DE3886725T2 - Verfahren und anordnung zur trocknen behandlung und ätzen eines substrats. - Google Patents
Verfahren und anordnung zur trocknen behandlung und ätzen eines substrats.Info
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plasmaverarbeiten, oder insbesondere auf das trockene Verarbeiten von Polymeren und anderer Materialien und des Trockenentwickelns eines Fotoresists zur Benutzung z.B. in der Microelektronikindustrie.
- Viele verschiedene Plasmasysteme sind bekannt: Reaktives Ionenätzen; Hochdruckplasmaätzen; Magnetronionenätzen; Microwellenätzen und Elektron-Zyklotron-Resonanz.
- Das Strukturieren von Substraten involviert notwendigerweise selektives Ätzen einiger Materialien. Dies wird typischerweise unter Benutzung einer Maskenschicht (wie ein Fotoresist) getan, die zuvor strukturiert wurde (z.B. herkömmliche Fotolithographie und nasses Entwickeln) und die zum Maskieren des Substrates während des folgenden Ätzens benutzt wird. Da weiter mehr und mehr Polymere beim Herstellen benutzt werden, wird die Notwendigkeit für schnelles und sauberes Verarbeiten dieser Materialien wichtig. In vielen Fällen, und dies ist insbesondere in der Microelektronikindustrie wahr, wird die Abmessungssteuerung härter und härter wegen der abnehmenden minimalen Leitungsbreiten. Ebenfalls müssen die Fehlstellendichten verringert werden, damit die Ausbeute der Prozesse erhöht werden. Damit dieses erreicht wird, wird oft entschieden, die nassen chemischen Verarbeitungsstufen durch trockene Verarbeitungen zu ersetzen. Im allgemeinen wird das Ätzen eines Materiales durch Benutzen eines Plasmas in einer speziell ausgelegten Kammer bei erniedrigtem Druck durchgeführt. Ein Ätzgas (oder eine gasenthaltende Flüssigkeit) wird in das Reaktionsgefäß eingeführt. Das Gas ist als solches im allgemeinen nicht reaktiv und hat keine Auswirkung auf das zu ätzende Substrat. Damit das Gas reaktiv gemacht wird, wird es durch Leistungselektroden, die in dem Reaktionsgefäß angeordnet sind, ionisiert. Die Ionisation wird häufig unter Benutzung von Microwellen (GHz) oder Radiofrequenzen (RF) (MHz) durchgeführt.
- Aus der US-A-4 253 907 ist es bekannt, ein Ätzen bei Audiofrequenzen zu benutzen; dieses bekannte Ätzverfahren hat keine praktische Bedeutung, da eine Leistungsdichte von weniger als 0,01 Watt/cm³ benutzt wird.
- Der Artikel "Anisotopesteuerung beim Trockenätzen" (solid state technology/oct. 1981) von R.H. Bruce offenbart Plasmaeigenschaften bei niedrigen (z.B. 100 kHz) und hohen Frequenzen.
- Die vorliegende Erfindung weist als Aufgabe das Vorsehen eines Verfahrens zum Trockenverarbeiten oder Ätzen auf, das schnell ist und einen hohen Grad von Anisotropie aufweist; eine Vorrichtung, die für dieses Verfahren ausgelegt ist, kann einfach gehalten bleiben.
- Daher sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vor.
- Weiter weist eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens eine Eigen-DC-Vorspannung auf der Elektrode auf.
- Das passende Netzwerk des Leistungssystemes der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß eine Eigen-DC- Vorspannung auf der Kathode erzielt wird. Die passende Einheit zusammen mit dem Plasma sieht eine equivalente Belastung vor, die an die Generatorausgangsimpedanze angepaßt ist, wodurch eine optimale Leistungsübertragung auf das Plasma resultiert. Die Eigen-DC- Vorspannung hält das Plasma an denjenigen niedrigen Frequenzen so, daß ein stabiler Arbeitsbereich erzielt werden kann. Bei einer speziellen Ausführungsform kann die Volumenleistungsdichte viel höher sein (typischerweise im Bereich von 0,03 bis 1 Watt/cm³), wodurch ein hochionisiertes Plasma resultiert. Die Kombination der Audiöfrequenzen und der Eigen-DC-Vorspannung des Plasmas resultiert in einem Hochdichtenplasma, das gut für fortgeschrittene Verarbeitungen verschiedener Arten von Materialien wie Polymere, Oxide, Nitride, polykristalline Materialien usw. geeignet ist. Tatsächlich, da die Ionen dem elektrischen Audiofrequenz-Wechselfeld folgen können (bei Radiofrequenzplasmen (13,56 MHZ) können die Ionen dem Wechselfeld aufgrund ihrer niedrigen Beweglichkeit nicht folgen), werden sie gezwungen, auf das Substrat senkrecht mit einer Energie aufzutreffen, die ungefährt proportional der Eigen-DC-Vorspannung ist (wenn keine Stöße in der Dunkelhülle auftreten). Das bedeutet, daß die Ionen auch einen Sputter-Effekt aufweisen, wodurch die Anisotropie erhöht wird, indem die Ätzkomponente des gerichteten Sputterns unterstützt wird. In einem praktischen System reicht die DC-Eigenvorspannung von einigen Volt zu einigen 100 Volt, während die Ionisation - die als die Zahl von ionisierten Teilchen pro cm³ definiert ist - von 5.10¹¹ bis 10¹² bei einem Druck von z.B. 13,2 Pa (100 mTorr) reicht. Der Ionisationsgrad - der als das Verhältnis der Zahl der ionisierten Teilchen zu der Gesamtzahl der Teilchen bei dem speziellen Druck definiert ist - kann somit bis zu 10&supmin;³ hoch sein. Diese Zahlen sind typischerweise eine Zehnerpotenz höher als die für andere existierende Plasmaverfahren.
- Experimente, die an einem Prototyp unter Benutzung der oben erwähnten Kombination von Audiofrequenz und passendem Netzwerk ausgeführt worden sind, zeigten, daß dieses Plasma vorteilhafterweise auf das Ätzen polymerischer Materialien einschließlich Organometallischer mit hoher Ätzrate angewendet werden kann. Ein sauberes, sehr schnelles und anisotropes Ätzen kann durchgeführt werden, daß eine hohe Leistungseffektivität zeigt, wodurch eine gute Definition der gemusterten Strukturen resultiert. Eine spezielle Anwendung dieses Verfahrens ist seine Benutzung zum Trockenentwickeln von Resisten und Mustern von Vielschichtstrukturen in dem Micron- und Submicronbereich.
- Vorläufige Experimente haben gezeigt, daß plasmen, die mit dem obigen Verfahren erzeugt sind, erfolgreich zum Behandeln großer Flächen wie gedruckte Schaltungsplatten, Anzeigen und Platten von Glas (bis zu einigen Quadratmetern) benutzt werden können. Die Impedänz des Audiofrequenzplasmas (hoher Widerstand im Gegensatz zur Kapazität für Hochfrequenzätzen) und die Flexibilität unseres vorgeschlagenen passenden Netzwerkes machen dieses möglich und leicht einzusetzen.
- Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung klargestellt, in der Bezug genommen wird auf die Zeichnung, in der:
- Fig. 1 eine diagrammartige Ansicht einer Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und
- Fig. 2 eine detailliertere Ansicht des Anpassens der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt.
- Wie oben erwähnt wurde kann aufgrund der weiteren Abnahme der minimalen Abmessungen die Naßverarbeitung von Fotoresist durch Trockenverarbeitung zur genauen Leitungsbreitensteuerung und Reproduzierbarkeit ersetzt werden. Dieses ist natürlich auch für andere Materialien wahr. Zum Erzielen einer Ätzrate, die hoch genug ist, und somit eines Durchsatzes, der hoch genug ist, sollte ein hochionisiertes Plasma benutzt werden, so daß soviele reaktive Teilchen wie möglich zu dem Ätzprozeß beitragen. Als ein möglicher Weg zum Erzielen dieses Zieles ist die Benutzung von Audiofrequenzen zum Erzeugen des Plasmas, das das Substrat angreift, wodurch flüchtige Produkte gebildet werden, die von dem Vacuumsystem weggepumpt werden. Der Druck in einem solchen System reicht typischerweise von 0,132 Pa (1 mTorr) bis zu etlichen mTorr (1 mTorr gleich 0,132 Pa). Bei unserer Anwendung scheint der optimale Druckbereich bei 2,64 Pa (20 mTorr) zu beginnen und bis zu 66 Pa (500 mTorr) aufzusteigen. Der Druck wirkt auf die Anisotropie des Verfahrens.
- Aus dem Stand der Technik ist es klar, daß hohe Ätzraten, die Ätzverfahren nach dem aktuellen Stand der Technik benutzen, hohe Leistungsdichten benötigen - selbst wenn ein Magneteinschluß benutzt wird -, die möglicherweise in Beschädigungen der zu ätzenden Strukturen resultieren. Die Benutzung von Audiofrequenzen ermöglicht einem, hohe Ätzraten und gute Anisotropie mit niedrigen Leistungsdichten und mittleren Drücken zu erzielen.
- Eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung (Fig. 1) weist eine obere Elektrode 2 auf, die in dem vorliegenden Beispiel als Verbindung zu dem Gaseinlaß 3 (Duschkopf) zum Zuführen von Gas - in dieser Ausführungsform Sauerstoff (O&sub2;) - in die Vorrichtung oder das Reaktionsgefäß 1 durch ein nichtgezeigtes Massenflußmeter benutzt wird. Ein Substrat 5 wird auf eine Bodenelektrode 4 (die Kathode) gesetzt, die erwärmt oder gekühlt werden kann in Abhängigkeit von dem Verfahren. Ein Audiofrequenzwechselsignal von einer Quelle 7 (Fig. 1) oder einem Generator 9 (Fig. 2) wird an die Kathode durch ein angepaßtes Netzwerk 6 (Fig. 1, 2) angelegt, das einen Transformator 13 und einen Kondensator 11 enthält.
- Typischerweise wird das Plasma 12 (Fig. 2) zwischen den Elektroden in der Vorrichtung 1 mit einer Spannung von z.B. 1200 bis 1400 Volt (Spitzen-Spitzen-Wert) beaufschlagt. Das Anpassen an Audiofrequenzen ist sehr einfach; ein einfacher Transformator paßt im wesentlichen die Impedanzen zwischen Generator und Plasma an. Der Kondensator weist einen typischen Wert von 1 µF auf und sieht die DC-Vorspannung an die Kathode (z.B. 1000 bis 2000 Volt) vor wegen der Unterschiede in der Beweglichkeit der Ionen und Elektronen in dem Plasma. Das Gas wird ionisiert, und eine negative Vorspannung entwickelt sich an der Kathode als Resultat des Aufladens des Kondensators. Die DC-Vorspannung zieht positive Ionen aus der Masse des Plasmas an und beschleunigt sie zu dem Substrat. Diese reaktiven Teilchen treffen auf das Plasma senkrecht auf und mit genug Energie zum Fördern der durch gerichtetes Sputtern unterstützten Ätzkomponente.
- In dem Prototyp wurde trockene Entwicklung von Fotoresist (siehe EP-A-85 870 142.8) ausgiebig studiert. Ätzraten höher als 1 µm/min bei Leistungsdichten von 0,3 bis 1 Watt/cm² und Drucken im Bereich von 6,6 Pa bis 39,6 Pa (50 bis 300 mTorr) wurden erreicht. Ein beschränkter Betrag des physischen Sputterns - wie es durch die vorliegende Erfindung eingeführt wird - ist hilfreich beim Entfernen von Resten nach dem Entwickeln.
- In dem Falle des Ätzens anderer Polymere wie Polyimide, PVDF, Kapton usw. wird die gleiche Zunahme in der Ätzrate im Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technologie gesehen.
- Im Falle des Ätzens von Siliziumoxid wurden ebenfalls Ätzraten von 700 µm/min für Leistungsdichten von 0,5 Watt/cm² beobachtet.
- Obwohl detaillierte Ätzexperimente auf anderen Materialien noch nicht durchgeführt worden sind, wird erwartet, daß diese anderen Materialien ebenfalls erhöhte Ätzraten und eine gute Anisotropie zeigen.
- Als Schlußfolgerung ist es klar, daß die Benutzung der Audiofrequenzen in Kombination mit dem angepaßten Netzwerk, das aus einem Transformator und einem blockierenden Kondensator besteht, in einer hohen Ätzrate mit einer guten Anisotropie resultiert, ohne daß ein komplexeres System wie ein Magnetronanschluß oder Elektron-Zyclotron-Systeme gebaut werden müssen.
Claims (7)
1. Verfahren zum Trockenbehandeln und Ätzen eines Substrates, bei
dem das Substrat in der Nähe von einer von zwei Elektroden
angeordnet wird, wobei die Elektroden die Anode und die Kathode
sind, bei dem ein Ätzgas zwischen die beiden Elektroden eingeführt
wird und in einen Plasmazustand als ein Resultat einer zwischen
den beiden Elektroden angelegten Spannung gebracht wird, bei dem
das Plasma durch Benutzung eines Generators zum Anlegen einer
Audiofrequenzwechselspannung zwischen der Anode und der Kathode
erzeugt wird, und bei dem ein angepaßtes Netzwerk benutzt wird, das
einen mit dem Generator verbundenen Transformator, der zum
Anpassen der Impedanzen des Generators und des Plasmas für die
Audiofrequenzen geeignet ist, und einen Kondensator, der zwischen
dem Transformator und der Kathode verbunden ist und einen solchen
Kapazitätswert aufweist, daß eine DC-Eigenvorspannung an der
Kathode für die Audiofrequenz vorgesehen wird, enthält, bei dem das
Plasma eine Leistungsdichte wesentlich größer als 0,01 W/cm³
aufweist und bei dem der Kapazitätswert typischerweise 1 µF beträgt
und die Eigenvorspannung einen Wert von 1000 bis 2000 V aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Leistungsdichte
zwischen 0,3 W/cm³ beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Vacuum in der
Reaktionskammer in dem Bereich von 50 bis 300 mTorr liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Anisotropie
des trockenen Behandelns oder Ätzens durch die Modulation der
Wechselspannung beeinflußt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das
Substrat aus einem polymerischen Material gebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein
Substrat aus einem Polyimid, einem Organometall,
Polyvinylidenfluorid, Polytetraflourethylen oder einem Epoxy gebildet wird.
7. Vorrichtung zum anisotropen Trockenbehandeln und Ätzen eines
Substrates, mit:
- einer Reaktionskammer, einer Kathode und einer Anode;
- Mittel zum Erzielen eines Vacuums innerhalb der
Reaktionskammer; und
- Mittel zum Erzeugen eines Plasmas mit einer Leistungsdichte
wesentlich größer als 0,01 W/cm³ zwischen der Kathode und der
Anode einschließlich eines Generators zum Anlegen einer
Audiofrequenzwechselspannung zwischen der Kathode und der Anode,
eines Transformators zum Anpassen der Impedanzen des
Generators und des Plasmas bei den Audiofrequenzen und eines
Kondensators mit einem typischen Kapazitätswert von 1µF zum Vorsehen
einer DC-Eigenvorspannung an der Kathode von 1000 bis 2000 V.
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