JP2737993B2 - Dry etching equipment - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体製造工程などでGaAs等にエッチング
を施すドライエッチング装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a dry etching apparatus for etching GaAs or the like in a semiconductor manufacturing process or the like.
［従来の技術］ ドライエッチング装置において、精密なエッチング量
制御を行うためには、ドライエッチングと同時にエッチ
ング量を検出する必要がある。このような従来例とし
て、エッチング物質のアモルファスシリコン（Si）を水
晶振動子の電極表面上に厚さ約２μｍ堆積してアルゴン
イオンビームエッチングやキセノンフロライド（XeF2）
ガスのアシストエッチングを行い、該水晶振動子のマイ
クロバランスによりエッチング量を精密に検出した例
が、「ジャーナル・アプライド・フィジックス（J.App
l.Phys.）」1979年５月刊行，第50巻，第５号に掲載の
コバーン（J.W.Coburn），ウインタース（F.Winters）
らによる文献“イオン−アンド−エレクトロン−アシス
テッド・ガス・サーフェイス・ケミストリー−アン・イ
ンポータント・エフェクト・イン・プラズマ・エッチン
グ（Ino−and−electron−assisted gas surfacechemis
try−An important effect in plasma etching）”で述
べられている。[Prior Art] In a dry etching apparatus, it is necessary to detect an etching amount simultaneously with dry etching in order to precisely control an etching amount. As a conventional example of this, amorphous silicon (Si) as an etching substance is deposited on an electrode surface of a quartz oscillator to a thickness of about 2 μm, and argon ion beam etching or xenon fluoride (XeF 2 ) is used.
An example in which gas assisted etching was performed and the amount of etching was precisely detected by microbalance of the quartz oscillator was described in "Journal Applied Physics (J. App.
l.Phys.), published in May 1979, Vol. 50, No. 5, published by JWCoburn and F. Winters.
"Ion-and-electron-assisted gas surface chemistry-unimportant effect-in-plasma etching".
try-An important effect in plasma etching).
第５図は、そのようなドライエッチング量測定装置の
一例を示す構成図である。同図において、51はイオン
源、52はアルゴンビーム、53はアモルファスシリコン、
54は水晶振動子ヘッド、55は水晶振動子、56はエッチン
グガスである。水晶振動子55の両面には、全面にわたっ
て電極が設けられている、更にその片面にアモルファス
シリコン53が堆積されている。FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of such a dry etching amount measuring apparatus. In the figure, 51 is an ion source, 52 is an argon beam, 53 is amorphous silicon,
Reference numeral 54 denotes a quartz oscillator head, 55 denotes a quartz oscillator, and 56 denotes an etching gas. Electrodes are provided on the entire surface of both sides of the crystal unit 55, and amorphous silicon 53 is deposited on one surface thereof.
このような構造で、水晶振動子55表面の質量変化によ
り水晶振動子55の共振周波数が変化するのを利用してア
モルファスシリコン53のドライエッチングによる膜厚減
少を測定している。With such a structure, the decrease in the film thickness of the amorphous silicon 53 due to dry etching is measured by utilizing the fact that the resonance frequency of the quartz oscillator 55 changes due to the change in the mass of the surface of the quartz oscillator 55.
［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の装置では、水晶振動子の電極上にエッチン
グ対象物と同一材料を堆積しなければならない。従っ
て、１回に厚さ数μｍのドライエッチングを行うような
場合には、少なくとも厚さ10μｍ以上の堆積物が必要と
なる。[Problem to be Solved by the Invention] In the above-mentioned conventional apparatus, the same material as the object to be etched must be deposited on the electrode of the quartz oscillator. Therefore, when dry etching with a thickness of several μm is performed at one time, a deposit having a thickness of at least 10 μm is required.
また最近、ドライエッチング装置はロードロックによ
る高真空化がなされていて、エッチング室は常に高真空
に保たれている。従って水晶振動子交換のため頻繁にエ
ッチング室をリークすることはできない。このため水晶
振動子を長期間使用するには、堆積物は数十μｍの厚み
が必要となる。In recent years, a dry etching apparatus has been made to have a high vacuum by a load lock, and the etching chamber is always kept at a high vacuum. Therefore, it is not possible to frequently leak the etching chamber due to replacement of the crystal unit. Therefore, in order to use the quartz resonator for a long time, the deposit needs to have a thickness of several tens of μm.
また、従来例を砒化ガリウム（GaAs）等化合物半導体
のドライエッチングのモニタとして使用する場合には、
水晶振動子の電極上に化合物半導体を堆積する必要があ
る。ここでの化合物半導体は組成比がエッチング物質と
同じ比率でなければならず、このため分子ビーム結晶成
長法（MBE）等の結晶成長装置により、化合物半導体を
堆積することが考えられる。しかし、上記のような結晶
成長装置は一般に成長速度が遅く、例えばMBEでは１μm
/hの成長速度であり、厚み数十μｍの堆積には数十時間
が必要となり実用的でない。When using the conventional example as a monitor for dry etching of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs),
It is necessary to deposit a compound semiconductor on the electrode of the quartz oscillator. Here, the compound semiconductor must have the same composition ratio as that of the etching substance. Therefore, it is conceivable that the compound semiconductor is deposited by a crystal growth apparatus such as a molecular beam crystal growth method (MBE). However, the crystal growth apparatus as described above generally has a low growth rate, for example, 1 μm in MBE.
/ h, and several tens of hours are required for the deposition with a thickness of several tens μm, which is not practical.
また、エッチング物質とは異なる材料、例えばSiを堆
積させ、予め化合物半導体とのエッチング速度比を調べ
ておくことによりモニタとして使用することも考えられ
るが、やはりSi等を堆積する工程が必要であり、それに
長時間を費やしてしまう。It is also conceivable to deposit a material different from the etching substance, for example, Si, and to use it as a monitor by checking the etching rate ratio with the compound semiconductor in advance.However, a step of depositing Si or the like is still necessary. And spend a lot of time on it.
さらに、従来例では、試料と水晶振動子とは別々に設
置されていたので、必ずしも同一のエッチング条件では
なく、膜厚減少量の測定精度の点でも問題があった。Further, in the conventional example, since the sample and the quartz oscillator are separately provided, there is a problem in terms of the measurement accuracy of the film thickness reduction amount, not necessarily under the same etching conditions.
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもの
で、ロードロック方式のエッチング室を大気リークする
ことなく各エッチング毎にエッチング量測定用の水晶振
動子を交換可能で、かつ高精度の測定が可能なドライエ
ッチング装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such a problem, and a quartz oscillator for measuring an etching amount can be exchanged for each etching without leaking to the atmosphere in a load lock type etching chamber. An object of the present invention is to provide a dry etching apparatus capable of performing measurement.
［課題を解決するための手段］ 本発明は、水晶板の両面に電極を形成した水晶振動子
を保持すると共に、該水晶振動子へ電気的入出力を行う
電極端子を有する水晶振動子ヘッドと、該水晶振動子ヘ
ッドおよび試料を設置する試料ホルダと、エッチング室
内に設置され、電気コネクタを有するマニピュレータ
と、該マニピュレータの電気コネクタに接続した水晶振
動子の振動数変化検出手段とを備え、前記試料ホルダを
前記マニピュレータに装着することにより、前記マニピ
ュレータの電気コネクタと前記水晶振動子ヘッドの電極
端子とを接続する手段を備えたことを特徴とするドライ
エッチング装置である。Means for Solving the Problems The present invention is directed to a quartz oscillator head which holds a quartz oscillator having electrodes formed on both sides of a quartz plate, and has an electrode terminal for electrically inputting / outputting the quartz oscillator. A sample holder for installing the crystal oscillator head and the sample, a manipulator installed in an etching chamber and having an electric connector, and a frequency change detecting unit of the crystal oscillator connected to the electric connector of the manipulator, A dry etching apparatus comprising: means for attaching a sample holder to the manipulator to connect an electric connector of the manipulator to an electrode terminal of the quartz oscillator head.
［作用］ 本発明によるドライエッチング装置では、エッチング
材料と水晶振動子を同一の試料ホルダに配置できるた
め、水晶振動子の電極上の薄膜がエッチングされる条件
とエッチング材料がエッチングされる条件が同じであ
り、エッチング材料のエッチング量と水晶振動子の電極
上の薄膜のエッチング量の関係が正比例となる。従っ
て、水晶振動子の電極上薄膜の膜厚減少量を水晶振動子
の共振周波数変化分を検出することにより、精度よくエ
ッチング材料のエッチング量を測定する。[Operation] In the dry etching apparatus according to the present invention, since the etching material and the quartz oscillator can be arranged on the same sample holder, the conditions under which the thin film on the electrode of the quartz oscillator is etched and the conditions under which the etching material is etched are the same. Thus, the relationship between the etching amount of the etching material and the etching amount of the thin film on the electrode of the quartz oscillator is directly proportional. Therefore, the amount of reduction in the thickness of the thin film on the electrode of the crystal resonator is detected by detecting the change in the resonance frequency of the crystal resonator, whereby the etching amount of the etching material is accurately measured.
さらに、本発明のドライエッチング装置を、いわゆる
ロードロック方式とした場合には、大気リークすること
なく、各エッチング毎にエッチング量測定用水晶振動子
を交換することができる。Further, when the dry etching apparatus of the present invention is a so-called load lock system, the crystal oscillator for measuring the amount of etching can be replaced for each etching without leaking to the atmosphere.
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は本発明の一実施例のドライエッチング装置を
示す構成図である。同図において、ドライエッチング装
置はロードロック方式の反応性イオンビームエッチング
（RIBE）装置である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a dry etching apparatus according to one embodiment of the present invention. In the figure, the dry etching apparatus is a load-lock type reactive ion beam etching (RIBE) apparatus.
図中、11はマイクロ波、12はエッチングガス、13はマ
グネットコイル、14はプラズマ室、15はエッチング室、
16は水晶振動子ヘッド、17は試料、18は試料ホルダ、19
は水晶振動子の振動数変化検出手段としての周波数モニ
タ、20は試料導入室である。In the figure, 11 is a microwave, 12 is an etching gas, 13 is a magnet coil, 14 is a plasma chamber, 15 is an etching chamber,
16 is a crystal oscillator head, 17 is a sample, 18 is a sample holder, 19
Denotes a frequency monitor as a means for detecting a change in the frequency of the quartz oscillator, and 20 denotes a sample introduction chamber.
第２図は上記実施例のドライエッチング装置に使用さ
れる試料ホルダの一例を示す断面図および平面図であ
る。同図において、ロードロック方式の搬送可能な試料
ホルダ21はGaAsの試料22の膜厚測定用水晶振動子24を保
持し、かつ該振動子24への電気出力が可能な電極端子25
を有する水晶振動子ヘッド23を備えている。FIG. 2 is a sectional view and a plan view showing an example of a sample holder used in the dry etching apparatus of the above embodiment. In the figure, a load-lock type transportable sample holder 21 holds a crystal oscillator 24 for measuring the film thickness of a GaAs sample 22 and an electrode terminal 25 capable of outputting an electric power to the oscillator 24.
Is provided.
水晶振動子ヘッド23は、試料ホルダ21がマニピュレー
タに装着された時に電極端子25を通して周波数モニタと
電気的に接続する。The crystal unit head 23 is electrically connected to the frequency monitor through the electrode terminal 25 when the sample holder 21 is mounted on the manipulator.
次に、第３図（ａ）は試料ホルダ21がマニピュレータ
31に装着された状態を示す断面図である。第２図におい
て説明したように、試料ホルダ21側の電極端子25はマニ
ピュレータ31の電気コネクタ33と接続する。Next, FIG. 3 (a) shows that the sample holder 21 is a manipulator.
FIG. 31 is a cross-sectional view showing a state where the device is mounted on a base. As described with reference to FIG. 2, the electrode terminal 25 on the sample holder 21 side is connected to the electric connector 33 of the manipulator 31.
第３図（ｂ）は、電極端子25が電気コネクタ33と接続
される状態を示す説明図である。試料ホルダ21がトラン
スファロッドに保持されたままマニピュレータ31の位置
で回転されて搬送されると同時に、電極端子25が電気コ
ネクタ33の溝に入り込む。この時、試料ホルダ21は押え
バネ32によって裏面から押えつけ、電極端子25と電気コ
ネクタ31は隙間なく接触する。FIG. 3B is an explanatory view showing a state in which the electrode terminal 25 is connected to the electrical connector 33. At the same time as the sample holder 21 is rotated and conveyed at the position of the manipulator 31 while being held by the transfer rod, the electrode terminals 25 enter the grooves of the electrical connector 33. At this time, the sample holder 21 is pressed from the back surface by the pressing spring 32, and the electrode terminal 25 and the electrical connector 31 are in contact without any gap.
第４図は、本実施例のドライエッチング装置に使用さ
れる水晶振動子の一例を示す断面図である。同図におい
て、円板上の水晶振動子（ATカット）41の金電極42の片
面上にGaAs薄膜43を分子線エピタキシー（MBE）装置を
用いて厚さ７μｍ蒸着する。また、水晶振動子の基本周
波数は6MHzである。上記の水晶振動子41を第２図に示し
た水晶振動子ヘッド23に入れ、GaAs試料22の近傍に配置
する。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a crystal resonator used in the dry etching apparatus of the present embodiment. In the figure, a GaAs thin film 43 is deposited on one side of a gold electrode 42 of a quartz oscillator (AT cut) 41 on a disk by using a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus so as to have a thickness of 7 μm. The fundamental frequency of the crystal unit is 6 MHz. The quartz oscillator 41 is placed in the quartz oscillator head 23 shown in FIG.
次に、このような水晶振動子ヘッド23を備えた第２図
の試料ホルダ21を、第１図に示した試料導入室20よりエ
ッチング室15に搬送する。このような状態で、GaAs試料
17をドライエッチングすることにより、水晶振動子の電
極上のGaAs薄膜も同時にエッチングされる。エッチング
ガス12として塩素ガスを８×10-4Torr、イオン引き出し
電圧400Vのエッチング条件でのGaAs結晶のエッチング速
度は約1500Å/minである。この時の水晶振動子の電極上
GaAs薄膜もGaAs試料と同じイオン電流密度の条件でエッ
チングされ、エッチング速度は約1800Å/minである。Next, the sample holder 21 shown in FIG. 2 provided with such a crystal unit head 23 is transferred from the sample introduction chamber 20 shown in FIG. Under these conditions, the GaAs sample
By dry-etching 17, the GaAs thin film on the electrode of the quartz oscillator is also etched at the same time. The etching rate of the GaAs crystal under the etching conditions of 8 × 10 −4 Torr of chlorine gas as the etching gas 12 and an ion extraction voltage of 400 V is about 1500 ° / min. At this time, on the crystal oscillator electrode
The GaAs thin film is also etched under the same ion current density conditions as the GaAs sample, and the etching rate is about 1800Å / min.
このように、GaAs試料と水晶振動子の電極上GaAs薄膜
とのエッチング速度比は一定であり、GaAs薄膜のエッチ
ング量を水晶振動子の共振周波数変化から検出すること
により、GaAs試料のエッチング量を測定することができ
る。従って、GaAs試料が所望の膜厚だけエッチングされ
たところでエッチングを終了することができ、精度１％
の制御が可能である。As described above, the etching rate ratio between the GaAs sample and the GaAs thin film on the electrode of the quartz oscillator is constant, and the etching amount of the GaAs sample is detected by detecting the etching amount of the GaAs thin film from the change in the resonance frequency of the quartz oscillator. Can be measured. Therefore, the etching can be completed when the GaAs sample has been etched by a desired thickness, and the accuracy is 1%.
Can be controlled.
また本発明では従来のように、１枚の水晶振動子で何
回ものドライエッチングに使用する必要がなく、従って
水晶振動子の電極上に設ける薄膜も薄く、短時間で蒸着
等ができる。さらに水晶振動子の電極上薄膜はエッチン
グ材料と同種の材質である必要があり、各エッチング毎
にエッチング材料の材質が異なる場合でも水晶振動子の
電極上の薄膜を各エッチング毎に最適な材質、膜厚とす
ることができる。Further, in the present invention, it is not necessary to use a single crystal unit for dry etching as many times as in the prior art. Therefore, the thin film provided on the electrode of the crystal unit is thin and vapor deposition can be performed in a short time. Furthermore, the thin film on the electrode of the crystal unit needs to be the same kind of material as the etching material. Even if the material of the etching material is different for each etching, the thin film on the electrode of the crystal unit is optimal for each etching, It can be a film thickness.
また、エッチング材料と水晶振動子を同一の試料ホル
ダに配置できるため、エッチング材料と水晶振動子電極
上の薄膜が同一のエッチング条件でエッチングされる。Further, since the etching material and the quartz oscillator can be arranged in the same sample holder, the etching material and the thin film on the quartz oscillator electrode are etched under the same etching conditions.
上記の理由により、水晶振動子の電極上の薄膜の膜厚
減少量を水晶振動子の共振周波数変化分を検出すること
により、精度よくエッチング材料のエッチング量を測定
することができる。For the above reason, the amount of reduction in the thickness of the thin film on the electrode of the crystal unit is detected by detecting the change in the resonance frequency of the crystal unit, whereby the etching amount of the etching material can be accurately measured.
［発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明によれば、ロードロック
方式のエッチング室を大気リークすることなく、各エッ
チング毎にエッチング量測定用水晶振動子を交換するこ
とが可能で、かつ高精度の測定が可能なドライエッチン
グ装置を提供することができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to exchange the etching amount measuring quartz oscillator for each etching without leaking the load-lock type etching chamber to the atmosphere. A dry etching apparatus capable of measuring accuracy can be provided.
第１図は本発明のドライエッチング装置の一実施例を示
す構成図、第２図は本発明のドライエッチング装置に用
いられる試料ホルダの断面図および平面図、第３図はマ
ニピュレータに装着された試料ホルダの断面図と電気端
子が電気コネクタに接続される状態の説明図、第４図は
本発明に使用される水晶振動子の断面図、第５図は従来
例によるドライエッチング量測定装置の構成図である。 11……マイクロ波 12,56……エッチングガス 13……マグネットコイル、14……プラズマ室 15……エッチング室 16,23,54……水晶振動子ヘッド 17,22……試料、18,21……試料ホルダ 19,34……周波数モニタ、20……試料導入室 24,41,55……水晶振動子、25……電極端子 26……ピン、31……マニピュレータ 32……押えバネ、33……電気コネクタ 42……金電極、43……GaAs薄膜 51……イオン源、52……アルゴンビーム 53……アモルファスシリコン1 is a configuration diagram showing one embodiment of a dry etching apparatus of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view of a sample holder used in the dry etching apparatus of the present invention, and FIG. 3 is mounted on a manipulator. FIG. 4 is a cross-sectional view of a sample holder and an explanatory view of a state in which an electric terminal is connected to an electric connector. FIG. 4 is a cross-sectional view of a quartz oscillator used in the present invention. It is a block diagram. 11 Microwave 12,56 Etching gas 13 Magnet coil 14, Plasma chamber 15 Etching chamber 16,23,54 Quartz crystal head 17,22 Sample 18,21 ... Sample holder 19,34 ... Frequency monitor, 20 ... Sample introduction chamber 24,41,55 ... Crystal oscillator, 25 ... Electrode terminal 26 ... Pin, 31 ... Manipulator 32 ... Pressing spring, 33 ... ... Electrical connector 42 ... Gold electrode, 43 ... GaAs thin film 51 ... Ion source, 52 ... Argon beam 53 ... Amorphous silicon
Claims (2)
を保持すると共に、該水晶振動子へ電気的入出力を行う
電極端子を有する水晶振動子ヘッドと、該水晶振動子ヘ
ッドおよび試料を設置する試料ホルダと、エッチング室
内に設置され、電気コネクタを有するマニピュレータ
と、該マニピュレータの電気コネクタに接続した水晶振
動子の振動数変化検出手段とを備え、前記試料ホルダを
前記マニピュレータに装着することにより、前記マニピ
ュレータの電気コネクタと前記水晶振動子ヘッドの電極
端子とを接続する手段を備えたことを特徴とするドライ
エッチング装置。1. A quartz oscillator head having an electrode terminal for holding a quartz oscillator having electrodes formed on both sides of a quartz plate and electrically inputting / outputting the quartz oscillator, the quartz oscillator head and a sample A sample holder provided in the etching chamber, a manipulator having an electrical connector, and a frequency change detecting unit of a quartz oscillator connected to the electrical connector of the manipulator, and mounting the sample holder on the manipulator. A dry etching apparatus comprising means for connecting an electric connector of the manipulator to an electrode terminal of the crystal resonator head.
室内のマニピュレータへの真空中で搬送される請求項
（１）に記載のドライエッチング装置。2. The dry etching apparatus according to claim 1, wherein the sample holder is transferred in a vacuum from the sample introduction chamber to a manipulator in the etching chamber.
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