DD237331A1 - Hohlkatoden-reaktor fuer plasmachemisches aetzen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkatoden-Reaktor fuer plasmachemisches Aetzen von Metall-, Isolator- oder Halbleiter-Substraten. Die Erfindung ist beim Trockenaetzen waehrend der Strukturierung mikroelektronischer Bauelemente einsetzbar. Das Ziel der Erfindung besteht in der Ausnutzung der Vorteile einer Gleichstromglimmentladung gegenueber der HF-Entladung in Verbindung mit der effektiven Fragmentierung und Aktivierung eines Aetzmediums unter Entladungsbedingungen, die den Hohl- bzw. Doppelkatodeneffekt aufweisen.
Description
Hierzu 3 Seiten Zeichnungen
Die Erfindung betrifft die Anwendung von Gleichstrom-Niederdruckglimmentladungen im Hohlkatoden-Regime bei der plasmachemischen Ätzung von Festkörperoberflächen.
Die Erfindung kann zur Ätzung von Metall-, Isolator- oder Halbleiterschichten bei der Strukturierung mikroelektronischer Bauelemente eingesetzt werden.
Die plasmachemische Trockenätzung von Festkörperoberflächen erfolgt gegenwärtig überwiegend mittels Hochfrequenz-Gasentladungen in Planarreaktoren.
Durch die Ven/vendung von Hochfrequenz (meist 13,6 bzw. 27,3 MHz) entsteht als ein wesentlicher Nachteil die Gefahr der Abstrahlung von elektromagnetischer Energie, womit eine ernste Störung in der Nähe befindlicher elektrischer und elektronischer Meßgeräte verbunden ist. Als Abhilfe sind spezielle Abschirmungen und Abblockmaßnahmen erforderlich. Als ein weiterer Mangel ist der beträchtliche Aufwand zu nennen, der zur Bestimmung der HF-Reaktordaten (z. B. eingespeiste HF-Leistung) sowie der HF-Plasmadaten (z. B. mittels Sonden gemessener Elektronenkonzentrationen) benötigt wird. Außerdem ist die HF-Entladung infolge des Fehlens energiereicher Elektronen durch eine relativ geringe Fragmentierung der eingesetzten Ätzgase, d.h. relativ geringe Produktionsraten aktiver Ätzspezies, gekennzeichnet.
Die Anwendung von Gleichstromglimmentladungen wird nur in wenigen Erfindungsbeschreibungen dargelegt. Zum Einsatz einer Hohlkatode konnte nur eine Patentschrift (DD WP 155181) ermittelt werden, wobei die Hohlkatode lediglich als eine unter verschiedenen Anordnungen zur Erzeugung eines örtlich begrenzten und inhomogenen Plasmas ohne Spezifizierung als Glimm- oder Bogenentladung und ohne Bezugnahme auf den Hohikatodeneffekt Erwähnung findet. Das Wesen der Erfindung DD WP 155181 besteht in der Anwendung eines periodischen Plasmaätzbetriebes.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Verwendung einer Gleichstromentladung die HF-Störung der Umwelt sowie die vielfältigen Probleme und Schwierigkeiten der HF-Meßtechnik bisher üblicher Ätzreaktoren zu vermeiden. Durch Ausnutzung des sog. Hohlkatodeneffektes wird bei der Fragmentierung und Aktivierung des Ätzmediums eine hohe Effektivität erzielt, wie Untersuchungen in den verschiedensten Stoffsystemen zeigen (vgl. z. B. J. F. BEHNKE, H. LANGE, H.E.WAGNER, Polish. J. of Chemistry 56 [1982] 1175).
In bestimmten Bereichen des Gasdruckes und der Stromstärke bildet sich in konkaven oder z. T. geschlossenen Katodenanordnungen einer Gleichstrom-Niederdruckglimmentladung der Hohikatodeneffekt aus, dessen elektrische Charakteristik gegenüber gewöhnlichen (z. B. ebenen) Katoden durch wesentlich geringere Brennspannungen bei gleicher Stromstärke gekennzeichnet ist. Im negativen Glimmlicht der Hohlkatode liegen relativ hohe Konzentrationen energiereicher Elektronen vor, die im Katodenfallraum beschleunigt wurden (unter üblichen Bedingungen auf etwa 200...80OeV).
Die Erfindung nutzt die hohe Effektivität des Hohlkatoden-Glimmlichtplasmas bei der Dissoziation von Molekülgasen und der Erzeugung plasmachemisch aktiver Radikale aus. Bereits bei kleinen Leistungen P < 100W sind Umsetzungsgrade nahe 100% (z.-B. bei der Fragmentierung von CCU) zu erzielen.
Ein analoges Verhalten wie Hohlkatoden zeigen Doppelkatoden, bestehend aus zwei ebenen, parallel angeordneten Katoden, wenn die Glimmlichter der sich gegenüber stehenden Katoden verschmelzen (Doppelkatodeneffekt).
Der Betrieb der Hohl- oder Doppelkatoden-Entladung erfolgt mit Gleichspannung, so daß die bei HF-Entladungen auftretenden Schwierigkeiten entfallen.
\ Die zu ätzenden Substrate können in das Innere der Hohl- bzw. Doppelkatode eingebracht oder in der Nähe des Glimmlichtes außerhalb auf einem speziellem Substrathalter angeordnet werden. Durch Anlegen einer passenden Vorspannung lassen sich Ionen aus dem Glimmlichtplasma auf den Substrathalter zu beschleunigen, wodurch die Ätzrate erhöht und die Anisotropie des Ätzvorganges verbessert werden (induziertes Ätzen).
Als Ätzmedien dienen die bekannten Halogenverbindungen wie CF4, CCl4, CCl2F2 u. a. m., eventuell in Mischung mit Edelgasen (Ar) und einfachen Molekülgasen (O2, H2).
Durch die Anwendung von Gleichstromglimmentladungen in Verbindung mit der Ausnutzung des Hohl- oder Doppel katodeneffektes konnte ein einfach handhabbarer und effektiver plasmachemischer Ätzreaktor entwickelt werden, der durch eine hohe Ätzrate gekennzeichnet ist
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen erläutert
Flg. 1 zeigt eine zweckmäßige Anordnung in zylindrischer Ausführung.
Die Hohlkatode besteht aus einem Edelstahlzylinder (1) von 16mm Durchmesserund 30mm Länge, die Anode (2) aus einem Nickelzylinder von 10 mm Durchmesser und 40 mm Länge. Zur Erreichung hoher Entladungsleistungen werden sowohl die Katode als auch die Anode wassergekühlt. Der Anodenzylinder ist durch einen isolierenden Umavit-Körper (4) von der Kühlflüssigkeit elektrisch getrennt. Über Flansche (fl) erfolgt die Verbindung der Entladungsanordnung mit dem Gaseinlaßsystem und dem Abpumpsystem. Die toxischen und korrosiven Entladungsprodukte werden in einer mit flüssigem Stickstoff beschickten Kühlfalle ausgefroren.
Der Substrathalter (3) besteht aus einem Edelstahlzylinder (Durchmesser: 8 mm). Er wird vom aktivierten Reaktant/ Trägergasgemisch angeströmt und kann gegenüber der Katode eine wählbare Vorspannung erhalten. Maximale Substratfläche 28mm2. Größere Substrate erfordern eine Vergrößerung des Katodendurchmessers. Bei Aufrechterhaltung des Hohlkatodeneffektes sind hier Werte bis etwa 4cm (oder etwa 10 cm2 Substratfläche) erreichbar. Zur Ätzung von Substraten mit hoch größerer Fläche kann eine Parallelanordnung mit mehreren Hohlkatoden eingesetzt werden (Paketkatode).
Fig. 2 zeigt als ein Beispiel die mit einer Anordnung entsprechend Fig. 1 gemessene Abhängigkeit der Ätzrate von Al und GaAs als Funktion der.Hohlkatodenleistung (Ätzgasgemisch: CCl4/Ar im Verhältnis '/32 (Al) und V24 (GaAs); Trägergasdruck pAr = 53Pa;
Strömungsrate Q = 12,5Pal/s). .
Eine zweckmäßige Doppelgitterkatoden-Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Katode (K) besteht aus zwei in 10 mm Abstand angeordneten Edelstählgittern (Drahtdurchmesser 0,55mm; Drahtabstand 2,5mm). Zwischen ihnen'ist isoliert ein Anodenring
(A) aus Ni-8lech befestigt. Für die elektrische Isolation und die Einstellung definierter Strömungsverhältnisse sorgen Glimmerscheiben (G).
Der Probenhalter (C) zur Aufnahme der Substrate (S) befindet sich in Strömungsrichtung hinter der Doppelkatode. Er ist aus Edelstahl gefertigt (0 = 10 mm) und kann wahlweise gegenüber der Doppekatode eine elektrische Vorspannung Vc erhalten.
Wie das Experiment zeigte, konnte mit der netzförmigen Doppelkatode ein ausgeprägter Doppelkatodeneffekt im Druckbereich 10...300Pa erzielt werden (Ätzmedium CCI4/Ar = 1Z-S).
Die gemessenen Ätzraten sind mit denen der zylindrischen Anordnung vergleichbar. Eine beträchtliche Steigerung der Ätzrate ist durch Zumischung von Sauerstoff zu erzielen (z.B. ergab eine Zumischung von 20% O2 eine Steigerung der Ätzrate um den Faktor 3).
Ein Vorteil der Doppekatoden-Anordnung besteht in der einfachen Möglichkeit zur Entwicklung großflächiger Ätzreaktoren (Ätzung großflächiger Substrate).
Außerdem weist die Gitter-Doppelkatode den Vorteil auf, daß die der Katode benachbarte Substratoberfläche auch beim Fehlen zusätzlicher Vorspannungen von einem gerichteten lonenstrom getroffen wird, der die Katode durch die Gitterlücken hindurch verfehlt (Kanalstrahlen). Dieser lonenstrom verbessert die Parameter des Ätzvorganges (Ätzrate, Anisotropie).
Claims (5)
- -1- Z3/33Erfindungsanspruch:1. Hohlkatoden-Reaktor für plasmachemisches Ätzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstrom-Niederdruckglimmentladung mit Hohl- oder Doppelkatode zur Fragmentierung und Aktivierung des Ätzgasgemisches benutzt wird.
- 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Betriebsbedingungen (Gasdruck, Stromstärke, Katodenabmessungen) ein Entladungszustand mit ausgeprägtem Hohl- oder Doppelkatodeneffekt vorliegt.
- 3. Anordnung nach Punkt 1 und Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bündelung mehrerer zylindrischer Hohlkatoden oder durch Ausführung der Doppelkatode in Drahtnetzform ein in Strömungsrichtung hinter der Katode angeordnetes großflächiges Substrat geätzt werden kann.
- 4. Anordnung nach Punkt 1 ...3, dadurch gekennzeichnet, daß der hinter einer gitterförmigen Doppelkatode auftretende gerichtete lonenstrom (Kanalstrahlen) mit zur Ätzung ausgenutzt wird.
- 5. Anordnung nach Punkt 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Substrat gegenüber der Katode eine Vorspannung aufgeprägt werden kann.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT387989B (de) * | 1987-09-01 | 1989-04-10 | Miba Gleitlager Ag | Vorrichtung zur behandlung von als kathode geschalteten innenflaechen von gegenstaenden durch ionenbeschuss aus einer gasentladung |
-
1985
- 1985-05-20 DD DD27649785A patent/DD237331A1/de not_active IP Right Cessation
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