DE10206479A1

DE10206479A1 - Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur unter Verwendung einer Hochenergie-Lichtquelle

Info

Publication number: DE10206479A1
Application number: DE10206479A
Authority: DE
Inventors: Seung Seob Lee; Sung-Keun Lee; Kwang-Cheol Lee
Original assignee: Pohang University of Science and Technology Foundation POSTECH
Current assignee: Pohang University of Science and Technology Foundation POSTECH
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2003-01-30
Also published as: TW521061B; CN1291274C; JP2003029418A; CN1396493A; US20030012332A1; US6593067B2

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur unter Verwendung von Röntgenstrahlung weist die Verfahrensschritte der selektiven Aussetzung bzw. Belichtung eines Bereiches eines fotoempfindlichen Materials durch die Hochenergie-Lichtquelle, wobei der Verfahrensschritt der selektiven Aussetzung bzw. Belichtung durch das Verwenden einer Fotoschablone zum Festlegen eines Musters der Mikrostruktur und das Durchführen einer Wärmebehandlung zum Schmelzen und Deformieren lediglich eines oberen Bereichs des belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials durchgeführt wird und wobei der obere Bereich des belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials mit einem Energieniveau zwischen ungefähr 1 kJ/cm·3· und ungefährt 20 kJ/cm·3· belichtet wird, wenn er der Röntgenstrahlung ausgesetzt wird.

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur unter Verwendung einer Hochenergie-Lichtquelle und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrolinse oder einer Mikrostruktur, welche ein vorbestimmtes Muster aufgrund der Verwendung einer Synchrotron-Strahlung aufweist.

Beschreibung des Standes der Technik

In den letzten Jahren ist Hochenergie-Synchrotron- Strahlung in dem Bereich der Röntgen-Lithographie in der Halbleiterindustrie und beim Herstellen von Mikrostrukturen durch Verwendung des sogenannten LIGA(Röntgen-Tiefenlithographie)-Verfahrens verwendet worden, welches zuerst in Deutschland im Zusammenhang mit der Herstellung einer Schlitzdüse zum Separieren eines Uranisotops entwickelt wurde.
Die Synchrotron-Strahlung ist eine Hochenergie-Lichtquelle, welche zehntausende mal stärker ist als andere Lichtquellen. Sie besitzt eine geringe Streuung bzw. Dispersion aufgrund ihrer sehr guten, parallelen Strahleigenschaften, weist außerdem das gesamte Energiespektrum auf und ist des weiteren eine in hohem Maß saubere Lichtquelle zur Bestrahlung unter Hochvakuum. Aus diesem Grund kann eine Lithographie-Belichtungszeit durch die Verwendung der Synchrotron-Strahlung im Vergleich mit anderen Lichtquellen erheblich verkürzt werden. Die Mikrostruktur, welche einen hohen Abbildungsmaßstab aufweist, kann durch die Synchrotron-Strahlung aufgrund ihrer geringen Streueigenschaften hergestellt werden. Die Synchrotronstrahlung kann außerdem eine optimale Röntgenlichtquelle in dem LIGA-Verfahren darstellen, weil sie den Freiheitsgrad in der Auswahl einer Fotoschablone bzw. -maske durch Auswählen eines geeigneten Wellenlängenbereiches für diesen Zweck vergrößern kann.
Eine der Anwendungen des LIGA-Verfahrens kann in dem Bereich von Mikrolinsen gefunden werden. Die Mikrolinse wird als ein wichtiges Element in einem optischen System eingesetzt, wobei die Struktur der Mikrolinse kontrolliert werden muß, um die gewünschten, optischen Eigenschaften zu erhalten.
Eines der konventionellen Herstellungsverfahren für Mikrolinsen, vorgeschlagen von N. Moldovan in "LIGA AND ALTERNATIVE TECHNIQUE FOR MICROOPTICAL COMPONENTS", IEEE, Seite 149-152, 1997, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1D beschrieben.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein fotoempfindliches Material, z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat) 12 auf eine Oberfläche 10 beschichtet. Daraufhin wird ein Röntgenbelichtungsverfahren unter Verwendung einer Röntgen-Fotoschablone 14 durchgeführt. Das PMMA wird häufig als das fotoempfindliche Material 12 verwendet, weil die Transparenz der durch das PMMA hergestellten Linse ungefähr 90% besser als diejenigen von anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Kunststofflinsen ist und andere, optische Eigenschaften desselben ebenfalls näher an denjenigen von Glas liegen.
Daraufhin wird eine zylindrische Struktur bzw. zylindrisches Muster 16 durch Eliminieren eines Bereichs der PMMA, welches der Röntgenstrahlung ausgesetzt ist, durch einen Entwicklungsprozeß geschaffen, wie in Fig. 1B dargestellt.
Das gesamte, zylindrische Muster wird dann einer zweiten Röntgenstrahlung mit niedrigerer Intensität ausgesetzt, welche durch einen darüber angeordneten Membranfilter (nicht dargestellt) gebildet wird, wie in Fig. 1C dargestellt.
Durch Belichten des Musters 16 mit der schwächeren, zweiten Röntgenstrahlung wird erreicht, daß nur ein Oberflächenbereich 16a des Musters 16 eine niedrigere Glasübergangstemperatur (T_g) als diejenige des nicht belichteten Bereichs aufweist.
Schließlich wird, wie in Fig. 1D dargestellt, das zylindrische Muster 16 einer Wärmebehandlung bei einer vorbestimmten Temperatur ausgesetzt, so daß nur der betroffene Oberflächenbereich 16a des belichteten, zylindrischen Musters 16 mit einer niedrigeren T_g schmilzt und sich verformt, um eine Mikrolinse 16b zu bilden, welche aufgrund der Oberflächenspannung einen halbkugelförmigen, oberen Bereich aufweist. In diesem Zusammenhang wird der Durchmesser der Mikrolinse 16b durch den Durchmesser des Originalmusters 16 festgelegt, während die Höhe desselben durch die Wärmebehandlungstemperatur und die Höhe und den Durchmesser des Musters 16 festgelegt wird.
Jedoch weist das oben beschriebene, konventionelle Verfahren zum Herstellen von Mikrolinsen einige Nachteile auf, und zwar, daß die Herstellungsschemen zwei Röntgenbelichtungsverfahren und ein Entwicklungsverfahren erfordern, was das gesamte Verfahren kompliziert.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist aus diesem Grund die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für Mikrostrukturen zu schaffen, und zwar durch Verwendung lediglich eines Röntgenbelichtungsverfahrens und ohne das Erfordernis eines Entwicklungsverfahrens.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur unter Verwendung einer Hochenergie-Lichtquelle geschaffen, welches die folgenden Schritte aufweist: ein Bereich eines fotoempfindlichen Materials wird der Hochenergie-Lichtquelle selektiv ausgesetzt bzw. von derselben belichtet, und es wird eine Wärmebehandlung zum Schmelzen und Deformieren lediglich eines oberen Bereichs des belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials durchgeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die oben angegebene Aufgabe sowie weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele deutlich, welche in Zusammenhang der beigefügten Zeichnung angegeben werden.
Es zeigt:
Fig. 1A bis 1D ein konventionelles Herstellungsverfahren für Mikrolinsen;
Fig. 2A und 2B ein Herstellungsverfahren für Mikrolinsen gemäß einem ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A bis 3C ein Herstellungsverfahren für eine Mikrogießform gemäß der ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Mikrolinse, welche unter Verwendung der gemäß dem ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellten Mikrogießform hergestellt wurde;
Fig. 5A bis 5F ein Röntgen-Fotoschablonen-Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 6A bis 6B ein Herstellungsverfahren für eine Mikrolinse unter Verwendung eines Laserstrahls gemäß einem zweiten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 6B nachfolgend beschrieben.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Mikrolinse unter Verwendung der Röntgenstrahlung hergestellt werden, welche eine Hochenergie-Lichtquelle repräsentiert.
Fig. 2A und 2B stellen eine Herstellungssequenz für eine Mikrolinse gemäß dem ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Eine einzelne Mikrolinse oder eine Vielzahl von Mikrolinsen in Form einer Reihe können mittels der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Aus Gründen der Vereinfachung ist in den Fig. 2A und 2B jedoch lediglich eine Mikrolinse dargestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2A wird der Röntgenbelichtungsprozeß unter Verwendung einer Röntgen-Fotoschablone bzw. -maske 1 durchgeführt, welche ein nicht- transparentes Muster 114 aufweist, welches einen vorbestimmten Bereich zum Bilden der Mikrolinse festlegt. Die Bezugszeichen 110, 100b, 102, 100a stellen jeweils eine metallische Schicht, eine obere Silikonschicht, eine Isolierschicht und eine untere Silikonschicht dar. Details hiervon werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5F beschrieben.
Ein fotoempfindliches Material 116 wird durch die Röntgenstrahlung belichtet, welche durch einen transparenten Bereich der Fotoschablone 1 durchgehen. Gemäß der ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als das fotoempfindliche Material 116 vorzugsweise PMMA verwendet. Ein Zeonex, ein fotobestimmbares (photodefinable) Glas oder ähnliches kann anstatt der PMMA in gleicher Weise ebenso verwendet werden, solange es fotolithografisch festgelegt werden kann und die gewünschten, optischen Eigenschaften zur Verfügung stellt. Bei dem Röntgenbelichtungsprozeß wird der belichtete Bereich 118 des fotoempfindlichen Materials 116 der Röntgenstrahlung ausgesetzt.
Gemäß der ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nur der obere Bereich des belichteten Bereichs 118 durch die Röntgenstrahlung in signifikanter Weise betroffen, welche von einem Teilchenbeschleuniger mit einem Energieniveau von 1 kJ/cm³ bis 20 kJ/cm³, vorzugsweise 2,4 kJ/cm³, erzeugt wird. Durch den oben beschriebenen Belichtungsprozeß wird das Molekulargewicht des belichteten Bereichs 118 unterschiedlich von demjenigen des verbleibenden, nicht belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials 116. Insbesondere wird das Molekulargewicht des oberen Bereichs des belichteten Bereichs 118 geringer als das des nicht belichteten Bereichs, und folglich wird die T_g desselben geringer als die des nicht belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials 116.
Der obere Bereich des belichteten Bereiches 118 wird dann geschmolzen und durch die Wärmebehandlung deformiert, um eine halbkugelförmige Mikrolinse 118a zu bilden, während der nicht belichtete Bereich des fotoempfindlichen Materials 116 intakt bleibt, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur vorzugsweise zwischen 50°C und 250°C und besonders bevorzugt zwischen 110°C und 120°C für 5 bis 10 Minuten durchgeführt. Die halbkugelförmige Mikrolinse 118a kann erlangt werden, weil nur die Mitte des belichteten Bereichs 118 außer eines Randes desselben durch Oberflächenspannung deformiert wird.
Es sollte erwähnt werden, daß die vorliegende Erfindung auch beim Herstellen anderer Arten von Mikrostrukturen angewendet werden kann, welche mittels eines Röntgenbelichtungsprozesses hergestellt werden können.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen eine Herstellungssequenz für eine Mikrogießform und einen Gießprozeß gemäß der ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3A wird zunächst eine Titanschicht 200 auf der Oberseite der Mikrolinse 118a und dem unbelichteten Bereich des fotoempfindlichen Materials 116 abgelegt. Die Titanschicht 200 ist ungefähr 300 Å dick und dient als eine Basisschicht für einen nachfolgenden Nickel-Beschichtungsprozeß. Dann wird auf der Titanschicht 200 mittels des Ni-Beschichtungsprozesses eine Nickel-Beschichtungsschicht 202 in einer Sulfamat-Chlorid-Nickel-Beschichtungslösung (55°C, pH 4) gebildet.
Danach werden die Mikrolinsen 118a, der belichtete Bereich 118 und das fotoempfindliche Material 216 mittels eines organischen Lösungsmittels aufgelöst und entfernt, wie in Fig. 3B dargestellt, wodurch sich eine Mikrogießform 2 ergibt, z. B. eine Nickel-Mikrogießform für eine Massenfertigung von Mikrolinsenstrukturen.
Dann wird, wie in Fig. 3C dargestellt, ein transparentes Material, z. B. PMMA oder ähnliches, auf der Mikrogießform 2 aufgebracht und ein Mikrogieß- oder ein Heißpräge-Verfahren auf demselben durchgeführt, was die Massenfertigung der Mikrolinsen-Strukturen 117 mit einer identischen Form ermöglicht.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Mikrolinsenstruktur 117, welche durch das oben beschriebene Mikrolinsen-Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Die Mikrolinsen-Struktur 117 beinhaltet eine Mikrolinse 117a und einen Basisbereich 117b.
Die Fig. 5A bis 5F zeigen ein Herstellungsverfahren für eine Röntgen-Fotoschablone gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Herstellungsschritt für die Röntgen-Fotoschablone beginnt, unter Bezugnahme auf Fig. 5A, zuerst mit einem Silikon-On-Insulator(SOI)-Wafer, welcher eine Isolationsschicht 102 aufweist, die zwischen einer unteren Silikonschicht 100a und einer oberen Silikonschicht 100b angeordnet ist. Vorzugsweise sind die obere Silikonschicht 100b, die Isolationsschicht 102 und die untere Silikonschicht 100a jeweils 20 µm, 1 µm und 400 µm dick.
Eine erste und eine zweite Oxidschicht 104, 106, welche jeweils z. B. 1 µm Dicke aufweisen, werden dann auf den oberen und unteren Oberflächen des SOI-Substrats mittels der Durchführung von Trocken- oder Feuchtoxidation oder einer Kombination daraus gebildet. Z. B. werden beide Oxidschichten 104, 106 wie folgt gebildet: Zuerst wird das SOI-Substrat in einen Heizofen bei ungefähr z. B. 700°C geladen. Daraufhin wird die Heizofentemperatur auf ungefähr z. B. 1050°C erhöht und für eine Zeitdauer von 15 Minuten eine Trockenoxidation durchgeführt, gefolgt von einer Feuchtoxidation für 4 Stunden und wiederum einer Trockenoxidation für 15 Minuten bei dieser Temperatur.
Anschließend wird die Heizofentemperatur auf ungefähr z. B. 700°C verringert, und das Substrat wird aus dem Heizofen entnommen.
Dann wird durch die nachfolgenden Verfahren ein in Fig. 5C dargestellter Röntgenstrahlungsbereich gebildet. Zuerst wird die Oxidschicht 106 strukturiert bzw. gemustert, um einen mittleren Teil der unteren Oberfläche der unteren Silikonschicht 100a zu belichten. Danach wird die untere Silikonschicht 100a durch die strukturierte Oxidschicht geätzt, welche als eine Sperrschicht unter Durchführung eines Standard-Mikrobearbeitungsverfahrens wirkt. In diesem Fall kann eine 20-%ige Lösung Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als eine Ätzlösung verwendet werden, und die untere Silikonschicht 100a mit der Dicke von ungefähr 400 µm wird dadurch für eine Zeitdauer von 7 Stunden geätzt, um einen mittleren Teil der Isolierschicht 102 zu belichten. Daraufhin werden die verbleibenden, ersten und zweiten Oxidschichten 104, 106 und der belichtete, mittlere Teil der Isolierschicht 102 in gepufferter Hydrofluorsäure (BHF) für eine Zeitdauer von 30 Minuten geätzt, was zu dem Röntgenstrahlungsbereich 108 führt, wie er in Fig. 5C dargestellt ist.
Wie in Fig. 5D dargestellt, wird dann eine Metallschicht 110 auf die Oberseite der oberen Silikonschicht 100b aufgelegt. Z. B. wird eine Cr/Au-Metallschicht 110, welche als eine Keimschicht für eine nachfolgende Au-Elektrobeschichtung dient, mit einer Dicke von ungefähr 300 Å unter Verwendung eines thermischen Aufdampfungsgerätes aufgebracht. Dann wird eine zylindrische, fotoempfindliche, strukturierte Schicht 112 auf der Oberseite der Metallschicht 110, wie nachfolgend beschrieben, gebildet. Die zylindrische, fotoempfindliche, strukturierte Schicht 112 kann mit einer Dicke von ungefähr 10 µm gebildet werden, z. B. durch Spin-Coating bei einem Photoresist bei 2000 l/Minute für 60 Sekunden und der Durchführung eines konventionellen, fotolithografischen Verfahrens. Daraufhin wird Soft-Baking durchgeführt, z. B. bei 90°C für 100 Sekunden.
Nachfolgend wird eine röntgenstrahl-absorbierende Membran 114 bis zu der Höhe der zylindrischen, fotoempfindlichen, strukturierten Schicht 112 gebildet, z. B. durch das Elektrobeschichten einer metallischen Schicht auf der Basismetallschicht 110. Z. B. kann die Röntgenstrahl-absorbierende Membran 114 durch Elektrobeschichten einer Au-Schicht für eine Zeitdauer von 2 Stunden mit einer Stromdichte von 5,5 mA gebildet werden.
Die zylindrische, fotoempfindliche, strukturierte Schicht 112 wird dann durch die aufeinanderfolgende Behandlung in Aceton, Methanol und destilliertem Wasser entfernt. Daraufhin wird, durch das Eliminieren des belichteten Bereiches der Metallschicht 110, welche sich an der Unterseite der entfernten, fotoempfindlichen, strukturierten Schicht 112 befindet, durch eine geeignete Ätzlösung, die Röntgenstrahl-Fotoschablone, wie in Fig. 5F dargestellt, erhalten.
Die Mikrolinse kann auch unter Verwendung einer Laserlichtquelle ohne die Verwendung einer Fotoschablone hergestellt werden. Die Fig. 6A bis 6B beschreiben ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrolinse unter Verwendung von Laserstrahlung gemäß einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird, wie in Fig. 6A dargestellt, ein vorbestimmter Bereich 118 des fotoempfindlichen Materials 116, z. B. PMMA, einem Laserstrahl 132 ohne jegliche Fotoschablone ausgesetzt. Eine solche Laserbelichtung wird z. B. für eine Zeitdauer von 3 bis 180 Minuten durchgeführt, wobei der Laserstrahl ein Energieniveau von 2,3 mJ/Impuls bis 180 mJ/Impuls und eine Frequenz von 10 Hz aufweist. Aus diesem Grund wird das Molekulargewicht der PMMA an dem belichteten Bereich 118 geringer als dasjenige des nicht-belichteten Bereichs des fotoempfindlichen Materials 116.
Die obere Oberflächenregion des belichteten Bereichs 118 wird dann geschmolzen und durch eine Wärmebehandlung deformiert, um eine Mikrolinse 118a zu bilden, wie in Fig. 6B dargestellt. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur vorzugsweise zwischen ungefähr 50°C und ungefähr 250°C durchgeführt. Die halbkugelförmige Mikrolinse 118a kann erlangt werden, weil nur ein mittlerer Bereich des belichteten Bereichs 118, außer einem Rand desselben, durch Oberflächenspannung deformiert wird.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die besonderen Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für die Fachleute deutlich, daß sehr viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Sinn und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur unter Verwendung einer Hochenergie-Lichtquelle, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
ein Bereich (118) eines fotoempfindlichen Materials (116) wird der Hochenergie-Lichtquelle selektiv ausgesetzt bzw. von derselben belichtet und
es wird eine Wärmebehandlung zum Schmelzen und Deformieren lediglich eines oberen Bereichs des belichteten Bereichs (118) des fotoempfindlichen Materials (116) durchgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergie-Lichtquelle eine Röntgenstrahlung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur (117) eine einzelne Mikrolinse (118a) oder eine Vielzahl von Mikrolinsen (118a) in Form einer Reihe aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Belichtungsschritt unter Verwendung einer Fotoschablone zum Festlegen eines Musters bzw. einer Struktur der Mikrostruktur durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich des belichteten Bereichs (118) des fotoempfindlichen Materials (118) mit einem Energieniveau zwischen ungefähr 1 kJ/cm³ und ungefähr 20 kJ/cm³ belichtet wird, wenn er der Röntgenstrahlung ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergie-Lichtquelle ein Laser ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Belichtungsschritt für eine Zeitdauer von 3 bis 180 Minuten unter Verwendung des Lasers mit einem Energieniveau von 2,4 mJ/Impuls bis 180 mJ/Impulse und einer Frequenz von 10 Hz durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur (117) eine Mikrolinse (118a) beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen ungefähr 50°C und ungefähr 250°C durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt der Durchführung der Wärmebehandlung der Schritt der Herstellung einer Mikrogießform und der Produktion einer Vielzahl von Mikrostrukturen mit einer identischen Form durch Mikrogießen oder einem Heißpräge-Verfahren durch die Verwendung der Mikrogießform durchgeführt wird.