DE4223987C2 - Vorrichtung für großflächiges Ionenätzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für großflächi­ ges, homogenes Ionenätzen innerhalb einer Vakuumanlage, welche einen Rezipienten mit einer Gaseinlassöffnung und einer Gasauslassöffnung sowie eine flächenhaft ausgebil­ dete, auf Massepotential befindliche Anode und eine dazu weitgehend parallel angeordnete Kathode hat, wobei der gegenseitige Abstand zwischen der Oberfläche der Kathode und der Anode unterschiedlich ist.

Eine Vorrichtung der vorstehenden Art ist Gegenstand der GB 2 026 369 A. Bei der bekannten Vorrichtung sind die Anode und Kathode kreisförmig ausgebildet. Die Anode trägt die Substrate. Der Querschnitt der Anode nimmt ra­ dial nach außen zu, so dass der Abstand zwischen Anode und Kathode nach außen entsprechend abnimmt. Die Gasaus­ lassöffnung und Gaseinlassöffnung sind koaxial zueinan­ der, zentrisch zu der Anode und Kathode angeordnet.

Die US 4,425,210 beschreibt auch schon eine Vorrichtung zum Ionenätzen, bei der mit einer HF-Spannungsquelle ver­ bundene Kathoden stufenförmige Bereiche haben, so dass ihr jeweiliger Abstand zur Anode stufenförmig nach außen hin abnimmt. Jeweils eine Anode und eine Kathode bilden ein Elektrodenpaar. Die Substrate werden bei dieser Vor­ richtung zwischen den Elektrodenpaaren angeordnet, so dass sich durch die stufenförmigen Bereiche nicht der Ab­ stand zwischen den Kathoden und den Substraten verändert.

Vorrichtungen, die zum Ionenätzen geeignet sind und in­ nerhalb von Vakuumanlagen betrieben werden, in denen ebenso Sputterprozesse durchführbar sind, sind beispielsweise auch aus den Druckschriften DE 22 41 229 C2 und DE 21 49 606 bekannt. Hier sind Vorrichtungen beschrieben, die neben der Sub­ stratbeschichtung mittels Kathodenzerstäubung durch bloßes Umpolen der Elektroden auch Ionenätzen ermög­ lichen.

In der DE 22 41 229 C2 wird zum Ionenätzen von Substraten durch eine Glimmentladung ein sogenanntes geschlossenes System beschrieben, innerhalb dessen sich ein Plasma aus­ bildet, das für den Materialabtrag auf dem Substrat er­ forderlich ist und von den Elektrodenflächen weitgehend umschlossen wird. Ein steter Gasaustausch innerhalb des Plasmavolumens findet dabei nicht statt. Die Aufrechter­ haltung eines stabilen Plasmas innerhalb der geschlossenen Ätzkammer erfordert jedoch zum einen einen hochpräzisen mechanischen Einschluß, d. h. eine hochgenaue gegenseitige Anbringung der Elektrodenflächen unter Berücksichtigung genau einzuhaltender Abstandserfordernisse und zum anderen eine präzise Einstellung der Potentialverhältnisse zwi­ schen der auf Masse liegenden Kathode, an der das zu ätzende Substrat angebracht ist und der darüber befind­ lichen Anode.

Ferner ist zum gleichmäßigen Materialabtrag von der Sub­ stratfläche eine weitgehend homogene Verteilung der Plas­ madichte oberhalb des Substrats notwendig. In Verbindung mit dem herrschenden Potentialgefälle können sich aber auch durchaus unterschiedliche Ätzraten aufgrund lokaler Unterschiede in den für den Ätzprozeß bestimmenden Para­ metern (z. B. Plasmadichte, Elektrodenabstand und Span­ nungsverhältnis) auf der Substratoberfläche ausbilden.

Mit den an sich bekannten Ätzvorrichtungen, wie sie bei­ spielsweise in den vorgenannten Druckschriften beschrieben sind, können weitgehend homogene Ätzraten auf scheiben­ förmigen Substratkörpern mit einem Durchmesser von bis zu 150 mm erzielt werden. Größere Substratflächen sind jedoch mit den bisher bekannten Ätzvorrichtungen nicht in der beschriebenen Gleichmäßigkeit ätztechnisch zu behandeln, da insbesondere an den Substratrandbereichen eine ge­ ringere Abtragerate auftritt als im Mittelbereich des Substrats. Dies liegt hauptsächlich daran, daß sich das Plasma an den Substratrandbereichen aufgrund von Plasma­ ausflüssen erheblich verdünnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für großflächiges, homogenes Ionenätzen innerhalb einer Vakuumanlage mit einem Rezipienten, der Gasein- und Gas­ auslaßöffnungen aufweist, derart weiterzubilden, daß die Aufrechterhaltung eines stabilen Plasmas innerhalb des Rezipientengehäuses vereinfacht wird und die Gleichmäßig­ keit der Abtragerate auch bei größerflächigen Substraten, als die mit den bisher bekannten Ätzvorrichtungen bisher handhabbaren Substrate, gewährleistet werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung für großflächiges, homogenes Ionenätzen innerhalb einer Vakuumanlage mit einem Rezipienten, der Gasein- und Gasauslaßöffnungen aufweist, mit wenigstens einer flächenhaft ausgebildeten und auf Massepotential befindlichen Anode und einer dazu weitgehend parallel angeordneten Kathode, die als Substrathalter vorgesehen und mit einer HF-Spannungsquelle ver­ bunden ist, derart angegeben, daß die Anodenoberfläche stufenförmige Bereiche aufweist, die jeweils unterschied­ lich weit von der Kathode beabstandet sind.

Das Prinzip des Ionenätzens mittels einer Vakuumkammer beruht darauf, daß zwischen den zwei Elektrodenflächen, von denen die Kathode den, das Substrat tragenden, nega­ tiven Pol darstellt und die Anode, die flächenhaft der Kathode gegenüberliegend angeordnet ist, Inertgas einge­ leitet wird. Zumeist handelt es sich hierbei um Argon-Gas. Zusätzlich wird an eine der beiden Elektroden eine HF- Hochspannung angelegt, damit das zwischen den Elektroden eingespeiste Inertgas ionisiert wird und sich zu einem sta­ tionären Plasma ausbildet. Die dabei entstehenden posi­ tiven Argon-Ionen werden aufgrund elektrostatischer An­ ziehung in Richtung der negativ geladenen Substratober­ fläche beschleunigt und lösen beim Aufprall auf der Sub­ stratoberfläche in Abhängigkeit von ihrer kinetischen Energie und den energetischen Oberflächenverhältnissen des Sub­ strats eine bestimmte Menge an Substratmaterial aus. In einem offenen System, in dem parallel zur Substratober­ fläche ein Gasstrom aufrecht erhalten wird, werden somit die abgesputterten Substratpartikel auf der Anode abge­ schieden oder, falls gasförmige Verbindungen entstehen, werden diese aus dem Plasmavolumen in den Gasstrom ent­ fernt, wodurch die chemische Zusammensetzung und damit verbunden die elektronischen Verhältnisse innerhalb der Plasmawolke unverändert bleiben.

Prinzipiell richtet sich die Ätzrate nach der pro Zeit auf die Substratoberfläche auftreffenden Argonionenzahl, die sich vornehmlich nach der Anzahl der über der Substratoberfläche befindlichen ionisierten Argonatome richtet. Bei gegebenem Druck des in der Anlage vorhandenen Argongases und gegebener Hochspannung zwischen der Kathode und dem Gegenpotential brennt nur dann ein Plasma, wenn der Ab­ stand zwischen den beiden Potentialen ausreichend groß ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß Ionen und Elek­ tronen auf dem Wege zwischen den beiden Potentialen Stöße ausführen, bei denen neue Ionen und Elektronen erzeugt werden. Ist die Zahl der Stöße zu klein, beispielsweise bei zu geringem Druck oder zu geringem Abstand zwischen den beiden Potentialen, dann ist die Ionen-Elektronen­ konzentration zu gering und das Plasma erlischt.

Will man umgekehrt vermeiden, daß zwischen zwei Flächen, von denen eine Hochspannung führt, ein Plasma brennt, so müssen diese Flächen so nahe zusammengerückt werden, daß nur wenig Elektronen-Ionen-Paare entstehen. Allein diese Überlegung zeigt bereits, daß man durch Variation des Abstandes zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden einen genau einzustellenden Regelparameter besitzt, um die Ätzrate auf der Substratoberfläche beliebig wählen zu können.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein, die erfindungsge­ mäßen Elektroden aufweisendes Rezipientenge­ häuse,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Stufen­ anode.

Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch ein, die erfindungsgemäßen Elektroden aufweisendes Rezipientengehäuse.

Die in Fig. 1 dargestellte Seitenansicht eines Rezipi­ entengehäuses, in dem die erfindungsgemäßen Elektroden angeordnet sind, weist eine mittig angeordnete, flächen­ hafte Elektrode 1 auf, die über ein spezielles Hochfre­ quenzanpassungsnetzwerk 5 mit einer HF-Quelle 7 mit Hoch­ spannung versorgt wird. Ihr gegenüberliegend innerhalb des Rezipientengehäuses 4 befindet sich eine stufenförmig ausgebildete Gegenelektrode 3, die vorzugsweise auf Masse­ potential liegt. Die Elektrode 1 ist dabei durch einen Kondensator mit der HF-Quelle 7 gekoppelt, ansonsten aber gegen Erdpotential isoliert ausgeführt, so daß die Elek­ trode 1 ein gegen Erdpotential von Null verschiedenes Potential aufweisen kann. Ferner weist die Elektrode 1 gegenüber der Elektrode 3 und dem Rezipientengehäuse 4 eine kleinere Oberfläche auf, so daß die Elektrode 1 stets negativ vorgespannt ist, wenn ein Plasma in dem Rezipi­ enten R gezündet wird. Durch ein Gaseinlaßventil 2 tritt Argongas in das Innere des Rezipienten R ein, überströmt dabei die Elektrodenanordnung und wird auf der gegenüber­ liegenden Seite durch ein geeignet angebrachtes Gasaus­ laßventil 6 durch eine entsprechende Vakuumpumpe (nicht dargestellt) wieder abgepumpt. Der Gaseinlaß 2 in den Re­ zipienten R ist durch ein zusätzlich angebrachtes Fluß­ meter (ebenfalls nicht dargestellt) regelbar. Der sich im Rezipienten R dabei einstellende Arbeitsdruck beträgt zwischen 10^-3 und 10^-2 hPa. Wegen der zwischen den Elektroden 1 und 3 anliegenden Hochspannung werden die im Zwischenraum der Elektroden befindlichen Argon-Atome ionisiert und auf die Substratoberfläche beschleunigt. Dort lösen sie aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie in Form von Stoßprozessen Substratpartikel aus. Diese Sub­ stratpartikel werden entweder auf der gegenüberliegenden Anode erneut abgeschieden oder, falls diese mit einem zu­ gesetzten Reaktivgas eine gasförmige Verbindung eingehen durch Abpumpen aus dem Rezipienten R entfernt. Der offene Aufbau mit stetiger Gaszuführung und Gasentfernung gewähr­ leistet folglich eine weitgehend konstante Gaszusammen­ setzung innerhalb des Rezipienten R.

Die Stufenanordnung der Ätzanode 3 ist dabei derart kon­ zipiert, daß sie in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ form im Bereich des Gaseinlasses am weitesten von der Kathode beabstandet ist, da dort die frisch in das Rezi­ pientengehäuse eingeleiteten Argonatome zunächst erst ionisiert werden müssen, damit sie zum Ätzprozeß beitragen können. Erst nach einer Mindestverweildauer zwischen den Elektrodenplatten werden die Argonatome durch Stoßprozesse ionisiert, was dazu führt, daß die Argonionenkonzentration im Bereich des Gaseinlasses geringer ist als im Bereich des Gasauslasses. Ferner ist bekannt, daß die Ätzrate abhängig ist von dem Arbeitsdruck, so daß bedingt durch lokal unterschiedliche Arbeitsdrücke, z. B. im Bereich des Gaseinlasses 2 oder -auslasses 6, unterschiedliche Ätzraten auftreten können. Um diese genannten unerwünschten Effekte zu vermeiden und im gesamten Bereich der Substratfläche eine einheitliche Ätzrate zu erzielen, wird - wie bereits beschrieben - der gegenseitige Elektrodenabstand in Be­ reichen zunehmender Argonionenkonzentration verringert. Dies führt schließlich zu einer Stufenstruktur der Ätzanode, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 2 stellt die Draufsicht auf die erfingungsgemäße flächenhafte Stufenstruktur der Anode dar, wie sie bei­ spielsweise in Fig. 1 im Querschnitt wiedergegeben ist. Die treppenförmige Gestaltung der Oberfläche der Anode 3 erzeugt stufenförmige Bereiche 8, die in der Fig. 2 je­ weils durch "Höhenlinienzüge" voneinander getrennt sind. Ein die quadratische Anode 3 der Kantenlänge L, um­ gebender Rahmen 9 sorgt für eine geeignete Positionierung der Anode 3 innerhalb des Rezipientengehäuses 4.

Natürlich sind davon abweichende Stufenformanordnungen denkbar, so z. B. eine Stufenüberhöhung im Mittelbereich der Elektrodenanordnung, die zu den Randbereichen hin jeweils abfällt. Eine derartige erfindungsgemäße Anoden­ ausgestaltung gibt Fig. 3 wieder. Man hat erkannt, daß die Plasmaausdünnung speziell in den Randbereichen dadurch verringert werden kann, wenn die Elektrodenbeabstandung stufenweise zu den Randbereichen vergrößert wird. Durch eine stufenpyramidenförmige Anodenstruktur mit beliebig vielen Stufenbereichen 8' kann somit der Plasmaausdünnung entgegengewirkt werden.

Grundsätzlich kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ätzanode die lokale Ätzrate durch eine Variation in der Elektrodenbeabstandung individuell eingestellt werden. Somit ist es zum ersten Mal möglich, quadratische Substrat­ flächen mit einer Seitenlänge von bis zu 50 cm in einem bisher unerreichbar homogenen Maße zu ätzen.

Gerade die Herstellung von Halbleiterbausteinen in großer Stückzahl erfordert eine nach den Maßstäben der Massenproduktion ausgelegte Prozeßführung. Um den Wechsel einer Ätzcharge zur nächsten so schnell wie möglich vornehmen zu können, ist die Kathode mit den an ihr befestigten Sub­ straten beweglich gelagert, so daß sie in die Ätzkammer fahrbar ist. Dies erleichtert erheblich den Substrat­ wechsel und sorgt für eine weitgehend optimale Ausnutzung der Ätzanlage, was sich letztlich kostenmindernd auf die Produktion auswirkt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Ätztechnik derart weitergebildet werden, daß kostengünstig groß­ flächige Substrate in gewünschter Weise homogen bearbeitet werden können.

Claims (7)

1. Vorrichtung für großflächiges, homogenes Ionenätzen innerhalb einer Vakuumanlage, welche einen Rezipienten (R) mit einer Gaseinlassöffnung (2) und einer Gasaus­ lassöffnung (6) sowie eine flächenhaft ausgebildete, auf Massepotential befindliche Anode (3) und eine dazu weit­ gehend parallel angeordneten Kathode (1) hat, wobei der gegenseitige Abstand zwischen der Oberfläche der Kathode (1) und der Anode (3) unterschiedlich ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kathode (1) als mit einer HF-Span­ nungsquelle (7) verbundener Substrathalter ausgebildet ist, dass die Gaseinlassöffnung (2) nahe eines Randes und die Gasauslassöffnung (6) nahe des gegenüberliegenden Randes der Anode (3) und Kathode (1) vorgesehen ist und zur Abstandsänderung die Oberfläche der Anode (3) stufen­ förmige Bereiche (8) hat, die jeweils unterschiedlich weit von der Kathode (1) beabstandet sind, und dass die Vorrichtung zwei sich flächenhaft gegenüberliegende An­ oden (3, 3') hat und die Kathode (1) in der Ebene mittle­ ren Abstands zwischen beiden Anoden (3, 3') vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden (3, 3') und die Kathode (1) quadratisch sind und eine Seitenlänge (L) von bis zu 50 cm aufweisen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Bereich des Gaseinlasses (2) der Abstand zwischen der Kathode (1) und zumindest einer An­ ode (3, 3') am größten und im Bereich des Gasauslasses (6) am geringsten ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Mittenbereich zumindest einer An­ ode (3, 3') stufenförmige Abschnitte (8') aufweist, die zur Kathode (1) einen kleineren Abstand aufweisen als de­ ren Randbereiche.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsdruck innerhalb des Rezi­ pienten 10 ^-3 und 10 ^-2 hPa beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) zur Bestückung mit Substraten verfahrbar angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) über ein HF-Anpas­ sungsnetzwerk (5) mit der HF-Spannungsquelle (7) verbun­ den ist.