DD256123A1 - Verfahren zur herstellung von metallschablonen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Metallschablonen. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung von Qualitaet und Gutausbeute mikrostrukturierter Metallschablonen bei moeglichst geringem fertigungstechnologischem Aufwand. Es soll ein aufwandgeringes Verfahren zur Herstellung von gleichmaessig aetzbaren Metallschablonen geschaffen werden. Die Loesung der Aufgabe gelingt bei einem Hochvakuum-Beschichtungsverfahren dadurch, dass dem Verdampfungsgut ein chemosorptiv reagierendes Zusatzmittel beigefuegt wird und dass zeitlich unmittelbar nacheinander zunaechst eine Schicht des Zusatzmaterials und anschliessend eine Funktionsschicht auf das Substrat aufgedampft wird. Das Zusatzmaterial bildet mit den an der Oberflaeche adsorbierten Kontaminationen farblose, z. T. fluechtige Reaktionsprodukte, die den Aetzprozess nicht mehr stoeren. Erfindungsgemaess hergestellte Metallschablonen sind Ausgangsmaterial fuer mikrolithografisch nach dem Metallschicht-Aetzverfahren zu fertigende Fotoschablonen, optische Massverkoerperungen, integrierte Schaltkreise usw.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Technologie dünner optischer und nichtoptischer Schichten allgemein.

Sie betrifft ein Verfahren zur verbesserten Hersteilung von Metallschablonen, bei dem im Hochvakuum auf transparente Substrate, wie Einkristalle, optische Polymere und Gläser, durch Aufdampfen eines Verdampfungsgutes, bestehend insbesondere aus Metallen wie Cr, Cu, Ni oder Ag, unter Aufbringen einer Zwischenschicht dünne metallische Funktionsschichten aufgebracht werden.

Erfindungsgemäß hergestellte Metallschablonen sind besonders für die mikrolithografische Weiterverarbeitung nach dem Metallschicht-Ätzverfahren zu hochpräzisen Fotoschablonen und optischen Maßverkörperungen wie auch mikroelektronischen Schaltkreisen geeignet und finden daher vorrangig in der geteilten Optik und Mikroelektronik Anwendung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Urbilder und Arbeitsschablonen für Mikroelektronik und geteilte Optik werden allgemein über fotolithografische Verfahren in Metallschichten, vorzugsweise Chromschichten, eingeschrieben, die sich auf hochebenen, z.T. polierten Glassubstraten befinden. Die Eigenschaften solcher metailbeschichteter Glassubstrate, die Ausgangspunkt dieser Techniken sind, hinsichtlich chemischer und physikalischer Beständigkeit, Präzision optischer und mechanischer Konstanten und Verarbeitbarkeit sind bestimmend für die Qualität und das'Auflösungsvermögen der im Endprodukt resultierenden Mikrostrukturen, z. B. für den Integrationsgrad bei mikroelektronischen Schaltkreisen oder für die Genauigkeiten von Rastermaßverkörperungen. International wird daher großer Wert auf die Fertigung sogenannter Chromtestplatten gelegt. Bei der Verarbeitung im Metallschicht-Ätzverfahren ist die Gleichmäßigkeit der Ätzung über die Fläche von besonderer Bedeutung, da verbleibende Rückstände in den Strukturen, sofern sie optisch absorbieren, im Falle subjektiver Betrachtung kritisch stören, im Falle einer Mikrostrukturübertragung z. B. auf Halbleitermaterialien oder Maßverkörperungen zu Geometrieabweichungen führen. Solche Ätzrückstände sind sowohl an mechanisch bearbeiteten ais auch unbearbeiteten Substratoberflächen zu beobachten. (Z.B. Floatglas, Polymeroberflächen, polierte Oberflächen). Sie sind weder durch Sputterverfahren noch durch UHV-Beschichtung zu vermeiden und mehr oder weniger immer vorhanden. Beim Versuch, diese Rückstände durch verlängerte Ätzzeiten abzutragen, besteht die Gefahr der Unterätzung mikrostrukturierter Nachbarbereiehe. Dieser Nachteil tritt sowohl bei Naßätzverfahren als auch bei Trockenätzverfahren auf. Die Abtragraten dieser Rückstände sind erheblich unterschiedlich und führen in einigen Fällen zu einer „Wolkigkeit" der strukturierten Flächen, die nicht toleriert werden kann.

Schon seit den 50er Jahren ist bekannt, daß der Haftmechanismus von Aufdampfschichten im Falle reaktiver Stoffe über Chemosorptionsprozesse erfolgt, meist unter Bildung oxidischer Reaktionsprodukte an der Substrat-interface z. B. Hill, M. R. und Weaver, C. 1958]. In den letzten Jahren konnte durch Auger-, EMMA-und SIMS-Untersuchungen das Auftreten dieser interface-Komponenten exakt nachgewiesen werden z.B. McGuire, Solid-State Science and Technology, Vo1126, [1979] 1079-1078). Bei Verwendung von Chrom auf Glas kommt es aufgrund der hohen Oxid-Bildungsenthalpien zur Ausbildung einer Oxid-Zwischenschicht, die aus einer Umsetzung von metallischem Chrom mit chemosorptiv gebundenem Wasser bzw. reaktiven OH-Gruppen der Oberfläche resultiert.

Die Oxide des Chroms besitzen aber gegenüber dem Metall unterschiedliche Redoxpotentiale und Bindungsenergien und bleiben infolge ihrer optischen Absorption als Rückstände beim Ätzprozeß sichtbar. In gleicher Weise verhalten sich andere Reaktionsprodukte.

Weiterhin ist bekannt, daß Adsorptionsschichten Substratoberflächen nicht einheitlich bedecken, obwohl sie z.T. mit beträchtlichen Bindungsenergien gebunden sind, sondern in sogenannten Clustern oder noch größeren Flächenbedeckungen aufziehen. Die mikroskopisch beobachtbare Anordnung der Ätzrückstände in bestimmten regelmäßigen oder unregelmäßigen Geometrien entspricht dieser Betrachtungsweise.

Um den beschriebenen technologischen Mangel bei der Fertigung von Metallschablonen zu begegnen ist es notwendig, die Substratoberfläche hinsichtlich ihrer chemischen Potentiale zu homogenisieren.

Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, Zwischenschichten durch weitere, bekannte Beschichtungstechnologien zwischen Substrat und Funktionsschicht aufzubringen. Sie können definiert hergestellt und nach definierter Funktionsfähigkeit ausgewählt werden.

So ist es seit langem bekannt, Haftschichten zur besseren Bindung schlecht haftender Schichten auf die entsprechenden Substrate aufzubringen; z. B. Haftschichten aus Cr, Al, SiO, AI₂O₃, AgJ, Bi₂O₃, NiO, Cu, Ni usw. für Gold, Silber, Kupfer, Aluminium usw. auf Glas, Keramik und Kunststoffen (z. B. Holland, L. „Vacuum Deposition of Thin Films", London 1956). Auch ist es bekannt, dünne Oxidschichten mit Schichtdicken > 20Ä zur elektrischen Isolation anzuwenden, z. B. sogenannte Passivschichten aus SiO₂, AI₂O₃ usw. für Kondensatorbelegungen. In der DE-OS 3029051 wird das Aufbringen einer monomolekularen Oxidhaut auf Chrom zur Senkung des elektrischen Rauschens gegenüber Fotoleitern beschrieben.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, AI₂0₃-Schichten zur Abgrenzung hoher Redoxpotentiale zum Korrosionsschutz anzuwenden. Hierbei wird gleichzeitig eine gleichmäßige Trägereigenschaft für fotoempfindliche Schichten erzielt und ungleichmäßiges Haften vermieden. Die verwendete AI₂O₃-Schicht wird durch Aufdampfen einer dünnen Al-Schicht unter Schutzgas und anschließender Oxidation hergestellt (WP C03 C/2543360). Das Herstellungsverfahren ist aber relativ aufwendig und führt durch den Oxidationsschritt, bei dem außerdem eine Rekontamination der Substratoberfläche möglich ist, nicht immer zu reproduzierbaren Ergebnissen. .

Keine dieser zahlreichen Lösungen berührt jedoch das vorliegende Problem der bisher nur zum Teil aufgeklärten Ätzinhomogenität im mikrolithografischen Fertigungsprozeß.

Die Applikation von Oxidschichten als Korrosionsschutz beinhaltet im Gegenteil Inhibierung des Ätzprozesses. Auch die seit langem bekannte Homogenisierung von Oberflächen durch Vorbekeimung mit Materialien niedriger Keimbildungsenergien beeinflußt zwar Haftung und Schichthomogenität, jedoch nicht den ungleichmäßigen Ätzabtrag im „Interface".

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit möglichst geringem fertigungstechnologischem Aufwand mikrostrukturierte Metallschablonen in höherer Qualität und höherer Gutausbeute zu erzeugen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aufwandgeringes Verfahren zur Herstellung von gleichmäßig ätzbaren Metallschablonen zu schaffen, die eine reproduzierbare Mikrostrukturierung im /zm-Bereich gestatten. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Metallschablonen, insbesondere für die mikrolithografische Weiterverarbeitung zu Fotoschablonen und optischen Maßverkörperungen, bei dem im Hochvakuum auf transparente Substrate, wie Einkristalle, optische Polymere und Gläser, durch Aufdampfen eines Verdampfungsgutes unter Aufbringung einer Zwischenschicht dünne metallische Funktionsschichten hinreichender Absorption undÄtzbarkeit, bestehend insbesondere aus Metalle^wie Cr, Cu, Ni oder Ag, aufgebracht werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Verdampfungsgut geringe Mengen einer chemosorptiv reagierenden Substanz als Zusatzmaterial beigefügt werden, insbesondere eines Elementes der zweiten bis vierten Gruppe des Periodensystems, welches im Vergleich zu dem Metall für die Funktionsschicht eine höhere Bildungsenthalpie gegenüber 0, C und S besitzt, farblose und/oder wasserlösliche oder -zersetzliche Reaktionsprodukte mit diesen Elemeten bildet sowie einen niedrigeren Verdampfungspunkt aufweist, z. B. Mg, Be, Al, Th, Ce oder La, und daß von dem Verdampfungsgut zunächst eine Schicht des Zusatzmaterials in oligomolekularer Dicke vorzugsweise mit zeitlich kontinuierlichem Übergang zum nachfolgenden Aufbringen der Funktionsschicht auf das Substrat aufgedampft wird.

Es ist vorteilhaft, wenn das Verdampfungsgut mit dem Zusatzmaterial thermisch auf das Substrat aufgedampft wird. Das Erhitzen des Verdampfungsgutes kann dabei durch Widerstandsheizung, z.B. von Wolframschiffchen, oder durch Elektronenbeschuß bewerkstelligt werden.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn beim Aufdampfen einer Chromschicht als Funktionsschicht dem Verdampfungsgut Aluminium als Zusatzmaterial beigegeben wird.

Bei der Suche nach den Ursachen für die bei Metailschablonen im mikrolithografischen Fertigungsprozeß auftretenden Ätzinhomogenitäten wurde überraschend entdeckt, daß hierfür neben den bereits erwähnten Oxiden weitere, ebenfalls während der Aufdampfung unmittelbar an der Substratoberfläche entstehende Reaktionsprodukte verantwortlich sind. So können insbesondere auch Reaktionen des Metalls mit adsorbierten Verunreinigungen stattfinden und zur Bildung farbiger Reaktionsprodukte führen, welche aufgrund ihres höheren Redoxpotentiales und ihrer hohen Bindungsenergien nach dem . Ätzen der Funktionsschicht infolge ihrer optischen Absorption sichtbar zurückbleiben. Gleiche Mechanismen müssen auch bei der Bedampfung von optischen Polymeren, z. B. PMMA-Plasten, angenommen werden.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wurde gefunden, daß das Problem der Ätzinhomogenität beseitigt werden kann, indem bei der Herstellung von Metallschablonen im gleichen Aufdampfprozeß zunächst ein geeignetes reaktives Zusatzmaterial verdampft wird, dessen Atome sich an der Substratoberfläche anreichern und mit den dort vorhandenen Kontaminationen chemisch unter Bildung farbloser, z.T. flüchtiger Reaktionsprodukte reagieren, bevor die Belegung mit der Funktionsschicht erfolgt. Als Zusatzmaterial eignen sich solche Elemente der 2. bis 3. Gruppe des periodischen Systems mit einer höheren Bildungsenthalpie gegenüber Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel als das Funktionsschichtmateriai, die außerdem farblose und/oder wasserlösliche oder wasserzersetzliche Reaktionsprodukte mit 0, C und S bilden, insbesondere Mg, Be, Al, La, Ce und Th.

Notwendigerweise ist die Verdampfungstemperatur des Zusatzmaterials so auf die des Verdampfungsgutes abgestimmt, daß ersteres primär fraktioniert verdampft. Auf diese Weise gelingt es, bereits mit geringen Mengen an Zusatzmaterial wirksame oligomolekulare Anreicherungen in der interface-Zone zu erzielen.

Die gebildeten Reaktionsprodukte sind — soweit nicht flüchtig — chemosorptiv an die Substratoberfläche gebunden und beeinträchtigen nicht Haftvermögen und Ätzbeständigkeit der darauf sekundär abgeschiedenen Funktionsschicht. Das Auftreten derartiger Reaktionsprodukte ist in der Gasphase massenspektrometrisch, im Substratsystem durch Auger-Analyse nachweisbar.

Im Überschuß vorhandenes Zusatzmaterial bewirkt gleichzeitig eine Getterung des Restvakuums in der ersten kritischen Phase des Bedampfungsprozesses.

Die Menge an Zusatzmaterial ist dabei so zu bemessen, daß eine möglichst vollständige Bindung der Sorptionsschichten erreicht wird, um die sekundäre Funktionsschicht nicht unnötig mit dem Zusatzmaterial zu belasten.

Es hat sich gezeigt, daß bereits 10Ä dicke reaktive Schichten zur Homogenisierung der Substratoberfläche ausreichen können. Dies ist jedoch abhängig von der Dicke der jeweiligen Kontaminationsschicht. Durch Absättigung der Oberflächenpotentiale in dieser Weise können auch Einflüsse der Substratmatrixeleminiert werden.

Im Gegensatz zu bekannten Grundlösungen, z. B. dem Aufbringen von isolierenden Zwischenschichten, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur weniger aufwendig in der Realisierung, sondern auch sicherer in der Applikation. So ist hier eine Readsorption von Athmosphärilien an der Substratoberfläche wegen der aufeinander abgestimmten Verdampfungstemperaturen von Zusatzmaterial und Funktionsschichtmetall und der unmittelbaren zeitlichen Aufeinanderfolge der Verdampfung der Verdampfung von Zusatzmaterial und Funktionsschichtmaterial in einem Aufdampfprozeß ausgeschlossen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallschablonen sind als Ausgangsmaterial für mikrolithografische, nach dem Metallschicht-Ätzverfahren zu fertigende Fotoschablonen, optische Maßverkörperungen, integrierte Schaltkreise usw. einsetzbar.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

Zur Herstellung einer Chromtestplatte, die zur fotolithografischen Weiterverarbeitung.durch Resistbeschichtung und Mikrostrukturierung nach dem sogenannten Chromätzverfahren vorgesehen ist, wird ein optisch poliertes oder feuerpoliertes Glassubstrat wie üblich mittels Detergentien und anschließender Glimmentladung gereinigt.

Auf der so gereinigten Glasoberfläche werden durch thermisches Aufdampfen im Hochvakuum bei ca. 10~⁶Torr = 1,3 χ 10"⁴Pa zeitlich unmittelbar nacheinander eine Al-Schicht und eine Cr-Schicht übereinander aufgebracht.

Dazu wurde zuvor ein Wolfram-Schiffchen mit einem Gemisch von 80 mg metallischem Chrom als Material für die Funktionsschicht und 1 bis 5mg metallischem Aluminium als Zusatzmaterial gefüllt. Das Verdampfungsgut wird in der evakuierten Anlage ohne weitere Vorkehrungen z. B. Widerstandsheizung wie üblich erhitzt.

Das primär fraktioniert verdampfende Zusatzmaterial Al wurde in sein Vlenge so abgestimmt, daß es sich in oligomolekularer Menge und Schichtdicke auf der Substratoberfläche niederschlägt und eine vollständige Chemosorptionsreaktion mit den dort sorbierten Kontaminationen zu farblosen, d. h. optisch nicht absorbierenden und/öder gasförmigen Reaktionsprodukten stattfindet, was in der.Regel bei einer rechnerisch gemittelten Schichtdicke von 10 bis50Ä realisiert wird.

Bei kontinuierlichem Heizen geht der Aufdampfprozeß so vor sich, daß nach dem Verdampfen des Aluminiums ohne großen zeitlichen Zwischenraum kontinuierlich die Chromverdampfung erfolgt. Durch den kontinuierlichen Übergang wird eine sonst zwischenzeitlich mögliche Rekontamination an der Substrat- bzw. Schichtoberfläche verhindert.

In gleicher Weise ist mit anderen geeigneten Zusatzmaterialien, wie Mg, Be, Th, Ce oder La in Kombination mit weiteren Funktionsschichtmetallen zu verfahren. Nach gleicher Technologie können auch andere transparente Substrate, z. B.

Polymethylmethacrylat oder Einkristalle mit einer Al-Schicht als Zwischenschicht und einer Chromschicht als Funktionsschicht versehen werden.

Die erfindungsgemäß hergestellte Chromtestplatte weist sowohl beim naßchemischen Ätzen, z. B. durch eine Ce(IV)-salzlösung

oder beim lonenstrahlätzen ein homogenes Ätzverhalten auf.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallschablonen, insbesondere für die mikrolithografische Weiterverarbeitung zu Fotoschablonen und optischen Maßverkörperungen, bei dem im Hochvakuum auf transparente Substrate, wie Einkristalle, optische Polymere und Gläser, durch Aufdampfen eines Verdampfungsgutes unter Aufbringung einer Zwischenschicht dünne metallische Funktionsschicht hinreichender Absorption und Ätzbarkeit, bestehend insbesondere aus Metallen wie Cr, Cu, Ni oder Ag, aufgebracht werden, gekennzeichnet dadurch, daß dem Verdampfungsgut geringe Mengen einer chemosorptiv reagierenden Substanz als Zusatzmaterial beigefügt werden, insbesondere eines Elementes der zweiten bis vierten Gruppe des Periodensystems, welches im Vergleich zu dem Metall für die Funktionsschicht eine höhere Bildungsenthalpie gegenüber O, C und S besitzt, farblose und/oder wasserlösliche oder zersetzliche Reaktionsprodukte mit diesen Elementen bildet sowie einen niedrigeren Verdampfungspunkt aufweist, ζ. B. Mg, Be, Al, Th, Ce oder La, und daß von dem Verdampfungsgut zunächst eine Schicht des Zusatzmaterials in oligomolekularer Dicke vorzugsweise mit zeitlich kontinuierlichem Übergang zum nachfolgenden Aufbringen der Funktionsschicht auf das Substrat aufgedampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdampfungsgut mit dem Zusatzmaterial thermisch auf das Substrat aufgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Aufdampfen einer Chromschicht als Funktionsschicht dem Verdampfungsgut Aluminium als Zusatzmaterial beigegeben wird.