DE69017271T2

DE69017271T2 - Gerät zur Bearbeitung mittels Mikrowellen in einem magnetischen Feld.

Info

Publication number: DE69017271T2
Application number: DE69017271T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Arai; Naoki Hirose; Noriya Ishida; Kenji Ito; Masaya Kadono; Toru Takayama; Shunpei Yamazaki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: US5302226A; EP0402867A2; EP0402867A3; US5609774A; EP0402867B1; DE69017271D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrowellenbearbeitung in einem Magnetfeld, wie zur Verwendung bei Verfahren zum Absetzen oder Ätzen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.
Aus der Druckschrift US 459106 ist eine solche Vorrichtung bereits bekannt, die eine Entladeröhre, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung und einen Substrathalter umfaßt. Die Probe wird in dem Entladungsbereich angeordnet. Ein Durchgangsbereich zum Abziehen von Teilchen nach außen aus dem Entladungsbereich ist 5/16 oder weniger der Fläche des Entladungsbereiches.
Ein Beispiel einer bekannten Vorrichtung zur Bearbeitung mittels Mikrowellen ist eine Ionenschauervorrichtung, wie sie in der japanischen Patentanmeldung Nr. sho 55-141729 (Veröffentlichung Nr. sho 57-133636) in den Namen von Seitaroh Matsuo beschrieben ist. Die Vorrichtung dieser Art ist gut als ein ECR (Elektronenzyklotronresonanz) Vorrichtung bekannt, die die Divergenz eines Magnetfeldes verwendet. Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht dieser Art Vorrichtung. Die Vorrichtung umfaßt eine Reaktionskammer 33, die mit einem Plasmaerzeugungsraum 19 versehen ist, eine Spule 17, die den Raum 19 umschließt, und einen Substrathalter 13. Der Plasmaerzeugungsraum 19 ist teilweise mittels einer Trennwand 31 abgeteilt, die eine mittige Plasmaausgangssöffnung 32 aufweist. Der Substrathalter 13 befindet sich von der Öffnung 32 in einem vorbestimmten Abstand 30 (20 30 cm), in dem Magnetkraftlinien in Richtung zu dem Halter (Bereich 29) divergieren. Wenn Mikrowellen in den Raum 19 von einem Wellenleiter 34 durch ein Quartzfenster 15 hindurch eingespeist werden, wird ein Plasma in dem Raum 19 erzeugt und einiges Plasma wird zu der Reaktionskammer 33 durch die Öffnung 32 aufgrund des divergierenden Magnetfeldes gezogen, um die Substrate 1 an dem Halter 13 mit dem Plasma schauerartig zu beaufschlagen.
Der Druck des Plasmas ist während des Absetzens bis zu (0,003 Torr) 0,4 Pa begrenzt, bei dem Ionen eine im wesentlichen große, mittlere, freie Weglänge haben. Die in die Vorrichtung eingebrachte Mikrowellenenergie ist auch auf bis zu 0, 5 KW begrenzt. Bei dieser Konstruktion nach dem Stand der Technik wird jedoch ein wesentlicher Anteil der eingebrachten Mikrowellenenergie während der Behandlung in der Form eines Plasmaflusses verloren, der durch die Reaktionskammer 33 hindurchgeht und durch ein Unterdrucksystem 10 abgezogen wird. Dies ist besonders Problematisch, wenn ein Absetzen erwünscht wird, um einen relativ großen Bereich zu beschichten, beispielsweise mit Diamant durch chemische Dampfabscheidung. Ferner war die Gleichförmigkeit der abgesetzten Schichten nicht so groß, d.h. die Dicke der abgesetzten Schicht an mittigen Stellen und Umfangsstellen unterschied sich beträchtlich.
Die Mikrowellenbearbeitung ist auch zum Plasmaätzen verwendet worden, wie es durch den Anmelder (Patentveröffentlichung zum Einspruch Nr. sho 63-44827, hinterlegt am 14. Oktober 1985) vorgeschlagen worden ist. Die Ätzwirkung ändert sich in Abhängigkeit von der Position bei der Verwendung von Bearbeitungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik aus dem gleichen Grund wie die Ungleichförmigkeit der Dicke, die oben beschrieben worden ist. Die Genauigkeit nämlich von feinen Mustern wird an den Umfangsstellen schlechter, und es ist unmöglich, in einer zu einem Substrat normalen Richtung anisotropes Ätzen auszuführen.
Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine Plasmabearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die ein Plasma hoher Dichte ohne wesentlichen Verlust an Eingabeenergie erzeugen kann.
Es ist andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine Plasmabearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die eine Plasmabehandlung über eine große Fläche in gleichförmiger Weise ausführen kann.
Zusätzliche Zielsetzungen, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung dargelegt, die folgt, und werden zum Teil für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bei der Untersuchung des folgenden offensichtlich, oder können durch die Praxis der vorliegenden Erfindung erfahren werden.
Diese Zielsetzungen werden durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8 erreicht.
Um die vorstehende und andere Zielsetzungen zu erreichen, und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie sie hier verkörpert und ausführlich beschrieben wird, ist ein Plasmaerzeugungs- (oder Reaktions-) Raum im wesentlichen durch eine innere Wand einer Vakuumkammer und einen Halter begrenzt, der ein zu behandelndes Substrat hält. Der Zwischenraum zwischen der Kammer und dem Halter wird so klein eingestellt, daß keine Eingangsenergie in der Form von erregtem, reaktivem Gas verloren wird, das dort hindurchgeht. Typischerweise ist der Zwischenraum 10ausgewählt, daß er nicht größer als 1/4 der Wellenlänge der Eingangsmikrowellen ist, beispielsweise 30,6 mm/4 entsprechend 2,45 GHz. Die Reflexion der Eingangsmikrowellen kann auch durch diese Konstruktion verringert werden, beispielsweise auf nicht mehr als 5% der Eingangsenergie.
In dem Fall einer zylindrischen Reaktionskammer, in die ein zylindrischer Substrathalter in einer koaxialen Beziehung eingeführt, wird die Dicke des Halters typischerweise zu 10 bis 50 mm gewählt. Alternativ wird eine zylindrische Reaktionskammer mit einer größeren Kammer versehen, in der ein Substrathalter angeordnet wird, der sich koaxial zu der zylindrischen Kammer befindet und einen größeren Durchmesser als den der zylindrischen Kammer, um nicht weniger als 1/4 der Wellenlänge der eingebrachten Mikrowellen hat.
Durch diese Konstruktion können Plasmen hoher Dichte (bei 0,01 bis 10 Torr) 1,3-1333 Pa ohne wesentlichen Verlust der Eingangsmikrowellenenergie gebildet werden, und die Plasmabearbeitung kann über große Flächen in einer gleichförmigen Weise ausgeführt werden. Eine der Anwendungen dieser Erfindung ist das Absetzen von Diamantfilmen, wobei ein gasförmiges Kohlenstoffverbindungsgas verwendet wird. Die Kohlenstoffverbindung wird in eine Absetzkammer zusammen mit Wasserstoff mit einem Volumenverhältnis des Kohlenstoffverbindungsgases/Wasserstoff = 0,4 bis 2,0 eingeführt. Das Absetzen findet in einem Magnetfeld statt, wenn die Mikrowellenenergie in das reakive Gas bei nicht weniger als 2 KW eingebracht wird. Der Druck des reaktive Gas wird zwischen (0,01 bis 3 Torr) 1,3 bis 40 Pa während des Absetzens gehalten. Die Substrattemperatur wird auf zwischen 200 bis 1000ºC gehalten. Die wirksamste Strömungsgeschwindigkeit des reaktive Gas, das durch den Absetzraum hindurchgeht, ist 30 bis 600 cm/sec vorzugsweise 35 bis 200 cm/sec. Durch dieses Verfahren können Diamantfilme, die aus sp³ Bindungen bestehen, innerhalb einer Dickenungleichförmigkeit von 5% mit nicht weniger als 0,5 Mikrometer/Std. abgesetzt werden, typischerweise bei nicht weniger als 1 Mikrometer/Std. Eine andere Anwendung ist ein Ätzverfahren, das in der Vorrichtung (bei 0,01 bis 10 Torr) 1,3 - 1333 Pa in der gleichen Weise wie das Absetzverfahren durchgeführt wird mit der Ausnahme, daß ein Ätzgas statt des reaktiven Gases zum Absetzen verwendet wird. Durch das Ätzverfahren in einem Plasma hoher Dichte, das in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, wird die Ätzgeschwindigkeit auf 5 mal mehr als diejenige erhöht, die durch Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erhalten wird. Das Ätzen ist genau anisotrop, so daß Mustern in Größenordnung von Submichron möglich wird.
Die beigefügten Zeichnungen, die eingegliedert werden und einen Teil der Erfindung bilden dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erläutern.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Bearbeitung mittels Mikrowellen nach dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Bearbeitung mittels Mikrowellen, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
Fig.3 ist ein grafisches Diagramm, das das Ergebnis einer Raman Spektralanalyse eines Diamantfilms zeigt, der durch die Verwendung der Vorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung abgesetzt worden ist.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Plasmabearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Plasmabearbeitungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Nun auf die Fig. 2 bezugnehmend, ist eine Plasmabearbeitungsvorrichtung, die mit angeordneten Helmholtz Spulen 17 und 17' gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist, gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine zylindrische Vakuumkammer, die einen Reaktions- (Absetzungs-) Raum 19 darin begrenzt, einen Mikrowellengenerator 18, der mit der Kammer durch ein Dämpfungsglied 16 und ein Quarzfenster 15 verbunden ist, eine Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 8, ein Gaseinführsystem 10, das vier Einlaßöffnungen 21 bis 24 aufweist, ein Gasabsaugsystem, das eine Turbomolekularpumpe 26 mit einem weiten Bereich und eine Rotationspumpe 27 als Vorpumpe aufweist, die mit der Kammer durch ein Drucksteuerventil 25 gekoppelt sind, und einen zylindrischen Substrathalter 13, der koaxial in der Kammer und mit einem Einstellmechanismus 12 für die Substratposition vorgesehen ist, um ein Substrat in einer geeigneten Position zu halten. Durch die Verwendung des Einstellmechanismus 12 kann die axiale Position des Halters eingestellt werden, um das Volumen des Reaktionsraums 19 zu ändern. Das Absaugsystem arbeitet als eine Drucksteuereinrichtung und als ein Sperrventil. Der Druck in der Kammer wird mittels des Ventils 25 eingestellt. Das Innere der Kammer und der Halter 13 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der Durchmesser der zylindrischen Innenseite der Kammer ist 170 mm. Der Durchmesser des zylindrischen Halters 13 ist so gewählt, daß er 140 mm ist, so daß der Zwischenraum 28-1 zwischen der Kammer und dem Halter 13 ungefähr 15 mm ist. Die Dicke 28-2 des Halters 13 ist 10 bis 50 mm. Der Zwischenraum kann auf zwischen 3 und 30 mm entsprechend 12,25 cm Wellenlänge der Eingangsmikrowellen, (schmaler als 1/4 der Wellenlänge) eingestellt werden. Durch diese Ausgestaltung ist der Reaktionsraum 19 begrenzt, um Eingangsenergie nicht wesentlich zu verlieren und die Reflexion der eingespeisten Mikrowellen ist nur ungefähr 5%.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Absetzen von Diamantfilmen mittels der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, beschrieben. Der Durchmesser des Halters 13 ist nämlich 140 mm gegenüber den 170 mm Innendurchmesser der Reaktionskammer; und deshalb ist der Abstand dazwischen 50 mm. Das Substrat 1 ist beispielsweise ein Einkristall-Siliciumhalbleiterwafer mit 4 Zoll Durchmesser. Nach dem Befestigen des Substrats 1 an dem Halter 13 mit einer Befestigungseinrichtung 14 wird der Druck in dem Reaktionsraum 19 verringert auf (10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;¹&sup7; Torr) 133 x 10&supmin;&sup4; - 133 x 10&supmin;¹&sup7; Pa mittels des Evakuierungssystem, dem das Einführen eines reaktiven Gases in die Kammer auf einen Druck von (0,03 bis 3 Torr) 4,0 - 400 Pa typischerweise (0,1 bis 1 Torr) 1,3 - 133,3 Pa, beispielsweise 0,26 Torr, 34,7 Pa folgt das reaktive Gas umfaßt einen Alkohol, wie Methylalkohol (CH&sub3;OH) oder Ethylalkohol (C&sub2;H&sub5;OH), der mit Wasserstoff auf ein Volumenverhältnis von Alkohol/Wasserstoff = 0,4 bis 2 verdünnt ist. Der Wasserstoff wird zum Beispiel durch die Öffnung 21 bei 100 Standard-cm³ und der Alkohol durch die Öffnung 22 bei 70 Standard-cm³ eingeführt. Die Spulen werden während des Absetzens erregt, um ein Magnetfeld zu induzieren, das eine maximale Stärke von (2,2 K Gauss ) 0,22 T und eine Resonanzstärke von (875 Gauss) 8,75 10&supmin;² an der Oberfläche (oder in deren Nachbarschaft) des Substrats 1, hat das beschichtet werden soll. Dann werden Mikrowellen bis zu 10 KW (2 10 KW) bei 1 bis 5 GHz, beispielsweise 2,45 GHz in der zu der Richtung des Magnetfeldes parallelen Richtung angewendet, damit ionisierte Teilchen des Reaktionsgases in der Form eines Plasmas hervorgerufen werden, damit sie unter dem Einfluß des Magnetfeldes in Resonanz treten. Als ein Ergebnis wächst ein polykristalliner Diamantfilm auf dem Substrat. Ein Absetzen von 2 Stunden kann beispielsweise einen Diamantfilm von 0,5 bis 5 Mikrometer Dicke bilden, beispielsweise 1,3 Mikrometer Dicke bilden. Die Absetzgeschwindigkeit ist 10 bis 30 mal höher als die herkömmliche Geschwindigkeit bei dem Absetzen mit einer Elektronenzyklotronresonanz-Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Während des Absetzens des Diamantfilms wird Kohlenstoffgraphit ebenso abgesetzt. Jedoch reagiert der Graphit, der chemisch relativ instabil, verglichen mit Diamant ist, mit den Radikalen, die auch in dem Alkoholplasma auftreten und wird von dem abgesetzten Film in der Form von CO&sub2; oder CH&sub4; entfernt. Die Temperatur des Substrats 1 ist auf 200ºC bis 1000ºC, typischerweise 300ºC bis 900ºC, beispielsweise 800ºC durch Mikrowellen erhöht. Wenn die Substrattemperatur zu hoch ist, wird bei dem Substrathalter 13 eine Wasserkühlung ausgeführt. Wenn umgekehrt die Substrattemperatur zu niedrig ist, um wirksam das Absetzen auszuführen, wird der Halter mittels einer Zusatzheizeinrichtung (nicht gezeigt) erwärmt. Die Strömungsgeschwindigkeit des reaktiven Gases 20 in der Reaktionskammer 19 wird durch Steuern des Ventils 25 und der Einführgeschwindigkeit des Reaktionsgases geregelt. Vom Standpunkt der Absetzungsleistung sind Geschwindigkeiten von 5 bis 600 cm/sec, typischerweise 20 bis 200 cm/sec geeignet, beispielsweise 60 cm/sec bei (0,1 Torr) 13,3 Pa. Die Strömungsgeschwindigkeit kann berechnet werden, indem das gesamte Gasvolumen, das pro Sekunde von dem Einführsystem bei dem Druck der Kammer zugeführt wird, durch den Querschnitt der inneren Fläche des Reaktionsraumes 19 dividiert wird.
In Übereinstimmung mit Versuchen wurden kristalline Oberflächen aus Kohlenstoff-Einkristallen (Diamantteilchen) klar in den Filmen beobachtet, die durch das oben beschriebene Verfahren abgesetzt worden sind. Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Raman Spektralanalyse eines Diamantfilms zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung abgesetzt worden ist. Die scharfe Spitze, die bei 1336 cm&supmin;¹ erscheint, zeigt das Vorhandensein von Diamant an. Es wird kaum eine Spitze bei 1490 cm&supmin;¹ gefunden, die das Vorhandensein von Graphit anzeigt.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann auch verwendet werden, um ein Atzverfahren auszuführen. Ein Verfahren zum Herstellen von Mustern auf einem Siliciumwafer von 4 Zoll Durchmesser durch Ätzen wird beispielhaft unten beschrieben. Ätzgasguellen werden mit dem Gaseinlaßlsystem 10 verbunden, beispielsweise N&sub2; (Öffnung 21), SF&sub6; (Öffnung 22), CBrF&sub3; (Öffnung 23) und CBr&sub4; (Öffnung 24). Der Vorgang des Ätzverfahrens ist im wesentlichen der gleiche wie das Absetzverfahren mit der Ausnahme, daß das reaktive Gas, d.h. ein Ätzgas statt des Absetzungsgases verwendet wird.
Nachdem an dem Halter 13 ein Siliciumhalbleiterwafer, der mit einer Fotoresistmaske versehen war, die ein Muster mit einer Schrittweite von 0,3 Mikrometer hatte, angebracht worden war, wurden SF&sub6; und CBrF&sub3; in den Reaktionsraum 19 mit jeweils 40 cm³/Min eingeführt. Der Druck des Ätzgases wurde bei (0,05 Torr) 6,7 Pa in der Kammer gehalten. Eine Wechselspannung von 13,56 KHz wurde zwischen den Substrathalter 13 und eine Gitterelektrode 9, die parallel zu dem Halter in dem Reaktionsraum 19 angeordnet war, mittels der Wechselspannungsquelle 8 angelegt. Alternativ kann das Anlegen einer Gleichspannung anstatt der Wechselspannung verwendet werden. Dann wurden Mikrowellen bei 2,45 GHz in den Reaktionsraum 19 von dem Generator 18 bei 1 bis 8 KW eingespeist. Als ein Ergebnis wurde ein Ätzvorgang auf dem Substrat 1 ausgeführt. Die Temperatur des Substrathalters 13 wurde nicht höher als 0ºC gehalten, um das Substrat 1 während des Ätzens zu kühlen. Eine Gleichvorspannung von -100 bis -200 V wurde an das Substrat 1 angelegt. Die Ätzgeschwindigkeit war 0,9 Mikrometer/Min. Der Anisotropieindex, der definiert ist durch (horizontaler Abstand zwischen dem oberen und unteren Ende der geätzten Seitenoberfläche)/(Ätzgeschwindigkeit) war nicht höher als 0,05. In Übereinstimmung mit Versuchen wurden scharfe Vertiefungen für eine Grabenstruktur durch Ätzen in den Siliciumwafern gebildet. Wenn der Druck während des Ätzens auf (0,01 Torr, 1 Torr) 13,3 Pa, 133,3 Pa und (5 Torr) 666,6 Pa erhöht wurde, wurde auch die Absetzgeschwindigkeit jeweils auf 2 Mikrometer/Min., 10 Mikrometer/Min. und 23 Mikrometer/Min. erhöht. Trotz solch hoher Absetzgeschwindigkeiten war der Anisotropieindex nicht so schlecht, nämlich 0,1, 0,2 bzw. 0,4. Es gab einen geringen Unterschied zwischen Mittenbereichen und Umfangsbereichen des Wafers bei der Schärfe der Ätzwirkung (in Größen der Ätzgeschwindigkeit und des Anistroieindex). Wenn beispielsweise der geätzte Oberflächenzustand in der Mitte des Wafers mit dem geätzten Oberflächenzustand 5 mm von dem Rand des Wafers entfernt verglichen wurde, wurde kein bemerkbarer Unterschied festgestellt.
Versuche wurden in der gleichen Weise, wie oben erläutert, mit der Ausnahme des Durchmessers des Substrathalters 13 wiederholt. Die Substrathalter mit Durchmessern von 120 mm, 100 mm und 80 mm wurden für die jeweiligen Versuche nacheinander verwendet. Der Zwischenraum wurde durch den Schalter entsprechend auf 25 mm, 35 mm und 45 mm erhöht. Die Einstellung des Dämpfungsgliedes 16 jedoch wurde sehr schwierig und ein wirksames Einbringen von Mikrowellen konnte nicht fortgesetzt werden, wenn der Zwischenraum 1/4 der Wellenlänge (30,6 mm) überschritt. Es schien, daß vollständig unterschiedliche Verfahrensbedingungen für eine solche Konfiguration benötigt werden, wie es in Fig. 1 beschrieben ist.
Nun auf Fig. 4 bezugnehmend ist eine Plasmabearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine zylindrische Reaktionskammer 49-1, die einen Reaktions-(Absetz)-Raum darin begrenzt und mit einer Nebenkammer 49-2 verbunden ist, einen Mikrowellengenerator 48, der mit der Reaktionskammer 49-1 durch ein Dämpfungsglied 46 und Quartzfenster 45 verbunden ist, ein Gaseinführsystem 40, das vier Einlaßöffnungen 51-54 aufweist, Gasevakuierungssystem, das eine Turbomolekularpumpe 56 mit weitem Bereich und eineRotationspumpe 57 als Vorpumpe aufweist, die mit der Kammer durch ein Drucksteuerventil 55 verbunden ist, und einen zylindrischen Substrathalter 43, der koaxial zu der zylindrischen Kammer 49-1 angeordnet und mit einem Einstellmechanismus für die Substratposition (nicht gezeigt) versehen ist, um ein Substrat 50-2 in einer geeigneten Position zu halten. Das Evakuierungssystem arbeitet als eine Drucksteuerung auch als ein Absperrventil. Der Druck in der Kammer wird mittels des Ventils 55 eingestellt. Die zylindrische Kammer 49-1 und der Halter 43 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der Durchmesser der zylindrischen Innenseite der Kammer, die den Reaktionsraum begrenzt, ist 170 mm. Der Durchmesser des zylindrischen Halters 43 ist zu 250 mm gewählt. Der Zwischenraum 58-1 zwischen dem unteren Ende der zylindrischen Kammer 49-1 und dem Halter 43 ist ungefähr 15 mm. Die Dicke des Halters 43 ist 10 bis 50 mm. Der Zwischenraum kann auf zwischen 3 und 30 mm entsprechend 12,25 cm Wellenlänge der eingebrachten Mikrowellen (schmaler als 1/4 der Wellenlänge) festgelegt werden. Die Kammer ist mit einem Substratzuführmechanismus 60 verbunden, der in einer Fortsetzung der Nebenkammer gebildet ist. Die Fortsetzung steht mit der Kammer in Verbindung und steht gerade seitlich von der Position des Substrathalters 43 hervor. Eine Anzahl von Substraten wird parallel in dem Mechanismus 60 gehalten, wie in der Figur gezeigt ist, um sich in der Richtung normal zu den Substraten zu bewegen. Andererseits wird der Substrathalter 43 vertikal (wie durch 70-1 gezeigt) bewegt, um einen ausreichenden Zwischenraum zwischen dem Ende der zylindrischen Kammer 49-1 und dem Halter 43 für den Transport eines Substrats von dem Mechanismus 60 zu dem Halter 43 (wie es durch den Pfeil 70-2 gezeigt ist) zu bilden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Absetzen von Diamantfilmen mittels der Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, beschrieben. Der Durchmesser des Halters 43 ist nämlich 250 mm gegenüber 150 mm Innendurchmesser der zylindrischen Kammer 49-1, die den Absetzungraum begrenzt; und der Zwischenraum dazwischen ist 15 mm. Das Substrat 50-2 ist beispielsweise ein Einkristall- Siliciumhalbleiterwafer mit 6 Zoll Durchmesser.
Nach dem Befestigen des Substrats 50-2 an dem Halter 43 mittels des Substratzuführmechanismus 60 wurde der Druck in der Reaktionskammer auf (10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup7; Torr) 133 x 10&supmin;&sup4; - 133 x 10&supmin;¹&sup7; Pa mittels des Evakuierungssystems verringert, dem ein Einführen eines reaktiven Gases in die Kammer auf einen Druck von (0,03 bis 3 Torr) 4,0 - 400 Pa, typischerweise (0,1 bis 1 Torr) 1,3 - 133,3 Pa, beispielsweise 0,26 Torr, 34,7 Pa folgte. Das reaktiven Gases umfaßt einen Alkohol, wie Methylalkohol (CH&sub3;OH) oder Ethylalkohol (C&sub2;H&sub5;OH), der mit Wasserstoff auf ein Volumenverhältnis von Alkohol/Wasserstoff = 0,4 bis 2 verdünnt ist. Der Wasserstoff wird zum Beispiel durch die Öffnung 21 bei 100 Standard-cm³ und der Alkohol durch die Öffnung 22 bei 70 Standard-cm³ eingeführt. Die Spulen werden während des Absetzens erregt, um ein Magnetfeld zu induzieren, das eine maximale Stärke von 2,2 K Gauss und eine Resonanzstärke von (875 Gauss) 8,75 10&supmin;²T an der Oberfläche (oder in deren Nachbarschaft) des Substrats 1 hat, das beschichtet werden soll. Dann werden Mikrowellen bis zu 10 KW (2 10 KW) bei 1 bis 5 GHz, beispielsweise 2,45 GHz in der zu der Richtung des Magnetfeldes parallelen Richtung angewendet, damit ionisierte Teilchen des Reaktionsgases in der Form eines Plasmas hervorgerufen werden, damit sie unter dem Einfluß des Magnetfeldes in Resonanz treten. Als ein Ergebnis wächst ein polykristalliner Diamantfilm auf dem Substrat. Ein Absetzen von 2 Stunden kann beispielsweise einen Diamantfilm von 0,5 bis 5 Mikrometer Dicke bilden, beispielsweise 1,3 Mikrometer Dicke. Die Absetzgeschwindigkeit ist 10 bis 30 mal höher als die herkömmliche Geschwindigkeit bei dem Absetzen mit einer Elektronenzyklotronresonanz-Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Während des Absetzens des Diamantfilms, wird Kohlenstoffgraphit ebenso abgesetzt. Jedoch reagiert der Graphit, der chemisch relativ instabil, verglichen mit Diamant ist, mit den Radikalen, die auch in dem Alkoholplasma auftreten und wird von dem abgesetzten Film in der Form von CO&sub2; oder CH&sub4; entfernt, Die Temperatur des Substrats 1 ist auf 200ºC bis 1000ºC, typischerweise 300ºC bis 900ºC, beispielsweise 800ºC durch Mikrowellen erhöht. Wenn die Substrattemperatur zu hoch ist, wird bei dem Substrathalter 43 eine Wasserkühlung durch ein Wassermlaufsystem 59 ausgeführt. Wenn umgekehrt die Substrattemperatur zu niedrig ist, um wirksam das Absetzen auszuführen, wird der Halter mittels einer Zusatzheizeinrichtung (nicht gezeigt) erwärmt. Die Strömungsgeschwindigkeit des reaktiven Gases 20 in der Reaktionskammer wird durch Steuern des Ventils 55 und der Einführgeschwindigkeit des reaktiven Gases geregelt. Vom Standpunkt der Absetzungsleistung sind Geschwindigkeiten von 5 bis 600 cm/sec, typischerweise 20 bis 200 cm/sec geeignet, beispielsweise 60 cm/sec bei (0,1 Torr) 13,3 Pa. Gemäß Versuchen wurden kristalline Oberflächen vonKohlenstoffeinkristallen klar in den Filmen beobachtet, die auch in dieser Vorrichtung abgesetzt worden waren.
Das Absetzverfahren wurde erneut wiederholt, wobei das bereits beschichtete Substrat durch ein neues Substrat ersetzt wurde, das von dem Zuführmechanismus zugeführt worden ist. Der Austausch wurde in der folgenden Weise durchgeführt. Wenn das Absetzen auf einem Substrat abgeschlossen war, das an dem Halter 43 angebracht worden ist, wurde der Halter 43 nach unten bewegt und das Substrat wurde zurück zu dem Zuführmechanismus 60 geschickt. Die Anordnung der Substrate 50-1 bis 50-n wurde dann um eine Strecke nach unten bewegt, die dem Abstand zwischen benachbarten Substraten entspricht. In dieser Position wurde dem Substrathalter 43 ein anderes Substrat zugeführt, das gerade oberhalb des vorhergehend beschichteten Substrats in dem Mechanismus 60 positioniert worden war.
Nach dem Absetzverfahren muß das Innere der Reaktions- und Nebenkammer durch Ätzen gereinigt werden, wobei der Halter in seiner Absetzposition oder abgesenkten Position gehalten wird. Das Ätzverfahren ist im wesentlichen das gleiche, wie es in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert wird, die vielmehr auf ein Mustern als auf ein Reinigen gerichtet ist.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche, wie die zweite, in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform, mit der Ausnahme von dem, was im besonderen in diesem Abschnitt beschrieben wird. Der Substrathalter 73 dieser Ausführungsform ist mit kreisförmigen Durchgangslöchern 75 von 5 bis 30 mm Durchmesser, beispielsweise 10 mm gebildet. Der Durchmesser der Löcher 75 muß ebenfalls größer als 1/4 der Wellenlänge der eingespeisten Mikrowellen sein. Die Dicke des Halters 75 ist 10 bis 40 mm. Die Anzahl der Löcher 75 ist 4 bis 16 und um das Substrat 50-2 herum verteilt. Eine Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 38 ist zwischen dem Substrathalter 73 und einer Gitterelektrode 79 verbunden, die sich gegenüber dem Substrat in dem Reaktionsraum befindet.
Als nächstes unten wird ein Verfahren zum Erzeugen von Mustern auf einem Siliciumwafer von 4 Zoll Durchmesser durch Ätzen beschrieben. Ätzgasquellen sind mit dem Gaseinführsystem verbunden, beispielsweise N&sub2; (Öffnung 51), SF&sub6; (Öffnung 52), CBrF&sub3; (Öffnung 53) und CBr&sub4; (Öffnung 54) verbunden. Das Ätzverfahren ist im wesentlichen das gleiche wie das Absetzverfahren, wie es in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben worden ist, mit Ausnahme des Reaktionsgases, das heißt, eines Ätzgases statt eines Absetzgases. Wenn Submikronmuster erzeugt werden, wird eine Vorspannung an den Wafer angelegt, um ein dazu normales, zusätzliches elektrisches Feld hervorzurufen, und der Druck in der Reaktionskammer wird relativ erhöht.
Nachdem an dem Halter 43 ein Siliciumhalbleiterwafer, der mit einer Fotoresistmaske versehen war, die ein Muster mit einer Schrittweite von 0,3 Mikrometer hatte, angebracht worden war, wurden SF&sub6; und CBrF&sub3; in den Reaktionsraum mit jeweils 40 cm³/Min eingeführt. Der Druck des Ätzgases wurde bei (0,05 Torr) 6,7 Pa in der Kammer gehalten. Eine Wechselspannung von 13,56 KHz wurde zwischen den Substrathalter 13 und einer Gitterelektrode 79, die parallel zu dem Halter in dem Reaktionsraum angeordnet war, mittels der Wechselspannungsquelle 38 angelegt. Alternativ kann das Anlegen einer Gleichspannung anstatt der Wechselspannung verwendet werden. Dann wurden Mikrowellen bei 2,45 GHz in die Reaktionskammer 19 von dem Generator 48 bei 1 bis 8 KW eingespeist. Als ein Ergebnis wurde ein Ätzvorgang auf dem Substrat 50-2 ausgeführt. Die Temperatur des Substrathalters 43 wurde nicht höher als 0ºC gehalten, um das Substrat 50-2 während des Ätzens zu kühlen. Eine Gleichvorspannung von -100 bis -200 V wurde an das Substrat 1 angelegt. Als ein Ergebnis wurden feine Muster mit der gleichen Qualität erzeugt, wie sie durch in Fig. 2 dargestellte und oben beschriebene Vorrichtung erhalten wurde. Wenn ein Substrathalter, der mit Öffnungen von 40 mm Durchmesser gebildet war, statt des Halters 43 als Bezug angeordnet wurde, wurde die Schärfe der Muster an den Umfangsbereichen eines Wafers beträchtlich verschlechtert.
Jedenfalls erscheint gemäß der vorliegenden Erfindung kein Plasma, das Eingangsenergie trägt, wenn ein reaktives Gas aus dem Reaktionsraum durch einen schmalen Zwischenraum zwischen dem Substrathalter und der Kammer herauskommt. Dies ist insbesondere bei der in den Fig. 4 oder 5 dargestellten Konstruktionen vorteilhaft, bei der eine Anzahl von Substraten in der Kammer gehalten wird. Die Substrate sollten sonst in gewissem Maße durch ein Plasma beeinflußt werden.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen wurde zum Zweck der Darstellung und Beschreibung vorgelegt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein, oder die Erfindung auf die genau beschriebene Form zu begrenzen, und offensichtlich sind viele Abänderungen und Veränderungen im Licht der vorstehenden Lehre möglich. Die Ausführungsform wurde ausgewählt, um am klarsten die Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um dadurch anderen auf dem Gebiet zu ermöglichen, am wirksamsten die Erfindung bei verschiedenen Ausführungsformen und bei verschiedenen Abänderungen zu verwenden, die für die besondere beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Obgleich bei den obigen Beispielen der Reaktionsraum zylindrisch gebildet ist, kann er irgendeine andere Geometrie haben, solange der Substrathalter kongruent zu der Geometrie geformt und der Größenunterschied dazwischen in bezug auf 1/4 der Wellenlänge bestimmt wird. Beispielsweise kann der Querschnitt des Raumes ein Polygon sein. Die Verfahren zum Absetzen und Ätzen, die hier geoffenbart sind, sind auch nur Beispiele.
Die Vorrichtung kann zum Absetzen von irgendwelchen anderen geeigneten Materialien als Diamant verwendet werden, beispielsweise BN, BP, Si&sub3;N&sub4; usw. Ein Hochgeschwindigkeitsätzen kann mit einem Ätzmittel nur aus CBr hoher Dichte ausgeführt werden, um Muster auf supraleitenden Filmen, Metallfilmen, Halbleiterfilmen und sofort zu erzeugen.

Claims

1. Mikrowellenprozeßgerät, das umfaßt:

eine Reaktionskammer (19);

einen Substrathalter (13), der dazu dient, ein zu behandelndes Substrat zu halten und der in der Reaktionskammer (19) angeordnet ist, um einen Reaktionsraum zwischen der Reaktionskammer und dem Halter im wesentlichen zu begrenzen;

ein Gaszuführsystem (10), das bereitgestellt ist, um ein reaktives Gas in den Reaktionsraum zu leiten;

eine Einrichtung (17, 17') zum Induzieren eines magnetischen Feldes in dem Reaktionsraum;

einen Mikrowellengenerator (18) zum Einspeisen von Mikrowellen in den Reaktionsraum, um eine chemische Reaktion des reaktiven Gases in dem Reaktionsraum zu verursachen; und

ein Vakuumsystem (27) zum Fördern des verbrauchten Gases der Reaktion aus der Reaktionskammer;

einen Zwischenraum (28-1) zwischen dem Substrathalter und der Reaktionskammer, der so gebildet ist, daß er dem verbrauchten Gas der Reaktion, die in dem Reaktionsraum stattfindet, ermöglicht durch den Zwischenraum gefördert zu werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Zwischenraum so gewählt ist, daß er nicht mehr als ein Viertel der Wellenlänge der von dem Mikrowellengenerator (18) eingeführten Mikrowelle entspricht, so daß keine Mikrowellenenergie durch den Zwischenraum verloren geht.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Reaktionsraum (19) zylindrisch ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Breite des Zwischenraumes (28-1) 3 bis 30 mm ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei der Substrathalter (13) einen Zylinder (12), der koaxial in der Reaktionskammer angeordnet ist, umfaßt.

5. Gerät nach Anspruch 4, wobei die Dicke des Substrathalters (13) 10 bis 50 mm beträgt.

6. Gerät nach Anspruch 5, wobei der Haiter (13) mit einem Mechanismus verbunden ist, der den Halter in axialer Richtung bewegt.

7. Gerät nach Anspruch 1, das weiter eine Bias-Spannungsquelle (8) umf aßt, zum Anlegen einer Bias-Spannung zwischen dem Substrathalter und einer Elektrode, die in dem Reaktionsraum angeordnet ist.

8. Mikrowellenprozeßgerät, das umfaßt:

eine Reaktionskammer (49-1, 19);

ein Gaszuführsystem (51 bis 54), das vorgesehen ist, um ein reaktives Gas in die Reaktionskammer (49-1, 19) einzuleiten;

eine Einrichtung (47) zum Induzieren eines magnetischen Feldes in dem Reaktionsraum;

einen Mikrowellengenerator (48) zum Einspeisen von Mikrowellen in den Reaktionsraum;

ein Vakuumsystem (56, 57), das mit der Hilfskammer (49-2) verbunden ist; und

einen Substrathalter (43, 73), der vorgesehen ist, um ein zu behandelndes Substrat zu halten,

gekennzeichnet durch

eine Hilfskammer (49-2), die mit der Reaktionskammer (49-1, 19) verbunden ist, wobei der Substrathalter in der Hilfskammer neben der Reaktionskammer angeordnet ist, um einen Reaktionsraum in der Reaktionskammer im wesentlichen zu begrenzen und den Raum vom Inneren der Hilfskammer zu separieren, wodurch ein schmaler Zwischenraum (58-1) dazwischen sichergestellt wird, durch welchen das verbrauchte Gas von dem Reaktionsraum in den Hilfsraum treten kann und mit Hilfe des Vakuumsystems abgezogen werden kann;

wobei die Abmessung des Substrathalters größer als die der Reaktionskammer ist und der Zwischenraum (58-1) zwischen dem Halter und der Reaktionskammer so gewählt ist, daß er nicht größer als ein Viertel der Wellenlänge der von dem Mikrowellengenerator eingeführten Mikrowellen ist, um so keine Mikrowellenenergie durch den Zwischenraum zu verlieren.

9. Gerät nach Anspruch 8, das weiter einen Substratzuführmechanismus (60) in der Hilfskammer umfaßt.

10. Gerät nach Anspruch 9, wobei der Mechanismus eine Anzahl von Substraten (50-n) halten kann, die nacheinander auf dem Halter (43, 73) befestigt werden und in der Reaktionskammer (49-1, 19) prozessiert werden.

11. Gerät nach Anspruch 8, wobei der Substrathalter (43, 73) sich über die Außenlinie des Reaktionsraums nicht weniger als ein Viertel der Wellenlänge der von dem Generator eingespeisten Mikrowellen erstreckt.

12. Gerät nach Anspruch 10, wobei der Zwischenraum 3 bis 30 mm beträgt.

13. Gerät nach Anspruch 8, wobei der Substrathalter (43, 73) einen Zylinder umfaßt, der koaxial in der Reaktionskammer angeordnet ist.

14. Gerät nach Anspruch 13, wobei die Dicke des Substrathalters (43, 73) 10 bis 40 mm beträgt.

15. Gerät nach Anspruch 8, wobei Durchgangslöcher (75) in dem Substrathalter (73) ausgebildet sind, um dem verbrauchten Gas zu ermöglichen, daß es dort hindurch von dem Reaktionsraum in die Hilfskammer gelangt.

16. Gerät nach Anspruch 1, das weiter eine Bias-Spannungsquelle (8) umfaßt, um eine Bias-Spannung zwischen dem Substrathalter (13) und einer Elektrode (9), die in dem Reaktionsraum angeordnet ist, einzuspeisen.

17. Gerät nach Anspruch 16, wobei die Elektrode, die in dem Reaktionsraum angeordnet ist, eine Gitterelektrode ist.