DE10019822A1 - Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten - Google Patents

Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Methode zur Strukturierung dünner Schichten, die nasschemisch mit dem Sol-Gel Verfahren hergestellt werden. Dünne Schichten konnten mit der Sol-Gel Technik bisher nur ganzflächig abgeschieden werden. Ein Strukturierungsverfahren, das problemlos in den Verfahrensablauf der Mikrosystematik integriert werden kann, existiert bisher nicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Lift-off-Prozess durchgeführt wird, bei dem eine ablösbare strukturierte Zwischenschicht zwischen Substrat und dünner, mit dem Sol-Gel Verfahren abgeschiedener, Schicht verwendet wird. Dazu wird eine Maske auf das Substrat aufgebracht, die an den zu beschichtenden Stellen Aussparungen enthält. Dann wird ein dünner organischer Solfilm ganzflächig abgeschieden und anschließend gehärtet. Nach Entfernen der Maske bleibt auf den vorher nicht bedeckten Stellen des Substrats der gehärtete Solfilm unbeschädigt zurück, der mit üblichen Verfahren der Sol-Gel Technik in den gewünschten Festkörperzustand überführt werden kann. Die Erfindung erlaubt die direkte Einbindung der Sol-Gel Technik in Verfahrensabläufe der Mikrosystemtechnik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Methode zur Strukturierung dünner Schichten, die nassche­ misch hergestellt werden, mittels eines Lift-off-Prozesses unter Verwendung einer ablös­ baren strukturierten Zwischenschicht zwischen Substrat und dünner Schicht.
Die nasschemische Abscheidung dünner Schichten stellt eine interessante Alternative zu konventionellen Verfahren, wie PVD oder CVD dar. Insbesondere das Sol-Gel Verfahren erlaubt die Herstellung dünner oxidischer Schichten ohne großen apparativen Aufwand und enthält ein enormes Potential zur Kostenreduzierung bei der Herstellung großer Stückzahlen. Anwendungsgebiete, in die dieses Verfahren zur Zeit Einzug hält, sind zum Beispiel Korrosionsschutzschichten, optische Beschichtungen für Mikrolinsen oder für Kristalldisplays, photokatalytisch aktive Schichten, Solarzellen sowie gassensitive Halblei­ terschichten.
Mittels Sol-Gel-Technik können Oberflächen ganzflächig beschichtet werden. Dazu wird ein Sol, z. B. auf der Basis von Chloriden oder Alkoholaten verwendet. Üblicherweise wird mittels Tauchbeschichtung oder Spin-Coating beschichtet. Beim Tauchbeschichtungsver­ fahren wird ein homogener Solfilm konstanter Dicke durch Eintauchen des zu beschich­ tenden Werkstücks in das Sol und anschließendes Herausziehen mit konstanter Ge­ schwindigkeit aufgebracht. Beim Spin-Coating, das nur bei ebenen Werkstücken, z. B. Wafern anwendbar ist, wird eine bestimmte Menge Sol durch schnelles Rotieren des Werkstücks um eine Achse gleichmäßig auf dessen Oberfläche verteilt. Das Sol kann aber z. B. auch aufgepinselt, aufgesprüht oder elektrophoretisch aufgebracht werden. Während und nach dem Beschichtungsvorgang beginnen die Bestandteile des Sols zum Gelfilm zu vernetzen, in dem zunächst noch organische Bestandteile enthalten sind. Dem Verfahren kann sich eine Wärmebehandlung anschließen, die zur Entfernung des Lö­ sungsmittels sowie zur teilweisen oder vollständigen Entfernung organischer Bestandteile aus dem Gelfilm und zur Überführung des amorphen in einen kristallinen Zustand dient.
Der Vorteil des Sol-Gel Verfahrens liegt zum einen darin, dass im Vergleich zu herkömm­ lichen Beschichtungsmethoden, wie z. B. HF-Sputtern oder CVD, nur ein geringer appara­ tiver Aufwand benötigt wird. Andererseits können gezielt Werkstoffzustände von amorph bis kristallin und von porös bis gasdicht eingestellt werden. Ein Nachteil ist, dass es bisher kaum Möglichkeiten gibt, Sol-Gel Beschichtungen so zu strukturieren, dass bestimmte Bereiche des Substrats später von der Schicht bedeckt sind, andere dagegen unbe­ schichtet bleiben. Ein Beispiel, für das die Beherrschung einer solchen Technik jedoch unabdingbar ist, ist die Herstellung von Funktionsschichten mittels Silizium-Technologie.
Zur Herstellung von Halbleitergassensoren muss beispielsweise auf die Sensorbereiche des mikrostrukturierten Wafers ein gassensitiver Oxidfilm als abschließende Schicht auf­ gebracht werden. Angrenzende Bondbereiche dürfen nicht von der Schicht bedeckt sein, da ansonsten einerseits anschließend keine elektrische Kontaktierung der Sensoren mehr durchgeführt werden kann und es andererseits zu Kurzschlüssen kommt, wenn die Leitfä­ higkeit der gassensitiven Schicht funktionsgemäß sinkt.
Ein bisheriger Ansatz zur Lösung dieses Problems befasst sich in Anlehnung an die Foto­ resist-Technik mit der partiellen Schichtaushärtung durch UV-Licht (P. Äyräs, J. T. Ranta­ la, R. Levy, M. R. Descour, S. Honkanen, N. Peyghambrian; Thin Solid Films 352, 1999, Seite 9-12). Der Solfilm wird bei dieser Methode ganzflächig mit einem der oben genann­ ten Beschichtungsverfahren auf das Werkstück oder die Probe aufgetragen. Danach wird der Film mit einer Maske partiell abgedeckt und die unbedeckten Stellen durch Bestrah­ lung mit UV-Licht ausgehärtet, d. h. strukturell so weit modifiziert, dass die Schicht nicht mit Lösungsmitteln entfernt werden kann. Nach Beseitigung der Maske kann der unaus­ gehärtete Gelfilm durch ein geeignetes Lösungsmittel abgewaschen werden. Allerdings funktioniert dieses Verfahren nur, wenn dem Sol geeignete Zusätze, sogenannte Fotoin­ dikatoren, beigemischt werden, die eine effektive Energieaufnahme aus der UV-Strahlung und damit die nötige Filmaushärtung erst ermöglichen. Der Fotoindikator muss durch eine Nachbehandlung entfernt werden, da ansonsten die Eigenschaften der Sol-Gel Schicht verändert werden können. In einem zweiten Forschungsansatz wird der Solfilm mit einer feinen Düse auf die zu Beschichtenden Stellen aufgetragen, ähnlich wie bei der Tinten­ strahltechnik (R. Danzebrink, M. A. Aegerter; Thin Solid Films 351, 1999, Seite 115-118). Damit der frische Solfilm nicht verläuft, muss sofort eine gewisse Aushärtung durch Er­ wärmen oder UV-Bestrahlung gewährleistet sein.
Der Erfindung liegt die Strukturierung von dünnen Schichten durch Verknüpfung der Sol- Gel Technik und einer an Methoden der Mikrosystemtechnik anlehnenden Lift-off Technik zu Grunde. Ferner soll das Verfahren in Prozesse der Mikrosystemtechnik eingebunden werden können, um die verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Vorteile der Sol-Gel Technik gegenüber konventionellen Schichtabscheidungsverfahren nutzen zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 33 gelöst.
Die Erfindung beruht darauf, dass das zu beschichtende Substrat zunächst mit einer Maske bedeckt wird, die an den zu beschichtenden Stellen Aussparungen enthält. Die eigentliche Funktionsschicht wird ganzflächig mit dem Sol-Gel Verfahren aufgebracht und die Strukturierung erfolgt mit einem aus der Mikrosystemtechnik bekannten lösungsmittel­ basierten Lift-off Prozess.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Sol-Gel Technik direkt in den Verfahrensab­ lauf der Mikrosystemtechnik eingebunden werden kann, da die Schichtstrukturierung mit dort üblichen Mitteln erfolgt. Diese Vorgehensweise eröffnet die Möglichkeit, strukturierte Schichten mit dem Sol-Gel Verfahren herzustellen, was vorher nicht möglich war. Die verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Vorteile der Sol-Gel Technik gegenüber kon­ ventionellen Schichtabscheidungsverfahren können nun auch für strukturierte Schichten genutzt werden. Ein wesentlicher Vorteil ist auch, dass das Verfahren die Strukturierung von technisch interessanten Verbindungen, insbesondere chemisch inerten und mecha­ nisch stabilen Oxiden, ermöglicht, die mit konventionellen Verfahren nicht oder nur schwer realisierbar ist.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1: Im ersten Verfahrensschritt wird auf das Substrat 1 eine Maske 2 aufgebracht, die an den zu beschichtenden Stellen Aussparungen enthält. Die Maskenschicht 2 ist eine dünne Schicht aus einem Material, das später durch ein flüssiges Lösungsmittel wieder abgelöst werden kann. Beispielsweise kann die Maske 2 aus einem Lack bestehen, der fotolithografisch strukturiert wurde. Das Substrat 1 selbst kann bereits mit Methoden der Mikrosystemtechnik strukturiert sein und z. B. Metallisierungen, isolierende Bereiche oder andere Funktionsschichten enthalten.
Fig. 2: Im zweiten Verfahrensschritt wird ein metallorganischer Solfilm 3 ganzflächig auf die Oberfläche aufgetragen, so dass sowohl Maske 2 als auch Substrat 1 an den ausge­ sparten Stellen vom Solfilm 3 bedeckt sind. Zum Auftragen des Solfilms 3 kann eine der üblichen Beschichtungsmethoden, wie Tauchbeschichtung, Spin-Coating, Aufpinseln, Aufsprühen, verwendet werden.
Im dritten Schritt wird der Solfilm 3 ausgehärtet, und zwar so, dass mindestens eine Um­ wandlung zum Gel erfolgt. Die Aushärtung kann aber auch so durchgeführt werden, dass jedes beliebige Stadium vom Gel bis zur kristallinen Schicht herbeigeführt wird. Zur prak­ tischen Durchführung der Aushärtung ist es denkbar, dass die Beschichtung bei Raum­ temperatur getrocknet wird oder zur Beschleunigung der Trocknung bzw. weiteren chemi­ schen Veränderung der Schicht zusätzliche Energie, etwa in Form von thermischer Ener­ gie, UV-Strahlung oder Mikrowellen eingebracht wird.
Fig. 3: Verfahrensschritt vier besteht aus der Entfernung der Maskenschicht 2 vom Sub­ strat 1 durch die bekannte Lift-off Technik, wodurch die auf der Maske 2 befindliche Gel­ schicht 4 mitentfernt wird. Die in den von der Maske 2 ausgesparten Bereichen direkt auf dem Substrat haftende gehärtete Schicht 3 verbleibt auf dem Substrat 1 und wird durch das Lift-off-Verfahren nicht beeinflusst.
In einem abschließenden fünften Verfahrensschritt wird der gehärtete Solfilm durch eine in der Sol-Gel Technik übliche Wärmebehandlung in den gewünschten Festkörperzustand überführt. Hierbei kann es sich um einen amorphen Zustand mit Resten organischer Be­ standteile handeln. Die Wärmebehandlung kann aber auch so durchgeführt werden, dass ein amorphes oder kristallines Metalloxid entsteht.

Claims (33)

1. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten, bei dem die Schichtabscheidung mit dem Sol-Gel Verfahren durchgeführt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
  • a) Aufbringen einer Maske (2) auf ein Substrat (1), die an den zu beschichtenden Stel­ len Aussparungen enthält.
  • b) Ganzflächiges Aufbringen eines dünnen Films (3) als Sol auf das mit der Maske (2) bedeckte Substrat (1).
  • c) Aushärten des Solfilms (3).
  • d) Entfernen des gehärteten Solfilms (3) nur auf der Maskenoberfläche (4) durch Ent­ fernen der Maske (2).
  • e) Überführen des gehärteten Solfilms (3) in den gewünschten Festkörperzustand durch Zuführen von Energie.
2. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Maskenschicht (2) in a) fotolithografisch aufgebracht wird.
3. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallorganisches Sol verwendet wird.
4. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol Metallalkoholate enthält.
5. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol Metallsalze enthält.
6. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sol eine oder mehrere organische oder anorgani­ sche Verbindungen zur Stabilisierung zugesetzt werden.
7. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Verfahrensschritt b) mit einem Tauchverfah­ ren aufgebracht wird.
8. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Verfahrensschritt b) mit einem Spin-Coating Verfahren aufgebracht wird.
9. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Verfahrensschritt b) aufgesprüht wird.
10. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach den einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Verfahrensschritt b) aufgepinselt wird.
11. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Verfahrensschritt b) elektrophoretisch auf­ gebracht wird.
12. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) beim Aushärten in Schritt c) in einen Gelfilm umwandelt.
13. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in Schritt c) durch Zufuhr von thermi­ scher Energie ausgehärtet wird.
14. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in Schritt c) durch Zufuhr von UV- Strahlung ausgehärtet wird.
15. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (2) in Schritt d) mit einem flüssigen Lö­ sungsmittel gelöst wird.
16. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel zur Entfernung der Maske (2) in Schritt d) Aceton enthält.
17. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel zur Entfernung der Maske (2) in Schritt d) Wasser enthält.
18. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (2) in Schritt d) durch zusätzliche Anwen­ dung von Ultraschall entfernt wird.
19. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gehärtete Solfilm (3) nach Entfernen der Maske (2) in Schritt e) durch Zufuhr von thermischer Energie in den gewünschten Festkörperzu­ stand überführt wird.
20. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gehärtete Solfilm (3) nach Entfernen der Maske (2) in Schritt e) durch Anregung mit UV-Strahlung in den gewünschten Festkörperzustand überführt wird.
21. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) bereits mikrostrukturierte Funktions­ schichten enthält.
22. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in einen Oxidfilm überführt wird.
23. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in TiO2 überführt wird.
24. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in SiO2 überführt wird.
25. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in Al2O3 überführt wird.
26. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in ZrO2 überführt wird.
27. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in Ga2O3 überführt wird.
28. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in SrTiO3 überführt wird.
29. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in PbZrO3 überführt wird.
30. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) in einen Oxidfilm überführt wird, der min­ destens eines der Elemente Al, Ga, Pb, Si, Sr, Ti, Zr oder O enthält.
31. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solfilm (3) nach der Abschließenden Behandlung in Schritt e) noch organische Bestandteile enthält.
32. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine strukturierte Schicht mit dem Sol-Gel Verfahren nach den Verfahrensschritten a) bis e) abgeschieden wird.
33. Bauteil mit einer mikrostrukturierten dünnen Schicht, die mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt wurde.
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