DE102022118318A1

DE102022118318A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauelementes mit wenigstens einem Membranabschnitt und Bauelement und Verwendung eines Bauelements

Info

Publication number: DE102022118318A1
Application number: DE102022118318.1A
Authority: DE
Inventors: Meik PANITZ; Sabine Zybell; Daniel Grimm; Martin TILKE; Lutz Raupach
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024017713A1

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren (200) zur Herstellung eines Bauelementes (105) mit wenigstens einer Membranlage (145), wobei das Verfahren (200) einen Schritt des Bereitstellens (210) eines Trägermaterials (115) aufweist. Ferner umfasst das Verfahren (200) einen Schritt des Aufbringens (220) einer Membranlage (145) auf das Trägermaterial (115), wobei die Membranlage (145) ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4 liegt, um das Bauelement (105) herzustellen.

Description

Technische Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauelements mit wenigstens einem Membranabschnitt sowie ein Bauelement gemäß den Hauptansprüchen.
Stand der Technik
Bei der herkömmlichen Herstellung von Bauelementen besteht hinsichtlich der optischen Eigenschaften von unterschiedlichen Schichten in diesem Bauelement oftmals die Problematik, dass diese Schichten für eine gewünschte oder angestrebte Funktionalität entweder einen ungünstigen optischen Brechungsindex haben und/oder aufgrund einer mechanischen Stabilität eine hohe Dicke aufweisen müssen, damit keine Beschädigung dieses Bauelement bei der Herstellung oder im Betrieb resultieren. Dies schränkt die Verwendungsmöglichkeit bzw. die Flexibilität des Designs von Bauelementen teilweise erheblich ein.
Problematisch ist dabei jedoch, dass teilweise einige vorteilhafte Materialeigenschaften zu Materialtypen gehören, die sich nur schwer bearbeiten lassen. Beispielsweise kann ein Material, insbesondere das Membranmaterial eine gute, wünschenswerte Materialeigenschaft wie eine bestimmte Brechzahl aufweisen, die besonders günstig an eine Grenzfläche mit dem anderen Material wie beispielsweise Luft zusammenwirken kann und hierdurch eine besonders gute Ablenkung oder Formung einer elektromagnetischen Strahlung ermöglichen. Herkömmliches Aluminiumnitrid als Membranmaterial kann allerdings die Herstellbarkeit des Bauelements beeinträchtigen und eine mangelhafte Langzeitstabilität aufweisen.
Aus KR 10-2021-0084381 A ist eine Membran aus AIN, BN oder Quarz bekannt. Aus KR 10-2018-0057813 A ist eine Phasenverscheibungsmaske mit einer Metallnitridschicht beispielsweise aus AIN bekannt. Aus KR 10-2018-0029384 A eine weitere Membran aus AIN bekannt, sowie ein Bauelement mit einer solchen Membran.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Möglichkeit zur Verbesserung einer Herstellung eines Bauelements mit wenigstens einem Membranabschnitt geschaffen.
Für moderne Bauelemente wird oftmals eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Materialeigenschaften gewünscht, sodass beispielsweise bei optischen Bauelementen eine gute Lenkung eines Lichtstrahls realisiert werden soll.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Hauptansprüche gelöst.
Unter einem Bauelement kann man im Sinne dieser Erfindung ein solches Bauelement verstehen, welches auf einem Halbleitersubstrat, einem Glassubstrat oder einem kristallinen Quarzsubstrat als Trägersubstrat hergestellt wird. Beispielsweise kann das Trägersubstrat als ein Halbleiterwafer, ein Siliziumwafer, ein Glaswafer oder ein kristalliner Quarzwafer ausgebildet sein. Speziell kann es sich um einen dotierten Glaswafer handeln, der als ULE Glas (ultra low expansion, d. h. mit sehr geringer thermischer Ausdehnung) ausgebildet ist. Auch kann es sich im Falle eines Halbleitersubstrats um einen dotierten oder undotierten Siliziumwafer handeln. Auch kann es sich um einen Siliziumkarbidwafer handeln. Bei dem herzustellenden Bauelement kann es sich um ein mechanisches und/oder optisches Bauelement handeln, bei dem möglicherweise die Glaseigenschaften bzw. Halbleitereigenschaften des Substrats irrelevant für die Funktion sein können. Es kann sich um ein mechanisches Bauelement, ein optisches Bauelement, ein Bauelement für den NIR Bereich, den sichtbaren Bereich, den UV-Bereich, den EUV Bereich oder den Röntgenbereich elektromagnetischer Wellen handeln. Das Bauelement kann beispielsweise als Phasenschieber und / oder als Abschwächer für eine elektromagnetische Strahlung vorgesehen sein. Für den Fall, dass das Bauelement als mechanisches Bauelement vorgesehen sein kann, kann es beispielsweise als Druckminderer, als Membranfeder oder, als Schwingmembran für Ultraschallwellen verwendet werden. Das Bauelement umfasst einen Membranabschnitt. Die optische oder mechanische Funktionalität des Bauelements kann durch den Membranabschnitt, welcher beispielsweise aus Aluminiumnitrid gebildet sein kann, bestimmt werden. Solche Bauelemente können unter Verwendung typischer Techniken der Halbleiterindustrie hergestellt werden. Als glas- oder quarzbasierte Bauelemente können aus der Mikrotechnik bzw. Mikrooptik bekannte Techniken zur Herstellung eingesetzt werden.
Vorteile der Erfindung
Die hier vorgestellte Lösung kann eine Verbesserung der optischen und mechanischen Eigenschaften, der Herstellbarkeit und der Langzeitstabilität des Bauelements bewirken. Außerdem kann die Standzeit der Membranlage, insbesondere, wenn diese als freistehende Membran vorliegt, verlängert werden, indem eine Degradation durch Nachlassen der Zugspannung der Membran verhindert oder verlangsamt werden kann im Vergleich zu bekannten Membranlagen aus stöchiometrischem AIN.
Beschreibung
Der vorliegende Ansatz schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes mit wenigstens einer Membranlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen eines Trägermaterials; und
- Aufbringen der Membranlage auf das Trägermaterial, wobei die Membranlage ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4 liegt, um das Bauelement herzustellen.

Der vorliegende Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass speziell Verwendung eines Aluminiumnitrid-Materials für die Membranlage, bei dem das Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4 liegt, insbesondere im Bereich von 1,05 bis 1,40, besonders vorteilhaft im Bereich von 1,10 bis 1,30, sehr positive Eigenschaften einerseits hinsichtlich des optischen Brechungsverhaltens als auch andererseits hinsichtlich einer mechanischen Stabilität einer aus einem solchen Material hergestellten Membranlage aufweist. Das Verhältnis kann als atomares Verhältnis angenommen werden, was auch als Stoffmengenverhältnis bezeichnet werden kann. Durch das hier vorgestellte Verhältnis lässt sich eine deutliche Erhöhung der Flexibilität beim Design eines Bauelements erreichen, welches einerseits insbesondere für unterschiedliche optische Anwendungen angepasst werden kann und andererseits auch einen Einsatz für robuste Anwendungen ermöglicht, da die Membranlage eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Diese ermöglichen zusätzlich eine deutlich verbesserte Handhabung des Trägersubstrats bzw. Halbleitermaterials beim Prozessieren, da eine Ausfallrate durch mechanische Beschädigungen der mit dem hier vorgestellten Ansatz hergestellten Bauelemente reduziert werden kann.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem das Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von 1,05 bis 1,4 liegt. Ein solches Verhältnis weist besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, wie sie hier beschrieben werden.
Das Trägermaterial kann mit dem Trägersubstrat identisch sein. Im Schritt des Aufbringens kann die Membranlage direkt auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Bereitstellens als Trägermaterial ein mit einer Passivierungsschicht versehenes Trägersubstrat bereitgestellt werden, wobei das Trägermaterial das Trägersubstrat und die Passivierungsschicht umfassen kann. Im Schritt des Aufbringens kann die Membranlage auf die Passivierungsschicht aufgebracht werden. Hierdurch können sehr flexible voll-funktionell einsetzbare Bauelemente geschaffen werden, die ferner auch mit weiteren Funktionalitäten ausgestattet werden können, wie sie in der Halbleitertechnik bekannt sind und realisiert werden können.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform, bei der die Passivierungsschicht Siliziumnitrid umfasst oder aus Siliziumnitrid besteht. Diese Art von Passivierungsschicht bietet eine sehr gute Grundlage zur Stabilisierung und Halterung der Membranlage, wie sie vorstehend genannt ist. Das Siliziumnitrid kann stöchiometrisches Si₃N₄ sein oder einen Siliziumüberschuss aufweisen. Der Siliziumüberschuss kann beispielsweise zwischen 0% und 30%, besonders vorteilhaft zwischen 5% und 20% betragen, bezogen auf die gesamte Stoffmenge des Siliziumnitrids. Durch den Siliziumüberschuss kann eine Degradation der Membranlage zusätzlich vermindert werden. Die Dicke der Passivierungsschicht kann zwischen 5nm und 500nm, vorteilhaft zwischen 20nm und 300nm, besonders vorteilhaft zwischen 40nm und 200nm dick sein.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem Schritt des Aufbringens die Membranlage wenigstens abschnittsweise freigestellt werden, beispielsweise durch Entfernen des Trägersubstrats in wenigstens einem freizustellenden Abschnitt. Hierdurch kann effizient eine freiliegende Membranlage hergestellt werden, die besonders vorteilhafte mechanische und/oder optische Eigenschaften aufweisen kann. Sofern eine Passivierungsschicht vorgesehen ist, kann diese im freigestellten Abschnitt der Membranlage verbleiben. Alternativ kann vorteilhaft auch die Passivierungsschicht im freigestellten Abschnitt entfernt sein, so dass nur die Membranlage im freigestellten Abschnitt verbleibt. Dazu können sowohl das Trägersubstrat als auch die Passivierungsschicht, also das gesamte Trägermaterial, im freizustellenden Abschnitt entfernt werden.
Günstig ist eine Ausführungsform, bei der im Schritt des Aufbringens die Membranlage unter Verwendung eines Sputterprozesses auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Membranlage mit technisch ausgereiften Verfahren, jedoch unter Verwendung des erkannten vorteilhaften Verhältnisses von Aluminium zu Stickstoff schnell und effizient auf das Trägermaterial aufbringen zu können. Dabei kann die Membranlage direkt auf das Trägersubstrat oder, falls eine Passivierungsschicht vorgesehen ist, auf diese aufgebracht werden. Falls eine Passivierungsschicht vorgesehen ist, kann diese ebenfalls unter Verwendung eines Sputterprozesses auf das Trägersubstrat aufgebracht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann speziell im Schritt des Aufbringens die Membranlage unter Verwendung eines gepulsten DC-Sputterprozesses und/oder eines Hochleistungsimpulsmagnetronsputterns (englisch high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, oder high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS) auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Insbesondere kann vorher auch die Passivierungsschicht mit einem solchen Prozess auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass als vorteilhaft erkannte Verhältnis der einzelnen Materialien in der herzustellenden Membranlage sehr gezielt und zuverlässig abscheiden oder aufbringen zu können, sodass die Membranlage mit den hier genannten vorteilhaften Eigenschaften schnell und technisch einfach ausgebildet werden kann.
Ferner kann gemäß einer Ausführungsform einen Schritt des Strukturierens der Membranlage vorgesehen sein, insbesondere ein Strukturieren mit Durchgangslöchern. Eine solche Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil einer besonders effizienten Möglichkeit zur Herstellung von gewünschten mechanischen und/oder optischen Eigenschaften des Bauelementes.
Denkbar ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der der Schritt des Aufbringens derart ausgeführt wird, dass die Membranlage ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff größer als 1 ist. Speziell wenn das Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff größer als 1 ist, lässt sich sowohl der gewünschte optische Brechungsindex als auch eine hohe mechanische Stabilität der Membranlage erreichen.
Auch kann durch die erfindungsgemäße Unstöchiometrie eine tensil verspannte (d. h. zugverspannte) Membranlage hergestellt werden. Es wurde festgestellt, dass die Zugverspannung, welche für die Funktion des Bauteils erforderlich sein kann, durch die erfindungsgemäße Unstöchiometrie dauerhaft oder auf längere Zeit im Vergleich zu stöchiometrischem AIN mit dem Stoffmengenverhältnis von 1,00 aufrechterhalten werden kann.
Diese Membranlage kann beispielsweise mittels ALD (Atomic Layer Deposition; chemisches Beschichtungsverfahren, welches auf zyklisch ablaufenden selbst-begrenzenden Oberflächenreaktionen basiert) oder PVD (Physical Vapour Deposition; physikalischer Bedampfungsprozess) hergestellt werden.
Der Schritt des Aufbringens kann in einem Rezipienten, der auch als Prozessierungsraum bezeichnet werden kann, in einem Vakuum, insbesondere Hochvakkum oder Feinvakuum ausgeführt werden, wobei eine bestimmte Menge vorbestimmter Gasmoleküle und / oder Gasionen eine Prozessgasatmosphäre (Atmosphäre) darstellen können. Dazu kann zunächst ein Hochvakuum im Rezipienten hergestellt werden und hernach die gewünschte Prozessgasatmosphäre im Feinvakuumbereich durch entsprechenden Gaseinlass hergestellt werden.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der der Schritt des Aufbringens in einer Argon-haltigen und/oder Stickstoff-haltigen Atmosphäre ausgeführt wird, insbesondere wobei die Argon-haltige und/oder Stickstoffhaltige Atmosphäre einen Anteil von Argon und/oder Stickstoff aufweist, der einen Anteil von Argon und/oder Stickstoff in einer Umgebungsluft übersteigt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Einlagerung oder Abscheidung von Atomen oder Elementen von unerwünschten Fremdstoffen in die Membranlage möglichst gut verhindern zu können, sodass durch eine möglichst reine Membranlage die gewünschten optischen oder mechanischen Eigenschaften dieser Membranlage sicher zielgerichtet und effizient eingestellt werden können, insbesondere die gewünschte Unstöchiometrie der Membranlage. Optional ist es möglich, eine Dotierung mit einer bestimmten Menge von Fremdatomen in die Membranlage einzubringen. Dadurch kann beispielsweise eine fluoreszierende oder eine elektrostatisch ableitfähige Membranlage hergestellt werden.
Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich der hier vorgestellte Ansatz besonders dadurch aus, dass im Schritt des Aufbringens die Membranlage mit einer Dicke von höchstens 150 nm, insbesondere mit einer Dicke von höchstens 100 nm, besonders vorteilhaft höchstens 50 nm, ausgebildet wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die geringe Dicke gegenüber dem Stand der Technik sehr günstige optische Eigenschaften der Membranlage bzw. des die Membranlage aufweisenden Bauelementes realisieren zu können. Zugleich kann durch diese Dicke bei der Wahl des genannten Verhältnisses (auch durch das Auftreten der Verspannungen) dennoch eine ausreichend stabile Membranlage realisiert werden. Dazu kann vorteilhaft eine Dicke der Membranlage von wenigstens 10 nm, vorteilhaft wenigstens 20 nm, ebenfalls vorteilhaft wenigstens 50 nm, vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich eine Einsatzmöglichkeit eines derart hergestellten Bauelementen deutlich erweitern, da das Design des Bauelementes auf die Verwendung in sehr unterschiedlichen und breit technischen Gebieten ausgedehnt werden kann.
Besonders vorteilhaft zeichnen sich eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes aus, bei dem im Schritt des Aufbringens ein Plasmaprozess, insbesondere zur Reinigung der aufgebrachten Membranlage, ausgeführt wird, insbesondere wobei der Plasmaprozess ein Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma verwendet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch den Plasmaprozess eine gereinigte Membranlage zu erhalten, die einerseits qualitativ hochwertige optische Eigenschaften aufweist und andererseits mechanische Spannungen erhält, die sich sehr vorteilhaft auf die Stabilität eines derart Bauelementes auswirken.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Aufbringens eine Zufuhr von Stickstoff in einen Prozessierungsraum erfolgt, in dem die Membranlage auf die Passivierungsschicht aufgebracht wird, insbesondere wobei eine Menge von Stickstoff in dem Prozessierungsraum zugeführt wird, die geringer als die für die Herstellung einer stöchiometrischen Membranlage erforderliche Menge von Stickstoff ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die geregelte Zufuhr von Stickstoff sehr präzise das Verhältnis von Aluminium zu Stickstoff während der Abscheidung bzw. Ausbildung der Membranlage einstellen zu können, sodass eine solche Ausführungsform eine hohe Flexibilität bei der Realisierung von erwünschten Materialparameterkombinationen bei der Herstellung der Membranlage ermöglicht.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann ein Schritt des Prozessierens des mit der Membranlage versehenen Halbleitermaterials vorgesehen sein, um das Bauelement mit der Membranlage herzustellen. Auf diese Weise können noch weitere Strukturen in oder auf das Halbleitermaterial ein- bzw. aufbracht werden, sodass auch komplexe Bauelemente für verschiedene Funktionalitäten mit dem hier vorgestellten Ansatz technisch einfach hergestellt werden können.
Von Vorteil ist auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Vorrichtung zur Herstellung eines Bauelementes mit wenigstens einer Membranlage, wobei die Vorrichtung Einheiten aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens auszuführen und/oder anzusteuern.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Besonders günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Bauelement, das ein Trägersubstrat, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial und eine darauf angeordneten Passivierungsschicht aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht eine Membranlage aufgebracht ist, die ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4, insbesondere im Bereich von 1,05 bis 1,4, liegt.
Das Bauelement kann außerdem einen freigestellten Bereich der Membranlage umfassen, welcher frei von Trägermaterial ist. In diesem Bereich kann also eine freistehende Membran vorhanden sein. Die Membran kann strukturiert sein, insbesondere mittels Durchgangsöffnungen.
Ein solches Bauelement kann vorteilhaft als Abschwächer, insbesondere als Absorber, für elektromagnetische Wellen im infraroten, sichtbaren, ultravioletten, EUV oder Röntgen-Wellenlängenbereich, als Druckminderer für Gase, als Dosiervorrichtung für Gase oder als Sensorelement für Ultraschall verwendet werden.
Angemerkt wird in diesem Zusammenhang, dass Al-haltige Membranen beispielsweise als strukturierter Absorber in EUV Sensoren verwendet werden können. Die optischen Eigenschaften bei einer Wellenlänge von 13,5nm, die Membrandicke von 100nm und die Stabilität unter EUV Bestrahlung führen zu einer signifikanten Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Bauelementes, beispielsweise einer Sensorperformance, wenn das Bauelement als Sensor ausgeführt ist. Nicht senkrecht einfallendes Licht (beispielsweise mit einer Wellenlänge von X = 13,5nm), welches nur einen Teil des Absorbers durchläuft, erfährt eine Phasenschiebung, bedingt durch den Brechungsindex des Absorbers n≠1. Das so durch den Gitterspalt gelangte zum Messsignal beitragende Licht begrenzt die optische Sensorperformance. Dieser Effekt kann durch den Einsatz einer deutlich dünneren Membran, welche aus einem Material besteht, das einen effektiven Brechungsindex n nah an 1 bei einem ausreichend hohen Absorptionskoeffizienten k besitzt. Mögliche Materialkandidaten für solche Membranen können auch zugverspannt hergestellt werden.
Die Strukturierbarkeit sollte dabei genauso gegeben sein, wie die Stabilität der Schichteigenschaften unter typischen EUV- Umgebungsbedingungen. Als strukturierte, absorbierende Membran wird bisher nach dem Stand der Technik beispielsweise eine Kombination aus Cr (Absorber) und Si₃N₄ eingesetzt. Die Membran muss beispielsweise in EUV Sensoranwendungen mechanisch (keine Veränderung der Membranebenheit) und optisch (n, k) stabil sein. Dabei können n den Realteil und k den Imaginärteil der Brechzahl bedeuten. Die Gesamtschichtdicke der Membran beträgt dazu in bisher bekannten EUV Sensoranwendungen über 200 nm und kann unter Berücksichtigung der optischen (n, k) und mechanischen Eigenschaften (ohne Materialänderung) nach dem Stand der Technik nicht reduziert werden. Die bekannte Verwendung von Cr und Si3N4 führt bei höheren numerischen Aperturen (NA), bedingt durch den Brechungsindex, zu einer Phasenschiebung, welche die Qualität des Sensorsignals limitiert.
Mit dem hier vorgestellten Ansatz kann hingegen eine Entwicklung einer Membran aus einem strukturierbaren Material vorgeschlagen werden, welches bei einer Wellenlänge von 13,5nm einen Brechungsindex n > 0,97 (ideal: n=1) und einen Absorptionskoeffizienten k > 0,03 besitzt. Die etwa 50nm bis 150 nm dicke Membran ist auch unter den Umgebungsbedingungen einer Bestrahlung in einer technischen EUV Anlage mechanisch ausreichend stabil.
Außerdem können solche Bauelemente als Ultraschalldetektoren verwendet werden. Dabei kann eine Auslenkung der Membran beispielsweise kapazitiv oder optisch ausgewertet werden.
Außerdem können derartige Bauelemente mit Durchgangsöffnungen in der Membran als effektive Druckminderer für Gase eingesetzt werden. Dabei kann die Größe der Öffnungen so klein gewählt werden, dass diese eine Knudsenströmung oder eine molekulare Strömung ermöglichen. Damit kann beispielsweise eine geringe Menge eines Spurengases reproduzierbar in einen Gasstrom dosiert werden. Ein solcher Druckminderer kann auch als Testleck zur Prüfung von Hochvakuumanlagen verwendet werden.
Der hier vorgestellte Ansatz wird anhand der beigefügten Figuren nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Komponente einer Halbleiter-Fertigungsanlage, mit der ein Bauelement als Halbzeug für eine weitere Prozessierung hergestellt werden kann;
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelementes mit wenigstens einer Membranlage,
3 eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes; und
4 eine weitere eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes.

In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche oder ähnlich wirkende Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Komponente 100 (die hier synonym als Prozessierungsraum oder Rezipient bezeichnet werden kann) einer (nicht weiter dargestellten) Halbleiter-Fertigungsanlage, mit der ein Bauelement 105 als Halbzeug für eine weitere Prozessierung hergestellt werden kann. In dieser Komponente 100 ist beispielsweise eine Halteeinheit 110 vorgesehen, mittels welcher Halbleitermaterial 115 für eine nachfolgende Bearbeitung entsprechend positioniert werden kann. Das Halbleitermaterials 115 umfasst beispielsweise ein Trägersubstrat 120, auf welchem eine Passivierungsschicht 125 angeordnet ist. Das Halbleitermaterial 115 wird dabei in eine entsprechende Position 130 verbracht, die beispielsweise gegenüberliegend einen entsprechenden Sputtertarget 135 liegt, wobei dieses Sputtertarget 135 beispielsweise durch ein Aluminiumbasismaterial gebildet ist, welches unter Verwendung einer entsprechenden, in der 1 schematisch dargestellten Beschichtungseinheit 140 verwendet werden kann, um die Membranlage 145 auf die Passivierungsschicht 125 aufzubringen.
Dabei wird beispielsweise ein Aluminium-Material vom Sputtertarget 135 abgetragen, welches sich dann unter Verwendung von Stickstoff aus einer entsprechenden Atmosphäre 150 in der Komponente 100 als entsprechendes Material der Membranlage 145 auf der Passivierungsschicht 125 ablagert. Der Prozess kann in einem Vakuum ausgeführt werden, wobei eine bestimmte Menge vorbestimmter Gasmoleküle und / oder Gasionen eine Prozessgasatmosphäre (Atmosphäre) darstellen können. Durch die Einstellung von Prozessparametern wie beispielsweise der Temperatur in der Komponente 100, einem Partialdruck von einem oder mehreren Komponenten der Atmosphäre 150, einer Position des Halbleitermaterials 115 und/oder einer Abtragungsrate von Material vom Sputtertarget 135 kann dann beispielsweise auch das genaue, gewünschte Verhältnis von Aluminium zu Stickstoff des Materials der Membranlage 145 eingestellt werden. Besonders vorteilhaft hat sich hinsichtlich der optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Membranlage 145 ein Verhältnis von Aluminium zu Stickstoff im Bereich vom >1 bis 1,4 erwiesen. Diese Parameter können beispielsweise von einer Steuereinheit 155 eingestellt werden, in der eine Einheit 160 zum Bereitstellen und eine Einheit 160 zum Aufbringen vorgesehen sind, wobei die Einheit 160 zum Bereitstellen beispielsweise die Halteeinheit 110 ansteuert, um das Halbleitermaterial 115 in der Position 130 positionieren oder bereitstellen zu können und die Einheit 165 beispielsweise die Beschichtungseinheit 140 ansteuert, um den entsprechenden Antrag des Materials aus dem Sputtertarget 135 steuern zu können. Denkbar ist auch noch, dass die Einheit 160 zum Aufbringen ausgebildet ist, um einen Partialdruck von einem oder mehreren Komponenten der Atmosphäre 150 anzusteuern und/oder einzustellen.
Nach Herstellung des Bauelementes 105 kann dieses Bauelement 105 durch n Prozessschritte, die in der 1 nicht näher dargestellt bzw. thematisiert sind, da diese nicht zum eigentlichen Kerngedanken der Erfindung gehören, weiter bearbeitet werden, um beispielsweise einen Halbleitersensor und/oder ein MEMS-Element aus diesem Bauelement 105 erzeugen zu können. Hierzu kann beispielsweise das Bauelement 105 mit herkömmlichen Verfahrensschritten beschichtet, belichtet oder geätzt werden, um gewünschte Strukturen in das Bauelement 105 einzubringen oder eine oder mehrere weitere Lage(n) auf das Bauelement 105 aufzubringen.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert im Wesentlichen auf der Verwendung einer Membran aus Aluminiumnitrid mit optimierter Stöchiometrie, wobei sich das hier beschriebene Verhältnis von Aluminium zu Stickstoff als besonders günstig erweisen hat. Die Stabilität der mechanischen Eigenschaften dieser Membran kann auch mittels eines plasmagestützten Tests, der zur schnellen Bewertung eine EUV Bestrahlung simuliert, geprüft werden.
Die AIN-Schichten, wie sie hier als Membranlage 145 vorgeschlagen werden, können damit mittels eines gepulsten DC Sputterprozesses (unter Verwendung der Beschichtungseinheit 140), unter Nutzung von Argon und Stickstoff in der Atmosphäre 150 erzeugt werden. Anhand der Entladungscharakteristik des Prozesses können die unterschiedlichen Sputtermodi bestimmt werden. Bekannte stöchiometrische Schichten (AI:N =1) nach dem Stand der Technik können dabei speziell im reaktiven Regime erzeugt werden. Charakteristisch für die erzeugten Schichten ist ein spezifischer Widerstand > 1 E-2 Ohm*m und eine tensile Verpannung >>100MPa. Das stöchiometrische AIN zeigt ein stark ausgeprägtes Degradationsverhalten hinsichtlich der Schichtspannung (Lagerung in Stickstoff bei Raumtemperatur). Dieses Verhalten wird durch den Einsatz von Plasmaprozessen verstärkt.
Erfindungsgemäß wird hingegen speziell die Herstellung einer Schicht AI:N > 1 als Membranlage 145 vorgeschlagen, welche weiterhin in einem Bereich >> 100MPa tensil verspannt ist, einen spezifischen Widerstand > 1E-4 Ohm*m besitzt, aber keine Degradation durch Lagerung/Plasmaprozesse zeigt. Die Herstellung der Schichten als Membranlage 145 können speziell bei einem reduzierten Stickstofffluss während der Abscheidung hergestellt werden. Dies bedeutet, dass die Zufuhr von Stickstoff zu der Atmosphäre 150 im Vergleich zu einem durch die Herstellung des Materials der Membranlage 145 reduziert ist. Der zeitliche Verlauf der Schichtspannung durch Lagerung kann zur Bestimmung der Standzeit oder anderer Prüfparameter der Qualität des Bauelements herangezogen werden, ebenso wie der Einfluss von Wasserstoff- und Sauerstoffplasmen. Die Plasmatests können in einer ICP RIE Anlage, ohne zusätzliche HF Bias durchgeführt.
Durch den Einsatz der beschriebenen Methodik konnte das erfindungsgemäße Prozessfenster für die Beschichtung identifiziert werden, in welchem die AIN-Schichten die Anforderung bezüglich Schichtspannung und Stabilität erfüllen. Das Fenster wird nach oben durch eine beginnende Degradation und nach unten durch eine stark abfallende Schichtspannung begrenzt (1,0 < AI:N < 1,4). Besonders geeignet hat sich der im allgemeinen Teil der Beschreibung genannte Bereich von 1,05 bis 1,40, besonders vorteilhaft der Bereich von 1,10 bis 1,30 erwiesen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 200 zur Herstellung eines Bauelementes mit wenigstens einer Membranlage, wobei das Verfahren 200 einen Schritt 210 des Bereitstellens eines Halbleitermaterials aufweist, das ein mit einer Passivierungsschicht versehenes Trägersubstrat aufweist. Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Schritt 220 des Aufbringens einer Membranlage auf die Passivierungsschicht, wobei die Membranlage ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von >1 bis 1,4 liegt, um das Bauelement herzustellen.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Bauelementes 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes. Diese Darstellung des Bauelements 105 zeigt ein Stadium, in welchem die Membranlage 145 auf die Passivierungsschicht 125 aufgetragen bzw. aufgebracht wurde, welche selbst wiederum auf dem Halbleitermaterial 120 angeordnet ist. Weiterhin ist in einem Abschnitt 300 die Membranlage 145 freigelegt. Ein solches Freilegen kann beispielsweise durch ein Wegätzen des Trägersubstrats im Bereich des Abschnitts 300 erfolgen. Besonders vorteilhaft kann, wie dargestellt, ebenfalls die Passivierungsschicht in diesem Bereich entfernt sein. Auf diese Weise kann eine Membranlage 145 hergestellt werden, die besonders günstige optische und oder mechanische Eigenschaften aufweist, für welche beispielsweise diese Membranlage 145 besonders dünn und / oder frei schwingend ausgestaltet sein sollte. In einer nicht dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann im freigelegten Abschnitt die Passivierungsschicht an der Membran verbleiben.
4 zeigt eine weitere eine Querschnittsansicht eines Bauelementes 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes. Diese Darstellung des Bauelementes 105 zeigt ein Stadium, in welchem die Membranlage 145 auf die Passivierungsschicht 125 aufgetragen bzw. aufgebracht wurde, wie es bereits mit Bezug zur 3 näher dargestellt wurde. Weiterhin sind nun Öffnungen 400 in die Membranlage 140 im freiliegenden Abschnitt 300 eingebracht, um beispielsweise einen Lichtabsorber oder ein Mikrosieb oder eine besonders günstig schwingende Struktur der Membran zu formen. Insbesondere kann eine infolge des Durchtretens eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch die Öffnungen viskos gedämpfte Schwingmembran hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020210084381 A [0004]
KR 1020180057813 A [0004]
KR 1020180029384 A [0004]

Claims

Verfahren (200) zur Herstellung eines Bauelementes (105) mit wenigstens einer Membranlage (145), wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen (210) eines Trägermaterials (115), welches ein Trägersubstrat (120) umfasst; und - Aufbringen (220) der Membranlage (145) auf das Trägermaterial (115), wobei die Membranlage (145) ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4 liegt, um das Bauelement (105) herzustellen.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von 1,05 bis 1,4 liegt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Schritt (210) des Bereitstellens als Trägermaterial ein mit einer Passivierungsschicht (125) versehenes Trägersubstrat (120) bereitgestellt wird, wobei im Schritt (220) des Aufbringens die Membranlage (145) auf die Passivierungsschicht (125) aufgebracht wird.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (125) Siliziumnitrid umfasst oder aus Siliziumnitrid besteht, insbesondere aus Siliziumnitrid mit einem gegenüber stöchiometrischem Si₃N₄ vorhandenem Siliziumüberschuss und/ oder dass die Passivierungsschicht (125) mittels eines Sputterprozesses auf dem Trägersubstrat hergestellt wurde.
Verfahren (200) gemäß einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (220) des Aufbringens die Membranlage (145) wenigstens abschnittsweise freigestellt wird, beispielsweise durch Entfernen des Trägersubstrats (120), insbesondere des Trägermaterials (115), in wenigstens einem freizustellenden Abschnitt.
Verfahren (200) gemäß einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Aufbringens die Membranlage (145) unter Verwendung eines Sputterprozesses auf die das Trägermaterial (115) aufgebracht wird, insbesondere unter Verwendung eines gepulsten DC-Sputterprozesses und/oder eines Hochleistungsimpulsmagnetronsputterns.
Verfahren (200) gemäß einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt des Strukturierens der Membranlage (145) umfasst, insbesondere ein Strukturieren mit Durchgangslöchern.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (220) des Aufbringens in einer Argon-haltigen und/oder Stickstoff-haltigen Atmosphäre (150) ausgeführt wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Aufbringens die Membranlage (145) mit einer Dicke von höchstens 150 nm, insbesondere mit einer Dicke von höchstens 100 nm ausgebildet wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Aufbringens ein Plasmaprozess, insbesondere zur Reinigung der aufgebrachten Membranlage (145), ausgeführt wird, insbesondere wobei der Plasmaprozess ein Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma verwendet.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Aufbringens eine Zufuhr von Stickstoff in einen Prozessierungsraum (100) erfolgt, in dem die Membranlage (145) auf die Passivierungsschicht (125) aufgebracht wird, insbesondere wobei eine Menge von Stickstoff in dem Prozessierungsraum (100) zugeführt wird, die geringer als die für die Herstellung einer stöchiometrischen Membranlage (145) erforderliche Menge von Stickstoff ist.
Vorrichtung (155) zur Herstellung eines Bauelementes (105) mit wenigstens einer Membranlage (145), wobei die Vorrichtung (155) Einheiten (160, 165) aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte (210, 220) des Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11 auszuführen und/oder anzusteuern.
Bauelement (105), das ein Trägersubstrat (120) aufweist, wobei auf dem Trägersubstrat (120) eine Membranlage (145) aufgebracht ist, die ein Aluminiumnitrid-Material aufweist, bei dem ein Verhältnis des Aluminiums zu Stickstoff im Bereich von größer als 1 bis 1,4 liegt.
Bauelement (105) gemäß Anspruch 13, welches außerdem einen freigestellten Bereich (300) der Membranlage (145) aufweist, welcher frei vom Trägersubstrat, insbesondere frei vom Trägermaterial ist.
Verwendung eines Bauelements gemäß Anspruch 13 oder 14 als Abschwächer für elektromagnetische Wellen im infraroten, sichtbaren, ultravioletten, EUV oder Röntgen- Wellenlängenbereich, als Druckminderer für Gase, als Dosiervorrichtung für Gase oder als Sensorelement für Ultraschall.