Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
eines Substrats bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen
Nachteile beim Herstellen von großflächigen sublithographischen
Strukturen auf bzw. in einem Substrat vermieden werden.
Das
Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats
mit sublithographischen Strukturen mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
gelöst.
Bei
dem Verfahren zum Ausbilden sublithographischer Bereiche wird auf
einem Substrat eine erste sublithographische Struktur mittels anodischer Oxidation
einer Metallschicht, welche auf dem Substrat aufgebracht ist, ausgebildet.
Ferner wird unter Verwenden der ersten sublithographischen Struktur als
Maske eine zweite sublithographische Struktur auf bzw. in dem Substrat
ausgebildet.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich
großflächige sublithographische
Strukturen auf bzw. in einem Substrat aufzubilden, ohne das zeitintensive
Elektronenstrahl-Lithographie
verwendet werden muss. Mittels anodischer Oxidation einer Metallschicht
lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise großflächige Strukturen,
welche eine Vielzahl von periodisch angeordneten Löchern aufweisen,
ausbilden.
Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
In
einer Weiterbildung der Erfindung kann die zweite sublithographische
Struktur in dem Substrat mittels Ätzens ausgebildet werden.
Hierbei
entstehen in dem Substrat Löcher
mit einem Durchmesser, welcher im sublithographischen Bereich liegt.
Diese Löcher
können
in nachfolgenden Prozessschritten, welche das Substrat strukturieren, verwendet
werden.
In
einer anderen Weiterbildung kann die zweite sublithographische Struktur
auf dem Substrat mittels Abscheidens ausgebildet werden.
Hierbei
entstehen auf dem Substrat Schichten mit einen Durchmesser, welcher
im sublithographischen Bereich liegt. Diese Schichten können in nachfolgenden
Prozessschritten, welche das Substrat strukturieren, verwendet werden.
Vorzugsweise
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Metallschicht eine Aluminiumschicht.
Bei
Verwendung von Aluminium als Metallschicht lässt sich bei der anodischer
Oxidation der Aluminiumschicht auf einfache Weise eine periodische
hexagonale Struktur von sublithographischen Löchern innerhalb der Aluminiumoxidschicht
ausbilden.
Bei
dem Verfahren kann ein Fotolack auf Teilbereichen der ersten sublithographischen
Struktur aufgebracht werden, so dass die zweite sublithographische
Struktur nur in Teilbereichen des Substrats ausgebildet wird.
Hierdurch
lässt sich
erreichen, dass die zweite sublithographische Struktur, welche nachfolgend zum
Beispiel zum Ausbilden von Nanoröhren
oder Nanodrähten
verwendet werden kann, nur auf bzw. in Teilbereichen des Substrats
ausgebildet wird. Hierdurch lässt
sich ein Substrat erreichen, welches sowohl Teilbereiche mit sublithographischen
Strukturen als auch Teilbereiche mit lithographischen Strukturen aufweist.
Bevorzugt
wird die der Oxidation unterzogenen Metallschicht nach dem Ausbilden
der zweiten sublithographischen Struktur entfernt, so dass das strukturierte
Substrat freigelegt wird.
Besonders
bevorzugt wird die Metallschicht mittels Sputterns, chemisch mechanischen
Polierens oder Ätzens
entfernt.
Dies
ist insbesondere im Falle, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht
ist, einfach durchzuführen.
Verfahrensbedingt verbleibt üblicherweise bei
der anodischen Oxidation einer Aluminiumschicht eine dünne Schicht
aus Aluminium, welche nicht zu Aluminiumoxid oxidiert wird. Diese
muss zwar einerseits bei dem Ausbilden der zweiten sublithographischen
Struktur in dem Substrat erst durch anisotropes Ätzen strukturiert werden, damit
die zweite sublithographische Struktur auf bzw. in dem Substrat
ausgebildet werden kann. Andererseits erleichtert diese verbleibende
Aluminiumschicht jedoch das Entfernen der anodisch oxidierten Aluminiumschicht,
um das Substrat freizulegen, nachdem die zweite sublithographische
Struktur ausgebildet wurde. Dies kommt daher, dass sich die verbleibende
Aluminiumschicht und mit ihr auch die sich auf ihr befindliche Aluminiumoxidschicht
wesentlich leichter entfernen lässt
als eine Aluminiumoxidschicht allein, da Aluminium leichter entfernt
werden kann, als die ausgebildete harte Aluminiumoxidschicht.
Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Metallschicht auf dem
Substrat aufgebracht.
Bevorzugt
wird bei dem Verfahren die Metallschicht ganzflächig auf dem Substrat aufgebracht.
Vorzugsweise
wird bei dem Verfahren ein Durchmesser von Poren der ersten sublithographischen
Struktur mittels einer angelegten Spannung der anodischen Oxidation
eingestellt.
Mittels
der bei der anodischen Oxidation angelegten Spannung lässt sich
der Durchmesser der Poren der ersten sublithographischen Struktur
einstellen. Die Porengröße ergibt
sich zu etwa 1 nm/V. Somit lässt
sich die Porengröße auf einfache
Weise auf kleine Dimensionen einstellen, welche mittels Elektronenstrahl-Lithographie
nicht erreichbar sind.
Besonders
bevorzugt wird bei dem Verfahren der Durchmesser der Poren der ersten
sublithographischen Struktur mittels Anätzens der Wände der Poren, d.h. der anodisch
oxidierten Aluminiumschicht, vergrößert.
Durch
die Vergrößerung der
Durchmesser der Poren lässt
sich auch nach der anodischen Oxidation die Porengröße noch
variieren. Dies kann auch nur in Teilbereichen der ersten sublithographischen
Struktur geschehen, so dass verschiedene Bereiche, d.h. Bereiche
mit unterschiedlicher Porengröße der sublithographischen
Strukturen, der ersten sublithographischen Struktur und damit auch
der zweiten sublithographischen Struktur hergestellt werden können.
Bei
dem Verfahren können
in den Poren der ersten sublithographischen Struktur mittels ALD/CVD (Atomic
Layer Depositon)/(Chemical Vapour Deposition) Spacer ausgebildet
werden, so dass der Durchmesser der Poren der ersten sublithographischen Struktur
verkleinert wird.
Durch
die Verkleinerung der Durchmesser der Poren lässt sich auch nach der anodischen
Oxidation die Porengröße noch
variieren. Dies kann auch nur in Teilbereichen der ersten sublithographischen
Struktur geschehen, so dass verschiedene Bereiche, d.h. Bereiche
mit unterschiedlicher Porengröße der sublithographischen
Strukturen, der ersten sublithographischen Struktur und damit auch
der zweiten sublithographischen Struktur hergestellt werden können.
In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren wird als Substrat
ein Wafer verwendet.
Zusammenfassend
schafft das erfindungsgemäße Verfahren
eine Möglichkeit,
in einem Substrat sublithographische Teilbereiche zu erzeugen, ohne
zeitintensive Elektronenstrahl-Lithographie zu verwenden. Ferner
kann mittels des Verfahrens auf einfache und kostengünstige Weise
eine großflächige, periodische,
sublithographische Struktur auf bzw. in einem Substrat geschaffen
werden. Dieses Substrat kann erfindungsgemäß verwendet werden, um Nanoröhren oder
Nanodrähte
in einer Arrayanordnung herzustellen. Die Durchmesser der Poren,
in der Anmeldung auch Löcher
genannt, der sublithographischen Struktur lassen sich leicht einstellen
und können
zu Dimensionen gewählt
werden, die klein gegenüber
den Durchmessern sind, welche üblicherweise
mittels Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt werden können. Es
ist auch denkbar, in einem Substrat sowohl Poren eines sublithographischen Durchmessers
auszubilden, als auch auf einen Substrat Schichten eines sublithographischen
Durchmessers auszubilden. Dies ist möglich, indem bei der sublithographischen
Strukturierung in einem Teilbereich des Substrates Ätzen zum
Ausbilden der Löcher
und in einem anderen Teilbereich des Substrats Abscheiden zum Ausbilden
von sublithographischen Schichten verwendet wird. Dies ist mit üblichen
lithographischen Verfahren, z.B. verwenden von Fotolack, auf einfache
Weise möglich.
Bei
der Ausbildung der zweiten sublithographischen Struktur, bei welcher
konventionelle Lithographie auf der ersten sublithographischen Struktur aufgesetzt
wird, kann eine Lackstruktur definiert werden, welche die Stellen
die zu bearbeiten sind, entweder frei lässt oder in so genannter Komplementärstruktur
abdeckt.
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Weiteren
näher erläutert.
Es
zeigen:
1a eine Draufsicht auf eine
mittels anodischer Oxidation strukturierte Aluminiumschicht;
1b eine Seitenansicht einer
mittels anodischer Oxidation strukturierten Aluminiumschicht;
2 eine schematische perspektivische Schnittansicht
eines Substrats mit ausgebildeter strukturierter Aluminiumschicht
und Fotolack;
3 die schematische perspektivische Schnittansicht
der 2, nachdem mittels Ätzens eine
sublithographische Struktur in dem Substrat ausgebildet wurde.
4 die schematische perspektivische Schnittansicht
der 2, nachdem mittels
Abscheidens eine sublithographische Struktur in dem Substrat ausgebildet
wurde.
Bezugnehmend
auf die Figuren wird nachfolgend das Verfahren zum Herstellen eines
Substrats mit sublithographischen Strukturen detaillierter beschrieben.
Auf
ein Substrat, in welchem sublithographische Bereiche ausgebildet
werden sollen, wird vorzugsweise eine dünne Schicht, vorzugsweise 10
nm dick, aus Titan aufgebracht. Nachfolgend wird eine Schicht aus
hochreinem, vorzugsweise 99,9% Reinheit aufweisendes, Aluminium
aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht liegt vorzugsweise zwischen
0,1 μm und
100 μm.
Ein mögliches
Verfahren zum Aufbringen der Aluminiumschicht ist Aufsputtern von Aluminium
auf das Substrat bei etwa 300°C
bis 400°C
und nachfolgendes Tempern bei vorzugsweise 450°C in einer Wasserstoffatmosphäre. Es sind
jedoch auch andere Verfahren zur Ausbildung der Aluminiumschicht,
wie zum Beispiel Epitaxie, selektive Epitaxie, Chemical Vapour Deposition
oder ALD/CVD, möglich.
Die freiliegende Oberfläche
der Aluminiumschicht wird vorzugsweise vor einer weiteren Bearbeitung
poliert, um die Oberfläche
zu glätten. Dies
kann mittels chemisch mechanischen Polierens oder auch elektrochemisch
durchgeführt
werden.
Nachfolgend
wird die Aluminiumschicht anodisch oxidiert, so dass eine erste
sublithographische Struktur erzeugt wird. Die anodische Oxidation
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
erfolgt gemäß dem in
[1] beschriebenen Verfahren. Gemäß diesem
Verfahren werden sublithographische Strukturen mit einer Porengröße zwischen
8 und 90 nm mittels potentiostatischer anodischer Oxidation von
hochreinen Aluminiumschichten ausgebildet. Hierzu wird die Aluminiumschicht
in einer wässrigen
Lösung
von 14% Schwefelsäure
(H2SO4) und 4% Oxalsäure (C2H2O4) bei
einer Temperatur zwischen vorzugsweise 0°C und 20°C potentiostatisch anodisch
oxidiert. Alternativ können
auch andere saure Lösungen,
wie zum Beispiel eine wässrige
Lösung
von 14% Schwefelsäure
und 2% Oxalsäure
verwendet werden. Auch das Verwenden von Phosphorsäure (H3PO4) ist in einer
alternativen Ausführungsform
vorgesehen. Der Durchmesser der ausgebildeten Poren ergibt sich
im Wesentlichen proportional zu der Höhe der bei der anodischen Oxidation
angelegten Spannung. Es ergibt sich ungefähr ein Wert von 1 nm/V für den Durchmesser
der Poren, welche bei der anodischen Oxidation erzeugt werden.
In 1a ist eine Draufsicht auf
eine mittels anodischer Oxidation oxidierten Aluminiumschicht 100 dargestellt,
in welcher sublithographische Strukturen, d.h. Löcher 101 (auch als
Poren bezeichnet), mittels der oben beschriebenen anodischen Oxidation
erzeugt wurden. In der 1a beträgt der Durchmesser
der Löcher
bzw. Porendurchmesser ungefähr 100
nm. Es zeigt sich eine periodisch hexagonale Struktur oder wabenartige
Struktur, welche großflächig in
einer Aluminiumoxidschicht 102 ausgebildet werden kann.
In 1b ist die gleiche
mittels anodischer Oxidation oxidierten Aluminiumschicht 100 wie in 1a in einer Seitenansicht
gezeigt. 1b zeigt ebenfalls
die wabenartige Struktur der Aluminiumoxidschicht 102.
Gleichzeitig ist im Bereich, welcher sich in 1b unten befindet, auch eine verbleibende
Aluminiumschicht 103 geringer Dicke zu erkennen. Dies ist typisch
für die
anodische Oxidation einer Aluminiumschicht, bei der nicht die gesamte
Aluminiumschicht zu Aluminiumoxid oxidiert, sondern eine Schicht
aus dem ursprünglichen
Aluminium bestehen bleibt.
Außer über die
angelegte Spannung bei der anodischen Oxidation lässt sich
die Porengröße auch noch
nachträglich,
nach Abschluss der anodischen Oxidation, einstellen.
Eine
Vergrößerung der
Poren lässt
sich erreichen, indem die ausgebildeten Poren 101 mittels
eines Anätzschrittes
vergrößert werden.
Hierzu werden mittels Ätzens
die Wände
aus anodisch oxidierten Aluminium angeätzt und somit wird die Dicke
der Wände
der anodisch oxidierten Aluminiumschicht verkleinert. Damit vergrößert sich
der Durchmesser der Poren 101 der wabenartigen Struktur.
Eine Verkleinerung der Porengröße lässt sich
erreichen, indem in den ausgebildeten Poren 101 mittels ALD/CVD
(Atomic Layer Deposition/Chemical Vapour Deposition) Spacer ausgebildet
werden. Diese Spacer verringern den Porendurchmesser. Das ALD/CVD
Verfahren weist den Vorteil auf, dass es sehr exakt durchgeführt werden
kann. Daher kann die Stärke
der Spacer sehr genau eingestellt werden.
Mittels
der nachträglichen
Vergrößerung bzw.
Verkleinerung der Porendurchmesser kann man erreichen, dass in einer
anodisch oxidierten Aluminiumschicht 100, welche auf einem
Substrat angeordnet ist, Bereiche sublithographischer Strukturen
ausgebildet werden, in denen die Poren 101 der sublithographischen
Bereiche unterschiedliche Porendurchmesser aufweisen. Hierzu können beim
Anätzen oder
bei dem ALD/CVD die Bereiche, in denen die Porengröße nicht
verändert
werden sollen, zum Beispiel mittels Fotolacks, abgedeckt werden.
In 2 ist eine schematische
perspektivische Schnittansicht eines Substrats 205 mit
ausgebildeter strukturierter Aluminiumschicht 100 und einer
Schicht aus Fotolack 206 dargestellt. Anhand 2 lässt sich erkennen, wie das
Ausbilden einer zweiten sublithographischen Struktur in einem Substrat
erfindungsgemäß durchgeführt wird.
Auf dem Substrat 205 ist die bereits mittels anodischer
Oxidation strukturierte Aluminiumschicht 100 dargestellt.
In der anodisch oxidierten Aluminiumschicht 100 sind schematisch
die Poren 101 der Aluminiumoxidschicht 102 dargestellt.
Zu erkennen ist auch, dass die Poren 101 sich nicht durch
die gesamte Dicke der anodisch oxidierten Aluminiumschicht 100 hindurch erstrecken.
Bei der anodischen Oxidation verbleibt eine Schicht 103 aus
dem reinen Aluminium, welche sich angrenzend zu dem Substrat 205 befindet.
Nachfolgend
wird in dem Substrat 205 mittels herkömmlicher photolithographischer
Verfahrensschritte eine zweite sublithographische Struktur ausgebildet.
Hierzu wird die erste sublithographische Struktur der Aluminiumoxidschicht 102 als
Maske verwendet. Das Ausbilden der zweiten sublithographischen Struktur
wird vorzugsweise mittels Ätzens durchgeführt. Als
erstes wird die verbleibende Aluminiumschicht 103 am Grunde
der Poren 101 mittels anisotropen Ätzens entfernt, so dass sich
die in der Aluminiumoxidschicht 102 ausgebildeten Poren 101 bis
auf das Substrat 205 erstrecken. Hierbei bleiben die Wände der
Poren 101 bestehen.
In 3 ist die schematische perspektivische
Schnittansicht der 2 gezeigt,
nachdem mittels Ätzens
die zweite sublithographische Struktur in dem Substrat ausgebildet
wurde. In einem zusätzlichen Ätzschritt
wurde das Substrat 205 an den Stellen, welche sich unterhalb
der Poren 101 befinden geätzt, wodurch in dem Substrat 205 der
zweite sublithographische Bereich 307 ausgebildet wurde.
Dieser zusätzliche Ätzschritt
erfolgt vorzugsweise mittels eines Trockenätzschrittes.
Zusätzlich können, wie
in 2 gezeigt, Teilbereiche
der sublithographischen Struktur der Aluminiumoxidschicht 102 mittels
einer Schicht aus Fotolackes 206 abgedeckt werden. Hierdurch
wird die nachfolgende Ätzung
nur in Teilbereichen des Substrats durchgeführt, wodurch sich auch die
zweite sublithographische Struktur nur in Teilbereichen des Substrats 205 ausbildet.
Somit können
in dem Substrat 205 auf einfache Weise Bereiche mit sublithographischen
Strukturen und Bereiche ohne sublithographische Strukturen ausgebildet
werden.
Alternativ
kann die zweite sublithographische Struktur auch ausgebildet werden,
indem anstelle des zusätzlichen Ätzschrittes,
welcher das Substrat 205 an den Stellen, welche sich unterhalb der
Poren 101 befinden, ätzt,
ein Abscheideprozess durchgeführt
wird.
In 4 ist die schematische perspektivische
Schnittansicht der 2 gezeigt,
nachdem mittels Abscheidens die zweite sublithographische Struktur
in dem Substrat ausgebildet wurde. In einem Abscheideschritt wurde
auf dem Substrat 205 an den Stellen, welche sich unterhalb
der Poren 101 befinden, der zweite sublithographische Bereich 408 ausgebildet.
Hierbei wird in den Poren 101 auf dem Substrat eine Schicht
ausgebildet, welche in ihrem Durchmesser und Form den Poren 101 der
ersten sublithographischen Struktur entspricht. Mittels dieser Alternative
ist es zum Beispiel möglich
Nanoröhren oder
Nanodrähte
auf einem Substrat auszubilden. Das heißt, es ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich
sublithographische Strukturen großflächig auf einem Substrat auszubilden.
Nach
Ausbilden der zweiten sublithographischen Struktur entweder in Teilbereichen
des Substrats oder auf bzw. in dem gesamten Substrat, werden der
aufgebrachte Fotolack und die Aluminium und Aluminiumoxidreste entfernt.
Hierzu kann ausgenutzt werden, dass bei der anodischen Oxidation
eine dünne
Schicht nicht oxidiert und weiterhin als Aluminiumschicht 103 vorliegt.
Diese Aluminiumschicht 103 und damit die auf dieser vorhandene
Aluminiumoxidschicht 102 kann relativ leicht vom Substrat 205 entfernt
werden. Durch das Entfernen dieser Schichten wird das Substrat,
welches nun zumindest in Teilbereichen die zweite sublithographische
Struktur aufweist, freigelegt.
Das
Substrat kann nachfolgend weiter mittels üblicher Prozessschritte prozessiert
werden.
Zusammenfassend
wird mit der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, mittels welchem
auf einfache Weise auf bzw. in einem Substrat Bereiche mit sublithographischen
Strukturen erzeugt werden können.
Um dies zu erreichen, wird das selbstorganisierte Wachsen von sublithographischen
Strukturen, d.h. periodischer hexagonaler Strukturen, bei der anodischen
Oxidation einer Aluminiumschicht ausgenutzt. Die die sublithographischen
Strukturen aufweisende Aluminiumoxidschicht kann, aufgebracht auf
ein Substrat, als Hartmaske in einem Ätzschritt verwendet werden.
Hierdurch lässt
sich die sublithographische Struktur der Aluminiumoxidschicht auf
das Substrat übertragen.
Alternativ lässt
sich die sublithographische Struktur auch auf das Substrat übertragen,
indem die die sublithographischen Strukturen aufweisende Aluminiumoxidschicht
nicht als Hartmaske für einen Ätzschritt
sondern als Hartmaske für
einen Abscheideschritt verwendet wird. Hierbei werden dann in dem
Substrat keine Löcher
als sublithographische Strukturen sondern eine Anordnung von Schichten mit
sublithographischen Abmessung, wobei die Schichten die gleiche Größe und Form
haben wie die Poren der Aluminiumoxidschicht.
Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist hierbei, dass es möglich
ist die sublithographischen Strukturen des Substrats mittels üblicher
lithographischer Verfahren auf bzw. in dem Substrat auszubilden.
Hierdurch ist es möglich
sublithographische Strukturen einer Größenordnung zu erhalten, welche
mittels derzeitigen lithographischen Verfahren allein nicht möglich sind.
Auch lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens großflächige sublithographische
Strukturen erzeugen, z.B. ganzflächig
auf einem Substrat oder Wafer, welches mittels der wesentlich zeitraubenderen
Elektronenstrahl-Lithographie praktisch nicht möglich ist.
Auch
ist es auf einfache Weise möglich
die sublithographischen Strukturen nur in Teilbereichen des Substrats
auszubilden, und so ein Substrat zu erhalten, welches sowohl Teilbereiche
mit sublithographischen Strukturen aus auch Teilbereiche ohne sublithographischen
Strukturen aufweist. Das Vorhandensein solchen Teilbereiche kann
für eine
spätere Prozessierung
des Substrats von Vorteil sein.
In
diesem Dokument ist folgendes Dokument zitiert:
- [1] Preparation of CdS Single-Crystal Nanowires by Electrochemically
Induced Deposition, Dongsheng Xu et al., Advanced Materials, 2000,
12, No. 7.