DE20005365U1 - Elektrodenanordnung für Plasmaätzanlagen hoher Leistung - Google Patents
Elektrodenanordnung für Plasmaätzanlagen hoher LeistungInfo
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Description
Über Elektrodenanordnungen für Plasmaätzanlagen ist bereits viel gearbeitet . worden.
In den US Patenten Nr. 4.595.484, 4.792.378, 4.820.371, 4.960.488, 5.074.456 und insbesondere 5.569.356 wird beispielhaft und ausführlich der bisherige Stand der Technik beschrieben.
In der industriellen Anwendung hat sich insbesondere die Elektrodenanordnung nach US Patent Nr. 5.074.456 durchgesetzt. Hierbei
3(K wird die Elektrodenscheibe, z.B. aus Silizium oder Graphit, durch eine Verbindungsschicht, z.B. aus Indium oder Silber oder metallgefüllten Epoxiharzen, mit einem Aufnahmering aus z.B. Graphit, Aluminium oder anderen Werkstoffen, vorzugsweise durch Löten, Umschmelzen oder Kleben verbunden.
Die verwendeten Verbindungsschichten werden im wesentlichen zur Kompensation der Ausdehnung der Elektrodenanordnung eingesetzt. Da sich die Verbindungsschichten bereits bei niedrigen Temperaturen der Elektrodenscheibe ab rund 40 0C stark ausdehnen, verändert sich die Elektrodenanordnung durch das Absenken der Elektrodenscheibe in Richtung auf das Halbleitersubstrat so stark, daß die Gleichmäßigkeit von empfindlichen Ätzprozessen, insbesondere für feine Strukturen, nicht mehr gewährleistet ist. Ab einer Temperatur von rund 120 0C ist das Versagen der Verbindungsschichten je nach Zusammensetzung aufgrund der niedrigen Temperaturfestigkeit als katastrophal zu bezeichnen.
So versagen die Verbindungsschichten auf der Basis von Indium spätestens bei 156 0C (Schmelzpunkt) und auf Epoxiharzbasis durch thermische Zersetzung spätestens bei 180 0C .
Infolge dieses Versagens der Verbindungsschicht kann sich die Elektrodenscheibe aufgrund ihres Eigengewichtes ablösen und auf das bereits prozessierte Halbleitersubstrat fallen und dieses zerstören. Der hierdurch verursachte wirtschaftliche Schaden kann sehr erheblich sein (Waferbruch, Ausfall der Anlagen bedingt durch sehr aufwendige Reinigungen).
Da die elektrischen Leistungen der Plasmaätzanlagen in den letzten Jahren erheblich gestiegen sind und weiter steigen, um den Produktionsausstoß zu erhöhen, eignet sich die im US Patent Nr. 5.074.456 vorgeschlagene Elektrodenanordnung selbst beim Verwenden von aufwendigen Kühlungen aufgrund der beschriebenen Schwachstellen nicht mehr, um derartige Hochleistungsanlagen damit auszustatten. Zudem ist die Fertigungsweise dieser Elektrodenanordnung sehr aufwendig und teuer und empfiehlt sich daher auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr.
Ferner können aufgrund der Vielzahl der verwendeten Materialien bei dieser Elektrodenanordnung Partikel während des Plasmaätzprozesses generiert werden, welche infolge der Kontamination des Halbleitersubstrats die Ausbeute erheblich verringern können.
Da die elektrischen Leistungen der Plasmaätzanlagen in den letzten Jahren erheblich gestiegen sind und weiter steigen, um den Produktionsausstoß zu erhöhen, eignet sich die im US Patent Nr. 5.074.456 vorgeschlagene Elektrodenanordnung selbst beim Verwenden von aufwendigen Kühlungen aufgrund der beschriebenen Schwachstellen nicht mehr, um derartige Hochleistungsanlagen damit auszustatten. Zudem ist die Fertigungsweise dieser Elektrodenanordnung sehr aufwendig und teuer und empfiehlt sich daher auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr.
Ferner können aufgrund der Vielzahl der verwendeten Materialien bei dieser Elektrodenanordnung Partikel während des Plasmaätzprozesses generiert werden, welche infolge der Kontamination des Halbleitersubstrats die Ausbeute erheblich verringern können.
Ein Vorschlag um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, findet sich in US Patent Nr. 5.569.356.
Bei der in diesem Patent beschriebenen konstruktiv aufwendigen Elektrodenanordnung wird ein Klemmring aus einem temperaturbeständigen organischen Polymer oder aus verschiedenen Keramiken oder aus einem beschichteten Metall zum Fixieren der Elektrodenscheibe vorgeschlagen. Die Elektrodenscheibe wird zudem rückseitig mit Hilfe von Gaspassagen im Grundkörper gekühlt. Gleichzeitig kann hierdurch ein Unterdruck erzeugt
. werden, der die Elektrodenscheibe zusätzlich halten kann (Bernoulli-Effekt).
Die Grundplatte ist zudem mit einer Kühlung versehen.
Im Plasmaätzprozeß in Hochleistungsanlagen mit hoher elektrischer Leistung kann die Elektrodenanordnung trotz aufwendiger Kühlung sehr hohe Temperaturen (> 120 0C) erreichen. Daher ist eine erhebliche Ausdehnung der einzelnen Bauelemente der Elektrodenanordnung zueinander nicht zu verhindern. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizenten der verwendeten Materialien ist daher bei der Ausführung gemäß US Patent Nr. 5.569.356 nicht zu vermeiden, daß die Elektrodenscheibe stark gegen den Klemmring gedrückt wird.
Wenn die plane Elektrodenscheibe jedoch aus einem spröden Werkstoff, wie in US Patent Nr. 5.569.356 beschrieben, z.B. Silizium, Graphit oder Siliciumkarbid besteht können sich sehr hohe Kräfte gegen den Klemmring aufbauen. Besteht dieser z.B. auch aus einer spröden Keramik, kommt es entweder zu einer Zerstörung der Elektrodenscheibe oder des Klemmrings, d.h. zu einem katastrophalen Ausfall der Elektrodenanordnung.
Wenn die plane Elektrodenscheibe jedoch aus einem spröden Werkstoff, wie in US Patent Nr. 5.569.356 beschrieben, z.B. Silizium, Graphit oder Siliciumkarbid besteht können sich sehr hohe Kräfte gegen den Klemmring aufbauen. Besteht dieser z.B. auch aus einer spröden Keramik, kommt es entweder zu einer Zerstörung der Elektrodenscheibe oder des Klemmrings, d.h. zu einem katastrophalen Ausfall der Elektrodenanordnung.
Im anderen Fall, wenn der Klemmring aus temperaturbeständigem Organischen Polymer, wie im US Patent Nr. 5.569.356 ausgeführt wird, z.B. aus Vespel® (Warenzeichen der Firma DuPont, chemisch: Polyimid) besteht, kann der Klemmring eine gewisse Dehnung (bis zu rund 70 % bei 200 0C, vgl. Datenblatt der Fa. DuPont für Vespel®) aufnehmen. Unter diesen Bedingungen kann jedoch die Abdichtung der Kühlung auf der Rückseite der Elektrodenscheibe versagen, d.h. Kühlgas kann unkontrolliert ausströmen und das Vakuum (Bernoulli-Effekt) zum Festhalten der Elektrodenscheibe versagt.
Da die elektrische Leistung mittels Hochfrequenz über die normalerweise
Da die elektrische Leistung mittels Hochfrequenz über die normalerweise
loo spaltfreie Kontaktfläche zwischen der Elektrodenscheibe und dem Grundkörper eingekoppelt wird, kann diese bei Entstehen von Spalten nicht mehr aufrechterhalten werden. Hierdurch bedingt können gleichmäßige Ätzraten nicht mehr erzielt werden und hoher Ausschuß der geätzten Wafer ist die Folge.
Da die oben erwähnten organischen Polymere im Vergleich zu Keramiken zudem im Plasmaprozess wesentlich stärker abgeätzt werden, ist auch hier in Abhängigkeit von der Prozeßdauer mit einem katastrophalen Ausfall der Elektrodenanordnung zu rechnen, d.h. die Elektrodenscheibe kann letztlich auf den prozessierten Wafer fallen. Besteht der Klemmring aus einem mit
no einem Dielektrikum beschichteten Metall kommt es bei einem duktilen Metall zu ähnlichem Verhalten, wie oben für organischen Polymer beschrieben. Sollte dieses Metall eine niedrige Duktilität aufweisen, ähnelt das Versagensverhalten dem beim Verwenden eines Klemmrings aus einer Keramik.
Bei den hier beschriebenen Elektrodenanordnungen für Plasmaätzanlagen existieren grundliegende Probleme, die den Einsatz derartiger Anordnungen in Anlagen mit hoher Leistung beschränken.
Bei Prozeßtemperaturen (hier definiert als Temperatur der - Elektrodenanordnung) von größer als rd. 150 0C führen daher alle Konstruktionen nach dem Stand der Technik, aufgrund nicht mehr zu kontrollierender Wärmeausdehnungen, im wesentlichen zu folgenden Problemen:
I. Die Prozeßstabilität ist aufgrund einer nicht mehr spaltfreien Leistungseinkopplung und Kühlung nicht mehr gewährleistet. Es kommt daher insbesondere zu signifikanten Schwankungen der Ätzrate.
II. Es kann bei hohen Temperaturen der Elektrodenscheibe zu
no katastrophalen Ausfällen durch Ablösen der Elektrodenscheibe und
den Fall auf das Halbleitersubstrat (Wafer) kommen (u.a. Waferbruch).
Ziel der Erfindung ist es daher, eine einfache Elektrodenanordnung zum kontinuierlichen, gleichmäßigen und auch kostengünstigen Plasmaätzen mit hoher Leistung zu schaffen, die bis zu Prozeßtemperaturen (hier definiert als Temperatur der Elektrodenanordnung) von rund 300 0C eine hohe Prozeßstabilität und -sicherheit gewährleistet und auch bei drastischen Plasmabedingungen nicht versagt.
Im Unterschied zu den bisherigen Elektrodenanordnungen, nach dem Stand der Technik (Abbildung 1), wird daher bei dieser Erfindung (Abbildung 2 und 3) die Elektrodenscheibe (6), die z.B. aus Silizium, Graphit, Glaskohlenstoff, bestehen kann, nicht gegen die Auflagefläche im Grundkörper (1) mit einem Klemmring (10) gedrückt und angesaugt, sondern direkt vorzugsweise mit 4-24 Schrauben (12) je nach Durchmesser der Elektrodenscheibe (6) auf die Auflagefläche, d.h. einem Aufnahmering (15) (18), geschraubt.
Im Unterschied zu den bisherigen Elektrodenanordnungen, nach dem Stand der Technik (Abbildung 1), wird daher bei dieser Erfindung (Abbildung 2 und 3) die Elektrodenscheibe (6), die z.B. aus Silizium, Graphit, Glaskohlenstoff, bestehen kann, nicht gegen die Auflagefläche im Grundkörper (1) mit einem Klemmring (10) gedrückt und angesaugt, sondern direkt vorzugsweise mit 4-24 Schrauben (12) je nach Durchmesser der Elektrodenscheibe (6) auf die Auflagefläche, d.h. einem Aufnahmering (15) (18), geschraubt.
Die Befestigungsschrauben (12) für die Elektrodenscheibe (6) bestehen einem vorzugsweise aus einem organischen Polymer wie Polyimid, oder aus einem Metall, oder einer oberflächenhandelten Metalllegierung, vorzugsweise aus einer anodisierten Aluminiumlegierung.
Diese Befestigungsschrauben (12) können zusätzlich mit einer Kappe aus einem organischen Polymer oder einem oberflächenbehandelten Metallbzw, einer Metalllegierung abgedeckt sein. Damit die Temperaturausdehnungen der verschiedenen Werkstoffe zusätzlich kompensiert werden können, wird diese Befestigungsschraube (12) für die Elektrodenscheibe (6) in der Regel zusätzlich mit einer oder mehreren Unterlegscheiben aus verschiedenen organischen Polymeren oder Metallen oder Metalllegierungen versehen. Um die Hochfrequenzeinkopplung insbesondere bei nicht kontinuierlicher Leistungsaufschlagung sicherzustellen, können die Befestigungsschrauben (12) zusätzlich mit automatisch wirkenden Rückstellfedern versehen werden.
Um die Gasdichtigkeit des angeschraubten Verbundes zu verbessern und damit eine seitliche Abströmung des Prozeßgases zu verhindern, kann zudem eine sehr weiche, ringförmige, flexible Dichtung (14), vorzugsweise aus einem Fluorpolymer oder einem Metall oder einer Metalllegierung zur
Abdichtung der Elektrodenscheibe (6) mit dem Aufnahmering (15) (18) verwendet werden.
Um einen Angriff des Plasmas auf die Befestigungsschrauben (12) zu verhindern, werden diese seitlich aus dem Prozeßraum verlegt. Dies wird erreicht durch einen um bis zu 40 % größeren Durchmesser der
no Elektrodenscheibe (6).
. Der Prozeßraum wird hier definiert als der plasmazugängliche Bereich der Elektrodenscheiben (6) gegenüber dem Halbleitersubstrat. Mit Hilfe von Abdeckringen, z.B. befestigt auf dem Klemmring (17) oder / und der Elektrodenscheibe (6), vorzugsweise aus Keramik, wie Aluminiumoxid und / oder organischen Polymeren, wie z.B. Polyimid, werden die Befestigungsschrauben (12) einerseits zusätzlich abgedeckt und vor einem Plasmaangriff geschützt und der erforderliche Prozeßraum eingestellt. Hierbei verbleibt stets ein kleiner Spalt (13) zwischen den Befestigungsschrauben (12), die in der Regel in der Elektrodenscheibe (6) oder im Abdeckring (16) versenkt sind, und dem Abdeckring (16). Dieser Spalt (13) wird so gewählt, daß einerseits sich kein Plasma unterhalb des Abdeckringes (16), zwischen der Oberfläche der Elektrodenscheibe (6) und dem Abdeckring (16), bilden kann, d.h. der Spalt wird immer kleiner ausgelegt, als die freie Weglänge des Plasmas (d.h. abhängig vom Druck im Plasmareaktor) und andererseits groß genug, daß sich über die thermische Ausdehnung der einzelnen Bauteile der Elektrodenanordnung kein hoher, mechanischer Druck aufbauen kann, der eine Zerstörung des Bauteiles zur Folge hätte. Der Spalt (13) beträgt je nach den Druckverhältnissen in der Prozeßkammer und den verwendeten Werkstoffen, sowie den entstehenden Prozeßtemperaturen, 5 - 1500 &mgr;&igr;&tgr;&igr;.
Um die Anzahl der verschiedenen Bauelemente der Elektrodenanordnung aus wirtschaftlichen und technischen Gründen (Wärmeausdehnung) zu reduzieren kann, wie in Abbildung 3 dargestellt, eine oder mehrere Gasverteilerscheibe(n) (4) mit dem Aufnahmering (15) zu dem Aufnahmering
(18) verbunden werden.
Hierdurch kann auch die obere Gasverteilerscheibe (5) genauer zentriert werden. Zudem ist es dann bei niedrigen Temperaturen der Elektrodenscheibe (6) nicht mehr nötig die Befestigungsschrauben (7) (19) für die Gasverteilerscheiben zu verwenden. Ferner kann durch eine Teilung des Aufnahmeringes (15) (18) in mehrere einzelne Aufnahmeringe die Dicke der Elektrodenscheibe (6) eingestellt (variiert) und auch die obere Gasverteilerscheibe (5) in einen Aufnahmering integriert werden (in den Abbildungen nicht dargestellt).
Durch die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen, z.B. Graphit, Gaskohlenstoff oder Aluminiumlegierungen für die einzelnen Aufnahmeringe (15) (18) können ferner die optimalen Übergangswiderstände für die Hochfrequenzeinkopplung eingestellt werden.
Durch die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen, z.B. Graphit, Gaskohlenstoff oder Aluminiumlegierungen für die einzelnen Aufnahmeringe (15) (18) können ferner die optimalen Übergangswiderstände für die Hochfrequenzeinkopplung eingestellt werden.
Mit der vorab beschriebenen Konstruktionsweise, gemäß dieser Erfindung, werden die bereits ausführlich beschriebenen Nachteile bisheriger Ausführungen der Elektrodenanordnung in einfacher und wirtschaftlicher Weise gelöst.
Die Abbildung 1 beschreibt einen Schnitt durch eine Elektrodenanordnung nach dem gegenwärtigen Stand der Technik mit der Einzelheit X; dabei sind in den Grundkörper (1) Dichtungen (2) eingebracht, um eine Kühlung der Elektrodenscheibe (6) durch eine Kühlgaszuführung (11) zu ermöglichen. Mit Hilfe von Befestigungsschrauben (7) wird eine untere Gasverteilerscheibe (4) und eine obere Gasverteilerscheibe (5) auf dem Grundkörper (1) befestigt. Durch Gaszuführungen für Kühlgas und Prozeßgas (9), welche mit Dichtungen (3) versehen sind, kann zusätzlich der Plasmaätzprozeß beeinflußt werden.
Mit Befestigungsschrauben (8) wird der Klemmring (10) für die Elektrodenscheibe (6) am Grundkörper (1) befestigt.
Hierbei wird die Elektrodenscheibe (6) spaltfrei, wie die Einzelheit X zeigt, durch den Klemmring (10) festgehalten.
Hierbei wird die Elektrodenscheibe (6) spaltfrei, wie die Einzelheit X zeigt, durch den Klemmring (10) festgehalten.
Die Abbildung 2 beschreibt einen Schnitt mit der Einzelheit X durch eine Elektrodenanordnung nach dieser Erfindung.
Hierbei wird die Elektrodenscheibe (6) auf einen Aufnahmering (15) mit Befestigungsschrauben (12) aufgeschraubt. Eine weiche, plasmaresistente, ringförmige, flexible Dichtung (14) begrenzt unterhalb der Elektrodenscheibe (6) den seitlichen Abfluß von Prozeßgas. Mit einem Klemmring (17) wird der Aufnahmering (15) auf den Grundkörper (1) geklemmt. Ein Abdeckring (16) schützt einerseits die Befestigungsschrauben (12) für die Elektrodenscheibe (6) vor einem Plasmaangriff. Andererseits ermöglicht der Abdeckring (16), durch seitliches Verschieben oder Variation seiner jeweiligen geometrischen Abmessungen eine Variation des Prozeßraumes.
Wie der Einzelheit X zu entnehmen ist, wird hierbei ein kleiner Spalt (13) zwischen der Elektrodenscheibe (6) und dem Abdeckring (16) gebildet, um eine Dehnungsfuge den verschiedenen Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien bei hohen Temperaturen bereitzustellen.
Wie der Einzelheit X zu entnehmen ist, wird hierbei ein kleiner Spalt (13) zwischen der Elektrodenscheibe (6) und dem Abdeckring (16) gebildet, um eine Dehnungsfuge den verschiedenen Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien bei hohen Temperaturen bereitzustellen.
Zur weiteren Beschreibung dieser Erfindung zeigt Abbildung 3 einen Schnitt mit der Einzelheit X durch die Elektrodenanordnung.
Hierbei ist der Aufnahmering (18) zur Aufnahme der Elektrodenscheibe (6) mit integrierter unterer Gasverteilungsscheibe ausgeführt. Dieser Aufnahmering (18) wird auf den Grundkörper (1) mit den Befestigungsschrauben (19) angeschraubt. Hierdurch kann einerseits die obere Gasverteilungsscheibe (5) genauer zentriert und andererseits dem Ausdehnungsverhalten des Grundkörpers (1) und der oberen Gasverteilungsscheibe (5) zum Schutz der Elektrodenscheibe (6) entgegengewirkt werden.
Die Befestigungsschrauben (19) für den Aufnahmering (18) und die obere Gasverteilerscheibe (5) sind in Abbildung 3 zwar dargestellt, sind jedoch nicht mehr erforderlich, wenn die Temperaturfestigkeit des ausgewählten Werkstoffes für den Aufnahmering (18) mit integrierter unterer Gasverteilungsscheibe ausreicht, um der Ausdehnung des Grundkörpers (1) und der oberen Gasverteilerscheibe (5) zu widerstehen.
Claims (15)
1. Eine Elektrodenanordnung für Plasmareaktoren hoher Leistung zum Plasmaätzen von Halbleitersubstraten, z. B. Wafern, die sowohl als Elektrode als auch zur Gasverteilung dient.
2. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die gelochte Elektrodenscheibe vor Plasmaeinwirkung geschützt, außerhalb des Prozeßraumes angeschraubt ist.
3. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 und 2, wobei die Befestigungsschrauben für die Elektrodenscheibe aus organischen Polymeren, Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
4. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Befestigungsschrauben für die Elektrodenscheibe zusätzlich oberflächenbehandelt, z. B. anodisiert, sind.
5. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Befestigungsschrauben für die Elektrodenscheibe mit Kappen aus organischen Polymeren oder Keramik oder oberflächenbehandelten Metallen oder Metalllegierungen abgedeckt sind.
6. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Befestigungsschrauben für die Elektrodenscheibe über eine automatische Rückstellung mittels Rückstellfedern verfügen.
7. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Spalt zwischen dem Abdeckring und der Elektrodenscheibe 5-1500 µm beträgt.
8. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 7, bei der durch einen Abdeckring über der Elektrodenscheibe der für den Prozeß nötige Prozeßraum (plasmaeinwirkender Bereich) durch seitliches Verschieben des Abdeckringes oder Variation dessen Breite eingestellt wird.
9. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 8, wobei der Abdeckring aus einer Keramik oder einem organischen Polymer oder einem mit organischen Polymer oder Keramik beschichteten Metall oder einer Metalllegierung oder einer Kombination der vorgenannten Werkstoffe besteht.
10. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, wobei eine ringförmige, sehr weiche und flexible Dichtung als Abdichtung zwischen dem Aufnahmering und der Elektrodenscheibe verwendet wird.
11. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 10, wobei die ringförmige, sehr weiche und flexible Dichtung aus einem organischen Polymere, vorzugsweise Fluorpolymer, oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
12. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 11, wobei im Aufnahmering gleichzeitig eine oder mehrere Gasverteilungsscheiben integriert sind.
13. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 12, wobei der Aufnahmering nicht oder mehrfach geteilt ist und sich aus einem oder mehreren Einzelringen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen zusammensetzt.
14. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 13, wobei der Abdeckring für die Elektroden nicht oder mehrfach geteilt ist und sich aus einem oder mehreren Einzelringen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen zusammensetzt.
15. Eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 14, wobei der Abdeckring auf dem Klemmring oder/und auf der Elektrodenscheibe befestigt wird.
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| Country | Link |
|---|---|
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