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Die
Erfindung betrifft eine Absorbermaske zur Strukturierung von Beugungsgittern
mittels Röntgentiefenlithographie
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Absorbermaske.
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Ein
Beugungsgitter weist im Allgemeinen eine Gitterkonstante g sowie
einen Gittergrundkreisradius r auf, der im Falle eines planaren
Gitters unendlich und im Falle eines konkaven Gitters einen endlichen
Wert annimmt. Der Gittergrundkreisradius r entspricht dem von M.
C. Hutley in Diffraction gratings, §7-Concave gratings, Seite 215 ff, Academic Press,
1982, geprägten
Begriff „radius
of curvature of the grating".
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Röntgentiefenlithographie
wie z. B. das LIGA-Verfahren wird unter anderem zur Herstellung von
optischen Beugungsgittern eingesetzt (B. Anderer, W. Ehrfeld, J.
Mohr, Grundlagen für
die röntgenlithografische
Herstellung eines planaren Wellenlängen-Demultiplexers mit selbstfokussierendem
Reflexionsbeugungsgitter, Institut für Mikrostrukturtechnik, Kernforschungszentrum
Karlsruhe, 1990). Zur Strukturierung eines Resists aus einem geeigneten
Kunststoff wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA) wird im Allgemeinen
eine besonders vorbereitete Absorbermaske verwendet, die diejenigen
Bereiche im Resist, die während
der Bestrahlung unverändert
bleiben sollen, partiell abschattet. Die Absorberstrukturen auf
der Absorbermaske müssen
im Falle des Beugungsgitters die gewünschte Position der Gitterzähne mit
hoher Genauigkeit, d. h. mit Toleranzen deutlich kleiner als 50
nm, über
die gesamte Gitterbreite einhalten, damit die optische Qualität der Beugungsgitter,
die mittels dieser Absorbermaske erzeugt werden, gut ist. Entscheidend
für die
Beugungseffizienz des Gitters ist, dass die Form der Gitterzähne sägezahnartig
und nicht sinusförmig
ist. Um Streuverluste zu minimieren, müssen zudem die Flanken der
Gitterzähne
optisch glatt sein.
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Eine
bekannte Absorbermaske zur röntgentiefenlithographischen
Strukturierung besteht aus einer dünnen Trägerfolie mit niedrigem Atomgewicht wie
z.B. aus Beryllium, Silizium oder Titan, auf die Absorberstrukturen
mit hohem Atomgewicht, beispielsweise aus Gold, die die Form der
röntgentiefenlithographisch
zu fertigenden Strukturen haben, aufgebracht wurden. Bei einer Bestrahlung
von Resists mit Röntgenlicht
z. B. aus einer Synchrotronquelle, das durch eine derartige Absorbermaske
geht, werden nur diejenigen Bereiche des Kunststoffs durch die Bestrahlung
getroffen, die nicht durch die Absorber auf der. Absorbermaske geschützt sind.
Diese geschädigten
Bereiche im Resist lassen sich anschließend mit geeigneten Entwicklern
nasschemisch entfernen, so dass nur die unbestrahlten Bereiche als
Struktur erhalten bleiben.
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Üblicherweise
wird zur Herstellung der röntgentiefenlithographischen
Absorbermaske zunächst die
Trägerfolie
der Absorbermaske selbst mit einer einige Mikrometer dicken Resistschicht
belackt. Diese Resistschicht wird in einem weiteren Schritt mit
einem Elektronenstrahlschreiber bei hoher Elektronenenergie von
50 bis 100 keV in der gewünschten
Form – im
Falle eines Beugungsgitters mit einer sägezahnartigen Gitterstruktur – strukturiert
und entwickelt. Die so entstandenen Löcher im Resist werden anschließend galvanisch
mit dem Absorbermaterial, wie z. B. Gold, aufgefüllt (W. Menz und J. Mohr, Mikrosystemtechnik
für Ingenieure,
Zweite, erweiterte Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1997).
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sich die Toleranzen, die
bei der Belichtung des Resists auf der Absorbermaske auftreten,
als Toleranzen der Form der Absorberstrukturen niederschlagen, wodurch
sich die optische Güte
des Beugungsgitters, das durch Kopieren der Absorbermaske mittels
Röntgentiefenlithografie erzeugt
wird, verringert.
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Aus
der
US 6,477,225 31 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Absorbermaske bekannt, bei dem
ein Silizium-Wafer in beliebiger Orientierung bereitgestellt und
auf dessen Vorderseite ein Resist aufgebracht wird. Anschließend wird
der Resist mit einem beliebigen Lochmuster strukturiert, entwickelt und
mittels Reaktiven Ionenätzens
geätzt.
Dann werden die Ätzgruben
mit einem Absorbermaterial gefüllt und
der Resistrest wird entfernt. Schließlich wird der Wafer auf einen
Maskenrahmen aufgebracht. Nachteilig hieran ist, dass die mit diesem
Verfahren hergestellten Seitenwände
rau sind, d.h. eine geringe optische Güte aufweisen. Dieses Verfahren
gibt zudem keinerlei Hinweis darauf, wie sich eine Absorbermaske
für die
lithographische Strukturierung von Beugungsgittern herstellen lässt.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Absorbermaske zur
röntgentiefenlithographischen
Strukturierung von Beugungsgittern, die die vorher genannten Nachteile
und Einschränkungen
nicht aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen
Absorbermasken anzugeben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch Patentanspruch 1 sowie die Verfahrensschritte
des Patentanspruchs 2. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
Erfindung beruht auf der Tatsache, dass in kristallinem Silizium
bei anisotropem Ätzen
die Ätzrate
je nach Kristallorientierung stark unterschiedlich ist. Zum Beispiel
beträgt
bei der Anwendung von Kaliumhydroxid (KOH) die Ätzrate in [111]-Richtung nur rund
1% der Ätzrate
in [100]-Richtung. Beim Ätzen
einer (100)-Oberfläche,
d.h. senkrecht zur [100]-Richtung,
mit einer Maske in [110]-Richtung bilden sich daher V-förmige Gräben, die
sich aus zwei (111)-Oberflächen
unter einem Winkel von 70,53° zusammensetzen.
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Aus
T. Harada, H. Sakuma, M. Fuse, SPIE Vol. 3450, Seite 11, Juli 1998
und Lung-Jieh Yang, Pei-Zen Chang, C.-K. Lee, J.-T. Teng, SPIE Vol. 3242, Seite 46-51,
1997 sind Silizium-Wafer in (110)-Orientierung bekannt, in die Beugungsgitter eingebracht
wurden, wobei die Gitterzähne
derart in den Wafer eingebracht wurden, dass der Normalenvektor
des Gitters senkrecht zur (110)-Oberfläche des Wafers steht. Der Normalenvektor
des Gitters steht senkrecht zur mittleren Gitterebene und ist im Allgemeinen
nicht senkrecht zur Oberfläche
der betreffenden Gitterzahnflanken. Diese Art der Strukturierung
des Silizium-Wafers
eignet aufgrund ihrer Geometrie (Winkel der Gitterzahnflanken gegenüber der Gitterebene:
ca. 5-10°)
nicht als Absorbermaske zur röntgentiefenlithographischen
Strukturierung von Beugungsgittern.
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Weiterhin
ist aus Hui Ju, Ping, Zhang, Shuron Wang, Jingqiu Liang, Yihui Wu,
SPIE 4979, Seite 21, 2002, bekannt, Beugungsgitter aus Silizium-Wafern
in (111)-Orientierung herzustellen, wobei der Wafer um 4° gegenüber der
(100)-Ebene geneigt ist.
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Erfindungsgemäß wird als
Absorbermaske für
die lithographische Strukturierung von Beugungsgittern ein Silizium-Wafer
in (110)-Orientierung eingesetzt, der eine Vielzahl von Gitterzähnen mit
Flanken aufweist, deren Normalenvektoren in [111]-Richtung stehen.
Durch die erwähnten
Eigenschaften von kristallinem Silizium weisen die Gitterzahnflanken
jeweils einen spitzen Winkel von 70,53° auf, d.h. die Form der Gitterzähne ist
inhärent
sägezahnartig
und nicht sinusförmig.
Gleichzeitig sind die Zahnflanken der Gitter auf Grund der starken
Anisotropie des Ätzschrittes
optisch glatt.
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Für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Silizium-Wafer in (110)-Orientierung bereitgestellt, der
vorzugsweise als dünne Schicht
mit einer Dicke von ca. 30 μm
bis 50 μm
vorliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die ser Wafer
auf seiner Rückseite
mit einer mehreren Mikrometer dicken Ätzstopschicht, z. B. aus einer Lackschicht
oder über
eine starke Bor-Dotierung, versehen. Diese Ätzstopschicht kann entfallen,
wenn das anisotrope Ätzen
nach dem Verfahrensschritt e) vor einem Durchätzen des Wafers gestoppt wird.
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Auf
die hierdurch definierte Vorderseite des Wafers wird anschließend ein
Resist aufgebracht. Diese so genannte Belackung des Silizium-Wafers erfolgt
mit einem dünnen,
d.h. weniger als 1 μm
dicken, positiv arbeitenden Ätzstop-Resist.
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Entscheidend
für das
erfindungsgemäße Verfahren
ist, dass ein periodisches Muster aus Löchern in den Resist eingebracht
wird, wobei die Löcher
derart periodisch angeordnet sind, dass deren Abstand der Gitterkonstante
g entspricht, und die Krümmung
des Musters den Gittergrundkreisradius r festlegt. Die Größe der Löcher wird
so gewählt,
dass sich jeweils benachbarte Parallelogramme, die durch anisotropes Ätzen erzeugt
werden, derart überschneiden,
dass eine zusammenhängende
Gitterfront gebildet wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird hierzu der gesamte Wafer holographisch mit einem periodischen
Muster aus ersten Streifen belichtet. Die Periodizität des Streifenmusters
wird entsprechend der gewünschten
Gitterkonstante g des Beugungsgitters gewählt. Die Belichtungsintensität wird so
eingestellt, dass der Resist noch deutlich unterbelichtet bleibt,
so dass er, würde
man nach diesem Belichtungsschritt eine Entwicklung durchführen, im Wesentlichen
unverändert
bliebe.
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In
dieser bevorzugten Ausführungsform
wird daran anschließend
der Wafer im Bereich eines einzelnen zweiten Streifens belichtet.
Die Belichtung dieses Bereichs erfolgt zum Beispiel mit einem Laser-
oder Elektronenstrahlschreiber. Wichtig hierbei ist, dass die Krümmung dieses
zweiten Streifens der beabsich tigten Form des Beugungsgitters, d.h.
dessen Gittergrundkreisradius r entspricht. Soll zum Beispiel eine
Absorbermaske für
ein planes Beugungsgitter (Gittergrundkreisradius r = ∞ (Unendlich))
hergestellt werden, wird hierbei ein rechteckiger Streifen belichtet.
Die Orientierung dieses zweiten Streifens zu den im vorherigen Verfahrensschritt
belichteten periodischen ersten Streifen wird so gewählt, dass diese
in etwa senkrecht zueinander verlaufen. Die relative Orientierung
der beiden Belichtungen bestimmt im fertigen Beugungsgitter das
Verhältnis
von Zahnhöhe
zu Zahnbreite. Die Belichtungsintensität wird so gewählt, dass
der Resist nur an den Kreuzungspunkten des zweiten Streifens mit
den ersten Streifen, an denen bereits im vorherigen Verfahrensschritt
eine Vorbelichtung erfolgte, vollständig belichtet wird. An den
belichteten Stellen im Resist entstehen damit die gewünschten
Löcher.
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Alternativ
lassen sich periodisch angeordnete Löcher im Resist durch Belichten
des Resists durch einen Elektronenstrahlschreiber erzeugen. Alternativ
ist auch eine Belichtung mit einem Laser- oder Ionenstrahl möglich.
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Nach
dem Entwickeln des Resists mit herkömmlichen Verfahren wird der
Wafer nasschemisch anisotrop geätzt.
Dabei ergeben sich im Wafer nach W. Menz und J. Mohr, Mikrosystemtechnik
für Ingenieure,
s.o., Kap. 6.2.1. Ätzgruben,
Seite 209-212, an den in den Resist eingebrachten Löchern parallelogrammförmige Ätzgruben,
deren Seitenwände
senkrecht zur Oberfläche
des Wafers stehen. Wurden Winkel und Belichtungsparameter in Verfahrensschritt
c) geeignet gewählt,
so wachsen jeweils benachbarte Ätzgruben
zusammen und ergeben eine sägezahnförmige Kontur,
die später
bei der röntgentiefenlithographischen
Strukturierung die Gitterfront definiert.
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Die
derart hergestellten Ätzgruben
werden im nächsten
Verfahrensschritt mit einem Absorbermaterial, z. B. Gold, aufge füllt. Dies
erfolgt vorzugsweise galvanisch, wobei vorher eventuell noch eine Galvanik-Startschicht
aufgebracht werden kann. Um zu verhindern, dass der Wafer vollständig durchgeätzt wird,
wird entweder der vorhergehende Ätzprozess
rechtzeitig abgebrochen oder dieser endet an einer vorsorglich aufgebrachten Ätzstopschicht.
Eine solche Ätzstopschicht
kann beispielsweise durch Aufbringen einer Lackschicht auf die Rückseite
des Wafers hergestellt werden. Alternativ wird die Rückseite
des Wafers z.B. mit einer starken Bor-Dotierung versehen.
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Nach
dem Ätzen
werden Resistreste sowie gegebenenfalls über die Oberfläche des
Wafers herausstehendes Absorbermaterial entfernt. Schließlich wird
der so prozessierte Wafer auf einen Maskenrahmen, der für die mechanische
Stabilität
sorgt, aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt. Im Falle, dass der Röntgenkontrast
bezüglich
Absorption und Transmission noch nicht ausreicht, wird abschließend das
verbleibende Silizium bis auf die Ätzstopschicht weggeätzt. Hierdurch
wird eine Absorbermaske mit Absorberstrukturen auf einer Lackmembran
bzw. einer wenige Mikrometer starken Silizium-Trägerfolie erhalten.
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Werden
weitere Strukturen benötigt,
die sich mit auf diese Weise hergestellten Absorbermasken nicht
strukturieren lassen, werden diese mit einer herkömmlichen
Maske getrennt strukturiert.
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Erfindungsgemäß hergestellte
Absorbermasken zur röntgentiefenlithographischen
Strukturierung von optischen Beugungsgittern zeichnen sich dadurch
aus, dass die Absorberstrukturen bezüglich der Lage der einzelnen
Gitterzähne
und der Formtreue der einzelnen Gitterzähne besonders hohen Ansprüchen genügt. Insbesondere
ist die Rauheit der Seitenwände
in den Ätzgruben
des Wafer, die senkrecht zur Oberfläche des Wafers stehen, um etwa eine
Größenordnung
geringer als zu herkömmlichen Masken.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen
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1 Silizium-Wafer
in (110)-Orientierung nach Verfahrensschritt e), in den Ätzgruben,
die eine planare (Gittergrundkreisradius r = ∞) sägezahnförmige Kontur mit einer Periode
g der Gitterzähne,
aufweisen, eingebracht wurden.
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2 Ätzgruben,
die eine konkave sägezahnförmige Kontur
mit einer Periode g und einem Radius r, der dem späteren Gittergrundkreisradius
r entspricht, aufweisen.
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3 Periodisches
elliptisches Lochmuster nach Verfahrensschritt c) mit einer Periode
g und einer Krümmung
r.
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4 Periodisches
Muster mit aufgefüllten Ätzgruben
nach Verfahrensschritt f).
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5
- a) Periodisches
Muster aus einer Vielzahl von ersten parallelen Streifen, deren
Periode der Gitterkonstanten g entspricht, zum holographischen Belichten
des Wafers gemäß Verfahrensschritt c1).
- b) Einzelner zweiter Streifen auf dem Wafer, dessen Krümmung dem
Gittergrundkreisradius r entspricht und der annähernd senkrecht zu den ersten
Streifen verläuft,
gemäß Verfahrensschritt
c2) über
der Vielzahl von ersten parallelen Streifen aus 5a).
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1 zeigt
schematisch einen Silizium-Wafer in (110)-Orientierung, in den mit
dem erfindungsgemäßen Venfahren Ätzgruben,
die eine planare sägezahnförmige Kontur
aufweisen, eingebracht wurden. Dargestellt ist der Silizium-Wafer
im Zustand nach Verfahrensschritt e).
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Eine
planare Kontur bedeutet, dass der Gittergrundkreisradius r = ∞ ist. 2 zeigt,
ohne Darstellung des Silizium-Wafers, eine konkave Kontur mit einem
endlichen Gittergrundkreisradius r.
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Es
wird ein 50 μm
dicker Silizium-Wafer in (110)-Orientierung bereitgestellt, der
auf seiner Rückseite
eine 5 μm
dicke, stark mit Bor dotierte Schicht als Ätzstopschicht aufweist. Auf
der Vorderseite wird der Wafer mit einem etwa 0,5 μm dicken
Resist aus Polymethylmethacrylat (PMMA) belackt.
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Hieran
anschließend
wird der Wafer holographisch mit einem Lochmuster, das wie in 3 elliptisch
sein kann, belichtet. Das Lochmuster weist eine Periode g, durch
die die spätere
Gitterkonstante g festgelegt wird, und eine Krümmung r, die dem späteren Gittergrundkreisradius
r entspricht, auf.
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Bevorzugt
wird der Wafer holographisch mit einem periodischen Streifenmuster
gemäß 5a) mit
einer Periodizität
von 4 μm
teilbelichtet. Dieser Wert entspricht der Gitterkonstante g des
Beugungsgitters. Im nächsten
Schritt wird der Wafer mittels eines Elektronenstrahlschreibers
gemäß 5b)
im Bereich eines einzelnen rechteckigen Streifens (Länge 15 mm,
Breite 50 μm)
teilbelichtet, der im Wesentlichen senkrecht zum Streifenmuster
verläuft.
Hierdurch ist das Verhältnis
von Zahnhöhe
zu Zahnbreite der Zähne
im fertigen Beugungsgitter festgelegt. Die Belichtungsintensitäten werden
so gewählt,
dass der Resist nur an den Kreuzungspunkten dieses Streifens mit
dem zuvor belichteten Streifenmuster vollständig belichtet wird.
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Nach
dem Entwickeln des Resists mit GG-Entwickler wird der Silizium-Wafer
mit Kaliumhydroxid (KOH) anisotrop geätzt. Hierdurch ergeben sich
im Wafer an den zuvor eingebrachten Löchern parallelogrammförmige Ätzgruben,
deren Seitenwände
senkrecht zur Oberfläche
des Wafers stehen und die jeweils mit benachbarten Ätzgruben
zusammenwachsen. Dadurch entsteht eine sägezahnförmige Kontur, die später bei
der röntgentiefenlithographischen
Strukturierung die Gitterfront definiert. Der Ätzprozess endet an der oben
aufgebrachten Ätzstopschicht.
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Nachdem
eine Galvanik-Startschicht auf den Wafer aufgebracht wurde, werden
die Ätzgruben
anschließend
galvanisch mit Gold als Absorbermaterial aufgefüllt. Ein beispielhaftes Ergebnis
ist in 4 dargestellt. Danach werden Resistreste sowie
eventuell über
die Oberfläche
des Wafers herausstehendes Absorbermaterial entfernt.
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Schließlich wird
der so prozessierte Wafer auf einen Maskenrahmen aufgeklebt. Abschließend wird
das verbleibende Silizium bis auf die Ätzstopschicht weggeätzt. Hierdurch
entsteht die Absorbermaske mit Absorberstrukturen auf einer 5 μm starken Silizium-Trägerfolie.