PROCESS AND TUBULAR REACTOR FOR VAPOUR-PHASE DEPOSITION AND FOR PLASMA ETCHING

Abstract: 1. A tubular reactor for plasma chemistry vapour phase separation and plasma etching, essentially comprising a tube which is optionally heated and has a gas supply line and a gas discharge line and connections for the high frequency energy required for plasma generation an in which removable and insertable substrate retaining means is diposed, on which the substrates are provided in stacked association parallel with and at an equal distance from one another, characterized in that the substrate retaining means comprises an electrically conductive material and is connected to an output of a high frequency generator, so that during operation an intensive and uniform plasma can be formed between the individual substrates of the total substrate stack which is at the same high frequency potential, and in that the substrate stack is enclosed over its whole length by a cylindrical electrode insulated from the substrate retaining means and connected to the other output of the high frequency generator.

Description: Verfahren und Rohrreaktor zur plasmachemischen Dampf phasenabscheidung und zum Plasmaätzen Bnwendungsgebiet der Erfindung Die erfindungsgeinässe Lösung kann für plasmaohemische Dampfphasenabscheidungen sowie zum Plasmaätzen von unterschiedlichsten Materialien, insbesondere zur Bear- beitung von Ralbleitersubstraten eingesetzt werden. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bekannte lösungen zum plasmachemischen Ätzen benutzen als Reaktor ein dielektrisches Rohr, in dem die Scheiben axial oder radial angeordnet sind und das auf seinem Mantel Elektroden zur induktiven (Spule) oder knpa- zitiven (Platten) Ankopplung der E2-Energie besitzt. (z. B. US P 4141811) Die Scheiben sind nach dem Zünden des Plasmas, diesem völlig ausgesetzt. Bei Verwendung dieser Vorrichtung wird die Energie der einzelnen Plas- mabestandteile vor allem auf die Peripherie der zu bearbeitenden scheibenförmigen Substrate konzentriert. (IPC Product Bulletin 7101). Es ist auch bekannt, dass die Substrate ausserhalb des aktiven Plasmas angeordnet sind, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Ein entsprechender Rohrreaktor ist in der DT OS 2536871 beschrieben und besteht aus einem Reaktionsrohr mit aussen aufgebrachten Elektroden und einem eingebrachten perforierten taflzylinder, in dem sich die zu ätzenden Substrate in einer isolierenden Halterung befinden. Der perforierte Zylinder begrenzt das Plasma, das nur im Raum zwischen Reaktorinnenwand und dem perforierten Metallzy- linder brennt. So werden Ionen, Elektronen und Strahlung von den Substraten ferngehalten, während die freien Ra- dikale mit ihrer relativ grossen Lebensdaner infolge einer geeigneten Gasführung durch die Löcher des Mstallzylin- ders die Plasmaregion verlassen und auf die Oberfläche der im Ätztunnel angeordneten Substrate gelangen können. Ein wesentlicher Nachteil eines solchen Rohrreaktors ist sein isotropes Ätzverhalten, das besonders beim Struk turierungsätzen kleinster Strukturen stört. Die Gleich¯ heit der Ätzrate in vertikaler und horizontaler Richtung bewirkt ein Unterätzen der Ätzmasken und somit ein Verbreitern der Ätzstrukturen. Neue experimentelle Untersuchungen zeigen, dass einige fur den Ätzprozess im Plasma wichtige freie Radikale eine extrem kurze Lebensdauer besitzen und deshalb in einem Reaktor, mit von den Substraten räumlich getrennter Plas- maerzeugung, fur den Ätzprozess ausfallen. Diese Radikale sind zum Ätzen bestimmter Stoffe - z. B. A1'1n1ini'mschich- ten - Jedoch unbedingt erforderlich. Es sind auch Planarreaktoren bekannt (z. B. DE-OS 2708 720), die ein anisotropes Atzverhalten mit starker Unter drückung des lateralen Ätzens besetzten und bei denen sich die Substrate unmittelbar in der Plasmazone befinden. Ein solcher Reaktor ist jedoch wesentlich aufwendiger als ein einfacher Rohrreaktor und weist ferner eine wesentlich geringere ufnahmekapazität an Substraten auf. Eür die plasmachemische Schichtabscheidung werden die beschriebenen Rohrreaktoren nicht eingesetzt, da die in einfachen Reaktoren erfolgende starke Aktivierung der peripheren Bereiche eine starke Schichtabscheidung am Rande der Scheiben bewirkt, während die Abscheiderate zum Zentrum derselben stark abfällt. Derartig ungleichmässig beschichtete Substrate sind nicht weiterverwendbar. Reaktoren mit von der Plaemaregion räumlich getrennter Substratanordnung sind fur die Schichtabscheidungen nicht verwendbar, weil auf dem Weg von der Anregung der Reaktionsgase im Plasmabereich bis zu den Substraten eine vorzeitige homogene Reaktion in der Gasphase stattfindet, die zur unerwuzischten Partikelbildung und somit zur Qua litätsminderung der Schichten führt. Daher werden fiir die plasmachemische Schichtabscheidung aufwendige Plasmareaktorea eingesetzt (DE 2251571), in denen Plasma- und Substratzone nicht voneinander getrennt sind. Diese haben den grossen Nachteil, dass nur eine geringe Stii'ckzahl von Substratscheiben auf der flanarelek- trode Platz finden. Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, eine grosse Stückzahl Substrate auf ökonomische Weise plasmachemisch zu beschichten oder plasmachemisch zu ätzen. Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrreak tor so zu gestalten, dass scheibenförmige Substrate gleichmässig mit dem Plasma eines Reaktionsgases beaufschlagt werden und eine plasmacheinische Schichtabscheidung oder plasmachemische Atzung über die gesamte Substratfläche gleichmässig erfolgt. Die Aufgabe schliesst ein vorteilhaftes Arbeitsverfahren zur 3etreibung des Rohrreaktors ein. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Substrathalterung aus einem elektrisch leitenden Material besteht und mit einen Ausgang eines RF-Generators verbunden ist. Dadurch befinden sich alle auf der Substrat halterung parallel und im gleiohen Abstand zueinander angeordneten Substrate auf gleichem RF-otential. Die Substrate sind auf der gesamten Länge, in der sie im Rohrreaktor angeordnet sind, von einer gegenüber der Substrathalterung isolierten nnd mit dem anderen ausgang des HF-Generators verbundenen zylinderförmigen Elektrode umgeben. Erfindungsgtemäss ist zwischen dem aus einem Isoliermaterial bestehenden Aussenrohr des Rohrreaktors und der Sube strataufnahme ein perforierter Metallzylinder als zylin- derförmige Elektrode angeordnet, wobei zwischen Aussen rohr und zylinderförmige Elektrode die Gas zum und Gasabführung angeordnet sind. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass die Gaszu- und Gassabführung innerhalb der zylinderförmigen Me tallelektrode angeordnet sind. Dabei befinden sich vorzugsweise das Gaszu- und Gasabführungsrohr auf dem gleichen Potential wie die zylinderförmige Elektrode, die den Substratstapel umgibt. Vorteilhafterweise ist die Gaszu- und Gasabführung in die zylinderförmige Elektrode integriert. Vorzugsweise besteht diese aus einem doppelwandigen topfförmigen Zylinder, dessen Innenwand mit Gasein- und Gasaustrittsöffnungen versehen ist. werner sieht die Erfindung vor, dass das Aussenrohr des Rohrreaktors aus Metall oder aus einem anderen leitfähi- gen Material besteht und durch Anschluss an einem Ausgang des RP-Generators als zylinderförmige Elektrode ausgebildet ist, in der die mit dem anderen Ausgang des HF-Gene- rators in Wirkungsverbindung stehende Substrathalterung angeordnet ist. Zur Sicherheit des Bedienungspersonals ist dabei die zylinderförmige Elektrode mit dem Nassepo- tential des HF-Generators verbunden. Zur Verbesserung der Gleichmässigkeit der Substratbearbeitung ist die Substrathalterung drehbar im Rohrreaktor angeordnet. Zur Erhöhung der Produktivität des Rohrreaktors sind die Substrate erfindungsgemäss paarweise mit den nicht zu bearbeitenden Flächen direkt aneinander liegend parallel und im gleichen Abstand zueinander in der Substrathal terung angeordnet. Eine erhebliche Vereinfachung der Gas su- und Gasabführung ergibt sich, wenn die Substrate mit ihrer Flächennormalen senkrecht zur' Rohrlängsachse im Rohrreaktor angeordnet sind. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gasstrom in die von 4,5 - 20 mm gewählten Zwischenräunie der Substrate so gerichtet wird, dass er den Substratstapel quer durchströmt und sich im Reaktionsrohr ein Druck im Bereich von 0,01 - 1 EPa aufbaut. Der Abstand der zylinderförmigen Elektrode zur peripheren 3begrenzung der Substrate bzw. Substrathalterung wird grösser als der Abstand der Substrate zueinander gehalten. Zur Erzeugung eines intensiven und gleichmässigen Plasmas zwischen den Substraten, werden diese mit einer E nergiedichte im Bereich von 0,1 - 0,5 W/cm2 Scheibenoberfläche beaufschlagt. Die Vorteile der er9indungsgemäBen .Lösung bestehen darin, dass eine hochqualitative Schichtabscheidung oder Schicht ätzung in einfachen, von aussen in iiblicher Weise wahlweise beheizbaren Rohrreaktoren durchgeführt werden kann, was vorher nur in aufwendigen Planarreaktoren möglich war. Werner übertrifft die Produktivität der erfindungsgemäss ausgestalteten Rohrreaktoren die von Planarreaktoren auf Grund der stapelförmigen Anordnung der Substrate und der damit verbundenen maximalen Nutzung des Reaktionsraumes, wesentlich. Bei der Schichtabscheidung ist es weiter von grossem Vorteil, dass die Substratheizung ausserhalb des Reaktions- rohres untergebracht werden kann. Dieses Prinzip ist in den weit verbreiteten NiederdruckCVD-Anlagen (LPCVD-An- lagen) verwirklicht. Diese Anlagen können auf einfache Weise durch Nachrüstung mit den erfindungsgemässen Merk malen zu leistungsfäMgen Robrreaktoren zur plasmachemischen Schichtabscheidung bzw. Schichtätzung umgerüstet werden. Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll an Rand von vier Vorrichtungsbeispie len und einem Verfahrensbeispiel zum Betreiben des Rohrreaktors naher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt Sig. 1 einen Rohrreaktor mit perforierter zylinder förmiger Elektrode Fig. 2 einen Rohrreaktor mit Zylinderelektrode Fig. 3 einen Rohrreaktor mit doppelwandiger Zylinderelektrode Fig. 4 eine vertikal aufgebaute Ätsvorrichtung mit Metallaussenrohr als Rohrreaktor In Fig. 1 ist ein Rohrreaktor zur Abscheidung von Schichten dargestellt. Die in den Rohrreaktor ein- und ausfahrbare Substrathalterung 2 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist mit einen Ausgang des RE-Gene- rators 4 verbunden. Die mit Substraten 1 bestückte Sub strathalterung 2 ist in dem aus Isoliermatsrial bestehenden Aussenrohr 3 des Rohrreaktors mittels Gegenlager 9 drehbar gelagert. Eine gegenüber der Substrathalterung 2 isoliert angeordnete perforierte zylinderförmige Elektro - de 12 ist mittels Abstandsringen 13 im Aussenrohr 3 befestigt und umgibt die Substrathalterung 2 auf der gesamten mit Substraten bestückten Lange. Die Elektrode 12 ist mit dem anderen Ausgang des RE-Generators 4 verbunden. Der Anschluss des RE-Generators 4 an die Substrathalterung 2 erfolgt über die RE-Drehdurchführung 6. Die Zylinderelek trode 12 befindet sich auf Massepotential. Das Gaszufüh rungsrohr 7 und das Gasabfübrungsrchr 8 sind zwischen perforierter Elektrode 12 und dem Aussenrohr 3 angeordnet. Das Aussenrohr 3 ist von einer Reizung 5 umgeben. Am Rohr¯ reaktor ist eine Absaugleitung 10 durch ein Gewindeflansoh 11 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist bei sonst gled- cher Anordnung die perforierte Elektrode 12 durch eine Zy linderelektrode 14 ersetzt und die GasiUhrung verändert. Das Gaszuführungsrohr 7 liegt innerhalb der Zylinderelek trode 14, die auf der gegenüberliegenden Seite einen Gasauslassschlitz 15 besitzt. Die hintere Stirnseite der Zylinderelektrode 14 ist verschlossen, damit sich die ge wünschte Strömungsrichtung quer durch den Substratstapel einstellt. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist eine doppelwandige topfförmige Zylinderelektrode 16 mittels isolierenden Abstandsringen 17 im Aussenrohr 3 angeordnet. Die Gaszu- und Gasabftibrung ist in die Zylinderelektrode 16 integriert. Die eine Hälfte des Raumes zwischen den Wän- den der doppelwandigen Zylinderelektrode 16 dient der GaszuSuhrung, während durch die andere das Gas abgeführt wird. Die Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen sind flächenförmig über Jeweils einen Halbylinder der Zylinderelektrode 16 verteilt, dadurch erfolgt eine gleichmässige Beschichtung der Substrate, so dass auf eine Sub- stratbewegung verzichtet werden kann. Hierbei ergibt sich eine einfache RE-Durchführung 18 für diesen Rohrreaktor. Im ansführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist eine vertikal aufgebaute Ätzvorriohtung dargestellt. Das Aussenrohr 3 des Rohrreaktors besteht aus Metall und ist gleichzeitig als Zylinderelektrode ausgebildet und mit dem Massepotential des RE-Generators 4 verbunden. Die Gaszu- und Gasab führung erfolgt über am Rohrreaktor aussen angeordnete Wirbelkammern 19. Die Substrate 1 sind bei allen Ausführungsbeispielen in der Substrathalterung 2 parallel und im gleichen Abstand zueinander mit der Flächennormalen parallel zur Rohrlängsachse angeordnet. Zur besseren Ausnutzung des Reak torraumess können die Substrate 1 auch paarweise mit den nicht zu bearbeitenden Flächen direkt aneinander liegend auf gleicher Weise in der Substrathalterung 2 angeordnet werden. Eine weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Ndglich- keit der Substratanordnung besteht erfindungsgeniäss' darin, dass die Substrate mit ihrer Flächennormalen senkrecht zur Rohrlängsachse im Rohrreaktor angeordnet werden. Hierbei ergibt sich ein sehr geringer Aufwand für die Gas zur und Gasabführung im Rohrreaktor. zum Betreiben des Rohrreaktors wird der Gasstrom des Jeweiligen Reaktionsgases in die von 4,5 - 20 mm gewählten Zwischenräume der Substrate so gerichtet, dass er den Substratstapel quer durchströmt und sich dabei im Reak tionsrohr ein Druck im Bereich von 0,01 - 0,5 EPa aufbaut. Der Abstand der zylinderförmigen Elektrode zur peripheren Begrenzung der Substrate bzw. Substrathalterung wird gro'er als der Abstand der Substrate zueinander gehalten. Zur Erzeugung eines intensiven und gleichmässigen Plasmas zwischen den Substraten werden diese mit einer HF-Energiedichte im Bereich von 0,1 - 0,5 W/cm2 Scheiben¯ Oberfläche beaufschlagt. Unter diesen Bedingungen bildet sich über die gesamte Scheibenoberfläche - und nur dort - ein gleichmässiges, intensives Plasma aus, was in Verbindung mit der kurzen Gasführung quer durch den Substratstapel zu einer. gleich- niässigen Bearbeitung (Ätzung oder Beschichtung) der ges ten Scheibencharge fahrt. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Substrat 2 Substrathalterung 3 Aussenrohr 4 HF-Generator 5 Reizung 6 RE- Drehdurchführung 7 Gaszuführungsrohr 8 Gasabführungsrohr g Gegenlager 10 Absaugleitung 11 Gewindeflansch 12 perforierte Elektrode 13 Abstandsring 14 Zylinderelektrode 15 Gasauslassschlitz 16 doppelwandige Zylinderelektrode 17 isolierender Abstandsring 18 HF-durchführung 19 Wirbelkammer

Claims: Erfindungs anspriich 1. Rohrreaktor zur plasmachemischen ampfphasenabsohei- dung und zum Plasmaätzen, der im wesentlichen aus einem wahlweise beheizbaren mit einer Gaszu- und Gas- ableitung sowie mit Anschlüssen, für die & r Flasmaer zeugung notwendigen Hochfrequenzenergie versehenen Rohr besteht, in dem eine ein- und ausfahrbare Sub strathalteruag angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathalterung aus einem elektrisch lei tenden Naterial besteht und mit einen Ausgang eines RE-Generators verbunden ist, so dass sich alleauf der Substrathalterung parallel und im gleichen Abstand zu- einander angeordneten Substrate auf gleichem H2-Poten- tial befinden und dass diese in der gesamten Länge, in der im Rohrreaktor Substrate angeordnet sind, von einer gegenüber der Substrathalterung isolierten und mit dem anderen Ausgang des RE-Generators verbundenen zylinderförmigen Elektrode umgeben sind. 2. Rohrreaktor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem aus einem Isoliermaterial bestehenden Aussenrohr des Rohrreaktors und der Substrataufnahme ein perforierter Metallzylinder als zylinderförmige Elektrode angeordnet ist, wobei zwischen Aussenrohr und zylinderförmiger Elektrode die Gaszu- und Gasab führung angeordnet ist. 3. Rohrreaktor nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeich- net, dass die zylinderförmige Elektrode aus einem Ne tallzylinder besteht und die Gas zur und Gasabfübrung innerhalb der zylinderförmigen Elektrode angeordnet ist. 4. Rohrreaktor nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, dass die Gaszu- und Gasabführung in der zylinder förmigen Elektrode integriert ist. 5. Rohrreaktor nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige Elektrode aus einer doppelwandi- gen mit Gasein- und Gasaustrittsöffnungen versehenen topfförmigen Elektrode besteht. 6. Rohrreaktor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenrohr des Rohrreaktors aus Metall oder einem anderen leitfähigen Material besteht und durch An schluss an einem Ausgang des RE-Generators als zylin derförmige Elektrode ausgebildet ist, in der die mit dem anderen Ausgang des RE-Generators in Wirkungsver bindung stehende Substrathalterung isoliert angeord net ist. 7. Rohrreaktor nach Funkt 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, dass die Substrathalterung drehbar im Rohrreaktor angeordnet ist. 8. Rohrreaktor nach Funkt 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass die zylinderförmige Elektrode mit dem Masse potential des RE-Generators verbunden ist. 9. Rohrreaktor nach Funkt 1 bis 8, dadurch gekennzeich- net, dass die Substrate paarweise mit den nicht zu be arbeitenden Flächen direkt aneinander liegend paral lel and im gleichen Abstand zueinander in der Sub strathalterung angeordnet sind. 10. Rohrreaktor nach Funkt 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass die Substrate mit ihrer Flächennormalen senk recht zur Rohrlängsachse im Rohrreaktor angeordnet sind. 11. Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors nach Punkt 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasstrom in die von 4,5 - 20 mm gewählten Zwischenräume der Sub strate so gerichtet wird, dass er den Substratstapel quer durchströmt und sich dabei im Reaktionsrohr ein Druck im Bereich von 0,01 - 1 EPa aufbaut, wobei der Abstand der zylinderförmigen Elektrode znr peripheren Begrenzung der Substrate bzw. Substrathalterung gröBer als der Abstand der Substrate zueinander gehalten wird und zur Erzeugung eines intensiven und gleichmässigen Plasmas zwischen den Substraten werden diese mit einer HF-Energiedichte im Bereich von 0,1 0,5 W/cm2 Scheibenoberfläche beaufschlagt.

Inventors: KLEINERT, MICHAEL, DIPL.-CHEM., MOLLER, RAINER, DR.-ING., VOIGT, REINHARD, DIPL.-PHYS., Möller, Rainer, Dr.-Ing.
Applicants: MIKROELEKTRONIK FORSCH TECH
Application year: 1981
Main classification: C23C11
IPC codes: C23C16, H01L21, H01J37