DE69120377T2

DE69120377T2 - Plasmaätzgerät

Info

Publication number: DE69120377T2
Application number: DE69120377T
Authority: DE
Inventors: Junichi Arami; Isahiro Hasegawa; Keiji Horioka; Toshihisa Nozawa
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: JPH04196528A; KR100239389B1; EP0488307A3; EP0488307B1; EP0488307A2; US5290381A; DE69120377D1; KR920010778A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Plasmaätzvorrichtung zum Durchführen eines Atzprozesses für einen Haibleiterwafer in einem Hochtemperaturplasma, und insbesondere betrifft sie eine Kühleinrichtung zum Schützen eines Halbleiterwafers vor einer Beschädigung durch Wärme während eines Ätzprozesses.
Bei einen Trockenätzprozeß, wie beispielsweise einer Plasmaätzung, neigen Haibleiterwafer dazu, beschädigt zu werden, wenn sie durch Strahlungswärme des Plasmas überhitzt werden. Beispielsweise kann in einer Magneton Plasmaätzvorrichtung die Genauigkeit einer Ätzung beträchtlich niedrig werden, da der Fotolack auf dem Wafer durch Wärme beschädigt wird. Insbesondere wenn Wafer anisotrop geätzt werden, können die Seitenwände des Ätzabschnitts, die geätzt werden, eine Stufenforn verlieren, so daß sie eine leichte Neigung aufweisen und die durch ein Atzen erzeugte Anisotropie ungünstig beeinflussen.
Wenn die Beschädigung durch Wärme beträchtlich ist, kann die Maske, die zum Ätzen verwendet wird, vollständig verloren gehen, bevor der beabsichtigte Ätzprozeß vorüber ist. Eine Lösung zum Vermeiden dieses Problems kann die Verwendung einer dicken Schutzschicht sein. Allerdings verursacht eine dicke Schutzschicht eine Abnahme der Genauigkeit beim Aufdrucken des Maskennusters auf den Wafer.
Fotolacke können manchmal durch Strahlungswärme eines Hochtemperaturplasmas bei einem Ätzprozeß karbonisiert werden. Wenn dies der Fall ist, ist es schwierig, den karbonisierten Fotolack von dem Wafer zu entfernen.
Angesichts dieses Problems sollte die Temperatur von Wafers in einem Plasma so niedrig wie möglich gehalten werden.
Bei einer herkömmlichen Plasmaätzvorrichtung wird jeder Aufnehmer von einer unteren Kühlummantelung gekühlt, um Wafer indirekt zu kühlen und Beschädigungen an den Wafern durch Strahlungswärme zu vermeiden.
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der EP-A-0 339 580 bekannt.
Zur Zeit werden Wafer in einem Bereich von -60º bis -100ºC gekühlt und ferner wird die Kühltemperatur mit der verfügbaren technologischen Entwicklung unter -150ºC gesenkt werden. Das am besten geeignete Kühlmittel, welches zum Kühlen von Wafern auf diese niedrige Temperatur verwendet werden soll, ist flüssiger Stickstoff hinsichtlich eines Wärmetransferverlusts an verschiedenen Abschnitten und Elementen des Kühlsystems
Die optimale Temperatur zum Kühlen von Wafern hängt von den Bedingungen ab, unter denen der Ätzprozeß ausgeführt wird. Herkömmlicherweise werden überkühlte Wafer durch eine Temperatursteuereinrichtung erwärmt, so daß der Wafer gesteuert wird, um verschiedene vorgegebene Kühltemperaturen zu erreichen.
Da allerdings die Kühlkapazität einer Kühlummantelung, die flüssigen Stickstoff verwendet, normalerweise sehr groß gemacht ist, kann die Temperatur von Wafern nicht notwendigerweise geeignet gesteuert werden, um schnell auf einen beabsichtigten Pegel zu kommen, insbesondere, wenn die Temperatursteuereinrichtung eine kleine Wärmekapazität aufweist. Eine Temperatursteuereinrichtung, die einen Erwärmer mit großer Kapazität umfaßt, erhöht andererseits einen hohen elektrischen Energieverbrauch und die laufenden Kosten.
Angesichts der obigen Probleme ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Plasmaätzvorrichtung bereitzustellen, die die Temperatur von Wafern aufirgendein beabsichtigtes Niveau genau steuern kann, wenn sie schnell auf einen niedrigen oder sehr niedrigen Temperaturbereich gekühlt werden, ohne eine große Menge elektrischer Energie zu verbrauchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine Plasmaätzvorrichtung einen Aufnehmer zum Halten eines zu ätzenden Objekts, einen Kühlabschnitt, der ein Kühlmittel mit einer großen Kühlkapazität aufweist und der Aufnehmer schnell auf eine gewünschte niedrige Temperatur kühlen kann, eine Prozeßkammer, die den Aufnehmer und den Kühlabschnitt umschließt, eine Einrichtung zum Auspumpen eines Gases in der Prozeßkammer, ein Zwischenelement, das sich zwischen dem Aufnehmer und dem Kühlabschnitt befindet, eine Gaszuführungseinrichtung zum Zuführen eines Wärmetransfergases an den Übergangsbereichs zwischen dem Zwischenelement und dem Aufnehmer, und/oder den Übergangsbereich zwischen dem zwischenliegenden Element und dem Kühlabschnitt, und/oder den Übergangsbereich zwischen jeden anderen Komponenten des Aufnehmers, und eine Drucksteuereinrichtung zum Steuern des Drucks des Wärmetransfergases, das durch die Gaszuführungseinrichtung zugeführt wird.
Die Wärmeleitfähigkeit des Übergangsbereichs zwischen jeweils zwei Elementen ist höchst abhängig von der Kontaktbedihgung oder der Grobheit oder Glätte der Oberflächen der Elemente, die miteinander in Kontakt stehen. Da der Innenraum der Prozeßkammer einer Plasmaätzvorrichtung auf einem niedrigen Druck gehalten wird, wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen jeweils zwei Elementen dort beträchtlich reduziert (um die thermische Wärmefortleitung R anzuheben), wenn nur ein kleiner Spalt zwischen ihnen vorhanden ist, da sie mittels eines Vakuums thermisch voneinander isoliert sind.
Wenn der Druck des Wärmetransfergases, welches an irgendeinen der Übergangsbereiche geliefert wird und welches normalerweise ein Wärmetransfergas ist, verringert wird, wird der thermische Widerstand R dort erhöht werden. Wenn im Gegensatz dazu der Gasdruck vergrößert wird, wird der thermische Widerstand R verkleinert.
Diese Erfindung läßt sich vollständiger aus der folgenden eingehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung, das den Hauptbereich im vertikalen Querschnitt zeigt;
Figur 2 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht eines Übergangsbereich zwischen einem Aufnehmer und einer benachbarten Komponente, die einen winzigen Spalt zwischen ihnen und einem Gaszuführungspfad zeigt;
Figur 3 ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration der automatischen Drucksteuerung (APC) zeigt;
Figur 4 ein Diagramm, das das Konzept eines thermischen Widerstands zeigt, durch Anordnen eines Teilquerschnitts eines Wafers und des Aufnehmers und eines Schaltbilds der Widerstände, nebeneinander zeigt;
Figur 5 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers, der bei -156ºC anisotrop geätzt wird;
Figur 6 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers, der bei -46ºC anisotrop geätzt wird;
Figur 7 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers, der bei -9ºC anisotrop geätzt wird;
Figur 8 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, das den Hauptbereich im vertikalen Querschnitt zeigt; und
Figur 9 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung, das den Hauptbereich im vertikalen Querschnitt zeigt.
In Figur 1, auf die zunächst Bezug genommen wird und die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, stehen die Waferlade- und Entladeöffnungen (nicht gezeigt) der Magneton- Plasmaätzvorrichtung 10 mit jeweiligen Ladeverriegelungskammern (nicht gezeigt) über jeweilige Pfade (nicht gezeigt) in Verbindung. Jeder Pfad ist mit einer Gattereinrichtung (nicht gezeigt) versehen, die den Pfad öffnet oder schließt. Jede der Ladeverriegelungskammern (nicht gezeigt) ist innen mit einer Waferbehandlungseinrichtung versehen, so daß ein Siliziumwafer W durch die Behandlungseinrichtung jeweils einzeln aufgenommen und in die Prozeßkammer 10a der Vorrichtung 10 hineintransportiert oder davon heraustransportiert wird.
Wie in Figur 1 gezeigt, enthält die Prozeßkammer 10a eine Ätzvorrichtung vom RIE-Typ. Die Prozeßkammer 10a ist gebildet, indem ein oberer Rahmen 30 und ein unterer Rahmen 32 zusammengesetzt sind. Das von dem oberen und unteren Rahmen 30, 32 gebildete Gehäuse ist mit Masse verbunden.
Ein Pfad 33 läuft durch einen oberen Bereich einer Seitenwand des oberen Rahmens 30 und ein Verarbeitungsgas wird in die Kammer 10a von einer Verarbeitungsgasquelle (nicht gezeigt) über diesen Pfad 33 eingeleitet. Ein anderer Pfad 34 läuft durch einen unteren Bereich einer anderen Seitenwand des oberen Rahmens 30 und Gas in der Kammer loa wird durch diesen Pfad 34 durch eine (nicht gezeigte) Saugpumpe abgegeben.
Ein Magnetfeldgenerator 11 ist direkt über der Prozeßkammer 10a angeordnet, so daß ein horizontales Magnetfeld auf den Wafer W innerhalb der Kammer 10a durch den Magnetfeldgenerator 11 angewendet werden kann.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist ein Erwärmer 15 zwischen den oberen Aufnehmer 12 und den unteren Aufnehmer 14 der Vorrichtung 10 eingefügt, um die Temperatur des Siliziumwafers W fein zu steuern.
Die oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 sind von den umliegenden Komponenten durch einen Isolationsrahmen 16 elektrisch isoliert. Die untere Oberfläche des unteren Aufnehmers 14 steht mit der oberen Oberfläche des Isolationsrahmens 16 in Kontakt. Der Isolationsrahmen 16 ist direkt auf einem Kühlmantel 20 so angebracht, daß die untere Oberfläche des Isolationsrahmens 16 mit der oberen Oberfläche des Kühlmantels 20 in Kontakt steht.
Der Siliziumwafer W wird auf die Oberseite des oberen Aufnehmers 12 geladen und dort festgehalten. Eine elektrostatische Festspanneinrichtung, die eine Coulomb-Kraft verwendet, kann verwendet werden, um den Siliziumwafer W fest auf dem oberen Aufnehmer 12 zu halten. Der obere Aufnehmer 12 wird an dem unteren Aufnehmer 14 unter Verwendung von einigen Bolzen 13 entfembar gehalten. Der Grund, warum die Aufnehmereinheit durch ein Paar von getrennten Aufnehmern 12, 14 gebildet ist, besteht darin, daß mit einer derartigen Anordnung der untere Aufnehmer 14, der mit einer RF- Energiequelle 77 verbunden ist, frei von einer Wartung ist und nur der obere Aufnehmer 12 von Zeit zu Zeit ersetzt werden muß, wenn er verschmutzt ist.
Ein keramischer Erwärmer 15 ist zwischen den oberen und unteren Aufnehmern 12, 14 eingebettet. Der Erwärmer 15 ist mit einer Temperatursteuereinrichtung 81 mittels eines elektrischen Stromregulators (SSR) 82 verbunden. Der Übergangsbereich des Erwärmers 15 und des oberen Aufnehmers 12 ist von einer Ausnehmung 51, die einen O-Ring hält, umgeben.
Die Seitenwand des oberen Aufnehmers 12 und die Seitenwand und der Boden des unteren Aufnehmers 14 sind vollständig von dem Isolationsrahmen 16 bedeckt, so daß nur die obere Oberfläche des oberen Aufnehmers 12 der Prozeßatmosphäre ausgesetzt ist. Ein O-Ring 40 ist zwischen den oberen Aufnehmer 12 und den Isolationsrahmen 16 in solcher Weise eingefügt, daß ein erster Spalt 42 zwischen ihnen vorgesehen ist. Die Oberflächen der Umfangswände der oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 sowie die innere Oberfläche der Umfangswand des Isolationsrahmens 16 sind hochglanzpoliert. Der erste Spalt 42 ist fast frei von Gas.
Der Kühlmantel 20 ist direkt unterhalb des Isolationsrahmens 16 angeordnet und enthält flüssigen Stickstoff in seinem Behälterabschnitt 21. Eine Flüssigstickstoffquelle 79, die als ein Wärmetauscher arbeitet, ist mit der Kühlummantelung 20 über ein Rohr 78 verbunden, welches mit dem Bodenabschnitt der Kühlummantelung 20 in Verbindung steht. Der Ausgangsabschnitt der Hauptsteuereinrichtung 90 ist mit dem Flußraten-Steuerventil (nicht gezeigt) der Flüssigstickstoffquelle 79 verbunden, so daß Ventileinstellsignale von der Hauptsteuereinrichtung 90 an das Flußraten-Steuerventil geliefert werden.
Die innere Wand des Bodens der Kühlummantelung ist porös gemacht, so daß ein Blasensiedevorgang an dem Boden stattfinden kann, um die Temperatur des flüssigen Stickstoffs in der Kühlummantelung 20 auf -196ºC zu halten. Ein Vakuumisoliertes Rohr (nicht gezeigt; Markenzeichen "Violet") ist mit der Kühlummantelung 20 verbunden, um an den Behälterabschnitt 21 flüssigen Stickstoff zu liefern. Das Vakuum-isolierte Rohr ist aus Metall gebildet und mit Masse verbunden. Der obere Rahmen 30 ist ebenfalls mit Masse verbunden und ein Elektrodenpaar mit entgegengesetzten Polaritäten ist zwischen den Aufnehmern 12, 14 und dem oberen Rahmen 30 gebildet, wenn Energie von der RF-Energiequelle 77 an den funktionalen Aufnehmer (den unteren Aufnehmer) 14 geliefert wird.
Eine Vielzahl von Isolationselementen 22 sind zwischen die Kühlummantelung 20 und den Boden 32b des unteren Rahmens 32 eingefügt, um einen zweiten Spalt 23 zwischen ihnen zu bilden. Andererseits erstreckt sich ein innerer Zylinder 32a von dem Boden 32b des unteren Rahmens 32 nach oben, um die Kühlummantelung 20 und den Isolationsrahmen 16 zu umschließen und sie davor zu schützen, der Prozeßatmosphäre ausgesetzt zu werden.
Ein O-Ring 44 ist zwischen den Isolationsrahmen 16 und den inneren Zylinder 32a eingefügt, um einen dritten Spalt 24 zu bilden. Die äußere Oberfläche der Umfangswand des Isolationsrahmens 16 und die innere Oberfläche des inneren Zylinders 32a sind hochglanzpoliert. Die O-Ringe 40, 44 sind aus einem Fluorharzrnaterial wie beispielsweise Teflon gebildet.
Die Vielzahl von Isolationselementen 22 zum Haltern der Kühlummantelung 20 sind in einem Abstand zueinander angeordnet. Deshalb werden der zweite Spalt 23 und der dritte Spalt 24 miteinander in Verbindung gebracht. Der dritte Spalt 24 ist vorzugsweise so schmal wie möglich ausgebildet, vorausgesetzt, daß der Isolationsrahmen 16 und die Kühlummantelung 20 den inneren Zylinder 32a nicht berühren.
Ein Gasauslaßpfad 36 läuft durch den Boden 32 des unteren Rahmens 32, so daß die zweite und dritte Spalte 23, 24 mittels dieses Gasauslaßpfades 36 evakuiert werden können.
Ein O-Ring 52 ist zwischen die oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 eingefügt. Der O-Ring 52 wird in einer Ausnehmung 51 gehalten, die auf der oberen Oberfläche des unteren Aufnehmers 14 gebildet ist und den Erwärmer 15 umgibt. Ein anderer O-Ring 54 ist zwischen den unteren Aufnehmer 14 und den Isolationsrahmen 16 eingefügt. Dieser O-Ring 54 wird in eine Ausnehmung 53 gehalten, die auf der unteren Oberfläche des unteren Aufnehmers 14 gebildet ist. Noch ein anderer O- Ring 56 ist zwischen den Isolationsrahmen 16 und die Kühlummantelung 20 eingefügt. Dieser O-Ring 56 wird in einer Ausnehmung 55 gehalten, die auf der unteren Oberfläche des Isolationsrahmens 16 gebildet ist. Die O-Ringe 52, 54, 56 sind aus einem Fluorharz-Material, beispielsweise Teflon, gebildet.
Das Ätzgas in der Prozeßkammer loa wird mittels des Auslaßpfads 34 ausgepumpt, bis der Gasdruck in der Kammer loa so niedrige Werte im Bereich zwischen 10&supmin;² und 10&supmin;³ Torr annimmt. Dann wird aus dem Ätzgas zwischen den Elektroden mit entgegengesetzten Polaritäten wie oben beschrieben ein Gasplasrna erzeugt. In der Magneton-Plasmaätzvorrichtung weisen Elektronen eine zykloidische Bewegung auf, um die Anzahl von Malen zu vergrößern, mit denen sie Moleküle treffen, um aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Feld und dem elektrischen Feld der Plasmahülle, die das Magnetfeld ortogonal schneidet, eine Ionisation zu bewirken. Somit kann sie bei einem derartigen niedrigen Druck wie oben erwähnt eine Hochgeschwindigkeitsätzung erzeugen.
Nun wird die Einrichtung zum Steuern der Temperatur an den Übergangsbereichen zwischen den Komponenten W, 12, 14, 16 und 20 nachstehend beschrieben.
Die Wärmeleitfähigkeit zwischen den zwei Elementen zueinander ist höchst abhängig von dem Zustand der Kontaktoberflächen, oder der Grobheit oder Glätte jeder Oberfläche der Elemente, die in Kontakt miteinander stehen. Da der Innenraum der Prozeßkammer einer Plasmaätzvorrichtung auf einem niedrigen Druck gehalten wird, wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen jeden zwei Elementen dort beträchtlich verringert werden und nur ein kleiner Spalt existiert zwischen ihnen, da sie voneinander durch ein Vakuum thermisch isoliert sind.
Wie in Figur 2 gezeigt, existiert ein mikroskopischer Spalt 59 entlang des Übergangs der unteren und oberen Aufnehmer 12, 14. Selbst mit einem derartig geringen Spalt 59 sind die beiden Elemente 12, 14 thermisch isoliert, obwohl teilweise in dem Übergangsbereich eine evakuierte Isolation mittels eines Vakuums auftritt und der gesamte thermische Widerstand R zwischen ihnen wird beträchtlich verringert.
Um den reduzierten thermischen Widerstand R zu kompensieren, wird in dieser Ausführungsform ein Gas in den winzigen Spalt 59 von einer automatischen Drucksteuereinrichtung 70 über einen Verzweigungspfad 62 und die O-Ring-Halteausnehmung 51 eingeleitet, wobei der Verzweigungspfad 62 mit der inneren Seite der Ausnehmung 51 in Verbindung steht. Während das dort verwendete Wärmetransfergas Hehumgas ist, kann anstelle von Hehum irgendein Gas verwendet werden, vorausgesetzt, daß es eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist und Komponenten der Vorrichtung nicht chemisch angreift. Mögliche Gase umfassen Argongas, Xenongas, Stickstoffgas und Kohlendioxidgas. Der Druck des zugeführten Hehumgases wird durch automatische Drucksteuereinrichtungen 70 so gesteuert, daß der angezeigte Wert des Druckmessers immer zwischen 0 und 760 Torr gefunden wird.
In einer Reihe von Experimenten, um den Zusammenhang zwischen dem Gasdruck und dem thermischen Widerstand zu untersuchen, wurde festgestellt, daß sich der thermische Widerstand linear mit dem Gasdruck zwischen 0 und 300 Torr ändert.
Hehumgas wird auch an die anderen O-Ring haltenden Ausnehmungen 53 und 55 von den entsprechenden APCs 70 mittels jeweiliger Verzweigungspfade 64 und 66 geliefert.
Abgesehen davon wird Hehumgas auch von der entsprechenden APC 70 an den Spalt zwischen den Wafer W und die obere Oberfläche (Waferfestspannseite) des oberen Aufnehmers 12 mittels eines Verzweigungsgaspfads 60 geliefert.
Die oberen und unteren Oberflächen der Metallkomponenten 12, 14 und 20 weisen eine Endbearbeitung auf eine Glätte von 0,01 mm und eine durchschnittliche Grobheit von weniger als 3,2 µm auf. Die oberen und unteren Oberflächen der isolierenden Elemente 16 und 22 sind auf eine Glätte von 0,01 mm und eine durchschnittliche Grobheit von weniger als 3,2 µm endbearbeitet.
Die oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 und die Kühlummantelung 20 sowie der untere Rahmen 32 sind aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die isolierenden Elemente 16 und 22 sind aus einemr Aluminiumsystemkeramik, die Aλ&sub2;O&sub3; und/oder AλN enthält, oder einer Si-Systemkeramik, die Si&sub3;N&sub4; und/oder SiC enthält, gebildet.
Ein Temperatursensor 83 ist in dem oberen Aufnehmer 12 vergraben und Signale, die die von dem Sensor 83 erfaßte Temperatur darstellen, werden an eine Temperatursteuereinrichtung 81 gegeben. Der Ausgangsanschluß der Temperatursteuereinrichtung 81 ist mit dem elektrischen Stromregler (SSR) 82 verbunden. Der SSR 82 ist mit dem Erwärmer 15 verbunden, um die Zuführung von Elektrizität an den Erwärmer 15 zu steuern. Der Ausgangsanschluß der Temperatursteuereinrichtung 81 ist mit dem Eingangsanschluß der Hauptsteuereinrichtung 80 verbunden. Die Temperatursteuereinrichtung 81 arbeitet als eine untergeordnete Steuereinrichtung, die die Hauptsteuereinrichtung 80 unterstützt.
Die APC 70 wird nachstehend eingehend unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben.
Der Einlaß 72 jeder der APCs 70 steht mit einer Gaszuführungsquelle 71 in Verbindung und der Energieschalter dieser Gaszuführungsquelle 71 ist mit dem Ausgangsabschnitt der Hauptsteuereinrichtung 80 verbunden. Ein Massenflußmesser 73 ist an dem Einlaß 72 angeordnet, um die Strömungsrate von Gas, welches von der Gaszuführungsquelle 71 kommt, zu messen. Der Auslaß jeder der APCs 70 wird in Hauptpfade 60, 61 und einen Nebenpfad 76 verzweigt. Jeder der Hauptauslaßpfade 60, 61 steht mit der oberen Oberfläche des oberen Aufnehmers 12 (Waferfestspannoberfläche) und den O-Ring haltenden Ausnehmungen 51, 52, 55 in Verbindung.
Der Nebenauslaßpfad 76 ist andererseits mit einem Steuerventil 75 versehen und ein Drucksensor 74 ist zwischen dem Massenflußmesser 73 und dem Steuerventil 75 angeordnet, um das Steuerventil 75 in Abhängigkeit von dem durch den Sensor 74 erfaßten Druck zu betätigen. Deshalb kann ein eintretendes Gas mit einer Flußrate Q teilweise aus der Vorrichtung mit einer Flußrate Ql mittels des Nebenauslaßpfads 76 herausfließen, um die Gasflußrate Q2 durch die Hauptpfade 60, 61 auf einem geeigneten Niveau zu halten.
Ein Wafer wird auf eine gegebene Verarbeitungstemperatur gekühlt und in der Ausführungsform in einer Weise wie nachstehend beschrieben geätzt.
In einer Plasmaätzvorrichtung vom RIE-Typ wie diese Ausführungsform werden die oberen und unteren Rahmen 30, 32 mit Masse verbunden und eine RF-Energie wird an die oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 geliefert, um elektrisch entgegengesetzte Polaritäten dort zu erzeugen. Ein horizontales Magnetfeld wird um den Wafer W parallel zu diesem erzeugt, indem der Permantmagnet der Vorrichtung 11, die sich über der Kammer 10a befindet, gedreht wird. Nach Evakuieren der Kammer 10a wird ein Prozeßgas darin eingeleitet, um ein Plasma zu erzeugen. Da ein horizontales Magnetfeld um den Wafer W herum erzeugt wird, werden fliegende Ionen senkrecht auf die Oberfläche des Wafers W gerichtet, um einen höchst anisotropen Ätzprozeß auszuführen.
Vor und während des Ätzprozesses werden die Aufnehmer und der Umgebungsbereich durch die Kühlummantelung 20 gekühlt und die Temperatur des Wafers W wird gesteuert, um ein vorgegebenes Prozeßtemperaturniveau zu halten. Der flüssige Stickstoff 21 (-196ºC) in der Kühlummantelung 20 wird einen übermäßigen Kühleffekt hinsichtlich der voreingestellten Prozeßtemperatur (-156ºC) aufzeigen. Um diesen übermäßigen Kühleffekt, der die Ummantelung 20 und den Wafer W beeinflußt, zu kompensieren, werden die oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 durch den Erwärmer 15 erwärmt. Der übermäßige Kühleffekt an der Ummantelung 20 und dem Wafer W kann auch modifiziert werden, indem der Druck des an die Ausnehmungen 51, 53, 55 und die Waferfestspannoberfläche gelieferten Hehumgases in geeigneter Weise reguliert wird, um den thermischen Widerstand an den jeweiligen Übergangsbereichen zu erhöhen.
Der thermische Widerstand um die Aufnehmer der Ausführungsform herum wird in einer Weise gesteuert, so wie sie nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben ist.
Während eines Ätzprozesses nimmt der Wafer W Strahlungswärmeenergie E1 aus dem Plasma auf, wobei diese Energie E1 veranlaßt wird, in die Kühlummantelung 20 über die Elemente 12, 14 und 16 zu fließen. Da die untere Oberfläche der Kühlummantelung 20 von dem Element 32 mittels eines Vakuums thermisch isoliert ist, läuft die thermische Energie praktisch nicht von der Kühlummantelung 20 zu dem Element 32. Dies liegt daran, da die untere Oberfläche der Kühlummantelung 20 einen sehr großen thermischen Widerstand aufzeigt, da sie nur teilweise mit wenigen Isolationselementen 22 im Kontakt steht. Demzufolge wird thermische Energie E3 in den flüssigen Stickstoff 32 in der Kühlummantelung 20 fließen, um den Wafer W herabzukühlen.
Da der Betrag einer abgehenden Energie E3 größer als der Betrag einer eintretenden Energie E1 ist, wird das Element 12 durch den Erwärmer 15 erwärmt, um eine netto eingegebene Energieeingabe E2 aufzuweisen.
Wenn die durch den Erwärmer an den Wafer W gelieferte Wärme nicht ausreicht, um den Wafer W zu erwärmen, kann der Betrag einer abgehenden Energie E3 durch Erhöhen eines thermischen Widerstands R1 bis R4 des Systems verringert werden. Die netto eingegebene Energie E2 und die abgehende Energie E3 werden auf der Basis der von dem Sensor 83 erfaßten Temperatur so gesteuert, daß der Wafer W auf einer voreingestellten Bearbeitungstemperatur gehalten werden kann.
Die thermischen Widerstände R1 bis R4 werden hoch, wenn der Druck des an die Übergänge gelieferten Hehumgases verringert wird. Im Gegenzug können die thermischen Widerstände R1 bis R4 durch Erhöhen des Drucks des an die Übergangsbereiche gelieferten Hehumgases verringert werden.
Der Zustand eines gegenseitigen Kontakts der oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 kann modifiziert werden, indem die Anzugskraft der Bolzen 13 eingestellt wird. Der thermische Widerstand R2 dort wird erhöht, wenn die Bolzen 13 angezogen werden, wohingegen er abnehmen wird, wenn die Bolzen 13 gelöst werden.
Der Effekt eines anisotropen Ätzens auf dem Wafer W kann sich in Abhängigkeit von der beteiligten Temperatur verändern. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 7 erläutert. In den nachfolgenden Beschreibung ist die RF- Energie 900 W und die CHF&sub3;-Gasflußrate ist 50 SCCM, während der interne Druck der Kammer 40 m Torr beträgt.
Figur 5 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers W, der bei einer Bearbeitungstemperatur von -156ºC geätzt wird.
Figur 6 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers W, der bei einer Bearbeitungstemperatur von -46ºC geätzt ist.
Figur 7 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Wafers W, der bei einer Bearbeitungstemperatur von -9ºC geätzt ist.
Wie aus diesen Bildern ersichtlich, werden die Seitenwände 2, 3, 4 des anisotrop geätzten Wafers immer vertikaler, so wie die Temperatur des Wafers W, der gerade geätzt wird, abnimmt. Anders ausgedrückt, der anisotrope Effekt eines Ätzens wird intensiviert, wenn die Temperatur des Wafers W abgesenkt wird. Halbleitereinrichtungen, die so hoch wie 16M, 32M und 64M integriert sind, können nur durch einen derartig hohen anisotropen Ätzprozeß hergestellt werden.
In der obigen Ausführungsform wird die Wärmeenergiezuführung an den Erwärmer 15 minimiert, um den gesamten Energieverbrauch zu reduzieren, selbst wenn die Bearbeitungstemperatur für den Wafer W auf -156ºC eingestellt ist.
Da nicht nur der Druck eines Wärmetransfergases, welches an den Übergangsbereich des Wafers W und des oberen Aufnehmers 12 geliefert wird, sondern auch der Druck eines Wärmetransfergases, welches an jeden der anderen Übergangsbereiche geliefert wird, in dieser Ausführungsform gesteuert werden, kann die Temperatur des Wafers W innerhalb eines breiten Bereichs zwischen -9ºC und -156ºC fein gesteuert werden.
Während in der obigen Ausführungsform für das Kühlmittel in der Kühlummantelung 20 flüssiger Stickstoff verwendet wurde, kann es durch ein anderes Kühlmittel wie beispielsweise flüssiges Helium ersetzt werden.
Während in der obigen Ausführungsform ein Hehumgas an die O- Ring haltenden Ausnehmungen geliefert wird, sind Wege einer Zuführung eines Hehumgases nicht notwendigerweise auf diese beschränkt und die Ausführungsform kann alternativ mit speziell ausgebildeten Ausnehmungen versehen werden, in die Hehumgas zugeführt wird.
Nun wird unter Bezugnahme auf Figur 8 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Erläuterungen der Teile dieser Ausführungsformen, die ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, werden weggelassen.
In der Ätzvorrichtung 100 dieser Ausführungsform werden Signale, die die von dem Temperatursensor 83 erfaßte Temperatur darstellen, direkt an die Hauptsteuereinrichtung 90 gesendet. Kein Temperatursteuerungserwärmer ist dort vorgesehen und die Vorrichtung umfaßt nur Einrichtungen zum Steuern der thermischen Widerstände R1 bis R4 der Übergänge.
Der übermäßige Kühleffekt des flüssigen Stickstoffs auf dem Wafer W kann in zufriedenstellender Weise nur durch eine derartige Einrichtung, die den thermischen Widerstand steuert, neutralisiert werden. Die Vorrichtung 100 arbeitet zufriedenstellend insbesondere, wenn die voreingestellte Bearbeitungstemperatur für den Wafer W so klein wie -156º ist, was nahe an der Verflüssigungstemperatur (-196ºC) von Stickstoff ist.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 9 beschrieben. Erläuterungen der Teile dieser Ausführungsform, die mit denjenigen der ersten und zweiten Ausführungsformen übereinstimmen, werden weggelassen.
Kein Temperatursteuerungserwärmer ist in der Ätzvorrichtung 200 dieser dritten Ausführungsform vorgesehen und Gas wird nur an die O-Ring haltende Ausnehmung 51 zwischen den oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 mittels des Pfads 61 eingeleitet.
Andererseits sind Pfade 14a, 16a jeweils durch den Aufnehmer 14 und das Element 16 gebildet, so daß Gas an die inneren Bereiche der O-Ringe 52, 54, 56 geliefert werden kann. Signale, die die von dem Temperatursensor 83 erfaßte Temperatur darstellen, werden direkt an die Hauptsteuereinrichtung 90 gesendet.
Somit besitzt die Vorrichtung eine relativ einfache Konfiguration und ermöglicht einen einfachen Wartungsprozeß, da sie nur eine kleine Anzahl von Steuereinrichtungen für den thermischen Widerstand aufweist.
Der Zustand des gegenseitigen Kontakts der oberen und unteren Aufnehmer 12, 14 kann durch Regulieren der Anzugskraft der Bolzen 13 modifiziert werden, um den thermischen Widerstand R2 in geeigneter Weise zu steuern.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, stellt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung einen breiten Bereich einer voreingestellten Prozeßtemperatur durch Verwendung einer höchst effizienten Kühleinrichtung bereit. Gleichzeitig kann unter Verwendung einer Wärmetransfergas-Zuführungseinrichtung ein unterschiedlicher thermischer Widerstand um die Aufnehmer der Vorrichtung herum in geeigneter Weise reguliert werden. Mit derartigen Anordnungen kann der Wafer W, der gerade gätzt wird, auf einen sehr niedrigen Temperaturbereich gekühlt werden, um eine hohe Anisotropie für den Wafer und demzufolge eine hochintegrierte Halbleitereinrichtung zu realisieren.
Ferner kann die Energiezuführung an den Temperaturregulierungserwärmer minimiert werden, um den Gesamtenergieverbrauch und somit die laufenden Kosten der Vorrichtung zu minimieren, selbst wenn eine sehr geringe Temperatur zum Ätzen eingestellt ist.

Claims

1. Plasmaätzvorrichtung, umfassend:

einen Aufnehmer (12, 14) zum Halten eines Objekts (W), welches geätzt werden soll;

einen Kühlabschnitt (20), der ein Kühlmittel (21) mit einer großen Kühlkapazität aufweist und den Aufnehmer (12, 14) auf eine gewünschte niedrige Temperatur schnell kühlen kann;

eine Prozeßkammer (loa), die den Aufnehmer (12, 14) und den Kühlabschnitt (20) umschließt;

eine Auspumpeinrichtung (34, 36) zum Auspumpen eines Gases in der Prozeßkammer (loa); und

eine Gaszuführungseinrichtung (70, 71, 80);

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner umfaßt:

ein Zwischenelement (16), welches sich zwischen dem Aufnehmer (12, 14) und dem Kühlabschnitt (20) befindet;

wobei die Gaszuführungseinrichtung (70, 71, 80) ein Wärmetransfergas an den Übergangsbereich (59) zwischen dem Zwischenelement (16) und dem Aufnehmer (12, 14) und/oder den Übergangsbereich (59) zwischen dem Zwischenelement (16) und dem Kühlabschnitt (20) und/oder den Übergangsbereich (59) zwischen jeden anderen Komponenten des Aufnehmers (12, 14) liefert; und

eine Drucksteuereinrichtung zum Steuern des Drucks des Wärrnetransfergases, welches durch die Gas zuführungseinrichtung zugeführt wird.

2. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Erwärmungseinrichtung (15), die in dem Aufnehmer (12, 14) eingebettet ist, zum Erwärmen des Aufnehmers (12, 14).

3. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Temperaturerfassungseinrichtung (83) zum Erfassen der Temperatur des Aufnehmers (12), um dadurch eine Erwärmung des Aufnehmers (12) durch die Erwärmungseinrichtung (15) gemäß der erfaßten Temperatur zu steuern.

4. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Temperaturerfassungseinrichtung (83) zum Erfassen der Temperatur des Aufnehmers (12), um dadurch einen Druck des Wärmetransfergases durch die Drucksteuereinrichtung (70) gemäß der erfaßten Temperatur zu steuern.

5. Plasrnaätzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einrichtung (70) zum Zuführen von Gas an den Übergangsbereich (59) zwischen dem Objekt (W) und dem Aufnehmer (12, 14), um dadurch einen Druck des Wärmetransfergases durch die Drucksteuereinrichtung (70) zu steuern.

6. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement (16) aus einem Material zum elektrischen Isolieren des Aufnehmers (12, 14) von dem Kühlabschnitt (20) hergestellt ist.

7. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Wärmetransfergases, das an den Übergangsbereich (59) zwischen dem Zwischenelement (16) und dem Aufnehmer (12, 14) geliefert wird, durch die Drucksteuereinrichtung (70) gesteuert wird.

8. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Wärmetransfergases, das an den Übergangsbereich (59) zwischen dem Zwischenelement (16) und dem Kühlabschnitt (20) geliefert wird, durch die Drucksteuereinrichtung (70) gesteuert wird.

9. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Wärmetransfergases, das an den Übergangsbereich (59) zwischen jeden anderen Komponenten des Aufnehmers (12, 14) geliefert wird, durch die Drucksteuereinrichtung (70) gesteuert wird.

10. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Wärmetransfergases, das an den Übergangsbereich (59) zwischen der Erwärmungseinrichtung (15) und dem Aufnehmer (12) zugeführt wird, durch die Drucksteuereinrichtung (70) gesteuert wird.

11. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einrichtung (13) zum Einstellen des Kontaktzustands von jeden anderen Komponenten des Aufnehmers (12, 14) in dem Übergangsbereich (59).

12. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaszuführungsbereich (59) gegenüber der Atmosphäre in der Prozeßkammer (loa) isoliert und abgeschlossen ist.

13. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransfergas an den Übergangsbereich (59) der betreffenden Elemente (12, 14, 16, 20) über eine einen O-Ring haltende Ausnehmung (51, 53, 55) zugeführt wird.

14. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransfergas ein Edelgas ist.