweiligen elektrischen Ströme in der gleichen Richtung fließen, so daß die von den beiden Spulen 22a und 22b erzeugten magnetischen Kraftlinien sich nach innen wölben, wie durch die Pfeile 21c angedeutet ist, um so eine Diffusion des Plasmas radial nach außen zu verhindern.
Figur 10 zeigt eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ähnlich ist mit der in Figur 9 gezeigten siebten Ausführungsform, außer daß die Paarspulen 22a, 22b durch ringförmige Paarmagneten ersetzt sind, die insgesamt mit 24 bezeichnet sind. Die ringförmigen Paarmagneten 24 sind in radialer Richtung mit entgegengesetzten Polaritäten zueinander magnetisiert. Das durch die Pfeile 2 1d angedeutete Magnetfeldmuster ist im wesentlichen ähnlich init dem Muster des von dem in Figur 9 gezeigten Gerät erzeugten Magnetfeldes. Somit kann die achte Ausführungsform den Effekt des Einschlusses des Plasmas 20 in dem Raum über dem Substrat 5 erzielen.
Das Ergebnis des Sprühätzens, das unter Verwendung des Sprühätzgerätes mit der in Figur 4 gezeigten Anordnung an dem Substrat 5 vorgenommen wurde, welches aus einem Siliziumwafer mit einem auf einer dessen Oberflächen gebildeten thermisch gewachsenen Oxidfilm (SiO&sub2;) besteht, ist in Figur 11 im Vergleich mit dem Ergebnis des Sprühätzens, das mit einem Gerät ohne magnetfelderzeugendes Mittel durchgeführt wurde, dargestellt. In Figur 11 ist die Ätzrate entlang der Ordinate aufgetragen, während der Abstand von der Mitte des Wafers entlang der Abszisse aufgetragen ist.

Ätzbedingungen

Substrat: Siliziumwafer mit einem thermisch gewachsenen Oxidfilm (SiO&sub2;)
Ätzgas: Argon (Ar)
Druck: 0,660 Pa (5 x 10&supmin;³ Torr)
Mikrowellenleistung: 400 W
Hochfrequenzleistung: 600 W (angelegt an die Sprühätzelektrode)
Wie aus der Figur 11 ersichtlich ist, erstreckt sich eine Kurve 81, die die Ätzrate darstellt, die mit dem mit einer Anordnung von Plasmaeinschlußmagneten bestückten Gerät erzielt wurde, in relativ flacher Form über den Abstand von der Mitte des Wafers bis zu dessen Rand und verdeutlicht, daß die Gleichförmigkeit in der Ätzrate verbessert wurde. Auf der anderen Seite zeigt eine Kurve 82, die einen Vergleichsfall darstellt, in welchem keine Magnetenanordnung verwendet wird, daß die Ätzrate zum Rand des Wafers hin abfällt, was einen wesentlichen Unterschied zu der Ätzrate in dem zentralen Abschnitt des Wafers darstellt.
Figur 12 zeigt die Beziehung zwischen der Ätzrate und der an die Sprühätzelektrode 6 angelegten Hochfrequenzleistung bei den gleichen Ätzbedingungen wie bei dem vorhergehenden Beispiel. Eine Kurve 91 stellt die Relation dar, die mit einem Sprühätzgerät erhalten wurde, das mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung ausgerüstet ist, eine Kurve 92 stellt die Ätzrate dar, die mit einem Gerät aus dem Stand der Technik, das keine Magnetanordnung zum Plasmaeinschluß hat, erhalten wurde, und eine Kurve 93 stellt die Ätzrate dar, die mit dem Gerät des Parallelplatten-Typs aus dem Stand der Technik ohne Mikrowellenplasmaerzeugungsmittel erhalten wurde. Wie aus der Figur 12 ersichtlich ist, zeigt die Kurve 91, daß die Ätzrate oder -geschwindigkeit mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die mit der Magnetanordnung zum Plasmaeinschluß ausgerüstet sind, gegenüber den Vergleichsbeispielen wesentlich erhöht werden kann.
Die Ätzbedingungen für die vorstehend erwähnten Messungen sind wie folgt:
Substrat: Siliziumwafer mit einem auf einer Oberfläche gebildeten thermisch gewachsenen Oxidfilm (SiO&sub2;)
Ätzgas: Argon (Ar)
Druck: 0,66 Pa (5 x 10&supmin;³ Torr)
Mikrowellenleistung: 400 W (im Falle der Kurven 91 und 92)
Wie aus den vorstehend erwähnten charakteristischen Kurven hervorgeht, wird eine Diffusion des Plasmas durch Einsatz des/der Magneten oder der Spule(n) in der vorstehend beschriebenen Weise tatsächlich verhindert, wodurch die Plasmadichte insbesondere in dem Randbereich erhöht wird, was dazu führt, daß die durchschnittliche Ätzrate erhöht wird. Unter anderem kann die Sprühätzrate in dem Randbereich eines Substrats, die im Stand der Technik ein Problem darstellte, unter gleichzeitiger Verbesserung der Gleichförmigkeit in der Sprühätzrate erhöht werden. Es wurde anhand der derzeit verfügbaren Daten herausgefunden, daß Abweichungen in der Sprühätzrate zwischen dem zentralen Abschnitt und dem Randabschnitt im Falle der Behandlung mit einem Sprühätzgerät, das mit dem erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsmittel ausgerüstet ist im Bereich ±5% liegt während im Vergleichsfall, wo kein Magnetfelderzeugungsmiuel vorhanden ist, die Abweichung bis zu ±20% beträgt.
Wie nun aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar ist, ist es gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung möglich, daß das Plasma mittels einer auf Mikrowellenbasis arbeitenden Plasmaerzeugungseinheit mit einer hohen Dichte erzeugt werden kann. Des weiteren kann durch Verwenden des Hohlraums als Mikrowellenhohlraumresonator für axialsymmetrische Moden, indem die Dimensionierungen des Hohlraums mittels des Abgleichelements 13 und des elektrisch leitenden Koaxialstabs 16 abgeglichen werden, ein stabiles Plasma hoher Dichte in einer axialsymmetrischen Form erzeugt werden, wodurch das Beschleunigen des Ätzvorgangs und die Verringerung von Beschädigungen des Substrats erreicht werden können.
Außerdem können die Ätzrate und die Ionenaufprallenergie unabhängig voneinander gesteuert werden, da die Erzeugung von Plasma durch entsprechendes Steuern der Mikrowellenleistung erfolgt, während die Energie, mit welcher die Ionen in dem Plasma auf das Substrat aufprallen, unabhängig von der Mikrowellenleistung gesteuert werden kann, indem getrennt eine zweite Speisespannungsquelle 8 zum Anlegen der Hochfrequenzspannung an die Ätzelektrode 6 vorgesehen wird. Dies bedeutet, daß die optimalen Ätzbedingungen für jedes zu behandelnde Substrat ausgewählt werden können, was wiederum zu einer verbesserten Ausbeute sprühgeätzter Substrate führt.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Anordnung, in der das Plasma unter Verwendung der Mikrowelle mit hoher Dichte erzeugt wird, wobei die Hohlraumdimensionierungen durch das Hohlraumabgleichelement 13 und den Koaxialstab 16 so abgeglichen werden, daß der Mikrowellenhohlraumresonator für axialsymmetrische Moden realisiert wird und daß eine Diffusion des Plasmas in dessem Randbereich durch das magnetische Feld verhindert wird, kann zusäulich ein stabiles Plasma erzeugt werden, das die Axialsymmetrie und die hohe Dichte selbst bei niedrigem Vakuumpegel aufweist, wodurch das Ätzen mit erhöhter Geschwindigkeit ausgeführt werden kann, während die Möglichkeit des Beschädigens des Substrats verringert wird, da die radial auswärts gerichtete Diffusion des Plasmas in dessen Randbereich durch das Magnetfeld tatsächlich verhindert werden kann.

Claims

1. Gerät zum Behandeln mit Plasma, mit

- einer Mikrowellenerzeugungsquelle (10) zum Erzeugen einer Mikrowelle,

- einem Wellenleiter (11) zum Einspeisen dieser Mikrowelle,

- einem Hohlraumresonator (2) mit einem Hohlraum (12), der mit Abgleichmitteln (13) versehen ist, die seine Einstellung in solcher Weise gestatten, daß die entlang des Wellenleiters (11) eingespeiste Mikrowelle zu Resonanz gebracht wird, so daß ein elektrisches Feld dieser Mikrowelle verstärkt wird,

- einer Gasversorgungsquelle (4),

- einer Evakuiereinrichtung (3),

- einer mit der Gasversorgungsquelle (4) und der Evakuiereinrichtung (3) verbundenen Vakuumkammer (1), die eine Plasmabehandlungselektrode (6) enthält, die ein Substrat (5) trägt,

- einem Mikrowelleninjektionsfenster (14), zum Einspeisen von in dem Hohlraumresonator (2) zu Resonanz gebrachter Mikrowellenenergie zum Erzeugen von Plasma (15; 20) durch diese Mikrowellenenergie, wobei das Plasma (15; 20) entgegen dem Substrat (5) in der Vakuumkammer (1) angeordnet und das Mikrowelleninjektionsfenster (14) zwischen den Hohlraumresonator (2) und die Vakuumkammer (1) eingefügt ist, so daß das Mikrowelleninjektionsfenster (14) dem Substrat (5) gegenübersteht, und

- eine Speisespannungsquelle (8), die elektrisch mit der Plasmabehandlungselektrode (6) verbunden ist und Ionen in dem Plasma (15; 20) zum Aufprallen auf das Substrat (5) bringt.

2. Gerät nach Anspruch 1, mit außerdem

- einem Magnetfeldgenerator (18; 22a, 22b; 23, 24), der am Umfang der Vakuumkammer (1) nahe dem Mikrowelleninjektionsfenster (14) angeordnet ist und magnetische Kraftlinien erzeugt, um das Plasma (20) in einem durch die Plasmabehandlungselektrode (6) und das Mikrowelleninjektionsfenster (14) definierten Raum festzuhalten und dadurch die Dichte dieses Plasmas in der Nachbarschaft des Substrats (5) hoch und gleichfbrmig verteilt zu halten.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der Plasmabehandlungselektrode (6) hochfrequente elektrische Leistung anliegt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hohlraum (12) durch das Mikrowelleninjektionsfenster (14) begrenzt ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hohlraum (12) in eine Koaxialstruktur einbezogen ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hohlraum (12) so bemessen ist, daß die Mikrowelle einen axialsymmetrischen Mode aufweist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mikrowelleninjektionsfenster (14) aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, das aus einer aus Quarz und Keramik bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Magnetfeldgenerator durch eine ringartige Anordnung von Magneten (18) gebildet ist, die in der Radialrichtung magnetisiert sind und deren Polaritäten entlang der Umfangsrichtung vom einen zum anderen alternierend invertiert sind.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Magnetfeldgenerator durch ein Paar ringartiger Magnete (22a, 22b; 23, 24) gebildet ist, von denen einer auf der Seite des Mikrowelleninjektionsfensters (14) und der andere auf der Seite der Plasmabehandlungselektrode (6) angeordnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, wobei das Paar ringartiger Magnete jeweils durch Spulen gebildet ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, wobei das Paar ringartiger Spulen so angeordnet ist, daß sie elektrische Ströme in zueinander entgegengesetzter Richtung leiten.

12. Gerät nach Anspruch 10, wobei das Paar ringartiger Spulen so angeordnet ist, daß sie den elektrischen Strom jeweils in gleicher Richtung leiten.

13. Gerät nach Anspruch 9, wobei das Paar ringartiger Magnete jeweils aus Permanentmagneten besteht.

14. Gerät nach Anspruch 13, wobei das Paar ringartiger Permanentmagnete (22a, 22b) in Umfangsrichtung und in zueinander entgegengesetztem Sinne magnetisiert ist.

15. Gerät nach Anspruch 13, wobei das Paar ringartiger Permanentmagnete (22) in Richtung ihrer Dicke und in zueinander entgegengesetztem Sinne magnetisiert ist.

16. Gerät nach Anspruch 13, wobei das Paar ringartiger Permanentmagnete in radialer Richtung und in zueinander entgegengesetztem Sinne magnetisiert ist.