DE10039645A1

DE10039645A1 - Mask for ion beams used during structuring substrates consists of a silicon wafer with a perforated pattern and a metal coating on the side facing the ion beams for stopping ion beams and deflecting heat

Info

Publication number: DE10039645A1
Application number: DE10039645A
Authority: DE
Inventors: Michael Burchard; Jan Meijer; Andreas Stephan; Ulf Weidenmueller; Alexander Zaitsev; Ivo Rangelow
Original assignee: Rubitec Gesellschaft fur Innovation & Technologie Ruhr Univ Bochum Mbh; Universitaet Kassel
Current assignee: Rubitec Gesellschaft fur Innovation & Technologie Ruhr Univ Bochum Mbh; Universitaet Kassel
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Mask for ion beams consists of a silicon wafer (10) with a perforated pattern and a metal coating (12) on the side facing the ion beams for stopping ion beams and deflecting heat. An Independent claim is also included for a process for the production of a mask. Preferably a 2-10 micron thick diamond layer is arranged between the metal coating and the silicon wafer. The perforated region of the wafer has a thickness of 20-200 microns. The metal coating is made of W, Ti, Au, Mo, Co, Cu, Hf, Al, Ta, Cr, Pt or Ag.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lochmaske insbesondere eine Lochmaske für Ionenstrahlen oder ionisierten Molekulstrahlen bestehend aus einer Siliziumscheibe mit darin angeordnetem Lochmuster. Die erfin dung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Loch maske und verschiedenen Anwendungen der Lochmaske.The present invention relates to a shadow mask, in particular a Hole mask for ion beams or ionized molecular beams from a silicon wafer with a hole pattern arranged in it. The invent dung further relates to a method for producing such a hole mask and various uses of the shadow mask.

Lochmasken der eingangs genannten Art sowie Verfahren zu deren Her stellung und gewisse Anwendungen derselben sind aus der US-PS 5,672,449 bekannt. Es handelt sich dort um relativ dünne Siliziumschei ben mit Dicken unter 10 µm, die beispielsweise für lithographische Zwec ke verwendet werden. Die Innenstrahlen, die hier zur Anwendung gelan gen, haben sehr kleine Leistungen beispielsweise bis etwa 10 Milliwatt.Hole masks of the type mentioned at the outset and methods for producing them Position and certain applications of the same are from US Pat. No. 5,672,449 known. It is a relatively thin silicon wafer ben with thicknesses below 10 microns, for example, for lithographic Zwec ke can be used. The internal rays that are used here gen, have very low power, for example up to about 10 milliwatts.

Es ist auch bekannt eine Strukturierung eines Substrats mittels Ionen strahlen durch Aufbringung einer Kontaktmaske durchzuführen. Die her kömmliche Strukturierung durch Aufbringen einer Kontaktmaske auf ein Substrat versagt jedoch, wenn das Substrat während der Implantation stark erhitzt wird oder die eingebrachten Ionendosen sehr hoch sind. Auch lassen sich Ionenstrahlen mit hohen Eindringtiefen auf diese Weise nicht im Submikrometerbereich strukturieren. Eine bekannte Lösung dieses Problems ist es, die Maske und das Substrat zu trennen. Dies ge schieht z. B. durch die Ionenprojektion, indem die Ionenstrahlen durch ei ne Blende oder Lochmaske geführt werden und mittels einer geeigneten Linse auf ein Substrat abgebildet werden. Beispiele dieser Verfahren sind die Patente Nr. DE 196 33 320 A1 und DE 27 02 445 A1. In beiden Verfah ren ist jedoch die bisherige Maskentechnologie nicht geeignet, um Ionen strahlen hoher Leistungsdichte auszublenden. Die bisherigen Ionenpro jektionsverfahren (Patent Nr. DE 196 33 320 A1) sind deshalb auf Ionen strahlen von geringer Leistungsdichte beschränkt. Diese Masken werden durch Ionenstrahlen hoher Leistungsdichte in kurzer Zeit zerstört.Structuring of a substrate by means of ions is also known radiate by applying a contact mask. The ago conventional structuring by applying a contact mask on a However, substrate fails if the substrate fails during implantation is strongly heated or the ion doses introduced are very high. Ion beams with high penetration depths can also be used in this way do not structure in the submicrometer range. A known solution to this The problem is to separate the mask and the substrate. This ge looks z. B. by the ion projection by the ion beams by ei ne aperture or shadow mask are guided and by means of a suitable Lens are imaged on a substrate. Examples of these procedures are Patents No. DE 196 33 320 A1 and DE 27 02 445 A1. In both processes However, the previous mask technology is not suitable for ions radiate high power density. The previous ionpro ejection processes (patent no. DE 196 33 320 A1) are therefore based on ions rays of low power density limited. These masks will be destroyed by ion beams of high power density in a short time.

Die vorliegende Erfindung betrifft im Gegensatz dazu Lochmasken, Ver fahren zur Herstellung von Lochmasken und Anwendungen von Lochmas ken, die mit Partikelstrahlen aller Art, beispielsweise Ionen mit ver gleichsweise hohen Leistungsdichten in der Größenordnung von einigen Watt/cm² oder mehr verwendet werden können, um Substrate der ver schiedensten Art schnell und mit hohen Dosen scharfkantig zu struktu rieren und um Ionen in Substrate zu implantieren.In contrast, the present invention relates to shadow masks, processes for the production of shadow masks and applications of hole masks which can be used with particle beams of all kinds, for example ions with comparatively high power densities of the order of a few watts / cm ² or more To structure substrates of various types quickly and with high doses with sharp edges and to implant ions in substrates.

Die scharfkantige Strukturierung von Substraten bedeutet hier beispiels weise die Fähigkeit, Strukturen mit einer Auflösung kleiner als 3 µm auf einer Fläche größer als 1 mm² erzeugen zu können.The sharp-edged structuring of substrates here means, for example, the ability to be able to produce structures with a resolution of less than 3 μm on an area larger than 1 mm ² .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Lochmasken sowie Ver fahren zu deren Herstellung und Anwendungen vorzustellen, die geeignet sind, mit Partikel- bzw. Ionenstrahlen mit relativ hohen Leistungsdichten angewendet zu werden, beispielsweise um Ionenstrahlen mit Leistungs dichten in der oben erwähnten Größenordnung auszublenden und dennoch eine Haltbarkeit der Lochmasken von mehr als 100 Betriebsstunden zu erreichen.The object of the present invention is to provide such shadow masks and Ver drive to their manufacture and to present applications that are suitable are with particle or ion beams with relatively high power densities to be applied, for example, to ion beams with power hide in the order of magnitude mentioned above and yet a durability of the shadow mask of more than 100 operating hours to reach.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Si liziumscheibe, auf der den einfallenden Ionenstrahlen zugewandten Seite eine die Ionenstrahlen stoppende und Wärme ableitende Metallbeschich tung aufweist. Durch diese Metallbeschichtung werden einerseits die Io nen auf wirksame Weise gestoppt und die kinetische Energie der Ionen strahlen in Wärme umgewandelt, wobei die metallische Beschichtung auf grund ihrer Wärmeleitfähigkeit für die erforderliche Wärmeableitung sorgt.To solve this problem, the invention provides that the Si silicon wafer, on the side facing the incident ion beams a metal coating that stops the ion beams and dissipates heat tion. With this metal coating, the Io effectively stopped and the kinetic energy of the ions radiate converted into heat, leaving the metallic coating on provides the necessary heat dissipation due to its thermal conductivity.

Sollte die Wärmeableitung nicht ausreichen, um die erwünschte lange Le bensdauer der Lochmaske sicherzustellen, so kann erfindungsgemäß eine Diamantschicht zwischen der Metallbeschichtung und der Siliziumscheibe eingefügt werden, wobei die Dicke dieser Schicht beispielsweise zwischen 2 µm und 10 µm liegen kann. Diamant hat nämlich eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Eine andere Möglichkeit, die ggf. auch in Kombination mit der Diamantschicht benutzt werden kann liegt darin, Kühlkanäle in die Siliziumscheibe und/oder in die Diamantschicht und/oder in die Me tallbeschichtung einzuarbeiten, wobei die Kühlkanäle zur Leitung eines Kühlfluids, insbesondere eines Kühlgases, beispielsweise Helium, verwen det werden und dementsprechend abgedeckt werden müssen, beispiels weise von der Metallbeschichtung, damit geschlossene Kühlkanäle vorlie gen. Die Kühlkanäle müssen jedoch mit einem Eingang und einem Aus gang versehen werden, die die Zufuhr und Abfuhr des zur Kühlung ver wendeten Fluids bzw. Gases ermöglichen. Selbst wenn der Eingang und der Ausgang bei der Verschließung der Kanäle ebenfalls geschlossen wer den, können sie ohne weiteres durch Funkerosion oder andere Verfahren wieder freigelegt werden, damit die notwendigen Anschlüsse dort ange bracht werden können. Die Eingänge und Ausgänge können auf der Vor derseite der Lochmaske (d. h. auf der Seite, wo die Ionen auftreffen), auf der Rückseite oder auf der Seitenkante der Lochscheibe angeordnet wer den.If the heat dissipation is not sufficient to achieve the desired long Le To ensure the life of the shadow mask, a can Diamond layer between the metal coating and the silicon wafer be inserted, the thickness of this layer for example between Can be 2 µm and 10 µm. Diamond has an excellent one Thermal conductivity. Another possibility, possibly in combination with the diamond layer can be used in cooling channels the silicon wafer and / or in the diamond layer and / or in the me to incorporate tall coating, the cooling channels to conduct a Use cooling fluids, in particular a cooling gas, for example helium det and must be covered accordingly, for example wise of the metal coating, so that there are closed cooling channels However, the cooling channels must have an input and an off gang be provided, which ver the supply and discharge of the cooling allow used fluids or gases. Even if the entrance and the exit when closing the channels is also closed , they can easily be done by radio erosion or other methods be uncovered again so that the necessary connections are made there can be brought. The inputs and outputs can be on the front the side of the shadow mask (i.e. on the side where the ions strike) the rear or on the side edge of the perforated disc the.

Die Kühlkanäle können beispielsweise eine Breite im Bereich zwischen 100 nm und 10 µm und eine Tiefe von bis zu 80% der gesamten Dicke der Lochmaske aufweisen. Besonders günstig bei der Verwendung von Kühl kanälen ist, daß diese in ihrer Verteilung, Dichte, Breite und Tiefe der lo kalen Wärmeerzeugung angepaßt werden können. D. h., in Bereichen der Lochmaske mit kleinerer Lochquerschnittsfläche/Flächeneinheit und da her einer großen Wärmeerzeugung aufgrund der gestoppten Ionenstrah len, kann mehr Wärme durch entsprechende Auslegung der Kühlkanäle abgeführt werden, so daß eine gleichmäßige Temperatur oder eine er wünschte oder auch nur akzeptable Temperaturverteilung über die ge samte Fläche der Lochmaske erzielt werden kann.The cooling channels can, for example, have a width in the range between 100 nm and 10 µm and a depth of up to 80% of the total thickness of the Have a shadow mask. Particularly favorable when using cooling channels is that these in their distribution, density, width and depth of the lo kalen heat generation can be adjusted. That is, in areas of Hole mask with a smaller hole cross-sectional area / unit area and there forth a great heat generation due to the stopped ion beam len, more heat can be created by designing the cooling channels accordingly be dissipated so that a uniform temperature or he desired or only acceptable temperature distribution over the ge Entire surface of the shadow mask can be achieved.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung scharfkan tiger Strukturen durch Partikelstrahlen hoher Leistungsdichte < 1 W/cm². Hierdurch ist eine schnelle Implantation und Modifikation kleiner Struk turen oder die Implantation hoher Dosen möglich.The invention further comprises a method for producing sharp-edged structures by means of particle beams having a high power density <1 W / cm ² . This enables rapid implantation and modification of small structures or the implantation of high doses.

Dabei findet eine Lochmaske mit einem Durchmesser < 1 mm² Verwen dung, die bezüglich Stabilität, Materialabtrag und Wärmetransport der oben genannten Anforderung genügt. Die Lochmaske ist beliebig struktu rierbar und besitzt eine laterale Auflösung < 3 µm. In Verbindung mit ei nem abbildenden System können Strukturen der Maske verkleinert auf ein Substrat übertragen werden, wobei die Maske und das Substrat, ört lich getrennt sind. Durch diese Vorrichtung wird eine Kontaminierung des Substrats mit Maskenmaterial verhindert.A shadow mask with a diameter of <1 mm ^{2 is} used, which meets the above requirements with regard to stability, material removal and heat transfer. The shadow mask can be structured as required and has a lateral resolution <3 µm. In connection with an imaging system, structures of the mask can be transferred to a substrate on a smaller scale, the mask and the substrate being spatially separated. This device prevents contamination of the substrate with mask material.

Es können Substrate beliebig geformter Oberflächen implantiert werden.Substrates of any shape can be implanted.

Das Substrat kann mit beliebig geformter Fläche auf hohe Temperaturen während der Implantation geheizt werden, um z. B. Kristallschäden zu vermeiden. Die sich hieraus ergebenden Anwendungen sind beispielsweise Sensoren auf Spitzen mit hoher lateraler Auflösung oder Miniatur- Druckstempel mit Strukturen unterhalb einem Mikrometer zur fäl schungssicheren Kennzeichnung von beliebigen Gegenständen.The substrate can be of any shape at high temperatures are heated during the implantation, e.g. B. crystal damage too avoid. The resulting applications are, for example Sensors on tips with high lateral resolution or miniature Stamp with structures below one micrometer design-proof marking of any objects.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren Substrate mit Partikelstrahlen, beispielsweise Ionen, hoher Leistungsdichte schnell oder mit hohen Dosen scharfkantig zu strukturieren, wobei eine Lochmaske mit Strukturen klei ner 3 µm Auflösung auf einer Fläche < 1 mm² Verwendung findet. Die Lochmaske ist geeignet, die Ionenstrahlen mit Leistungsdichten < 3 W/cm² auszublenden und besitzt eine Haltbarkeit von mehr als 100 Stunden.The invention thus relates to a method of structuring substrates with particle beams, for example ions, high power density quickly or with high doses with sharp edges, a shadow mask with structures having a small 3 μm resolution being used on an area of <1 mm ² . The shadow mask is suitable for masking the ion beams with power densities <3 W / cm ² and has a durability of more than 100 hours.

Die maximale Energiedichte ergibt sich aus der Multiplikation von Io nenenergie und der Ionenstromdichte, mit der zu einem beliebigen Zeit punkt die Maske bestrahlt wird. Diese Erfindung erlaubt sowohl hohe Strahlstromdichten als auch Ionenstrahlen hoher Energie auszublenden.The maximum energy density results from the multiplication of Io nominal energy and the ion current density with which at any time point the mask is irradiated. This invention allows both high Hide beam current densities as well as high energy ion beams.

Die Form des auf die Probe treffenden Ionenstrahls wird an der Maske durch Stoppen beliebiger zusammenhängender Bereiche des Ionenstrahls in im Strahlengang befindlichem Maskenmaterials definiert. Durch die of fenen Bereiche der Maske kann der Ionenstrahl ungehindert hindurch treten, d. h. er wird nicht gestreut. Um gute Abbildungseigenschaften zu erzielen, muß der Ionenstrahl annähernd parallel die Maske durchstrah len. Die Kanten der Maskenstrukturen müssen zur Verminderung von Streuung, d. h. Ablenkung der Ionen von ihrer Flugbahn durch Stoßpro zesse mit Teilchen der Maske, oder Transparenzzonen, d. h. Bereiche der Maske in denen die Ionen Energie verlieren und abgelenkt werden aber noch die Probe treffen können, sehr kleine negative Kantensteigungen aufweisen. Die dem einfallenden Ionenstrahl zugewandte Seite der Maske stoppt die Ionen während der Haltbarkeitsperiode ohne während dieser Zeit durch das Auftreffen der Ionen oder die gestoppten Ionen zerstört zu werden. Die beim Stoppen der Ionen eingebrachte Energie wird durch das Maskenmaterial zu einer Wärmesenke bzw. Kühlung abgeführt. Die Wär meabfuhr ist dabei so ausgelegt, das eine Temperaturänderung der Maske die Auflösung der Abbildung nicht beeinträchtigt.The shape of the ion beam striking the sample is shown on the mask by stopping any contiguous areas of the ion beam defined in mask material located in the beam path. By the of In the areas of the mask, the ion beam can pass through unhindered kick, d. H. it is not scattered. To get good imaging properties too achieve, the ion beam must pass through the mask approximately in parallel len. The edges of the mask structures need to be reduced Scattering, d. H. Deflection of the ions from their trajectory by collision processes with particles of the mask, or transparency zones, d. H. Areas of Mask in which the ions lose energy and are deflected can still hit the test, very small negative edge slopes exhibit. The side of the mask facing the incident ion beam stops the ions during the shelf life without during this Time destroyed by the impact of the ions or the stopped ions become. The energy introduced when the ions are stopped is generated by the Mask material removed to a heat sink or cooling. The war Removal is designed so that a temperature change of the mask does not affect the resolution of the image.

Wird die Maske durch Partikelstrahlung zusätzlich mittels einer Linse auf ein Substrat übertragen, können die Strukturen der Maske mit dem durch die Abbildung gegebenen Faktor verkleinert oder vergrößert projiziert wer den.If the mask is exposed to particle radiation by means of a lens transferred a substrate, the structures of the mask with the through the figure given factor is reduced or enlarged projected who the.

Die in dieser Vorrichtung erreichbare Strukturauflösung ergibt sich aus den Strukturgrößen der Maske dividiert durch den Betrag der Verkleine rung bzw. Vergrößerung V. Die erreichbare Kantenschärfe ist durch die thermische Ausdehnung der Maske während der Bestrahlung dividiert durch V und den Abbildungsfehler begrenzt. The structure resolution achievable in this device results from the structure sizes of the mask divided by the amount of the small ones tion or enlargement V. The achievable edge sharpness is through the thermal expansion of the mask divided during the irradiation limited by V and the aberration.

Der Vorteil einer solchen Vorrichtung ist, daß Substrat und Maske, in Ab hängigkeit von der Abbildung, räumlich von einander getrennt werden können und Kontaminationen durch von dem Ionenstrahl abgetragenes Maskenmaterial vermieden werden. Das Substrat kann während der Im plantation auf hohe Temperaturen geheizt werden ohne die Maske zu zer stören. Weiterhin können hohe Dosen und Ionen hoher Eindringtiefe strukturiert in ein Substrat implantiert werden, die mit einer herkömmli chen Kontaktmaskierung nicht möglich wäre.The advantage of such a device is that substrate and mask, in Ab dependence on the image, spatially separated from each other can and contamination from the ion beam Mask material can be avoided. The substrate can during the Im plantation can be heated to high temperatures without breaking the mask to disturb. Furthermore, high doses and ions can penetrate deeply structured to be implanted in a substrate with a conventional Chen contact masking would not be possible.

Die Schaffung von erfindungsgemäßen Masken mit diesen Eigenschaften eröffnet die Möglichkeit, neuartige Materialien durch strukturierte Im plantation herzustellen und Materialien unter Bedingungen zu strukturie ren, die eine sonst übliche Kontaktmaskierung verbieten.The creation of masks according to the invention with these properties opens up the possibility of new materials through structured im Plantation manufacture and structure materials under conditions that prohibit contact masking.

Die Erfindung umfaßt unter anderem:
The invention includes:

- shadow masks to high-sharp structures by means of ion beams Transfer power density.
- Process for the production of these masks and masks with He cooling.
- Application of the masks according to the invention for the production of mi cromechanical components.
- Application of the masks according to the invention for structuring kri stallinen materials by means of ion beams.
- Application of the masks according to the invention for the production of Senso by means of ion beams in diamond.
- Application of the masks according to the invention for the production of Quartz crystals using ion beams.
- Application of the masks according to the invention for material synthesis ion beams.

Es ist möglich, die oben beschriebenen Anwendungen zu realisieren, wenn eine Maske mit Materialeigenschaften Verwendung findet, die bezüglich Stabilität und Haltbarkeit geeignet ist, Ionenstrahlen von hoher Lei stungsdichte und Stabilität zu stoppen. Mit den herkömmlichen naßche mischen oder auch trockenchemischen Verfahren können Masken, die diesen Anforderungen gerecht sind, jedoch nicht hergestellt werden.It is possible to implement the applications described above if a mask with material properties is used that relates to Stability and durability is suitable, ion beams of high lei stop density and stability. With the conventional wet Mix or dry chemical processes can masks that meet these requirements, but are not manufactured.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden, in wel cher zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments Reference to the accompanying drawing will be explained in more detail show:

Fig. 1A-1K eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens, Fig. 1A-1C an exemplary embodiment of the method according invention,

Fig. 2A-2C eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels für eine erfindungsgemäße Maske mit integrierten Kühlka nälen, und 2A-2C is a schematic illustration of an execution example nälen. For an inventive mask with integrated Kühlka, and

Fig. 3 eine photographische Abbildung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lochmaske. Fig. 3 is a photographic illustration of an embodiment of a shadow mask according to the invention.

Die Fig. 1A zeigt hier eine (100) Siliziumscheibe 10 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm cm und ist doppelseitig poliert. Beispielsweise hat die Scheibe 10 gemäß Fig. 1A eine Dicke von 500 µm und eine Breite von 100 mm. In Draufsicht (nicht gezeigt) ist die Siliziumscheibe in diesem Beispiel kreisförmig mit einer üblichen Abflachung an einer Stelle. The Fig. 1A shows here a (100) silicon wafer 10 having a resistivity of 0.01 ohm cm and is double-sided polished. For example, the plate 10 has shown in FIG. 1A .mu.m a thickness of 500 mm and a width of 100. In plan view (not shown), the silicon wafer is circular in this example with a usual flattening at one point.

Die Siliziumscheibe 10 der Fig. 1A wird mittels eines Oxidationsschrittes an zumindest im wesentlichen allen Flächen mit SiO₂ beschichtet, so daß beispielsweise eine 2 µm dicke SiO₂-Beschichtung entsteht, wie bei 12 in Fig. 1B gezeigt. Die Dicke dieser Beschichtung 12 kann beispielsweise oh ne weiteres im Bereich zwischen 100 nm bis 5 µm oder darüber liegen. Solche Schichten können durch Naßoxidation bei 1150°C erzeugt werden. Naß bedeutet hier, daß Wasser in die Behandlungskammer eingelassen wird.The silicon wafer 10 of FIG. 1A is coated with SiO ₂ on at least substantially all surfaces by means of an oxidation step, so that, for example, a 2 μm thick SiO ₂ coating is produced, as shown at 12 in FIG. 1B. The thickness of this coating 12 can, for example, be in the range between 100 nm and 5 μm or more. Such layers can be produced by wet oxidation at 1150 ° C. Wet here means that water is admitted into the treatment chamber.

Wie in der Fig. 1C dargestellt, wird die SiO₂-Beschichtung 12 auf einem Teilbereich 14 der Rückseite der Scheibe entfernt. Diese Entfernung kann beispielsweise durch ein lithographisches Verfahren erfolgen. Durch Ein tauchen der Scheibe in eine alkalische Lösung wird sie dann, wie in Fig. 1D gezeigt, von der Rückseite geätzt, so daß ein mittlerer Bereich 16 der Scheibe entsteht, der im Vergleich zu dem Randbereich 18, wo die SiO₂- Beschichtung 12 noch aufrechterhalten wird, dünner wird. Dieser Bereich 16 kann bspw. eine Dicke im Bereich von 200 bis 300 µm aufweisen.As shown in FIG. 1C, the SiO ₂ coating 12 is removed on a partial area 14 of the rear of the pane. This removal can be done, for example, by a lithographic process. By immersing the pane in an alkaline solution, it is then etched from the rear, as shown in FIG. 1D, so that a central region 16 of the pane is formed, which is compared to the edge region 18 where the SiO ₂ coating 12 is still maintained, becomes thinner. This area 16 can have a thickness in the range of 200 to 300 μm, for example.

Als nächstes wird die Vorderseite 20 der Scheibe mit einem Resist- Material 22 beschichtet, wie in Fig. 1E gezeigt. Dieses wird anschließend belichtet und entwickelt, um die Resist-Schicht 22 mittels Lithographie mit einem Muster zu versehen, das die Form der gewünschten Löcher der Lochmaske wiedergibt.Next, the front 20 of the wafer is coated with a resist 22 as shown in Figure 1E. This is then exposed and developed in order to provide the resist layer 22 with a pattern by means of lithography which reproduces the shape of the desired holes in the shadow mask.

Nach Durchführung eines Oxid-Ätz-Verfahrens und Abziehen der Resist- Beschichtung 22 sind, wie in der Fig. 1F dargestellt, Löcher 24 entsprechend dem gewünschten Lochmuster in der SiO₂-Schicht 12 im verdünn ten Bereich 16 vorhanden.After performing an oxide etching process and removing the resist coating 22 , as shown in FIG. 1F, holes 24 are present in the thinned region 16 in the SiO ₂ layer 12 in accordance with the desired hole pattern.

Die Scheibe wird nunmehr mittels eines Ätzverfahrens beispielsweise in Form eines Trockenätzverfahrens wie reaktives Ionenätzen, Sputterätzen oder Ätzen mit abwechselnden Gasarten (sogenanntes Gas Chopping) be handelt, um das Lochmuster, das in der SiO₂-Schicht vorhanden ist, auch im verdünnten Bereich 16 der Lochscheibe zu erzeugen. Die entsprechen de Löcher sind in Fig. 1G mit 26 gekennzeichnet.The disk is now treated by means of an etching process, for example in the form of a dry etching process such as reactive ion etching, sputter etching or etching with alternating types of gas (so-called gas chopping), in order to remove the hole pattern that is present in the SiO ₂ layer, even in the thinned region 16 To produce perforated disc. The corresponding de holes are marked 26 in FIG. 1G.

Danach wird die Scheibe wie in Fig. 1H gezeigt anschließend oxidiert, um die im Ätzschritt der Fig. 1F von SiO₂ freigelegten Bereiche einschließlich der Innenwände der Löcher 26 mit SiO₂ 12 zu versehen, d. h. SiO₂ wird auf alle Flächen der Scheibe gebildet.The wafer is then subsequently oxidized as shown in FIG. 1H in order to provide SiO ₂ 12 in the areas exposed by SiO ₂ in the etching step in FIG. 1F, including the inner walls of the holes 26 , ie SiO ₂ is formed on all surfaces of the wafer.

Auch der Verfahrensschritt gemäß Fig. 1H kann mittels Naßoxidation bei 1150°C durchgeführt werden.The method step according to FIG. 1H can also be carried out by means of wet oxidation at 1150 ° C.

Durch dieses Verfahren wird durch die so entstandene, isolierende SiO₂- Schicht 12 sichergestellt, daß bei einem anschließenden galvanischen Be schichtungsschritt die mit SiO₂ 12 beschichteten Flächen nicht mit galva nisch abgeschiedenen Metall bedeckt werden. Es ist jedoch erwünscht auf der Vorderseite 20 der Scheibe eine galvanische Metallbeschichtung 28 aufzubauen (Fig. 1J), weshalb von dieser Vorderseite 16 entsprechend der Fig. 1I die SiO₂-Schicht 12 entfernt wird. Dies kann durch ein Ätzverfah ren, aber auch durch ein mechanisches Verfahren wie CMP (Chemical Me chanical Polishing) oder anderweitig erfolgen. This method ensures that the resulting insulating SiO ₂ layer 12 ensures that the surfaces coated with SiO ₂ 12 are not covered with electrodeposited metal in a subsequent galvanic coating step. However, it is desirable to build up a galvanic metal coating 28 on the front 20 of the pane ( FIG. 1J), which is why the SiO ₂ layer 12 is removed from this front 16 according to FIG. 1I. This can be done by an etching process, but also by a mechanical process such as CMP (Chemical Mechanical Chemical Polishing) or otherwise.

Es wird jetzt, was in der Zeichnung nicht gezeigt ist, eine Startschicht auf der freigelegten Vorderseite der Scheibe gebildet. Beispielsweise wird eine Startschicht bestehend aus GeO, Cr oder eines anderen Metalls oder aus einer hochleitenden Halbleiterschicht, wie beispielsweise hochleitendes Silizium, aufgebracht, beispielsweise durch eine Sputterbehandlung, und die Scheibe wird dann in ein galvanisches Bad eingebracht, wo nach ent sprechender Kontaktierung der Startschicht die Metallschicht 28 mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,5 µm und 20 µm galvanisch auf die Vorder seite der Siliziumscheibe aufgebracht wird, wie in der Fig. 1J angedeutet ist. Sinn dieser Startschicht ist, die Oberfläche der Scheibe leitfähig zu machen, damit das galvanische Verfahren durchgeführt werden kann.What is not shown in the drawing, a starting layer is now formed on the exposed front of the pane. For example, a starting layer consisting of GeO, Cr or another metal or a highly conductive semiconductor layer, such as highly conductive silicon, is applied, for example by a sputter treatment, and the disk is then introduced into a galvanic bath, where after contacting the starting layer accordingly Metal layer 28 is applied with a thickness in the range between 0.5 microns and 20 microns galvanically on the front side of the silicon wafer, as indicated in Fig. 1J. The purpose of this starting layer is to make the surface of the pane conductive so that the galvanic process can be carried out.

Nach der Ausbildung der galvanischen Schicht 28 wird die SiO₂-Schicht 12 an allen Oberflächenbereiche durch ein Ätzverfahren entfernt und die Scheibe, die nunmehr die erwünschte Lochmaske darstellt, wird anschlie ßend gereinigt. Der Grund für die Entfernung der SiO₂- Schicht 12 in Fig. 1J liegt darin, daß die isolierende Wirkung sonst zu einer unerwünschten Aufladung der Lochmaske bei Ionenbeschuß führen wird. Die Lochmaske zeigt sich dann wie in der Fig. 1K dargestellt, wobei das Lochmuster 30 beispielsweise ähnlich der Fig. 3 ausgebildet sein kann.After the formation of the galvanic layer 28 , the SiO ₂ layer 12 is removed from all surface areas by an etching process and the pane, which now represents the desired shadow mask, is then cleaned. The reason for the removal of the SiO ₂ layer 12 in FIG. 1J is that the insulating effect will otherwise lead to an undesired charging of the shadow mask when ion bombardment is carried out. The perforated mask then appears as shown in FIG. 1K, wherein the perforated pattern 30 can be designed, for example, similar to FIG. 3.

Die genaue geometrische Form des in der Lochscheibe vorhandenen Lochmusters 30 ist im Prinzip unerheblich, sie muß nach dem vorgesehe nen Anwendungszweck ausgelegt werden. Es genügt hier zum Ausdruck zu bringen, daß das oben beschriebene Verfahren sowie die unten be schriebenen Abwandlungen des Verfahrens es ermöglichen, Lochmasken mit filigranen Löchern zu versehen, die für eine Vielzahl von Zwecken ein gesetzt werden können. Insbesondere ist es möglich, die Löcher mit Längen und/oder Breitenabmessungen zu versehen, die kleiner als 3 µm sind, wodurch entsprechend feine Strukturen in einem Substrat erzeugt werden können, das durch die Maske mit Ionenstrahlen bombardiert wird.The exact geometric shape of the hole pattern 30 present in the perforated disk is in principle irrelevant, it must be designed according to the intended application. It is sufficient to express here that the method described above and the modifications to the method described below make it possible to provide perforated masks with filigree holes that can be used for a variety of purposes. In particular, it is possible to provide the holes with lengths and / or width dimensions that are smaller than 3 μm, as a result of which correspondingly fine structures can be produced in a substrate that is bombarded with ion beams through the mask.

Wenn die Maske entfernt von der Oberfläche des Substrats gehalten wird und ein Ionenstrahl auf die Maske projiziert wird, so daß eine verkleinerte Abbildung des Lochmusters auf dem Substrat erreicht wird, können noch sehr viel feine Strukturen realisiert werden, da es heutzutage ohne weite res möglich ist, mit Verkleinerungsfaktoren von bis zu 100 zu arbeiten.When the mask is held away from the surface of the substrate and an ion beam is projected onto the mask so that a reduced one Mapping of the hole pattern on the substrate can still be achieved a lot of fine structures can be realized, as it is nowadays without wide res is possible to work with reduction factors of up to 100.

Es sind eine Reihe von Abwandlungen von dem soeben beschriebenen Verfahren möglich. Beispielsweise können die Schritte gemäß Fig. 1B, 1C und 1D fortgelassen werden, d. h. es ist nicht zwingend notwendig, die Scheibe zu behandeln um einen verdünnten mittleren Bereich 12 und ei nen dickeren Randbereich 18 zu versehen. Statt dessen kann bei Auswahl von geeigneten Abmessungen für die Lochscheibe, vor allem eine Dicke im Bereich von 300 µm oder größer, durchaus auf eine solche Verdünnung verzichtet werden. Sinn des Randbereiches 18 ist letztendlich nur, eine stabile Scheibe zu erhalten die leicht zu handhaben ist. Bei einer dickeren Ausbildung der Scheibe 10 ist es nicht notwendig diese in der Mitte zu verdünnen.A number of variations from the method just described are possible. For example, the steps according to FIGS. 1B, 1C and 1D can be omitted, ie it is not absolutely necessary to treat the pane in order to provide a thinned central region 12 and a thicker edge region 18 . Instead, when selecting suitable dimensions for the perforated disk, especially a thickness in the range of 300 μm or larger, such a thinning can be dispensed with. Ultimately, the purpose of the edge region 18 is only to obtain a stable pane that is easy to handle. If the disk 10 is made thicker, it is not necessary to thin it in the middle.

Wenn die Schritte gemäß Fig. 1B bis 1D fortgelassen werden, so stellt sich die Scheibe in der Darstellung gemäß Fig. 1E in etwa wie in der Fig. 1A jedoch mit einer SiO₂-Schicht an mindestens der Vorderseite, die bei spielsweise auch durch ein Sputterverfahren erzeugt werden kann. Die weitere Handhabung der Scheibe läuft dann so ab wie in den Fig. 1F bis 1K dargestellt. If the steps according to FIGS. 1B to 1D are omitted, the disk in the illustration according to FIG. 1E is approximately the same as in FIG. 1A, but with an SiO ₂ layer on at least the front side, which is also, for example, by Sputtering can be generated. The further handling of the disk then proceeds as shown in FIGS. 1F to 1K.

Eine weitere Abwandlung gegenüber der Verfahrensweise gemäß Fig. 1 be steht darin, daß man eine Diamantschicht unter Anwendung einer an sich bekannten Verfahrensweise auf die Oberfläche der Siliziumscheibe ablegt. Dies kann beispielsweise unmittelbar nach dem Schritt a) oder nach dem Schritt i) durchgeführt werden und auch andere Möglichkeiten sind denk bar. Die Diamantschicht wird beispielsweise mit einer Dicke im Bereich zwischen 2 µm und 10 µm realisiert und hat eine sehr hohe Leitfähigkeit. Die dient daher einer noch schnelleren Abführung von Wärme aus heißen Bereichen der Metallschicht, d. h. Bereiche, wo relativ viel Ionen gestoppt werden und sorgt dafür, daß die Lochmaske eine gleichmäßige niedrige Temperatur aufweist, wodurch die Lebensdauer der Lochmaske vergrößert wird. Eine andere Möglichkeit, die Wärmeabfuhr zu verbessern, liegt dar in, Kühlkanäle in der Lochscheibe zu erzeugen, durch welche Kühlgase, vor allem Helium, hindurch gepumpt werden können, um Wärme von der Scheibe zu entfernen und hierdurch die Temperatur der Lochscheibe her abzusetzen und ihre Lebensdauer zu erhöhen. Wie in Fig. 2A gezeigt, können die Kühlkanäle 30 der Siliziumscheibe selbst eingearbeitet werden und sie werden jeweils mit einem Eingang 32 und einem Ausgang 34 ver sehen, um die Zufuhr und Abfuhr des Kühlgases zu ermöglichen. Eine Möglichkeit, die Kühlkanäle zu realisieren, besteht darin, diese mit einem lithographischen Verfahren zu erzeugen. Solche Kühlkanäle könnten bei spielsweise vor oder nach dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 1I erzeugt werden. Wie Fig. 2B zeigt, können die Kühlkanäle eine erhebliche Tiefe aufweisen, sie können beispielsweise eine Tiefe von bis über 80% der Ge samtdicke der Lochscheibe 16 haben und sie können auch in ihrer Tiefe und/oder Breite und/oder Länge variieren, um die örtlich vorhandene Kühlfläche den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen, d. h. dort wo Wärme abgeführt werden soll, können die Kanäle eine größere Fläche aufweisen, damit der Wärmeübergang von der Lochscheibe an das Kühlgas verbessert wird.A further modification compared to the procedure according to FIG. 1 is that a diamond layer is deposited on the surface of the silicon wafer using a procedure known per se. This can, for example, be carried out immediately after step a) or after step i) and other possibilities are also conceivable. The diamond layer, for example, is realized with a thickness in the range between 2 µm and 10 µm and has a very high conductivity. This therefore serves to dissipate heat from hot areas of the metal layer even more quickly, ie areas where a relatively large amount of ions are stopped, and ensures that the shadow mask has a uniformly low temperature, thereby increasing the life of the shadow mask. Another way to improve the heat dissipation is to create cooling channels in the perforated disk, through which cooling gases, especially helium, can be pumped to remove heat from the disk and thereby lower the temperature of the perforated disk and its Increase lifespan. As shown in Fig. 2A, the cooling channels 30 of the silicon wafer itself can be incorporated and they will each see an inlet 32 and an outlet 34 to enable the supply and removal of the cooling gas. One way of realizing the cooling channels is to create them using a lithographic process. Such cooling channels could, for example, be generated before or after the method step according to FIG. 1I. As shown in FIG. 2B, the cooling channels can have a considerable depth, for example they can have a depth of up to over 80% of the total thickness of the perforated disk 16 and they can also vary in depth and / or width and / or length by the To adapt the locally available cooling surface to the respective circumstances, ie where heat is to be dissipated, the channels can have a larger surface so that the heat transfer from the perforated disc to the cooling gas is improved.

Die in den Fig. 2A und 2B gezeigten offenen Kanäle 30 müssen ge schlossen werden. Dies erfolgt am besten dadurch, daß die Lochscheibe in einer gekippten Stellung mittels Aufdampfen oder Sputtern von einem Metall geschlossen werden. Die Lochscheibe wird in der gekippten Stel lung rotiert und dies führt dazu, daß die Öffnungen zu den Kanälen schnell geschlossen werden, insbesondere dann, wenn die Kühlkanäle, wie in Fig. 2C gezeigt, relativ schmal ausgebildet sind. Sobald die Kanäle oben geschlossen sind, kann die Lochscheibe in das galvanische Bad ein geführt werden, um die gewünschte galvanische Beschichtung 28 auf der Oberfläche der Lochscheibe aufzuwachsen.The open channels 30 shown in FIGS. 2A and 2B must be closed. This is best done by closing the perforated disc in a tilted position by means of vapor deposition or sputtering from a metal. The perforated disk is rotated in the tilted position, and this leads to the openings to the channels being closed quickly, particularly when the cooling channels, as shown in FIG. 2C, are relatively narrow. As soon as the channels are closed at the top, the perforated disk can be inserted into the galvanic bath in order to grow the desired galvanic coating 28 on the surface of the perforated disk.

Das Aufdampfen oder Sputtern von Metallen auf die Oberfläche der Loch scheibe, um Kühlkanäle zu schließen, kann nämlich gleichzeitig dazu die nen, eine metallische Startschicht für die galvanische Beschichtung auf der Oberfläche der Lochscheibe abzulagern.The evaporation or sputtering of metals on the surface of the hole disc to close the cooling channels can namely at the same time a metallic starting layer for the galvanic coating the surface of the perforated disc.

Eine andere Möglichkeit, die Kühlkanäle in die Lochscheibe einzubringen, liegt darin, bereits im Stadium der Fig. 1A die Kühlkanäle lithographisch zu erzeugen. Die Lochscheibe kann dann vor weiteren Schritten in eine Sputtereinrichtung eingeführt werden und mit einem Material, beispiels weise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrit in einem Sputterverfahren behan delt werden, so daß die Kühlkanäle von oben abgeschlossen werden. Bei jeder solchen Behandlung ist es notwendig, die Scheibe unter einem schrägen Winkel anzuordnen und zu drehen. Erst mit diesem schrägen Winkel kann die Abdeckung der Kühlkanäle wirtschaftlich erfolgen. Nach der Abdeckung der Kühlkanäle auf diese Art und Weise, kann die Scheibe mittels CMP poliert werden. Hierdurch werden die durch das Sputterver fahren erzeugten Unregelmäßigkeiten entfernt, jedoch wird das Polierver fahren so durchgeführt, daß die Abdeckung der Kühlkanäle nicht durch brochen wird. Das Verfahren läuft dann so ab, wie bisher beschrieben im Zusammenhang mit Fig. 1, gegebenenfalls unter Weglassung der Verfah rensschritte gemäß Fig. 1B, 1C und 1D bis das Stadium gemäß Fig. 1I erreicht wird.Another possibility of introducing the cooling channels into the perforated disk is to produce the cooling channels lithographically already at the stage in FIG. 1A. The perforated disk can then be introduced into a sputtering device before further steps and treated with a material, for example silicon dioxide or silicon nitride, in a sputtering process, so that the cooling channels are closed from above. With any such treatment, it is necessary to arrange and rotate the disc at an oblique angle. Only with this oblique angle can the cooling channels be covered economically. After covering the cooling channels in this way, the pane can be polished using CMP. As a result, the irregularities generated by the sputtering process are removed, but the polishing process is carried out in such a way that the cover of the cooling channels is not broken through. The process then proceeds as previously described in connection with FIG. 1, optionally with the process steps according to FIGS . 1B, 1C and 1D being omitted until the stage according to FIG. 1I is reached.

Nun ist es erforderlich, die (wieder geöffneten) Kühlkanäle durch Sputtern nochmals zu verschließen. Zu diesem Zweck wird die Lochscheibe in eine Sputtervorrichtung eingeführt und in einer schrägen Stellung rotiert, da mit die Eingänge zu den Kühlkanälen mit einer Metallbeschichtung abge deckt werden. Auch die Oberfläche der vorderen Seite der Scheibe wird mit der Metallbeschichtung versehen und diese dient dann als Start schicht für die galvanische Beschichtung. Es ist zwar auch möglich, daß die Löcher der Lochmaske, die das eigentliche Lochmuster bilden, auch durch dieses Verfahren verschlossen werden. Dies ist aber nicht proble matisch, da es möglich ist, die Löcher des Lochmusters von der Rückseite mit Ionen zu bombardieren, wodurch das Lochmuster wieder frei gelegt werden kann. Die Bombardierung der Rückseite der Lochscheibe mit Io nen hat keine nachteilige Wirkung auf die Kühlkanäle, denn diese sind von unten geschlossen, so daß die Ionen dort nicht zur Wirkung kommen.Now it is necessary to sputter the (reopened) cooling channels to close again. For this purpose, the perforated disc is placed in a Sputtering device inserted and rotated in an inclined position because with the entrances to the cooling channels with a metal coating be covered. The surface of the front side of the disc will also provided with the metal coating and this then serves as a start layer for the galvanic coating. It is also possible that the holes in the shadow mask that form the actual hole pattern, too be closed by this procedure. But this is not a problem matic as it is possible to hole the pattern from the back bombard with ions, exposing the hole pattern again can be. Bombing the back of the perforated disc with Io NEN has no adverse effect on the cooling ducts because they are closed from below, so that the ions do not come into effect there.

Nach Ablagerung der galvanischen Beschichtung kann wie bisher die SiO₂-Beschichtung entfernt werden und die Lochmaske präsentiert sich im fertigen Zustand gemäß Fig. 1K.After the galvanic coating has been deposited, the SiO ₂ coating can be removed as before and the shadow mask presents itself in the finished state according to FIG. 1K.

Es ist auch möglich, die Kühlkanäle so auszubilden, daß sie sich auch durch eine etwaig vorhandene Diamantschicht erstrecken. Um dies zu bewirken, kann entweder die Diamantschicht auf der Oberfläche der Lochscheibe abgelagert werden, wenn die Kühlkanäle bereits vorliegen, jedoch noch nicht verschlossen sind, oder die gesamte Fläche der Loch scheibe kann mit einer Diamantschicht versehen werden und es kann ein lithographisches Verfahren angewendet werden, um die Kühlkanäle zu bilden. Beispielsweise kann man die Diamantschicht mit einem Ionen strahl behandeln, um sie lokal in Graphit umzuwandeln und diese Gra phitschicht läßt sich dann leicht wegätzen.It is also possible to design the cooling channels so that they are also extend through any diamond layer. To do this can cause either the diamond layer on the surface of the Perforated disc can be deposited when the cooling channels already exist however, are not yet closed, or the entire area of the hole disc can be provided with a diamond layer and it can lithographic process to be applied to the cooling channels form. For example, you can ion the diamond layer Treat the beam to locally convert it to graphite and this graph The phit layer can then be easily etched away.

Die Kühlkanäle können auch in der Metallschicht vorliegen. Es ist bei spielsweise möglich, einen Teil der Metallschicht abzulagern, dann Kühl kanäle in der Metallschicht zu erzeugen, beispielsweise mittels eines litho graphischen Verfahrens, und dann die Kühlkanäle zu verschließen und eine weitere Metallschicht mittels eines galvanischen Verfahrens auf die bestehende Metallschicht aufzuwachsen, um die Metallschicht fertigzu stellen.The cooling channels can also be present in the metal layer. It is at for example possible to deposit part of the metal layer, then cooling to generate channels in the metal layer, for example by means of a litho graphic process, and then close the cooling channels and another metal layer by means of a galvanic process on the grow existing metal layer to finish the metal layer put.

Die Metallschicht kann auch aus einer abwechselnden Folge von unter schiedlichen Metallschichten bestehen, die unterschiedliche Gitterkon stanten aufweisen, wobei die Gitterkonstante von der einen Schicht klei ner als die von Silizium sein soll, während die Gitterkonstante von der an deren Schicht größer als die von Silizium sein soll, damit im Mittel keine Verspannung vorliegt. Bei dem Übergang zwischen der Siliziumscheibe und der ersten Metallschicht der abwechselnden Schichtfolge können Zwi schenschichten vorgesehen werden, die eine allmähliche Anpassung an die Gitterkonstante der untersten Metallschicht erreichen, so daß insge samt eine Struktur ohne ausgeprägte Verspannung vorliegt. The metal layer can also consist of an alternating sequence of below different metal layers exist, the different lattice con have constants, the lattice constant being small from one layer ner than that of silicon, while the lattice constant from that whose layer should be larger than that of silicon, so that on average none There is tension. At the transition between the silicon wafer and the first metal layer of the alternating layer sequence can be Layered layers are provided that allow for gradual adjustment reach the lattice constant of the lowest metal layer, so that in total including a structure without pronounced tension.

Es werden jetzt einige mögliche Anwendungen beschrieben werden.Some possible applications will now be described.

In Verbindung mit einem geeigneten Abbildungsverfahren, kann die Mas ke räumlich von der Probe getrennt werden. Dies ermöglicht die folgenden beispielhaften Anwendungen.In conjunction with a suitable imaging process, the Mas ke be spatially separated from the sample. This enables the following exemplary applications.

example 1 Creation of local implantations

Durch die Verwendung der Masken und einer Vorrichtung, um die Mas ken abzubilden, ist es möglich, Implantationen in Tiefen von einigen µm oder Dosen von beispielsweise < 10¹⁶ /cm² mit einer Auflösung im Sub mikrometerbereich zu erzielen. Da die Maske und das Substrat getrennt sind, können durch Einbringen von z. B. C in Si bei einer Implantation stemperatur von beispielsweise 400°C SiC-Strukturen erzeugt werden. Der Vorteil ist, daß diese SiC-Strukturen z. B. um Leuchtdioden herzu stellen, nur eine kleine Fläche des Wafers besetzen, der Wafer kann also für weitere typische Si-Prozeßschritte verwendet werden, um Schaltungen zu integrieren.By using the masks and a device to image the masks, it is possible to achieve implantations in depths of a few μm or doses of, for example, <10 ¹⁶ / cm ² with a resolution in the sub-micrometer range. Since the mask and the substrate are separated, by introducing e.g. B. C in Si at an implantation temperature of, for example, 400 ° C SiC structures are generated. The advantage is that these SiC structures z. B. to manufacture light-emitting diodes, occupy only a small area of the wafer, the wafer can thus be used for further typical Si process steps to integrate circuits.

Ein weiteres Beispiel für Materialsynthese durch lokale Implantation ist die Herstellung von einkristallinen Siliziden. Strukturierte einkristalline Silizide lassen sich derzeit nur durch Ionenimplantation herstellen. Durch die Möglichkeit hohe Ionenenergien zu nutzen, ist es möglich, mehrere vergrabene strukturierte Schichtsysteme zu erzeugen. Hierdurch können schnelle Photodioden oder Teilchendetektoren realisiert werden.Another example of material synthesis through local implantation is the production of single-crystal silicides. Structured single crystalline Silicides can currently only be produced by ion implantation. By the possibility of using high ion energies, it is possible to use several to produce buried structured layer systems. This can fast photodiodes or particle detectors can be realized.

Example 2 Doping diamond

Um eine Dotierung von Diamant zu erreichen, ist wegen der geringen Ak tivierung der Störstellen eine hohe Dosis notwendig. Um die Zerstörung des Diamanten durch Ionenstrahlschaden zu verhindern muß der Dia mant während der Implantation auf mehrere hundert Grad erhitzt wer den. Eine übliche Kontaktmaskierung für eine strukturierte Implantation ist unter diesen Bedingungen unmöglich. Die Lochmaskentechnologie in Verbindung mit der Ionenprojektion erlaubt hingegen eine Strukturauflö sung unterhalb einem Mikrometer bei diesen Bedingungen. Die hier be schriebene Erfindung ist deshalb zur Zeit das einzige Verfahren Diamant strukturiert mit hohen Dosen zu dotieren.In order to achieve diamond doping, the low Ak A high dose is necessary to activate the defects. Destruction to prevent the diamond from ion beam damage the slide mant heated to several hundred degrees during implantation the. A common contact mask for a structured implantation is impossible under these conditions. The perforated mask technology in In connection with the ion projection, however, a structure resolution is possible solution below one micrometer in these conditions. The be here Written invention is therefore currently the only method diamond structured to endow with high doses.

Hieraus ergeben sich zahlreiche neue Anwendungen wie die Herstellung von Temperatur- und Druck-Sensoren.This results in numerous new applications such as manufacturing of temperature and pressure sensors.

Example 3 Generation of micromechanical components

Der Ionenstrahl kann genutzt werden um eine Phasenumwandlung des Materials herbeizuführen. Beispielsweise kann Diamant lokal in einer be stimmten Tiefe in Graphit umgewandelt werden. Durch einen nachfolgen den selektiven Ätzprozeß können die graphitisierten Bereiche entfernt werden, um beliebig geformte mikromechanische Bauelemente herzustel len. Hierbei ist die große Härte von Diamant von großem Vorteil, um eine lange Haltbarkeit der Elemente zu gewährleisten. Graphitisierte Bereiche können aber, wenn sie nicht entfernt werden, auch genutzt werden um elektrische Ladungen zu transportieren. Hierdurch ist es möglich, durch elektrische Spannungen bewegte Bauelemente wie beispielsweise Motoren herzustellen. The ion beam can be used to phase change the Bring about materials. For example, diamond can be locally in a be certain depth to be converted into graphite. By following one the graphitized areas can be removed by the selective etching process are used to manufacture any shape of micromechanical component len. The great hardness of diamond is of great advantage in order to to ensure long durability of the elements. Graphitized areas however, if they are not removed, they can also be used to to transport electrical charges. This makes it possible to electrical voltages of moving components such as motors manufacture.

Example 4 Creation of micro stamps

Die eindeutige fälschungssichere Identifizierung von Gegenständen wie beispielsweise Ersatzteilen von Flugzeugen kann erreicht werden, indem Signaturen in das Material eingeprägt werden, die so komplex sind, daß sie mit einfachen herkömmlichen mechanischen Mitteln nicht gefälscht werden können. Die Einprägung dieser Signaturen ist z. B. durch einen Stempel möglich, dessen Strukturen die oben beschriebenen Bedingungen erfüllen. Diese Stempel müssen eine hohe Härte besitzen und eine lange Lebensdauer gewährleisten. Die Übertragung der Strukturen kann nun durch Druck auf den zu kennzeichnenden Gegenstand erfolgen. Hierdurch wird es möglich, eine große Anzahl von festen Gegenständen zu kenn zeichnen und ist durch Laserabtastung oder Inspektion mit dem Mikro skop in einfacher Weise zu identifizieren. Als mögliches Material für einen Stempel ist Diamant aufgrund der besonderen Härte zu bevorzugen. Die dreidimensionale Strukturierung von Diamantflächen im Mikrometer- und Submikrometerbereich ist durch die Erfindung möglich. Durch die not wendige komplexe Technologieschritte ist ein ausreichenden Schutz ge währt, um Fälschungen zu verhindern.The clear counterfeit-proof identification of objects such as for example spare parts of aircraft can be achieved by Signatures are stamped into the material that are so complex that not counterfeited with simple conventional mechanical means can be. The imprint of these signatures is e.g. B. by a Stamp possible, the structures of which meet the conditions described above fulfill. These stamps must have a high hardness and a long one Ensure durability. The structures can now be transferred by pressing the object to be marked. hereby it becomes possible to know a large number of solid objects draw and is by laser scanning or inspection with the micro identify skop in a simple way. As possible material for one Stamp is preferable to diamond because of its special hardness. The three-dimensional structuring of diamond surfaces in micrometer and Submicrometer range is possible through the invention. Due to the need Adequate protection is required for complex, complex technological steps lasts to prevent counterfeiting.

Example 5 Manufacture of quartz crystals

Durch lokale Umwandlung von kristallinem Quarz in amorphes Quarz und einen nachfolgendem selektiven Ätzschritt, können beliebige Formen von Quarzkristallen von geringer Ausdehnung erzeugt werden. Diese Quarze eignen sich z. B. als Schwingquarze. Der Umformungsprozeß von kristallinem zu amorphen Quarz erfolgt durch projektierte Ionenstrahlen großer Eindringtiefe. Der Vorteil dieser Methode ist, daß in kurzer Zeit eine große Anzahl von Schwingquarzen hergestellt werden können.By local conversion of crystalline quartz into amorphous quartz and a subsequent selective etching step can be of any shape of quartz crystals of small size. This Quartz are suitable for. B. as quartz crystals. The forming process from crystalline to amorphous quartz is created by projected ion beams great depth of penetration. The advantage of this method is that in a short time a large number of quartz crystals can be produced.

Example 6 Manufacture of micro nozzles and shadow masks

In kristallinen Membranen von einigen µm Dicke können durch Ionen strahlen höher Eindringtiefe Strukturen lateral amorphisiert werden. Bei Anwendung eines nachfolgenden selektiven Ätzschrittes ist die Herstellung von Kanälen oder Lochmasken möglich. Wird ein Material von besonderer Härte, beispielsweise Diamant, verwandt, können Düsen für verschiedener Anwendungen mit hoher Lebensdauer hergestellt werden.In crystalline membranes with a thickness of a few µm, ions can radiate deeper penetration structures are laterally amorphized. at The use of a subsequent selective etching step is the manufacture of channels or shadow masks possible. Becomes a material of special Hardness, such as diamond, can be used for different nozzles Applications with a long service life can be manufactured.

Example 7 Generation of sensors on tips

Erfolgt die Abbildung der Maske mittels einer Vorrichtung mit ausrei chender Tiefenschärfe, ist eine Implantation zusätzlich auch auf unebenen Flächen möglich. Diese Bedingung erlaubt beispielsweise Sensoren auch auf Spitzen wie Cantilevern zu erzeugen. Kombiniert man diesen Sensor mit einen Kraftmikroskop, können beispielsweise bislang nur indirekt er faßbare physikalische Größen wie Temperatur und Wärmeleitfähigkeit di rekt mit hoher Ortsauflösung gemessen werden.If the mask is imaged using a device with enough depth of field, an implantation is also on uneven Areas possible. This condition also allows sensors, for example to produce on peaks like cantilevers. If you combine this sensor with a force microscope, he can only indirectly so far, for example measurable physical quantities such as temperature and thermal conductivity di be measured directly with high spatial resolution.

Example 8 Manufacture of micro bearings and local micro hardening

Das Implantieren auf unebene Flächen ermöglicht das Einbringen von Fremdatomen in vorhandene mikromechanische Bauteile, so können bei spielsweise gezielt die Schmiereigenschaften von Lagern verändert oder Oberflächen von Materialien gezielt lateral gehärtet werden.Implanting on uneven surfaces enables the insertion of Foreign atoms in existing micromechanical components, so can for example, specifically changes the lubricating properties of bearings or Surfaces of materials are selectively hardened laterally.

Claims

1. shadow mask for ion beams consisting of a silicon wafer with a hole pattern arranged therein, characterized in that the silicon wafer on the side facing the incident ion beams has an ion beam stopping and heat from conductive metal coating.

2. shadow mask according to claim 1, characterized, that there is a diamond layer between the metal coating and the silicon wafer.

3. shadow mask according to claim 2, characterized, that the diamond layer has a thickness between 2 microns and 10 microns has.

4. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the silicon wafer compared to the perforated Be has thicker edge area.

5. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the perforated area of the silicon wafer has a thickness in the area from 20 µm to 200 µm.

6. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the edge region of the perforated disc has a thickness in the range between 300 µm and 1000 µm.

7. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the metal coating from one or more of the following The following metals exist: W, Ti, Au, Mo, Co, Cu, Hf, Al, Ta, Cr, Pt, Ag.

8. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the thickness of the metal coating in the range between 0.5 microns and is 20 µm.

9. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the metal coating from an alternating layer sequence different metals or compositions with under different lattice constants larger and smaller than silicon be stands to avoid major tension.

10. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that cooling channels in the silicon wafer and / or in the diamond layer and / or incorporated into the metal coating and be covered by the metal coating.

11. shadow mask according to claim 10, characterized, that the cooling channels ver with an input and with an output that are not or only partially visible from the coating are covered.

12. shadow mask according to one of claims 10 or 11, characterized, that the cooling channels have a width in the range between 100 nm and 10 µm and a depth of up to 80% of the total thickness of the hole have mask.

13. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the disc has an outer diameter in the range between 5 mm and 300 mm or more.

14. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the holes in the shadow mask have the smallest lateral dimensions in Have a range between 3 µm and 0.5 µm.

15. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized in that with ion beams with power densities greater than 3 W / cm ^2, the shadow mask has a durability of over 100 hours.

16. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the walls that delimit the holes in the shadow mask, at least partially diverge away from the metal coating.

17. shadow mask according to one of the preceding claims, characterized, that the metal coating of the shadow mask with an electrical Voltage connection is provided.

18. A method for producing a shadow mask, in particular according to one of the preceding claims, characterized by the following steps:

a) that one takes an output wafer made of silicon with a thickness in the range between 50 microns and 1000 microns and width dimensions solutions in the range of 5 mm to 300 mm or more, the Ge staltung the outer contour of the disk can be chosen at will;
b) that one side of the pane, the front, is coated with a resist material and is provided with a pattern by means of lithography which reproduces the shape of the desired holes in the perforated mask,
c) that the wafer is then etched to create holes in the rice layer according to the desired hole pattern,
d) that the wafer is treated by means of an etching process, for example reactive ion etching, sputter etching or etching with alternating types of gas (gas chopping), in order to also produce the hole pattern in the silicon wafer,
e) the pane is subsequently oxidized in order to provide the wall regions of the holes with SiO ₂ , SiO ₂ also being formed on other areas of the pane such as the front and rear,
f) that the SiO ₂ layer on the front of the perforated disk is removed, for example by etching or CMP (Chemical Mechanical Polishing),
g) that a metal coating is applied to the front of the perforated disc and
h) that the SiO ₂ coating on the remaining surfaces of the perforated disk is subsequently removed.

19. The method according to claim 18, characterized in that after step a), the following steps

a) that this pane is first coated on at least substantially all surfaces with SiO ₂ to a thickness in the order of magnitude of 100 nm to 5 μm,
b) that the SiO ₂ coating is removed on a portion of the back of the pane and
c) that the wafer is etched from the back to form a central region of the wafer which, compared to the edge region where the SiO ₂ coating is still maintained, becomes thinner,

be carried out, and that in step e) the front of the pane with the still complete SiO ₂ coating is coated with a resist material.

20. The method according to any one of claims 18 or 19, characterized, that after step i) the perforated disc with a starting layer for a galvanic metal coating, for example a start layer made of GeO, Cr, or another metal or one highly conductive semiconductor layer, such as highly conductive Silicon.

21. The method according to any one of the preceding claims 18 to 20, characterized, that cooling channels in the perforated disc by means of reactive ion etching be witnessed, for example after step f) before, with or after step g) and a first metallic coating by Evaporation or sputtering process by rotating the Substrate is performed in a tilted position to the Cooling ducts except for the entrance and exit areas ken.

22. The method according to any one of the preceding claims 18 to 21, characterized, that a diamond layer on the surface of the silicon wafer is placed, for example, immediately after step a) or after step i).

23. The method according to any one of claims 18 to 22, characterized, that cooling before or after making the diamond coating channels within the diamond layer through appropriate litho graphics processes are generated.

24. The method according to any one of claims 18 to 23, characterized, that during the deposition of the metal coating according to the Process step j) cooling channels in the metal coating be det and that the cooling channels then by an up steaming process or sputtering process when the perforated disc rotates be locked in a tilted position, whereupon the Metal coating is continued.

25. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the output wafer is a silicon ( 100 ) or ( 110 ) wafer with a conductivity of the order of 0.01 Ωcm, the silicon wafer being polished on both sides.

26. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that step c) is carried out by lithography.

27. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that step e) of coating with resist by spinning, Spraying or dipping process is carried out.

28. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that step j) the metallic coating of the perforated disc is carried out by means of a galvanic process.

29. Use of a shadow mask, in particular according to one of the preceding claims 1 to 17 for the production of laterally sharply limited modifications by introducing particles into a substrate, characterized in that a self-supporting mask with any structure on an area <1 mm ² with Resolutions <3 µm is used, which is suitable for particle radiation with a high continuous power density <3 W / cm ² with regard to penetration depth, material removal and material / heat stability.

30. Application according to claim 29, characterized, that the mask has an aspect ratio <30.

31. Use of a shadow mask, in particular according to one of the previously going claims 1 to 17 for the introduction of foreign atoms or beam damage in any lateral distribution with high late resolution down to the submicrometer range in substrates without an otherwise usual masking by direct application of Material on the substrate, the shadow mask being separated by particles is formed.

32. Application according to one of claims 29 to 31, characterized, that during the implantation the substrate to temperatures ge is heated, the masking by direct application of Prohibit material on the substrate.

33. Application according to one of claims 29 to 32, characterized, that ion beam energies from a hundred keV to a few MeV are used find.

34. Application according to one of claims 29 to 33, characterized, that the substrate has no planar surface.

35. Application according to one of claims 29 to 34, characterized, that a lateral dose profile of the foreign atoms or radiation damage in only one step is generated.

36. Application according to one of claims 29 to 35, characterized, that it is used for local implantation.

37. Application according to one of claims 29 to 36, characterized, that new materials are formed.

38. Application according to one of claims 29 to 37, characterized, that is implanted in diamond.

39. Application according to one of claims 29 to 38 for generation micromechanical and / or electronic and / or optical and / or optoelectronic components made of solid bodies.

40. Application according to one of claims 29 to 39, characterized, that crystalline materials are used.

41. Application according to claim 40, characterized, that crystalline material is amorphized.

42. Application according to claim 41, characterized, that the amorphized material is selectively etched.

43. Application according to one of claims 29 to 42, characterized, that diamond is modified, for example by implantation of boron atoms to change the conductivity locally.

44. Application according to one of claims 29 to 43, characterized, that electro-optical properties of diamond are modified.

45. Application according to one of claims 29 to 44, characterized, that quartz is modified to include, for example, quartz crystals to produce a more precise oscillation frequency.

46. Application according to one of the preceding claims 29 to 42, characterized, that quartz three-dimensionally in any two-dimensional form is structured.

47. Use according to one of claims 29 to 42 for the production of high aspect ratio peaks.

48. Use according to one of claims 29 to 42 for the production of membranes and cavities.

49. Use according to one of claims 29 to 42 for the production of micro nozzles in solids.

50. Application according to claim 49, characterized, that any arrangement of the nozzles is generated simultaneously.

51. Application according to claim 49 or 50, characterized, that the nozzles are made in diamond.

52. Application according to claim 49 or 50, characterized, that the nozzles are made in quartz.

53. Application according to one of claims 29 to 37 for local loading radiation of biological materials, any shape in any arrangement with a lateral resolution down to the sub micrometer range are irradiated simultaneously.

54. Application according to one of claims 29 to 52 for modification of materials, for example hardening and / or lubrication properties are modified locally.

55. Use according to one of claims 29 to 52 for the production Piezoresistive components and PN junctions in diamond.

56. Application according to one of claims 29 to 52 in the form of a Combination of diamond microelectronics and MEMS.

57. Use according to one of claims 29 to 52 for the production of gas sensors for reactive environments on diamond.