DE10017614A1 - Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Reflexionsmaske - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Reflexionsmaske beschrieben, die zur Abbildung von lateralen Strukturen mittels Laserstrahlen mit einer Betriebswellenlänge dient. Bei der Herstellung der Maske wird eine aus einem für Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge transparenten Substrat und einem Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge reflektierenden Schichtsystem bestehende Anordnung einer die Maskenstruktur aufweisenden Laserstrahlung von der Substratseite her ausgesetzt. Zwischen dem Substrat und dem Schichtsystem wird vor der Bestrahlung mit der die Maskenstruktur aufweisenden Laserstrahlung eine diese Strahlung absorbierende Schicht angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß die zur Ablation der Bereiche der Absorberschicht und des Schichtsystems, in denen die Maske transparent sein soll, eingesetzte Laserstrahlung eine Wellenlänge haben kann, die unabhängig von der Betriebswellenlänge ist. So kann beispielsweise die zur Ablation verwendete Wellenlänge gleich der Betriebswellenlänge sein.

Description

Hochenergie-Lasermasken werden hauptsächlich für die Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern verwen­ det. Insbesondere die effiziente Anwendung von Exci­ merlasern, die energiereiche, ultraviolette Lichtim­ pulse emittieren, erfordert widerstandsfähige Masken. In der Regel wird die Laserstrahlung in bestimmten, begrenzten Beleuchtungsfeldern auf das zu bearbeiten­ de Material gelenkt, da nur im Bereich dieser Be­ leuchtungsfelder die Bearbeitung des Materials durch Wechselwirkung mit der Laserstrahlung stattfinden soll. Für diese Begrenzung des Laserstrahls auf be­ stimmte Beleuchtungsfelder werden Masken in den Strahlengang zwischen der Laserquelle und dem zu be­ arbeitenden Werkstück gebracht. Die Maske weist Öff­ nungen auf, die durch die einfallende Laserstrahlung ausgeleuchtet werden und die üblicherweise durch eine zwischen Maske und Werkstück angeordnete Optik auf das Werkstück abgebildet werden. Diese Abbildung ist normalerweise verkleinernd. Die durchgeführte Bear­ beitung kann ein Abtragungsvorgang (Ablation) sein oder andere Oberflächenmodifikationen (Phasenumwand­ lung, Glättung, chemische Reaktion, Farbumschlag usw.) bewirken.

Neben freistehenden Schablonen, welche meist aus Me­ tallblechen bestehen, werden als Masken strukturierte Metallfilme (z. B. Chrom oder Aluminium) auf Glassub­ straten (Quarzglas bei Anwendung von UV-Lasern) oder strukturierte hochreflektierende (HR) dielektrische Schichtsysteme auf Glassubstraten verwendet. Die Me­ tallfilm-Masken halten jedoch nur geringe Energie­ dichten aus und werden bei Bestrahlung mit ca. 100- 200 mJ/cm² (je nach Wellenlänge) zerstört und sind daher für viele Hochleistungsprozesse nicht geeignet. Die HR-Schichtsysteme bestehen jeweils aus alternie­ renden Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsin­ dex, deren Dicken so dimensioniert sind, daß eine In­ terferenz der Reflexe an den Grenzflächen zu einer hohen Gesamtreflexion führen. Diese Masken halten Energiedichten von über 1 J/cm² stand und sind daher gut für Hochleistungsanwendungen geeignet. Ihre Nach­ teile liegen in der aufwendigen und kostspieligen Herstellung. Nach dem Stand der Technik werden solche Masken mit komplizierten lithographischen Methoden unter Einsatz von (reaktiven) Ionenätzprozessen oder mit sogenannten Lift-off-Techniken hergestellt. Eini­ ge der verwendeten Schichtmaterialien sind mit diesen Prozessen nicht oder nur schwer ätzbar.

Für die einfachere Herstellung dielektrischer Masken wurde die Anwendung der Laserablation auch für die Strukturerzeugung der Maske vorgeschlagen (K. Rubahn, J. Ihlemann, F. Balzer, H.-G. Rubahn, UV- laserablation of ultrathin dielectric layers, Proc. SPIE, Vol. 3618, 357 (1999)). Das dielektrische Schichtsystem kann in definierten Bereichen durch Be­ strahlung von einem Laser durch das Substrat hindurch mit einem Laserimpuls komplett abgetragen werden (Rückseitenablation). Dazu ist jedoch eine Laserwel­ lenlänge erforderlich, bei der zumindest ein Schicht­ material eine starke Absorption aufweist, also in der Regel eine deutlich kürzere Wellenlänge als die Be­ triebswellenlänge, bei der die Maske später einge­ setzt wird. Eine effektive und widerstandsfähige die­ lektrische Maske erfordert nämlich eine möglichst ge­ ringe Absorption der Schichtmaterialien bei der Be­ triebswellenlänge. So läßt sich z. B. eine Maske für den Betrieb bei 248 nm, die aus Schichtpaaren aus Hafniumdioxid/Siliziumdioxid besteht, mit einem 193 nm-Laser herstellen, da Hafniumdioxid bei 248 nm kaum, bei 193 nm jedoch stark absorbiert. Dielektri­ sche Masken für einen Betrieb bei 193 nm hingegen sind nach diesem Prinzip nicht herstellbar, da kürze­ re Wellenlängen als 193 nm für die praktische Anwen­ dung kaum zur Verfügung stehen.

Die Verwendung von 193 nm als Betriebswellenlänge ist jedoch für die präzise Bearbeitung vieler Materiali­ en, die längerwellige Strahlung nur unzureichend ab­ sorbieren (z. B. Quarzglas), erforderlich. Hier werden meist hohe Energiedichten benötigt, so daß die Ver­ fügbarkeit dielektrischer Masken mit einer Betriebs­ wellenlänge von 193 nm von großer Bedeutung ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Reflexionsmaske für die Abbildung von lateralen Strukturen mittels Laserstrahlen mit einer Betriebswellenlänge, bei welchem eine aus einem für Laser­ strahlen mit der Betriebswellenlänge transparenten Substrat und einem Laserstrahlen mit der Betriebswel­ lenlänge reflektierenden Schichtsystem bestehende An­ ordnung einer die Maskenstruktur aufweisenden Laser­ strahlung von der Substratseite her ausgesetzt wird, anzugeben, bei dem für die Strukturbildung Laser­ strahlen eingesetzt werden können, deren Wellenlänge mit verfügbaren Lasereinrichtungen erhalten werden kann, beispielsweise Laserstrahlen mit der Betriebs­ wellenlänge oder sogar noch größeren Wellenlängen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Wei­ terbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß zwischen dem Substrat und dem Schichtsy­ stem vor der Bestrahlung mit der die Maskenstruktur aufweisenden Laserstrahlung eine diese Strahlung ab­ sorbierende Schicht (Absorberschicht) angeordnet wird, kann eine strukturmäßige Ablation des Schicht­ systems mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge, bei der die Schichten des Schichtsystems nur schwach oder nicht absorbierende sind, durchgeführt werden. Die beispielsweise durch Aufdampfen auf das Substrat vor dem Aufbringen des Schichtsystems hergestellte Absorberschicht beeinträchtigt die Funktion der Re­ flexionsmaske nicht, da bei einer Vorderseitenbe­ strahlung (Strahlung fällt auf das Schichtsystem) die Strahlung reflektiert wird und nicht bis zur Absor­ berschicht gelangt. Die Absorberschicht ist somit nur bei der Herstellung der Maske wirksam, bei der eine Rückseitenbestrahlung (Strahlung trifft auf das Sub­ strat) stattfindet. Die Absorberschicht wird so ge­ wählt, daß sie bei der Wellenlänge der die Maskenstruktur aufweisenden Laserstrahlung (Ablationslaser­ strahlung) stark absorbiert und somit ablatierbar ist. Bei der Herstellung der Maske wird somit durch Rückseitenablation in den bestrahlten Bereichen die komplette Beschichtung aus Absorberschicht und mas­ kenbildendem HR-Schichtsystem abgetragen. Der Her­ stellungsprozess ist damit unabhängig von den Mate­ rialien des HR-Schichtsystems und der Betriebswellen­ länge. So können beispielsweise problemlos Masken mit einer Ablationslaserstrahlung von 193 nm hergestellt werden, die für eine Betriebswellenlänge von 193 nm vorgesehen sind. Bei Bestrahlung der Maske von der Vorderseite (regulärer Einsatz als Maske) wird die Strahlung direkt vom HR-Schichtsystem reflektiert und erreicht die Absorberschicht nicht, so daß eine hohe Zerstörschwelle gewährleistet ist.

Die Ablation kann auch bei anderen Wellenlängen (z. B. 248 nm) des UV-Bereichs durchgeführt werden.

Als Absorberschicht für 193 nm eignen sich z. B. Haf­ niumdioxid (HfO₂) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅). Hierbei ist erforderlich, daß die Absorberschicht in den Durchlaßbereichen der Maske möglichst vollständig entfernt wird, da geringfügige Reste der Absorber­ schicht, die auf dem Substrat verbleiben, eine gegen­ über einem unbeschichteten Substrat geringere Trans­ mission bei einer Betriebswellenlänge 193 nm bewir­ ken. Durch die Verwendung von SiO_x(x ≠ 2) als Absorber­ schicht kann hier jedoch eine weitere Verbesserung der Maskentransmission in den ablatierten Bereichen erreicht werden. SiO_x mit x ≠ 2 absorbiert stark bei 193 nm, während SiO₂ bei dieser Wellenlänge hoch­ transparent ist. Reste des verbleibenden SiO_x können durch weitere UV-Bestrahlung an Luft zu SiO₂ oxidiert werden, so daß sie für eine Strahlung bei 193 nm durchlässig werden. Diese Bestrahlung kann in Form eines zusätzlichen Laserimpulses direkt in den Her­ stellungsprozess integriert werden.

Mit der Erfindung können somit dielektrische Masken wesentlich einfacher und kostengünstiger als mit Ätz­ techniken hergestellt werden. Weiterhin können gegen­ über den Verfahren mit Laserablation dielektrische Masken gemäß dem Verfahren nach der Erfindung unab­ hängig von den Materialien des Schichtsystems und von der Betriebswellenlänge hergestellt werden. Dies er­ möglicht, daß die Maske mit derselben Wellenlänge hergestellt wird, für die sie später im Betrieb ver­ wendet wird. Die Maske kann somit mit der Laseranlage hergestellt werden, in der sie dann eingesetzt wird. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher be­ schrieben. Die Figur zeigt in schematischer Darstel­ lung die Herstellung einer dielektrischen Reflexions­ maske durch Rückseitenablation.

Auf einem Quarz-Substrat 1 befindet sich eine durch­ gehende Absorberschicht 2 und auf dieser ein durchge­ hendes Schichtsystem 3, das aus alternierenden Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex be­ steht. Diese Anordnung wird von der Seite des Sub­ strats 1 (Rückseite) aus an den Stellen, welche die durchlässigen Bereiche der Maske bilden sollen, einer Laserstrahlung 4 mit bestimmter Wellenlänge (Abla­ tions-Wellenlänge) ausgesetzt. Das Substrat 1 und das Schichtsystem 3 absorbieren die Laserstrahlung 4 mit der Ablations-Wellenlänge nicht. Hingegen absorbiert die Absorberschicht diese Strahlung sehr stark. Dies bewirkt, daß die Absorberschicht an den Stellen der auftreffenden Laserstrahlung 4 zusammen mit den dar­ überliegenden Bereichen 3' des Schichtsystems 3 ablatiert wird. Die Anordnung erhält damit die gewünschte Maskenstruktur. Da das Substrat 1 und das Schichtsy­ stem 3 die Laserstrahlung mit der Ablations- Wellenlänge nicht absorbieren, kann die Ablations- Wellenlänge gleich der Wellenlänge der Laserstrahlung gewählt werden, für die die Reflexionsmaske im Be­ trieb verwendet wird. Die Reflexionsmaske wird dieser Strahlung auf der Seite des Schichtsystems (Vorder­ seite) ganzflächig ausgesetzt.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde ein dielektrischer Spiegel mit folgendem Aufbau gewählt: ein Substrat 1 aus Quarzglas, eine Absorberschicht 2 aus ca. 30 nm SiO_x und darauf ein HR-Schichtsystem für eine Betriebswellenlänge von 193 nm bestehend aus 42 Schichtpaaren Al₂O₃/SiO₂. Dieser Spiegel ließ sich zur Herstellung einer Maske sehr gut strukturieren. Nach einem Impuls der Energiedichte von 850 mJ/cm² bei 193 nm in Rückseitenablation wurde eine Transmis­ sion in den ablatierten Bereichen von 81% gemessen, nach 2 Impulsen eine Transmission von 85%. Durch eine weitere Bestrahlung mit einem Laserimpuls von 193 nm konnte die Transmission auf 89% gesteigert werden (die maximal mögliche Transmission eines unbeschich­ teten Quarzglassubstrats liegt bei 91,5%). Die Zer­ störschwelle der hergestellten Maske (Bestrahlung von der Vorderseite) liegt im Bereich der Zerstörschwelle des Spiegels (< 1 J/cm²). Somit ist die hergestellte Maske sehr vielseitig anwendbar im Vergleich zu her­ kömmlichen Masken, die eine wesentlich niedrigere Zerstörschwelle haben (z. B. Chrom auf Quarzglas bei 193 nm: 80 mJ/cm² für sichtbare Schäden.

Weitere Materialien, die für Laserstrahlung im UV- Bereich durchlässig und damit als Substrat geeignet sind, sind Magnesiumfluorid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid oder Mischfluoride sowie weiterhin Saphir und kristalliner Quarz.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Reflexionsmaske für die Abbildung von lateralen Strukturen mittels Laserstrahlen mit einer Be­ triebswellenlänge, bei welchem eine aus einem für Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge transparenten Substrat und einem Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge reflektierenden Schichtsystem bestehende Anordnung einer die Maskenstruktur aufweisende Laserstrahlung von der Substratseite her ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und dem Schichtsystem vor der Bestrahlung mit der die Maskenstruktur aufweisenden Laserstrahlung eine diese Strahlung absorbierende Schicht (Absorberschicht) angeord­ net wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Absorberschicht vor dem Aufbringen des Schichtsystems auf das Substrat aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Maskenstruktur aufwei­ sende Laserstrahlung eine Wellenlänge hat, die der Betriebswellenlänge entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Betriebswellenlän­ ge im UV-Bereich liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Betriebswellenlänge 193 nm oder 248 nm beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus Quarzglas, Saphir, kristallinem Quarz, Magnesi­ umfluorid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid oder Mischfluoriden verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schichtsystem aus einer Vielzahl von Al₂O₃/SiO₂-Schichtpaaren oder von hoch- und niedrigbrechenden Fluoridschicht­ paaren oder Kombinationen von diesen besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht aus einem solchen Material besteht und eine sol­ che Dicke aufweist, daß sie durch die die Mas­ kenstruktur aufweisende Laserstrahlung ohne Schädigung des Substrats rückstandsfrei abla­ tiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht aus Hafniumdioxid (HfO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Cerdioxid (CeO₂) oder Ti­ tandioxid (TiO₂) besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht aus einem solchen Material besteht und eine sol­ che Dicke aufweist, daß sie durch die Masken­ struktur aufweisende Laserstrahlung ohne Schädi­ gung des Substrats nahezu vollständig entfernt wird, wobei ihre Rückstände nachfolgend in ein für die Laserstrahlen mit der Betriebswellenlän­ ge transparentes Material umgewandelt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die nachfolgende Umwandlung ein thermi­ scher oder photochemischer Oxidationsschritt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umwandlung durch Bestrahlung mit einer Laserstrahlung in einer oxidierenden Atmo­ sphäre erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Absorberschicht aus SiO_x mit x ≠ 2 besteht und das SiO_x in SiO₂ umgewandelt wird.

14. Reflexionsmaske für die Abbildung von lateralen Strukturen mittels Laserstrahlen mit einer Be­ triebswellenlänge, die ein für Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge transparentes Substrat und ein darauf angeordnetes strukturiertes La­ serstrahlen mit der Betriebswellenlänge reflek­ tierendes Schichtsystems aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und dem Schichtsystem eine strukturierte Laserstrahlen mit der Betriebswellenlänge absorbierende Schicht angeordnet ist.