DE69510576T2

DE69510576T2 - Plasma-Entschichtungsvorrichtung mit Mikrowellenfalle

Info

Publication number: DE69510576T2
Application number: DE69510576T
Authority: DE
Inventors: Mohammad Kamarehi; James E. Simpson
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: EP0670587B1; EP0670587A1; US5498308A; JPH0864584A; JP3190536B2; DE69510576D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasma-Nachbrenn- Abtragvorrichtung und speziell eine Abtragvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen werden Fotolacke als Masken verwendet, und nachdem die Maskierungsfunktion beendet ist, ist es notwendig, den Fotolack von dem Halbleiterwafer zu entfernen. Eine Vorrichtungsart zum Entfernen solcher Fotolacke ist als Plasma-Nachbrenn-Abtragvorrichtung bekannt. Bei solch einer Vorrichtung wird ein Gas, beispielsweise Sauerstoff, das durch ein Rohr strömt, welches durch ein Mikrowellengehäuse läuft, durch Mikrowellenenergie in den Plasmazustand angeregt. Das Rohr verläßt das Mikrowellengehäuse durch eine Öffnung und läuft in den Bereich des Halbleiterwafers, von dem etwas entfernt werden soll. Die der Vorrichtung zugrundeliegende Idee ist die, das Entfernen mit angeregten Atomen zu bewirken, die in dem sich aus dem Mikrowellengehäuse erstreckenden Rohr vorhanden sind (daher der Name "Nachbrenner"), anstatt mit angeregten Ionen, die in dem Teil des Rohres vorhanden sind, das in dem Mikrowellengehäuse liegt und in dem das Plasma erzeugt wird. Eine Plasma-Nachbrenn- Abtragvorrichtung ist beispielsweise in dem Artikel "Characterization of a novel microwave stripper" von F. Pasierb im Journal of Vacuum Science and Technology, Part A, Vol. 10, No. 4, Pt. I, Juli 1992, Seiten 1096-1099, beschrieben.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei Plasma- Nachbrenn-Abtragvorrichtungen nach dem Stand der Technik Mikrowellenenergie durch die Öffnung, durch die das Plasmarohr das Mikrowellengehäuse verläßt, entweicht und zahlreiche Probleme verursacht, beispielsweise die folgenden:
a) Energiegeladene Ionen werden in der Nähe des Wafers erzeugt und können eine Beschädigung des Wafers verursachen. Der Mikrowellenverlust erzeugt ein Plasma in dem Teil des Rohres, der unmittelbar außerhalb des Mikrowellengehäuses liegt, wobei dieses Plasma leitfähig ist, wodurch sich der Mikrowellenverlust weiter entlang dem Rohr erstreckt. Dieser Zustand führt zu einer Ionenbeschleunigung durch die elektrischen Felder, die nun näher an dem Wafer vorhanden sind, und erzeugt energiegeladene Ionen, die eine Beschädigung des Wafers verursachen können.
b) Aufgrund elektromagnetischer Interferenz mit Instrumenten in der Umgebung wird die Mikrowellenschaltung extrem instabil, wodurch die Verläßlichkeit des Systems verringert und die Leistungsfähigkeit des Prozesses begrenzt wird.
c) Hochenergieanwendungen werden durch den Mikrowellenverlust, das Streuplasma und die mit der Instabilität des Systems verbundenen Probleme behindert.
d) Es ist auch bekannt, daß die von dem Streuplasma emittierte ultraviolette Strahlung eine Beschädigung des Wafers verursacht.
Aus EP-A-0 131 433 ist eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung zum Trockenätzen oder Abtragen bekannt, die aus einem Bereich zur Plasmaerzeugung, der in einem Hohlleiter ausgebildet ist, durch den Mikrowellenenergie übertragen wird, in den ein reaktives Gas eingeführt wird und in dem durch die an dieses angelegte Mikrowellenenergie ein Plasma erzeugt wird, und einem Reaktionsbereich besteht, der an dem Bereich zur Plasmaerzeugung mit einem Abschirmmittel angebunden ist, durch das in dem Plasma erzeugte Radikale des reaktiven Gases in den Reaktionsbereich eintreten können, wohingegen Mikrowellen und Plasma daran gehindert werden, in den Reaktionsbereich einzutreten. Das Abschirmmittel besteht entweder aus einem Metallnetz oder aus Löchern, die in einer Wand des Hohlleiters ausgebildet sind.
Eine Mikrowellenfalle als solche ist aus EP-A-0 006 997 bekannt. Dieses Dokument behandelt jedoch das Gebiet der Mikrowellenöfen, das in bezug auf Plasma-Abtragvorrichtungen kein verwandtes Gebiet ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend genannten Probleme durch Bereitstellen von Mikrowellenfallen, wie sie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und Anspruch 8 definiert sind, gelöst.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung weist die Mikrowellenfalle koaxiale innere und äußere Leiter auf, worin der Durchmesser des äußeren Leiters in einem zu dem Mikrowellengehäuse versetzten Bereich kleiner wird und worin der Teil des äußeren Leiters mit dem kleineren Durchmesser von dem inneren Leiter durch einen Zwischenraum beabstandet ist. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist die Falle ein Hohlraum.
Die Mikrowellenfalle ist dahingehend wirksam, das Entweichen von Mikrowellen zu vermeiden, wodurch sich die folgenden Vorteile ergeben:
a) Vermeiden von energiegeladenen Ionen nahe dem Fotolack, wodurch eine Beschädigung des Wafers vermieden wird.
b) Eine enorme Verbesserung der Systemstabilität und Verläßlichkeit, was auch zu einer Steigerung der Prozeßleistungsfähigkeit führt. Demgemäß kann das System unter Verwendung der Erfindung über einen weiten Bereich von Betriebsparametern (d. h. Druck, Durchflußrate, Gastyp und Energieniveau) betrieben werden.
c) Auch die UV-Strahlung ist minimiert.
Die Erfindung ist in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung leichter verständlich, die folgendes darstellt:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Abtragsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Querschnittansicht einer Mikrowellenfalle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Ersatzschaltung für die Vorrichtung der Fig. 3.
Die Fig. 5 und 6 zeigen den Teil, der den inneren Leiter der in der Fig. 3 gezeigten Koaxialvorrichtung bildet. Die Fig. 7 und 8 zeigen den Teil, der den äußeren Leiter der in der Fig. 3 gezeigten Koaxialvorrichtung bildet.
Fig. 9 zeigt eine Mikrowellenfalle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die Feldverteilung eines zylindrischen TM&sub0;&sub1;&sub0;-Hohlraums und eine Ersatzschaltung für die Vorrichtung der Fig. 9.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist eine Plasma- Abtragvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein Halbleiterwafer 1 trägt auf seiner oberen Oberfläche einen Fotolack, der entfernt werden soll. Der Wafer 1 liegt auf einem Träger 2, der in einer abgedichteten Vakuum- Prozeßkammer 3 angeordnet ist.
Ein Plasmarohr 5, das typischerweise aus Quarz besteht, ist in einem Mikrowellengehäuse 4 angeordnet, das durch ein Magnetron 12 angeregt wird. Während das Mikrowellengehäuse viele spezielle Formen annehmen kann, ist es in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein rechteckiger TE&sub1;&sub0;&sub2;-Hohlraum. Die Länge des Hohlraums wird mit einem verschiebbaren Kurzschluß 16 eingestellt, so daß eine Abstimmung erreicht werden kann. Ein Halter 18 ist an dem Mikrowellengehäuse 4 befestigt, um seine Position relativ zu der Vakuum-Prozeßkammer 3 zu fixieren.
Bezogen auf die Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, daß das Plasmarohr 5 ein Ende 14, einen Hauptteil 6, der in dem Mikrowellengehäuse angeordnet ist, einen Teil 8, der das Mikrowellengehäuse verläßt, und einen Teil 10 aufweist, der abwärts in die evakuierte Prozeßkammer führt.
Ein anregbares Gas wird an dem Ende 14 des Plasmarohres 5 eingespeist. Typischerweise wird Sauerstoff, der mit anderen Gasen, wie N&sub2;H&sub2; und N&sub2;O vermischt werden kann, verwendet, aber die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines speziellen Gases oder einer speziellen Gasmischung beschränkt. Ein Plasma wird durch die Mikrowellenenergie im Teil 6 des Plasmarohres 5 angeregt, wobei das Plasma aus energiegeladenen Ionen besteht und Licht einer Farbe aussendet, die von den speziellen Gasen abhängt, die vorhanden sind.
Das Plasmarohr bei der bevorzugten Ausführungsform hat einen Durchmesser von etwa 25 mm (1 inch), speziell 25 mm äußerer Durchmesser und 23 mm innerer Durchmesser. Das Rohr muß daher durch eine Öffnung in dem Mikrowellengehäuse gehen, die wenigstens etwa 25 mm (1 inch) Durchmesser aufweist, und verläuft von dort aus hinunter zu der Prozeßkammer 3. Da die Rohrteile 8 und 10 außerhalb des Mikrowellengehäuses liegen, wird idealerweise in diesen Teilen kein Plasma (energiegeladene Ionen) angeregt. Vielmehr ist erwünscht, daß dort energiegeladene Sauerstoffatome (atomarer Sauerstoff oder O) angeregt werden, die auf den Fotolack geführt werden, um diesen, den Erfordernissen entsprechend, zu entfernen.
Bei einer realisierten Vorrichtung kann man feststellen, daß das Plasma nicht auf den Teil des Plasmarohres beschränkt ist, der in dem Mikrowellengehäuse liegt. Es wird angenommen, daß der Grund hierfür ist, daß Mikrowellenenergie aus der vergleichsweise großen Öffnung entweicht, die den Austritt des Plasmarohres ermöglicht.
Dieses Entweichen von Mikrowellenenergie verursacht das Auftreten einer Anzahl ernsthafter Probleme, wie folgt:
a) Energiegeladene Ionen werden in der Nähe des Wafers erzeugt, wodurch eine Beschädigung des Wafers verursacht werden kann. Der Mikrowellenverlust erzeugt ein Plasma in dem Teil des Rohres, der unmittelbar außerhalb des Mikrowellengehäuses liegt, wobei dieses Plasma leitfähig ist, wodurch ein weiterer Mikrowellenverlust verursacht wird, der sich weiter entlang dem Rohr erstreckt. Dieser Zustand führt zu einer Ionenbeschleunigung durch die elektrischen Felder, die nun näher an dem Wafer vorhanden sind und energiegeladene Ionen erzeugen, die eine Beschädigung des Wafers verursachen können.
b) Aufgrund elektromagnetischer Interferenz mit Instrumenten in der Umgebung wird die Mikrowellenschaltung extrem instabil, wodurch die Verläßlichkeit des Systems verringert und die Leistungsfähigkeit des Prozesses begrenzt wird.
c) Hochenergieanwendungen werden durch den Mikrowellenverlust, das Streuplasma und die mit der Instabilität des Systems verbundenen Probleme behindert.
d) Es ist auch bekannt, daß die von dem Streuplasma emittierte ultraviolette Strahlung eine Beschädigung des Wafers verursacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mikrowellenfalle geschaffen, die den zuvor erwähnten Problemen vorbeugt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer solchen Mikrowellenfalle mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet. Die Falle ist eine Koaxialvorrichtung und hat einen inneren und einen äußeren Leiter 22, 24, durch welche das Plasma rohr 8 hindurchgeht. Es ist festzustellen, daß zwischen dem inneren Leiter 22 und dem Teil 28 des äußeren Leiters ein Zwischenraum 30 liegt. Der Teil 29 stößt an das Mikrowellengehäuse 4 an.
Die Mikrowellenfalle 20 ist dahingehend wirksam, den Mikrowellenstrom in der Falle auf Null zu verringern, wodurch angezeigt wird, daß dort kein Mikrowellenfeld vorliegt. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist der Strompfad in der Vorrichtung bezeichnet, und eine Ersatzschaltung ist dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Strom auf der Innenseite des inneren Leiters 22 beginnt, um das obere Ende des inneren Leiters herumdreht und entlang der Außenseite des inneren Leiters herunterläuft. Er läuft dann über den Teil 29 und die Innenseite des äußeren Leiterteils 26 hinauf. Er läuft über den äußeren Leiterteil 27 und endet dann, das heißt, er fällt am Punkt 34 auf den Wert Null ab. Dadurch tritt im Teil 28 des äußeren Leiters kein Strom auf.
Die Ersatzschaltung der Vorrichtung ist unter Bezugsziffer 36 gezeigt und als paralleler LC-Schaltkreis dargestellt. Die Induktivität L ergibt sich aus der Impedanz der kurzgeschlossenen koaxialen Leitung (durch Teil 29), wohingegen die Kapazität C die Kapazität über den Zwischenraum oder die offene Schaltung 30 ist. Um zu verursachen, daß der Strom am Punkt 34 auf Null fällt, sind die Abmessungen der Vorrichtung so eingestellt, daß an der LC-Schaltung Resonanz auftritt. Es sei bemerkt, daß die Längenabmessung des äußeren Leiters ungefähr eine 1/4- Wellenlänge beträgt. Ferner sei bemerkt, daß der innere Leiter vier in Längsrichtung verlaufende Schlitze 32 aufweist, die um 90º zueinander versetzt sind und deren Zweck ist, in Umfangsrichtung gerichtete Ströme zu unterbrechen, die auf dem inneren Leiter fließen könnten.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 ist das innere Leiterbauteil 40 gezeigt. Dieses ist an der Seite des Mikrowellengehäuses 4 durch Schrauben in Bohrungen 42 befestigt. Die Dicke des inneren Zylinders wird durch den Abstand zwischen der Linie 23 und der durchgezogenen Linie außerhalb dieser gestrichelten Linie dargestellt. Die Positionierung der in Längsrichtung verlaufenden Schlitze 32 ist in der Draufsicht der Fig. 6 deutlich gezeigt.
Die Fig. 7 und 8 zeigen das äußere Leiterbauteil 50 der Koaxialstruktur. Die Dicke des Koaxialzylinders ist der Abstand zwischen der inneren gestrichelten Linie und der parallelen durchgezogenen Linie, die außerhalb der gestrichelten Linie liegt.
Das Bauteil 50 wird an dem Bauteil 40 dadurch befestigt, daß die Oberfläche 54 des Bauteils 50 bündig an dem Teil 29 des Bauteils 40 angelegt und Schrauben in die Bohrungen 52 des Bauteils 50 und in die Bohrungen 42 des Bauteils 40 eingeführt werden.
Es sei bemerkt, daß die Durchmesser des inneren Leiters und des äußeren Leiters auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenraums ungefähr gleich sind.
Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz sind die Abmessungen der bevorzugten Ausführungsform wie folgt:
Länge des äußeren Leiters (gesamt) = 59,69 mm (2.35") Länge des Teils 26 des äußeren Leiters = 31,75 mm (1.25") Länge des Teils 28 des äußeren Leiters = 25,4 mm (1.0") Durchmesser des inneren Leiters (ID) = 33,02 mm (1.3") Durchmesser des äußeren Leiters (ID) = 68,58 mm (2.70") Länge des Zwischenraums 30 = 8,525 mm (.375")
Die zuvor beschriebene Mikrowellenfalle kann die Probleme lösen, die durch Mikrowellenverlust in der Plasma-Nachbrenn- Abtragvorrichtung verursacht werden.
Das Vorhandensein energiegeladener Ionen nahe dem Wafer und die Beschädigung des Wafers durch solche Ionen wird dadurch vermieden. Das System ist auch stabiler und verläßlicher als dann, wenn die Falle nicht vorhanden ist. Dies ermöglicht es, daß das System über einen weiten Bereich von Betriebsparametern wie Druck, Durchflußrate, Gastyp und Energieniveau betrieben wird. Das System ist daher flexibler und vielseitiger einsetzbar als der Stand der Technik. Schließlich ist die UV-Strahlung in dem Teil des Plasmarohres, das sich aus dem Mikrowellengehäuse erstreckt, minimiert, wodurch eine Beschädigung des Halbleiterwafers verhindert oder verringert wird.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Mikrowellenfalle 70 einen zylindrischen TM&sub0;&sub1;&sub0;- Hohlraum mit einer Öffnung 72 aufweist, durch die das Rohr 8 läuft. Der Hohlraum besteht aus einem zylindrischen Bauteil 74 und gegenüberliegenden kreisförmigen Endbauteilen 76 und 78. Wenn der Hohlraum so dimensioniert ist, daß er bei der Mikrowellenfrequenz in Resonanz gerät, fällt der im Inneren der zylindrischen Wand 74 fließende Strom am Ausgangsende der Falle auf Null ab und zeigt dadurch an, daß dort kein Mikrowellenfeld vorliegt.
Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz beträgt der Durchmesser D des Zylinders typischerweise 93,98 mm - 114,3 mm (3.7"-4.5") und die Länge L beträgt typischerweise 8,525 mm - 25,4 mm (.375"-1.0").
Die Feldverteilung eines zylindrischen TM&sub0;&sub1;&sub0;-Hohlraums ist in der Fig. 10 gezeigt, wohingegen eine Ersatzschaltung für die Ausführungsform der Fig. 9 in Fig. 11 dargestellt ist. Diese Ersatzschaltung ist analog zu einer kurzgeschlossenen, radialen Übertragungsleitung.
Während die Erfindung in Verbindung mit speziellen Mikrowellenfallen beschrieben wurde, sei bemerkt, daß andere spezielle Konstruktionen solcher Fallen ebenfalls die Vorteile der vorliegenden Erfindung unterstützen können.
Die Erfindung wurde hierin zwar anhand illustrativer Ausführungsformen beschrieben, jedoch sei bemerkt, daß dem Fachmann sicherlich Modifikationen in den Sinn kommen. Der Umfang der Erfindung ist in Bezug auf die angefügten Ansprüche zu verstehen.

Claims

1. Abtragvorrichtung zum Entfernen von Fotolack von einem Substrat, die folgendes aufweist:

Mittel (27, 28) zum Halten des Substrats, das den Fotolack trägt,

ein Mikrowellengehäuse (4),

Mittel (12) zum Liefern von Mikrowellenenergie an das Mikrowellengehäuse (4),

ein Plasmarohr (5), das durch das Mikrowellengehäuse (4) läuft und das Gehäuse (4) durch eine Öffnung verläßt, wobei sich das Rohr (5) danach in einen Bereich nahe dem zu entfernenden Fotolack erstreckt,

Mittel zum Führen von anregbarem Gas durch das Plasmarohr (5) und

Mittel zum Vermeiden von Mikrowellenleckverlust,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vermeiden von Mikrowellenleckverlust durch eine Mikrowellenfalle (20) gebildet sind, die sich von dem Mikrowellengehäuse aus nach außen erstreckt und an das Mikrowellengehäuse (4) um die Öffnung herum angrenzt, durch die das Plasmarohr (5) austritt, um Mikrowellenenergie einzufangen, die durch die Öffnung entkommen ist, wobei das Plasmarohr (5) durch die Mikrowellenfalle (20) hindurchgeht, die eine metallische Einrichtung mit inneren und äußeren zylindrischen Leitern (22, 24) aufweist, die in bezug auf das Plasmarohr (5) zylindersymmetrisch sind, und wobei die Einrichtung elektrisch gesehen in bezug auf die Frequenz der Mikrowellenenergie einen Resonanzkreis aufweist, der dahingehend wirksam ist, den Mikrowellenstrom in dem Bereich zwischen dem Mikrowellengehäuse (4) und dem äußeren Ende der Mikrowellenfalle (20) auf Null zu verringern.

2. Abtragvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Länge des äußeren Leiters (24) im Bereich von 1/4-Wellenlänge liegt.

3. Abtragvorrichtung nach Anspruch 2, worin der äußere Leiter (24) länger als der innere Leiter (22) ist und sich von dem Mikrowellengehäuse (4) aus um einen größeren Abstand als der innere Leiter (22) nach außen erstreckt.

4. Abtragvorrichtung nach Anspruch 3, worin der Durchmesser des äußeren Leiters (24) zum äußeren Ende des Bauteils hin kleiner wird.

5. Abtragvorrichtung nach Anspruch 4, worin der Durchmesser des äußeren Leiters (24) plötzlich kleiner wird, so daß der äußere Leiter (24) aus einem ersten Abschnitt (26) mit relativ größerem Durchmesser näher an dem Mikrowellengehäuse (4) und einem zweiten Abschnitt (28) mit relativ kleinerem Durchmesser weiter von dem Mikrowellengehäuse (4) entfernt besteht, und worin der zweite Abschnitt (28) des äußeren Leiters (24) im wesentlichen kollinear zu dem inneren Leiter (22) verläuft, von diesem aber durch einen Zwischenraum (30) getrennt ist.

6. Abtragvorrichtung nach Anspruch 5, worin die inneren und äußeren Leiter (22, 24) durch ein Leitermittel (29) verbunden sind, das nahe dem Mikrowellengehäuse (4) angeordnet ist.

7. Abtragvorrichtung nach Anspruch 6, worin der innere Leiter (22) in Längsrichtung verlaufende Schlitze (32) hat.

8. Abtragvorrichtung zum Entfernen von Fotolack von einem Substrat, die folgendes aufweist:

Mittel (27, 28) zum Halten des Substrats, das den Fotolack trägt,

ein Mikrowellengehäuse (4),

Mittel (12) zum Liefern von Mikrowellenenergie an das Mikrowellengehäuse (4),

Mittel zum Führen von anregbarem Gas durch das Plasmarohr (5) und

Mittel zum Vermeiden von Mikrowellenleckverlust,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vermeiden von Mikrowellenleckverlust durch eine Mikrowellenfalle (70) gebildet sind, die außerhalb des Mikrowellengehäuses (4) angeordnet ist und sich von diesem aus nach außen erstreckt, wobei die Falle an das Mikrowellengehäuse (4) um die Öffnung herum angrenzt, durch die das Plasmarohr (5) austritt, um Mikrowellenenergie einzufangen, die durch die Öffnung entkommen ist, wobei das Plasmarohr (5) durch die Mikrowellenfalle (70) hindurchgeht, die eine metallische Einrichtung mit einem Hohlraum (70) ist, der in bezug auf das Plasmarohr (5) zylindersymmetrisch ist, und wobei die Einrichtung elektrisch gesehen in bezug auf die Frequenz der Mikrowellenenergie einen Resonanzkreis aufweist, der dahingehend wirksam ist, den Mikrowellenstrom in dem Bereich zwischen dem Mikrowellengehäuse (4) und dem äußeren Ende des Hohlraumes (70) auf Null zu verringern.

9. Abtragvorrichtung nach Anspruch 8, worin der Hohlraum einen TM&sub0;&sub1;&sub0;-Resonanzhohlraum aufweist.