DE10132435A1

DE10132435A1 - Hochqualitative lithographische Bearbeitung

Info

Publication number: DE10132435A1
Application number: DE10132435A
Authority: DE
Inventors: David R Brown; Gregg T Borek; Randy Lindsey; Pete S Erbach
Original assignee: Mems Optical Inc
Current assignee: Mems Optical Inc
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2002-03-07
Also published as: US20020045105A1; JP2002122998A

Abstract

Lithographische Verfahren, die zur Fertigung von Mikromaschinen genutzt werden, leiden bisher an Zusammenfügungsfehlern und Fehlern, die sich aus der Rauheit der Oberfläche des photoempfindlichen Materials ergeben. Diese Fehler lassen sich durch die Nutzung von Belichtungstechniken in mehreren Durchläufen minimieren, um die Zusammenfügungsfehler zu minimieren. Die Oberflächenrauheitsfehler werden durch eine Wärmebehandlung der Oberfläche des photoempfindlichen Materials minimiert, die den Hauptteil des photoempfindlichen Materials ungestört läßt.

Description

Strukturieren bzw. Mustern in mehrfachen Durchläufen verringert Zusammenfügungsfehler, und Schmelzbearbeiten ver bessert die Oberflächenqualität des photoempfindlichen Mate rials, das mit einem Grauskalen- oder analogen Lithographie verfahren hergestellt ist.

Bei vielfältigen Mikrostrukturen, z. B. mikrooptischen Elementen oder MEMS (mikroelektromechanischen Systemen), be steht Bedarf an kleinen Strukturen, d. h. Mikrostrukturen oder Mikromaschinen, die gekrümmt oder nicht linear in viel fältigen Strukturen in rechtwinkliger Richtung zur Richtung des Substrats sind. Diese kleinen gekrümmten Strukturen sind unter 100 im groß, und es hat sich erwiesen, daß gekrümmte Strukturen dieser Größe mit Hilfe traditioneller photolitho graphischer und Ätzverfahren schwer zu realisieren sind. Vor teilhaft würde man diese gekrümmten Strukturen verwenden, um solche Komponenten wie Turbinenläufer und Mikrolinsen herzu stellen, die zur Bildung von Maschinen im Mikromaßstab oder Mesomaßstab in Silizium oder anderen erwünschten Materialien notwendig sind. Zu Mikromaschinen gehören auch "Mikrofluid"- Bauelemente oder Minikühlvorrichtungen innerhalb von PCs, die Innenwärme unterdrücken, Mikrorelais, optische Dämpfer, opti sche Verschlüsse, Photonschalter, Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Hochqualitative Bearbeitung ist nicht auf Mikroma schinen beschränkt, sondern dient auch zur Bildung von Mikro strukturen, z. B. mikrooptischen Elementen oder Mikrolinsen.

Grauskalenlithographieverfahren bezieht sich auf ein in einem Schritt durchgeführtes Lithographieverfahren, das eine komplexe dreidimensionale Oberflächentopographie in photoemp findlichen Materialien erzeugt.

Standardgrauskalentechniken ermöglichen das Ätzen fla cher gekrümmter Oberflächen mit einer Größe unter 100 µm mit einem solchen Ätzverfahren wie Ionenstrahlätzen mit Argon. Standardgrauskalentechniken erfordern Dickschichten aus Pho toresist, die gewöhnlich etwa 1 bis 50 µm tief sind. Bei der Grauskalen-Photolithographie kommt eine Belichtungsmaske zum Einsatz, die mit mehreren genau lokalisierten und bemessenen lichtdurchlassenden Öffnungen aufgebaut sein kann. Normaler weise wird bei dieser Technologie eine Chrommaske mit kleinen Öffnungen verwendet. Die Öffnungen sind mit ausreichend klei nen spezifischen Öffnungsgrößen gebildet und an einer ausrei chend großen Anzahl spezifischer Stellen lokalisiert, die mit den zugehörigen Stellen auf dem gewünschten Objekt in Wech selbeziehung stehen, damit ein Bild des Entwurfsobjekts in einem Photoresistmaterial erzeugt werden kann.

Die in den US-A-5482800 und 5310623 (Gal) typisch darge stellte Grauskalen-Photolithographie verwendet eine Einzelpi xel-Belichtungsmaske, die in Teilpixel unterteilt ist. Sei nerseits ist jedes Teilpixel in Grauskalen-Auflösungselemente unterteilt. Nach Gal kann ein typisches Pixel etwa 2 bis 4 µm auf jeder Seite haben, jedes Teilpixel kann etwa 1 bis 3 µm auf jeder Seite haben, und jedes Grauskalen-Auflösungselement kann etwa 0,2 µm auf jeder Seite haben. Das Licht zur Belich tung ist UV-Licht mit etwa 0,365 bis 0,436 µm Wellenlänge. Nach Gal können die Auflösungselemente so gruppiert sein, daß eine volle Wellenlänge des UV-Lichts eine durch die justier ten Auflösungselemente gebildete Öffnung durchlaufen kann. Infrarotlicht- und UV-Lichtwellenlängen werden mit unter schiedlichen Typen von Grauskalen verwendet.

Das Strukturieren bzw. Mustern des Photoresists zur Bil dung einer Photomaskenschicht kann mit einer einzelnen Grau skalenmaske durchgeführt werden. Alternativ kann das Mustern des Photoresists zur Erzeugung einer Photomaskenschicht mit variabler Dicke durch Belichten mit zwei Grauskalenmasken er reicht werden.

Durch Verwendung eines geeigneten Musters läßt sich eine Belichtung in einem Photoresistmaterial erzeugen, die be wirkt, daß die Höhe des bearbeiteten Photoresistmaterials die Höhe des gewünschten Werkstücks repliziert. Danach kann das belichtete Photoresist durch Entwickeln mit bekannten Verfah ren bearbeitet werden, um einen Abdruck des gewünschten Mu sters im entwickelten Photoresist zu erzeugen. Alternativ kann das gemusterte Photoresist selbst das Endprodukt sein.

Die Bilderzeugung erfolgt durch Belichten des Photore sistmaterials mit Licht einer ausgewählten Wellenlänge durch die Grauskalenmaske, das durch Öffnungen in der Belichtungs maske für eine ausgewählte Zeitperiode durchgelassen wird. Gewöhnlich ist das Licht Ultraviolettlicht. Danach wird das belichtete Photoresistmaterial bearbeitet, um das gewünschte Objekt auf einem Substratmaterial zu erhalten, wobei ein Ätz verfahren verwendet wird, z. B. ICP-Bearbeitung oder RIE/ICP- Bearbeitung.

Es gibt Grauskalen-Maskentechnologien, u. a. das Halb tonverfahren, die modulierte Belichtungsmaskierungstechnik und das gegenüber energiereichen Strahlen empfindliche Glas (HEBS-Glas) von Canyon Material. Diese Techniken belichten ein photoempfindliches Material teilweise, um eine gewünschte Struktur zu erreichen. Zu photoempfindlichen Materialien ge hören u. a., aber nicht ausschließlich, Photoresist- und PMMA-(Polymethylmethacrylat-)Materialien. Bei der Verwen dung von HEBS-Glas ist das Glas selbst photoempfindlich.

Beim Einsatz des gegenüber energiereichen Strahlen emp findlichen Glases (HEBS-Glas) handelt es sich um eine Her stellung einer Graustufenmaske in einem Schritt. Die Belich tung dieser Graustufenmaske erfolgt mit einem Elektronen- bzw. e-Strahl-Schreibwerkzeug. Die Software des e-Strahl- Schreibwerkzeugs dient zur Unterstützung von Wegen zur Mas kenproduktion und zum Direktschreiben auf Resist zur Ferti gung optischer Beugungselemente (DOEs). Die so erzeugte Graustufenmaske ist in einem optischen Belichtungswerkzeug (z. B. einem G-Linien-Stepper oder einem Kontaktbelichtungs gerät) zur Massenfertigung von Resistprofilen verwendbar.

Mit der Graustufenmaskenfertigung mit Hilfe von HEBS- Glas und einer nachfolgenden optischen Belichtung werden eventuell Justierfehler vermieden, da die Maske in einem ein zelnen Schritt unter Verwendung unterschiedlicher Elektronen strahldosierungen geschrieben wird, um Graustufen zu erzeu gen. Statt der Herstellung eines Satzes aus fünf Binärmasken mit all der dazu gehörenden Resistbearbeitung und Naßätzung kommt nur ein einzelner Schreibschritt ohne jede Resistbear beitung zum Einsatz. Danach enthält die einzelne Maske all die notwendigen Informationen, die zuvor in einem Satz aus fünf Binärchrom- bzw. -farbmasken enthalten waren.

Nach Herstellung der HEBS-Graustufenmaske kann eine Fol ge von Einzelbelichtungen in einem Additions- bzw. Step- und- Repeat-System hunderte DOEs auf demselben Wafer erzeugen. Da nach läßt sich dieser Wafer bearbeiten, um die DOE-Struktur einer großen Anzahl unterschiedlicher Elemente in das Sub strat zu übertragen. Da die komplette DOE-Struktur in das Substrat übertragen wird, besteht keine Notwendigkeit eines Schritts zur Resistablösung nach dem Ätzverfahren. Nach Ver einzeln des Wafers sind zahlreiche monolithische Mehrstufen- DOEs erzeugt.

Es gibt mindestens zwei Hauptfehlerquellen, die das Oberflächenprofil von Strukturen in photoempfindlichen Mate rialien beeinträchtigen, die Resultat eines Grauskalen- oder analogen Lithographieverfahrens sind.

Die erste Fehlerquelle entsteht aus der allgemeinen Rau heit in der Oberfläche des photoempfindlichen Materials. Ur sache für diesen Fehler können die geringfügigen Variationen der Dosis des Schreibwerkzeugs, gewöhnlich eines Elektronen strahls (e-Strahls) oder Lasers, sein. Beim Halbtonverfahren kann der gewählte Pixelformansatz diesen Fehler bewirken. Normalerweise liegt die Schwingungsperiode für den allgemei nen Rauheitsfehler in der Größenordnung von 10 Mikrometern.

Die zweite Fehlerquelle ist der Zusammenfügungsfehler; er ist geometrisch und wird durch geringfügige Variationen der Positionierung und Größe des Schreibwerkzeugs ausgelöst. Der Zusammenfügungsfehler ist Folge geringfügiger Ungenauig keiten der Positionierung bzw. Stufe und des Felds des Schreibwerkzeugs. Die Stufe des Schreibwerkzeugs bezieht sich auf die horizontale Ablenkung, wobei eine geringfügige Varia tion der Positionierung der Horizontallinie zum Zusammenfü gungsfehler führt. Das Feld bezieht sich auf die Breite der Schreiblinie, wobei eine Variation der Schreiblinienbreite auch zum Zusammenfügungsfehler führt. Der Zusammenfügungsfeh ler hat eine niederfrequente Periode und manifestiert sich in den leichten vertikalen Linien in der Oberfläche.

Dargestellt ist der Zusammenfügungsfehler im Intensi tätskennfeld der Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik gemäß Fig. 1. Fig. 1 zeigt, daß Oberflächendiskontinuitäten in den Oberflächenkonturen deutlich sichtbar sind.

Der allgemeine Rauheits- und der Zusammenfügungsfehler treten auch in Anwendungen mit direktem Beschreiben des pho toempfindlichen Materials auf, in denen keine Maske zum Ein satz kommt. Zum allgemeinen Rauheitsfehler kommt es, weil das Direktschreibwerkzeug (z. B. e-Strahl oder Laser) zu Schreib dosisvariationen neigen kann. Der Zusammenfügungsfehler tritt auf, da das Direktschreibwerkzeug zu geometrischen Variatio nen neigen kann. Ferner treten die Zusammenfügungsfehler auch in binären lithographischen Verfahrensanwendungen auf, in de nen eine Maske verwendet wird.

Wie gezeigt wurde, gibt es mindestens zwei Hauptproble me, den allgemeinen Rauheits- und den Zusammenfügungsfehler, die die Realisierung eines Grauskalen- und analogen Photoli thographieverfahrens zur Herstellung der kleinen dreidimen sionalen Strukturen behindern, die zur Fertigung von Mikroma schinen und mikrooptischen Elementen erforderlich sind. Die Erfindung löst diese Probleme durch Verwendung einer Wärmebe handlung und einer Belichtung in mehreren Durchläufen.

Verständlich sollte sein, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende nähere Be schreibung als Beispiel und Erläuterung dienen und eine nähe re Erklärung der Erfindung gemäß den Ansprüchen geben sollen.

Teilweise betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Mini mieren lithographischer Fehler, die sich aus Zusammenfügungs fehlern ergeben.

Teilweise betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Mini mieren lithographischer Fehler, die sich aus der Oberflächen rauheit eines im photolithographischen Verfahren verwendeten photoempfindlichen Materials ergeben.

Teilweise betrifft die Erfindung ein optimiertes photo lithographisches Verfahren, das zur Herstellung von Mikroma schinen und mikrooptischen Elementen geeignet ist.

Teilweise betrifft die Erfindung ein lithographisches Verfahren mit den folgenden Schritten: Durchführen mehrerer Durchläufe, um eine spezifische Struktur auf ein photoemp findliches Material zu schreiben, Belichten des photoempfind lichen Materials und Schmelzen mindestens eines Oberschicht abschnitts des photoempfindlichen Materials.

Teilweise betrifft die Erfindung eine Maske, deren Bil dung mit folgenden Schritten erfolgt: Bereitstellen eines photoempfindlichen Materials, Durchführen mindestens eines Durchlaufs, um ein Muster auf das photoempfindliche Material zu schreiben, und Entwickeln des photoempfindlichen Materi als.

Teilweise betrifft die Erfindung Mikrostrukturen sowie ein Verfahren zur lithographischen Bearbeitung zur Bildung von Mikrostrukturen, das die folgenden Schritte aufweist: Be reitstellen eines Substrats, Auftragen eines photoempfindli chen Materials über dem Substrat, Durchführen mindestens ei nes Durchlaufs, um ein Muster einer spezifischen Struktur auf das photoempfindliche Material zu schreiben, wodurch der Zu sammenfügungsfehler reduziert wird, Schmelzen mindestens ei nes Abschnitts des photoempfindlichen Materials, wodurch der allgemeine Rauheitsfehler reduziert wird, Entwickeln des Mu sters und Entfernen von restlichem photoempfindlichem Materi al.

Teilweise betrifft die Erfindung eine Mikrostruktur oder ein mikrooptisches Bauelement, die (das) durch ein lithogra phisches Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt ist: Durchführen mehrerer Durchläufe, um eine spezifische Struktur auf ein photoempfindliches Material zu schreiben, Belichten des photoempfindlichen Materials unter Verwendung der Maske, und Schmelzen einer Oberschicht eines photoemp findlichen Materials, wobei das Bauelement ein Turbinenläu fer, eine Mikrolinse, ein Mikrofluidbauelement, ein Mikrore lais, ein optischer Dämpfer, ein optischer Verschluß, ein Photonschalter, ein Beschleunigungsmesser oder ein Gyroskop sein kann.

Die beigefügten Zeichnungen sind zum besseren Verständ nis der Erfindung vorgesehen. Die Zeichnungen veranschauli chen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der Ausfüh rungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Intensitätskennfeld einer Anamorphot linse der herkömmlichen Technik.

Fig. 2 zeigt ein Intensitätskennfeld einer erfindungsge mäß hergestellten Anamorphotlinse.

Fig. 3 zeigt ein Oberflächenprofil einer Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik von Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein Oberflächenprofil einer erfindungsgemäß hergestellten Anamorphotlinse von Fig. 2.

Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße teilweise Schmelzen eines photoempfindlichen Materials.

Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden nähe ren Beschreibung deutlicher hervor. Allerdings sollte klar sein, daß die nähere Beschreibung und die spezifischen Bei spiele, auch wenn sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung zeigen, nur zur Veranschaulichung dienen, da dem Fach mann anhand dieser näheren Beschreibung verschiedene Änderun gen und Abwandlungen innerhalb des Grundgedankens und Schutzumfangs der Erfindung deutlich sein werden.

Eine Lösung zur Behebung des allgemeinen Rauheitsfehlers gemäß den Lehren dieser Anmeldung besteht in einem Schmelz verfahren. Das bevorzugte Ziel dieser Lösung ist, nur die Oberschicht des photoempfindlichen Materials zu schmelzen und es der Oberflächenspannung zu ermöglichen, die Rauheit aus der Oberfläche zu ziehen.

Fig. 5 stellt das Schmelzverfahren dar. Über einem Sub strat 1 ist eine Struktur 2 abgeschieden, die sich aus einem photoempfindlichen Material zusammensetzt, z. B. einem Photo resist. Eine Wärmequelle 3 übt Wärme auf die Struktur 2 so aus, daß ein Abschnitt 4 der Struktur schmilzt, während der Großteil der Struktur 2 in einem ungeschmolzenen Zustand bleibt. Nach Abkühlung verfestigt sich das photoempfindliche Material wieder, um eine Struktur mit einer glatten Oberflä che zu bilden.

Es gibt mehrere Techniken zur Realisierung der Lösung des Erwärmungsverfahrens; die geeignete Technik kann von der Ausgangsoberflächenstruktur abhängen. Zu den unterschiedli chen Techniken gehören mindestens: (1) Brennen bzw. Glühen des photoempfindlichen Materials für eine festgelegte Zeit; (2) Plazieren des Wafers auf dem Kopf stehend, so daß sich das photoempfindliche Material in einer kurzen Entfernung, z. B. wenige Millimeter oder mehr, von einer Wärmequelle be findet, z. B. einer Wärmeplatte, einem thermoelektrischen Element, einer Infrarotlampe oder einem Wärmebad; (3) Verwen den einer Wärmedusche, um Heißluft auf die photoempfindliche Oberfläche zu blasen; (4) Fließenlassen einer heißen Flüssig keit über die Oberfläche des photoempfindlichen Materials; und (5) Fließenlassen eines heißen Lösungsmitteldampfs über die Oberfläche des photoempfindlichen Materials. Die Aufgabe bei der praktischen Umsetzung dieser Lösung ist nicht, den Großteil des photoempfindlichen Materials zu schmelzen oder wieder fließen zu lassen, sondern Oberflächenunregelmäßigkei ten zu glätten, ohne die Oberflächenkontur zu ändern.

Die Temperatur und Erwärmungszeit hängen von der Tiefe und vom Seitenverhältnis der erwärmten Struktur ab. Für fla che Strukturen sind höhere Temperaturen ungeeignet, und für dickere Strukturen werden niedrigere Temperaturen verwendet. Zum Beispiel wird eine Temperatur von etwa 125°C für eine Zeit von etwa 10 bis 30 Minuten für eine flache Struktur mit etwa 8 µm Tiefe verwendet. Als weiteres Beispiel wird eine Temperatur von etwa 95°C für eine Zeit von etwa 15 Minuten für eine dickere Struktur mit etwa 15 bis 20 µm Tiefe verwen det.

Ein weiterer Faktor, der die Erwärmungszeit und -tempe ratur beeinflußt, ist das Material des photoempfindlichen Ma terials. Beispielsweise erfordert ein Polyamid-Photoresist eine höhere Zeit und Temperatur als andere Photoresistarten. Zu Beispielen für das Polyamid-Photoresist zählen u. a., aber nicht ausschließlich, PA6T (Polyhexamethylendiaminterephtha lat), PA66 (Polyhexamethylendiaminadipat) und PA46 (Polyte tramethylendiaminadipat).

Das Wärmeglühen nach Technik (1) kann vorzugsweise im Bereich von etwa 120 bis 170°C für eine Dauer von etwa 30 Sekunden bis etwa 1 Stunde erfolgen. Zu bevorzugten Tempera turbereichen für diese Ausführungsform gehören etwa 120 bis 130°C, etwa 130 bis 140°C, etwa 140 bis 150°C, etwa 150 bis 160°C und etwa 160 bis 170°C. Zu bevorzugten Glühzeiten gehören etwa 30 Sekunden bis 1 Minute, etwa 1 Minute bis etwa 1,5 Minuten, etwa 1,5 Minuten bis etwa 2 Minuten, etwa 2 Mi nuten bis etwa 2,5 Minuten, etwa 2,5 Minuten bis etwa 3 Minu ten, etwa 3 Minuten bis etwa 3,5 Minuten, etwa 3,5 Minuten bis etwa 4 Minuten, etwa 4 Minuten bis etwa 4,5 Minuten, etwa 4,5 Minuten bis etwa 5 Minuten, etwa 5 Minuten bis 10 Minu ten, etwa 10 Minuten bis 20 Minuten, etwa 20 Minuten bis 30 Minuten, etwa 30 Minuten bis 40 Minuten, etwa 40 Minuten bis etwa 50 Minuten und etwa 50 Minuten bis etwa 1 Stunden.

Das Glühen von Technik (1) läßt sich alternativ bei etwa 60 bis 120°C für etwa 30 Minuten oder länger durchführen. In dieser Ausführungsform gehören zu den bevorzugten Temperatur bereichen etwa 60 bis 70°C, etwa 70 bis 80°C, etwa 80 bis 90°C, etwa 90 bis 100°C, etwa 100 bis 110°C und etwa 110 bis 120°C. Die Glühzeit bei diesen niedrigeren Temperaturen beträgt vorzugsweise etwa 24 Stunden oder weniger, ist aber nicht darauf beschränkt. Zu bevorzugten Glühzeiten zählen et wa 30 Minuten bis etwa 1 Stunden, etwa 1 Stunde bis etwa 2 Stunden, etwa 2 Stunden bis etwa 3 Stunden, etwa 3 Stunden bis etwa 4 Stunden, etwa 4 Stunden bis etwa 5 Stunden, etwa 5 Stunden bis etwa 6 Stunden, etwa 6 Stunden bis etwa 7 Stün den, etwa 7 Stunden bis etwa 8 Stunden, etwa 8 Stunden bis etwa 9 Stunden, etwa 9 Stunden bis etwa 10 Stunden, etwa 10 Stunden bis etwa 11 Stunden, etwa 11 Stunden bis etwa 12 Stunden, etwa 12 Stunden bis etwa 13 Stunden, etwa 13 Stunden bis etwa 14 Stunden, etwa 14 Stunden bis etwa 15 Stunden, et wa 15 Stunden bis etwa 16 Stunden, etwa 16 Stunden bis etwa 17 Stunden, etwa 17 Stunden bis etwa 18 Stunden, etwa 18 Stunden bis etwa 19 Stunden, etwa 19 Stunden bis etwa 20 Stunden, etwa 20 Stunden bis etwa 21 Stunden, etwa 21 Stunden bis etwa 22 Stunden, etwa 22 Stunden bis etwa 23 Stunden und etwa 23 Stunden bis etwa 24 Stunden.

Nach Technik (1) kann das Wärmeglühen bei 150°C für un ter 1 Minute oder bei 70°C für mehr als 30 Minuten erfolgen. Die Erfindungsgrundsätze gemäß Technik (1) lassen sich mit Temperatur- und Zeitbereichen praktisch umsetzen, die für das verwendete spezifische photoempfindliche Material und die er wünschte resultierende Struktur geeignet sind.

Da die Glühtemperatur und -zeit von einem Bereich von Variablen abhängen, u. a. der Art von photoempfindlichem Ma terial sowie der Tiefe und Geometrie des photoempfindlichen Materials, kann es eine Überlappung der bevorzugten Erwär mungstemperaturen und -zeiten geben. Dadurch können bevorzug te Temperatur- und Zeitbereiche liegen, wo die Temperatur et wa 80 bis 170°C und die Zeit bis etwa 1 Stunde beträgt oder wo die Temperatur etwa 60 bis 90°C beträgt und die Zeit gleich oder größer als etwa 30 Minuten ist.

Das Glühen kann in der Umgebungsatmosphäre durchgeführt werden, d. h. an Luft. Indes kann das Glühen auch in einem Inertgas erfolgen, z. B. Stickstoff, Argon, Helium oder Neon.

Technik (2) beinhaltet, daß die Oberfläche des photoemp findlichen Materials einer Wärmeplatte ausgesetzt wird. Tech nik (3) beinhaltet den Einsatz einer Wärmedusche, um Heißluft auf die Photoresistoberfläche zu blasen. Bei Technik (4) läßt man eine heiße Flüssigkeit über die Oberfläche des photoemp findlichen Materials fließen. Bei Technik (5) läßt man einen heißen Lösungsmitteldampf über die Oberfläche des photoemp findlichen Materials fließen. Die für Technik (1) verwendeten Zeit- und Temperaturintervalle sind auch auf die Techniken (2) bis (5) anwendbar.

Vorzugsweise verflüssigt das Wärmebehandlungsverfahren die Oberfläche der Schmelze, während der Hauptteil des photo empfindlichen Materials verfestigt bleibt. Zu den Schmelzbe reichen können gehören: etwa 10 bis 20% des Hauptteils des photoempfindlichen Materials, etwa 20 bis 30% des Hauptteils des photoempfindlichen Materials, etwa 30 bis 40% des Haupt teils des photoempfindlichen Materials und etwa 40 bis 50% des Großteils des photoempfindlichen Materials. Vorzugsweise wird genügend photoempfindliches Material geschmolzen, um die Tiefe abzudecken, die der Oberflächenrauheit des photoemp findlichen Materials entspricht. Diese bevorzugte Tiefe ist als quadratischer Mittelwert der Oberflächenrauheit ausge drückt.

Obwohl teilweises Verflüssigen des photoempfindlichen Materials bevorzugt ist, ist das Wärmebehandlungsverfahren auch dann wirksam, wenn die Gesamtmenge des photoempfindli chen Materials verflüssigt wird. Insbesondere gilt dies, wenn das photoempfindliche Material in Form eines Dünnfilms vor handen ist, der gegenüber Effekten hochempfindlich ist, die sich aus inniger Berührung des photoempfindlichen Materials mit dem Substrat ergeben.

Die Beseitigung des Zusammenfügungsfehlers durch mehrere Durchläufe ist in mindestens zwei gesonderten Ausführungsfor men der Erfindung wirksam.

Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet mehrere Durchläufe, um den Zusammenfügungsfehler beim Bilden der Mas ke zu beseitigen. Schreiben in mehreren Durchläufen dient zum Mustern der Maske, die eine Grauskalenmaske sein kann. Beim Bilden der Maske kommt keine Wärmebehandlung zum Einsatz, um die Oberflächenrauheit zu reduzieren.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden der Zusammenfügungsfehler und die Ungleichmäßigkeit der Be lichtung im Schreibverfahren dadurch gemildert, daß eine Schreibtechnik in mehreren Durchläufen zum Einsatz kommt. Das Verfahren besteht darin, das gewünschte Muster vielmals mit Teildosierung zu schreiben. Dieses Schreiben kann mit einer Maske durchgeführt werden, die mit mehreren Durchläufen ge bildet ist, oder alternativ mit einer Maske, die herkömmlich gebildet ist. Der Effekt der mehreren Schreibvorgänge führt zur fertigen gewünschten Struktur. Die Gesamtschreibdosis (die Summe der Dosen der mehreren Schreibvorgänge) kann etwas größer als die Dosis sein, die zum Schreiben in einem Schritt gemäß der herkömmlichen Technik notwendig ist.

Der erfindungsgemäße Einsatz mehrerer Durchläufe redu ziert die Zusammenfügungsfehler infolge der zufälligen Feh lerfortpflanzung. In jedem Durchlauf sind der Stufen- und der Feldfehler zufällig anders als in anderen Durchläufen. Dies minimiert wirksam den Fehler jedes gegebenen Durchlaufs durch Mitteln der Fehler aller Durchläufe, wodurch eine gleichmäßi gere Grautonmaske erzeugt wird.

Die mehreren Durchläufe können so erfolgen, daß dieser Mittelungseffekt maximiert ist. Eine solche Technik zum Maxi mieren des Mittelungseffekts besteht darin, jeden Durchlauf um eine sehr kleine Entfernung (oder einen sehr kleinen Ver satz) zweckmäßig so zu verschieben, daß keine zwei Durchläufe auf demselben Weg schreiben. Allgemein reichen etwa 2 bis 8 Durchläufe aus, um den Mittelungseffekt zu erreichen. Häufig läßt sich der Mittelungseffekt mit etwa 2 bis 4 Durchläufen erzielen. Auch eine größere Anzahl von Durchläufen kann ver wendet werden. Allerdings verbessert eine größere Anzahl von Durchläufen den durch eine kleinere Anzahl von Durchläufen erreichten Mittelungseffekt nicht spürbar.

Zum Schreiben in mehreren Durchläufen können vielfältige Energiequellen genutzt werden. Zu diesen Energiequellen zäh len Laser-, UV-, Elektronenstrahl-, Infrarot-, sichtbare und Röntgenstrahlquellen.

Die hier in der Anwendung auf das Grauskalen-Lithogra phieverfahren offenbarten Grundsätze der Erfindung lassen sich auch auf ein binäres Lithographieverfahren anwenden, in der Hauptsache, aber nicht ausschließlich, auf eine direkte Resistabtastung auf einer Binär- oder Mehrfachmaske. Die Techniken dieser Anmeldung können auch auf direkte Schreib-, d. h. Abtrageverfahren, angewendet werden.

Eine Reihenfolge zur praktischen Umsetzung der Erfin dungsgrundsätze lautet: (1) Beheben von Zusammenfügungsfeh lern durch Schreiben in mehreren Durchläufen (entweder beim Schreiben der Maske für Grauskalen- oder binäre Lithographie vorgänge oder beim direkten Schreiben auf das photoempfindli che Material); (2) Belichten des photoempfindlichen Materials unter Verwendung der Maske (für Grauskalen- und binäre Litho graphievorgänge, aber möglicherweise nicht für direktes Be schreiben des photoempfindlichen Materials); und (3) Beheben des allgemeinen Rauheitsfehlers durch Erwärmen der Ober schicht des photoempfindlichen Materials (für alle drei Li thographievorgänge).

Das Lithographieverfahren der Erfindung braucht nicht sowohl mit dem Schreibschritt in mehreren Durchläufen als auch mit dem Erwärmungsschritt der Oberschicht durchgeführt zu werden. Sowohl der Schritt des Schreibens in mehreren Durchläufen als auch der des Erwärmens lassen sich getrennt ohne den anderen Schritt durchführen, um ein überlegenes Li thographieverfahren zu erhalten. Vorzugsweise wird das Litho graphieverfahren sowohl mit dem Schritt des Schreibens in mehreren Durchläufen als auch des Erwärmens durchgeführt.

Eine typische Folge zur Bildung einer Mikrostruktur auf einem Substrat gemäß der Erfindung wäre, eine Resistschicht auf das Substrat aufzuschleudern, das Substrat (eventuell in mehreren Durchläufen) mit oder ohne Maske zu belichten, das photoempfindliche Material zu entwickeln, das Substrat zu er wärmen, mit Wärme zu behandeln, das Substrat zu ätzen und das photoempfindliche Material zu entfernen.

Alternativ ist das photoempfindliche Material selbst das Endprodukt. Zum Beispiel ist das Endprodukt eine aus Photore sist hergestellte Vorlage. In diesem Fall wird das Verfahren ohne den Ätzschritt durchgeführt.

Im Vergleich mit Fig. 2 und 4 zeigen Fig. 1 und 3 die verbesserte Qualität der Oberfläche eines photoempfindlichen Materials, das durch erfindungsgemäßes und hier beschriebenes Reduzieren des allgemeinen Rauheits- und des Zusammenfügungs fehlers hergestellt ist. Die Lösungen für den allgemeinen Rauheits- und Zusammenfügungsfehler lassen sich auf die viel fältigen unterschiedlichen photoempfindlichen Materialien an wenden, u. a., aber nicht ausschließlich, auf Photoresist- und PMMA- (Polymethylmethacrylat-) Materialien.

Das photoempfindliche Material kann auch eine photoemp findliche Emulsion sein, z. B. eine photographische Emulsi onsplatte. Ein "Schwarzresist", d. h. ein Resist, das mit ei nem Farbstoff dotiert ist, der die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen beeinflußt, kann ebenfalls verwendet werden. Das photoempfindliche Material kann auch ein positi ves oder negatives photoempfindliches Glas sein, z. B. HEBS- Glas.

Das photoempfindliche Material kann ein Photoresist sein. Das Photoresist kann ein positives oder negatives Pho toresist sein. Das positive Photoresistmaterial kann ein Po lyamid, Polybuten-1-sulfon oder Novolak (Phenyl-Formalde hydharz) sein. Das Novolakharz kann einen Diazonaphthochinon- Sensibilisator oder eine andere Art von Sensibilisator ent halten. Das negative Photoresistmaterial kann ein Polyimid sein. Negative Resiste auf Epoxidharzbasis werden in der MEMS-Bearbeitung verwendet. Ein bevorzugtes Photoresist ist ein positives Novolakphotoresist. Die spezifische Art von Photoresist wird u. a. Merkmalen je nach gewünschter Tiefe der Photoresistschicht ausgewählt. Die Photoresistschicht kann jede Dicke haben, wobei aber eine Photoresistdicke von etwa 1 µm bis etwa 50 µm bevorzugt ist.

Vorzugsweise ist das Substratmaterial Silizium. Jedoch kann das Substrat aus einer beliebigen Anzahl von Materialien ausgewählt sein, bei denen es sich um Silizium, GaAs, Kunst stoff, Glas, Quarz oder Metalle, z. B. Cu, Al und Ge, handeln kann.

Das Verfahren der Erfindung kann im Zusammenhang mit Technologien zur Halbleiterherstellung verwendet werden, die in der herkömmlichen Technik bekannt sind. Zu diesen Techno logien zählen u. a., aber nicht ausschließlich, Auftragen von Photoresist, Mustern, Ätzen mit chemischen Ätzmitteln, z. B. HF, Plasmaätzen, Ionenstrahlätzen, Oxidieren, Dotieren, Ablö sen, Nitridieren, Passivieren, CVD, MOCVD, PECVD und MBE.

Ergebnisse eines Vergleichs der Anamorphotlinse der her kömmlichen Technik und einer erfindungsgemäßen Anamorphotlin se lassen sich aus einer Gegenüberstellung von Fig. 1 und 3, die zu einer Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik gehö ren, und Fig. 2 und 4, die zu einer gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Anamorphotlinse gehören, ablesen.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen vergleichende Intensitätskennfelder von Anamorphotlinsen gemäß der herkömmlichen Technik bzw. der Erfindung. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen vergleichende Oberflä chenprofile von Anamorphotlinsen gemäß der herkömmlichen Technik bzw. der Erfindung. Die Anamorphotlinse der Erfindung zeigt unerwartete und merklich verbesserte Schrägkonturen (nicht gezeigt), ein glatteres Intensitätskennfeld und ein höheres und weniger variables Oberflächenprofil, vergleicht man sie mit der Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik.

Die merkliche Verbesserung des Zusammenfügungsfehlers zeigt sich durch einen Vergleich einer Darstellung des Inten sitätskennfelds der Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik in Fig. 1 mit einer Darstellung des Intensitätskennfelds ei ner Anamorphotlinse der Erfindung von Fig. 2. Aus Fig. 1 ge hen deutlich die Konturdiskontinuitäten hervor, die sich aus dem Zusammenfügungsfehler ergeben. Im Gegensatz dazu ist das Intensitätskennfeld der Erfindung gemäß Fig. 2 frei von Dis kontinuitäten und Belichtungsungleichmäßigkeit als Ergebnis von Zusammenfügungsfehlern.

Die durch die Erfindung erreichte Verbesserung der Ober flächenglätte läßt sich durch Vergleich des Oberflächenpro fils einer in Fig. 3 gezeigten Anamorphotlinse der herkömmli chen Technik mit einem Oberflächenprofil einer erfindungsge mäß hergestellten Anamorphotlinse gemäß Fig. 4 beobachten. Die Anamorphotlinse der herkömmlichen Technik von Fig. 3 hat ein tieferes Profil und eine rauhe Oberfläche. Die Anamor photlinse der Erfindung von Fig. 4 hat ein höheres Profil und eine ausgeprägt glattere Oberfläche als die Linse der her kömmlichen Technik.

Verständlich sollte sein, daß die vorstehende Beschrei bung und die darin gezeigten spezifischen Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung der besten Realisierung der Erfindung und ihrer Grundsätze dienen und daß Abwandlungen und Zusätze daran vom Fachmann leicht vorgenommen werden kön nen, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der somit lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer Maske mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines photoempfindlichen Materials;
Durchführen mindestens eines Durchlaufs, um ein Muster auf das photoempfindliche Material zu schreiben; und
Entwickeln des photoempfindlichen Materials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Ätzens des photoempfindlichen Materials.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das photoempfindliche Material ein Photoresist, ein e-Strahl-Resist, ein HEBS-Glas, eine Emulsion oder ein Schwarzresist ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei etwa 2 bis 8 Durchläufe erfolgen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder Durchlauf so versetzt ist, daß keine zwei Durchläufe auf demselben Weg schreiben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Durchlauf unter Verwendung ei ner Laser-, UV-, Elektronenstrahl-, Infrarot-, sichtba ren oder Röntgenstrahlquelle durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zusammenfügungsfehler und die Belichtungsun gleichmäßigkeit reduziert sind.

8. Verfahren zum lithographischen Bearbeiten zur Bildung einer Mikrostruktur mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Substrats;
Auftragen eines photoempfindlichen Materials über dem Substrat;
Durchführen mindestens eines Durchlaufs, um ein Muster einer spezifischen Struktur auf das photoempfindliche Material zu schreiben, wodurch der Zusammenfügungsfehler und die Belichtungsungleichmäßigkeit reduziert werden;
Schmelzen mindestens eines Abschnitts des photoempfind lichen Materials, wodurch der allgemeine Rauheitsfehler reduziert wird;
Entwickeln des photoempfindlichen Materials; und
Entfernen von restlichem photoempfindlichem Material.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem folgenden Schritt:
Ätzen des photoempfindlichen Materials, um die Mikro struktur auf das Substrat zu übertragen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der mindestens eine Durchlauf unter Verwendung einer Maske durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Maske unter Ver wendung mehrerer Durchläufe gebildet wurde.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Schritt des Schmelzens einen Schritt des Er wärmens des photoempfindlichen Materials bei einer Tem peratur für eine Zeitperiode aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Temperatur etwa 80 bis 170°C und die Zeit bis etwa 1 Stunde beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Temperatur etwa 60 bis 90°C beträgt und die Zeit gleich oder größer als etwa 30 Minuten ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Schritt des Schmelzens den Schritt des Plazie rens des photoempfindlichen Materials auf dem Kopf ste hend nahe einer Wärmequelle aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Wärmequelle eine Wärmeplatte aufweist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei der Schritt des Schmelzens den Schritt des Flie ßenlassens einer heißen Flüssigkeit oder eines Lösungs mitteldampfs über die Oberfläche des photoempfindlichen Materials aufweist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt auf weist:
Durchführen einer Grauskalenlithographie.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Grauskalenlithographieverfahren ein Halbton verfahren ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Grauskalenlitho graphieverfahren ein moduliertes Belichtungsmaskierungs verfahren ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 20, wobei etwa 2 bis 8 Durchläufe erfolgen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 21, wobei jeder Durchlauf so versetzt ist, daß keine zwei Durchläufe auf demselben Weg schreiben.

23. Maske, wobei die Maske durch ein Verfahren mit den fol genden Schritten gebildet wird:
Bereitstellen eines photoempfindlichen Materials;
Durchführen mindestens eines Durchlaufs, um ein Muster auf das photoempfindliche Material zu schreiben; und
Entwickeln des photoempfindlichen Materials.

24. Maske nach Anspruch 23, wobei das photoempfindliche Ma terial ein Photoresist ist.

25. Maske nach Anspruch 23 oder 24, wobei etwa 2 bis 8 Durchläufe erfolgen.

26. Maske nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei jeder Durchlauf so versetzt ist, daß keine zwei Durchläufe auf demselben Weg schreiben.

27. Maske nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Ätzens des photoempfindlichen Materials aufweist.

28. Maske nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei der Zusammenfügungsfehler und die Belichtungsun gleichmäßigkeit reduziert sind.

29. Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur durch ein Verfah ren mit den folgenden Schritten gebildet wird:
Bereitstellen eines Substrats;
Auftragen eines photoempfindlichen Materials über dem Substrat;
Durchführen mindestens eines Durchlaufs, um ein Muster einer spezifischen Struktur auf das photoempfindliche Material zu schreiben, wodurch der Zusammenfügungsfehler und die Belichtungsungleichmäßigkeit reduziert werden;
Schmelzen mindestens eines Abschnitts des photoempfind lichen Materials, wodurch der allgemeine Rauheitsfehler reduziert wird;
Entwickeln des photoempfindlichen Materials; und
Entfernen von restlichem photoempfindlichem Material.

30. Mikrostruktur nach Anspruch 29, wobei der mindestens ei ne Durchlauf unter Verwendung einer Maske durchführt wird.

31. Mikrostruktur nach Anspruch 29 oder 30, wobei der Schritt des Schmelzens einen Schritt des Er wärmens des photoempfindlichen Materials bei einer Tem peratur für eine Zeitperiode aufweist.

32. Mikrostruktur nach Anspruch 31, wobei die Temperatur et wa 80 bis 170°C und die Zeit bis etwa 1 Stunde beträgt.

33. Mikrostruktur nach Anspruch 31, wobei die Temperatur et wa 60 bis 90°C beträgt und die Zeit gleich oder größer als etwa 30 Minuten ist.

34. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei das photoempfindliche Material ein Photoresist ist.

35. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 29 bis 34, wobei die Mikrostruktur ein Turbinenläufer, eine Mikro linse, ein Mikrofluidbauelement, ein Mikrorelais, ein optischer Dämpfer, ein optischer Verschluß, ein Photon schalter, ein Beschleunigungsmesser oder ein Gyroskop ist.