DE10253126A1 - Dünnschichtmaske und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dünnschichtmaske, die aus einem durch elektromagnetische Strahlung oder Korpuskularstrahlung entfernbaren Material hergestellt ist und für die Bildung von Strukturen, insbesondere Mikrostrukturen an der Oberfläche eines Substrats (1), vorgesehen ist. Die Maske ist durch selektive Bestrahlung einer durch ein CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren auf das Substrat aufgebrachten Schicht (4) gebildet. Die Schicht zeichnet sich durch eine gleichmäßige Dicke auch auf einer ausgeprägten dreidimensionalen Konfiguration und der Substratoberfläche aus. Eine besonders geeignete Schicht wird erhalten, wenn sie durch ein Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dünnschichtmaske nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Die Herstellung von Strukturen mit Hilfe von fotolithographischen Methoden ist sehr verbreitet. Die Anwendungen beschränken sich auf die bekannten Gebiete der Schaltungstechnik, Mikroelektronik, Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik.
  • Diese Verfahren arbeiten mit strahlungssensiblen Lacken (Resists). Hierbei wird das gewünschte Muster unter Anwendung von projizierenden oder kontaktierenden Verfahren mit Hilfe von Fotomasken (Chrommasken) in den Fotoresist belichtet. Andere Verfahren arbeiten mittels fokussiertes Korpuskularstrahlen, wie Elektronen- oder Ionenstrahlen. Die Maske aus einem Fotoresist dient in einem nachfolgenden Prozess wie Ätzen, Beschichten oder Dotieren zur Herstellung von Schicht- und Oberflächenstrukturen.
  • Fotolithographische Verfahren besitzen ein hohes Auflösungsvermögen und werden zur Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen standardmäßig eingesetzt. Dabei arbeiten die bekannten Verfahren mit ebenen Masken und Substraten, um auf diese Weise bei Kontakt- oder Proximity-Verfahren die Anforderungen an einen minimalen Masken-Substratabstand zu erfüllen oder bei projizierenden Verfahren der nur geringen Tiefenschärfe Rechnung tragen zu können.
  • Es wird auch bei den bekannten fotolithografischen Verfahren häufig von dreidimensionalen Strukturen oder Substraten gesprochen. Dabei beschränkt sich dieser Begriff jedoch nur auf Höhenangaben bis zu wenigen Mikrometern. Für diesen Tiefenbereich sind fotolithografische Verfahren und Belackungstechniken bekannt. Solche Strukturhöhen entstehen beispielsweise bei der Herstellung mehrlagiger Schaltungen oder Funktionsebenen. In den genannten Bereichen werden zur Sicherstellung der erforderlichen Maskendicke und der Dickentoleranz planarisierende Verfahren eingesetzt. So wird eine z. B. 10 μm hohe Leiterbahn mit einem Lack eingebettet. Die damit geschaffene ebene Oberfläche dient dann zur Aufnahme der Fotolackschicht und zur Durchführung der Belichtung. Hier sind unterschiedliche Verfahren bekannt, beispielsweise auch die sogenannte Tiefenlithografie, bei der eine relativ dicke Lackschicht (10 bis ca. 200 μm) verwendet wird, die ihrerseits eine ebene Oberfläche ermöglicht. Tiefenlithografisch hergestellte Strukturen werden vorwiegend bei additiven Strukturen eingesetzt, die mittels galvanischer Abformverfahren er zeugt werden. In der Literatur werden Strukturierungen in diesem Tiefenbereich als dreidimensionale Strukturen bezeichnet.
  • Bei den genannten Belichtungsverfahren und bei Laser-Direktstrukturierungs-Verfahren (Laserablation) besteht eine essentielle Forderung darin, dass eine in der Dicke homogene Lackschicht über die zum Teil sehr großen Substratflächen vorliegen muss, denn nur so können bei konstanter Belichtungsdosis eng tolerierte Strukturen hergestellt werden. Die Belackung erfolgt üblicherweise durch Anwendung von Schleuderverfahren. In speziellen Fällen werden auch Sprühbelackungen, Tauchbelackungen und Rollenauftragsverfahren eingesetzt (z. B. Druckzylinder).
  • Diese Beschichtungsverfahren haben jedoch den Nachteil, dass sich im Randbereich der Substrate sowie an Kanten, Vertiefungen und anderen typographischen Formgebungen lokale Änderungen der Lackdicke einstellen, die bei konkaven Formen Verstärkungen der Lackdicke (Lackwulst) und bei konvexen Formen Verringerungen der Lackdicke darstellen. Schneidkanten von Werkzeugen werden beispielsweise mit einer erheblich reduzierten Lackdicke belegt, so dass der nachfolgende Ätzprozess zu einer Zerstörung der Muster führen kann.
    •
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aus durch elektromagnetische Strahlung oder Korpuskularstrahlung entfernbarem Material hergestellte Dünnschichtmaske für die Herstellung von Strukturen an der Oberfläche eines Substrats sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtmaske für die Bildung von Mikrostrukturen an der Oberfläche eines Substrats, bei dem eine auf dem Substrat aufgebrachte Schicht selektiv bestrahlt und in den bestrahlten Bereichen abgetragen wird, anzugeben, mit denen es möglich ist, auch bei Substraten mit ausgeprägten dreidimensionalen Formgebungen und Tiefenprofilen eine sich über die gesamte zu bestrahlende Oberfläche des Substrats erstreckende Maske mit konstanter Dicke zu erhalten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dünnschichtmaske mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dünnschichtmaske bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Dadurch, dass die Maske durch selektive Bestrahlung einer durch ein CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren auf das Substrat aufgebrachten Schicht gebildet ist, werden alle Bereiche einer dreidimensional strukturierten Oberfläche eines Substrats mit einer Schicht gleichmäßiger Dicke überzogen. Dies kann z.B. durch geeignete Prozessführung und Substratbewegungen erreicht werden. Wenn dann die Schicht zur Herstellung einer Maske durch elektromagnetische Strahlung oder Korpuskularstrahlung selektiv ablatiert wird, ist gewährleistet, dass einerseits die Schicht in den freizulegenden Bereichen vollständig entfernt wird. Unter Substrat wird hierbei das Material verstanden, auf dem die Maske hergestellt wird; es kann sich somit hierbei auch um eine dünne Schicht handeln, die auf das eigentliche Substrat aufgebracht ist. Die Substrate können aus verschiedenen Materialien bestehen und sind nicht nur auf die klassische Siliziumtechnologie und Mikroelektronik beschränkt. So können Substrate hier beispielsweise Achsen, Wellen, Gleit- und Wälzlager, Werkzeuge, Hydraulik- und Pneumatik-Aktoren, Druckzylinder, Prägestempel, Metall- und Kunststoffgehäuse für mobile Telefone und andere elektronische Geräte mit ausgeprägten dreidimensionalen Formgebungen und Tiefenprofilen sein.
  • Bevorzugt ist die Schicht durch ein Plasma-CVD-Verfahren auf das Substrat aufgebracht, da hierdurch eine besonders homogene Schicht mit besonders gleichmäßiger Dicke erhalten werden kann.
    •
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a bis 1d den Vorgang der Herstellung einer Dünnschichtmaske in einer Vertiefung eines Substrats in vier Verfahrensschritten,
  • 2 eine auf einer schmalen Erhebung eines Substrats hergestellte Dünnschichtmaske, und
  • 3 eine auf unebenen Oberflächen eines Substrats gebildete Dünnschichtmaske.
  • 1 zeigt eine Vertiefung in einem Substrat 1 aus beliebigem Material. Auf dem Boden der Vertiefung ist eine Isolationsschicht 2 beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3) aufgebracht. Über dieser befindet sich eine dünne Funktionsschicht 3, beispielsweise aus Titannitrid (TiN). Diese soll strukturiert werden. Die Vertiefung kann eine Tiefe im Millimeterbereich oder sogar Zentimeterbereich aufweisen. Sie ist beispielsweise eine Ausfräsung in einem Prägewerkzeug, das an dieser Stelle mit einem Temperatursensor versehen werden soll.
  • Zum Zwecke der Strukturierung der Funktionsschicht 3 ist eine Dünnschichtmaske über dieser auszubilden. Hierbei wird zunächst, wie aus 1a ersichtlich ist, zumindest der relevante Bereich des Substrats mit einer Schicht 4 überzogen. Würde man diese als Fotolackschicht durch das bei der Fotolithografie bekannte Schleuder- oder Tauchverfahren aufbringen, hätte die Schicht eine Oberfläche, wie sie etwa durch die strichlierte Linie 5 dargestellt ist. Diese Schicht weist somit erhebliche Dickenunterschiede auf. Hierdurch ist eine anschließende maßhaltige Belichtung nicht möglich. Insbesondere würde eine nachfolgende Ätzung zu einer Schädigung der oberen Ecken der Struktur führen.
  • Die Schicht 4 ist jedoch durch ein CVD-Verfahren oder ein PVD-Verfahren auf die freiliegenden Oberflächen der Funktionsschicht 3 und des Substrats 1 aufgebracht worden. Dies gewährleistet eine weitgehend gleichmäßige Dicke dieser Schicht über ihre gesamte Erstreckung. Diese Verfahren umfassen die chemische und die physikalische Abscheidung aus der Gasphase. Da bei geeignet geführten DVD-Verfahren sowie bei PVD-Verfahren mit Substratbewegung eine gleichmäßige Abscheidung auf dem Substrat bzw. der Funktionsschicht erfolgt, lassen sich auch in komplexen Vertiefungen noch relativ homogene Schichtdicken herstellen, wozu auch eine geeignete Justage der in relativ weiten Grenzen einstellbaren Verfahrensparameter beitragen kann.
  • Die Schicht 4 wird dann, wie aus 1b ersichtlich ist, mit einem Laserstrahl 6 bestrahlt. Die bestrahlten Bereiche der Schicht 4 werden abgetragen, so dass dort die Funktionsschicht 3 freilegende Durchgangslöcher 7 entstehen. Die Dosierung und Dauer der Laserbestrahlung können so eingestellt werden, dass an den bestrahlten Stellen die Schicht 4 vollständig entfernt wird. Da die Dicke der Schicht 4 überall gleich ist, lässt sich dies ohne weiteres erreichen.
  • Nachdem auf diese Weise eine Dünnschichtmaske hergestellt ist, kann die Funktionsschicht 3 an den freigelegten Stellen mit einem die Schicht 4 nicht angreifenden Ätzmittel geätzt werden. Dieser Arbeitsschritt ist in 1c gezeigt. Zweckmäßig sind eine Trockenätzung im reaktiven Plasma oder eine Ionenätzung im Ar-Plasma sowie eine nasschemische Ätzung. Die Funktionsschicht 3 kann an den freigelegten Stellen jedoch auch in anderer Weise als durch Ätzen behandelt werden.
  • Schließlich wird nach Abschluss des Ätzvorganges die für diesen verwendete Dünnschichtmaske entfernt. Dies wird vorzugsweise mittels eines Plasmas und eines das Material der Schicht 4 zersetzenden Gases durchgeführt. 1d gibt die nach diesem Vorgang erhaltene gewünschte Mikrostruktur der Funktionsschicht 3 wieder.
  • 2 zeigt, dass die aus der Schicht 4 gebildete Dünnschichtmaske auch auf schmalen erhabenen Bereichen des Substrats 1 gebildet werden kann. Auch in diesen Bereichen ist die Dicke der Schicht 4 sowohl auf den ansteigenden und abfallenden Kanten als auch auf den horizontalen Abschnitten stets gleich.
  • Schließlich ist aus 3 ersichtlich, dass die Bearbeitung der Schicht 4 zur Herstellung der Dünnschichtmaske nicht nur wie in 1 und 2 ge zeigt, in ebenen Abschnitten möglich ist, sondern die Maske kann auch auf beliebigen dreidimensionalen Substratoberflächen gebildet werden.
  • Im folgenden werden konkrete Beispiele für die Herstellung einer Dünnschichtmaske gegeben, bei denen die Schicht 4 durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird. Plasma-CVD-Schichten zeichnen sich bei geeigneter Prozessführung durch eine relativ geringe Defektdichte aus.
  • Eine bevorzugte Maskierungsschicht besteht aus einem plasmapolymeren Material, das aus einem SiC-OH-Netzwerk gebildet ist. Die Herstellung dieser Schicht erfolgt beispielsweise in einer bekannten HF-Dioden-Anlage, die mit einer Frequenz von 13,65 MHz arbeitet, wobei die Substrate gegebenenfalls mit einer Isolationsschicht und einer Funktionsschicht auf der Hochfrequenzelektrode angeordnet werden. Nach einer kurzen Ionenreinigung in einem Ar-Plasma wird die Maskierungsschicht durch Einleitung eines siliziumhaltigen Gases wie Hexamethyldisilican aufgebracht.
  • Beispielhafte Plasmaparameter für ein SiC-OH-Polymer sind:
    Leistung bei Verwendung einer 8 "-Elektrode, 700 W
    Gasstrom: 100 sccm
    Beschichtungsrate: 2 μm/h
    Schichtdicke: 2 μm
  • Alternativ kann die Maskierungsschicht auch aus einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht gebildet werden, die aus CH-Si-O besteht. Geeignet sind auch reine Kohlenwasserstoffschichten, die durch ein Plasma-CVD-Verfahren als weiche Schicht abgeschieden werden.
  • Die Bildung einer derartigen Schicht kann ebenfalls mit Hilfe einer bekannten HF-Dioden-Anlage erfolgen. Nach der kurzen Ionenreinigung in einem Ar-Plasma wird die Beschichtung der auf der Hochfrequenzelektrode angeordneten Substrate durch Einleiten eines Kohlenwasserstoffgases wie Ethin oder Propan durchgeführt.
  • Für Kohlenwasserstoffschichten und CH-Si-O-Schichten eignen sich insbesondere die folgenden Plasmaparameter:
    Leistung bei Verwendung einer 8 "-Elektrode: 1 kW
    Beschichtungsrate: 2 μm/h
    Schichtdicke: 2 bis 8 μm.
  • Die Entfernung einer Maskierungsschicht nach Durchführung der Ätz- oder einer anderen selektiven Behandlung kann bei einem plasmapolymeren Material auf der Basis von Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas erfolgen.
  • Geeignete Parameter dieses Verfahrensschrittes sind: Leistung bei Verwendung einer 8 "-Elektrode: 500 W
    Gasstrom: 80 % O2, 20 % CF4
    Abtragsgeschwindigkeit: 4 μm/h.
  • Obgleich die Erfindung besonders vorteilhaft bei Mikrostrukturen anwendbar ist, ist sie auch bei Strukturen < 1 μm und > 1 mm einsetzbar.

Claims (13)

  1. Aus durch elektromagnetische Strahlung oder Korpuskularstrahlung entfernbarem Material hergestellte Dünnschichtmaske für die Herstellung von Strukturen an der Oberfläche eines Substrats (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Maske durch selektive Bestrahlung einer durch ein CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren auf das Substrat aufgebrachten Schicht (4) gebildet ist.
  2. Dünnschichtmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) durch ein Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht ist.
  3. Dünnschichtmaske nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem polymeren SiC-OH-Netzwerk besteht.
  4. Dünnschichtmaske nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer amorphen Schicht aus CH-Si-O besteht.
  5. Dünnschichtmaske nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer reinen Kohlenwasserstoffschicht besteht.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtmaske für die Herstellung von Mikrostrukturen an der Oberfläche eines Substrats (1), bei dem eine auf das Substrat (1) aufgebrachte Schicht (4) selektiv bestrahlt und in den bestrahlten Bereichen abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) durch ein CVD-Verfahren oder ein PVD-Verfahren auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Schicht (4) aus einem polymeren SiC-OH-Netzwerk ein sliziumhaltiges Gas in eine das Substrat (1) auf der Hochfrequenzelektrode tragende HF-Dioden-Anlage geleitet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Hexamethyldisilican ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Kohlenwasserstoffschicht ein Kohlenwasserstoffgas in eine das Substrat (1) auf der Hochfrequenzelektrode tragende HF-Diodenanlage geleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenwasserstoffgas Ethin oder Propan verwendet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) vor dem Aufbringen der Schicht (4) einer Ionenreinigung unterzogen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Basis von Kohlenwasserstoff gebildete Dünnschichtmaske nach ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas entfernt wird.
  13. Verwendung einer Dünnschichtmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für die Herstellung von Mikrostrukturen.
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