DE4018954A1

DE4018954A1 - Trockenaetzgeraet

Info

Publication number: DE4018954A1
Application number: DE4018954A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Ono; Tatsuo Oomori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1991-01-03
Also published as: DE4018954C2; US5108535A

Description

Die Erfindung betrifft ein Trockenätzgerät, mit dem hoch selektives, anisotropes Ätzen mit hohem Wirkungsgrad erziel bar ist, was bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen von großer Wichtigkeit ist.

Hohe Selektivität beim Trockenätzen von Halbleiterbauteilen bedeutet, daß die Ätzgeschwindigkeit eines zu ätzenden dün nen Films möglichst höher ist als die Ätzgeschwindigkeit der darunterliegenden Substanz oder eines Maskenmaterials, wie eines Photoresist. Hohe Anisotropie bedeutet, daß die Ätzge schwindigkeit rechtwinklig zur Oberfläche eines dünnen Films möglichst hoch ist gegenüber der Ätzgeschwindigkeit in hori zontaler Richtung, so daß möglichst kein Unterätzen auf tritt. Außerdem soll die Wahrscheinlichkeit für Beschädigun gen in der Oberfläche des Halbleiterbauteils gering sein.

Die genannten Bedingungen werden mit zunehmend verbesserten Apparaten immer besser erfüllt, wodurch eine immer höhere Integration erfolgen kann.

Beim Herstellen von Halbleiterbauteilen werden vielfach Trockenätzgeräte mit einem Hochfrequenz-Gasentladungsplasma verwendet, mit denen feine Muster in Maskenherstellung er zielbar sind. Das Plasma wird durch HF- oder Mikrowellenent ladung hergestellt.

Fig. 17 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Troc kenätzgerät mit HF-Gasentladungsplasma, wie es z. B. in "Opto Plasma Processing" von Kazuo Akashi, Shuzou Hattori, Osamu Matsumoto (Nikkan Kogyo Shinbun-sha, Tokyo, 1986) in Kapitel 10 unter dem Titel "Basis of Plasma Etching" (von Yukio Yasuda) beschrieben ist.

Ein zu ätzendes Substrat 1 ist auf einer horizontal liegen den Elektrodenplatte 2 angeordnet, zu der eine obere, zweite Elektrodenplatte 3 parallel liegt. Diese Platten sind in einem Plasmareaktions-Vakuumbehälter 4 angeordnet, der von einer Vakuumpumpeinrichtung 5 evakuiert wird. Durch Anlegen von Spannung an die planparallelen Elektroden 2 und 3 mit Hilfe einer HF-Versorgungseinrichtung 6 wird ein RF-Gasent ladungsplasma im Raum zwischen den beiden Platten in einem Ätzgas A erzeugt, das aus einer Gasflasche 7 über eine Gas flußsteuerung 8 in die Kammer 4 eingefüllt wird. Der Druck des Gases wird von einem Druckmesser 9 erfaßt.

Als zu ätzendes Material unter einer Photoresistschicht auf einem Substrat 1 kommen z. B. polykristallines Silizium, Siliziumdioxyd, Polymethylmethacrylat (PMMA) in Frage. Als Ätzgas A aus der Gasflasche 7 wird ein Mischgas von Chlor (Cl₂) und Argon (Ar) verwendet. Die Frequenz der Hochfre quenzspannung beträgt z. B. 13,56 MHz.

Diese Anordnung arbeitet wie folgt.

Zunächst wird das zu ätzende Substrat 1 auf der unteren Elektrodenplatte 2 in der Plasmareaktions-Vakuumkammer 4 an geordnet, die anschließend ausgepumpt wird. Man läßt dann das Ätzgas A aus der Gasflasche 7 über die Gassteuerung 8 in die Kammer 4 einfließen, wobei der Gasdruck mit Hilfe des Druckmessers 9 überwacht wird. Die Pumpleistung der Pumpein richtung 5 wird in gewünschter Weise so eingestellt, daß sich ein bestimmter Ätzgasdruck aufbaut.

Wenn nun den Elektrodenplatten 2 und 3 HF-Energie von der HF-Versorgung 6 zugeführt wird, wird das Gas in der Kammer zwischen den Elektrodenplatten 2 und 3 durch Hochfrequenz-Gas entladung ionisiert, wodurch ein schwach ionisiertes Plasma 10 entsteht. Durch neutrale Atomradikale oder Atom ionen, die dabei erzeugt werden oder durch neutrale Molekül radikale oder Molekülionen, die in Kombination entstehen, wird die Substanz auf dem Substrat 1 geätzt.

Wenn als Mischgas Cl₂ und Ar verwendet wird, werden Ar und Cl als neutrale Atomradikale, Cl⁺ und Ar⁺ als Atomionen und Cl₂⁺ als Molekülionen erzeugt. Es entstehen keine Molekül radikale. Der Ätzgasdruck in der Kammer 4 ist 0,01 bis 1 Torr, die Gasdichte ist etwa 3×10¹⁴ bis 3×10¹⁶ cm^-3 und die Plasmadichte ist etwa 10⁹ bis 10¹¹ cm^-3.

Fig. 18 veranschaulicht den Ätzmechanismus für ein Substrat, das auf der Elektrode im Plasma beim bekannten Gerät ange ordnet ist. Im Plasma liegen mehrere Arten neutraler Atome und Moleküle mit unterschiedlichen Energien der Ionen, Elek tronen und Photonen (Strahlung) vor. Die Partikeln, die di rekt zum Ätzen der Substanz auf dem Substrat beitragen, sind Atom- und Molekülionen und neutrale Atome und Molekülradi kale in der Raumladungszone, die benachbart zum Substrat entsteht.

In dieser Raumladungszone werden positive Ionen durch die Raumladungsspannung von etwa 100-1000 V (Plasmaspannung plus Selbstvorspannung der Elektrode) auf das Substrat hin beschleunigt, so daß sie im wesentlichen senkrecht zur Ober fläche des Substrates auf dieses auftreffen. Neutrale Radi kale sprechen jedoch nicht auf die Raumladungsspannung an, so daß sie mit thermisch isotroper Geschwindigkeit auf das Substrat auftreffen, mit einer thermischen Energie, die etwa 500-1000 K entspricht.

Beim bekannten Trockenätzgerät hängt die eingangs definierte Selektivität in erster Linie von der Differenz der chemi schen Reaktivität der verschiedenen Materialien mit den neu tralen Radikalen ab. Da die neutralen Radikalen mit isotro per Geschwindigkeitsverteilung auf das Substrat auftreffen, ist das durch sie hervorgerufene chemische Ätzen isotrop.

Die eingangs definierte Anisotropie im Ätzen ist in erster Linie durch die Bewegungsrichtung von Ionen bestimmt, die durch die Raumladungsspannung auf das Substrat hin beschleu nigt werden und im wesentlichen rechtwinklig auf dieses auf treffen. Es findet jedoch auch physikalisches Sputtern durch die Ionen in nichtselektiver Weise statt, wodurch Schäden in der Oberfläche des Halbleiterbauteils erzeugt werden. Insbesondere wird auch der zu ätzende Film durch Sputtern teilgeätzt. Ätzen einer Substanz auf dem Substrat erfolgt also als Wettbewerbsvorgang durch die neutralen Radikale und die Ionen, wobei letzteres als Ionenhilfsprozeß bezeichnet wird.

Die bekannte Ätzvorrichtung mit Entladungsplasma ist so auf gebaut, daß Ätz-Anisotropie nur durch die Bewegungsrichtung von Ionen bestimmt ist, die durch die Raumladungsspannung beschleunigt werden und dadurch im wesentlichen rechtwinklig auf das Substrat auftreffen. Die Raumladungsspannung ent steht in einer Raumladungszone benachbart zum Substrat, das auf der genannten unteren Elektrode im Plasma angeordnet ist. Um die Ätz-Anisotropie zu verbessern, muß die Raum ladungsspannung oder die Einfallsenergie der Ionen auf das Subtrat erhöht werden. Je mehr Anisotropie dabei erzeugt wird, desto schlechter wird jedoch die Selektivität und um so mehr nehmen Schäden zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trockenätz gerät anzugeben, mit dem ein Substrat mit hoher Anisotropie, hoher Selektivität, aber geringer Beschädigung geätzt wer den kann.

Das erfindungsgemäße Gerät ist durch die Merkmale von An spruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge staltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.

Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen Gerätes ist, daß es einen freien Überschall-Teilchenstrahl erzeugt, in dem adiabatische Entspannung stattfindet. Dadurch kühlen sich die Teilchen stark ab, was zur Folge hat, daß ihre Ge schwindigkeitskomponente rechtwinklig zur Flugrichtung äußerst gering ist. Es treffen dann nicht nur die geladenen Teilchen, sondern auch die neutralen Teilchen mit stark an isotroper Geschwindigkeitsverteilung auf das zu ätzende Sub strat auf. Dadurch läßt sich ein hochanisotropes, hochselek tives Ätzen erzielen. Beschädigungen der Oberfläche des Halbleiterbauteils sind vernachlässigbar, da mit geringeren Teilchenenergien als bisher gearbeitet werden kann.

Da das chemische Ätzen in erster Linie durch die neutralen Teilchen bewerkstelligt wird, ist es von Vorteil, nur diese zum Ätzen zu verwenden. Dies war beim Stand der Technik nicht möglich, da aufgrund der isotropen Geschwindigkeitsvertei lung der neutralen Teilchen Selektivität nur mit Hilfe der vertikal auftreffenden geladenen Teilchen erzielbar war. Beim erfindungsgemäßen Gerät können jedoch die geladenen Teilchen durch entsprechende Feldkräfte aus dem Teilchen strahl entfernt werden, so daß alleine mit den neutralen Teilchen geätzt werden kann, die mit im wesentlichen nur vertikaler Geschwindigkeitskomponente auf das Substrat tref fen. Das Ätzen mit neutralen Teilchen hat auch den Vorteil, daß Schäden durch elektrostatische Kräfte vermieden werden.

Um große Substrate zu ätzen, ist es von Vorteil, den Teil chenstrahl blattförmig auszubilden, wozu schlitzförmige Dü sen, Begrenzer und/oder Kollimatoren verwendet werden. Die Lagerung für das Substrat ist dann beweglich, so daß das Substrat unter dem blattförmigen Teilchenstrahl hin- und hergeschoben werden kann.

Weiterhin von Vorteil ist es, dem Reaktionsgas ein Leicht elementgas, wie Helium oder Wasserstoff, beizumischen. Teil chen von einem solchen Leichtelementgas werden beim adiaba tischen Entspannen stärker beschleunigt als Teilchen von einem schwereren Gas. Ist das Reaktionsgas dem Leichtele mentgas nur in geringem Prozentsatz zugemischt, bestimmt die Geschwindigkeit der Teilchen des Leichtelementgases im we sentlichen die Geschwindigkeit der Teilchen des Reaktions gases. Durch das Zumischen von Leichtelementgas läßt sich also eine hohe Teilchengeschwindigkeit und damit eine hohe Selektivität der ätzenden Teilchen erzielen.

Von besonderem Vorteil ist es, das Leichtelementgas zum Ioni sieren des Reaktionsgases zu verwenden. Hierzu wird die Gas entladungskammer in zwei Teilkammern unterteilt, wobei nur in der einen, der das Leichtelementgas zugeführt wird, eine Gasentladung erzeugt wird. Das durch die Gasentladung ioni sierte Leichtelementgas wird dann mit dem Reaktionsgas in der zweiten Teilkammer vermischt, wobei dieses durch Stöße mit dem Leichtgasplasma ebenfalls ionisiert wird. Dieser Aufbau hat zur Folge, daß die Gasentladungskammer weniger durch Reaktionsgasteilchen beschädigt wird, als es der Fall ist, wenn das Reaktionsgas unmittelbar durch Gasentladung ionisiert wird. Es werden also die Langzeitstabilität und die Lebensdauer der Gasentladungskammer und damit des gesam ten Gerätes verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematischer Querschnitt durch ein Trockenätz gerät, bei dem ein Gasvolumen in einem freien Überschall-Teilchen strahl adiabatisch entspannt wird;

Fig. 2 schematischer Querschnitt durch einen freien Überschall-Teilchenstrahl hinter einer Düse im Gerät gemäß Fig. 1;

Fig. 3 schematischer Querschnitt durch einen Teil eines Trockenätzgerätes mit einer Gasentladungskammer, die gegenüber einer Vakuumkammer verschoben werden kann;

Fig. 4 schematisches Diagramm zum Erläutern, wie neu trale und geladene Teilchen auf ein Substrat auftreffen;

Fig. 5 schematischer Teilquerschnitt durch eine Va kuumkammer, in der ein Substrat auf einer Elektrode angeord net ist;

Fig. 6 schematischer Querschnitt gemäß dem von Fig. 1, jedoch durch ein Gerät, bei dem geladene Teilchen durch Elektrodenplatten abgetrennt werden;

Fig. 7 Darstellung entsprechend der von Fig. 4, wobei sich jedoch nur neutrale Teilchen auf das Substrat zu bewe gen;

Fig. 8 schematischer Teilquerschnitt durch eine Va kuumkammer, in der geladene Teilchen durch Elektrodenplatten und eine Magnetvorrichtung aus einem Teilchenstrahl abge trennt werden;

Fig. 9a und 9b zwei rechtwinklig zueinander stehende sche matische Teilquerschnitte gemäß dem Schnitt von Fig. 1, je doch durch ein Gerät mit blattförmigem Teilchenstrahl, wobei in Fig. 9a der Teilchenstrahl von der schmalen und in Fig. 9b der Teilchenstrahl von seiner breiten Seite erkennbar ist;

Fig. 10a und 10b Darstellungen, entsprechend der von Fig. 2, jedoch für einen Elektronenstrahl von seiner schmalen Seite (Fig. 10a) bzw. seiner breiten Seite (Fig. 10b);

Fig. 11 schematische Teilquerschnitte, entsprechend de nen von Fig. 9, wobei das Gerät zusätzlich Elektrodenplatten zum Entfernen geladener Teilchen aufweist;

Fig. 12a und 12b schematische Teilquerschnitte, entsprechend dem von Fig. 5, wobei jedoch der Querschnitt gemäß Fig. 12a das Auftreffen eines blattförmigen Teilchenstrahls auf ein verschiebbares Substrat mit seiner schmalen Seite darstellt, während Fig. 12b das Auftreffen des Teilchenstrahls auf das Substrat mit seiner breiten Seite darstellt;

Fig. 13 schematischer Querschnitt, entsprechend dem von Fig. 1, jedoch für ein Gerät, dem außer dem Reaktionsgas noch ein Leichtelementgas zugeführt wird;

Fig. 14a bis 14c schematische Darstellungen in Zusammenhang mit Fig. 2, wobei Fig. 14a im wesentlichen Fig. 2 entspricht, Fig. 14b die Abhängigkeit der Teilchenenergie vom Abstand von einer Düse und Fig. 14c die Abhängigkeit der Teilchenge schwindigkeit vom genannten Abstand darstellt;

Fig. 15 schematische Darstellung, entsprechend der von Fig. 13, wobei das Gerät zusätzlich Elektrodenplatten zum Abtrennen geladener Teilchen aufweist;

Fig. 16 schematischer Teilquerschnitt durch den Ein gangsbereich eines Trockenätzgerätes, bei dem die Gasent ladungskammer in zwei Teilkammern unterteilt ist;

Fig. 17 schematischer Querschnitt durch ein bekanntes Trockenätzgerät und

Fig. 18 schematische Darstellung, entsprechend der von Fig. 4, jedoch für den Teilchenfluß in bezug auf ein Sub strat, wie er beim bekannten Gerät gemäß Fig. 17 vorliegt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Haupt teil eines Trockenätzgerätes in einer ersten Ausführungsform.

Es sind eine Reaktions-Gasentladungskammer 21 und eine erste Vakuumkammer 22 vorhanden, die mit der Entladungskammer 21 verbunden ist. Auf die erste Vakuumkammer 22 folgt eine zweite Vakuumkammer 23 und auf diese wiederum eine dritte Vakuumkammer 24 mit einer Elektrode 2, auf der das zu ätzen de Substrat 1 montiert wird. An dem der ersten Gasentla dungskammer 22 zugewandten Ende weist die Reaktions-Gasentladungskammer 21 eine Düse 26 auf. Eine erste Wand 27 unter teilt den ersten Vakuumraum 22 und den zweiten Vakuumraum 23 voneinander. In der Mitte dieser Trennwand 27 ist ein Be grenzer 28 vorhanden. Der zweite Vakuumraum 23 und der drit te Vakuumraum 24 werden durch eine zweite Trennwand 29 von einander abgetrennt. In der Mitte der zweiten Trennwand 29 ist ein Kollimator 30 vorhanden.

Seitlich an den ersten Vakuumraum 22 ist eine Pumpeinrich tung 31 angeschlossen, während an die beiden folgenden Va kuumräume entsprechend eine zweite Pumpeinrichtung 32 bzw. eine dritte Pumpeinrichtung 33 angeschlossen sind.

Aus einer Gaspumpe 7 wird Ätzgas A der Reaktions-Gasentla dungskammer 21 zugeführt. Der Gasfluß wird mit Hilfe einer Gasflußsteuerung 8 eingestellt. Mit Hilfe eines Druckmessers 9 wird der Druck von Ätzgas in der Entladungskammer 21 ge messen. Die Drücke in den drei Vakuumkammern werden durch drei Vakuumdruckmesser 11-13 erfaßt.

Um die Reaktions-Gasentladungskammer 21 liegt eine Hochfre quenzspule 14, die von einer HF-Versorgung 6 mit HF-Energie versorgt wird. Das in der Kammer erzeugte Induktionsentla dungsplasma ist mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Von der Kammer wird ein freier Überschallstrahl D von Plasma über die Düse 26 in die erste Vakuumkammer 22 geleitet. Die ser Strahl wird durch den Begrenzer 28 auf einen Überschall-Molekular strahl E von Plasma begrenzt, der durch die zweite Vakuumkammer 23 strömt und durch den Kollimator 30 als Über schall-Molekularstrahl J von Plasma in die dritte Vakuum kammer 24 eintritt. Das Substrat 1 auf der Elektrode 2 ist so in der dritten Vakuumkammer 24 angeordnet, daß es vom Überschall-Molekularstrahl J von Plasma getroffen wird.

Die Düse 26, der Begrenzer 28 und der Kollimator 30 sind entlang der Mittelachse des freien Überschallstrahls D in der ersten Vakuumkammer 22 und der Molekularstrahlen E und J in den beiden anderen Kammern angeordnet.

Zu ätzendes Material können ein Photoresist, polykristalli nes Silizium, Siliziumdioxyd oder z. B. Polymethyl-Methacry lat sein. Ätzgas A in der Gasbombe 7 kann z. B. ein Mischgas von Cl₂ und Ar sein. Die RF-Frequenz beträgt wie beim Stand der Technik 13,56 MHz.

Dieses Gerät arbeitet wie folgt:
Es werden zunächst die drei Vakuumkammern 22-24 durch die drei Vakuumeinrichtungen 31-33 bis zu einem vorgegebenen Vakuumdruck ausgepumpt.

Anschließend wird Ätzgas A durch die Gasflußsteuerung 8 von der Gaspumpe 7 in die Reaktions-Gasentladungskammer 21 ein geführt. Der Gasfluß wird dabei anhand des Druckes einge stellt, wie er vom Druckmesser 9 angezeigt wird.

Wenn anschließend die HF-Induktionsspule 14 von der HF-Ver sorgung 6 mit HF-Energie versorgt wird, wird das in der Ent ladungskammer 21 vorhandene Ätzgas durch Glimm- oder Bogen-Ent ladung ionisiert, und schwach ionisiertes reaktives Plasma 10 wird erzeugt. Der Druck in der Entladungskammer 21 be trägt etwa 10² bis 10³ Torr und die Temperatur etwa 10³-10⁴ K.

Das in der Entladungskammer 21 erzeugte Plasma bildet, wie bereits erwähnt, beim Eintritt in die erste Vakuumkammer den Überschallstrahl D. Der Durchmesser der Düse 26 ist etwa 1 mm. Der Druck in der ersten Vakuumkammer beträgt etwa 10^-3 bis 10^-2 Torr.

Der genannte frei Überschallstrahl D besteht aus verschiede nen Bereichen. Hierzu gehört ein Bereich mit freier Über schallexpansion, der als "stille Zone" bezeichnet wird (Fig. 2). Diese stille Zone wird von einer faßförmigen Schockzone umgeben, die unten von einer Mach-Scheibe abgeschlossen wird. Die faßförmige Schockzone wird ihrerseits von einer Strahlgrenze umgeben, die bis zu einer Zone reflektierten Schocks reicht, die sich an die Mach-Scheibe anschließt. Bei freier Überschallausdehnung in der stillen Zone, d. h. bei adiabatischer Entspannung des Gases, nehmen Dichte und Tem peratur des Plasmas ab, d. h. Dichte und Temperatur von neu tralen Atomen und Molekülen, von Ionen und Elektronen, die das Plasma bilden. Daher nimmt die Kollisionsrate zwischen Plasmateilchen ab, und der Ionisationsgrad bleibt erhalten, jedoch nimmt die Flußgeschwindigkeit zu. An einer Stelle, die stromabwärts bei etwa dem Zehnfachen des Durchmessers der Düse 26 von dieser Düse entfernt liegt, ist die Gastem peratur der schweren Teilchen im Plasma nur noch einige Kel vin. Damit wird die Kollisionsrate zwischen schweren Parti keln infinitesimal klein. Die Temperatur der Elektronen im Plasma nimmt jedoch nicht so stark ab, wie die der schweren Teilchen. Sie sinkt nicht unter in etwa 10³ K.

Der Begrenzer 28 ist an einer solchen Stelle des freien Plasmastrahls D angeordnet, an der die freie Überschall expansion so weit fortgeschritten ist, daß die Gastemperatur und damit die thermische Bewegung der schweren Partikeln so gering ist, daß Wechselwirkung zwischen den schweren Parti keln vernachlässigt werden kann. Der Begrenzer 28 hat eine solche Form, daß er keine Turbulenz stromaufwärts im freien Überschallstrahl D erzeugt. Der Durchmesser des Begrenzers liegt bei maximal etwa dem Zwei- bis Dreifachen der Öffnung der Düse 26. Durch den Begrenzer 28 wird ein Bereich der stillen Zone des Plasmas in der ersten Vakuumkammer 22 aus gegrenzt. Dieser Teil tritt als Überschall-Molekularstrahl E in die zweite Vakuumkammer 23 ein. Das Vakuum in dieser Kam mer ist etwa 10^-6 bis 10^-5 Torr.

Eigenschaften des freien Überschallstrahls D, wie z. B. die Gasdichte, Temperatur und der Gasfluß in der stillen Zone, werden durch die Form und den Durchmesser der Düse 26, den Druck in der Reaktions-Gasentladungskammer 21 und den Va kuumdruck in der ersten Vakuumkammer 22 eingestellt. Um die Extraktionsrate von Plasma aus der stillen Zone des freien Überschallstrahls D in der ersten Vakuumkammer 22 durch den Begrenzer 28 in die zweite Vakuumkammer 23 hinein auch bei Änderungen verschiedener Größen in etwa konstant halten zu können, ist es von Vorteil, die Entfernung zwischen der Düse 26 und dem Begrenzer 28 verstellen zu können.

Ein Mechanismus zum kontinuierlichen Verstellen der eben ge nannten Entfernung wird nun anhand von Fig. 3 erläutert. Die Gasentladungskammer 21 ist mit der ersten Vakuumkammer 22 über Bälge 41 verbunden. Durch Bewegen der Reaktions-Gasent ladungskammer 21 in Richtung der Pfeile α bzw. β durch Strecken oder Zusammendrücken der Bälge 21 läßt sich die Entfernung zwischen der Düse 26 und dem Begrenzer 28 konti nuierlich verändern. Dadurch läßt sich der Überschall-Mole kularfluß E von Plasma in der zweiten Vakuumkammer 23 ein stellen.

Der eben genannte Molekularfluß E weist für schwere Partikeln nur eine Gastemperatur von einigen Kelvin auf, weswegen die Wechselwirkung zwischen schweren Partikeln vernachlässigbar ist. Dieser Fluß tritt durch den Kollimator 30 in die dritte Vakuumkammer 24 ein. Der Durchmesser des Kollimators 30 ent spricht im wesentlichen dem Durchmesser des Begrenzers 28, kann aber auch etwa darunter liegen. Das Vakuum in der drit ten Kammer 24 beträgt etwa 10^-8 bis 10^-7 Torr. Wie bereits erwähnt, trifft der Molekularstrahl J von Plasma in der dritten Vakuumkammer 24 auf das Substrat 1.

Da, wie genannt, die absolute Temperatur der schweren Parti keln im Molekularfluß J sehr niedrig ist, treffen diese schweren Partikeln, wie Ionen, neutrale Atome und Molekül radikale des schwach ionisierten Plasmas vertikal auf die Oberfläche des Substrates. Die Geschwindigkeitskomponente in horizontaler Richtung, also parallel zur Oberfläche des Sub strates, ist sehr klein im Verhältnis zur vertikalen Ge schwindigkeit. Die Eingangsenergie ist sehr niedrig im Ver gleich zu einer physikalischen Sputterschwelle.

Wenn Mischgas von Cl₂ und Ar als Ätzgas A verwendet wird, entsprechend wie beim Stand der Technik, werden als neutrale Atomradikale Cl, als atomare Ionen Cl⁺ und Ar⁺ und als Mole külionen Cl₂⁺ gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ent stehen keine molekularen Radikale. Die Gasdichte der schwe ren Partikeln beträgt etwa 10¹² bis 10¹⁵ cm³ und die Plasma dichte etwa 10⁹ bis 10¹² cm^-3.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm zum Erläutern, wie eine Substanz auf einem Substrat geätzt wird, die dem Plas mafluß ausgesetzt wird, wie er durch das bisher beschriebene Trockenätzgerät erzeugt wird. Entsprechend wie beim Stand der Technik wird eine Raumladungszone benachbart zum Sub strat aufgebaut. Positive Ionen, die in die Raumladungszone einfallen, werden durch die Raumladungsspannung (Plasmaspan nung) auf etwa 10 V beschleunigt und fallen mit dieser Ener gie rechtwinklig zur Oberfläche des Substrates ein.

Neutrale Radikale reagieren nicht auf die Raumladungsspan nung, jedoch fallen sie als Überschall-Molekularfluß recht winklig auf die Substratoberfläche ein, im Unterschied zu den Verhältnissen beim Stand der Technik. Chemisches Ätzen durch neutrale Radikale, was die Selektivität des Ätzens be stimmt, wird dadurch nicht-isotrop, wodurch der Ätzvorgang anisotrop wird.

Die Einfallsenergie von Ionen auf die Oberfläche des Sub strates ist kleiner als die physikalische Sputterschwelle von etwa 20 eV, selbst wenn ein Beschleunigen durch die Raumladungsspannung erfolgt. Es findet daher kein Ätzen durch physikalisches Sputtern durch Ionen oder durch einen Ionenhilfsprozeß statt. Dadurch werden keine Schäden in der Oberflächenschicht des zu ätzenden Films erzeugt.

Im vorstehend beschriebenen Trockenätzgerät bestimmt nicht isotropes chemisches Ätzen mit neutralen Radikalen den Ätz prozeß einer Substanz auf dem Substrat. Das Ätzen ist daher nicht nur super-anisotrop, sondern auch super-selektiv mit einer supergeringen Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Schäden.

Das vorstehend beschriebene Gerät sorgt also dafür, daß die Horizontalkomponente der Bewegung der schweren Teilchen, die auf das Substrat auftreffen, erheblich kleiner ist als die vertikale Komponente. Außerdem ist die Einfallsenergie klein im Vergleich zur physikalischen Sputterschwelle. Daher er folgt anisotropes chemisches Ätzen durch neutrale Radikale mit den vorstehend genannten Vorteilen. Der Molekularfluß läßt sich dabei durch Verstellen des Abstandes zwischen der Düse 26 und dem Begrenzer 28 einstellen.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausge gangen, daß die Energie von Ionen und neutralen Radikalen so eingestellt wird, daß sie tiefer ist als die physikalische Sputterschwelle. Die Energie kann jedoch auch so weit erhöht werden, daß zusätzlich zum chemischen Ätzen physikalisches Sputtern stattfindet.

Ob zusätzliches Sputtern durch schwere Teilchen neben dem nicht-isotropen chemischen Ätzen durch neutrale Radikale er wünscht ist, hängt von der Art zu ätzenden Materials ab. Um unterschiedliche Materialien jeweils bestgeeignet behandeln zu können, ist es daher von Vorteil, das Gerät so zu dimen sionieren, daß unterschiedliche Einfallsenergien für die auf das Substrat auftreffenden Teilchen eingestellt werden kön nen.

Ein Aufbau, mit dem die genannte Einfallsenergie verändert werden kann, wird nun anhand von Fig. 5 beschrieben.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist eine HF-Elektroden versorgung 43 mit der Elektrode 2 verbunden, auf der das zu ätzende Substrat 1 angebracht wird. Durch Anlegen einer Vor spannung an die Elektrode 2 wird die Raumladungsspannung (Plasmaspannung + Vorspannung der Elektrode) erhöht. Durch die erhöhte Raumladungsspannung werden in die Raumladungs zone eintretende Ionen stärker beschleunigt. Durch ausrei chend hohe Vorspannung kann bewirkt werden, daß die Sputter schwelle überschritten wird und das Sputtern das Ätzen un terstützt.

Anhand von Fig. 6 wird nun eine zweite Ausführungsform er läutert, die bis auf das Vorhandensein eines zusätzlichen Elektrodenpaares 34 in der zweiten Vakuumkammer 23 mit der ersten Ausführungsform übereinstimmt. Das Elektrodenpaar 34 dient zum Entfernen geladener Teilchen wie Ionen oder Elek tronen aus dem Überschall-Molekularfluß E von Plasma in der zweiten Vakuumkammer 23, wodurch ein Überschall-Molekular fluß F neutraler Atome und Moleküle erzeugt wird. Die Span nung zum Entfernen der geladenen Teilchen wird von einer Gleichspannungsversorgung 35 an das Elektrodenpaar 34 ge legt. Das Elektrodenpaar 34 und die Gleichspannungsversor gung 35 bilden zusammen eine Einrichtung zum Entfernen gela dener Teilchen. Der Strom ungeladener Teilchen tritt als Überschall-Molekularfluß G durch den Kollimator 30 in die dritte Vakuumkammer 24 ein. Das Substrat 1 wird durch diesen Strahl G getroffen.

Dieses Gerät arbeitet wie folgt:
Das Ätzgas A wird in der Gasentladungskammer 21 ionisiert. Es entspannt sich mit Überschall als freier Überschallstrahl D in die erste Vakuumkammer 22 und trifft auf den Begrenzer 28, wo der Überschall-Molekularstrahl D ausgegrenzt wird, der in die zweite Vakuumkammer 23 eintritt.

In der zweiten Vakuumkammer 23 ist das Elektrodenpaar 34 so angeordnet, daß der Strahl E durch es hindurchtritt, wobei das vom Elektrodenpaar 34 erzeugte Gleichfeld rechtwinklig zur Mittelachse des Strahls E steht. Ionen und Elektronen im Plasmastrahl E fliegen daher zu entgegengesetzt geladenen Elektroden des Elektrodenpaars 34, wodurch diese geladenen Teilchen aus dem Fluß E entfernt werden, so daß nur noch der Überschall-Molekularfluß F neutraler Atome und Moleküle übrigbleibt.

Im Molekularfluß F ist, wie schon im Molekularfluß E, der noch geladene Teilchen enthält, die absolute Gastemperatur sehr niedrig, und es findet kaum mehr Wechselwirkung zwi schen den Teilchen statt. Auch die neutralen Teilchen tref fen daher im wesentlichen nur mit vertikaler Geschwindig keitskomponente auf das Substrat auf.

Fig. 7 veranschaulicht, wie die neutralen Teilchen auf das Substrat auftreffen. Es gilt entsprechend das zu Fig. 4 Aus geführte. Der Unterschied zu Fig. 4 liegt jedoch darin, daß nur neutrale Teilchen auf das Substrat zufliegen, während bei der ersten Ausführungsform, und damit in der Darstellung gemäß Fig. 4, auch positive und negative Teilchen auf das Substrat treffen. Da positive und negative Teilchen fehlen, wird keine Raumladungszone aufgebaut. Der Gasfluß enthält Cl als atomare Radikale mit einer Gasdichte von etwa 10¹² bis 10¹⁵ cm^-3.

Da das Ätzen nur mit neutralen Atom- und Molekül-Radikalen erfolgt, kann ein Beschädigen des Substrates aufgrund elek trostatischer Kräfte vermieden werden. Neben diesem zusätz lichen Vorteil bestehen alle anderen Vorteile, die für das Gerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wur den.

Beim bisher beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel werden geladene Teilchen mit Hilfe des Elektrodenpaars 34 in der zweiten Vakuumkammer 23 entfernt. Das Elektrodenpaar 34 kann jedoch auch innerhalb der dritten Vakuumkammer 24 angeordnet sein. Außerdem kann zusätzlich zu einem elektrischen Feld noch ein magnetisches Feld zum Entfernen geladener Teilchen eingesetzt werden.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Vakuumkammer 23, in der ein elektrisches und ein magneti sches Feld zum Entfernen geladener Teilchen wirken. Ein Elektrodenpaar 34a ist in diesem Fall so angeordnet, daß seine zueinander parallelen Platten rechtwinklig zur Mittel achse des Überschall-Molekularflusses E von Plasma stehen. Der Fluß E tritt durch Löcher in den Platten durch diese hindurch. Das elektrische Feld zwischen den Platten verläuft somit parallel zum Molekularfluß E. Das Feld wird durch eine Spannung von einer Gleichspannungsversorgung 35 erzeugt.

Bei dieser Anordnung werden Ionen und Elektronen im Moleku larstrahl E entgegengesetzt zueinander im elektrischen Feld bewegt und durch die Elektroden des Elektrodenpaares 34a ab gefangen. Geladene Teilchen, die nicht abgefangen werden, werden in ihrer Flugrichtung durch ein Magnetfeld abgelenkt, das von einer Magneteinrichtung 43a erzeugt wird, die unter halb (flußabwärts) vom Elektrodenpaar 34a angeordnet ist. Die Magneteinrichtung kann durch einen Permanentmagneten oder eine Magnetspule gebildet sein. An die der Magnetein richtung benachbarte Elektrode des Elektrodenpaars 34a wird eine negative Spannung durch die Gleichspannungsversorgung 35 gelegt. Die Richtung des Magnetfelds ist mit γ bezeich net. Sie steht rechtwinklig zum Molekularfluß E. Die durch das Magnetfeld abgelenkten Ionen ergeben einen Ionenfluß I.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde die Gasent ladung in der Entladungskammer 21 durch eine außen an der Kammer angebrachte HF-Wicklung 14 erzeugt. Die Gasentladung durch Glimm- oder Bogen-Entladung kann jedoch auch durch HF- oder Mikrowellenenergie erzeugt werden, die durch einander gegenüberstehende Elektroden in der Gasentladungskammer 21 abgegeben wird. Die Hochfrequenzenergie wird dann direkt in die Gasentladungskammer geführt. Darüber hinaus kann auch ionisierende Entladung durch Einstrahlen eines Energiestrah les bewerkstelligt werden, z. B. durch einen Elektronen strahl, einen Ionenstrahl, einen Strahl neutraler Teilchen oder einen Laserstrahl.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde ein Mischgas von Cl₂ und Ar als Ätzgas A verwendet. Es wurde angenommen, daß polykristallines Silizium auf dem Substrat 1 geätzt wird. Es können jedoch auch andere Materialien geätzt werden und hierfür geeignete Ätzgase eingesetzt werden.

Bei den Ausführungsbeispielen wurde angenommen, daß die Fre quenz der von den HF-Versorgungen 6 und 43 abgegebenen Span nung 13,56 MHz, jedoch können auch andere Frequenzen verwen det werden.

Weiterhin wurde angegeben, daß der Durchmesser der Düse 26 etwa 1 mm beträgt. Es kann jedoch auch ein größerer Durch messer verwendet werden, wenn die Pumpleistung der ersten Vakuumpumpeinrichtung erhöht wird. Außerdem kann der Durch messer des Begrenzers 28 entsprechend dem Durchmesser der Düse 26 erhöht werden, wenn die Pumpleistung der zweiten Vakuumpumpeinrichtung 32 erhöht wird. Schließlich kann auch der Durchmesser des Kollimators 30 vergrößert werden, wenn die Pumpleistung der dritten Vakuumpumpeinrichtung 33 erhöht wird.

Dadurch, daß der Molekularfluß erhöht wird, können der Ätz bereich und die Ätzgeschwindigkeit auf dem Substrat 1 erhöht werden.

Dieses Erhöhen des Flusses kann bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen und auch bei den weiter unten be schriebenen erfolgen. Je größer die Pumpleistung der Vakuum pumpeinrichtungen gewählt wird, desto größer kann der Teil chenfluß sein, wobei das Ausmaß der adiabatischen Entspan nung und damit die starke Kühlung der schweren Teilchen er halten bleibt.

Fig. 9 zeigt in zwei rechtwinklig zueinander stehenden schematischen Querschnitten (Fig. 9a, Fig. 9b) eine dritte Ausführungsform eines Trockenätzgerätes. Dieses Gerät unter scheidet sich von den bisher beschriebenen dadurch, daß die Düse 26a, der Begrenzer 28a und der Kollimator 30a jeweils als rechteckiger Schlitz ausgebildet sind. Die Öffnung der Düse 26 beträgt etwa 0,51×50 mm (longitudinal und trans versal 100). Der Begrenzer 28a ist so ausgebildet, daß die kurze Kante seiner Öffnung maximal etwa das Zwei- bis Drei fache der Länge der kurzen Kante der schlitzförmigen Öffnung der Düse 26a aufweist. Dadurch weist der Überschall-Moleku larstrahl E rechtwinklig zu seiner Flußrichtung die Form des rechteckigen Schlitzes auf. Die Länge der kurzen Kante des schlitzförmigen Kollimators 30a entspricht maximal in etwa der Länge der kurzen Kante der schlitzförmigen Öffnung des Begrenzers 28a. Dementsprechend weist der Überschall-Mole kularfluß J rechtwinklig zu seiner Flußrichtung die Quer schnittsform eines rechteckigen Schlitzes auf.

Wie der Überschall-Molekularfluß E durch den Begrenzer 28a aus der stillen Zone ausgeblendet wird, ist in Fig. 10 für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 entsprechend darge stellt, wie für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in Fig. 2. Hierbei gilt die Ansicht gemäß Fig. 10a für die Schnittansicht gemäß Fig. 9a, also auf die schmale Seite der schlitzförmigen Düse 26a und des schlitzförmigen Begrenzers 28a, während Fig. 10b für die Ansicht gemäß Fig. 9b gilt, also für den Blick auf die lange Seite der Schlitze. Die An gaben in Fig. 10 entsprechen denen in Fig. 2, weswegen der Kürze halber auf die Beschreibung von Fig. 2 verwiesen wird. Allerdings ist das Bezugszeichen 26 für die Düse in Fig. 2 durch das Bezugszeichen 26a ersetzt,und das Bezugszeichen 28 für den Begrenzer in Fig. 2 ist durch das Bezugszeichen 28a ersetzt.

Auch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 kann dadurch wei tergebildet werden, daß eine Vorrichtung zum Entfernen gela dener Partikeln verwendet wird. Bei der vierten Ausführungs form gemäß Fig. 11 ist diese Vorrichtung wiederum durch ein Elektrodenpaar 34 gebildet, das in der zweiten Vakuumkammer 23 angeordnet ist. Bei der schematischen Seitenansicht gemäß Fig. 11a blickt man auf die Schmalseiten der Elektroden, während bei der um 90° verdrehten Seitenansicht gemäß Fig. 11b die Breitseite der Elektroden 34 erkennbar ist. Im übri gen gilt das zu Fig. 6 Ausgeführte entsprechend, wobei je doch zu beachten ist, daß die Düse 26a, der Begrenzer 28a und der Kollimator 30a als rechteckige Schlitze ausgebildet sind und dementsprechend die verschiedenen Teilchenflüsse rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Entfernen geladener Teilchen auch in der dritten Vakuum kammer 24 erfolgen, und/oder es kann zusätzlich ein Magnet feld eingesetzt werden, wie weiter oben anhand von Fig. 8 erläutert.

Eine Variante gemäß einer fünften Ausführungsform ist durch Fig. 12 veranschaulicht. Fig. 12 zeigt wiederum schematisch zwei rechtwinklig zueinander stehende Seitenansichten, näm lich auf die Schmalseite eines rechteckigen Teilchenstrahls J oder G (Fig. 12a) bzw. auf dessen Breitseite (Fig. 12b).

Bei der fünften Ausführungsform kann die Position des zu ätzenden Substrates 1 während des Ätzens rechtwinklig zur Schmalseite des Strahls hin- und hergeschoben werden, wie durch Pfeile 50 in Fig. 12a angedeutet. Die Breite des Strahles ist breiter als die Breite des Substrates 1, so daß hier kein Hin- und Herschieben erforderlich ist, um das ge samte Substrat zu überdecken. Mit dieser Ausführungsform können auch Substrate mit großer Abmessung mit superhoher Anisotropie, superhoher Selektivität und supergeringer Wahr scheinlichkeit von Beschädigungen geätzt werden. Wenn mit neutralen Teilchen geätzt wird, besteht darüber hinaus keine Gefahr aufgrund elektrostatischer Kräfte.

Beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel, die mit Teil chenstrahlen mit rechteckigem Querschnitt arbeiten, wurde davon ausgegangen, daß die Öffnung der Düse 26 etwa 0,5×50 mm² (Seitenverhältnis 100) beträgt. Diese Öffnung kann jedoch auch vergrößert werden, wobei es dann empfehlenswert ist, auch die Öffnungen des Begrenzers 28a und des Kollima tors 30a zu erhöhen. Überall, wo die Schlitzgröße erhöht wird, muß die Pumpleistung der Vakuumpumpeinrichtung für die Vakuumkammer, in die sich der Schlitz öffnet, erhöht werden, wenn das Ausmaß der adiabatischen Entspannung aufrechterhal ten bleiben soll, das zur genannten starken Abkühlung der schweren Teilchen führt.

Die sechste Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist entsprechend aufgebaut wie die erste Ausführungsform, jedoch mit dem Un terschied, daß nicht nur ein Ätzgas A in die Reaktions-Gas entladungskammer 21 aus einer Gasflasche 7 über eine Gas flußsteuerung 8 einströmt, sondern daß zusätzlich ein leich tes Gas B aus einer Gasflasche 15 über eine Gasflußsteuerung 16 in die genannte Kammer strömt. Wenn, wie auch bei den bisherigen Ausführungsbeispielen angenommen, ein Photoresist, polykristallines Silizium, Siliziumdioxyd oder PMMA geätzt werden sollen, wird als Ätzgas A in der Gasflasche 7 Cl₂ verwendet. Das Gas B aus einem leichten Element in der zwei ten Gasflasche 15 ist z. B. Helium.

Die Funktion dieses sechsten Ausführungsbeispiels entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels. Die Ströme der beiden genannten Gase werden mit Hilfe der ersten Gasflußsteuerung 8 und der zweiten Gasflußsteuerung 16 so eingestellt, daß bei gewünschtem Mischungsverhältnis ein gewünschter Druck in der Gasentladungskammer 21 eingestellt wird, was am Druck messer 9 abgelesen wird. Das über die Düse 26 ausgestoßene Plasma ist nun Plasma aus dem Ätzgas A und dem leichten Gas B.

Für die Geometrie des Teilchenflusses aus der Düse 26 gilt das anhand von Fig. 2 Erläuterte entsprechend. Details des Teilchenflusses in der stillen Zone des freien Überschall strahles D, bezogen auf das verwendete einatomare Gas, wer den nun anhand von Fig. 14 erläutert. Dabei ist Fig. 14a eine Darstellung entsprechend Fig. 2, während Fig. 14b die Energie von Teilchen und Fig. 14c die Geschwindigkeit von Teilchen jeweils in Abhängigkeit von der Entfernung von der Düse 26 zeigen.

In der Gasentladungskammer 21 herrsche die Gastemperatur C₀. Wenn sich der freie Überschall-Teilchenstrahl von der Gas entladungskammer 21 in die erste Vakuumkammer 22 hinein aus dehnt, erniedrigt sich die Gastemperatur T in Flußrichtung, während sich die Flußgeschwindigkeit u erhöht. Unter Berück sichtigung des Satzes der Erhaltung der Enthalpie gilt als obere Grenze für die kinetische Energie 1/2 × Mu², wobei die Geschwindigkeit u gleich 1/2×5 kT₀ ist. Als Obergrenze für die Geschwindigkeit u gilt der Wert (5kT₀/M) ^1/2. Dabei ist M die Atommasse und k die Boltzmann-Konstante. Wenn das Leichtelementgas He z. B. mit Ar verglichen wird, ist die obere Grenze der genannten Geschwindigkeit etwa das Drei fache der Obergrenze der Geschwindigkeit von Ar, jeweils bei derselben Ausgangstemperatur T₀. Wenn ein Mischgas aus dem reaktiven Gas und He oder Ar in Betracht gezogen wird und das Verhältnis von Reaktionsgas zu He oder Ar unter etwa 5% liegt, ist die Flußgeschwindigkeit des Reaktionsgases in be zug auf dessen Atome und Moleküle in etwa gleich der Flußge schwindigkeit des zugesetzten Gases in bezug auf He oder Ar.

Wenn also die freie Überschallexpansion mit einem Mischgas aus Reaktionsgas und dem Leichtelementgas He erfolgt, ist die Flußgeschwindigkeit in bezug auf die Atome und Moleküle des Reaktionsgases etwa das Dreifache verglichen zu dem Fall, wo mit Ar gemischt wird.

Wenn Cl₂ als Ätzgas A verwendet wird, entsprechend wie beim Stand der Technik, und He als Leichtelementgas B verwendet wird, werden Cl als neutrale Atomradikale, Cl⁺ und He⁺ als atomare Ionen und Cl₂⁺ als molekulare Ionen erzeugt. Mole kulare Radikale liegen bei diesem Beispiel nicht vor. Die Gasdichte des Überschallmolekularflusses von Plasma, d. h. die Dichte schwerer Teilchen wie neutraler Atome, Moleküle und Ionen ist etwa 10¹² bis 10¹⁵ cm^-3, und die Plasmadichte ist etwa 10⁹ bis 10¹² cm^-3. Wenn die Gastemperatur T₀ in der Gasentladungskammer 10 gleich 10⁴ K ist und das Mischungs verhältnis von Cl zu He etwa 5% ist, ist die Obergrenze für den Überschall-Molekularfluß (5kT₀/M_He)^1/2 in Flußrichtung etwa 1×10⁶ cm/sec, und die kinetischen Energien für He und Cl sind etwa 2 eV bzw. 19 eV.

Für das Auftreffen von Teilchen auf dem zu ätzenden Substrat 1 gilt das oben anhand von Fig. 4 Ausgeführte entsprechend. Wenn das Mischungsverhältnis des Reaktionsgases zum Leicht elementgas niedrig ist, entspricht die Einfallsgeschwindig keit der Ionen oder neutralen Radikale des Reaktionsgases rechtwinklig zur Oberfläche des Substrates im wesentlichen der Einfallsgeschwindigkeit der Atome und Moleküle des Leichtelementgases.

Auch das fünfte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 kann mit einer Einrichtung zum Entfernen geladener Teilchen versehen sein. Die siebte Ausführungsform gemäß Fig. 15 weist hierzu wiederum ein Elektrodenpaar 34 auf. Die Wirkung dieses Elek trodenpaares 34 ist dieselbe, wie sie anhand des Ausfüh rungsbeispiels von Fig. 6 erläutert wurde.

Die Vorrichtung zum Absondern geladener Teilchen kann auch wieder in der dritten Vakuumkammer 24 angeordnet sein, und/ oder sie kann zusätzlich zu den Elektrodenplatten eine Mag neteinrichtung aufweisen. Außerdem kann das siebte Ausfüh rungsbeispiel alle Abwandlungen aufweisen, die vorstehend für andere Ausführungsbeispiele erläutert wurden.

Das achte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 unterscheidet sich vom sechsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 dadurch, daß die Gasentladungskammer 21 in zwei Teilkammern unter teilt ist. Der ersten, oberen Teilkammer wird das Leichtele mentgas B, wie Helium oder Wasserstoff, zugeführt, und die ses Gas wird dort ionisiert. Das Reaktionsgas wird dagegen der zweiten, unteren Teilkammer zugeführt, in die auch das ionisierte Leichtelementgas aus der oberen Teilkammer durch eine Öffnung 26 einfließt.

Diese Anordnung arbeitet wie folgt:
Das Leichtelementgas B, wie Helium oder Wasserstoff, wird in die obere Teilkammer der Gasentladungskammer 21 eingeführt, dort ionisiert und fließt dann in die untere, zweite Teil kammer 51 ein, wo es mit dem Ätzgas A gemischt wird. Das Ionisieren und Trennen von Ätzgasatomen und -molekülen er folgt also nicht durch direkte Entladung, sondern durch die Wechselwirkung mit dem Leichtelementgasplasma, das durch direkte Entladung gebildet wurde, d. h. durch Stöße zwischen Teilchen des Leichtelementgases (Elektronen, Atome, Molekü le) und Teilchen des Ätzgases (Atome, Moleküle). Der Anteil neutraler Radikale, die dadurch gebildet werden, daß Reak tionsgas-Atome und -Moleküle getrennt werden, ist dann größer als bei direkter Entladung. Außerdem ist das Ausmaß von Kor rosion oder anderer Beschädigung der Gasentladungskammer ge genüber direkter Entladung des Reaktionsgases vermindert. Dies führt zu verbesserter Langzeitfunktion der Gasentla dungskammer und überhaupt zu erhöhter Lebensdauer.

Der übrige Aufbau des Gerätes gemäß dem achten Ausführungs beispiel kann in beliebiger Weise entsprechend den vorste hend gegebenen Beispielen variiert werden.

Wie vorstehend erläutert, ist es von großem Vorteil, ein Plasma in einem freien Ultraschallstrahl adiabatisch zu ent spannen, wodurch das zunächst heiße Plasma stark abgekühlt wird. Dadurch weisen die auf ein Substrat auftreffenden Teilchen aus dem Überschallstrahl kaum eine Geschwindig keitskomponente rechtwinklig zur Strahlrichtung auf. Dies ermöglicht ein Ätzen mit höchster Anisotropie, höchster Se lektivität und geringster Wahrscheinlichkeit von Beschädi gungen.

Werden aus dem Teilchenstrahl noch geladene Teilchen ausge sondert, lassen sich darüber hinaus Beschädigungen des Sub strates aufgrund elektrostatischer Kräfte verhindern.

Wird der Strahl durch schmale Schlitze statt durch runde Öffnungen ausgeblendet, läßt sich mit ihm leicht das zu ätzende Substrat abrastern, was durch Verschieben des Sub strates erfolgt. Vorzugsweise weist der blattförmige Strahl die Breite des Substrates auf.

Wenn das eigentliche Reaktionsgas zu einem Leichtelementgas, wie Helium oder Wasserstoff, in geringem Prozentsatz zuge mischt wird, läßt sich eine besonders hohe Teilchengeschwin digkeit erzielen, was die Ätzqualität erhöht.

Sehr vorteilhaft ist es, das Reaktionsgas dadurch zu ioni sieren, daß es mit einem bereits ionisierten Leichtelement gas, wie Helium oder Wasserstoff, gemischt wird. Dies führt zu verminderter Korrosion der Gasentladungskammer gegenüber dem Fall, in dem das Reaktionsgas selbst durch Gasentladung ionisiert wird. Es wird also die Langzeitstabilität und die Lebensdauer der Gasentladungskammer erhöht.

Bei allen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß drei Vakuumkammern vorhanden sind und daß das Substrat in der dritten Vakuumkammer angeordnet ist. Eine solche Anzahl von Vakuumkammern ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Wichtig ist nur, daß eine so starke adiabatische Entspannung stattfindet, daß die Geschwindigkeitsverteilung der auf das Substrat auftreffenden Teilchen stark anisotrop ist.

Claims

1. Trockenätzgerät zum Ätzen eines Materials (1) durch Teilchen aus einem Gas, gekennzeichnet durch

- eine Entladungskammer (10) mit einer Düse (26; 26a), die Gasplasma ausstößt, das in der Kammer durch Ionisieren von Atomen und Molekülen im Gas erzeugt wurde;
- eine erste Vakuumkammer (22), in die das Gasplasma durch die Düse eintritt, und in der sich ein freier Überschall-Teilchen fluß (D) durch Ausdehnen des Gasplasmas mit Über schall bildet
- und eine zweite Vakuumkammer (23) mit einem Begrenzer (28; 28a), der einen molekularen Überschall-Teilchenstrahl (E) aus dem freien Überschall-Teilchenfluß (D) des Gasplasmas extrahiert;
- wobei der molekulare Überschall-Teilchenstrahl (E) auf das zu ätzende Material (1) geleitet wird.

2. Trockenätzgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (34; 34a; 43) zum Entfernen von Io nen und Elektronen aus dem molekularen Überschall-Teilchen strahl (E), wodurch ein molekularer Überschall-Teilchen strahl neutraler Atome und Moleküle gebildet wird.

3. Trockenätzgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Düse eine zweidimensionale Düse (26a) mit der Querschnittsform eines rechteckigen Schlitzes ist und der Begrenzer ein zweidimensionaler Be grenzer (28a) mit der Querschnittsform ebenfalls eines rechteckigen Schlitzes ist.

4. Trockenätzgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Lage des zu ätzenden Substrats (1) relativ zur schmalen Seite bzw. in Schmalsei tenrichtung des blattförmigen Überschall-Teilchenstrahls (E), wie er durch die Schlitze gebildet wird.

5. Trockenätzgerät nach einem der Ansprüche 1-4, gekenn zeichnet durch eine Vorrichtung (7, 8) zum Einleiten von Reaktionsgas (A) in die Entladungskammer (10) und durch eine Einrichtung (15, 16) zum Einleiten eines Leichtelement gases, wie Helium oder Wasserstoff, in die Entladungskammer.

6. Trockenätzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungskammer (10) in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer (51) unterteilt ist, wobei das Leichtelementgas in der ersten Teilkammer ionisiert wird, wodurch es in den Plasmazustand übergeht, und es dann in die zweite Teilkammer überführt wird, wo es sich mit dem Reak tionsgas vermischt, wodurch dieses ionisiert wird.