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Plasma wird oft als der vierte Zustand der Materie bezeichnet. Dieser unterscheidet sich von den anderen drei dadurch, dass er frei bewegliche Elektronen und Ionen in einem stationären Zustand besitzt. Das ist die Definition von Plasma. Plasma beinhaltet freie Radikale, Ionen, Elektronen und nicht angeregte Moleküle in einem ungebundenen Zustand. Das Verhältnis der Ionen im Vergleich zu den restlichen Molekülen legt die "Ionendichte" des Plasmas fest. Das Plasma hat eine Gesamtladung von Null, d.h. es besitzt gleich viele positive wie negative Ladungen. In der praktischen Anwendung verwendet man Plasma einfach um nicht reaktive Moleküle in elektrisch geladene reaktive Moleküle zu verwandeln. Viele gefahrenlose, inaktive Gase ergeben hochreaktive Nebenprodukte wenn sie aufgespaltet werden. Fluorchlorkohlenwasserstoffmoleküle FCKWs, zum Beispiel, sind extrem langlebige inaktive Verbindungen, aber wenn sie aufgespaltet werden, ergeben sich relativ große Fluor- und Chlorkonzentrationen (einige der höchstreaktiven bekannten Verbindungen). Da dieser Prozess direkt von der Einwirkung eines elektrischen Feldes abhängt, kann die Reaktivität und Richtungsabhängigkeit des Prozesses durch die angelegte Spannung gesteuert werden. Diese Flexibilität und Steuerbarkeit macht die Plasmabearbeitung nutzbar.
Plasma wird durch die Einführung von
Energie in Materie hergestellt. Dies geschieht auf verschiede Art und
Weise, z.B.: durch Hitze, Strahlung und (wie in unserem Fall) durch ein
elektrisches Feld. Die Ionisierungsrate bestimmt die Elektronenenergie
des Plasmas. Normales Plasma besitzt eine Ionisierungsrate von 0,001%
aber Plasmen mit hoher Dichte oder HDP besitzen eine Ionisierungsrate
von ungefähr 1%. Folgende Gleichung ist eine einfache Illustration
einer Ionisierung, in der ein neutrales Molekül oder Atom mit
einem Elektron kollidiert um ein Ion und ein anderes Elektron zu
produzieren.
e- + A → A+ +
2e-
Wenn ein Molekül oder Atom durch die Kollision mit einem Elektron
auf ein höheres Energieniveau angehoben wird, bleibt es auf diesem
Energielevel für kurze Zeit und fällt dann wieder auf sein
natürliches Energieniveau zurück. Wenn das passiert, wird
Energie in Form eines Photons abgegeben. Da verschiedene Atome oder
Moleküle Licht mit verschiedenen Wellenlängen abstrahlen,
zeigen verschiedene Gase charakteristische Plasmaglühfarben. Die
Verwendung von Spektrometern ist deswegen als Endpunktfeststellung sehr
sinnvoll, da die Auswertung spektraler Maxima verwendet werden kann, um zu
entscheiden wann eine bestimmte Schicht entfernt wurde.
e- + A → A* + e-
A* → A + hν (Photon)
Die Plasmen, die in der Halbleiterverarbeitung verwendet werden,
sind besonderer Natur. Um elektronische Bauteile herzustellen,
benötigt man ein Plasma mit relativ niedriger Temperatur.
Dies Plasma wird durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes
auf leitende Gase hergestellt. Glücklicherweise sind Gase
bei mittelmäßig niedrigem Druck (bei ca. 1 Torr),
der leicht erreicht werden kann, elektrisch leitend.
Die Nutzung von Plasma wurde in den 60er Jahren in die Halbleiterindustrie eingeführt. Die ersten Anlagen entsprachen dem "Barrel" Typ und wurden üblicherweise für die Fotolackentfernung verwendet (Veraschung). Vorher waren nasse, chemische Lösungsmittel verwendet worden. Diese Lösungsmittel waren teilweise krebserzeugend und teuer zu entsorgen. Plasmaverarbeitung ist hingegen viel effektiver um positiven Fotolack zu entfernen, benutzt weniger Chemikalien und ist deshalb viel schonender für die Umwelt.
Die ersten Barrelanlagen waren induktiv gekoppelt und bestanden aus einer liegenden Quarzglasglocke, die mit einer Spule umwickelt war. Da die Quarzkammern in fluoriertem Gas ätzen, wurden diese Anlagen normalerweise nur für die Fotolackentfernung mit Sauerstoff verwendet. Spätere Versionen von Barrelanlagen waren kapazitiv gekoppelt und bestanden aus einer zylinderförmigen Aluminiumkammer mit einer innenliegenden, mittig angeordneten Kathode. Da die Anode in kapazitiv gekoppelten Barrels die Barrelwand selbst ist, können diese Barrels aus Aluminium gefertigt sein, und weil das Aluminium in das fluorierte Gas eingeführt wird, können diese Anlagen zum Ätzen verwendet werden. Obwohl dies eine ältere Technologie ist und diese Anlagen isotrop ätzen (wegen der Kammergestaltung,) sind Barrel-Anlagen sehr vielfältig und werden immer noch weit verbreitet in der Halbleiterindustrie verwendet.
Parallelplattenreaktoren sind per Definition kapazitiv gekoppelt; die Spannung liegt entweder an der oberen oder der unteren Elektrode an. Das Ätzen in einem Reaktor mit oben anliegender Spannung, wird als "Plasma Ätzen" oder "PE mode" bezeichnet und das Ätzen in einem Reaktor bei dem die untere Elektrode mit der Probe unter Spannung steht, wird als "Reaktives Ionenätzen" bezeichnet. Dies ist eigentlich eine etwas irreführende Bezeichnung, da beide Anlagen natürlich Plasmaätzer sind. Der erste weit verbreitete Parallelplattenreaktor war der "Reinburg"-Reaktor, der 1972 von Texas Instruments entwickelt wurde. Es gibt viele Varianten dieses Designs, aber sie sind alle im Grunde genommen Anlagen bei denen die Probenelektrode mit Spannung beaufschlagt ist; oft gross genug um fünfundzwanzig 100mm Wafer aufzunehmen. Die erste vollautomatische Einzelscheiben- Parallelplattenanlage wurde 1979 von Tegal Corporation in die Halbleiterproduktion eingeführt. Da die Einzelwafer Anlagen überdurchschnittlich gute Prozessergebnisse erbringen, sind heute fast alle Produktionsätzsysteme auf diese Art und Weise konfiguriert.
Wie bereits erwähnt, ist die Bezeichnung ""Reaktives Ionenätzen" irreführend. Es sollte eigentlich "Ionengestütztes Ätzen" genannt werden. Der Prozentsatz der Ionen im Plasma ist sehr klein und wenn die Ionen allein für den Ätzfortschritt verantwortlich wären, dann wäre die Ätzrate auch sehr klein. Der eigentliche Ätzvorgang ist ein drei-Schritte-Prozess:
Reaktive Ionenätzprozesse waren bis zu den späten 80ern der einzige Produktions-Plasmaprozess, der anisotrop ätzte. Dieses Phänomen ist ein Ergebnis des Kammeraufbaus, der Plasmaphysik und des Drucks in den Anlagen. Im Wesentlichen findet reaktive Ionenätzen statt wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: die untere Elektrode des Reaktors muss spannungsführend sein und es muss ein Druck niedriger als 100mTorr herrschen. Dies sind aber nicht die einzigen Parameter die für eine anisotrope Ätzung ausschlaggebend sind.
In den letzten Jahren wurden viele neue Reaktortypen in die Industrie eingeführt. Diese sind die Trioden-, ECR- (oder downstream Mikrowellen-) und ICP-Reaktoren. Sie werden "Hybridreaktoren" genannt, weil sie durch eine zweite Spannungsquelle Energie in den Reaktor einbringen. Dies ist von Vorteil, weil man Spannung unabhängig an das Plasma und an die Probenelektrode anlegen kann. Dieser Reaktortyp oder die Zweitspannungsquelle regen das Plasma an, um ein Plasma mit hoher Dichte (High Density Plasma; HDP) zu produzieren. Hypridreaktoren verursachen damit einen geringeren Schaden durch elektrische Aufladung und Sputtereffekte und sie benötigen niedrigere Temperaturen. Außerdem haben sie eine höhere Ätzrate und bessere Selektivität.
Im üblichen RIE Plasma ist die Dichte durch die Möglichkeiten des Einkoppelns von HF Energie in das Plasma begrenzt. Dies schränkt die Raten, mit denen bestimmte Materialen geätzt oder abgeschieden werden können ein. Dies wird zum Problem bei stark reduziertem Druck, wenn (mit der Effizienz eines RIEs) die Plasmadichte untragbar niedrig wird. Gebräuchliche RIE Plasmaquellen erreichen eine Plasmadichte im 0,5-5,0 x 1010 cm-3 Bereich. Die Plasmadichte (und damit die Ätzrate) nimmt bei steigendem Druck ab. Die Nutzung einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle erlaubt eine höhere Plasmadichte, durch direkte induktive Einkopplung von Energie in das Bulk-Plasma. Die Verwendung von niedrigerem Druck ist dadurch möglich und hat einige bedeutende Vorteile. So wird eine enge Abstimmung der Anisotropie bei großen Seitenverhältnissen ermöglicht und der Microloading Effekt reduziert. Induktiv gekoppelte Plasmaquellen haben auch Vorteile gegenüber anderen Quellen mit hoher Dichte, wie z.B. dem ECR, darunter: Einfachheit des Designs, geringere Anforderungen an die Druckverhältnisse, es ist kein spezielles Magnetfeld nötig und die HF Spannung erfordert keine so kurzen Wellenlängen wie bei Mikrowellenanlagen. Zusammengefasst kann man sagen, dass der Einsatz einer Trion Technology ICP-Quelle verbesserte Ätzraten und Profilabstimmung, verbesserten Gleichmäßigkeit und Selektivität und eine dramatischen Reduzierung von Strahlungsschäden und Kontaminiation durch RIE Sputtereffekte zur Folge hat. Plasmaätzanwendungen die von dieser Technologie profitieren sind Oxide, tiefe Siliziumgrabenätzungen, Polyimide, Polysilizium und aktive Bauelemente, die leicht unter Strahlenschäden leiden. ICP wird auch regelmäßig in der Fehleranalyse verwendet.
Das externe Plasma kann auch von einer Mikrowellenanregung erzeugt werden. In diesem Fall wird die Magnetronquelle für die Erzeugung von Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet und ein Magnet wird eingesetzt um die Elektronen, die von der verwendeten Energie erzeugt wurden, in eine kreisförmige Bahn abzulenken. Wenn die Mikrowellenfrequenz und der magnetische Fluss korrekt angepasst sind, kann eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) erreicht werden. Diese Methode ergibt eine spiralenförmige Elektronenbahn und eine kontinuierliche Zunahme an kinetischer Energie. Die Zahl der Stöße zwischen Teilchen, und somit auch die Plasmadichte, nimmt zu. Der Hauptvorteil dieser Technologie gegenüber des ICP generierten Plasmas ist die höhere Plasmadichte und die niedrige Eigenvorspannung bzw. die geringere Ladung des Substrats. Das Ergebnis ist ein sehr effektives und wenig Schaden verursachendes Plasma, das sehr gut zum Plasmaveraschen von Fotolack verwendet werden kann, wobei die Anisotropie nicht exakt gesteuert werden muss und große Seitenverhältnisse nicht so wichtig sind. Zuletzt ist die Mikrowellenanregungen billiger als die ICP Technologie. All diese Argumente machen die Mikrowellenplasmaquelle zum besten Gerät für die Fotolackentfernung.
Durch die Verwendung von speziellen Gasen wie Silan, Diäthylsilan, Ammoniak, TEOS oder Distickstoffoxid und der richtigen Anpassung der Plasmaenergie und des Gasflusses, kann man den Parallelplattenkondensator und die ICP-Technologie auch für die Plasmagestützte Abscheidung von Schichten (PECVD) verwenden, wie die Abscheidung von Silizium, Siliziumoxid, Nitrid, Oxinitrid oder amorphem oder polykristallinem Silizium.
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