DE2601288B2

DE2601288B2 - Gas-Ätzvorrichtung

Info

Publication number: DE2601288B2
Application number: DE2601288A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Tokio Horiike
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-15
Publication date: 1979-05-10
Also published as: US4123663A; DE2601288A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas-Ätzvorrichtung, bestehend aus einem Unterdruckbehälter und einer Einrichtung zur Einleitung eines Fluoratome enthaltenden Gases sowie eines Sauerstoffatome enthatenden

■»ο Gases in den Unterdruckbehälter und aus einer elektrischen Erregereinrichtung zur Anregung des eingeleiteten Gases.

Solche Gas-Ätzvorrichtungen sind bereits bekannt (»IBM Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 16, Nr. 6 vom November 1973), wobei dort zur Ätzung von Siliziumoxid eine Mischung von Freon (CF₄) mit 0,5 bis 10% Sauerstoff zur Herstellung eines Ätzgases verwende* wird.
Aus der Literaturstelle »Electronics«, Bd. 46, Heft 12

w vom Juni 1973 ist auch ein Ätzverfahren für integrierte Schaltungen unter Verwendung eines lonenplasmas wie beispielsweise eines Freongasplasmas bekanntgeworden. Nach dieser Veröffentlichung werden Nitridfilme mit Hilfe von Fluorionen in einem Freongasplasma

π geätzt, ohne dabei ein Sauerstoffatome enthaltendes Gas beizumischen.

Aus der FR-PS 15 08 463 ist überdies eine Vorrichtung zur Abtragung durch lonenbeschuß mittels eines Kathodenzerstäubungsverfahrens bekannt, bei wel-

bo ehern eine beispielsweise aus Argon bestehende Edelgasatmosphäre verwendet wird. Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung metallischer Schichten mittels Kathodenzerstäubung in einem mit Edelgas, z. B. Xenon, Argon oder Wasserstoff, gefüllten Zerstäubungsgefäß ist in der DE-AS 11 22 801 beschrieben. Zu dieser Gattung von Verfahren ist auch ein in der DE-OS 17 199 beschriebenes Sputter-Ätzverfahren zur Herstellung geätzter Muster in dünnen Schichten mit

definierten Kantenprofilen zu rechnen, da dieses Sputter-Ätzverfahren ebenfalls auf einem IonenbeschuB basiert

Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht darin, eine Gas-Ätzvorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß eine gleichmäßigere störungsfreiere Ätzung eines zu ätzenden Gegenstandes möglich wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Unterdruckbehälter in einen Ätzgaserzeugungsbereich und einen Reaktionsbereich aufgeteilt ist, und daß aufgrund der räumlichen Trennung beider Bereiche die im Ätzgaserzeugungsbereich erzeugten elektrischen Felder sich nicht bis zum Reaktionsbereich erstrecken.

Vorteilhafte Weiterbildungen der beschriebenen Gas-Ätzvorrichtung, sowie ein dafür geeignetes Gas-Ätzverfahren sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der beim Ätzen mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielten Ergebnisse,

F;g. 3 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig.4 einen Schnitt durch eine weiter abgewandelte Ausführungsform, jo

Fig.5 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines Ätzgaserzeugungsbereichs der Gas-Ätzvorrichtung,

Fig.6 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung, bei welcher ein Hahn oder Ventil J5 zwischen dem Ätzgaserzeugungsbereich und dem Reaktionsbereich vorgesehen ist,

F i g. 7 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform mit mehreren Reaktionsb:reichen,

Fig.8 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung, deren Reaktionstiereich einen aus Aluminium bestehenden Zylinder aulweist,

F i g. 9 eine graphische Darstellung der beim Ätzen mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 8 erzielten Ergebnisse, 4

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung, um deren Ätzgaserzeugungsbereich Kühlrohre angeordnet sind,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der bei variierender Leistung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 10 so erzielten Ätzergebnisse,

Fig. 12 eine graphische Darstellung zum Vergleich der Ätzergebnisse bei der Vorrichtung gemäß Fi g. 10 und einer ähnlichen, keine Kühlrohre aufweisenden Vorrichtung, ">■>

Fig. 13 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführung, die mit einür Heizplatte zum Erwärmen des zu ätzenden Material«; versehen ist,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der mit der Vorrichtung gemäß F i g. 13 erzielten Ätzergebnisse, bo

Fig. IS eine schematische Schnittansicht einer Vertikal-Gas-Ätzvorrichtung,

F i g. 16 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung im Materialeinbringabschnitt der Vorrichtung gemäß F ig. 15,

Fig. 17 eine schematische Schnittansicht einer weiter abgewandelten AusfUhrungsform, bei weicher der im Reaktionsbereich angeordnete Aluininiutnzylinder mit einer von zwei Elektrodenplatten im Ätzgaserzeugungsbereich verbunden ist,

Fig. 18 eine schematische Schnittansicht einer noch weiteren Abwandlung, bei welcher außerhalb des Reaktionsbereichs eine zylindrische Elektrode vorgesehen ist, an die ein Teil der Hochfrequenz angelegt wird,

Fig. 19 eine graphische Darstellung der mittels der Vorrichtung gemäß F i g. 18 erzielten Ätzergebnisse,

Fig. 20 eine schematische Schnittansicht einer Gas-Ätzvorrichtung zum Ätzen mehrerer Werkstücke, bei welcher an eine Hochfrequenzquelle angeschlossene Elektroden außerhalb von Rohren zur Führung eines Ätzgases vom Ätzgaserzeugungsbereich zu dem zu ätzenden Material angeordnet sind, und

F i g. 21 eine schematische Schnittansicht einer weiter abgewandelten Gas-Ätzvorrichtung, die mit einem Mikrowellengenerator als Erregereinrichtung versehen ist

F i g. 1 zeigt den Umriß einer Gas-Ätzvorrichtung. Dabei besteht ein Unterdruckbe.^! ülter t aus einem Quarzrohr mit einem Durchmesser vor z. B. 60 mm, das einen Gaseinlaß 2 und einen Gasauslaß 3 aufweist Ein Gasgemisch aus einem Fluoratome enthaltenden Gas, wie Freongas (CF»), und einem Sauerstoffatome enthaltenden Gas, wie Sauerstoffgas, wird über den Gaseinlaß 2 in den Unterdruckbehälter eingeleitet Wahlweise ist es möglich, nur das Freongas über den Gaseinlaß 2 einzuführen und im voraus eine das die Sauerstoffatome enthaltende Gas abgebende Substanz, etwa ein Oxid oder Quarzglas, in den Unterdruckbehälter 1 einzulegen.

Der Gasauslaß 3 ist mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden, durch welche das Behälterinnere auf einem Unterdruck von z.B. 0,1 —1 Torr gehalten wird. Das in den Unterdruckbehälter 1 eingeleitete Gasgemisch wird in einen zwischen zwei parallelen plattenförmigen Elektroden 4 und 5 gebildeten Ätzgaserzeugungsbereich eingeführt. Da di; beiden parallelen Elektroden 4 und 5 im Gegensatz zu der bisher verwendeten Plasmaätzvorrichtung, die mit außerhalb des Gefäßes oder Behälters angeordneten Spulen oder Elektroden versehen ist, senkrecht zur Gasstromrichtung im Unterdruckbehälter 1 verlaufen, kann der Stromverbrauch der beschriebenen Vorrichtung herabgesetzt werden. Die parallelen Elektroden 4, 5 werden durch zwei parallel angeordnete, kreisförmige Aluminiumplatten gebildet, die jeweils einen Durchmesser von 56 mm besitzen, mit einer Anzahl von Bohrungen mit einem Durchmesser von 5 mm versehen und in einem Abstand von 12 cm voneinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen diesen paarweise angeordneten Elektroden sowie der Durchmesser Her bohrungen hat jedoch keinen wesentlichen Einfluß auf die Wirkung und Leistung der beschriebenen Vorrichtung, vielmehr reicht es aus, wenn zwei Elektroden mit jeweils einer Anzahl von öffnungen oder Bohrungen als Gasdurchlässse parallel zueinander angeordnet sind. Wenn eine Energie mit einer Hochfrequenz von 13,56 MHz zwischen die Elektroden 4 und 5 angelegt wird, tritt in*· Gasgemisch eine Entladung unter Erzeugung eines Piasmas ?us positiven und negativen Ionen, neutralen Atomen und Molekülen von Fluor und Sauerstoff auf. Anstelle der Hochfrequenzstromquelle 7 kann auch eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle oder ein Mikrowellengenerator verwendet werden, durch welche die Ätzleistung weiter erhöht werden kann. Die Verwendung eines Mikrowellengenerators bietet den Vorteil, daß die innerhalb des

Unterdruckbehälters angeordneten Elektroden überflüssig werden.

Das auf diese Weise erzeugte Ätzgas wird dann in einen Reaktionsbereich IO eingeleitet, der auf Abstand vom Ätzgaserzeugungsbereich 6 angeordnet und in welchem ein zu ätzendes Werkstück 8 auf einem Träger 9 in einem Abstand von z. B. 30 cm von der Elektrode 5 angeordnet ist. Das Einbringen oder Herausnehmen des Werkstücks 8 kann durch Abnehmen und Wiederanbringen eines Deckels 11 des Unterdruckbehälters 1 erfolgen.

F i g. 2 veranschaulicht graphisch die Ergebnisse beim ÄtZ':n eines undotierten polykristallinen Siliziumfilms bei einer Aufwachstemperatur von 68O⁰C unter Verwendung von Freongas (CF4) und Sauerstoffgas (O₂) als Atzgas in der vorstehend beschriebenen Ciasätzvorrichtung. In Fig. 2 ist die Durchsatzmenge an O? (cm'/min) auf der Abszisse und die Ätzleistiing oder -geschwindigkeit des poly-Si-Films (Ä/min) auf der Ordinate aufgetragen. Hierbei betrugen die Durchsatzmenge an CF4 4 cmVmin, die Hochfrequenzleistung 300 W und die Absaugmenge der Vakuumpumpe 300 l/min. Beim herkömmlichen Verfahren ist das Verhältnis der Durchsatzmengen von O2 zu CF* außerordentlich niedrig, d. h. es liegt bei 2—4%; wie aus F i g. 2 hervorgeht, kann dieses Verhältnis bei der beschriebenen Vorrichtung effektiv auf einen wesentlich höheren Wert als dem von 2 — 4%. beispielsweise auf einen Wert von mehr als 10% eingestellt werden. Da in der beschriebenen Weise die Zugabemenge an O₂ erhöht werden kann, wird die Steuerung der Durchsatzmenge sehr einfach während beim bisher angewandten Verfahren die Durchsatzmenge des O₂ und die Ätzleistung sehr schwierig zu steuern sind, weil dabei die zugegebene O2-Menge klein ist.

Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich ist, nimmt die Ätzleistung schnell ab. wenn die eingeführt O2-Menge verringert wird. Bei Erhöhung der Oj-Ziigabemenge tritt dagegen keine wesentliche Verringerung der Ätzleistung auf, doch verringert sich hierbei die Größe des Unterdrucks. Bei Einstellung der Absaugleistung der Vakuumpumpe auf 300 l/min tritt weiterhin eine Verringerung der Ätzleistung aufgrund einer Erhöhung oder Verkleinrung der Sauerstoffgaszugabemenge nur in einem geringen Ausmaß auf. Bei größerer Absaugleistung ist auch die Ätzleistung um 50 größer, weil dabei mehr Ätzgas pro Minute erzeugt wird.

Wenn das zu ätzende Werkstück in einem Abstand von nicht weniger als 10 cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich angeordnet wird, werden besonders gute Ergebnisse erzielt. Bei Erhöhung der Eingangsleistung wird auch die Ätzleistung vergrößert

Nachstehend sind verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Gasätzvorrichtung erläutert

Bei der Vorrichtung gemäß Fig.3 ist der Ätzgaserzeugungsbereich 6 der Vorrichtung von F i g. 1 gegenüber dem Reaktionsbereich 10 abgewinkelt Bei dieser Abwandlung ist der gesamte Ätzgas-Erzeugungsbereich 6 von einem Abschirmelement 12 umschlossen. Hierdurch werden die vom Ätzgas-Erzeugungsbereich 6 ausgestrahlten Ultraviolettstrahlen vollkommen abgeschirmt so daß der Ätzzustand des Werkstücks 3 unter Beleuchtung mit natürlichem Licht überwacht werden kann und somit der Arbeitswirkungsgrad wesentlich erhöhi wird.

Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig.4 ist der Ätzgaserzeugungsbereich ein ausreichend großes Stück vom Reaktionsbereich entfernt wodurch eine wesentlich bessere Ätzleistung erzielt wird. Hierbei ist je ein mit einem Gaseinlaß 13 versehenes Rohr 14 mit einem beispielsweise aus einem Quarzrohr bestehenden Unterdruckbehälter 1 verbunden. Die Rohre 14 bestehen aus Aluminium und wirken gleichzeitig als Elektrodenpaar, und sie sind in den Unterdruckbehälter I eingedichtet und außerdem mit zylindrischen Aluminiumoxidrohren 15 mit einer Länge von jeweils etwa 10 cm versehen. Das über den Gaseinlaß 13 eingeführte

in Gas, z. B. ein Gasgemisch aus CF* und O2, wird durch Bereiche geleitet, die jeweils durch die Außenwand des Aluminiumoxidrohrs 15 und die Innenwand des Unterdruckbehälters gebildet werden. Die durch eine ringwulstförmige, perforierte Aluminiumplatte 16 gcbil-

ii deten Elektroden sind in der Nähe der Ausgänge dieser Bereiche angeordnet. Eine Hochfrequenzstromquelle 7 ist zwischen die Elektroden und eines der Rohre geschaltet. Infolgedessen wird das Mischgas zur Erzeugung eines Ätzgases dissoziiert. Die Pfeile in Fig. 4 geben die Strömungsrichtung des Ätzgases an. Der Deckel 11 besteht aus Quarz. Weiterhin dient die aus Aluminiumoxid bestehende Außenwand 17 des Ätzgas-Erzeugungsbereichs zur Verhinderung einer Korrosion des Quarzes durch die Wirkung des

>i Ätzgases.

F i g. 5 zeigt eine Abwandlung des Ätzgas-Erzeugungsbereichs. Das Gasgemisch aus Freongas und Sauerstoff wird über einen in einem Umfangsabschnitt eines scheibenförmigen Ätzgas-Erzeugungsbereichs 18

jn ausgebildeten Gaseinlaß 19 in diesen Ätzgas-Erzeugungsbereich 18 eingeleitet. Im Ät7gas-Erzeugungsbereich 18 sind zwei perforierte Aluminiumelektroden 20,

21 mit jeweils einer Vielzahl von Bohrungen konzentrisch unter Isolierung und Abdichtung angeordnet.

Zwischen diese Elektroden wird Hochfrequenzenergie zur Erzeugung eines Ätzgases angelegt.

Bei der Gasätzvorrichtung gemäß F i g. 6 ist ein Hahn 24 zwischen einem den Unterdruckbehälter bildenden Ätzgas-Erzeugungsbereich 22 und einem Reaktionsbereich 23 angeordnet. Der Hann 24 dient zur Einstellung der Größe des Unterdrucks im Ätzgas-Erzeugungsbereich 22. Außerhalb des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 22 sind zwei Elektroden 25, 26 vorgesehen, zwischen die eine Hochfrequenzenergiequelle geschaltet ist. Das

über den Gaseinlaß 2 in den Ätzgas-Erzeugungsbereich

22 eingeleitete Gasgemisch aus Freongas und Sauerstoff wird durch Anlegung der Hochfrequenzenergie unter Erzeugung eines Ätzgases angeregt. Dieses Ätzgas wird durch einen Gasauslaß des Ätzgas-Erzeugungsbereichs und den Hahn 24 geleitet und am Gaseinlaß des Reaktionsbereichs 23 in diesen eingeleitet, wobei das Werkstück 8 durch dieses Ätzgas angeätzt wird. Wenn der Hahn 24 geschlossen ist ist das Ätzgas im Ätzgas-Erzeugungsbereich 22 eingeschlos-

sen, und der Ätzvorgang kann durch Öffnen des Hahns 24 auf erforderliche Weise eingeleitet werden. Durch entsprechende Regelung des Öffnungsgrads des Hahns 24 lassen sich zudem die Plasmaerzeugungs- und Ätzreaktionsbedingungen optimal steuern.

ω F i g. 7 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher der Unterdruckbehälter aus einem Ätzgas-Erzeugungsbereich 27 und mehreren Reaktionsbereichen 28, 29, 30 und 31 besteht Zwischen dem Reaktionsbereich 29 und den Reaktionsbereichen 28—31 sind dabei Ventile 32, 33,34 bzw. 35 angeordnet Durch Öffnen oder Schließen dieser Ventile können die Reakionsbereiche geöffnet bzw. geschlossen und bezüglich ihres Drucks geregelt werden. Das über einen Gaseinlaß 36 in den

Ätzgas-Erzeugungsbereich 27 eingeleitete Gasgemisch aus Freongas und Sauerstoff wird durch Anlegung von Hochfrequenzenergie zwischen zwei im Ätzgas-Erzeugungsbereich 2/ vorgesehene Elektroden 37, 38 angeregt, so daß ein Ätzgas gebildet wird, das dann über die Ventile 32—35 zu den Reaktionsbereichen 28-31 geleitet wird, um dadurch das Werkstück zu ätzen. Indern die betreffenden Ventile geschlossen werden und der Atmosphärendruck in den betreffenden Reaktionsbereichen wiederhergestellt wird, können die Werkstük- ke in jedem einzelnen Reaktionsberuch jeweils getrennt ausgewechselt werden.

Fig. 8 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher ein Aluminiumzylinder 39 in den Reaktionsbereich 10 der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzt ist. Bei dieser Vorrichtung kann die Ätzleistung auf das Doppelte oder mehr der Ätzleistung erhöht werden, die bei nicht eingesetztem Zylinder 39 erzielbar ist. Als Beispiel sind Änderungsbereich hierbei mit 0,1 —0,2 Torr sehr schmal.

Nachstehend sind die Gründe dafür aufgeführt, weshalb bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 10 die die Kühleinrichtung 40 darstellenden Kühlrohre außerhalb des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 angeordnet sind. Im Verlauf des Ätzvorgangs erhöht sich selbstverständlich die Temperatur des Ätzgas-Erzeugungsbereichs. Bei der Plasmaätzvorrichtung nimmt im allgemeinen mit ansteigender Temperatur auch die Ätzleistung von Siliziumdioxid (SiO₂) zu.

Wenn das erzeugte Ätzgas zum Anätzen der Wund des Quarzrohrs verbraucht wird, nimmt die Ätzleistung an den zu ätzenden Werkstücken ab. Dieser Temperaturanstieg wird also durch Kühlung der Wand des Ätzgas-Erzeugungsbereichs mittels der Kühlrohre verhindert. Diese Kühl wirkung ist in Fig. 12 veranschaulicht, welche bei (1) die Ätzleistung oder -geschwindigkeit an polykristallinem Silizium ohne Kühlung und bei

ivuiiiuiie

nem Silizium einmal mittels dieser Abwandlung und zum anderen mittels einer keinen derartigen Aluminiumzylinder aufweisenden Vorrichtung gemäß F i g. 1 veranschaulicht. Auf der Ordiante von Fig.9 ist dabei die Ätzleistung aufgetragen, während auf der Abszisse der Abstand zwischen der Elektrode 5 und dem Werkstück 8 aufgetragen ist. Das Ätzen wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Eingangsleistung 300 W; Durchsatzmenge an CF4 = 4cmVmin; Durchsatzmenge an O2 = 4cmVmin. In F i g. 9 ist das Ätzergebnis unter Verwendung der den Zylinder enthebenden Vorrichtung durch die ausgezogene Linie und für die Vorrichtung ohne einen solchen Zylinder durch eine gestrichelte Linie angegeben. Wie aus F i g. 9 ersichtlich ist, wird durch Anordnung eines Aluminiumzylinders im Reaktionsbereich die Ätzleistung erheblich verbessert.

Fig. 10 veranschaulicht eine weitere Abwandlung, bei welcher eine Kühleinrichtung 40, z. B. in Form vor Kühlrohren, an der Außenseite des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 der Vorrichtung gemäß F i g. 8 vorgesehen ist. F i g. 11 veranschaulicht graphisch die Ätzleistung beim Ätzen eines polykristallinen Siliziumfilms mittels dieser Vorrichtung, wobei die O2-Durchsatzmenge bei auf 4 cmVmin eingestellter CF₄-Durchsatzmenge variiert wird. Diese graphische Darstellung zeigt außerdem die Beziehung zwischen der OrDurchsatzmenge und der Ätzleistung bei Änderung der angelegten Energie. Aus F i g. 11 geht hervor, daß auch bei einer Plasmaerzeugung bei einer niedrigen Energie von 100W oder 150W eine hohe Ätzleistung bei Mischungsverhältnissen von CF4 zu O2 von etwa 4 :1 bis 6 (6:1) erzielt wird; dies bedeutet, daß eine ausreichend große Menge an Ätzgas erzeugt wird. Außerdem ist ersichtlich, daß sich bei Erhöhung der zugeführten Leistung oder Energie die maximale Ätzleistung im Sinne einer Erhöhung der OrDurchsatzmenge verschiebt, wobei gleichzeitig eine hohe Ätzleistung über einen weiten Bereich der OrDurchsatzmenge hinweg erzielt wird. Genauer gesagt: Bei Anlegung einer hohen Energiemenge kann die OrMenge über einen weiten Bereich hinweg gewählt bzw. variiert werden. Infolgedessen wird ohne Schwierigkeiten ein Ätzgas erzeugt, auch wenn die Durchsatzmenge an O2 in der Größenordnung von 0,5 cmVmin bei einer CF^-Durchsatzmenge von 4 cmVmin liegt, d. h. wenn die OrMenge im Gasgemisch etwa 10% oder mehr der CF.»-Menge beträgt In F i g. 11 ist außerdem die Änderung der Vakuumgröße dargestellt; ersichtlicherweise ist dieser Darstellung gent hervor, daß die Atzleistung durch Kühlung des Ätzgaserzeugungsbereichs verdoppelt werden kann.

Fig. 13 zeigt eine Gasätzvorrichtung, bei welcher eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des zu ätzenden Werkstücks 8, z. B. eine Heizplatte 41, im Reaktionsbereich 10 vorgesehen ist. Die Temperatur des Werkstücks 8 wird von außen her durch einen Regler 42 geregelt, der mit Thermoelementen 43 und Zuleitungen 44 für die Heizeinrichtung versehen ist. Fig. 14 veranschaulicht graphisch die Ätzleistung für den Fall, daß beim Ätzen von polykristallinem Silizium unter Verwendung der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 13 die Temperatur des Materials bzw. Werkstücks 8 mittels der Heizplatte 41 variiert wird. In Fig. 14 ist auf der Abszisse die Größe 1/7" χ \< '· (mit T= Absoluttemperatur) aufgetragen, und die lotrechten Linien geben jeweils den Gleichmäßigkeitsgrad der Ätzleistung an. Aus dieser graphischen Darstellung geht hervor, daß bei Erhöhung der Temperatur des Werkstücks die Länge der lotrechten Linien, welche den Gleichmäßigkeitsgrad beim Ätzen angeben, merklich zunimmt, d. h. die Gleichmäßigkeit beim Ätzen abnimmt.

Fig. 15 zeigt eine Gasätzvorrichtung für die Chargenbehandlung einer großen Zahl von Siliziumscheiben. Bei den vorher beschriebenen Gasätzvorrichtungen handelt es sich jeweils um Horizontalvorrichtungen, und die in diesen Vorrichtungen zu ätzenden Werkstücke werden parallel zum Gasstrom eingesetzt. Bei dieser Vorrichtungsart wird das Ätzgas zunächst an der Stromaufseite des zu ätzenden Materials verbraucht, worauf der Ätzvorgang zur Stromabseite fortschreitet. Aus diesem Grund ist nach Abschluß des Ätzvorgangs ein Teil des Werkstücks 8 an der Stromaufseite unnötig stark geätzt Zur Vermeidung dieses Nachteils ist die Vorrichtung gemäß Fig. 15 vertikal gebaut Hierbei wird das Ätzgas den Werkstücken über Gaszulaßrohre 46, 47 und 48 zugeführt, welche die Einlaßteile eines Reaktionsbereichs 45 bilden. Außerdem wird bei dieser Vorrichtung der Ätzgas-Erzeugungsbereich gekühlt während das zu ätzende Material erwärmt wird, ähnlich wie dies bei der Vorrichtung gemäß F i g. 13 der Fall ist Infolgedessen wird ein gleichmäßiges Ätzen mit hoher Ätzleistung erreicht Außerdem sollte bei dieser Vorrichtung das Ätzen möglicherweise vom Randabschnitt zum Mittelteil des zu ätzenden Materials hin erfolgen. Aus diesem Grund kann der Ätzvorgang gleichmäßiger gestaltet werden, indem die Heizeinrichtung so ausgelegt wird, daß jedes Tragelement in seinem

Mittelteil stärker erwärmt wird als an seinem Umfangs- oder Randabschnitt.

Im folgenden ist eine Gasätzvorrichtung erläutert, bei der im Reaktionsbereich eine zusätzliche bzw. Hilfs-Erregereinrichtung angeordnet ist.

Fig. 17 zeigt eine Konstruktion, bei welcher bei der Gasätzvorricht'ing von Fig.8 ein in den Reaktionsbereich 10 eingesetzter Aluminiumzylinder 39 über eine Leitung 49 mit einer der beiden Elektroden im Ätzgas-E^r.rzeugungsbereich verbunden ist. Da bei dieser Vorrichtung das Innere des Reaktionsbereichs aufgrund schwacher Entladung in einem Erregungszustand gehalten wird, erfährt das Ätzgas keine Aufspaltung. Beim Ätzen mittels dieser Vorrichtung wird daher eine Ätzleistung erzielt, die gemäB Fig. 19 das Vierfache derjenigen einer bisher verwendeten Vorrichtung betragt. Mit dieser Vorrichtung kann selbst Wolframsilizid geätzt werden, das bisher schwierig zu ätzen war. Außerdem ist es mit dieser Vorrichtung möglich, den Ätzvorgang ohne Verschlechterung eines Photolackes, z. B. durch Ultraviolettstrahlung, wie dies bei den bekannten Vorrichtungen der Fall ist, durchzuführen.

Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 18 ist eine zylindrische Elektrode 50 an der Außenseite des Reaklionsbereichs 10 angeordnet. Durch Anlegung eines Teils der Hochfrequenzenergie an diese Elektrode wird der im Inneren des Reaktionsbereichs 10 vorgesehene Aluminiumzylinder 39 hochfrequenzmäßig an die Elektrode 50 angekoppelt. Beim Ätzen mittels dieser Vorrichtung werden ebenfalls die Ergebnisse gemäß Fig. 19erzielt.

Diese zusätzliche Erregereinrichtung für den Reaktionsbereich ist besonders dann wirksam, wenn der Abstand zwischen dem Ätzgas-Erzeugungsbereich und dem zu ätzenden Werkstück, wie beim folgenden Beispiel, groß ist. Die Gasätzvorrichtung gemäß F i g. 20 weist eine Anzahl von Reaktionsbereichen auf, in denen mehrere zu ätzende Werkstücke gleichzeitig behandelt werden können. Da bei dieser Vorrichtung die Strecke, über welche das Ätzgas zu den Werkstücken geleitet wird, ziemlich groß ist, zersetzt sich das Ätzgas unter Verminderung der Ätzleistung. Zur Verhinderung der Zersetzung des Ätzgases sind zylindrische Aluminiumelektroden 57, 58 und 59 an den Außenseiten der die EinlaQabschnitie der Reaktionsbereiche 51, 52 und 53 bildenden Zufuhrrohre 54, 55 bzw. 56 vorgesehen, welche das Ätzgas vom Ätzgas-Erzeugungsbereich zu den zu ätzenden Werkstücken führen. Diese Elektroden sind an eine Hochfrequenzenergiequelle des Ätzgas-Erzeugungsbereichs angeschlossen, so daß die Innenräume der Zufuhrrahre 54—56 in einen durch eine schwache Entladung erregten bzw. angeregten Zustand versetzt werden. Das Ätzgas wird also selbst beim Durchströmen eines Kanals mit verhältnismäßig großer Länge nicht zersetzt oder aufgespalten, so daß eine hohe Ätzleistung gewährleistet werden kann. Darüber hinaus lassen sich bei Anordnung einer zusätzlichen Erregungseinrichtung, ähnlich den zylindrischen Aluminiumelektroden der Gaszulaßrohre 46—48 der Vertikal-Gasätzvorrichtung gemäß F i g. 15, ohne weiteres mehrere Werkstücke gleichzeitig ätzen.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf Gasätzvorrichtungen, bei denen ein Ätzgas durch Anregung oder Erregung von O2 und CF4 durch Anlegung von Hochfrequer.zenergie erzeugt ??ird. Das Ätzgas kann aber auch dadurch erzeugt werden, daß die genannter: Gase mittels Mikrowellenenergie (z. B. von 2,4GHz) angeregt werden. In diesem Fall wird eine weiter vergrößerte Ätzgasmenge erzeugt, so daß das Ätzgas über eine größere Strecke geführt werden kann. Bei der Gasätzvorrichtung gemäß Fig. 21 braucht der Ätzgas-Erzeugungsbereich 6 nur so ausgelegt zu sein, daß er einen rechteckigen Wellenleiter 60 durchsetzt; dies bietet den Vorteil, daß die paarweise angeordneten Elektroden im Unterdruckbehälter entfallen können. Das eingeführte Gasgemisch wird durch die von einem Mikrowellengenerator 61 des Wellenleiters 60 erzeugten Mikrowellen angeregt bzw. erregt, so daß es zu einem Ätzgas wird. Der Grund, weshalb der Innendurchmesser des Ätzgas-Erzeugungsbereichs 6 kleiner gewählt wird als derjenige des Reaktionsbereichs 10, kann darin gesehen werden, daß — weil bei d^r Vorrichtung gemäß Fig. 21 die Anwendung einer S-Band-Frequenz (2 —4GHz) vorausgesetzt ist — der Bereich 6 im Vergleich zum Bereich 10, in den ein zu atzendes Werkstuck mit einem Durchmesser von 50—70 mm eingesetzt wird, nur schlanker ausgebildet werden kann. Bei Anwendung einer L-Band-Frequenz (1-2GHz) kann dagegen ein Ätzgas-Erzeugungsbereich mit einem größeren Durchmesser vorgesehen werden.
Zusammenfassend sei darauf hingewiesen, daß bei Erzeugung eines Gasplasmas durch Einleitung eines Freongases und gasförmigen Sauerstoffs in einen . Unterdruckbehälter und bei Anlegung einer Hochfrequenzenergie an zwei im Unterdruckbehälter angeordneten flache, plattenförmige Elektroden sowie bei Entladung dieser Elektroden aktive Substanzen bzw. ein Ätzgas mit einer sehr langen Lebensdauer von einigen oder mehreren Sekunden erzeugt werden, wobei durch diese aktiven Substanzen ein polykristallines Silizium (poly-Si) od. dgl. auch an einer ein beträchtliches Stück vom Plasma entfernten Stelle, an welcher kein Erregerlicht vorhanden ist, ausreichend geätzt wird. Normalerweise wird angenommen, daß die mittlere freie Weglänge eines Gases unter einem solchen Unterdruck, bei dem ein Gasplasma erzeugt wird,

w bestenfalls in der Größenordnung von einige.. Hundertstel Millimetern liegt, wobei die angeregten Gasatome bzw. -moleküle miteinander kollidieren und in ihre Grundzustände zurückkehren. Bei der bisher verwendeten Plasmaätzvorrichtung, bei welcher das Freongas durch Entladung dissoziiert wird, indem Hochfrequenz an eine Hochfrequenzspule oder eine außerhalb des Unterdruckbehälters angeordnete Kondensator-Elektrode angelegt wird, konnte ein Werkstoff, wie poly-Si, an einer strömungsabgewandten Seite in einer Entfer-

nung von etwa 10 cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich nicht geätzt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dann, wenn — wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung — das Freongas durch Entladung mittels zweier flacher Elektroden im Unterdruckbehälter, an weiche eine Hochfrequenz angelegt wird, dissoziiert und angeregt wird, das in einem Abstand von etwa 10 cm vom Ätzgas-Erzeugungsbereich an der strömungsabgewandten Seite befindliche poly-Si angeätzt wird, obgleich die Ätzgeschwindigkeit des poly-Si bei

eo nur etwa 2 Ä/min liegt Wenn dagegen Sauerstoffgas in einem dem Freongas entsprechenden Volumen hinzugefügt wird, wird die Ätzgeschwindigkeit des poly-Si im gleichen Abstand an der strömungsabgewandten Seite äuif etwa 1500 A/min beträchtlich erhöht Es wirrf angenommen, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß das Freongas und der gasförmige Sauerstoff durch Anlegung einer hohen Leistung bzw. Hochfrequenzenergie an mit engem Abstand paarweise angeordnete

Elektroden dissoziiert werden, wodurch aktive Substanzen bzw. ein Ätzgas mit einer sehr langen Lebensdauer erzeugt werden.

Wie erwähnt, werden mit der beschriebenen Gasätzvorrichtung verschiedene Probleme dadurch ausgeschaltet, daß der Ätzgaserzeugungsbereich vom Reaktionsbereich getrennt ist. Außerdem kann bei dieser Vorrichtung die Ätzgeschwindigkeit oder -leistung beträchtlich erhöht werden, wenn die Menge des Sauerstoffatome enthaltenden Gases auf mindestens 10Vol.-% der Fluoratome enthaltenden Gasmenge eingestellt wird. Weiterhin kann eine Verminderung der Ätzleistunj aufgrund eines Temperaturanstiegs des Ätzgas-Erzeugungsbereichs durch Kühlung dieses Bereichs verhindert werden. Zudem vird durch Erwärmung des zu ätzenden Materials ;ine gleichmäßige Ätiwirkung gewährleistet und gleichzeitig die Ätzlei-

stung erhöht so daß die für die Durchführung des Fertigungsverfahrens erforderliche Zeitspanne verkürzt werden kann. Darüber hinaus kann durch Anordnung einer zusätzlichen oder HilfsErregerein richtung im Reaktionsbereich, um 'etzteren in einen Zustand zu versetzen, in welchem er aufgrund schwacher Entladung erregt oder angeregt wird, die Ätzleistung stark erhöht werden, wobei selbst bei einem großen Abstand zwischen dem Ätzgaserzeugungsbereich und dem zu ätzenden Werkstück kein Zerfall des Ätzgases auftritt, so daß das Ätzgas zu einer Anzahl von Reaktionsbereichen überführt werden kann und die Vorrichtung somit einfach zu bauen ist, weil der Ätzgaserzeugungsbereich und der Reaktionsbereich durch ein Rohr zur Führung des Ätzgases miteinander verbunden werden können.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gas-Ätzvorrichtung, bestehend aus einem Unterdruckbehälter und einer Einrichtung zur Einleitung eines Fluoratome enthaltenden Gases sowie eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases in den Unterdruckbehälter und aus einer elektrischen Erregereinrichtung zur Anregung des eingeleiteten Gases, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckbehälter (1) in einen Ätzgaserzeugungsbereich (6) und einen Reaktionsbereich (10) aufgeteilt ist, und daß aufgrund der räumlichen Trennung beider Bereiche (6,10) die im Ätzgaserzeugungsbereich (6) erzeugten elektrischen Felder sich nicht bis zum Reaktionsbereich (10) erstrecken.

2. Gas-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Erregereinrichtung (4,5,7) zur Hochfrequenzentladung mit zwei an eine Hochfrequenzstromquelle (7) angeschlossenen Elektroden (5,7) ausgebildet ist, zwischen welche die Gase eingeführt werden.

3. Gas-Ätzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (S, 7) im Unterdruckbehälter (1) senkrecht zur Strömungsrichtung der Gase angeordnet sind.

4. Gas-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Erregereinrichtung aus einem Wellenreiter (60) und einem Mikrowellengenerator (61) besteht (F i g. 21).

5. Gas-ÄUvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbereich (10) mit einem Zylinder (39) aus einem gegen Ätzung widerstandsfähigen Ni tall ausgestattet ist (F ig. 8).

6. Gas-Atzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgaserzeugungsbereich (6) mit einer Kühleinrichtung (40) ausgestattet ist.

7. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Sauerstoffatome enthaltende Gas Sauerstoff ist und das die Fluoratome enthaltende Gas aus Freon CF₄ besteht.

8. Gas-Ätzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffanteil wenigstens 10 Volumenprozent der Menge des Freon CF₄ beträgt.

9. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsbereich (10) zur Erwärmung von zu ätzenden Werkstücken (8) eine Heizeinrichtung (41-44) vorgesehen ist (F ig. 13,15,16).

10. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Erregereinrichtung wenigstens eine mit einer der Elektroden (4,5) des Ätzgaserzeugungsbereichs (6) verbundene Hilfselektrode (39, 49; 50; 57, 58, 59) aufweist, welche innerhalb oder außerhalb der den Reaktionsbereich (10) eingrenzenden Wandung des Unterdruckbehälters (1) angeordnet ist.

11. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu ätzenden Werkstücke (8) im Reaktionsbereich (10) senkrecht zur Ätzgasströmung angeordnet sind.

12. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur

Steuerung der Ätzgasströmung zwischen dem Ätzgaserzeugungsbereich (22; 27) und dem Reaktionsbereich (23; 28—31) Steuereinrichtungen (24; 32—35) angeordnet sind (F i g. 6,7),

13. Gas-Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgaserzeugungsbereich und der Reaktionsbereich über ein Gaszulaßrohr miteinander verbunden sind.

14. Gas-Ätzvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszulaßrohr (46,47, 48) eine Vielzahl von Zweigen aufweist, deren Enden in den Reaktionsbereich (45) führen, und daß im Reaktionsbereich (45) eine die Werkstücke (8) tragende Halterung angeordnet ist, zu deren Ebene die Ätzgasströmung senkrecht verläuft (F i g. 15).

15. Gas-Ätzverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Ätzgaserzeugungsbereich ein Fluoratome enthaltendes Gas und ein Sauerstoffatome enthaltendes Gas eingeführt werden, daß durch den Gasen zugeführte Hochfrequenzenergie ein Ätzgas erzeugt wird, und daß die Reaktion des Ätzgases mit den zu ätzenden Werkstücken an einer Stelle erfolgt, welche derart weit entfernt ist, daß an ihr kein elektrisches Feld existiert

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffatome enthaltende Gas ein Sauerstoffgas und das Fluoratome enthaltende Gas ein Freongas ist, und daß die Menge des Sauerstofigases wenigstens 10 Volumenprozente der Menge des Freongases beträgt.