DE3019583C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Plasmaätzung von Werkstücken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Plasmaätzung von WerkstückenInfo
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Description
(a) Messung einer ätzunabhängigen Spektralintensität von Atomen oder Molekülen, die von den
Atomen oder Molekülen des zu ätzenden Werkstoffs oder den Ätzrcakiionsprodukten
unabhängig ist,
(b) Korrektur der ätzabhängigen Spektralintensität mit der ätzunabhängigen Spcktralintensität,
und
(c) Überwachung der Plasmaätzung durch Kontrolle der korrigierten Spektralintensität als
Überwachungssignal.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die ätzabhängige und die älzunabhängige Spektralintensität des Emissionsspektrums bei
zwei verschiedenen diskreten Wellenlängen gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ätzunabhängige Spektralintensität
innerhalb eines Frequenzbereichs des Emissionsspektrums gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die ätzabhängige und die ätzunabhängigc Spcktralintcnsität des Masscn.spektrums bei
zwei verschiedenen diskreten Masscnzahlen gemessen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ätzunabhängige Spektralintensitäl
innerhalb eines Masscnzahlbcrcichs des Massenspektrums gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der ät/.abhängigen und der ätzunabhängigen Spcktralintcnsitätcn
des Emissionsspektrums bei bestimmten Wellenlängen optische Filter oder Beugungsgitter verwendet
werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als korrigierte Spcktralintensität das Verhältnis der ätzabhängigen
Spektralintcnsität zur ätzunabhängigen Spektralintensität gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Plasmaät/.ung
von Al oder Al-Legierungen mit einem Cl-Atome
enthaltenden Plasma im Schritt (a) die Spektralintensität der Al-Atome oder bei AICI-Moleküle im
Plasma und die Spcktralintensität der Cl-Atome im Plasma gemessen wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Interferenzfilter (10) oder einem Beugungsgitter zur Auswahl der bestimmten Wellenlänge des Emissionsspektrums sowie einem optoelektronischen Wandler
(12) als erster Meßeinrichtung für die ätzabhängige Spektralintensität von Atomen oder Molekülen im
Plasma, gekennzeichnet durch
(a) ein Interferenzfilter (11) oder ein Beugungsgitter zur Auswahl der anderen Wellenlänge des
Emissionsspektrums sowie einen elektrooptischen Wandler (13} zur Messung der jeweiligen
Spektralintensität als zweite Meßeinrichtung für die ätzunabhängige Spektralintensität von
Molekülen, die von den Atomen oder Molekülen des zu messenden Werkstoffs oder den Ätzreaktionsprodukten unabhängig ist, und
(b) eine Korrektureinrichtung (14) zur Korrektur der ätzabhängigen Spektralintensitat mit der
ätzunabhängigen Spektralintensitat, die die korrigierte Spektralintensitat als Überwachungssignal liefert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (14) ein
Quotientenbildner ist.
chung der Plasmaätzung von Werkstücken mit einem Glimmcntladungsplasma gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung.
Solche Verfahren und zugehörige Vorrichtungen sind
bereits bekannt (Solid State Technology, April 79, H. 4,
S. 109-115). Dort tritt allerdings das Problem auf, daß
die Emissionsintensität bzw. die jeweilige Intensität des Massenspektrums, die für Überwachungszwecke erfaßt
werden, häufig stark mit den Ätzparametern wie Druck
des Gasplasmas und zur Plasma-Anregung angewandter HF-Leistung schwanken. Aufgrund dieser Schwankungen war entsprechend bisher eine genaue Kontrolle
des Ätzvorgangs bei der Plasmaätzung unmöglich. Hinzukommt, daß hierdurch die Beendigung des Ätzvor-
gangs wegen der genannten Schwankungen nicht genau erfaßt werden kann, was besonders für die angestrebte
Automatisierung solcher Äizprozesse nachteilig ist.
Bekanntlich wird bei der Herstellung minaturisierter elektronischer Bauelemente wie integrierter Halbleiter
schaltungen die sog. Trockenätzung unter Anwendung
von Plasmen eingesetzt, wodurch eine genaue und feine Bearbeitung der entsprechenden Werkstoffe ermöglicht
wird. Der umfassenden Einführung in die Praxis stehen aber einige Schwierigkeiten entgegen:
Ein Problem bei der Plasmaätzung ist die bisher unzureichende Reproduzierbarkeit der Ätzgeschwindigkeit.
Die Ursachen dafür liegen in der Schwierigkeit der genauen Kontrolle der Reinheit des in ein Plasma übergeführten Gases und den Schwankungen der Oberflächen-
temperatur des zu ätzenden Werkstücks. Wegen dieser Schwankung der Ätzges.chwindigkeit erfordert die Plasmaätzung in vielen Fällen eine Überwachungseinrichtung, um den Ablauf des Ätzens einschließlich seiner
Beendigung zu verfolgen. So kann beispielsweise in ei-
W) ner derartigen Vorrichtung die Emissionsintensität bei
einer ausgewählten Wellenlänge des Emissionsspektrums des Plasmas überwacht werden, ferner ist die
massenspcklrometrischc Überwachung der loncnintcnsiläl bei einer ausgewählten Massenzahl möglich, und
br> zwar z. B. bei der Plasmaätzung- von Al, Al-Legierungen,
Si und SiO2.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern.
daß Ablauf und Beendigung des Ätzprozesses unabhängig von Schwankungen der Ätzparameter anhand des
Emissionspektrums oder des Massenspektrums kontrolliert werden können, und eine entsprechende Vorrichtung
hierfür anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 bzw. 9 angegebenen Maßnahmen gelöst
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 ein Plasma-Emissionsspektrum für den Fall der
Ätzung von Al durch ein BCIj-Gasplasma;
F i g. 2 die zeitliche Änderung des Werts des Überwachungssignals
für den Fall der Ätzung von Al; und
Fig.3 das Blockschaltbild einer zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens geeigneten Vorrichtung.
Die ätzabhängige Spektralintensität ist eine Intensität des Emissionsspektrums bei einer bestimmten Wellenlänge
oder eine Intensität des Massenspekt. ums bei einer bestimmten Massenzahl, die zur Überwachung des
Ätzzustands herangezogen werden, d. h. eine Spektralintensität von Atomen- oder Molekülen, die den zu ätzenden
Werkstoff oder sin Ätz-Reaktionsprodukt bilden. Wenn z. B. Al mit dem Plasma einer gasförmigen
Verbindung mit Chloratomen plasmazuätzen ist, können die Emissionsintensität des Spektrums von Al-Atomen
bei der Wellenlänge 396 nm oder die Emissionsintensität des Spektrums von AlCI-Molekülen bei der
Wellenlänge 261,4 nm oder die Intensität des Massenspektrums von AlCl bei der Massenzahl 62 oder des
Massenspektrums von AICI2 bei der Massenzahl 97 herangezogen werden.
Die ätzunabhängige Spektralintensität ist gewöhnlich eine Intensität des Emissionsspektrums oder eine Intensität
des Massenspektrums von Atomen oder Molekülen, die unabhängig von den Atomen oder Molekülen
des zu ätzenden Werkstoffs oder den Ätz-Reaktionsprodukten sind, wobei ihre Wellenlänge oder Massenzahl
von der des ätzabhängigen Spektrums verschieden ist. Wenn z. B. Al mit einem Plasma in einem gasförmigen,
CCU enthaltenden Medium plasmazuätzen ist, können die Emission von Cl-Atomen bei der Wellenlänge
500 nm oder die Intensität des Massenspcklrums von CCI2 bei der Massenzahl 72 herangezogen werden. In
einem einfacheren FaM kann die gesamte Spektralintensität eines gesamten Wellenlängenbereichs oder eines
gesamten Massenzahlbercichs anstelle der .Spektralintensität bei einer ausgewählten Wellenlänge oder Massenzahl
herangezogen werden.
Beim Ätzprozeß selbst, durch den das Werkstück durch im Glimmentladungs-Plasma erzeugte Ionen oder
Radikale geätzt wird, wird das an sich bekannte Ätzverfahren der Plasmaätzung bzw. des sog. Sputtens herangezogen.
Wenn Al zu ätzen ist, wird es durch Ionen oder Radikale geätzt, die durch Entladung aus einer gasförmigen,
Chloratome enthaltenden Verbindung erzeugt werden.
Wenn ein Emissionsspektrum zur Überwachung verwendet wird, ist daraus eine bestimmte Wellenlänge selektiv
zur Intensitätsmessung zu erfassen. Zur Selektion solcher spezifischer Wellenlängen können bekannte optische
Filter oder Beugungsgitter verwendet werden.
Eine einfache Möglichkeil der Korrektur der ät/.abhängigen
Spektralintensität durch die ätzunabhängige Spektralintensität besteht darin, den Quotienten der
beiden Intensitäten, d. h. ihr Verhältnis, zu bilden.
Die beschriebene Korrektur der ätzabhüngigcn SDektralintensität wird anhand eines Beispiels erläutert.
das sich auf die Ätzung von Al mit einem BCb-Gasplasma
bezieht Kurve I in F i g. 1 ist ein spektralphotometrisch bei der Trockenätzung von Al gemessenes Emissionsspektrum.
In der Kurve 1 entsprechen die Peaks bei dtn Wellenlängen 394,4 nm und 396.1 nm der Emission
von Al-Atomen, die nur_beim Ätzen von Al auftre
ten. Daher können durch Überwachen der zeitlichen Änderung der Intensität dieses Peaks der gesamte Verlauf
und die Beendigung des Ätzens überwacht werden.
In Kurve 1 entspricht ferner der breite Peak nahe der Wellenlänge 500 nm der Emission von Cl-Atomen oder
Cl-lonen. Kurve 2 von Fig. 1 stellt das gleiche Emissionspektrum
für den Fall dar, daß der Druck des Gasplasmas während des Ätzens ansteigt Die Emissions-Intensitäten
bei den beiden oben erwähnten Wellenlängen sind gemäß Kurve 2 kleiner. Wenn die Ätzparameter
wie H F-Leistung oder Gaszusammcnsetzung variieren, nehmen die Emissionspcaks wie im Fall der Kurve 2 ab
oder im gesamten Wellenlängenbereich zu. Auf jeden
Fall können durch Überwachen des Verhältnisses der Spektralintensität bei 396,1 nm zur Spektralintensität
bei 500 nm unerwünschte Schwankungen des Überwachungssignals unterdrückt und damit fehlerhafte Bestimmungen
des Ätzendes vermieden werden.
F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Überwachungssignal*,
wobei Kurve 3 der Wellenlänge 396,1 nm und Kurve 4 der korrigierten Signalintensität, die gleich
dem Verhältnis der Spektralintensität bei 396,1 nm zur Spektralintensität bei 500 nm ist, entsprechen. Der Zeit-
Ji) punkt A bezeichnet den Beginn des Ätzens, das Zeitintervall
B bis C das Auftreten von Druckschwankungen und der Zeitpunkt D die Beendigung des Ätzens. Gemäß
Kurve 3 könnte bei herkömmlicher Verfahrensweise der Zeitpunkt B irrtümlich als Endpunkt des Ätzens
angenommen werden; Kurve 4 zeigt, daß dieses Problem hier nicht auftritt.
In F i g. 1 und 2 besitzen die Ordinatenachsen einen
willkürlichen Maßstab.
Al wurde mit einem BCh-Gasplasma geätzt. Während
des Ätzens wurde das Verhältnis fa der Al-Emissionsintensität
bei 396,1 nm zur Cl-Eniissionsintensität bei
500 nm gebildet und als Überwachungssignal herangezogen.
Eine zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Erzeugung eines derartigen
Überwachungssignals ist in F i g. 3 schematisch dargestellt; sie weist folgende wesentliche Komponenten
auf:
ein Interferenzfilter 10, das Licht der Weilenlänge 396 nm durchläßt,
ein Interferenzfilter 11, das Licht der Wellenlänge
500 nm durchläßt,
optoelektronische Wandler 12 und 13 zur Umsetzung der entsprechenden Lichtintensitäten in elektrische
Ausgangssignale X b'.w. V, einen Dividierer 14 zur Erzeugung des Verhältnis-
scs X/Ydcs Ausgangssignals X des optoelektronischen
Wandlers 12 zum Ausgangssignal V des op-•oelekckironischen
Wandlers 13, und einen Schreiber 15 zur Aufzeichnung des Ausgangssignals des Dividierers 14.
Wenn das Ausgangssignal des Dividierers 14 zur automatischen ProzeBkontrolle verwendet wird, kann der
Schreiber 15 entfallen. Die zeitliche Änderung des vom
5
Schreiber 15 aufgezeichneten Überwachungssignals ermöglicht anhand einer Kurve die genaue Bestimmung
der Beendigung des Ätzprozesses unabhängig von Schwankungen der HF-Leistung und des Drucks während
der Al-Ätzung. Γ> ι
Al wurde mit einem CCU-Gasplasma geätzt. Die Ätz-Reaktionsprodukte
AICI (Massenzahl 62) und CCI2
(Massenzahl 72) wurden mit einem Quadrupol-Massen- ,;'
filier erfaßt; das durch einen Dividicrer ähnlich wie in j>j»
Beispiel I erhaltene Verhältnis der Spektralintcnsitätcn &'
wurde überwacht, um den Ablauf der ΛΙ-Ätzung und 1'
sein Ende zu verfolgen. Auch bei diesem Beispiel konnte 15 f
wie bei Beispiel i die Beendigung des Ätzens genau erfaßt werden.
Durch das beschriebene Verfahren kann also die Ätzung während des Ätzvorgangs unabhängig von
Schwankungen der Ätzbedingungen genau überwacht werden, so daß es sich vorteilhaft für automatisierte
Prozesse eignet, bei denen eine genaue Ermittlung der Beendigung des Ätzens erforderlich ist.
Obwohl in den obigen Beispielen die Al-Ätzung iin
einzelnen erläutert ist, läßt sich das Verfahren gleichermaßen auch auf die Ätzung anderer Werkstoffe wie z. B.
Si, S1O2 und Si)N4 anwenden. Obgleich ferner die Cl-Emissionsintensität
bei 500 nm als Bezugsintensität zur Korrektur bei der Überwachung des Emissionsspektrums
herangezogen wurde, kann ein ähnlicher Effekt 30 erreicht werden, wenn die Emissionsintensität bei einer
oder auch allen Wellenlängen, also nicht nur die Peakintensität. von Atomen, Molekülen oder Ionen, die nicht
Ätzreaktionsprodukte sind, wie Al und AlCI, überwacht wird In diesem Fall sollte allerdings darauf geachtet
werden, daß die Ansprechzeiten der beiden optoelektronischen Wandler gleich sein müssen, da sonst eine
genaue Korrektur des Überwachungssignals nicht möglich ist.
40
Hierzu ! Blatt Zeichnungen
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55
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65
Claims (1)
1. Verfahren zur Überwachung der Plasmaätzung von Werkstücken mit einem Glimmentladungsplasma durch Messung einer ätzabhängigen Spektralintensität bei einer bestimmten Frequenz des Emissionsspektrums bzw. einer bestimmten Massenzahl
des Massenspektrums des Plasmas, und Überwachung der Plasmaätzung aufgrund eines Überwa-
chungssignals. gekennzeichnet durch
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