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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung von
mikroelektronischen Vorrichtungen und insbesondere die Herstellung
von mikroelektronischen Vorrichtungen unter Verwendung eines Trockenprozesses
mit einem mittels Laserablation gebildeten Lack.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Lithographische
Bemusterungstechniken sind in der herkömmlichen Herstellung
von mikroelektronischen Vorrichtungen, einschließlich Dünnschichttransistor-("thin
film transistors"; TFT-)Arrays für eine Flachbildschirmanwendung,
verwendet worden. Herkömmliche lithographische Photolacktechniken,
die auf eine Mikroherstellung angewandt werden, haben sich als fähig
erwiesen, Strukturen zu definieren und Bereiche von Material auf
einem Substrat bis zu Abmessungen von 100 nm zu bilden.
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Beruhend
auf einem Bedruckungsmodell bildet der lithographische Prozess ein
Muster von Flächen, die entweder aufnahmefähig
oder abweisend (nicht-aufnahmefähig) für eine
Beschichtung (wie etwa Tinte) oder irgendeine andere Behandlung
sind. Eine herkömmliche Photolithographie erfordert eine geringe
Anzahl von Grundschritten, und zwar mit Variationen gemäß den
verwendeten Materialien und anderen Faktoren. Eine typische Abfolge
lautet wie folgt:
- (i) Nassbeschichten eines
Positiv- oder Negativ-Photolacks (wie etwa mittels Aufschleuderbeschichtung);
- (ii) Vorbacken des Photolacks;
- (iii) Belichtung durch eine Art elektromagnetischer Strahlung
durch eine Overlay-Maske unter Verwendung einer optischen Maskenausrichtungsvorrichtung,
um das Muster zu bilden;
- (iv) Aushärten des maskierten Musters, wie etwa durch
Nachbacken; und
- (v) Entfernung des unausgehärteten Teils unter Verwendung
eines flüssigen Ätzmittels.
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Nach
der nachfolgenden Beschichtung oder Behandlung der Oberfläche
kann das schützende Photolackmuster dann selbst entfernt
werden.
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Die
Schritte (i)–(v) mögen in Luft durchgeführt
werden, wie etwa in einer Reinraumumgebung, und werden typischerweise
unter Verwendung separater Ausrüstungselemente durchgeführt.
Alternativ mögen ein oder mehrere Schritte, wie etwa eine Schichtabscheidung,
in einem Vakuum durchgeführt werden. Aufgrund der sehr
unterschiedlichen Natur von in jedem dieser Schritte ausgeführten
Prozessen wäre es nicht leicht machbar, die Schritte (i)–(v)
in irgendeiner Art von automatisiertem, durchlaufendem System oder
Vorrichtung zu kombinieren.
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Es
sind beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, herkömmliche
Verfahren wie in den Schritten (i)–(v) oben aufgelistet
zu verbessern, um eine bessere Größenauflösung
und niedrigere Kosten zu erreichen und die Verwendung von Chemikalien
wie Ätzmitteln zu vermeiden. Eine Verbesserung von besonderem
Nutzen ist die Verfeinerung von Plasmaätztechniken, welche
die Notwendigkeit von flüssigen Ätzmitteln beseitigt.
Unter Bezug auf den oben aufgelisteten Schritt (v) ermöglicht
die Verwendung einer Plasmaätzung eine Durchführung
einer mikrolithographischen Herstellung in einer trockenen Umgebung.
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Wie
dem Fachmann im Bereich der Mikrolithographie gut bekannt ist, folgen
herkömmliche Photolackmaterialien dem "Reziprozitätsgesetz",
das sich auf die gesamte empfangene Belichtung, das Integral der
Beleuchtung über die Zeit, bezieht. Herkömmliche
Fotolacke werden typischerweise mit Licht im UV-Bereich des Spektrums
belichtet, wobei die Photonenenergie besonders hoch ist. Beispiele von
Photolacken, die bei einer Mikroherstellung von Halbleiterkomponenten
verwendet werden, sind in
US
6,787,283 (Aoai et al.) angegeben.
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Zusätzliche
Vorteile gegenüber dem oben beschriebenen herkömmlichen
Prozess werden mittels Elektronenstrahl- und Röntgenstrahllithographie bereitgestellt,
indem sie eine teilweise Verringerung von chemischen Prozessen bereitstellen,
und während die Röntgenstrahllithographie immer
noch die Verwendung von Masken erfordert, können Elektronenstrahlen
verwendet werden, um Muster direkt ohne Maske in einen Lack zu schreiben.
Eine Strahlung mit hoher Energie, die ausreicht, um ein Aufbrechen
von Bindungen in organischen Materialien zu verursachen, verursacht
ein Kettenspaltung, oder Depolymerisation, in einem beschichteten
Lack, so dass er in dem Bildbereich mit Lösungsmitteln
entfernt werden kann, welche die nicht freigelegten Flächen
nicht entfernen werden. Diese Art von lithographischem Prozess hängt
von der bildweisen unterschiedlichen Lösung des Lacks im
Entwicklungsschritt ab und behält daher die nachteilhafte
Verwendung von flüssigen Chemikalien bei, zusätzlich
dazu, dass sie teuere Masken benötigt. Elektronenstrahlen leiden,
wenn sie als eine Direktmusterschreibvorrichtung verwendet werden,
unter einem niedrigen Durchsatz aufgrund langer Scanzeiten als ein
Ergebnis der seriellen Begrenzung einer Einzelstrahlbelichtung und
sind deshalb auf eine Herstellung in begrenzter Stückzahl
beschränkt. Elektronenstrahlen werden primär in
der Mikroherstellungsindustrie verwendet, um aufgrund ihrer Fähigkeit
zur hohen Auflösung im Submikrometerbereich Masken für
herkömmliche Prozesse herzustellen.
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Eine
weitere Verbesserung wird durch direkte Ablation eines Photolacks
mit einem Hochenergielaser bei Wellenlängen von weniger
als 400 nm bereitgestellt, und zwar mit Energien, die ausreichen, um
ein Aufbrechen der Lackbindungen, eine Verflüchtigung und
eine Materialevakuierung des Lacks in den bestrahlten Flächen
zu verursachen, wodurch der Lösungsmittelentwicklungsschritt überflüssig wird.
Jedoch sind die Laser für eine direkte UV-Ablation ziemlich
teuer, sie pulsieren, sind schwierig zu warten und leiden unter
einem niedrigen Durchsatz aufgrund ihrer Einzelstrahlbeschränkungen.
Großflächen-Excimerlaser lösen dieses
Defizit, aber sie leiden unter der Notwendigkeit einer Maske, um
das Muster zu bilden.
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Daher
besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum direkten Schreiben oder
zur maskenlosen Lithographie, die es ermöglicht, eine weniger
teure und vielseitigere Klasse von lasergerichteter Strahlung, insbesondere
die Festkörper-IR-Diodenlaser, zu verwenden. IR-Diodenlaser
bieten Vorteile hinsichtlich der Kosten, der Verfügbarkeit,
der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer und werden in der
Kommunikationsindustrie viel genutzt, und zwar in einer Vielzahl von
elektronischen Geräten, wie etwa CD- und DVD-Brennern und
-spielern, sowie in der graphischen und reprographischen Kunst,
einschließlich in digitalen Farbdruckern, thermischen Laser-Plattendruckern,
Filmbelichtern und Proofern. Zusätzlich können
die einzelnen Laser in einem Array von bis zu fast einhundert oder
mehr separat modulierten Lasern zusammengeschlossen werden, was
den Durchsatz im Vergleich zu Einzelstrahlgeräten drastisch
erhöht. Alternativ kann das Licht von verschiedenen Laserquellen
in einem einzelnen Stablaser vereinigt werden, der mit einem segmentierten
Lichtgate-Modulator von 200 bis zu 1000 separat adressierbaren Kanälen
von einzeln gesteuerten Strahlen ausgestattet ist. Die Strahlabmessungen
sind nur durch die Wellenlänge des Lichts, das sie leiten,
begrenzt und können Punkte von sogar 2 Mikrometern in der
Arrayrichtung, wie durch den räumlichen Lichtmodulator
definiert, erzeugen. Beispiele von handelsüblichen Lasersystemen
mit einer solchen Fähigkeit sind der Kodak Newsetter und
der Creo Trensetter Plattendrucker-Proofer. Eine Merkmalsauflösung von
2 Mikrometern ist daher mit solchen Diodenlaserarraysystemen möglich,
was mehr als ausreichend für Dünnschichttransistorarray-Backplanes und
Farbfilterarrays ist, die in LCD- und OLED-Displays verwendet werden.
Diese IR-Laser, wie auch YAG-Laser, die im sichtbaren Spektrum arbeiten,
leiden unter Photonenenergien, die nicht ausreichen, um organische
Bindungen aufzubrechen und eine direkte Ablation von Lacken durchzuführen.
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Zusätzlich
besteht ein Bedarf an einem maskenlosen lithographischen Verfahren
zum Mikrostrukturaufbau, welches die Notwendigkeit für
ein chemisches Nassverfahren vermeidet, um die Kosten zu verringern
und um kompatibel mit flexiblen Trägersubstraten und einer
kontinuierlichen Roll-to-Roll-Herstellung zu sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung und ihre Aufgaben und Vorteile werden aus der nachstehenden
genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform besser
ersichtlich werden. Diese Erfindung betrifft einen verbesserten
Ablauf zur Herstellung von mikrostrukturierten Vorrichtungen und
insbesondere Mikroelektronikschaltungen und Dünnschichttransistor-
und Farbfilterarrays, aufweisend:
- 1. Aufschichten
einer ersten Schicht eines Lackmaterials auf ein Substrat; und
- 2. das Substrat weist eine Deckschicht aus zu bemusterndem Material
auf.
- 3. Erzeugen eines Musters auf dem Substratmaterial mittels bildweiser
strahlungsinduzierter thermischer Entfernung des ersten Lackmaterials.
- 4. Entfernen des zu bemusternden Substratmaterials mittels eines Ätzprozesses,
und
- 5. Entfernen des Lacks von den Bereichen, die in Schritt 2 nicht
freigelegt wurden, wodurch ein Mikromuster des Substratmaterials
freigelegt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist der Lack und optional
das zu bemusternde Material mit einer Licht/Wärme-Konversionssubstanz
ausgestattet, die bei der vorherrschenden Wellenlänge der bildweisen
Strahlungsquelle stark absorbiert, wobei die Strahlungsquelle ein
Laser ist, der bei Wellenlängen von mehr als 525 nm und
vorzugsweise im Ferninfrarotbereich bei Wellenlängen zwischen
750 und 1100 nm emittiert. Einige Ausführungsformen dieser Erfindung
gewährleisten ein Aufbringen der Lackschicht in einem Vakuum
oder von einer Dampfquelle aus, und dies ermöglicht in
Kombination mit allen Trockenätzprozessen ein vollständig
trockenes Verfahren zum Bemustern eines Materials auf einer Substanz.
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Daher
werden die Defizite der derzeitigen Verfahren zum Erzeugen von Mikrostrukturen
und mikroelektronischen Vorrichtungen durch die erfindungsgemäßen
Elemente behoben, und zwar mittels Bereitstellens eines Verfahrens,
das maskenlos ist, vollständig trocken und frei von allen
oder den meisten der che mischen Prozessschritte sein kann und die
Verwendung einer weniger teuren und vielseitigeren Klasse von Lasern,
den Festkörper-IR-Diodenlasern, umfasst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Während
die Beschreibung mit Ansprüchen schließt, die
insbesondere auf den Gegenstand der vorliegenden Erfindung hinweisen
und ihn eindeutig beanspruchen, wird davon ausgegangen, dass die Erfindung
besser verstanden wird, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
betrachtet wird, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm ist, das eine Bemusterungsvorrichtung zum Aufbringen
eines Thermolackmusters gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ein
Substrat ist, das verwendet wird, um eine bemusterte Schicht zu
tragen;
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3 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 2 in
Seitenansicht ist;
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4 ein
Blockdiagramm ist, das ein einheitlich abgeschiedenes Material zeigt,
das auf einem Substrat bemustert werden wird;
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5 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 4 in
Seitenansicht ist;
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6 ein
einheitlich abgeschiedenes Lackmaterial zeigt;
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7 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 6 in
Seitenansicht ist;
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8 ein
Blockdiagramm ist, das ein Muster in dem Lack zeigt, welches das
nicht bemusterte Material darunter freilegt;
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9 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 8 in
Seitenansicht ist;
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10 ein
Blockdiagramm ist, welches das Material weggeätzt zeigt,
wodurch das darunterliegende Substrat freigelegt ist, während
das Lackmaterial ungeätzt bleibt;
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11 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 10 in
Seitenansicht ist;
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12 ein
Blockdiagramm ist, welches das bemusterte Material zeigt, das nach
der Entfernung des Lacks freiliegt;
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13 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 12 in
Seitenansicht ist;
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14 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung des Lacks
auf einem zu bemusternden Substrat oder Material in Seitenansicht
ist, die eine unvollständige Reinigung zeigt; und
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15 eine
nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung von 14 in
Seitenansicht nach einer Säuberungsätzung ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Elemente, die einen
Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden
oder in Kooperation direkter mit ihr zusammenarbeiten. Es sollte
beachtet werden, dass die Elemente, die nicht speziell gezeigt oder
beschrieben sind, verschiedene, dem Fachmann gut bekannte Formen
annehmen können.
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Ein
zu bemusterndes Material, das durch die Schicht 11 in den 4 und 5 repräsentiert
wird, welche am Substrat 10 befestigt ist (2 und 3),
ist wie in den 6 und 7 mit einer
Lackschicht 12 mittels irgendeines von verschiedenen Verfahren
beschichtet, die in der Mikroherstellungsindustrie angewandt werden,
einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Sprühbeschichtung,
Aufschleuderbeschichtung, Hopper-Beschichtung, Meyer-Stabbeschichtung,
Gravurbeschichtung, Tintenstrahlbeschichtung, Tauchbeschichtung,
superkritisches CO2, Gasphasenabscheidung
und Plasmavakuumabscheidung. Die Lackschicht 12 mag mittels
irgendeines der oben genannten Beschichtungsverfahren auch teilweise
bemustert werden.
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Ein
intelligentes Muster ist in der Lackschicht 12 ausgebildet,
und zwar mittels thermisch induzierter ablativer Entfernung des
Lackmaterials durch eine Quelle von bildweiser Wärme. Vorzugsweise wird
die bildweise Wärme von einem modulierten Laserstrahl oder
einem Array aus solchen Strahlen bereitgestellt. Eine schematische
Darstellung einer solchen Laserbemusterungsvorrichtung ist in 1 gezeigt.
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Nun
ist bezüglich 1 eine Bemusterungsvorrichtung
zum Abdampfen einer Lackschicht 12 von einer auf einem
Trägersubstrat 10 zu bemusternden Substratschicht 11 gezeigt,
die nachstehend als Lasersystem 1 bezeichnet wird, und
zwar gemäß der ablativen Bildung des intelligenten
Musters der vorliegenden Erfindung. Der Laser 14 der Bemusterungsvorrichtung
kann ein Diodenlaser oder jeglicher andere Hochleistungslaser sein,
der einen Laserstrahl 26 mit einer bevorzugten Wellenlänge
zwischen 750 und 1100 nm und vorzugsweise zwischen 805 und 840 nm
erzeugt. Mehr als ein Laser 14 oder Laserstrahl 26 können
gleichzeitig in dieser Erfindung verwendet werden. Um den Laserstrahl 26 zu scannen,
um eine relative Bewegung zwischen dem Laserstrahl 26 und
der Lackschicht 12 bereitzustellen, scannt ein Galvanometer 22,
das einen bewegbaren Spiegel umfasst, den Laserstrahl durch eine f-Theta-Linse 24,
um eine Scanlinie in X-Richtung zu bilden. Der Fachmann wird verstehen,
dass ein Scannen des Laserstrahls auch durch andere Arten von beweglichen
reflektie renden Oberflächen erreicht werden kann, wie etwa
durch rotierende Polygone mit Spiegelflächen, oder durch
andere Vorrichtungen, wie etwa rotierende Beugungsgitter. Alternativ
könnte die benötigte relative Bewegung durch ein Bewegen
eines Substrats 10 relativ zu einem Laserstrahl 26 bereitgestellt
werden.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform wird die
Substratanordnung 10, 11, 12 in einer Y-Richtung
transportiert, welche orthogonal zur Scanlinie liegt, und zwar mittels
eines Translationstisches, der es ermöglicht, dass die
gesamte Fläche abgetastet wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist
das zu bemusternde Substrat so ausgerichtet, dass die Lackseite
zur Laserquelle zeigt, wobei entweder eine Abdeckfolie bereitgestellt
wird, um die abgedampften Überreste aufzufangen, oder eine
daran angebrachte Vakuumsammelvorrichtung, um die Überreste
zu entfernen. Alternativ würden die Verwendung eines transparenten
Substrats 10 und einer Substratschicht 11 es dem
Substrat ermöglichen, so angeordnet zu werden, dass die
Lackseite von der Laserquelle weg zeigt und dass das abgedampfte Material
zu entweder einer flexiblen Unterfolie oder einem Vakuumkanal geleitet
wird. Das tragende Substrat kann entweder starr oder flexibel sein.
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Die
Intensität des Laserstrahls 26 an irgendeinem
Punkt im Scan wird durch die Laserleistungssteuerleitung 30 gesteuert,
und zwar mittels Befehlen von einem Steuerlogikprozessor 28.
Alternativ kann die Intensität des Laserstrahls 26 mittels
eines separaten Modulators, wie etwa eines akusto-optischen Modulators
(nicht gezeigt), gesteuert werden, wie es dem Fachmann der Laseroptik
gut bekannt ist. In einer alternativen Ausführungsform
kann die Substratanordnung 10, 11, 12 stationär
bleiben und die Laserschreibvorrichtung bewegt werden oder der Laserstrahl 26 optisch
umgelenkt werden. Das wichtige Merkmal ist, dass es eine relative
Bewegung zwischen dem Laserstrahl 26 und der Substratanordnung 10, 11, 12 gibt,
um eine vollständige Flächenüberstreichung
bzw. einen vollständigen Flächenscan zu ermöglichen.
Die Laserstrahlleistung des Lasersystems I variierte von 0 bis ca.
700 Milliwatt, wobei eine Scanfrequenz zwischen 100 und 1 Hz Verweilzeiten
von 6 bis ca. ca. 900 Mikrosekunden und Belichtungen von ca. 230
bis ca. 34.000 mJ/cm2 entsprach. Die Scan parameter
werden so gewählt, dass die Belichtung oberhalb des Lackschichtablationsschwellwerts
und unterhalb einer übermäßigen Belichtung,
welche übermäßig breite Linien und Punkte erzeugt
und die darunterliegenden Substanzen beschädigt, optimiert
wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform, die nachstehend als Lasersystem
II bezeichnet wird, das aus einem nicht-kohärenten Infrarot-Diodenlaserstab bei
808 nm (+/–10 nm) besteht, dessen Strahl auf 256 separate
adressierbare Kanäle aufgeteilt ist, die mittels eines
räumlichen Lichtmodulators in Intervallen von 5. Mikrometern über
die Strahlbreite moduliert werden, wie in der veröffentlichten
Patentanmeldung US 2005/0266172 (Kay et al.) beschrieben, die hierin durch
Bezugnahme vollinhaltlich eingeschlossen ist. Die Stahlintensitätsverteilung
in der Schnellscanrichtung ist eine Gaußsche Verteilung,
deren 1/e2-Durchmesserwert 3,6 Mikrometer
beträgt. Ein Spitzen-zu-Spitzen-Abstand in der Schnellscanrichtung wurde
durch das Modulationsschema auf 5 Mikrometer für die Beispiele
dieser Erfindung begrenzt, was zu einem minimalen abgedampften Punkt
in der Dünnschichtebene von ca. 5 Mikrometern führte,
der. maximal 1 Pixel in jeglicher Bildwiedergabe darstellen. Der
Strahl wurde mittels eines zweiachsigen beweglichen Tisches, der
die Probe hielt, über die Probe gescannt. Eine Belichtung
fand statt, als der bewegliche schnelle Scanachsentisch mit Geschwindigkeiten
von 1,0 bis 0,1 Metern pro Sekunde lief. Die Leistungen, die beim
Lasersystem II verfügbar waren, betrugen zwischen 11 und
55 Milliwatt pro Kanal, was einem Belichtungsbereich von 0,22 bis
11 J/cm2 entspricht, obwohl die für
diese Erfindung nützlichen Leistungen und Belichtungen
nicht auf diese Bereiche beschränkt sind. Der langsame
bewegliche Achsentisch inkrementiert die Probe mit einem festgelegten
Abstand als Vorbereitung für eine weitere Schnellscanbewegung.
Diese Abfolge wird weitergeführt, bis die gesamte gewünschte
Fläche freigelegt ist.
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Das
Substrat wurde mittels eines Vakuums gegen den Tisch gehalten, obwohl
der Fachmann erkennen wird, dass es viele andere Mittel gibt, um
das Substrat am Tisch zu fixieren, beispielsweise mittels Klemmens,
einer Druckaufgabe, Haftmitteln, mit optionaler Erwärmung
des Substrat oder dergleichen und ein schließlich eines
Mittels zur akkuraten Platzierung und Registrierung des Substrats
bezüglich des Ablationsmusters. Ein Beispiel einer Haltevorrichtung
für diese Positionierung ist in
US 6,695,029 (Phillips et al.) offenbart.
Der bewegliche Tisch kann ein Substrat tragen, das so ausgerichtet
ist, dass es entweder mit der Lackseite zur Laserquelle hin oder von
der Laserquelle weg zeigt, wenn mit transparenten Substraten
10 und
Substratschichten
11 gearbeitet wird. Wenn es zur Laserquelle
zeigt, können die Ablationsüberreste entweder
auf einer Abdeckfolie oder vorzugsweise in einer Vakuumsammelvorrichtung,
die am Laserkopf angebracht ist, aufgefangen werden. Die Musterinformation
wurde mittels einer CPU und eines RIP bereitgestellt, der in der
Lage ist, Testmuster oder Tif-Bilder zu verarbeiten, wobei einem
Pixel eine Musterabmessung von 5 × 5 Mikrometern zugeteilt
wurde.
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Jegliches
Infrarot- oder sichtbare YAG-Lasersystem könnte zusammen
mit der erfindungsgemäßen Lackschicht 12 verwendet
werden, welche nicht auf die oben beschriebenen Lasersysteme I und II
beschränkt ist. Das Laserarray könnte eine Anordnung
von diskreten Dioden sein wie im Kodak Approval Digital Proofing
System oder ein Stablaser mit einem segmentierten Lichtmodulator
wie im Kodak Newsetter oder den Creo Trendsetter Plate Writer-Proofers.
Die Vorrichtung zum Transportieren des Substrats 10 könnte
ein Flachbett für starre Substrate sein, und eine relative
Bewegung könnte mittels Bewegens entweder des Laserarrays
oder des Trägertisches bereitgestellt werden. Trommelsysteme,
die flexible Träger verwenden, könnten auch in
Betracht gezogen werden, sowie Laserarrays, die in geeigneter Nähe
für ein sich bewegendes Netz des Substrats 10 angebracht
sind. Es gibt keine Begrenzung hinsichtlich der Anzahl von adressierbaren
Kanälen oder Lasern, die das Array bilden, außer
den praktischen Begrenzungen der Vorrichtungen selber und der Fähigkeit
der CPU, die Information mit der geeigneten Rate zu liefern. Mehr
als ein Kopf könnte gleichzeitig verwendet werden.
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Eine
Modulation der Laserleistung auf der Ebene der Lackschicht 12,
um das gewünschte Ablationsmuster zu erzeugen, könnte
mit jeglichem aus dem Stand der Technik bekannten Mittel erreicht
werden, wie etwa mittels binärer Belich tung im An- oder Aus-Modus,
wie sie in den erfindungsgemäßen Lasersystemen
I und II durchgeführt wird, oder mittels einer Pulsbreitenmodulation.
Die einzige Anforderung ist, dass die Leistung im An-Modus ausreichen muss,
um eine Ablation bei der gewählten Scangeschwindigkeit
zu verursachen Die bildweise Strahlung, die der Lackschicht 12 und
der Substratschicht 11 zugeführt wird, könnte
auch von einer Nicht-Laserquelle wie etwa einem Xenon-Blitz durch
eine Maske stammen oder von jeglicher anderen Strahlungsquelle mit
einer ausreichend hohen Intensität bei den absorptiven
Wellenlängen der Licht/Wärme-Konversionssubstanz,
um eine thermisch induzierte Ablation zu verursachen.
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Licht/Wärme-Konversionssubstanz
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Die
zu bemusternde Lackschicht 12 oder die zu bemusternde Substratschicht 11 oder
eine Kombination der Schichten 12 und 11 dieser
Erfindung müssen einen Teil der einfallenden Strahlung
mittels einer Licht/Wärme-Konversionssubstanz absorbieren,
um die Wärme zu erzeugen, die benötigt wird, um
den Ablationsschwellwert zu überschreiten, vorausgesetzt,
dass die Lichtquellen von IR-Lasern bei Wellenlängen emittieren,
die nicht in der Lage sind, Bindungen aufzubrechen. Den Schichten
werden dabei strahlungsabsorbierende Materialien bereitgestellt,
wie etwa Farbstoffe, Pigmente, Kohlenstoff oder Metalle. Die bevorzugten
Wärmesubstanzen absorbieren Strahlung im Nahinfrarotbereich
zwischen 750 und 1100 nm und vorzugsweise zwischen 800 und 840 nm.
Zusätzlich könnten Farbstoffe, die im sichtbaren
Spektrum von mehr als 525 nm absorbieren, zusammen mit YAG-Lasern
in dieser Erfindung nützlich sein.
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Die
erfindungsgemäßen bevorzugten IR-absorbierenden
Farbstoffe werden in den
US-Patenten 4,973,572 (DeBoer)
und
5,578,416 (Tutt)
angegeben oder in
"Infrared Absorbing Dyes" (ed. Masaru
Matsuoka, Plenum Press, 1990) beschrieben. Farbstoffarten,
die für diese Erfindung nützlich sind, umfassen,
sind aber nicht beschränkt auf, Cyanine, Squaryliumformen,
Croconiumformen, Py ryliumformen, Quinone, Phthalocyanine und ihre
Metallkomplexe, Naphthalocyanine und ihre Metallkomplexe, Azofarbstoffe
und intermolekulare Ladungsverschiebungskomplexe. Der Fachmann wird
erkennen, dass die erfindungsgemäßen strahlungsabsorbierenden Chromophoren
der Lackschicht
12 entweder als monomolekulare Farbstoffe
oder als Pigmentteilchen bereitgestellt werden können,
und zwar abhängig von den spezifischen Eigenschaften des
Absorbers, welcher auch ein Kohlenstoffrußteilchen, ein
Metallnanoteilchen oder eine Kohlenstoffnanoröhre umfassen
kann. Andere für diese Erfindung in der Lackschicht
12 nützliche
Strahlungsabsorber sind Metalle oder anorganische Materialien wie
etwa Chrom, Nickel, Titan, Molybdän, Wolfram, Zirkonium,
Legierungen wie etwa NiCr, MoCr, WTi und dergleichen, sauerstoffdefizitäre
Metalloxide wie etwa Aluminium- oder Chromoxide und dergleichen
oder ein geschichteter Stapel von Materialien, die Strahlung mittels
ihrer Antireflexionseigenschaften absorbieren. Das Hauptkriterium
ist, dass eine strahlungsabsorbierende Substanz Laserlicht bei der
gegebenen Wellenlänge der bildweisen Strahlung absorbiert,
und zwar bei einer ausreichend hohen Auslöschung zur Ablation
von Material von der Lackschicht
12. Der Wirkungsgrad dieses Übertrags
ist abhängig von der Laserfluenz, einer Punktgröße,
einer Strahlüberlappung und anderen Faktoren gut bekannt.
Allgemein sollte die optische Dichte von strahlungsabsorbierendem Material,
wie im Substratlackstapel
10,
11,
12 dargestellt,
zumindest 0,1 betragen (20% des Lichts wird absorbiert).
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Die
erfindungsgemäßen Strahlungsabsorber mögen
sich in der Lackschicht 12 befinden, und zwar als eine
monomolekulare Spezies, die in dem organischen Binder der Lackschicht 12 gelöst
ist, oder als eine separate Schicht innerhalb der Grenzen der Lackschicht 12 oder
als mehrere Schichten mit dazwischenliegenden Binderschichten. Zusätzlich
kann die strahlungsabsorbierende Substanz als eine Deckschicht der
zu bemusternden Substratschicht 11 bereitgestellt werden,
wie etwa als ein vakuumabgeschiedener Farbstoff oder Metall, oder
die zu bemusternden Substratschicht 11 kann eine Strahlung
vollständig absorbierende aber nicht-ablative Schicht sein.
Nützliche strahlungsabsorbierende und Deckschichtmetalle
für die Substratschicht 11 umfassen, sind aber
nicht beschränkt auf, Mo, Ni, Ti, Zr, W, Cr und dergleichen.
Solche zweiten Me talldeckschichten sind in der Mikroelektronikindustrie
gebräuchlich, wenn sie über Aluminium platziert
sind, und zwar zur Vermeidung von Materialanhäufungs("hillock")-Defekten
und als Diffusionsbarrieren. Das strahlungsabsorbierende Material
kann sich, wenn es in der zu bemusternden Substratschicht 11 beinhaltet
ist, auch in einer Teilschicht befinden. Es ist für die
reinsten und effizientesten Ablationsmusterevakuierungen der Lackschicht 12 eine
besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsform dieser
Erfindung, ein strahlungsabsorbierendes Material, wie etwa eines der
zuvor genannten Metalle als die oberste Schicht des Materials 11 direkt
benachbart zur Lackschicht 12 zu platzieren, wobei die
Schicht 12 auch eine strahlungsabsorbierende Substanz,
wie etwa einen Farbstoff, umfasst.
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Die
erfindungsgemäßen strahlungsabsorbierenden Substanzen
können auf die Lackschicht 12 oder das zu bemusternde
Material 11 aufgebracht werden, und zwar in einer Vielzahl
von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie etwa, aber
nicht ausschließlich, einer Aufschleuderbeschichtung, einer
Sprühbeschichtung, einer Hopper-Beschichtung, einer Gravurbeschichtung,
einer Tintenstrahlabscheidung, mittels superkritischen CO2 und dergleichen, und zwar aus einer Lösung,
die das Bindermaterial umfassen mag oder nicht. Andere Auftragungsverfahren
umfassen Vakuum- oder Gasphasenabscheidung.
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Binder
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Zum
Zweck dieser Erfindung weist der Binder der Lackschicht 12 zumindest
einen polymeren Binder oder ein monomeres Glas oder eine Mischung daraus
auf und mag vorzugsweise auch eine zusätzliche gaserzeugende
Substanz umfassen. Es wird ferner bevorzugt, wenn der Polymerbinder
entweder vollständig oder teilweise aus einem Polymer besteht,
das thermisch labil oder anfällig für eine Depolymerisation
bei Temperaturen unter 400°C ist, um den Wirkungsgrad und
die Reinheit des Ablationsmusters zu verbessern.
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Der
Ausdruck "ablative Entfernung" wird weithin als wärmeinduzierter
Massenausstoß der Lackschicht 12 von der Substratschicht 11 verstanden,
wobei zumindest ein Teil einer Komponente des Lacks in einen gasförmigen
Zustand umgewandelt wird. Das Material, das in einen gasförmigen
Zustand umgewandelt wird, mag das Lackmaterial selbst oder ein anderes
Komponentenmaterial der Lackschicht 12 sein, das so als
ein Treibmittel für einen ablativen Abstoß dient.
Eine ablative Entfernung umfasst auch eine Fragmentierung oder einen
teilchenförmigen Ausstoß, bei welchem zumindest
ein Teil des Donatormaterials nicht unbedingt in den gasförmigen
Zustand umgewandelt werden muss, aber durch die Umwandlung in die
Dampfform einer erwärmten Komponenten des Donators effektiv
fragmentiert und herausgeschossen wird. Es wird daher bevorzugt, wenn
die Lackschicht so viele thermisch labile Materialien wie möglich
aufweist, solange der Lack dem nachfolgenden Ätzprozess
standhält, der das endgültige Muster in der Substratschicht 11 bildet.
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Zu
diesem Zweck kann eine bevorzugte Klasse von Polymerbindern als
Polymere definiert werden, die von einem Monomer CH=CXY deriviert werden,
wobei X und Y unabhängig elektronegative oder resonanzstabilisierte
Gruppen finden, und ferner so spezifiziert sind, dass X und Y sich
unter den folgenden Gruppen sind: Halogen (wenn X nicht gleich Y
ist), -CN, -(C=O)OR, -(C=O)R, -(C=O)NR2, wobei R unabhängig
H sein kann, jegliches Alkyl, Cycloalkyl oder Cycloalkenyl, Aryl,
-(OCH2CH2)zCH3, -(OCH(CH3)CH2)zCH3,
oder jegliche substituierte Alkyl- oder Alkoxidgruppe, bei der zumindest
ein Wasserstoffatom durch ein Halogen-, Silizium- oder Titanatom
ersetzt ist. Mischungen der oben beschriebenen Polymere können
ebenfalls in der Lackschicht 12 enthalten sein.
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Von
den so definierten Polymeren sind insbesondere die Alkylcyanoacrylatpolymere
nützlich, wobei X -CN und Y (C=O)OR ist und die R-Gruppe Methyl,
Ethyl oder ein Copolymer davon ist. Polymere dieser Art sind dafür
bekannt, dass sie nützlich als Harze sind, die effizient
abgedampft werden, wie in den
US-Patenten
5,468,591 (Pearce et al.);
5,858,607 (Burberry
et al.) und
6,165,671 (Weidner et
al.) gezeigt. Cyanoacrylate sind von Helbert et al. als nützlich
als Elektronenstrahllacke beschrieben worden,
"Radiation
Degradation of a-Substituted Acrylate Polymers and Copolymers",
Journal of Applied Polymer Science, Ausgabe 21, 1977, Seiten 797–807,
und als ein Photoablationslack für Hochenergie-UV-Strahlung
von
Hogan et al., "Laser Photoablation of Spinon-Glass and
Poly(Ethyl Cyanoacrylate) Photoresist", Applied Surface Science
36, 1989, Seiten 343–349.
-
Es
ist berücksichtigt worden, dass die physikalischen Eigenschaften
der Cyanoacrylatpolymere eventuell modifiziert werden müssen,
insbesondere, um eine verbesserte Haftung an der Substratschicht
11 und
einen Ätzwiderstand gegenüber dem Ätzmittel
für die Substratschicht
11 bereitzustellen. Solche Verbesserungen
sind auf ihre Anwendungen als Elektronenstrahllacke angewandt worden
und umfassen ein Modifizieren der Alkylgruppen der Cyanacrylatester,
beispielsweise um ein 3-Trimethylsilylpropyl-2-Cyanoacrylat herzustellen,
wie in
US 5,359,101 (Woods
et al.) gelehrt. Ein weitverbreitetes Verfahren zum Modifizieren
von Polymereigenschaften dieser Klase beinhaltet eine Copolymerisation
mit einer breiten Vielfalt an Vinylmonomeren, um eine Ätzwiderstandshaftung
und eine Molmassenstabilität zu verbessern, wie in
EP 0343603 ,
US 4,686,168 (Fujii et al.) und
JP 7-056341 beschrieben.
Nützliche Zusammensetzungen umfassen Cyanoacrylatcopolymere
mit Acrylaten, Methacrylaten, Fluoroacrylaten und Fluoromethacrylaten,
Vinylestern, Vinylether, Vinylketonen, Vinylcinnamaten, Styrol, α-Methylstyrol, Butadien,
Isopren, Methacrylamiden, Acrylamiden, Acrylonitril und Methacrylonitril
und Mischungen davon. Zusätzlich mögen Comonomere
wie etwa Vinylcinnamate, die durch Strahlung oder chemisch vernetzbare
Gruppen aufweisen, beinhaltet sein, um einen Ätzwiderstand
nach dem anfänglichen ablativen Bemustern der Lackschicht
12 zu
verbessern.
-
Es
ist bekannt, dass Cyanoacrylatpolymere eine Molmasseninstabilität
aufweisen, wenn sie in verschiedenen Lösungsmittel gelöst
werden (Woods et al.; "Vapour deposition of poly(alkyl-2-cyanoacrylate)
resist coatings: a new electron-beam/deep-ultra-violet photoresist
technology"; Polymer 1989, Ausgabe 30, Seiten 1091–1098),
dahingehend, dass sie sich von einer höheren Molmasse zu
einer niedrigeren Molmasse hin ins Gleichgewicht setzen. In den meisten
Fällen, wie in dieser Erfindung angewandt, wird ein nützliches
Ausmaß an Po lymerisierung fast immer aufrechterhalten und
verschlechtert sich normalerweise nicht auf unter 10.000 (Gewichtsdurchschnitt)
und liegt typischerweise bei 30.000 in Lösung. Dieses Verhalten
ist besonders problematisch für eine Elektronenstrahl-
oder Röntgenlithographie, die von einem gut definierten
und konsistenten Lösungsverhalten abhängt, um
den Entwicklungsschritt zu steuern. Für die Zwecke dieser
Erfindung ist jedoch keine bevorzugtes Molmasse spezifiziert, so lange
eine praktische Ablationsschwellwertenergie bereitgestellt wird
und der Lack der für das endgültige Muster der
Substratschicht 11 verwendeten Ätzchemie standhält.
Der Fachmann wird erkennen, dass, während ein Ablationswirkungsgrad
höchstwahrscheinlich bei niedrigen Molmassen bevorzugt
wird, andere physikalischen und chemische Eigenschaften, wie etwa
ein Ätzwiderstand, bei höheren Molmassen bevorzugt
werden mögen und dass ein Gleichgewicht abhängig
von den Anforderungen der Substratschicht 11 und der verwendeten
Abläufe aufgefunden werden muss.
-
Die
Lackschichten
12, die Polycyanoacrylate und ihre Copolymere
aufweisen, können auf die Substratschicht
11 mittels
jeglichen im Stand der Technikangewandten Beschichtungs- oder Abscheidungsmittels
angewandt werden, und ein besonders nützliches Verfahren
besteht in der Gasphasenabscheidung, wie in
US 4,675,273 (Woods et al.) gelehrt. Solch
ein Gasphasenabscheidungsablauf bietet die Möglichkeit
eines vollständig trockenen Prozesses, wenn er mit einem
Trockenplasmaätzungs-Schritt für die Bildung des
endgültigen Musters in 11 kombiniert wird. Eine Kombination
des dampfabgeschiedenen Cyanoacrylats mit einer strahlungsabsorbierenden Spezies,
wie etwa einem Farbstoff oder einem Metall, könnte mittels
einer abwechselnden Abscheidung von separaten Cyanoacrylaten und
Farbstoff-(Metall-)schichten erreicht werden. Der Fachmann wird erkennen,
dass ein strahlungsabsorbierendes Element benachbart zu einem thermisch
labilen Polymer dem Polymer genug thermische Energie bereitstellen wird,
um eine Ablation durchzuführen.
-
Andere
thermisch labile und anderweitig nützliche Polymere, die
den Binder der Lackschicht 12 aufweisen, umfassen Nitrozellulose,
Copolymere von Maleinsäureanhydrid, einschließlich
Methylvinylethermaleinsäureanhydrid und Styrol maleinsäureanhydrid,
ein alphasubstituiertes aliphatisches Polycarbonat, Polyketone,
Polyalkensufone, Alpha-Methylstyrol, und ein Silikon, und ihre Mischungen
mit Polymeren der allgemeinen Strukturformel CH=CXY, wobei X und
Y unabhängig elektronegativ und resonanzstabilisierte Gruppen
sind.
-
Die
Polymerbinder der Lackschicht 12 mögen, allein
oder in Kombination mit schon genannten Polymeren, Polymere umfassen,
die bekannt dafür sind, Lackeigenschaften in lithographischen
Prozessen bereitzustellen, wie etwa Shipley G-Line oder MicropositTM Photolacke von Shipley Company, Marlborough,
MA, und einschließlich Materialien wie etwa Polymethacrylate
und Acrylate, Polystyrol und Copolymere mit Butadien, Acrylate und
Methacrylate, Acrylonitril, Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyvinylchloride
und Copolymere mit Vinylacetat, Polyvinylester, Polyurethane, Polyvinylacetale
und Butyrale, Epoxide, Polyimide, Novolac-Harze, Polyvinylphenolharze
und dergleichen. Ein weiteres nützliches Harz, das in dieser
Erfindung verwendet werden könnte, umfasst ein Harz, das
aus Divinylsiloxan-bis(Benzocyclobuten) (Cyclotene Resins, Dow Chemical)
deriviert wird.
-
Polymerharze,
die in Vakuumabscheidungsprozessen gebildet werden, mögen
auch als nützliche Binder für die Lackschicht 12 in
Betracht gezogen werden, wie beispielsweise p-Xylen, das aus pyrolysiertem
[2,2]-Paracyclophan deriviert wird, (Handelsname ist Parylen, Union
Carbide), sowie Harze, die mittels einer Glimmentladungsplasmapolymerisation
gebildet werden, wie etwa Polyalkene und Polyfluoroalkane. Solche
vakuumabgeschiedenen Harze mögen zusammen mit strahlungsabsorbierenden Materialien
abgeschieden werden, wie etwa Farbstoffen oder Metallen, oder in
separaten Schichten in den Begrenzungen der Lackschicht 12 aufgebracht werden.
-
Zusätzlich
zu den polymeren Materialien umfassen nützliche Binderelemente
für die Lackschicht
12 monomere Gläser,
die in
US 5,891,602 (Neuman) als
ein nicht-polymeres organisches Material mit einem glasartigen Zustand
definiert sind, das eine Glasübergangstemperatur von mehr
als 25°C aufweist und in der Lage ist, ein amorphes Glas
in der Lackschicht zu bilden und die darin bean spruchten und spezifizierten
Materialien umfasst. Zusätzlich sind nützliche
monomere und oligomere Gläser in der ebenfalls anhängigen
US-Patentanmeldung US 11/240,964 spezifiziert und umfassen Harze
wie im zuvor zitierten Patent
US
6,165,671 beschrieben, wie etwa hydrierte und teilweise
hydrierte Kolophoniumester und ähnliche Ester. Handelsübliche
Materialien umfassen den Glycerolester von hydriertem Holz-Kolophonium,
wie etwa Staybellite Ester 10 (Hercules), den Glycerolester von
hydriertem Kolophonium, wie etwa Foral 85 (Hercules) und den Pentaerythritolester
von modifiziertem Kolophonium, wie etwa Pentalyn 344 (Hercules).
Die amorphen organischen Feststoffe der Lackschicht
12 mögen
auch oligomere Harze mit einer Molmasse von weniger als ca. 4000
sein, wie etwa der Polyester Tone 260.
-
Die
monomeren Gläser erhöhen die organische Masse,
ohne unnötige kovalente Bindungen hinzuzufügen
und stellen eine chemische Spezies dar, die mit größerer
Wahrscheinlichkeit durch die Ablation verdampft werden als viele
typische Harze.
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Die
Lackschicht 12 mag auch teilweise aus monomeren oder oligomeren
Materialien bestehen, die in der Lage sind, ein Gas freizusetzen,
wenn es der erhöhten Temperatur der abgedampften Bereiche
ausgesetzt wird, und wird somit zu der Massenabstoßung
von Material von dem abgedampften Muster beitragen. Solche Materialien
umfassen Tetrazole und Triazole und ihre Aminoderivate, wie beispielsweise
3-Aminotetrazol, Natriumazid, das als ein Airbagtreibmittel in Fahrzeugen
verwendet wird, Azoverbindungen wie etwa Azo-bis-Isobutyrylnitril, Azido-Oxetanpolymere
und Oligomere wie etwa "poly-bamo" und dergleichen.
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Jegliche
der Schichten der Lackschicht 12 mag zusätzlich
zu den schon offenbarten Materialien oberflächenaktive
Mittel umfassen, die als Beschichtungshilfen nötig sind
und für die Modifizierung von Oberflächeneigenschaften
verwendet werden, sowie Härter, Haftmittel und dergleichen,
die für die physikalische Integrität während
der Ablaufstufen nötig sind. Sichtbare Farbstoffe, die
bei anderen Wellenlängen als der bildweisen Strahlung absorbieren,
mögen ebenfalls zu jeglicher der Schichten des Lacks 12 hinzugefügt
werden, um eine Visualisierung des Ablaufs bereitzustellen.
-
Die
Lackschicht 12 kann 0,10 bis 10 Mikrometer dick sein, und
beträgt vorzugsweise 0,25 bis 2,5 Mikrometer.
-
Sofort
nach der thermisch induzierten bildweisen Ablationsmusterbildung,
mag eine kleine Menge von organischem Restmaterial am Boden des abgedampften
Bereichs übrig bleiben, wie durch Gegenstand 13 in 14 gezeigt.
Diese Restschicht mag ein Restharz oder andere organische thermische
Zerfallsprodukte sein und muss eventuell vor dem endgültigen Ätzprozess
entfernt werden, der auf die Substratschicht 11 angewandt
werden wird. Dieses Material kann leicht mittels einer Vielzahl
von Säuberungsoperationen entfernt werden, die bei der herkömmlichen
Lithographie verwendet werden, einschließlich Sauerstoffplasma,
und zwar entweder bei einem Unterdruck oder bei Atmosphärendruck.
Solche Operationen werden typischerweise mit kurzen Zeiten und niedrigen
Drücken durchgeführt, um keine größeren
Mengen von Lack in den nicht-abgedampften Bereichen zu entfernen,
die aber auszureichen, um den beabsichtigten abgedampften Bereich
zu säubern. Die 8 und 9 zeigen
den bemusterten Lack nach dem Reinigen, wobei die freigelegte Substratschicht 11 zur Ätzung
bereit ist. Zusätzlich mag der Sauerstoffreinigungsschritt
auch ein steileres Wandprofil in der Lackschicht 12 bereitstellen. 15 zeigt
eine Seitenansicht einer abgedampften Linie, was mittels eines Lasers
durchgeführt wurde, nachdem eine Sauerstoffätzung
vor der Ätzung durchgeführt worden war. Die Seiten
der abgedampften Schicht liegen normal zum Substrat 10,
und der Boden des abgedampften Bereichs ist von jeglichem Restlack
gereinigt.
-
Beispiele
für die Substratschicht 11, die bemustert werden
könnte, sind alle ätzbaren Metalle oder Leiter,
Halbleiter, Dielektrika und Polymere. Einige Metalle oder Leiter,
die gemeinhin mit diesen Lacken verwendet werden, sind Al, Mo, MoCr,
Ni, NiCr, Cr, W, WTi, Ti, Zr, Ag, Cu, Au, Pt, Pd, Zinn, ITO und Polythiophen
usw. Gemeinhin verwendete Halbleiter sind Polysilizium, amorphes
Sili zium, dotiertes Silizium, Zinkoxid, Germanium, Gallium, Indiumphosphid, Quecksilbercadmiumtellurid
usw. Einige gemeinhin verwendete Dielektrika sind SiNx, SiO2, Al2O3
usw. Einige gemeinhin verwendeten polymere Dielektrika sind Polymethylmethacrylat,
Polyphenole, Polyimide usw.
-
Andere
funktionale Mikrostrukturen der Schicht 11, die mittels
des erfindungsgemäßen Prozesses bemustert werden
können, umfassen eine Schaltung für gedruckte
Leiterplatte, Verbindungen und Mikrofedern, die in Flip-Chips verwendet
werden, die aus einer MoCr-Legierung hergestellt sind.
-
Die
zu bemusternde Substratschicht 11 kann ein Einzelmaterial
oder eine Vielzahl von Schichten sein. Jedoch werden alle Schichten
in dem Prozess beeinflusst. Von Schichten, die nicht beeinflusst
werden, wird angenommen, dass sie sich im Substrat 10 befinden.
Die Flächen der Substratschicht 11, die nicht
von der Lackschicht 12 bedeckt sind, werden so der Ätzaktivität
des chemischen oder Plasmaätzmittels ausgesetzt. Es wird
angenommen, dass das Profil der Ränder der Lackschicht 12 normal
zum Substrat liegt, aber sie mögen geneigt sein, falls
der Prozess dies erfordert. 9 ist die
Seitenansicht von 8, welche die Vorrichtung nach
einer Ablation der Lackschicht 12 und einer Reinigung von
organischen Resten zeigt. Die 10 und 11 zeigen die
endgültige bemusterte Vorrichtung, wobei das Substrat 10 nun
dort freiliegt, wo die Substratschicht 11 in 8 freilag,
und wobei die nicht-abgedampfte Lackschicht 12 sich noch
auf der Substratschicht 11 befindet.
-
Die
Substratschicht 11 kann mittels Verwendens eines chemischen
oder Plasmaätzprozesses geätzt werden. Der angewandte Ätzprozess
kann in einem Vakuum mittels Plasma mit einem Plasmaätzen,
mit einem Plasmabrenner oder mit Nassätzmitteln durchgeführt
werden. Beispiele für Ätzgase, die für
Plasmaätzung verwendet werden, umfassen Cl2, BCl3, SF6, O2, H2, CH4, Chloroform und N2.
Beispielhafte Nassätzmittel umfassen HCl, Salpetersäure, Essigsäure,
Phosphorsäure, Ferritnitrat. Die Lackschicht mag mittels
des Ätzprozesses beeinflusst werden, aber nicht bis zu
dem Punkt, an welchem die Qualität des Musters in der Substratschicht 11 beeinträchtigt
wird. 11 ist die Seitenan sicht von 10,
welche das Muster nach einem Ätzen und vor der endgültigen
Lackentfernung zeigt.
-
Der
verbleibende Lack auf der Substratschicht 11 im endgültigen
Muster kann mittels jeglichen Verfahrens entfernt werden, das gemeinhin
bei herkömmlichen Lithographieprozessen angewandt wird,
und zwar einschließlich, aber nicht beschränkt auf,
eines Hochenergie-O2-Plasmas, eines Waschens
in Lösung, eines Hochdruckwasserstrahls und eines Hochtemperaturbackens.
Die 12 und 13 zeigen
das endgültige Muster der Substratschicht 11,
die nun in den Flächen freiliegt, welche in 8 geschützt
waren. Der Lackentfernungsschritt ist optional. Abhängig
vom Prozess und dem Lack, könnte der Lack belassen werden,
insbesondere, falls ein sekundäres Muster in der Substratschicht 11 gebildet
werden soll, das sich in den Grenzen des Originalmusters der Substratschicht 11 befindet.
-
Das
Substrat 10 könnte jegliches Material sein, das
als ein Träger für eine Substratschicht 11 verwendet
wird, einschließlich Glas, eines Siliziumwafers, eines
Metalls wie etwa Edelstahl, einer gedruckten Leiterplatte und dergleichen.
Flexible Träger könnten ebenfalls verwendet werden,
einschließlich Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen,
Polyethylennapthalat, Polysulphon, Polyimide und dergleichen. Alternativ
kann das Substrat 10 jegliche vorläufige Unterstruktur
einer endgültigen Vorrichtung sein, welche Funktionsschichten,
Registrierungsmarkierungen zur Ausrichtung, wie etwa die verschiedenen
Schichten eines Dünnschichttransistorarray-Backplane für
LCDs oder OLED-Anzeigen, umfassen mag.
-
Beispiel I
-
Auf
ein 1,1 mm dickes Glassubstrat mit 500 bis 1000 Ångström
gesputterten Aluminiums wurde eine Laserablationslackschicht mittels
Aufschleuderbeschichtens einer Lösung von 5 Gew.-% Poly(methyl-co-ethyl)cyanoacrylat,
1,0 Gew.-% Infrarotfarbstoff (1), 0,5 Gew.-% Cyanfarbstoff (1),
0,05% Fluorcarbon tensid FC-431 (3M Corp) in 50/50 Acetonitril/Cyclopentanon
bei 1000 U/min aufgebracht, was zu einer Trockendicke von ca. 0,33
Mikrometern führte.
-
Teile
der Ablationslackschicht wurden in einem intelligenten Muster mittels
des Lasersystems I entfernt, das aus einem einzelnen Infrarotlaserstrahl bei
830 nm bestand. Die Strahlgröße betrug ungefähr 16
Mikrometer mal 80 Mikrometer zu dem 1/e2-Punktscan
entlang der Strahlbreitenrichtung. Eine relative Bewegung zwischen
dem Laserstrahl und dem lack- und aluminiumbeschichteten Substrat wurde
mittels eines Galvanometers bereitgestellt, das einen bewegbaren
Spiegel umfasste, der den Laserstrahl durch eine f-Theta-Linse abtastet,
um eine Scanlinie in Strahlbreitenrichtung zu bilden. Die Verweilzeit
betrug 0,9 Millisekunden [die Scanfrequenz betrug 10 Hz bei einer
Leistungseinstellung von 170] mit einer geeigneten Leistungsdichte.
Eine Entfernung der Lackschicht wurde in den Zwischengitterbereichen
eines Rastermusters durchgeführt, wobei die nicht-abgedampften
Flächen den Rasterlinien aus Aluminium entsprachen, welche
nach dem Ätzen bestehen bleiben sollten.
-
Nach
einem Laserätzen der Lackschicht wurde die Probe in ein
Lam Modell 4600 eines auf Chlor basierendem Plasmaätzwerkzeugs,
ein Produkt von Lam Research Corporation, Fremont, CA, platziert.
Das Muster wurde mittels Entfernens des Aluminiums in den laserabgedampften
Bereichen in die Metallschicht geätzt. Die Probe wurde
dann in ein einen Sauerstoffplasma-Asher platziert, und das verbleibende
Ablationsschichtmaterial wurde entfernt. Dieser Prozess übertrug
das Laserlackmuster in das Aluminium. Eine Entfernung des Lacks
führte zu einem Aluminiumrastermuster mit hoher Wiedergabegenauigkeit
mit einem vollständig trockenen Ätzprozess.
-
Beispiel II
-
Auf
ein 1,1 mm dickes Glassubstrat mit ca. 1000 Ångström
gesputterten Aluminiums wurde eine Laserablationslackschicht mittels
Aufschleuderbeschichtens einer Lösung von 7,5 Gew.-% Poly(methyl-co-ethyl)cyanoacrylat,
1,0 Gew.-% Infrarotfarbstoff (1), 0,5 Gew.-% Cyanfarbstoff (1),
0,05% Fluorcarbontensid FC-431 (3M Corp) in 50/50 Acetonitril/Cyclopentanon
bei 4000 U/min aufgebracht, was zu einer Trockendicke von ca. 0,33
Mikrometer führte.
-
Teile
der Ablationsschicht wurden in einem intelligenten Muster entfernt,
und zwar mittels des Lasersystems II, das aus einem nicht-kohärenten
Infrarot-Diodenlaserstrahl mit 808 nm bestand, dessen Strahl auf
256 separat adressierbare Kanäle aufgeteilt war, die mittels
eines räumlichen Lichtmodulators in Intervallen von 5 Mikrometern über
die Strahlbreite moduliert wurden. Der Strahl wurde mittels eines
beweglichen Tisches, der die Probe hielt, bei Geschwindigkeiten
von 1,0 bis 0,1 Meter pro Sekunde über der Probe gescannt.
Zum Zweck dieses Beispiels wurden 32 der 256 verfügbaren
Kanäle aktiviert. Die verwendeten Leistungsdichten lagen
zwischen 11 und 38 Milliwatt pro Kanal. Eine Entfernung der Lackschicht
wurde in den beleuchteten Bereichen in Mustern von 5 Mikrometer-Linien
parallel und senkrecht zur Richtung des Strahlscans durchgeführt.
-
Nach
dem Bemustern wurde die Probe bei 50 Watt und 300 Millitorr für
40 bis 80 Sekunden einem Sauerstoffplasma ausgesetzt, um Spuren
von in den abgedampften Bereichen verbliebenem organischem Material
zu entfernen. Diese Behandlung verringerte die Dicke des Lacks in
den nicht-abgedampften Bereichen nicht wesentlich, noch minderte
sie die Wirkung als ein Lack für den Ätzschritt.
-
Ein
Flüssigätzmittel wurde dann auf die Probe des
Beispiels II aufgebracht, um das Aluminium in den abgedampften Bereichen
zu entfernen. Das Ätzbad bestand aus 25 Teilen H2PO3, 1 Teil HNO3 und 5 Teilen Eisessigsäure für
3 Minuten und 15 Sekunden, gefolgt von zwei Reinigungsbädern
aus destilliertem Wasser. Der Lack in den nicht-abgedampften Bereichen
wurde in einem Acetonbad entfernt, was zu einem Aluminiumlinienmuster
mit einer hohen Wiedergabegenauigkeit bezüglich der nicht-abgedampften Bereiche
führte.
-
Beispiel III
-
Ein
Glassubstrat wurde mittels des PECVD-Prozesses in aufsteigender
Reihenfolge mit 50 nm Chrom, 300 nm Siliziumnitrid, 200 nm amorphem
Silizium und 50 nm n-dotiertem amorphen Silizium beschichtet. Auf
dieses Substrat wurde eine Laserablationslackschicht mittels Aufschleuderbeschichtens
einer Lösung aus 10 Gew.-% Poly(methyl-co-ethyl)cyanoacrylat,
1,0 Gew.-% Infrarotfarbstoff (1) und 0,5 Gew.-% Cyanfarbstoff (1),
0,05% Fluorcarbontensid FC-431 (3M Corp) in 50/50 Acetonitril/Cyclopentanon
bei 1000 U/min aufgebracht, was zu einer Trockendicke von ca. 1,0
Mikrometern führte.
-
Teile
der Ablationslackschicht wurden in einem intelligenten Muster mittels
des Lasersystems 11 entfernt, das aus einem Gitter von
abgedampften 10 Mikrometer-Linien in sowohl der vertikalen als auch
der horizontalen Richtung bestand, die 100 Mikrometer voneinander
getrennt waren. Nach einer Sauerstoffplasmabehandlung wie in Beispiel
11 beschrieben, um jeglichen Restlack in den abgedampften Bereichen
zu entfernen, wurde das Substrat für 2,5 min mit einem
SF6-Plasma behandelt, um die Silizium- und Siliziumnitridschichten
von den abgedampften Bereichen zu entfernen. Der verbleibende Lack
wurde dann mittels eines O2-Plasmas bei
300 mTorr und 400 Watt für 5 Minuten entfernt. Das sich daraus
ergebende Muster war ein Gitterarray aus isolierten Siliziumnitrid/a–Silizium/n+Silizium-Blöcken, wobei
100 Mikrometer auf jeder Seite durch 6 bis 10 Mikrometer breite
Lücken mit sehr scharfen und gut definierten Rändern
getrennt waren.
-
- 10
- Substrat
- 12
- Lackschicht
- 11
- Substratschicht
- 13
- Rest
- 14
- Laser
- 22
- Galvanometer
- 24
- Linse
- 26
- Laserstrahl
- 28
- Steuerlogikprozessor
- 30
- Steuerleitung
-
Zusammenfassung
-
Verfahren
zum Herstellen von Mikrostrukturvorrichtungen mittels Aufschichtens
einer ersten Schicht von Lack (12) auf ein Substrat (10).
Ein Muster wird mittels strahlungsinduzierter thermischer Entfernung
des Lacks auf dem Substratmaterial erzeugt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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- - Hogan et al., "Laser Photoablation of Spinon-Glass and Poly(Ethyl
Cyanoacrylate) Photoresist", Applied Surface Science 36, 1989, Seiten 343–349 [0048]
- - Woods et al.; "Vapour deposition of poly(alkyl-2-cyanoacrylate)
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