CH658018A5 - Oberflaechen-musterstrukturen aus amorphen metallen. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Oberflächen-Musterstrukturen aus amorphen Metallen mit Strukturdimensionen im Submikronbereich, auf Unterlagen aufgebracht oder nicht.
Es sind Methoden und Verfahren veröffentlicht worden, die die Herstellung von mechanischen Strukturen mit Seiten- oder Höhen-Dimensionen von ^1 Jim erlauben. Solche Methoden umfassen Elektronenstrahl- und Röntgenstrahl-Lithographie-Verfahren. Die Durchführung solcher Verfahren erfordert jedoch die Benützung von kostspieligen Apparaturen.
Die Aufgabe de| .vorliegenden Erfindung ist, Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Submikronbereièh anzugeben, die sich unter der Verwendung konventioneller Mittel herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches definiert ist. Solche Strukturen haben u. a. folgende Eigenschaften: a) günstige Ätzbarkeit hinsichtlich der Ausbildung von scharfen Kanten und glatten, ebenen Flächen,
b) Beständigkeit gegenüber zeitabhängigen Dimensionsveränderungenwegen Kriech- oder Fliessvorgängen, wegen Hereinoder Herausdiffundieren von Fremdstoffen, bzw. Bestandteilen, wegen Hohlraum- oder Kornbildung oder wegen Phasenauftren-nung, und c) Beständigkeit gegenüber Phasenumwandlungen oder Verbindungsbildung.
Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen umschrieben.
Die hier beschriebene Erfindung wird nun.anhand der beigelegten Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung stellen die Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Strukturen dar. Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäss strukturierten Materialien auf einem Substrat.
Im folgenden sollen Strukturen beschrieben werden, die derart hergestellt werden können. Die Liste stellt jedoch keine Limitierung des erfindungsgemässen Gedankens dar.
1. Vertiefungen, Kanäle, Rinnen oder andere konkave Oberflächenreliefs in einer planen Oberfläche eines Feststoffsubstrates, wie dies in Fig. 1 der Zeichnungen illustriert ist. Die untere Begrenzung für v, d oder w kann ël |xm betragen und das Substrat S kann aus irgendeinem Feststoff bestehen, welcher den folgenden Oberflächenbehandlungen unterzogen werden kann: chemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, Plasmabestrahlen, Ionenbestrahlung oder andere kontrollierte Erosionstechniken.
2. Erhöhungen, Tafeln, Rippen, Inseln und andere konvexe Oberflächenreliefs aus einem abgelagerten Metall auf und verbunden mit einer planen Oberfläche eines Feststoffsubstrates, wie dies in Fig. 2 illustriert ist. Die untere B egrenzung für v, d und w kann kleiner als 1 [im betragen und das abgelagerte Material D kann aus irgendeinem Feststoff bestehen, der auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Methoden für ein solches Aufbringen, sind beispielsweise Verdampfen, Aufsprühen, chemische Dampfablagerung, schnelles Anfrieren, elektrochemische Abscheidungen, galvanische Abscheidungenund andere Dampfoder Flüssigkeitsabscheidungstechniken, wobei D aus dem gleichen oder aus einem anderen chemischen Material bestehen kann, verglichen mit S. Ebenso kann die Mikrostruktur von D, vergüchen mit S, gleich oder verschieden sein.
3. Kombinationen von 1 und 2, welche sowohl auf wie auch im gleichen Substrat ausgeführt werden, um so die gewünschte laterale Struktur zu erreichen.
4. Kombinationen von 1 und 2 nacheinander ausgeführt, um so die gesuchte vertikale Struktur zu erreichen, wobei diese Kombinationen auch die Möglichkeiten umfassen, mehr als eine Schicht des strukturierten Materials gemäss den Techniken 1 und 2 aufzubringen.
5. Selbsttragende, d. h. nicht auf eine Unterlage aufgezogene oder nur am Rande aufgebrachte dünne Oberflächenschicht-strukturen mit Ausbildungen, die durchscheinend, durchsichtig oder opak sind für Photonen oder Teilchen mit entsprechenden Energien, wie dies frt Fig. 3 dargestellt ist.
Die Muster-Strukturen gemäss dieser Erfindung werden in verschiedenen technisch^ Anwendungen eingesetzt, wobei die folgende Liste einige solcher Anwendungen gibt. Die Anwendungen sind jedoch nicht auf diese Liste beschränkt.
a) Herstellung von Metallisations-Mustern für Transistoren, integrierte Schaltkreise, Oberflächen-Akkustik-Wellenanlagen, magnetische Blasen-Anlagen, superleitende Anlagen, Halbleiter und andere diskrete oder integrierte Anordnungen von elektrischen Vorrichtungen;
b) Herstellung von gemusterten Anordnungen von metallischen Verbindungen, Halbleiter und halbleitenden oder isolierenden optischen Leitern in integrierten optischen Systemen;
c) Herstellung von Vorlagen und Replizier-Vorlagen für lithographische Anwendungen;
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d) Herstellung von Diffraktionsgittern; Diese Probleme werden durch die bereits erwähnte Anwen-
e) Herstellung von Fresnel-Zonen-Platten; dung der erfindungsgemässen Oberflächen-Musterstrukturen f) Herstellung von optischen, chemischen oder biologischen glasähnlicher Metallphasen in Strukturen mit Submikrondimen-Filtern, wie in Beschichtungen mit einer grossen Zahl von sionen vermieden. Solche amorphe Metallphasen enthalten kleinen Öffnungen, so wie sie beispielsweise auf einem Substrat 5 keine Korngrenzen oder andere mikroskopische Inhomogenitä-aus Salz gebildet werden, wo anschliessend das Salz weggelöst ten, welche Anisotropie oder lokal verstärktes Ätzen zur Folge wird; haben. Ebenso zeigt das genannte Material keine kristalline g) Herstellung von feingradigen Oberflächenstrukturen für Ordnung über Dimensionen von mehr als etwa 1 bis 2 nm. Die die verbesserte Oberflächenaktivität oder für verbesserte kataly- untere Begrenzung betreffend erreichbarer Kantenabstände mit tische Aktivität. 10 dem genannten glasförmigen Metallphasenmaterial wird durch
Gemäss der praktischen Ausführung dieser Erfindung sind die Grösse der mikroskopischen Komponentenvariation die Materialien für S und/oder D Metalle und zwar aus folgenden bestimmt, welche in der Grössenordnung von etwa 4 nm oder Gründen: elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, weniger liegt. Dieser Vorteil wird übrigens zu einem grossen Teil magnetisches Verhalten, mechanische Festigkeit, Verbindungs- beibehalten in Materialien, welche aus zufällig verteilten Kristalmöglichkeit mit anderen Materialien, Lichtundurchlässigkeit, is Uten in einer amorphen Matrix bestehen, solang die Volumen-Reflektivität oder eine Kombination der genannten Eigen- fraktion der Kristallite weniger als 25 %, bevorzugterweise weni-schaften. ger als 10%, beträgt und solang die Temperatur genügend
Es liegt eine Anzahl determinierender Faktoren für die unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg liegt.
minimal zu erreichende Grösse für v, d und w vor. Die genannten Die Diffusionsvorgänge verlaufen in Metallen von glasähnli-
Grössen sind bekanntlich in den Fig. 1 bis 3 definiert. Die 20 eher Struktur bei Temperaturen unterhalb Tg äusserst langsam.
Faktoren umfassen die Wellenlängen der Strahlung oder der Daher beträgt der Wert für die Zeitkonstante hinsichtlich Fliess-
Energie von Partikeln, die bei der Herstellung oder Anwendung Vorgängen, Phasenauftrennungen oder Kristallisierungen effek-
eingesetzt werden; die Qualität der optischen Gegebenheiten bei tiv unendlich, ungeachtet der Tatsache, dass der Glaszustand der Anwendung; die Belichtungs- und Entwicklungscharakteri- kinetisch nur metastabil ist. Bei der Bestimmung der Viskosität stiken des Materials und die Qualität, Ausdehnungen und Trans- 25 mittels Messen der Verschiebungsgeschwindigkeit beispielsweise missionscharakteristiken der Vorlagen, wenn eine solche einge- wird bei T = Tg für die Viskosität ein Wert von setzt wird.
Bekanntlich können Metalle entweder polykristalline oder rj ~ 1013 poise glasähnliche Struktur aufweisen. Metalle mit polykristalliner
Struktur sind ohne weiteres für S und D einsetzbar, jedoch nur in 30 gemessen. Der Wert für tj steigt stark an für Temperaturen
Anwendungen, bei denen die minimalen Abmessungen grösser unterhalb Tg bei typischen glasförmigen Metallen. Diese Viskosi-
als 1 um sind. Diese Metalle sind im allgemeinen jedoch nicht tätswerte entsprechen Fliess-Relaxationszeiten von ungefähr 16
einsetzbar bei Strukturdimensionen unterhalb 1 (im. Diese Tat- min bei T) = IO13 p und Hunderten von Jahren bei entsprechenden sache ist darauf zurückzuführen, dass mikroskopische Substrate Werten für Temperaturen genügend unterhalb Tg. Glasähnliche oder abgelagerte Schichten aus den genannten Metallen eine 35 Metalle sind mechanisch, zusammensetzungsmässig und struk-
polykristalline Mikrostruktur aufweisen. Beim Ätzen solcher turell stabil bei praktisch allen Temperaturen, denen sie bei
Materialien (nasses oder chemisches Ätzen oder ionenerosives Normalgebrauch unterliegen. Die Diffusion von Unreinheiten ist
Ätzen) werden die Korngrenzen zwischen den Kristalliten deutlich langsamer als in kristallinen oder polykristallinen Metal-schneller aufgelöst als die einzelnen Kristalloberflächen. Auch ist len, da die Diffusion in den letzteren normalerweise durch die gefunden worden, dass in einigen Fällen die Ätzgeschwindigkeit 40 schnelle Diffusion entlang der Kristallverschiebungsflächen oder von Kristallit zu Kristallit verschieden ist, je nach der kristallo- innerhalb der Korngrenzen erfolgt, welche beide in glasförmigen graphischen Orientierung der angegriffenen Kristalloberfläche. Metallen nicht vorhanden sind.
Es ist hierbei festgestellt worden, dass um einwandfreies Ätzen Amorphe Metallsysteme, welche zur praktischen Ausführung zuerreichen, sehr feinkristalline Metalle vorliegen müssen und dieser Erfindungeingesetztwerdenkönnen, sinddurchdie zwar mit Korngrössen, die kleiner sind als die gewünschten 43 folgende Zusammensetzung charakterisiert:
Dimensionen für v, d und w. Die hohe Konzentration von
Korngrenzen in feinkristallinen Metallen aber führt zu Proble- TxNi_x mit x « 0,8,
men hinsichtlich der Langzeitstabilität des Materials ; dies aus folgenden Gründen: T ein Übergangsmetall und N ein polyvalentes Normalmetall
1. Die hohe Zwischenflächen-Energie von Korngrenzen führt 50 oder Metalloid wie beispielsweise dazu, dass das System gegen Kornwuchs unstabil ist, wobei ein solcher Kornwuchs speziell die mikroskopische Geometrie und Pd =0,8 " Si =0,2; Au =0,s • Ge „0,2; Co ö0,8 • B =0,2-Dimensionen der Struktur zu verändern imstande ist;
2. Korngrenzen und kristalline Umlagerungen führen zu
örtlich hohen Diffusionsraten für Unreinheiten und Vakanzen, 55 Auch entsprechende pseudobinäre Zusammensetzungen der wobei oft sogar die Bildung von Hohlräumen, Einschlüssen, Formel Ausbuchtungen und Vertiefungen beobachtet wird. Unreinheiten, welche durch die genannten örtlichen Diffusionswege ent- (T1)X(T2)=0 ,^N=0,2 lang von Korngrenzen oder Kristallumordnungen eingeführt werden, können wiederum zu intermetallischen Verbindungen 60 können eingesetzt werden. Diese pseudobinären Zusammenset-
führen. Die Herausdiffusion von Unreinheiten kann an der zungen können auch noch mehr komplex substituierte Systeme
Oberfläche zu Anreicherungen und sogar zu neuen Phasenbil- enthalten. Ebenfalls eingesetzt werden können Systeme, die nur düngen führen; ein oder zwei Übergangsmetalle enthalten, wie Nb-Ni, welches
3. Die Anwesenheit von Korngrenzen oder kristallinen Ver- in Form eines aufgesprühten, glasförmigen Films erhalten wer-schiebungen in elektrischen Leitern führt zu verstärkter Elektro- 65 den kann, dessen Phase eine Tg von —630 °C zeigt. Die Zusam-migration und letztlich zum Bruch des Metalles. mensetzung des zuletzt genannten Beispiels kann innerhalb eines
Die obengenannten Probleme werden durch die Verkleine- grossen Bereichs variieren, nämlich von 0,2 < x > 0,8.
rung der Dimensionen von Mikrostrukturen noch verstärkt. Amorphe Metalle können durch rasches Abkühlen der ent-
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sprechenden flüssigen oder dampfförmigen Phase erhalten werden. Mit Metallen, die Glasbildungstendenzen zeigen, können amorphe Metallbeschichtungen mittels konventioneller Aufdampfmethode, unter genügend schnellem Abkühlen des entsprechenden Metalldampfes, erhalten werden.
Amorphe Metalle haben bei Raumtemperatur elektrische und thermische Leitfähigkeiten, welche nur wenig unterhalb denjenigen der entsprechenden kristallinen Übergangsmetalle liegen. Sie zeigen hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit also ähnliche Eigenschaften wie normale Metalle. Wenn diese Eigenheiten zusammen mit den Strukturvorteilen betrachtet werden, zeigen amorphe Metalle wesentliche Vorteile bei der praktischen Verwendung in mechanischen und/oder elektrischen Vorrichtun-gen für die Metallisierung von Produkten, die Dimensionen im Submikronbereich aufweisen müssen.
Nachdemnun die Erfindung anhand ihrer grundsätzlichen Eigenheiten beschrieben worden ist, werden im folgenden einzelne Ausführungen derselben erläutert, wobei diese keinesfalls Limitierungen des erfindungsgemässen Gedankens bedeuten.
Die Ablagerung von amorphem Metall zur Herstellung der Schicht S gemäss Fig. 1, der Oberflächenbeschichtung D in Fig. 2 oder der Dünnschicht D in Fig. 3 werden verschiedene Methoden angewandt. Diese sind zum Beispiel in der US-Anmeldung Serial No. 81859 vom 4. Oktober 1979, mit dem Titel «Hochzuverlässige Metallkontakte für Hochtemperatur-Halbleiter-Anwendungen» beschrieben.
In der Fig. 4 wird das Substrat 10, auf dem das amorphe Metall abgeschieden werden soll, von einer Anode 12 fixiert. Das ganze ist in einer dichten Vakuumkammer 14 montiert, welche mit inertem Gas, wie Beispiel Argon, auf einen Druck von 1 bis 50 Torr gebracht werden kann. Die Kathode 16 liegt ebenfalls innerhalb der dichten Kammer und ist parallel zur Anode montiert. _ _ _
Das Metall oder die Legierung, die in amorpher Form auf der Oberfläche des Substrates 10 abgeschieden werden soll, ist beispielsweise Pd=0,8 • Si=0i2 oder Co=0,8 ■ B=0,2. Dieses Material ist der Kathode gegenüber angeordnet. Einem Energieniveau von etwa 1 kW wird Argon ionisiert, wodurch eine Glühentladung zwischen der Kathode und der Anode ausgelöst wird. Die Argon-Ionen werden von der Kathode angezogen, wo sie Atome des Metalls oder der Legierung freimacht. Die freien Atome bewegen sichnun auf die Anode hin, wobei einige von ihnen auf der Oberfläche des Substrats 10 auftreffen und dort die Beschichtung bilden.
Wenn dabei die Temperatur der Anode zu hoch steigt, kann dies dadurch vermieden werden, dass ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser oder Glycol durch die Anode zirkuliert wird.
Dadurch wird erreicht, dass nur amorphes Metall auf der Oberfläche abgeschieden wird.
Wenn das Material nur in Form von Erhöhungen, Rippen usw. oder andern konvexen Oberflächenreliefs abgeschieden werden soll (wie beispielsweise in Fig. 2 illustriert) kann die Oberfläche mit einer entsprechenden Maske bedeckt sein, welche die entsprechenden, gewünschten Öffnungen aufweist. Andererseits können übliche photolithographische Verfahren verwendet werden, um eine kontinuierliche Beschichtung, d. h. eine Beschichtung, die ursprünglich die gesamte Substratoberfläche bedeckt, zu strukturieren.
Im Falle einer Weiterbearbeitung einer ursprünglich kontinuierlichen Schicht abgelagerten, amorphen Metalls, wird diese anschliessend weiterbehandelt. Diese Weiterbehandlung geschieht mittels chemischer oder elektrochemischer Ätzung, mittels Plasma- oder Ionenstrahl-Behandlung oder mittels andern bekannten Erosionstechniken für Metalle. Dadurch können im Material Vertiefungen gebildet werden, Kanäle, Nuten oder andere konkave Oberflächenreliefs, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Die ursprünglich kohärente Oberflächenbeschichtung kann jedoch auch als Ganzes von der Unterlage abgelöst werden und die genannten Verfahren an diesem Material ausgeführt werden. Erhalten werden dann schliesslich Ausbildungsformen, welche durchscheinen, durchsichtig oder opak gegenüber Photonen oder Partikel mit entsprechenden Energien sind. Dies ist in Fig. 3 illustriert.
Das Abscheidungsverfahren für Metalle wird allgemein als DC-Getter Sputtering System bezeichnet. Daneben kann aber auch vom RF Sputtering für amorphe Metallabscheidungen angewendet werden, wobei Metalle aus zusammengesetzten Elektroden abgeschieden werden.
Im DC-System sind beide Elektroden, Kathode und Anode, und die zu beschichtende Oberfläche, in einer vakuumdichten Kammer eingeschlossen. Die Abscheidungen können in Argon oder in einer andern Inertgasatmosphäre ausgeführt werden und zwar in den oben angegebenen Druckbereichen. Das dazu erforderliche Energieniveau beträgt dabei weniger als 1 kW. Im RF-System werden höhere Abscheidungsraten erreicht und dies bei relativ niedrigeren Gasdrücken, wie beispielsweise weniger als 5 Torr . RF-Methoden führen zu einheitlicheren Abscheidungen, speziell wenn dabei Kathoden eingesetzt werden, die relativ grosse Dimensionen haben.
Andere Methoden für die Abscheidung von amorphen Metallen auf einer maskierten Oberfläche zur Herstellung von Oberflächen-Musterstrukturen gemäss Fig. 2 oder zur Herstellung von dünnenBeschichtungenzuranschliessendenBehandlungmit Produktionen gemäss Fig. 1 und 3, umfassen die Verdampfung von entsprechendem Material aus zusammengesetzten Anoden.
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Claims (9)
- 658 018; PATENTANSPRÜCHE1. Oberflächen-Musterstrukturen aus amorphen Metallen mit Strukturdimensionen im Submikronbereich, auf Unterlagen aufgebracht oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle eine glasähnliche Struktur aufweisen.
- 2. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe Metall Kristallini-tätsbereiche von 1 bis 2 nm aufweist.
- 3. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe Metall eine binäre Zusammensetzung der FormelTxNKx ist, mit x~0,8, T ein Übergangsmetall und N ein normales Metall oder ein Metalloid oder eine pseudobinäre Zusammensetzung der Formel(Tl)x(T2)„(o,8_x)N=o,2ist.
- 4. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur in Form von Vertiefungen, Kanälen, Nuten oder anderen konkaven Oberflächenreliefe in einer planen Oberfläche einer amorphen Metallschicht vorliegt.
- 5. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur in Form von Erhöhungen, Rippen, Inseln oder anderen konvexen Oberflächenreliefs aus amorphem Metall, aufgebracht auf der Oberfläche eines Substrats, vorliegt.
- 6. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Kombination von Vertiefungen und Erhöhungen, d. h. als Kombination von konkaven und konvexen Oberflächenreliefs vorliegt.
- 7. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen als Kombinationen von Vertiefungen und Erhöhungen in separaten Schichten vorliegen.
- 8. Oberflächen-MusterstrukturennachPatentanspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine nicht auf eine Unterlage aufgebrachte, selbsttragende, amorphe Schicht ist, deren Ausbildungen durchscheinend, durchsichtig oder opak für Photonen oder Teilchen mit entsprechenden Energien sind.
- 9. Oberflächen-Musterstrukturen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe Metall Kristallite in einem Höchstanteil von 25 Vol.-% aufweist.
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