DE4127701C2 - Method for producing a structured thin layer from a high-temperature superconductor and device for carrying out the method - Google Patents
Method for producing a structured thin layer from a high-temperature superconductor and device for carrying out the methodInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstel len einer strukturierten Dünnschicht aus einem Hochtempe ratursupraleiter (HTSL) auf einem Substrat durch Trocken ätzen, bei dem die Dicke der geätzten HTSL-Dünnschicht optisch gemessen wird. The invention relates to a method and a device for manufacturing len a structured thin layer from a high temperature natural superconductor (HTSL) on a substrate by drying etch at which the thickness of the etched HTSL thin film is measured optically.
Zum Strukturieren von Schichten aus Hochtemperatursupra leitern (HTSL) mit im allgemeinen geringer Strukturbreite, beispielsweise weniger als 2 µm, werden Trockenätzverfahren eingesetzt. Dünnfilme aus einem Hoch temperatursupraleiter, beispielsweise YBa₂Cu₃O7- δ, der im allgemeinen als YBCO bezeichnet wird, oder auch Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O8+ δ sowie Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O10+ δ, werden auf einem Substrat angeordnet, das beispielsweise aus SrTiO₃ beste hen kann, und mit einer Ätzmaske abgedeckt, die beispiels weise aus Aluminiumoxid Al₂O₃ bestehen kann. Die freie Oberfläche wird mit einem Photoresist versehen, der in bekannter Weise entsprechend der herzustellenden Struktu rierung belichtet wird. Das belichtete Material mit den darunter befindlichen Teilen der Maske wird entfernt und die Dünnschicht durch reaktives Ionenätzen RIE (reactive ion etching) mit einem Reaktivgas, beispielsweise HCl oder Cl₂, strukturiert.Dry etching processes are used to structure layers of high-temperature superconductors (HTSL) with a generally narrow structure width, for example less than 2 μm. Thin films of a high temperature superconductor, for example YBa₂Cu₃O 7- δ , which is generally referred to as YBCO, or also Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O 8+ δ and Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O 10+ δ , are arranged on a substrate, which can consist, for example, of SrTiO₃, and with an etching mask covered, the example may be made of alumina Al₂O₃. The free surface is provided with a photoresist which is exposed in a known manner in accordance with the structure to be produced. The exposed material with the parts of the mask underneath is removed and the thin layer is structured by reactive ion etching RIE (reactive ion etching) with a reactive gas, for example HCl or Cl₂.
Ein solches Verfahren ist im einzelnen in der EP-PS 0 324 996 beschrieben.Such a procedure is detailed in EP-PS 0 324 996.
Aufgrund der geringen Flüchtigkeit der bekannten Halogen verbindungen in den Konstituenten der Hochtemperatursupra leiter, beispielsweise des YBCO, muß der Abtrag bei den verwendeten Trockenätzverfahren zum wesentlichen Teil durch eine physikalische Komponente, beispielsweise Ionenbeschuß (Ionenstrahlätzen, Sputterätzen), bestimmt sein. Andererseits bewirkt gerade dieser physikalische Anteil eine geringe Selektivität. So ist beispielsweise für senkrechten Ioneneinfall und eine Ionenenergie von 700 eV das Verhältnis der Ätzraten von Photolack zu YBaCuO und LaAlO₃ 1,5/1,0/0,95. Das Material der Dünnschicht muß aber auf dem Substrat in den nicht benötigten Bereichen vollständig entfernt werden, da es sonst die Funktions bereiche kurzschließt. Andererseits ist häufig ein tiefes Hineinätzen in das Material, auf dem die Dünnschicht auf gebracht ist, ebenfalls nicht erwünscht.Because of the low volatility of the known halogen compounds in the constituents of high-temperature supra head, for example of the YBCO, must be removed from the mainly used dry etching through a physical component, for example Ion bombardment (ion beam etching, sputter etching), determined his. On the other hand, this causes physical Share a low selectivity. For example for perpendicular ion incidence and an ion energy of 700 eV the ratio of the etching rates of photoresist to YBaCuO and LaAlO₃ 1.5 / 1.0 / 0.95. The material of the thin layer must but on the substrate in the unneeded areas be completely removed, otherwise it will be functional areas short circuits. On the other hand, it is often a deep one Etching into the material on which the thin film is based is also not desired.
Aus der JP 57-155733 A ist es bekannt, auf Halbleiter wafer aufgedampfte Aluminiumfilme in flüssigen Behältern zu ätzen, wobei Infrarotstrahlung von der Rückseite des Wafers durch das Halbleitermaterial gestrahlt und vom Aluminiumfilm unterbrochen wird. Erst beim Erreichen einer entsprechenden Ätztiefe wird mit einem Detektor eine Lichtintensität empfangen, die ein Signal für die Beendi gung des Ätzvorganges ist. Ganz entsprechend wird in der JP 59-229823 A mit einem optischen Reflexionsverfahren gearbeitet, bei dem die reflektierte Strahlung über eine Optik auf einen Signalwandler gegeben wird.From JP 57-155733 A it is known to use semiconductors Wafer evaporated aluminum films in liquid containers etch, using infrared radiation from the back of the Wafers blasted through the semiconductor material and from Aluminum film is interrupted. Only when you reach one the corresponding etching depth is a with a detector Light intensity received, which is a signal for the termination is the etching process. According to the JP 59-229823 A with an optical reflection method worked, in which the reflected radiation over a Optics on a signal converter is given.
Die Überwachung eines Plasmaätzverfahrens einer Dünn schicht auf einem Substrat wird mittels eines optischen Reflexionsverfahrens in der US-PS 4 208 240 beschrieben. Dabei interferiert die an den verschiedenen Partien der Schicht bzw. des Substrates reflektierte Strahlung, woraus sich im einzelnen schichtspezifische Intensitätsverläufe ergeben. Insbesondere bei der Aufeinanderfolge von zwei Metallen läßt sich in einfacher Weise eine Aussage über den Ätzzustand ableiten. Weiterhin ist aus der DE-OS 39 01 017 ein Photometer zur Überwachung des Schichtab trages bei einem Trockenätzprozeß bekannt, wobei die Signale des Photometers von einem elektrischen Schaltkreis verstärkt und insbesondere mittels einer Fouriertransfor mation aufbereitet werden. Schließlich ist aus der US-PS 5 032 217 ein Reflexionsverfahren zur Überwachung eines Ätzvorganges bei einem Wafer bekannt. Dort wird auch ein Verfahren erwähnt, bei dem mittels Transmission gearbeitet werden kann und ein Lichtstrahl in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl aufgespalten wird, wobei die Signale vor der Auswertung miteinander interferieren.Monitoring a thin plasma etching process layer on a substrate is by means of an optical Reflection method described in U.S. Patent 4,208,240. This interferes with the different parts of the Layer or the substrate reflected radiation, from what in detail layer-specific intensity profiles surrender. Especially when there are two A simple statement about metals can be made derive the etching state. Furthermore, from DE-OS 39 01 017 a photometer to monitor the layer known in a dry etching process, the Signals from the photometer from an electrical circuit amplified and in particular by means of a Fourier transform be prepared. Finally, from the US PS 5 032 217 a reflection method for monitoring a Etching process known in a wafer. There is also a procedure mentioned, in which worked by means of transmission can be transmitted and a beam of light into a and splitting a reflected beam, the Interfer signals with each other before evaluation.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind allerdings zur Überwachung der Trockenätzung von HTSL-Schichten auf Sub straten, insbesondere zur Bestimmung der Beendigung des Ätzprozesses, nicht geeignet.However, the methods described above are for Monitoring the dry etching of HTSL layers on sub strate, especially to determine the termination of the Etching process, not suitable.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem der Zeitpunkt der vollständigen Entfernung einer HTSL-Dünnschicht auf einem transparenten Substrat genau bestimmt werden kann. Dieser Zeitpunkt kann den Ätzvorganges definiert beenden, da dann alles nicht benötigte Material entfernt ist.The invention is therefore based on the object, a Ver drive and specify a device with which the time of complete Removal of a thin layer of HTSL on a transparent Substrate can be determined precisely. This time can end the etching process in a defined manner, since then everything will not required material is removed.
Bei der Anwendung des Trockenätzens auf Halbleiter wird bekanntlich mit einer starken chemischen Komponente geätzt. Dadurch entstehen leicht flüchtige Verbindungen der zu entfernenden Materialien. Die Konzentration dieser Verbindung im Plasma ist so groß, daß sie entweder direkt durch spektroskopische Methoden, beispielsweise plasma induzierte Emissionsspektroskopie, laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und Absorptionsspektroskopie sowie Massenspektrometrie, oder im abgepumpten Gas oder durch ihre Wirkung auf andere Plasmaeigenschaften, bei spielsweise optogalvanische Spektroskopie, Messung des Totaldrucks oder der Selbstvorspannung (dc-self-bias) der Elektroden gegen Masse und der Plasmaimpedanz nachgewiesen werden können. Wird das Ätzende, d. h. die vollständige Entfernung eines Materials, erreicht, so ändert sich plötzlich die Zusammensetzung des Plasmas, und diese Änderung wird in einer Änderung der aus den genannten Meßmethoden resultierenden Meßgrößen wahrgenommen. Diese Methode ist jedoch für die Herstellung von Hochtempera tursupraleitern nicht anwendbar, weil keine Prozesse bekannt sind, die flüchtige Produkte erzeugen. Statt dessen wirkt eine chemische Komponente höchstens auf die Erhöhung der Sputterrate durch Erniedrigen der Bindungs energie. Die Ätzraten liegen deshalb um eine bis zwei Größenordnungen unter denen von Halbleiterverbindungen. Entsprechend geringer ist auch die Konzentration von abgesputterten Teilchen im Plasma. Ferner werden zum Herstellen von Hochtemperatursupraleitern im allgemeinen Proben mit einem Durchmesser bearbeitet, der 2,5 cm (1 Zoll) nicht wesentlich überschreitet. Wenn man, wie auch in der Halbleitertechnik bevorzugt, nur ein Substrat auf einmal prozessiert, ist die Konzentration aufgrund der geringen Fläche ebenfalls gering.When applying dry etching to semiconductors known to have a strong chemical component etched. This creates volatile compounds of the materials to be removed. The concentration of this Connection in plasma is so large that it is either direct by spectroscopic methods, for example plasma induced emission spectroscopy, laser induced Fluorescence spectroscopy and absorption spectroscopy as well as mass spectrometry, or in the pumped gas or by their effect on other plasma properties, at for example optogalvanic spectroscopy, measurement of the Total pressure or self-bias (dc-self-bias) Electrodes against mass and plasma impedance detected can be. If the caustic end, i.e. H. the complete Removal of a material, achieved, changes suddenly the composition of the plasma, and this Change will result in a change from those mentioned Measurement methods resulting measured quantities perceived. These However, method is for the production of high temperature superconductors not applicable because no processes are known to produce volatile products. Instead of of which a chemical component acts at most on the Increase the sputtering rate by lowering the binding energy. The etching rates are therefore one to two Orders of magnitude below those of semiconductor compounds. The concentration of is correspondingly lower sputtered particles in plasma. Furthermore, at Manufacture of high temperature superconductors in general Processed samples with a diameter that is not 2.5 cm (1 inch) significantly exceeds. If you, as in the Semiconductor technology preferred, only one substrate at a time processed, the concentration is due to the low Area also small.
Obige Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Änderung der Transmission der HTSL-Dünnschicht während der Ätzung gemessen wird, wozu die Transmission des Substrats und zu entfernenden Teile der HTSL-Dünnschicht als Funktion der Zeit erfaßt werden, daß die Ableitung der Transmission nach der Zeit ermittelt wird, wobei die Zunahme des Differenzenquotienten (T(tn) - T(tn-1))|Δt in vorbestimmten Meßintervallen als Maß für die Ätzung herangezogen wird, und daß geätzt wird, solange T(tn) β·T(tn-1) ist, wobei β und tn = tn-1 + Δt ist mit αf als Absorp tionskoeffizient der HTSL-Schicht und r als Ätzrate. Als Bedingung für die Beendigung des Ätzprozesses ergibt sich damit T(tn) < β·T(tn-1). Zugehörige Anordnungen zur Durch führung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 16 angegeben.The above object is achieved according to the invention in that the change in the transmission of the HTSL thin layer is measured during the etching, for which purpose the transmission of the substrate and parts of the HTSL thin layer to be removed are recorded as a function of time, that the derivative of the transmission over time is determined, the increase in the difference quotient (T (t n ) - T (t n-1 )) | Δt being used as a measure of the etching at predetermined measuring intervals, and that etching is carried out as long as T (t n ) β · T (t n-1 ), where β and t n = t n-1 + Δt is with α f as the absorption coefficient of the HTSL layer and r as the etching rate. The condition for ending the etching process is thus T (t n ) <β · T (t n-1 ). Associated arrangements for carrying out the method are specified in claims 3 to 16.
Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 und 2 das Verfahren jeweils anhand eines Diagramms veranschaulicht ist. In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt und in den Fig. 4 und 5 ist jeweils eine Anordnung zur Strukturierung durch Plasma ätzen veranschaulicht. In den Fig. 6 und 7 ist jeweils eine Ausführungsform eines Reaktors für das Ionenstrahl ätzen und in den Fig. 8 und 9 jeweils ein Reaktor für photonenunterstütztes Ätzen dargestellt. Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer mehrfachen Durchstrahlung der Dünn schicht.To explain exemplary embodiments of the invention, reference is made to the drawings, in which FIGS. 1 and 2 each illustrate the method using a diagram. In Fig. 3, an arrangement for performing the method is shown and in Figs. 4 and 5, an arrangement for structuring by plasma etching is illustrated. FIGS. 6 and 7 each show an embodiment of a reactor for the ion beam etching and FIGS. 8 and 9 each show a reactor for photon-assisted etching. Fig. 10 shows an embodiment of an arrangement for performing the method with multiple irradiation of the thin layer.
Im Diagramm der Fig. 1 ist die Transmission T = I(d)/Io des Dünnfilms in relativem Maßstab über der Filmdicke d in nm auf getragen. Die Transmission T stellt die Lichtintensität nach der Durchstrahlung einer Dünnschicht mit der Dicke d dar, be zogen auf die in die Dünnschicht eindringende Intensität Io. Die dargestellten Werte gelten für eine Dünnschicht eines Hochtemperatursupraleiters aus YBCO.In the diagram of FIG. 1, the transmission T = I (d) / I o of the thin film is plotted in nm on a relative scale over the film thickness d. The transmission T represents the light intensity after irradiating a thin layer with the thickness d, based on the intensity I o penetrating into the thin layer. The values shown apply to a thin layer of a high-temperature superconductor made from YBCO.
Man erhält beim Ionenstrahlätzen eine etwa konstante Ätzrate von etwa 10 bis 20 nm/min. Das Verfahren gemäß der Er findung benutzt die geringe Transmission der abzutragenden Dünnschicht im sichtbaren Bereich der Strahlung, während das Substrat eine verhältnismäßig hohe Transmission aufweist. Die Meßwerte im Diagramm der Fig. 1 entsprechen dem Abschwä chungsfaktor im dünnen Film mit der auf der Projektion angegebenen Dicke d. Die Werte sind gemessen bei der Wellen länge des roten HeNe-Lasers von 633 nm. Eine Anpassung ergibt eine mittlere Eindringtiefe der Laserstrahlung mit der angegebenen Wellenlänge αf -1 ≈ 100 nm. Es hat zur Folge, daß auch Dünn filme von etwa 200 nm Dicke noch schwarz aussehen. Diese Dünn filme werden auf einem Substrat mit verhältnismäßig hoher Transparenz angeordnet, so daß auch Substrate mit einer Dicke d von beispielsweise 0,5 bis 1 mm noch durchsichtig sind.An approximately constant etching rate of approximately 10 to 20 nm / min is obtained with ion beam etching. The method according to the invention uses the low transmission of the thin layer to be removed in the visible region of the radiation, while the substrate has a relatively high transmission. The measured values in the diagram in FIG. 1 correspond to the attenuation factor in the thin film with the thickness d indicated on the projection. The values are measured at the wavelength of the red HeNe laser of 633 nm. An adjustment results in an average penetration depth of the laser radiation with the specified wavelength α f -1 ≈ 100 nm. As a result, thin films of approximately 200 nm are also obtained Thick still look black. These thin films are arranged on a substrate with relatively high transparency, so that substrates with a thickness d of, for example, 0.5 to 1 mm are still transparent.
Aus dem Diagramm der Fig. 2, in dem die Transmission T über der Ätzzeit t in Minuten aufgetragen ist, läßt sich entnehmen, daß die Transmission der Dünnschicht vom Beginn t₀ des Ätzvor ganges zunimmt bis zum Zeitpunkt t₁, in dem die gesamte Dünn schicht entfernt ist und nur noch das Substrat durchstrahlt wird. Zu diesem Zeitpunkt tritt eine Unstetigkeit in der er sten Ableitung der Transmission T nach der Zeit t auf, die das Ende des Ätzvorganges anzeigt und bedingt ist durch die unter schiedlichen Absorptionskoeffizienten αf und αs von Film und Substrat sowie durch das plötzliche Ausbleiben der Reflexion an der Filmoberfläche. Das Verfahren gemäß der Erfindung mißt während des Ätzvorganges in-situ die Transmission T in einem Teil der zu entfernenden Dünnschicht. Solange in der Dünn schicht geätzt wird, nimmt die Transmission T exponentiell mit der Zeit t zu. Sobald das Substrat angeätzt wird, erwartet man nur noch ein sehr langsames Steigen der Transmission. Wenn der Verlauf der Transmission T über der Zeit t verfolgt wird, kann das Ende des Ätzvorganges exakt erfaßt werden als der Punkt, an dem sich zur Zeit t₁ die erste Ableitung der Transmission T nach der Zeit t unstetig ändert.From the diagram of FIG. 2, in which the transmission T is plotted over the etching time t in minutes, it can be seen that the transmission of the thin layer increases from the beginning t₀ of the etching process until the time t 1, in which the entire thin layer is removed is and only the substrate is irradiated. At this point, there is a discontinuity in the first derivative of the transmission T after the time t, which indicates the end of the etching process and is due to the different absorption coefficients α f and α s of the film and the substrate and the sudden absence of reflection on the film surface. The method according to the invention measures the transmission T in a part of the thin layer to be removed during the etching process in situ. As long as etching takes place in the thin layer, the transmission T increases exponentially with time t. As soon as the substrate is etched, only a very slow increase in transmission is expected. If the course of the transmission T is tracked over the time t, the end of the etching process can be detected exactly as the point at which the first derivative of the transmission T changes continuously after the time t 1.
Mit Hilfe eines Rechners kann der Endpunkt des Ätzvorganges zur Zeit t₁ genau erfaßt werden. Es kann in kurzen Meß-Inter vallen Δt der Differenzenquotient (T(tn) - T(tn-1))/Δt berech net werden. Solange im Film geätzt wird, nimmt der Differen zenquotient zu. Sobald eine Abnahme beobachtet wird, ist die Dünnschicht entfernt und der Ätzprozeß wird beendet. Ferner kann die Zunahme der Transmission selbst abgefragt werden. Beim Ätzen des Dünnfilms sollte sie im Intervall Δt um den Faktor zunehmen, wobei r die Ätzrate ist. Man kann nun nachprüfen, ob T(tn) β·T(tn-1) ist, wobei β ≲ und tn = tn-1 + Δt gewählt wird. Ist das Kriterium für T(tn) nicht erfüllt, so ist das Ätzende erreicht.With the help of a computer, the end point of the etching process at time t 1 can be detected precisely. It can be calculated in short measuring intervals Δt the difference quotient (T (t n ) - T (t n-1 )) / Δt. As long as there is etching in the film, the difference in the zen quotient increases. As soon as a decrease is observed, the thin layer is removed and the etching process is ended. The increase in transmission itself can also be queried. When etching the thin film, it should increase by a factor in the interval Δt, where r is the etching rate. One can now check whether T (t n ) is β · T (t n-1 ), where β ≲ and t n = t n-1 + Δt is chosen. If the criterion for T (t n ) is not met, the etching end has been reached.
In der Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 3 ist eine zu strukturierende Dünn schicht 2 auf einem Substrat 4 angeordnet und auf seiner obe ren Flachseite mit einer Prozeßmaske 6 versehen. Das Substrat 4 mit der Dünnschicht 2 ist auf einem Probenhalter 8 befe stigt, der mit einem lichtdurchlässigen Bereich versehen ist, der eine Öffnung 9 sein kann. Der Lichtstrahl 12 einer Strah lungsquelle 10 wird mit in der Figur nicht näherdargestellten Mitteln zur Strahlungsführung durch die Öffnungen der Prozeß maske 6 der Dünnschicht 2 zugeführt. Das transmittierte Licht wird über eine nicht näher dargestellte Optik 13 auf einen Detektor 20 konzentriert. Die dargestellten Bauteile mit der zu strukturierenden Dünnschicht 2 sind in einem Reaktor 22 angeordnet.In the embodiment of an arrangement for carrying out the method according to FIG. 3, a thin layer 2 to be structured is arranged on a substrate 4 and provided with a process mask 6 on its flat upper side. The substrate 4 with the thin layer 2 is BEFE Stigt on a sample holder 8 , which is provided with a translucent area, which may be an opening 9 . The light beam 12 of a radiation source 10 is supplied with means not shown in the figure for guiding radiation through the openings of the process mask 6 of the thin film 2 . The transmitted light is concentrated on a detector 20 via optics 13 ( not shown in more detail). The components shown with the thin layer 2 to be structured are arranged in a reactor 22 .
Der als Strahlungsempfänger für die elektromagnetische Strah lung der Strahlungsquelle 10 vorgesehene Detektor 20 dient zum quantitativen Nachweis der empfangenen Strahlung und zur Um setzung in ein entsprechendes elektrisches Signal. Als Detek tor kann eine Vidikon, vorzugsweise ein Photo multiplier, oder auch eine Photodiode, insbesondere ein Photo diodenarray, vorgesehen sein. Das vom Detektor 20 gelieferte elektrische Signal kann von einem Schreiber oder Multimeter mit Rechnerschnittstelle oder auch von einem Rechner mit AD-Wandlerkarte erfaßt und weiterverarbeitet werden.The provided as a radiation receiver for the electromagnetic radiation development of the radiation source 10 detector 20 serves for the quantitative detection of the received radiation and for implementation in a corresponding electrical signal. A vidicon, preferably a photo multiplier, or a photodiode, in particular a photo diode array, can be provided as the detector. The electrical signal supplied by the detector 20 can be recorded and processed by a recorder or multimeter with a computer interface or also by a computer with an AD converter card.
Als Lichtquelle 10 kann eine Lampe, vorzugs weise eine Lumineszenzdiode oder Infrarotdiode und insbeson dere ein Laser, vorgesehen sein. Geeignet sind HeNe-Laser, Ar⁺-Laser sowie Dioden-Laser oder auch UV- Laser. Dem Lichtstrahl 12 können in der Figur nicht darge stellte Mittel zur Strahlungsführung, beispielsweise wenig stens eine Linsenoptik oder auch ein Spiegel, zugeordnet sein; vorzugsweise kann zur Strahlungsführung eine Lichtleitfaser vorgesehen sein. Die Optik 13 kann die gleichen Mittel zur Strahlungsführung enthalten.A lamp, preferably a luminescent diode or infrared diode and in particular a laser, can be provided as the light source 10 . HeNe lasers, Ar⁺ lasers as well as diode lasers or UV lasers are suitable. The light beam 12 can not be shown in the figure, means for guiding radiation, for example at least a lens optics or a mirror, can be assigned; An optical fiber can preferably be provided for guiding the radiation. The optics 13 can contain the same means for guiding the radiation.
Beim Trockenätzen des Dünnfilms 2 wird während des Ätzvorgangs die Transparenz des zu entfernenden Materials zum Zwecke der Endpunkterkennung gemessen und zwar nahezu unabhängig von der Ausführungsform des Ätzreaktors und den verschiedenen Möglichkeiten des Trockenätzens. Eine elektromagnetische Strahlung wird ausgesandt und durchdringt diese Dünnschicht teilweise, und die aus der Öffnung 9 austre tende transmittierte Strahlung wird vom Detektor 20 nachgewie sen.When the thin film 2 is dry-etched, the transparency of the material to be removed is measured during the etching process for the purpose of end-point detection, to be precise almost independently of the embodiment of the etching reactor and the various possibilities of dry etching. An electromagnetic radiation is emitted and partially penetrates this thin layer, and the transmitted radiation emerging from the opening 9 is detected by the detector 20 .
Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 3 kann die Strah lungsquelle 10 auch unterhalb der Öffnung 9 des Probenhalters 8 angeordnet sein und die transmittierte Strahlung einem De tektor 20 zugeführt werden, der oberhalb der Dünnschicht 2 angeordnet ist.Differing from the representation according to FIG. 3, the radiation source 10 Strah can also below the opening 9 of the sample holder 8 can be positioned and the transmitted radiation a De Tektor are fed to 20, which is disposed above the thin film 2.
In der Ausführungsform eines Reaktors 22 als sogenannter Parallelplattenreaktor gemäß Fig. 4 wird die Dünnschicht 2 durch Plasmaätzen abgetragen, bei dem als Strahlungsquelle das Eigenleuchten eines Prozeßplasmas 24 vorgesehen ist, in dem Ionen erzeugt werden, welche durch die nicht näher bezeichne ten Öffnungen der Prozeßmaske 6 in Kontakt treten mit den abzutragenden Teilen der Dünnschicht 2. Das Prozeßplasma 24 bildet oberhalb der Dünnschicht 2 eine Randschicht mit einem Potentialgefälle, in welcher die Ionen beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf die freien Oberflächenbereiche der Dünnschicht 2 auftreffen. Das Prozeßplasma 24 wird gebil det zwischen dem Probenhalter 8, der als Elektrode dient, und einer weiteren Elektrode 26, die im Reaktor 22 oberhalb der Dünnschicht 2 parallel zum Probenhalter 8 angeordnet ist. Der Reaktor 22 ist mit einem Gaseinlaß 27 für ein Arbeitsgas 30, im Ausführungsbeispiel ein Reaktivgas oder ein Edelgas oder auch eine Gasmischung, versehen, das in der Figur lediglich als Pfeil angedeutet ist. An einem Gasauslaß 28 kann das Reaktionsgas austreten. Die transmittierte Strahlung wird über Mittel zur Strahlungsführung, im Ausführungsbeispiel eine Lichtleitfaser 14, dem Detektor 20 zugeführt.In the embodiment of a reactor 22 as a so-called parallel plate reactor according to FIG. 4, the thin layer 2 is removed by plasma etching, in which the self-illumination of a process plasma 24 is provided as the radiation source, in which ions are generated which are produced by the openings of the process mask 6 , which are not described in more detail come into contact with the parts of the thin layer 2 to be removed. The process plasma 24 forms an edge layer with a potential gradient above the thin layer 2 , in which the ions are accelerated and strike the free surface areas of the thin layer 2 at high speed. The process plasma 24 is formed between the sample holder 8 , which serves as an electrode, and a further electrode 26 , which is arranged in the reactor 22 above the thin layer 2 parallel to the sample holder 8 . The reactor 22 is provided with a gas inlet 27 for a working gas 30 , in the exemplary embodiment a reactive gas or a noble gas or a gas mixture, which is only indicated as an arrow in the figure. The reaction gas can escape at a gas outlet 28 . The transmitted radiation is fed to the detector 20 via means for guiding the radiation, in the exemplary embodiment an optical fiber 14 .
In der dargestellten Ausführungsform mit der als Anode ge schalteten Elektrode 26, die an Masse liegt, und dem als Kathode geschalteten Probenhalter 8, der mit einem Generator 34 verbunden ist, kann die Dünnschicht 2 sowohl durch Sputter ätzen mit Argon als Arbeitsgas als auch durch reaktives Ionenätzen RIE (reactive ion etching) mit einem Re aktivgas bearbeitet werden. Der Generator 34 kann sowohl mit Niederfrequenz als auch mit Mittelfrequenz oder mit Hochfre quenz, beispielsweise mit 13,56 MHz, betrieben werden. Als Arbeitsgas zum reaktiven Ionenätzen kann HCl- Gas oder Cl₂-Gas verwendet werden.In the embodiment shown with the electrode 26 connected as anode, which is connected to ground, and the sample holder 8 connected as cathode, which is connected to a generator 34 , the thin layer 2 can be etched by sputtering with argon as the working gas as well as by reactive Ion etching RIE (reactive ion etching) can be processed with a reactive gas. The generator 34 can be operated with both low frequency and medium frequency or with high frequency, for example at 13.56 MHz. HCl gas or Cl₂ gas can be used as the working gas for reactive ion etching.
In einer anderen Ausführungsform dieses Reaktors 22 mit einem an der Elektrode 26 angeschlossenen Generator kann der Reaktor 22 auch zum Plasmaätzen (plasma etching) verwendet werden.In another embodiment of this reactor 22 with a generator connected to the electrode 26 , the reactor 22 can also be used for plasma etching.
In der Ausführungsform des Reaktors 22 für Triodenätzen wird an die obere Elektrode 26 ein weiterer, in der Figur nicht dargestellter Generator angeschlossen. Für ein MERIE-Ätzen (magnetically enhanced RIE) wird zusätzlich zur Anordnung nach Fig. 4 das Prozeßplasma 24 von einem in der Figur nicht dar gestellten Magnetfeld durchsetzt.In the embodiment of the reactor 22 for triode etching, a further generator, not shown in the figure, is connected to the upper electrode 26 . For a MERIE etching (magnetically enhanced RIE), in addition to the arrangement according to FIG. 4, the process plasma 24 is penetrated by a magnetic field which is not shown in the figure.
Eine weitere Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 5 un terscheidet sich von der Fig. 4 lediglich dadurch, daß noch eine besondere externe Lichtquelle 16 vorgesehen ist, die auch ein Laser, beispielsweise ein HeNe-Laser, sein kann. Ein Licht strahl 18 tritt durch ein Fenster 36 in den Reaktor 22 ein und gelangt durch einen lichtdurchlässigen Bereich 38 in der Elektrode 26 und durch das Prozeßplasma 24 zur Dünnschicht 2.A further embodiment of the reactor 22 according to FIG. 5 un differs from FIG. 4 only in that a special external light source 16 is also provided, which can also be a laser, for example a HeNe laser. A light beam 18 enters the reactor 22 through a window 36 and passes through a translucent area 38 in the electrode 26 and through the process plasma 24 to the thin layer 2 .
In der Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 6, die zum Ionenstrahlätzen verwendet werden kann, ist der Reaktor 22 mit einer äußeren Ionenquelle versehen, die in einem Gasraum 44, dem ein Arbeitsgas 30, im Ausführungs beispiel ein Edelgas, zugeführt wird, ein Quellenplasma 46 bildet, das in Sichtkontakt zur Dünnschicht 2 steht. Zum Zünden des Plas mas in der Ionenquelle kann eine Glühemissions kathode 42 vorgesehen sein, der eine Gleichspannungsquelle 48 zugeordnet ist und die als Kathode über eine weitere Gleich spannungsquelle 49 gegen eine Anode 43 geschaltet ist. Die im Plasma erzeugten Ionen werden durch ein Extraktionsgitter 40 als Ionenstrahl 50 in den Reaktorraum geführt und dort durch eine in der Figur nicht dargestellte Spannungsquelle 52 in Richtung auf die Oberfläche der Dünnschicht 2 beschleunigt.In the embodiment of an arrangement for carrying out the method according to FIG. 6, which can be used for ion beam etching, the reactor 22 is provided with an external ion source, which is supplied in a gas space 44 , to which a working gas 30 , in the embodiment for example an inert gas, is supplied , forms a source plasma 46 which is in visual contact with the thin layer 2 . To ignite the plasma in the ion source, a glow emission cathode 42 can be provided, to which a direct voltage source 48 is assigned and which is connected as a cathode via a further direct voltage source 49 to an anode 43 . The ions generated in the plasma are guided through an extraction grid 40 as an ion beam 50 into the reactor space and there accelerated towards the surface of the thin layer 2 by a voltage source 52, not shown in the figure.
Zum reaktiven Ionenstrahlätzen RIBE (reactive ion beam etching) wird dem Ionenquellenraum zusätzlich ein Reaktivgas zugeführt. In der besonderen Ausführungsform des chemisch unterstützten Ionenstrahlätzens CAIBE (chemically assisted ion beam etching) ist die Zuführung eines Reaktivgases 32 als "Gasdusche" vorgesehen. Diese Gaszuführung ist so gestaltet, daß die Oberfläche der Dünnschicht 2 von dem Reaktivgas 32 beströmt wird. In dieser Ausführungsform kann die Gasdusche als Molekularstrahlquelle wirken.For reactive ion beam etching RIBE (reactive ion beam etching), a reactive gas is additionally supplied to the ion source room. In the special embodiment of the chemically assisted ion beam etching CAIBE (chemically assisted ion beam etching), the supply of a reactive gas 32 is provided as a "gas shower". This gas supply is designed so that the surface of the thin layer 2 is flowed through by the reactive gas 32 . In this embodiment, the gas shower can act as a molecular beam source.
Während in der Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 6 das Eigenleuchten des Quellenplasmas 46 zur Mischung der Trans mission der Dünnschicht 2 verwendet wird, ist in der Ausfüh rungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 7 zusätzlich noch die Lichtquelle 16, vorzugsweise ein HeNe-Laser, vorgesehen, deren Lichtstrahl 18 durch das Fenster 36 in den Reaktor 22 ein tritt, das Quellenplasma 46 durchsetzt und durch das Extrak tionsgitter 40 zur Dünnschicht 2 gelangt. In dieser Ausfüh rungsform dienen sowohl das Eigenleuchten des Quellenplasmas 46 als auch der Lichtstrahl 18 der Lichtquelle 16 zur Messung der Transmission der Dünnschicht 2.6 in the embodiment of the reactor 22 according to FIG. 6, the self-illumination of the source plasma 46 is used to mix the trans mission of the thin layer 2 , in the embodiment of the reactor 22 according to FIG. 7, the light source 16 is also preferably a HeNe laser , Provided, the light beam 18 through the window 36 enters the reactor 22 , passes through the source plasma 46 and passes through the extraction grid 40 to the thin layer 2 . In this embodiment, both the inherent lighting of the source plasma 46 and the light beam 18 of the light source 16 serve to measure the transmission of the thin film 2 .
In einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 8 für laserchemisches Ätzen LCE (laser chemical etching) mit dem Reaktivgas 32 wird dem Reaktor 22 durch das Fenster 36 ein Bearbeitungslaserstrahl 54 zugeführt, dessen Ausdehnung wenigstens annähernd so groß ist wie die zu bearbeitende Ober fläche der Dünnschicht 2. Dieser Bearbeitungslaserstrahl 54 kann von einem in der Figur nicht dargestellten Excimerlaser geliefert werden, dem eine Aufweitungsoptik zuge ordnet ist. Dieser Bearbeitungslaserstrahl 54 regt das Reak tivgas 32 an, crackt die Moleküle und bildet damit Radikale, die zu den freien Oberflächenteilen der Dünnschicht 2 wandern und die Oberfläche abtragen.In an arrangement for carrying out the method according to FIG. 8 for laser chemical etching LCE (laser chemical etching) with the reactive gas 32 , the reactor 22 is supplied with a processing laser beam 54 through the window 36 , the extent of which is at least approximately as large as the surface to be processed the thin layer 2 . This processing laser beam 54 can be supplied by an excimer laser, not shown in the figure, to which an expansion lens is assigned. This processing laser beam 54 excites the reactive gas 32 , cracks the molecules and thus forms radicals that migrate to the free surface parts of the thin layer 2 and remove the surface.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser An ordnung kann zusätzlich noch die Lichtquelle 16, im Ausführungsbeispiel ein HeNe-Laser, vorgesehen sein, dessen fokussierter Laser strahl über die freien Oberflächenteile der Dünnschicht 2 geführt wird und dessen transmittierte Strahlung vom Detektor 20 aufgenommen wird. In diesem Fall ist es möglich, daß der Bearbeitungslaserstrahl gebündelt ist und in einer schreiben den Bewegung über die Dünnschicht 2 geführt wird.In a particularly advantageous embodiment of this arrangement, the light source 16 , in the exemplary embodiment a HeNe laser, can additionally be provided, the focused laser beam of which is guided over the free surface parts of the thin layer 2 and whose transmitted radiation is recorded by the detector 20 . In this case, it is possible that the processing laser beam is focused and guided in a writing movement over the thin layer 2 .
Ebenfalls für laserchemisches Ätzen LCE geeignet ist eine Aus führungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 9. In dieser Ausfüh rungsform erhält der Reaktionsraum ebenfalls ein Reaktivgas 32, jedoch erfolgt die Zuführung des breit gefächerten Bear beitungslaserstrahls 54 durch ein Fenster 36, das in einer nicht näher bezeichneten Seitenwand des Reaktors 22 angeordnet ist. Die Strahlrichtung des Bearbeitungslasers 54 verläuft somit wenigstens annähernd parallel zu den Flachseiten der zu bearbeitenden Dünnschicht 2. Als Lichtquelle für die Transpa renzmessung durch den Detektor 20 dient die laserinduzierte oder reaktionsinduzierte Fluoreszenzstrahlung bzw. Streustrah lung 56, die auch in Richtung auf die Oberfläche der Dünn schicht 2 ausgesandt wird. Durch den Bearbeitungslaser 54 wird das Reaktivgas 32 dissoziiert; es werden somit Moleküle dieses Gases zerschlagen und Radikale gebildet, welche die Oberfläche der Dünnschicht 2 angreifen und abtragen. An embodiment of the reactor 22 according to FIG. 9 is also suitable for laser-chemical etching LCE . In this embodiment, the reaction chamber also receives a reactive gas 32 , but the wide-ranging machining laser beam 54 is supplied through a window 36 , which is not shown in any more detail designated side wall of the reactor 22 is arranged. The beam direction of the processing laser 54 thus runs at least approximately parallel to the flat sides of the thin layer 2 to be processed. The laser-induced or reaction-induced fluorescence radiation or scattered radiation 56 serves as the light source for the transparency measurement by the detector 20 and is also emitted in the direction of the surface of the thin layer 2 . The reactive gas 32 is dissociated by the processing laser 54 ; molecules of this gas are thus broken up and radicals are formed which attack and remove the surface of the thin layer 2 .
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform der Anordnung zum Herstellen einer strukturierten Dünnschicht 2 gemäß den Fig. 8 und 9 kann anstelle des aufgefächerten Bearbeitungs laserstrahles 54 auch eine nicht kohärente UV-Strahlung vorge sehen sein, die ausreicht, das Reaktivgas 32 zu dissoziieren. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann der Probenhalter 8 mit mehreren Öffnungen versehen sein, von denen die transmittierte Strahlung jeweils über eine Optik zu einem Detektor geführt wird. Diese Detektoren, beispielsweise Dioden, können ein Diodenarray bilden. Auf diese Weise ist es mög lich, die Ätzhomogenität ortsaufgelöst an mehreren Stellen der Dünnschicht 2 zu messen.Deviating from the illustrated embodiment of the arrangement for producing a patterned thin film 2 shown in FIGS. 8 and 9, a non-coherent UV radiation can be used instead of the spread processing laser beam 54 may be provided which is sufficient to dissociate the reactive gas 32nd In a particularly advantageous embodiment of the arrangement for carrying out the method, the sample holder 8 can be provided with a plurality of openings, from which the transmitted radiation is guided to a detector via an optical system. These detectors, for example diodes, can form a diode array. In this way, it is possible to measure the etching homogeneity in a spatially resolved manner at several locations of the thin layer 2 .
In der Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 10 sind so wohl die Strahlungsquelle 10 als auch der Detektor 20 ober halb der Dünnschicht 2 außerhalb des Reaktors 22 angeordnet. In dieser Ausführungsform tritt der Lichtstrahl 12 der Strah lungsquelle 10 durch das Fenster 36 in den Reaktionsraum ein, durchsetzt die Dünnschicht 2 und das Substrat 4 und wird von der Oberfläche des Probenhalters 8 reflektiert, die zu diesem Zweck poliert sein oder auch mit einer besonderen Reflexionsschicht versehen sein kann. Der Lichtstrahl 12 tritt nach mehrfacher Reflexion an der Ober fläche des Probenhalters 8 und an einem im Reaktionsraum oder außerhalb desselben angeordneten Spiegel 58 durch das Fenster 36 wieder aus und gelangt zum Detektor 20, der nach Umsetzung der Strahlung in ein entsprechendes elektrisches Signal das Ende des Ätzvorganges anzeigt. Da der Lichtstrahl 12 die Dünn schicht 2 mehrfach durchläuft, wird ein erhöhtes Signal-zu- Rausch-Verhältnis erreicht. In the embodiment of the reactor 22 according to FIG. 10, the radiation source 10 and the detector 20 are arranged above the thin layer 2 outside the reactor 22 . In this embodiment, the light beam 12 of the radiation source 10 enters through the window 36 into the reaction space, passes through the thin layer 2 and the substrate 4 and is reflected by the surface of the sample holder 8 , which for this purpose is polished or with a special reflection layer can be provided. The light beam 12 emerges after multiple reflection on the upper surface of the sample holder 8 and on a mirror 58 arranged in the reaction chamber or outside the same through the window 36 and arrives at the detector 20 , which converts the end of the radiation into a corresponding electrical signal after conversion Etching process indicates. Since the light beam 12 passes through the thin layer 2 several times, an increased signal-to-noise ratio is achieved.
Die thermische Belastung der Dünnschicht 2 während des Ätz vorganges muß möglichst niedrig gehalten werden. In einer be sonderen Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann deshalb das Substrat 4 auf dem Substrathalter 8 mit einem in den Figuren nicht darge stellten Kleber befestigt werden, der im Bereich der Wellen länge, bei der die Messung der Transparenz der Dünnschicht 2 durchgeführt wird, eine hohe Transparenz aufweist. Mit diesem Kleber erhält man einen guten Wärmeübergang und somit einen geringen Wärmewiderstand zwischen dem Substrat 4 und dem Sub strathalter 8, für den im allgemeinen eine besondere, in den Figuren nicht dargestellte Kühlung vorgesehen ist.The thermal load on the thin film 2 during the etching process must be kept as low as possible. In a special embodiment of the arrangement for carrying out the method, the substrate 4 can therefore be attached to the substrate holder 8 with an adhesive (not shown in the figures) which is in the wavelength range at which the measurement of the transparency of the thin layer 2 is carried out , has a high transparency. With this adhesive you get a good heat transfer and thus a low thermal resistance between the substrate 4 and the sub strathalter 8 , for which a special cooling, not shown in the figures, is generally provided.
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Durchfüh rung des Verfahrens kann eine modulierte Strahlungsquelle 10 vorgesehen sein, beispielsweise ein modu lierter Laserstrahl, um die Transparenz der Dünnschicht 2 zu messen. Damit läßt sich die Höhe des aktiven Signals am Detek tor 20 genauer ermitteln. Der Nachweis kann außerdem in einem Lock-in-Verstärker erfolgen.In a further embodiment of the arrangement for carrying out the method, a modulated radiation source 10 can be provided, for example a modulated laser beam, in order to measure the transparency of the thin layer 2 . The height of the active signal at the detector 20 can thus be determined more precisely. Detection can also be done in a lock-in amplifier.
Claims (16)
- - Es wird Änderung der Transmission der HTSL-Dünnschicht während der Ätzung gemessen, wozu die Transmission des Substrats und zu entfernender Teile der HTSL-Dünnschicht als Funktion der Zeit erfaßt werden,
- - es wird die Ableitung der Transmission nach der Zeit ermittelt, wobei die Zunahme des Differenzenquotienten (T(tn) - T(tn-1))/Δt in vorbestimmten Meßintervallen als Maß für die Ätzung herangezogen wird,
- - es wird geätzt, solange T(tn) β·T(tn-1) ist, wobei β < und tn = tn-1 + Δt ist mit αf als Absorptions koeffizient der HTSL-Schicht und r als Ätzrate.
- Change in the transmission of the HTSL thin layer during the etching is measured, for which purpose the transmission of the substrate and parts of the HTSL thin layer to be removed are recorded as a function of time,
- the derivation of the transmission is determined over time, the increase in the difference quotient (T (t n ) - T (t n-1 )) / Δt being used as a measure of the etching at predetermined measuring intervals,
- - It is etched as long as T (t n ) β · T (t n-1 ), where β <and t n = t n-1 + Δt is with α f as the absorption coefficient of the HTSL layer and r as the etching rate .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |