NL9201938A - Inrichting voor het ionenetsen over een groot oppervlak. - Google Patents

Description

Titel: Inrichting voor het ionenetsen over een groot oppervlak.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het homogeen ionenetsen over een groot oppervlak door middel van een vacuümlaag, met een recipiënt, welke is voorzien van een gasinlaat- en een gasuitlaatopening, met ten minste zich over een vlak uitstrekkend en aan massapotentiaal liggende anode en een ten opzichte daarvan grotendeels evenwijdig aangebrachte kathode, welke bestemd en ingericht is als substraathouder en is verbonden met een HF-spanningsbron.

Inrichtingen welke geschikt zijn voor het zgn. ionenetsen en worden bedreven in vacuüminstallaties, waarin evenzo zgn. Sputterprocessen worden uitgevoerd zijn voldoende bekend. Uitsluitend bij wijze van voorbeeld worden hier genoemd de publikaties DE-2 241 229 C2 en DE-2 149 606, waarin inrichtingen beschreven staan, welke naast een substraat-bekleding door middel van kathodeverstuiving door het eenvoudig ompolen van de elektrodes ook het ionenetsen mogelijk maakt.

In de publikatie DE-2 241 229 C2 wordt voor het ionenetsen als substraten door een glimontlading een zgn. gesloten systeem beschreven, waarbinnen zich een plasma vormt, dat voor de materiaalverwijdering op het substraat vereist is en door de elektrodevlakken grotendeels wordt omsloten. Een voortdurende gasuitwisseling binnen het plasmavolumen vindt daarbij niet plaats. De handhaving van een stabiel plasma binnen de gesloten etskamer vergt echter enerzijds een in hoge mate nauwkeurige mechanische insluiting, d.w.z. een in hoge mate nauwkeurig wederzijds aanbrengen van de elektrodevlakken met inachtneming van nauwkeurig aan te houden afstandseisen en anderzijds een nauwkeurige instelling van de potentiaal-verhoudingen tussen de aan massa liggende kathode, waaraan het te etsen substraat aangebracht is en de zich daarboven bevindende anode.

Voorts is voor het gelijkmatig van het substraatvlak afnemen van materiaal een verregaande, homogene verdeling van de plasmadichtheid boven het substraat nodig. Te zamen met het heersende potentiaalverschil kan echter ook per se het etsen in verschillende omvang verlopen op grond van lokale verschillen in de voor het etsproces bepalende parameters (bijv. plasmadichtheid, elektrodenafstand en spanningsverhouding) op het substraatoppervlak.

Met de op zichzelf bekende etsinrichtingen, zoals deze bijvoorbeeld in de in het voorgaande genoemde publikaties beschreven zijn, kan de in verregaande mate homogene etsomvang op schijfvormige substraatlichamen met de diameter tot 150 mm worden bereikt. Grotere substraatvlakken zijn echter met de tot dusverre bekende etsinrichtingen niet in de beschreven gelijkmatigheid etstechnisch te behandelen, aangezien in het bijzonder aan de randbereiken van het substraat een geringere materiaalverwijdering optreedt dan in het middenbereik van het substraat. Dit is in hoofdzaak een gevolg van de omstandigheid, dat het plasma aan de substraatrandbereiken op grond van plasmauitvlbeixng aanzienlijk dunner wordt.

Aan de uitvinding ligt nu het probleem ten grondslag een inrichting voor het over een groot oppervlak, homogeen ionenetsen binnen een vacuüminstallatie, met een recipiënt welke is voorzien van gasinlaat- en gasuitlaatopeningen, zodanig verder uit te werken, dat de handhaving van een stabiel plasma binnen het recipiënthuis wordt vereenvoudigd en de gelijkmatigheid van de omvang van de materiaalverwijdering ook bij substraten met een groter oppervlak dan de met de tot dusverre bekende etsinrichtingen te hanteren substraten, gewaarborgd kan worden.

Een volgens de uitvinding voorgestelde oplossing van dit probleem staat aangegeven in conclusie 1. Nadere uitwerkingen van de uitvinding vormen het onderwerp van de volgconclusies.

Volgens de uitvinding wordt een inrichting voor het over een groot oppervlak homogeen ionenetsen in het inwendige van een vacuüminstallatie, met een recipiënt, welke is voorzien van gasinlaat- en gasuitlaatopeningen met ten minste één zich volgens een vlak uitstrekkende en aan massapotentiaal liggende anode en een ten opzichte daarvan grotendeels evenwijdig aangebrachte kathode, welke als substraathouder ingericht en bestemd met een HF-spanningsbron verbonden is, nader gekenmerkt, doordat het anodenoppervlak trapvormige bereiken bevat, welke zich telkens onderling verschillend ver op afstand van de kathoden bevinden.

Het beginsel van het ionenetsen door middel van een vacuümkamer berust hierop, dat tussen de twee elektrodenvlakken, waarvan de kathode de, het substraatdragende, negatieve pool vormt en de anode, welke zich volgens een vlak uitstrekkend tegenover de kathode is aangebracht, inertgas wordt ingeleid. Meestal gaat het daarbij om Argon-gas. Aanvullend wordt aan één van de beide elektroden een HF-hoogspanning aangelegd om ervoor te zorgen dat het tussen de elektroden toegevoerde inerte gas gedissocieerd wordt en zich tot een stationair plasma vormt. De daarbij ontstaande, positieve Argon-ionen worden op grond van elektrostatische aantrekkingskracht in de richting naar het negatief geladen substraatoppervlak versneld en veroorzaken bij de botsing op het substraatoppervlak afhankelijk van hun kinetische energie en de energetische oppervlakomstandigheden van het substraat een bepaalde hoeveelheid loslatend substraatmateriaal. In een open systeem, waarin evenwijdig aan het substraatoppervlak een gasstroom gehandhaafd wordt, worden aldus de afgesputterde substraatdeeltjes op de anode afgescheiden of voor het geval er gasvormige verbindingen ontstaan, worden deze uit het plasmavolume in de gasstroom verwijderd waardoor de chemische samenstelling en daarmee gepaard gaand de elektronische omstandigheden binnen de plasmawolk onveranderd blijven.

Principieel hangt de omvang van het etsen af van het per tijdseenheid het substraatoppervlak treffende aantal Argon-ionen, welk aantal voornamelijk afhankelijk is van het aantal van de zich boven het substraatoppervlak bevindende, geïoniseerde Argon-atomen. Bij een bepaalde druk van het in de installatie aanwezige Argongas en een gegeven hoogspanning tussen kathode en tegenpotentiaal brandt slechts een plasma, wanneer de afstand tussen de beide potentialen groot genoeg is. De reden hiervoor is, dat ionen en elektronen op hun weg tussen de beide potentialen stoten uitvoeren, waarbij nieuwe ionen en elektronen ontstaan. Wanneer het aantal van de stoten te klein, bijvoorbeeld bij te geringe druk of te geringe afstand tussen de potentialen is, is de ionen- elektronenconcentratie te gering en wordt het plasma onwerkzaam.

Wanneer men omgekeerd vermijden wil, dat tussen twee vlakken, waarvan de ene hoogspanning voert, een plasma brandt, moeten die vlakken zo dicht bij elkaar worden gebracht, dat slechts weinig elektronen-ionenparen ontstaan. Alleen deze overweging laat reeds zien, dat men door variatie van. de afstand tussen de tegenover elkaar gelegen elektroden een nauwkeurig in te stellen regelparameter bezit om de omvang van het etsen op het substraatoppervlak willekeurig te kunnen kiezen.

De uitvinding zal in hetgeen thans volgt zonder beperking van de algemene uitvindingsgedachte aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en onder verwijzing naar de tekening bij wijze van voorbeeld worden beschreven naar welke tekening overigens wat betreft de openbaring van alle in de tekst niet nader toegelichte uitvindingsdetails, uitdrukkelijk wordt verwezen.

Fig. 1 is een dwarsdoorsnede van een recipiënthuis dat de volgens de uitvinding voorgestelde elektroden bevat;

Fig. 2 is een bovenaanzicht van de volgens de uitvinding voorgestelde trapsgewijze anode; en

Fig. 3 is een verdere dwarsdoorsnede van een, de uitgevonden elektrodenbevattend recipiënthuis.

Figuur 1 is een zijaanzicht van een recipiënthuis, waarin de volgens de uitvinding toegepaste elektroden zijn aangebracht, namelijk een in het midden aangebrachte, zich volgens een vlak uitstrekkende elektrode 1, welke via een speciaal hoog frequent aanpassingsnetwerk 5 met een HF-bron 7 wordt gevoed met een hoge spanning. Daar tegenoverliggend binnen in het recipiënthuis 4 bevindt zich een trapvormig uitgevoerde tegenelektrode 3, welke bij voorkeur aan massapotentiaal ligt. Die elektrode 1 is daarbij door middel van een condensator gekoppeld met de HF-bron 7, doch is overigens tegen het aardpotentiaal geïsoleerd uitgevoerd, zodat de elektrode 1 een tegen het aardpotentiaal van nul verschillend potentiaal kan hebben. Voorts heeft de elektrode 1 ten opzichte van de elektrode 3 en het recipiënt-huis 4 een kleiner oppervlak, zodat de elektrode 1 steeds negatief voorgespannen is, wanneer een plasma in de recipiënt R wordt ontstoken. Door een gasinlaatventiel 2 treedt Argongas het inwendige van de recipiënt R binnen, overstroomt daarbij de elektrode inrichting en wordt aan de tegenover gelegen zijde door een op geschikte wijze aangebracht gasuitlaat-ventiel 6 door middel van een geschikte vacuümpomp (welke niet is weergegeven) weer weggepompt. De gasinlaat 2 in de recipiënt R is door middel van een aanvullend aangebrachte stroommeter (welke eveneens niet weergegeven is) regelbaar. De zich in de recipiënt R daarbij instellende werkdruk bedraagt tussen 10~3 en 10~2 hPa. Wegens de tussen de elektroden 1 en 3 aanliggende hoge spanning, worden de zich in de tussenruimte van de elektroden bevindende Argon-atomen geïoniseerd en op het substraatoppervlak versneld. Daar maken zij op grond van hun hoge kinetische energie in de vorm van stootprocessen substraatdeeltjes los. Die substraatdeeltjes worden hetzij aan de tegenover gelegen anode opnieuw afgescheiden of voor het geval deze met een toegevoegd reactief gas een gasvormige verbinding aangaan door wegpompen uit de recipiënt R verwijderd. De open opbouw met voortdurende gastoevoer en gasverwijdering waarborgt dientengevolge een in verregaande mate constante gassamenstelling in het inwendige van de recipiënt R.

De trapsgewijze opstelling van de etsanode 3 is daarbij zodanig geconcipieerd, dat deze in de in figuur 1 weergegeven uitvoeringsvorm in het bereik van de gasinlaat het verst van de kathode verwijderd is, aangezien aldaar de vers in het recipiënthuis ingeleide Argon-atomen aanvankelijk eerst moeten worden geïoniseerd om ervoor te zorgen dat zij een bijdrage tot het etsproces kunnen leveren. Eerst na een minimale verblijfduur tussen de elektrodenplaten worden de Argon-atomen door stootprocessen geïoniseerd, hetgeen ertoe leidt, dat de Argon-ionenconcentratie in het bereik van de gasinlaat geringer is, dan in het bereik van de gasuitlaat. Voorts is bekend, dat de mate van etsen afhankelijk is van de werkdruk, zodat afhankelijk van de plaatselijk verschillende werkdrukken, bijvoorbeeld in het bereik van de gasinlaat 2 of -uitlaat 6 de etsomvang onderling verschillend kan zijn. Om deze genoemde, ongewenste effecten te vermijden en in het gehele bereik van het substraatvlak een uniforme etssnelheid te bereiken, wordt - zoals reeds beschreven - de wederzijdse elektrodeafstand in bereiken met toenemende Argon-ionenconcentratie verminderd. Dit leidt tenslotte tot een trapsgewijze structuur van de etsanode, zoals in figuur 1 is weergegeven.

Figuur 2 is een bovenaanzicht van de volgens de uitvinding toegepaste vlakachtige, getrapte structuur van de anode, zoals deze bijvoorbeeld in figuur 1 in dwarsdoorsnede is weergegeven. De trapvormige uitvoering van het oppervlak van de anode 3 leidt tot trapvormige bereiken 8, welke in figuur 2 telkens door hoogtelijnen van elkaar gescheiden zijn. Een, de vierkante anode 3 met een randlengte L omgeven raam 9 zorgt voor een geschikte positionering van de anode 3 in het inwendige van het recipiënthuis 4.

Uiteraard zijn daarvan afwijkende trapsgewijze formaties denkbaar zoals bijvoorbeeld een trapverhoging in het middenbereik van de elektrode opstelling, welke naar de randbereiken toe telkens afvalt. Een dergelijke volgens de uitvinding toegepaste anode uitvoering is in figuur 3 weergegeven. Men heeft ingezien, dat de plasma-uitdunning speciaal in de randbereiken kan worden verminderd, wanneer de elektrodeafstand trapsgewijs naar de randbereiken toe wordt vergroot. Door een getrapt pyramidevormige anodestructuur met willekeurig groot aantal trapbereiken 8’ kan aldus de plasma uitdunning worden tegengegaan.

Principieel kan met de uitgevonden uitvoering van de etsanode de lokale etsomvang of in -intensiteit door een variatie in de elektrodeafstand individueel worden ingesteld. Daardoor is het voor het eerst mogelijk, vierkante substraatvlakken met een zijdelengte van tot 50 cm in een tot dusverre niet te bereiken homogene mate te etsen.

Juist de vervaardiging van halfgeleider bouwstenen in grotere aantallen vergt een naar de maatstaven van massaproduktie geconcipieerde procesvoering. Om het overgaan van een etscharge op een volgende zo snel mogelijk te kunnen uitvoeren is de kathode met de daaraan bevestigde substraten beweegbaar gelegerd, zodat deze rijdend in de etskamer verplaatsbaar is. Dit vergemakkelijkt in aanzienlijke mate het overgaan op een ander substraat en zorgt voor een in verregaande mate optimale benutting van de etsinstallatie, hetgeen uiteindelijk werking van kostenvermindering op de produktie heeft.

Met de volgens de uitvinding voorgestelde inrichting kan de etstechniek zodanig verder worden vervolmaakt, dat qua kosten gunstige zich over grote vlakken uitstrekkende substraten op de gewenste wijze homogeen bewerkt kunnen worden.

Claims (15)

1. Inrichting voor het over een groot vlak/ homogeen ionenetsen in een vacuüminstallatie, met een recipiënt (R), welke is voorzien van gasinlaat- (2) en gasuitlaatopeningen (6)/ met ten minste één, zich vlak uitstrekkend uitgevoerde en aan massapotentiaalliggende anode (3) en een ten opzichte daarvan grotendeels evenwijdig aangebrachte kathode (1), welke als substraathouder ingericht en bestemd met een HF-spanningsbron (7) verbonden is, met het kenmerk, dat het anodeoppervlak trapvormige bereiken (8) bevat, wélke telkens onderling verschillend ver op afstand van de kathode gedistantieerd zijn.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektrodevorm vierkant is en een zijdelengte (L) van tot 50 cm heeft.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in het bereik van de gasinlaat (2) de afstand tussen de elektroden daar het grootst is en in het bereik van de gasuitlaat (6) het geringst.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat zich tussen de elektroden een met het substraat reactief plasma vormt.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat is voorzien in een tweetal anoden (3, 3'), welke in de vorm van een vlak tegenover elkaar liggen en in het vlak van de middenafstand van beide elektroden (3, 3') is voorzien in de kathode (1).

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de uitgestrektheid van het plasma kan worden beïnvloed door de afstand van de elektroden.

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het middenbereik van de anode trapvormige gedeelten (8') bevat, welke tot de kathode een kleinere afstand hebben dan de randbereiken ervan.

8. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de trapsgewijs uitgevoerde anode in Sputter-installaties modulair kan worden igezet.

9. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, het etsproces in een open systeem, waarbij is voorzien in een voortdurende gasuitwisseling in het inwendige van een recipiënt (R) plaats vindt.

10. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gasinlaat- (2) en de gasuitlaatopeningen (6) aan het recipiënthuis (4) tegenover elkander liggen.

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de werkdruk in het inwendige van een recipiënt tussen 10-3 en 10-2 hPa bedraagt.

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kathode (1) voor het daarop aanbrengen van substraten rijdend verplaatsbaar aangebracht is.

13. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kathode (1) via een HF-aanpassingsnetwerk (5) is verbonden met de HF-spanningsbron (7).

14. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gasinlaat (2) in de recipiënt (R) door middel van een stroommeter regelbaar is.

15. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het kathodepotentiaal door het HF-vermogen instelbaar is.