DE3603356C2

DE3603356C2 -

Info

Publication number: DE3603356C2
Application number: DE3603356A
Authority: DE
Inventors: Perry A. Fremont Calif. Us Diederich
Original assignee: PSI Star Inc
Current assignee: PSI Star Inc
Priority date: 1985-02-05
Filing date: 1986-02-04
Publication date: 1988-06-01
Also published as: DE3603356A1; GB2170966B; FR2579058A1; US4600563A; CA1241128A; GB8602735D0; GB2170966A; JPS61183930A

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmareaktionsgefäß gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Solche Plasmareaktionsgefäße sind bekannt (DE-OS 23 59 535; Solid State Technology, Mai 84, S. 111-117). Ein sehr wichtiges Anwendungsgebiet solcher Plasmareaktionsgefäße ist die Entfernung von Photoresist-Schichten von Halbleiterplättchen oder das Ätzen von dünnen Filmen, wie Aluminium, Siliziumdioxid oder Polysilizium auf Siliziumplättchen, die mit einem Photoresist-Ätzmuster versehen sind. Dabei ist die Verwendung eines Gasplasmas üblich, und zwar beim Ätzen dünner Filme entsprechend einem Photoresist-Ätzmuster, bei spielsweise Tetrafluorkohlenstoff mit geringem Sauerstoffzusatz, und beim Entfernen einer Photoresist-Schicht ein Sauerstoffplasma.

Die bekannten Plasmareaktionsgefäße zum Entfernen von Photo resist-Material bestehen, wie ein Beispiel in Fig. 2A zeigt, aus einem zylindrischen Reaktionsgefäß aus Quarz. In dem Reaktionsgefäß wird eine Vielzahl von Halbleiter plättchen angeordnet, auf deren Oberflächen sich jeweils Photoresist-Schichten befinden. Um das Reaktionsgefäß herum sind Metallelektroden angeordnet, von denen eine an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, dessen Betriebsfrequenzen bei 13,56 MHz oder Harmo nischen dieser Frequenz liegen, während die andere Elek trode geerdet ist. Das Reaktiongsgefäß aus Quarz hat au ßerdem eine Gaseinlaßöffnung und eine Auslaßöffnung.

Bei den bekannten Plasmareaktionsgefäßen ist die Erzeugung von Entladungen oder die Lichtbogenbildung zwischen dem Plasma und nahegelegenen metallenen Teilen, die elektrisch geerdet sind, nicht auszuschließen. Wie aus Fig. 2B hervorgeht, sind die Wände des Plasmareaktionsge fäßes elektrisch zwei Kondensatoren gleichwertig. Das im Reaktionsgefäß erzeugte Plasma läßt sich als Widerstand auffassen. Der Bereich innerhalb des Plasmas in der Nähe der Wände wirkt wie zwei Dioden, deren Durchflußrichtung in das Plasma weist. Der Widerstand des Plasmas ist ge ring im Vergleich zum Widerstand der in Sperrichtung ge polten Diode. Wenn z. B. die an die erste Elektrode ange legte HF-Spannung im Größenordnungsbereich von ±1000 V liegt, wird ca. 450 V von jeder der tonnenförmigen Wände aus Quarz absorbiert. Das beruht auf der naturgegebenen Eigenschaft des Quarzes, der die Charakteristiken eines Dielektrikums hat. Damit verbleiben im Plasma ca. 100 V, wovon der größte Teil an der in Sperrichtung gepolten Di ode vorliegt. Wenn die hochfrequente Spannung ihren posi tiven Spitzenwert hat, herrscht im Inneren des Plasmas ca. +550 V. Wenn hingegen die hochfrequente Spannung ihren negativen Spitzenwert hat, hat die Spannung im Innern des Plasmas etwa einen Wert von -450 V. Die Spannung zwischen dem Plasma und Erde ist also immer ca. ±500 V. Diese hohe Spannung fördert die Wahrscheinlichkeit der Lichtbo genbildung zwischen dem Plasma und geerdeten Teilen. So können z. B. metallene Armaturen an verschiedenen Teilen, die mit dem Reaktiongsgefäß verbunden sind, die Ziele die ser Lichtbogenbildung sein, was zu einer Überhitzung und Korrosion dieser Teile führt. Insbesondere kann die Licht bogenbildung Armaturen betreffen, die die Ablaßleitung mit der Vakuumpumpe verbinden. Aufgrund der Lichtbogenbildung ist das Ausmaß der in das Plasma einzugebenden Energie beschränkt und folglich die Geschwindigkeit, mit der die chemische Umsetzung stattfinden kann und damit die Lei stungsfähigkeit des Plasmasreaktionsgefäßes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Plasmareaktions gefäß zu schaffen, mit dem die Möglichkeit einer Hoch spannungs-Lichtbogenbildung des Plasmas mit geerdeten Teilen während der Plasmabehandlung eines Gegenstandes auf ein Minimum eingeschränkt werden kann.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Plasmareaktionsgefäß der eingangs genannten Art die Mitte der Sekundärwicklung des Hochfrequenz transformators geerdet.

Damit wird z. B. bei einer HF-Gesamt-Spannung von ±1000 V erreicht, daß jede Elektrode zwischen ±500 V schwingen kann. Bei der Spitzenspannung liegen an jedem Kondensator, der eine Wand des Reaktionsgefäßes darstellt, 450 V an. Das Innere des Plasmas ist mit der in Vorwärtsrichtung gepolten Di ode verbunden, deren beide Enden auf ca. 50 V liegen. An der in Rückwärtsrichtung gepolten Diode liegen ca. 100 V an. Somit schwankt das Innere des Plasmas zweimal pro Zyklus zwischen 50 V und Masse. Bei 50 V statt 500 V zwi schen dem Innern des Plasmas und Erde besteht eine we sentlich geringere Tendenz, daß das Plasma mit geerdeten Teilen einen Lichtbogen schlägt, so daß mehr Energie in das Plasma eingegeben werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Plasmareaktions gefäßes in Tonnenform, bei dem die Erfindung angewandt wird;

Fig. 2A einen Teilschnitt durch ein bekanntes Plasmareak tionsgefäß;

Fig. 2B eine elektrische Ersatzschaltung des bekannten Plasmareaktionsgefäßes;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Plasmareaktionsgefäß gemäß Fig. 1;

Fig. 4 ein Schema des HF-Spannungstransformators und der elektrischen Ersatzschaltung des Plasmareaktions gefäßes gemäß Fig. 1 und 3;

Fig. 5 eine Teilansicht eines den Plasmafluß erzwingenden Gliedes im Plasmareaktionsgefäß gemäß Fig. 1 und 3.

In Fig. 1 ist ein Plasmareaktionsgefäß 12 in Form eines tonnenartigen Gefäßes gezeigt, welches eine zylindrische, tonnenförmige Arbeitskammer 14 aufweist. Die Arbeitskam mer 14 kann einen Durchmesser von 15 bis 30 cm haben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei spiel hat die Arbeitskammer 14 einen Durchmesser von 30 cm. Die axiale Länge der Arbeitskammer 14 beträgt ca. 53 cm. Die Arbeitskammer 14 ist mit meh reren Einlaßöffnungen 16 versehen, durch die ein Arbeits gas eingeführt wird, sowie mit mehreren Auslaßöffnungen 18, aus denen verschiedene Gase und Nebenprodukte aus der Arbeitskammer 14 entlüftet werden. Insgesamt sind vier Einlaßöffnungen 16 und fünf Auslaßöffnungen 18 bei dem be vorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Die Einlaßöff nungen 16 sind, wie am besten in Fig. 13 erkennbar ist, den Auslaßöffnungen 18 diametral gegenüber angeordnet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Ar beitskammer 14 aus einem herkömmlichen inerten Werkstoff, z. B. aus Quarz.

Die Arbeitskammer 14 kann eine Vielzahl von Gegenständen 20 aufnehmen. Bei den hier gezeigten Gegenständen 20 han delt es sich um Halbleiterplättchen, auf denen jeweils eine Schicht aus Photoresist-Material vorhanden ist, wenn die Plättchen in die Arbeitskammer 14 eingeführt werden.

Zu dem Reaktionsgefäß 12 gehört auch eine Gaszufuhrsam melleitung 22, die der Arbeitskammer 14 benachbart ange ordnet ist. Als Gaszufuhrsammelleitung 22 ist ein gleich falls aus Quarz bestehendes Rohr vorgesehen, welches meh rere Öffnungen 24 hat, die jeweils mit einer der Einlaß öffnungen 16 in die Arbeitskammer in Verbindung stehen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Gaszufuhr sammelleitung 22 vier Öffnungen 24. Durch die Gaszufuhr sammelleitung 22 kann das Arbeitsgas der Arbeitskammer 14 zugeführt werden.

Es ist auch ein Generator 26 für hochfrequente elektrische Energie vorgesehen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei spiel beträgt die Frequenz dieser hochfrequenten Energie 13,56 MHz.

Das Reaktionsgefäß 12 ist ferner mit einem Paar Elektro den 28 e und 30 e an der Eingangsseite versehen, die den Einlaßöffnungen 16 in die tonnenförmige Arbeitskammer be nachbart angeordnet sind, wie am besten in Fig. 3 erkenn bar. Jede der Elektroden 28 e und 30 e, die aus einem leit fähigen Metall, wie Kupfer hergestellt sind, hat eine leichte Krümmung, so daß sie der Krümmung der tonnenför migen Arbeitskammer 14 angepaßt ist. Die Elektroden 28 e und 30 e können in der Arbeitskammer 14 den Einlaßöffnun gen 16 benachbart ein elektrisches Feld erzeugen. Dieses elektrische Feld E _e an der Eingangsseite wandelt das Ar beitsgas in ein Arbeitsplasma um. Durch die Lage dieses elektrischen Feldes E _e an der Einlaßöffnung wird außerdem in der Arbeitskammer 14 den Gegenständen 20 benachbart ein im wesentlichen von einem elektrischen Feld freier Be reich FR begrenzt.

Ferner ist noch ein Paar Elektroden 28 m und 30 m an der Seite der Zufuhrleitung vorgesehen, die beide der Gaszu fuhrsammelleitung 22 benachbart angeordnet sind. Jede dieser Elektroden 28 m und 30 m ist eine sich insgesamt senkrecht erstreckende Platte, die an der einen bzw. der anderen Seite der Gaszufuhrsammelleitung 22 angeordnet ist, wie am deutlichsten in Fig. 3 gezeigt. Auch die Elektroden 28 m und 30 m sind aus leitfähigem Metall, wie Kupfer hergestellt. Diese Elektroden 28 m und 30 m können in der Gaszufuhrsammelleitung 22 ein elektrisches Feld erzeugen. Das so erzeugte elektrische Feld E _m der Zufuhr leitung wandelt einen Teil des Arbeitsgases in Arbeits plasma um, ehe das Arbeitsgas in die Arbeitskammer 14 einströmt. Durch die kombinierte Wirkung des elektrischen Teiles E _m an der Zufuhrleitung und des elektrischen Feldes E _e an der Einlaßöffnung wird das Arbeitsgas wirksam in das gewünschte Arbeitsplasma umgewandelt.

Zwar sind die Elektroden 28 e und 28 m sowie die Elektroden 30 e und 30 m als getrennte und einzelne Elektroden beschrieben, aber es wäre auch möglich, die Elektroden 28 e und 28 m als eine einzige Elektrode und auch die Elektroden 30 e und 30 m als eine einzige Elektro de auszubilden. Darüber hinaus brauchen die Elektroden 28 m und 30 m an der Gaszufuhrleitung nicht in allen Fällen nö tig zu sein. Zwar trägt das elektrische Feld E _m an der Zufuhrleitung, welches die Elektroden 28 m und 30 m erzeu gen, zur wirksamen Umwandlung des Arbeitsgases in das Ar beitsplasma bei, aber ihr Fehlen schmälert die gesamte Umwandlung des Arbeitsgases in das Arbeitsplasma durch das elektrische Feld E _e an der Eingangsseite allein nicht.

Zu dem Reaktionsgefäß 12 gehört ferner ein Transformator 32 für hochfrequente Spannung, der in Fig. 4 dargestellt ist. Der Transformator 32 hat eine Primärwicklung 34, die mit dem Generator 26 für hochfrequente Spannung verbunden ist, sowie eine Sekundärwicklung 36, deren Mitte geerdet ist. Eine Leitung der Sekundärwicklung 36 ist mit den Elektroden 28 e und 28 m verbunden, während die andere in ähnlicher Weise mit den Elektroden 30 e und 30 m verbunden ist.

Den Vorteil, der in der Verwendung eines Transformators für hochfrequente Spannung zur Zufuhr der hochfrequenten Energie zu den Elektroden liegt, erhellt am besten eine Gegenüberstellung mit dem bekannten Verfahren. Wie Fig. 2A zeigt, hat das bekannte Plasmareaktionsgefäß 112 eine Kammer 114 aus Quarz mit einer Einlaßöffnung 116 für Gas und einer Auslaßöffnung 118. Innerhalb der Kammer 114 sind eine Vielzahl von Halbleiterplättchen 120 angeordnet. Außerdem ist mit einem Generator für hochfrequente Span nung bzw. mit Masse ein Paar Elektroden 128 und 130 ver bunden. Die Ersatzschaltung des Reaktionsgefäßes 112 ist in Fig. 2B gezeigt, wo die Quarzwände der Kammer 114 als Kondensatoren und das Plasma als Widerstand dargestellt ist. Darüber hinaus wirkt der Bereich innerhalb des Plasmas in der Nähe der Wände wie zwei Dioden, deren Durchfluß richtung in das Plasma weist. Die an der Elektrode 128 zur Verfügung stehende, hochfrequente Spannung liegt im Größenordnungsbereich von +1000 V. Wegen der der Quarz wand innewohnenden Eigenschaften, die die Merkmale eines Dielektrikums hat, werden von der Wand ca. 450 V absor biert. Damit verbleiben im Plasma ca. 100 V, davon der größte Teil an der in Sperrichtung gepolten Diode. Die Spitzenspannung zwischen dem Plasma und der Erde beträgt ca. ±500 V. Diese hohe Spannung zwischen dem Plasma und Masse verursacht Entladungen bzw. eine Lichtbogenbildung zwischen dem Plasma und metallenen Armaturen des Reaktionsgefäßes, die geerdet sind, wie die Verbindun gen zur Vakuumpumpe. Durch wiederholte Lichtbogenbildung zwi schen einer Armatur und dem Plasma kommt es zu einer Überhitzung dieser Armatur und die Armatur korrodiert und wird beschädigt. Damit wird ein Teil des elektrischen Schaltkreises ausgeschlossen, und die in das Plasma ein zugebende HF-Energie ist beschränkt.

Im Gegensatz dazu werden bei Verwendung des Transforma tors 32 für die hochfrequente Spannung die genannten Nach teile des bekannten Reaktionsgefäßes 112 vermieden. Bei dem Transformator 32 ermöglicht es die Sekundärwicklung 36, die einen Abgriff in der Mitte hat und außerdem geer det ist, daß die maximale Spannung an irgendeiner der Elektroden 28 e, 28 m oder 30 e, 30 m Werte von +500 V oder -500 V haben kann. Bei einem Spannungsabfall von 450 V an der Quarzwand verbleiben im Plasma etwa +50 V Spitzen spannung durch die in Durchflußrichtung gepolte Diode. Die über das Plasma hinweg vorherrschende Spannung schwankt zweimal pro Zyklus zwischen +50 V und Masse. Diese verhältnismäßig niedrige Spannung gegenüber Masse schränkt die Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung zwi schen dem Plasma und metallenen Armaturen, beispielswei se einer Armatur 38 auf ein Minimum ein.

Außerdem weist das Reaktionsge fäß 12 eine Platte 40 zum Erzwingen der Plasmaströmung auf, welches innerhalb der tonnenförmi gen Arbeitskammer 14 angeordnet ist. Dieses Glied 40 ist eine ebene, plattenartige Tafel mit einer Vielzahl von Öffnungen 42 zur Aufnahme von Plättchen 20. Die Plätt chen werden zunächst in einem üblichen Aufnahmegefäß 44 für Plättchen, welches im allgemeinen als Schiffchen be zeichnet wird, angeordnet. Jedes Schiffchen 44 kann eine Vielzahl von Plättchen aufnehmen, wie Fig. 5 zeigt. Die Plättchen im Schiffchen 44 haben einen ausreichend großen Abstand voneinander, so daß atomarer Sauerstoff zwischen ihnen hindurchfließen und mit dem Photoresist-Material auf den Plättchen umgesetzt werden kann. Das aus einem inerten Werkstoff, wie Quarz hergestellte Schiffchen 44 wird dann in einer Öffnung 42 aufgenommen.

Das Reaktionsgefäß 12 ist auch mit einer Abgassammellei tung 50 versehen, die der Arbeitskammer 14 benachbart an geordnet ist. Die Abgassammelleitung 50 ist ein gleich falls aus Quarz bestehendes Rohr mit mehreren Öffnungen 52, die jeweils mit einer der Auslaßöffnungen 18 aus der tonnenförmigen Arbeitskammer in Verbindung stehen. Die Ab gassammelleitung 50 hat bei dem bevorzugten Ausführungs beispiel fünf Öffnungen 52. Durch die Abgassammelleitung 50 kann verbleibendes Arbeitsplasma gemeinsam mit gasför migen Nebenprodukten der Umsetzung zwischen Plasma und Photoresist aus der Arbeitskammer 14 abgeführt werden.

Im Betrieb werden zunächst Schiffchen 44, die jeweils eine Vielzahl von Plättchen 20 enthalten, in Öffnungen 42 der Platte 40 eingesetzt. Dann wird die Arbeitskammer 14 auf mäßiges Vakuum, ca. ¹/₁₀₀₀ einer Atmosphäre entleert. Die Herstellung des Vakuums erfolgt mit einer hier nicht gezeigten üblichen Pumpe, die an die Abgassammelleitung 50 angeschlossen ist. Eine hier nicht gezeigte Quelle für Sauerstoff ist an die Gaszufuhrsammelleitung 22 angeschlossen.

Dann wird der Generator zur Erzeugung der hochfrequenten Spannung aktiviert, woraufhin die Elektroden 28 e, 28 m, 30 e und 30 m elektrische Felder in der Gaszufuhrsammellei tung 22 und in der Arbeitskammer 14 erzeugen. Diese elek trischen Felder E _e und E _m zersetzen den zweiatomigen Sau erstoff zu einatomigem Sauerstoff, dem Arbeitsplasma. Das elektrische Feld in der Gaszufuhrsammelleitung 22 wandelt einen geringen Teil des Arbeitsgases in Plasma um, ehe das Gas in die Einlaßöffnungen 16 der Arbeitskammer 14 strömt. Der restliche Teil des Arbeitsgases wird von dem in der Nähe der Einlaßöffnungen 16 erzeugten elektrischen Feld in Plasma umgewandelt. Durch die Lage des elektri schen Feldes E _e an der Eingangsseite wird das ganze Ar beitsgas gezwungen, das Feld zu durchströmen, das die Um wandlung von Gas in Plasma fördert.

Das Arbeitsplasma wandert durch die Arbeitskammer 14 und durchströmt dabei die Plättchen 20. Wenn das Arbeits plasma mit dem Photoresist-Material in Wechselwirkung ge treten ist, wobei es die verschiedensten Nebenprodukte er zeugt, strömen sowohl das Arbeitsplasma als auch die Neben produkte durch die Öffnungen 42 in der Platte 40, ehe alle die tonnenförmige Arbeitskammer 14 durch die Abgassammel leitung 50 verlassen.

Claims

1. Plasmareaktionsgefäß, mit

- einer vorzugsweise tonnenförmigen Arbeitskammer zur Aufnahme mindestens eines Gegenstandes und eines Plasmavolumens, welches in Wechselwirkung mit einem Material auf dem Gegenstand treten kann,
- einem Paar Elektroden, die außerhalb der aus einem dielektrischen Material bestehenden Arbeitskammer angeordnet sind,
- einem Hochfrequenzgenerator, der über einen Hochfrequenztrans formator mit dem Elektrodenpaar verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte der Sekundärwicklung (36) des Hochfrequenztransformators (32) geerdet ist.

2, Plasmareaktionsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf dem Gegenstand (20) ein Photoresist ist.

3. Plasmareaktionsgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein Halbleiterplättchen (20) ist.

4. Plasmareaktionsgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma ein Sauerstoff-Plasma ist.

5. Plasmareaktionsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf dem Gegenstand (20) ein dünner Film aus Silizium dioxid, Aluminium oder Polysilizium ist, welches mit einem Photo resist-Ätzmuster versehen ist.