DE60207619T2 - Verfahren zum Aufdampfen eines dicken dielektrischen Films - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablagern eines dicken dielektrischen Films, so wie einem Siliziumdioxidfilm, optischer Qualität auf einem Substrat.
  • Die Herstellung optischer Vorrichtungen, so wie optischer Multiplexer (Mux) und Demultiplexer (DMux), die Wellenleiter aus Siliziumdioxid benutzen, erfordert das Aufdampfen hochleistungsfähiger Siliziumdioxidfilme über einem Siliziumdioxid-Wafer. Wegen der strengen Anforderungen an die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Filme ist es wichtig, eine sehr gute Kontrolle (innerhalb der Gleichförmigkeit des Wafers, von Wafer zu Wafer und Wiederholbarkeit von Verfahrenslauf zu Verfahrenslauf) über die erforderlichen physikochemikalischen und mechanischen Eigenschaften zu haben.
  • Die wichtigsten Eigenschaften, die zu steuern sind, sind die Filmzusammensetzung, der Brechungsindex, die mechanische Belastung und optische Absorption. Zusätzlich muß der Film frei von irgendwelchen Teilchen oder anderer Verunreinigung sein. Solche Teilchen können als Lichtabsorptionsstellen wirken oder Defekte in die Funktionalität der Vorrichtung einführen.
  • Die Ablagerung einer dicken dielektrischen Schicht für optische und mikromechanische Vorrichtungen kann durchgeführt werden, indem man die Technik des LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition; chemische Dampfablagerung bei Niederdruck) benutzt. Diese Technik lagert die dielektrische Schicht durch die Einführung eines reaktiven Gases in einen Niederdruck-Quarzofen ab. Diese Reaktion wird nur durch Wärme aktiviert, und die Gleichförmigkeit und Wiederholbarkeit der Schicht hängt von verschiedenen Parametern ab, so wie dem Filmaufbau auf der Wand des Ofens, dem Temperaturprofil, der Quarzqualität und der Gasdynamik innerhalb des Ofens, die schwierig zu steuern sind. Diese Technik erzeugt einen Film mit einer großen Anzahl kleiner Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen erhöhen sich in der Größe mit der Dicke des Films.
  • Die Ablagerung kann auch durchgeführt werden, indem man die Technik des ATCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; Chemische Dampfablagerung bei atmosphärischem Druck) benutzt. Bei dieser Technik wird die Schicht durch Einspritzen eines reaktiven Gases aus einem Dispersionskopf des erhitzten Substrates abgelagert. Die Ablagerung einer dicken Schicht bei einer solchen Ausrüstung erfordert mehrere getrennte Ablagerungen, und es ist schwierig, die Wiederholbarkeit des Filmes bei einer Ablagerung zu anderen zu kontrollieren. Auch ist der Verunreinigungspegel bei einer solchen Ablagerungstechnik hoch, wegen des direkten Kontaktes zwischen den reaktiven Gasen und der Atmosphäre.
  • Gemäß den Grundsätzen der Erfindung wird die PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; Durch Plasma verstärkte chemische Dampfablagerung) in einem herkömmlich verfügbaren Reaktor für die Dickfilmablagerung verwendet.
  • PECVD-Ablagerung wird nomalerweise für die Herstellung integrierter Schaltungen (IC) verwendet, wenn die Dicke der beteiligten Filme in der Größenordnung von einem Mikrometer oder weniger (ein Mikrometer = 1 μm) ist. Das Aufdampfen dickerer Schichten ist schwierig, insbesondere für Dicken von mehr als fünf Mikrometern. Bei all diesen Dicken werden die oberen Elektroden, die auch als der Gasdispersionskopf wirken, durch die Plasmaenergie Überhitzen erfahren, und das Vorliegen von Silan (SiH4) in dem Reaktor wird bewirken, daß sich ein Siliziumdioxidfilm auf der Elektrode aufbaut. Dieser Aufbau modifiziert die relative Impedanz des Plasmas und bewirkt eine Verschiebung in den Plasmaeigenschaften und somit in den Filmeigenschaften selbst. Auch wegen der schlechten Adhäsion dieses Siliziumdioxidaufbaus auf der oberen Elektrode bei einer unkontrollierten Temperatur schälen sich Späne von der Oberfläche ab und fallen auf den Wafer, was somit eine Hauptverunreinigung erzeugt. Bei einem nachfolgenden Ablagerungsreaktor erscheint diese Verunreinigung von der oberen Elektrode nach ungefähr 200 Sekunden kontinuierlichem Aufdampfen unter einem einzelnen Duschkopf. Diese Begrenzung in der Zeit entspricht einem Film von ungefähr fünf Mikrometern bei einer Ablagerungsgeschwindigkeit von 0.215 Mikrometer/Minute, die typisch für diesen Prozeß ist. Das Überhitzen des Duschkopfes kann auch bei einem dünneren Film auftreten, wenn er auf einer großen Anzahl von Wafern abgelagert wird. Die aufeinanderfolgende Ablagerung von Film dicker als einem Mikrometer wird Überhitzen verursachen, was eine Verschiebung in den Filmeigenschaften und in der Verunreinigung erzeugen wird. Es würde somit nicht erwartet werden, daß PECVD zum Herstellen dicker Filme in optischer Qualität geeignet sein würde.
  • Die Herstellung optischer Vorrichtungen, so wie optischer Mux und DMux unter Verwendung von Siliziumdioxidwellenleitern erfordert eine Filmdicke von 5 bis 12 Mikrometern für eine einzelne Schicht. Die Gesamtdicke, die normalerweise für eine Puffer/Kern/Mantel-Struktur benutzt wird, beträgt 20 Mikrometer oder mehr. Bei diesen Dicken ist es normalerweise möglich, Filme in einem einzelnen Verfahrenslauf abzulagern, um die Filmqualität und Steuerung zu erhalten, die bei integrierten optischen Vorrichtungen benötigt wird, ohne übermäßige Verunreinigung, welche durch die obere Elektrode hervorgerufen wird, die sich in dem Reaktor überhitzt.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt die Erzeugung von Filmen mit einer Dicke von 20 Mikrometer oder mehr, die in einem einzelnen Verfahrenslauf verarbeitet werden, für eine große Anzahl von Wafern in demselben Batch, wobei eine spezielle Ablagerungssequenz in einem kommerziellen Reaktor verwendet wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufdampfen eines Films optischer Qualität aus dielektrischem Material zur Verfügung gestellt, der eine Dicke von wenigstens 20 μm (20 Mikrometern) hat, auf einem Substrat, mit: Ausbauen des Films optischer Qualität durch Ablagern einer Vielzahl von Unterschichten des dielektrischen Materials durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; durch Plasma verstärkte chemische Dampfablagerung) in einem Reaktor, wobei jede Unterschicht eine Dicke von nicht mehr als 7 μm (7 Mikrometer) hat; und Reinigen des Reaktors zwischen dem Aufdampfen jeder Unterschicht.
  • Bei Verwendung dieses Verfahrens haben die Anmelder unerwarteter Weise gefunden, daß sie dielektrische Filme bis hinauf zu 28 Mikrometer oder mehr in einem kommerziell erhältlichen PECVD-Reaktor ohne Verunreinigung ablagern können. Solche Filme können als optisches Material für hohe Leistungsfähigkeit eingesetzt werden.
  • Zum Beispiel kann der Mehrschrittprozeß verwendet werden, um eine dicke Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) in einer Weise abzulagern, daß der Brechungsindex, die Zusammensetzung und die mechanische Belastung gesteuert werden und die Verunreinigung des Filmes gering ist. Dieser geringe Wert der Verunreinigung führt zu minimalen Lichtverlusten, wenn der Film in einer lichtfortpflanzenden Vorrichtung eingesetzt wird, so wie einer integrierten 'Mux/DMux' auf Silizium.
  • Bevorzugt wird eine Reinigungssequenz für den Reaktor benutzt, welche den Filmaufbau auf dem Gasdispersionskopf durch eine Kombination von Plasmareinigung mit hohem und niedrigem Druck entfernt, die abhängig ist von der Dicke des Filmes, der abgelagert werden soll, und der Anzahl von Wafern, die bearbeitet werden sollen. Ein Hauptaspekt der Erfindung ist das Vorsehen einer Reinigungssequenz, die abhängig von der maximalen Anzahl von Wafern gemacht werden kann, die für eine bestimmte Dicke bearbeitet werden, bevor eine Plasmareinigung erforderlich ist. Die Reinigungssequenz wird automatisch durchgeführt und die Aufdampfungssequenz wird in demselben Verfahrenslauf fortgeführt, um die gute Reproduzierbarkeit von Wafer zu Wafer zu garantieren.
  • Typischerweise wird die Hochdruckreinigung bei ungefähr 360 Pa (2.7 Torr) durchgeführt und die Niederdruckreinigung bei ungefähr 93 Pa (0.7 Torr).
  • Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
  • 1 ein schematisches Schaubild eines PECVD-Reaktors mit Duschkopf ist; und
  • 2 ein Ablaufdiagramm ist, das die Betriebsweise des Prozesses gemäß der Erfindung zeigt.
  • Die Erfindung wird bevorzugt implementiert, indem ein Duschkopf-Reaktor des Types, der in 1 gezeigt ist, verwendet wird. Der Duschkopf-Reaktor 10 benutzt eine gelochte oder poröse planare Fläche 14, welche den Duschkopf bildet, um Reaktionsgase mehr oder weniger gleichförmig über eine zweite parallele plane Fläche 12 zu zerstäuben, welche eine Ladung Wafer halten kann, auf die ein Film aufgedampft werden soll. Mehr als ein Duschkopf kann in einem Reaktor vorgesehen sein.
  • Das Verfahren gemäß einer Ausführungsform ist in 2 gezeigt. Nach dem Aufdampfen der ersten Unterschicht wird der Reaktor mit Sauerstoff und einem Ätzmittel plasmagereinigt. Der Duschkopf selbst wird gereinigt, um den Aufbau von Film zu entfernen, und dann wird die nächste Unterschicht abgelagert. Der Prozeß wird wiederholt, bis die gesamte Filmdicke aufgebaut worden ist.
  • Beispiel
  • Eine Schicht dicker als 7 Mikrometer auf einer großen Anzahl von Wafern kann wie folgt aufgedampft werden:
    Zunächst wird ein Substrat in einem kommerziellen sequentiellen PECVD-Duschkopfreaktor gebracht, der so eingerichtet ist, daß er den gesamten Film in einem Vielschichtmodus ablagert. Jede der abgelagerten Unterschichten sollte die Hälfte der erforderlichen endgültigen Dicke bis zu 14 Mikrometern betragen, ein Drittel bis zu 21 Mikrometern und ein Viertel bis zu 28 Mikrometern. Die Anzahl der benötigten Unterschichten entspricht der minimalen Anzahl von Unterschichten, die notwendig sind, um die gesamte Dicke des Filmes aufzubauen, ohne daß man 7 Mikrometer für jede Unterschicht überschreitet. Als ein Beispiel könnte eine Pufferschicht eines Mux/DMux mit zwei Unterschichten von jeweils 4 μm aufgebaut werden. Die Kernschicht (5 μm) und die Verkleidungsschicht können in einer einzigen Aufdampfung aufgebaut werden.
  • Der Plasmareaktor muß zwischen jeder der abgelagerten Unterschichten gereinigt werden. Diese vollständige Reaktorreinigung wird durch eine Kombination zweier Schritte durchge-führt. Der erste Schritt ist im allgemeinen eine Hochdruckreinigung, die dazu gedacht ist, alle Komponenten in dem Reaktor abzuätzen. Bei diesem ersten Reinigungsschritt wird das Plasma das gesamte Volumen des Reaktors besetzen. Der zweite Reinigungsschritt ist eine Niederdruckreinigung, die dazu gedacht ist, die Gasablagerung am Duschkopf allein abzuätzen und irgendwelchen möglichen Filmabbau zu entfernen, der Verunreinigungen bei der Ablagerung der nächsten Schicht hervorrufen kann. Diese Sequenz ermöglicht es auch, daß die Duschköpfe auf eine stabile Temperatur kommen, bevor man mit der Ablagerung mit der nächsten Schicht fortführt.
  • Die Reinigungsschritte werden mit Sauerstoff und einem Ätzmittel, z.B. C2F6, durchgeführt.
  • Typische Parameter für diese Reinigungsschritte sind wie folgt:
  • Hochdruckreinigung (A):
    • Druck: 360 Pa (2.7 Torr)
    • Hochfrequenzleistung: 1000 Watt
    • O2-Strom: 2 slm (Standardliter pro Minute)
    • C2F6-Strom: 2 slm
    • Zeit: abgelagerte Dicke × 0.35
  • Niederdruckreinigung (B):
    • Druck: 93 Pa (0.7 Torr)
    • Hochfrequenzleistung: 1000 Watt
    • O2-Strom: 2 slm (Standardliter pro Minute)
    • C2F6-Strom: 2 slm
    • Zeit: 0.25 × Reinigungszeit A + 150 sec
  • Um die abgelagerte Dicke zum Verwenden bei der Berechnung der Zeit der Reinigung A zu berechnen, sollte eine rezeptabhängige Ablagerungsgeschwindigkeit verwendet werden, welche auch die Anzahl von Wafern berücksichtigt, die bedampft werden sollen und die Zeit dazu. Um Kontaminierung zu vermeiden, haben die Anmelder gefunden, daß die nominalen Ablagerungsgeschwindigkeiten, die bei der Berechnung der Reinigungszeit verwendet werden, auf 5000 A/min eingestellt werden sollten, was höher ist als der tatsächliche Wert von 4100 A/min. Dies wird bewirken, daß der Reaktor in den Reinigungsmodus geht, bevor das Abschälen vom Duschkopf geschehen kann, indem man die tatsächliche Dicke als eine Funktion der Wafer, auf denen abgedampft werden soll, überschätzt.
  • Um die Ätzzeit für den Reinigungsschritt B zu berechnen, sollte eine rezeptabhängige Ätzrate verwendet werden. Um Kontamination zu vermeiden, sollte die nominale Ätzrate auf 8000 A/min eingestellt werden, was niedriger ist als der tatsächliche Wert von 11000 A/min. Dies wird bewirken, daß die Plasmareinigung in einem Überätzmodus über eine längere Zeit als eine Funktion der Dicke und der Anzahl der Wafer, auf denen abgelagert wird, bleibt.
  • Mit diesem Verfahren ist es möglich, Vielschichtstrukturen ohne Begrenzung der Dicke oder der Anzahl der Wafer, die bearbeitet werden sollen, abzulagern, da der Reaktor während des Ablagerns der Schichten gereinigt wird, was die Dicke des Films und die Anzahl der Wafer, die verarbeitet werden sollen, berücksichtigt. Drücke können variiert werden, damit sie an die besonderen Umstände angepaßt werden können. Typischerweise kann der Druck im Reinigungsschritt A von 133–1330 Pa (1 Torr bis 10 Torr) variiert werden, der Druck im Reinigungsschritt B kann von 133–1330 Pa (1 Torr bis 10 Torr) variiert werden, die Hochfrequenzleistung während der Reinigungsschritte A und B kann von 500 W bis 5000 W variiert werden, der Sauerstoffstrom in den Reinigungsschritten A und B kann von 0.5 slm bis 10 slm variiert werden, der C2F6-Strom in den Schritten A und B kann von 0.5 lm bis 10 lm variiert werden, die maximale Dicke, die in einer einzelnen Schicht abgelagert wird, kann von 1 μm bis nicht mehr als 7 μm variiert werden, die maximale Anzahl von Unterschichten in einem einzelnen Verfahrenslauf kann von 1 bis 10 variiert werden, die Ablagerungsgeschwindigkeitseinstellung für die Reinigungszeitberechnung kann von 4000 A/min bis 10000 A/min variiert werden, und die Ätzrateneinstellung für die Reinigungszeitberechnung kann von 11000 A/min bis 1000 A/min variiert werden.
  • Die Erfindung ist anwendbar auf Herstellungsprozesse, welche die Ablagerung von dicken (dicker als 1 Mikrometer) Schichten umfaßt. Neben reinem Siliziumdioxid können solche Schichten dotiertes Siliziumdioxid, Nitrit, Oxynitrit oder amorphes Silizium sein.
  • Die Filme können auf Substraten, so wie Siliziumwafern, III-V-Verbund-Halbleiterwafern, II-VI-Verbund-Halbleiterwafern, Quarz, Saphir und Aluminiumoxid gebildet werden.
  • Die Erfindung ist besonders anwendbar auf die Herstellung von photonischen Vorrichtungen, so wie Mux/DMux-Vorrichtungen, ist jedoch auch auf Halbleitervorrichtungen anwendbar, im allgemeinen auf mikroelektronische mechanische Systeme (MEMS), Biochips, Lab-on-a-chip-Vorrichtungen und Multichipmodulen. Zum Beispiel ist eine weitere wichtige Anwendung die Herstellung von sich drehenden Spiegeln für optische Schalter.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Aufdampfen einer Schicht dielektrischen Materials optischer Qualität mit einer Dicke von mindestens 20 μm (20 Mikrometer) auf ein Trägermaterial, das aus den folgenden Schritten besteht: Aufbau einer Schicht optischer Qualität durch das Aufdampfen mehrerer Unterschichten des dielektrischen Materials durch das chemische Aufdampfen mit einem Plasma-Unterstützungs-Verfahren (PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in einem Reaktor, wobei jede der Unterschichten nicht mehr als 7 μm (7 Mikrometer) dick ist, und Reinigung des Reaktors zwischen dem Aufdampfen jeder der Unterschichten.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein Zerstäubungsreaktor mit einem Sprühkopf zur Gasdispersion ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung des Reaktors in zwei Schritten erfolgt, wobei der ganze Reaktor im ersten Schritt gereinigt wird und der Sprühkopf im zweiten Schritt, um eventuellen Aufbau einer Schicht zu beseitigen.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der. erste Schritt und der zweite Schritt mit einem Ätzmittel in Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt werden.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel C2F6 ist.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt für eine Dauer, die von der Dicke der zuvor aufgedampften Schicht abhängt, durchgeführt wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schritt für eine Dauer, die von der Dauer der Reinigung im ersten Schritt abhängt, durchgeführt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt unter einem höheren Druck als der zweite Schritt durchgeführt wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt unter einem Druck von etwa 2,7 Torr durchgeführt wird und der zweite Schritt unter einem Druck von etwa 0, 7 Torr.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im ersten und zweiten Schritt im Bereich von 133–1 330 Pa (1 bis 10 Torr) liegt.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem zweiten Schritt ein Wartezyklus vorgesehen wird, damit die Temperatur des Reaktors sich stabilisieren kann.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder der aufgedampften Unterschichten nicht 7 Mikrometer überschreitet.
  13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material SiO2 ist.
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