DE112022003215T5

DE112022003215T5 - Tiefätzung von Substraten unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske

Info

Publication number: DE112022003215T5
Application number: DE112022003215.4T
Authority: DE
Inventors: Matthias Mühle; Jung-Hun Seo; Yixiong Zheng
Original assignee: Research Foundation of State University of New York; Fraunhofer USA Inc
Current assignee: Research Foundation of State University of New York; Fraunhofer USA Inc
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2022271511A1; US11886122B2; US20220413389A1

Abstract

Ein Verfahren, das das Bereitstellen eines kohlenstoffhaltigen Materials umfasst, wobei das Substrat eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Ablagern einer ersten Maskierungsschicht mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit auf mindestens einem Abschnitt des Substrats, wobei das Verhältnis der zweiten Wärmeleitfähigkeit zur ersten Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 1:30 ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ablagern einer zweiten Maskierungsschicht auf der ersten Maskierungsschicht, um eine Ätzmaske zu bilden, und das Ätzen eines belichteten Abschnitts des Substrats.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 17/357,666 , die am 24. Juni 2021 eingereicht wurde und hiermit in vollem Umfang in Bezug genommen wird.
STAATLICHE LIZENZRECHTE
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung durch den Zuschuss Nr. 1809077 der National Science Foundation gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren zum Ätzen von kohlenstoffhaltigen Materialien unter Verwendung einer harten Ätzmaske.
STAND DER TECHNIK
Aufgrund seiner einzigartigen Kombination herausragender physikalischer und chemischer Eigenschaften, wie beispielsweise einer breiten Bandlücke, chemischer Inertheit, höchster Härte und Wärmeleitfähigkeit, negativer Elektronenaffinität und Biokompatibilität, gelten kohlenstoffhaltige Materialien wie Diamant als vielversprechende Materialien für die Anwendung in elektronischen und mikroelektromechanischen Vorrichtungen, biomedizinischen Sensoren, elektrochemischen Elektroden und Feldelektronenemissionsvorrichtungen (FEE). Damit Diamant jedoch zuverlässig in Anwendungen verwendet werden kann, ist ein präziser Ätzprozess erforderlich. Dies gilt insbesondere für elektronische Anwendungen, die ein Ätzen auf der Mikro- oder Nanoskala erfordern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Hartmasken zum Ätzen von kohlenstoffhaltigen Materialien und insbesondere auf zweischichtige Ätzmasken und Verfahren zum Ätzen kohlenstoffhaltiger Materialien unter Verwendung solcher Ätzmasken.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Substrats, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, wobei das Substrat eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Ablagern einer ersten Maskierungsschicht mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit auf mindestens einem Abschnitt des Substrats, wobei das Verhältnis der zweiten Wärmeleitfähigkeit zur ersten Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 1:30 ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ablagern einer zweiten Maskierungsschicht auf der ersten Maskierungsschicht, um eine Ätzmaske zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Ätzen eines belichteten Abschnitts des Substrats.
In einigen Ausführungsformen wird ein geätztes Substrat durch einen Prozess gebildet, der die Schritte des Bereitstellens eines Substrats umfasst, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, wobei das Substrat eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Prozess umfasst ferner das Ablagern einer ersten Maskierungsschicht mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit auf mindestens einem Abschnitt des Substrats, wobei das Verhältnis der zweiten Wärmeleitfähigkeit zur ersten Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 1:30 ist. Der Prozess umfasst ferner das Ablagern einer zweiten Maskierungsschicht auf der ersten Maskierungsschicht, um eine Ätzmaske zu bilden. Der Prozess umfasst ferner das Ätzen eines belichteten Abschnitts des Substrats.
Es ist zu beachten, dass alle Kombinationen der vorstehenden Konzepte und zusätzliche Konzepte, die weiter unten detaillierter erörtert werden (vorausgesetzt, diese Konzepte widersprechen sich nicht gegenseitig), als Teil des hierin offenbarten Gegenstands in Betracht gezogen werden. Insbesondere werden alle Kombinationen von beanspruchten Gegenständen, die am Ende dieser Offenbarung erscheinen, als Teil des hierin offenbarten Gegenstands betrachtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. Da diese Zeichnungen nur einige Implementierungen gemäß der Offenbarung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind, wird die Offenbarung unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen mit zusätzlicher Spezifität und Detailtiefe beschrieben.

1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ätzen eines Substrats, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske, nach einer Ausführungsform.
2 ist eine schematische Veranschaulichung der verschiedenen Schritte eines Prozesses zum Ätzen eines Substrats, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske, nach einer Ausführungsform.
3 zeigt die Platten A-C, die mikroskopische Bilder einer Aluminiumätzmaske, einer Titanätzmaske bzw. einer Nickelätzmaske darstellen.
3 zeigt Platte D, eine REM-Aufnahme eines Diamantsubstrats mit einer zweischichtigen Chrom-/Nickelätzmaske.
3 zeigt die Platten E und F, die EDX-Spektren des Diamantsubstrats mit der zweischichtigen Chrom/Nickelätzmaske darstellen.
4 zeigt Platte A, die ein schematisches Diagramm einer zweischichtigen Ätzmaske zeigt, die Chrom und Nickel auf einem Diamantsubstrat umfasst, wobei die Chromschicht eine Dicke von 5 nm aufweist.
4 zeigt die Platten B und C, die mikroskopische Bilder der zweischichtigen Ätzmaske nach 70 Minuten bzw. 160 Minuten Ätzzeit darstellen.
4 zeigt die Platten D und E, die REM-Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 160 Minuten Ätzzeit sind.
5 zeigt Platte A, die ein schematisches Diagramm einer zweischichtigen Ätzmaske zeigt, die Chrom und Nickel auf einem Diamantsubstrat umfasst, wobei die Chromschicht eine Dicke von 50 nm aufweist.
5 zeigt die Platten B und C, die mikroskopische Bilder der zweischichtigen Ätzmaske nach 70 Minuten bzw. 160 Minuten Ätzzeit darstellen.
5 zeigt die Platten D und E, die REM-Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 160 Minuten Ätzzeit sind.
6 ist eine Finite-Elemente-Simulation eines Beispiels für die Dehnungsverteilung einer zweischichtigen Ätzmaske aus Chrom/Nickel auf Diamant unter verschiedenen thermisch induzierten Zuständen.
7 zeigt die Platten A und B, die Finite-Elemente-Simulationen der beispielhaften Dehnungsverteilung von 6 zwischen dem Punkt 1 und 3 bzw. zwischen dem Punkt 2 und 3 in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur darstellen.
8 zeigt die Platten A und B, die Finite-Elemente-Simulationen der beispielhaften Dehnungsverteilung aus 6 am Punkt 1 bzw. am Punkt 2 in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur darstellen.

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. In den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Symbole üblicherweise ähnliche Komponenten, sofern der Kontext nichts anderes vorschreibt. Die veranschaulichenden Implementierungen, die in der detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen beschrieben werden, sind nicht als Einschränkung zu verstehen. Es können auch andere Implementierungen verwendet und andere Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist oder Umfang des hier vorgestellten Gegenstands abzuweichen. Es wird leicht zu verstehen sein, dass die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wie sie hierin allgemein beschrieben und in den Figuren veranschaulicht sind, in einer Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen, Ersetzungen, Kombinationen und Designs gestaltet werden können, die alle ausdrücklich in Betracht gezogen und zum Teil dieser Offenbarung gemacht werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Hartmasken zum Ätzen von kohlenstoffhaltigen Materialien und insbesondere auf zweischichtige Ätzmasken und Verfahren zum Ätzen kohlenstoffhaltiger Materialien unter Verwendung solcher Ätzmasken.
Herkömmliche Verfahren weisen Schwierigkeiten beim Ätzen von Diamant auf, da kohlenstoffhaltige Materialien wie Diamant chemisch inert sind, was das chemische Ätzen solcher Materialien erschwert. Mechanisches Schleifen ist ein herkömmliches Verfahren zur Strukturierung solcher Materialien, eignet sich aber nicht zur Herstellung von Mustern im Mikro- oder Nanobereich. Herkömmliche Ätzmasken für kohlenstoffhaltige Materialien (z. B. Diamant) benötigen aufgrund des schlechten Ätzselektivitätsverhältnisses zwischen dem kohlenstoffhaltigen Substrat und den Ätzmasken (in der Regel weniger als 1:20) eine beträchtliche physische Dicke. Daher muss die Dicke einer Ätzmaske wesentlich dicker sein, wenn ein tiefes Ätzen des kohlenstoffhaltigen Materials erforderlich ist. Eine hochverträgliche und dauerhafte Metallätzmaske, die ein sehr hohes Ätzselektivitätsverhältnis von mehr als 1:100 aufweist, ist erwünscht, um eine stabile tiefe Diamantätzung von mehr als einigen zehn Mikrometern zu erreichen.
Außerdem weisen kohlenstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise Diamant, eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Herkömmliche Ätzmasken weisen im Allgemeinen eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als Diamant. Das Tiefätzen solcher kohlenstoffhaltigen Materialien wird im Allgemeinen mit einem trockenen Ätzprozess ausgeführt, zum Beispiel mit einem Plasmaätzprozess. Das Substrat wird im Allgemeinen während des Plasmaätzprozesses auf eine hohe Temperatur erhitzt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der kohlenstoffhaltigen Substrate im Vergleich zu herkömmlichen Ätzmasken führt zu einer ungleichen thermischen Erweiterung des Substrats im Vergleich zur Ätzmaske. In solchen Fällen kann die Ätzmaske reißen und versagen.
Im Gegensatz dazu beziehen sich die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf eine zweischichtige Ätzmaske zum Tiefätzen von kohlenstoffhaltigen Substraten, zum Beispiel Diamantsubstraten. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweischichtige Ätzmaske eine erste Maskierungsschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit, deren Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit des kohlenstoffhaltigen Substrats weniger als oder gleich 1:30 ist. Die zweischichtige Maske kann ferner eine zweite Maskierungsschicht umfassen, die eine ätzresistente Schicht ist und ein hohes Ätzselektivitätsverhältnis zum kohlenstoffhaltigen Substrat aufweist.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen der zweischichtigen Ätzmasken können mehrere Vorteile einschließen, zum Beispiel: (1) Erreichen einer stabilen, tiefen Diamantätzung von mehr als einigen hundert Mikrometern; (2) Aufweisen eines Ätzselektivitätsverhältnisses von mehr als 1:100, bezogen auf das kohlenstoffhaltige Material; (3) Ermöglichen des Ätzens von mikro- und nanoskaligen Mustern mit hohem Aspektverhältnis auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat; und (4) Aufweisen einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die es der Ätzmaske ermöglicht, Wärme an das Substrat abzugeben, ohne dass ein mechanisches Versagen aufgrund einer thermischen Fehlpaarung während des Ätzprozesses auftritt.
Vor der Betrachtung der Figuren, die bestimmte beispielhafte Ausführungsformen detailliert veranschaulichen, ist es zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die in der Beschreibung dargelegten oder in den Figuren illustrierten Details oder Methoden beschränkt ist. Es sollte auch verstanden werden, dass die hierin verwendete Terminologie nur der Beschreibung dient und nicht als einschränkend angesehen werden sollte.
1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Ätzen eines kohlenstoffhaltigen Substrats unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske, nach einigen Ausführungsformen. Das Verfahren 100 schließt das Bereitstellen eines Substrats ein, bei 102. Das Substrat schließt ein kohlenstoffhaltiges Material ein, das eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist, bei 102. In einigen Ausführungsformen liegt die erste Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 1800 und etwa 2300 Watt/(Meter Kelvin), einschließlich (z. B. 1800, 1900, 2000, 2100, 2200 und 2300 Watt/(Meter Kelvin)). In einigen Ausführungsformen kann das kohlenstoffhaltige Material ein sp-3-haltiges kohlenstoffhaltiges Material einschließen, wie zum Beispiel monokristallinen Diamanten, zufällig orientierten Diamanten (wie zum Beispiel polykristallinen Diamanten, mikrokristallinen Diamanten, nanokristallinen Diamanten und ultrananokristallinen Diamanten), Diamant-Epilayer/Film auf einem heteroepitaktischen Substrat oder ein sp-2-haltiges kohlenstoffhaltiges Material, zum Beispiel Graphen oder Graphit, jedes andere geeignete Substrat oder eine Kombination davon. Das Substrat kann zum Beispiel die Form eines Wafers haben, der einen Durchmesser von 3 Zoll, 4 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll oder 12 Zoll aufweist, oder jede andere Form oder Größe haben.
Eine erste Maskierungsschicht wird auf mindestens einem Abschnitt des Substrats abgelagert, bei 104. Die erste Maskierungsschicht weist eine zweite Wärmeleitfähigkeit auf, wobei das Verhältnis der zweiten Wärmeleitfähigkeit zur ersten Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich etwa 1:30 ist (z. B. 1:0,01, 1:1, 1:10, 1:20, 1:25 oder 1:30, einschließlich). In einigen Ausführungsformen weist die erste Maskierungsschicht einen thermischen Erweiterungskoeffizienten von weniger als etwa 10 Mikrometer/(Meter Kelvin) bei 25 Grad Celsius auf. In einigen Ausführungsformen weist das erste Material eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 90 W/(Meter Kelvin) bis etwa 110 W/(Meter Kelvin) auf. Ein niedriger thermischer Erweiterungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit der ersten Maskierungsschicht ermöglichen es, dass die Wärme an das Substrat abgeleitet wird, ohne dass es zu einem mechanischen Versagen aufgrund einer thermischen Fehlpaarung während des Ätzprozesses kommt. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Maskierungsschicht Chrom. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Maskierungsschicht Aluminium, Siliziumoxid, Al₂O₃, Si, SiN, Au, Ti, Si₃N₄, Ni, eine Ni-Ti-Legierung, W, Ag, Cu, Fe, Cr, Co, Ga, Ge, In, Mo, NiFe, NiCr, Nb, Pd, Pt, Si, Sn, Ta, Y, MgO, ITO (Indium-Zinn-Oxid, In₂O₃-SnO₂), Titanoxide (TiOS₂, Ti₂O₃, Ti₃O₄), ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, SiC oder jedes andere geeignete Material. In besonderen Ausführungsformen schließt die erste Maskierungsschicht Cr ein.
Die erste Maskierungsschicht kann mit jedem geeigneten Verfahren auf dem Substrat abgelagert werden, wie beispielsweise der Atomlagenabscheidung (ALD), Zerstäubungsverfahren, Aufdampfverfahren (z. B. thermische Verdampfung oder E-Beam-Verdampfung), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder jedem anderen geeigneten Verfahren. In einigen Ausführungsformen weist die erste Maskierungsschicht eine erste Dicke von weniger als 20 Nanometern auf. In einigen Ausführungsformen trägt die erste Maskierungsschicht mit einer ersten Dicke von weniger als 20 Nanometern dazu bei, die Veränderung der Dehnung während des Ätzprozesses zu minimieren. In einigen Ausführungsformen weist die erste Maskierungsschicht eine erste Dicke von weniger als etwa 10 Nanometern auf. In einigen Ausführungsformen führt die erste Maskierungsschicht mit einer ersten Dicke von mehr als etwa 20 Nanometern zu einem mechanischen Versagen während des Ätzprozesses. In einigen Ausführungsformen weist die erste Maskierungsschicht eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm auf (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Nanometer).
Eine zweite Maskierungsschicht wird auf der ersten Maskierungsschicht abgelagert, bei 106. In einigen Ausführungsformen weist die zweite Maskierungsschicht ein Verhältnis der Ätzselektivität des Substrats zur zweiten Maskierungsschicht von mehr als etwa 1:100 auf. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Maskierungsschicht ein Material mit einer Dichte gleich oder höher als etwa 8,0 Gramm/Kubikzentimeter und einer dritten Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 90 W/(Meter Kelvin) bis etwa 110 W/(Meter Kelvin). In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis zwischen der dritten Wärmeleitfähigkeit und der ersten Wärmeleitfähigkeit des Substrats weniger als oder gleich 1:30 betragen (z.B. 1:0,01, 1:1, 1:10, 1:20, 1:25 oder 1:30). In einigen Ausführungsformen schließt die zweite Maskierungsschicht Aluminium, Siliziumoxid, Al₂O₃, Si, SiN, Au, Ti, Si₃N₄, Ni, eine Ni-Ti-Legierung, W, Ag, Cu, Fe, Cr, Co, Ga, Ge, In, Mo, NiFe, NiCr, Nb, Pd, Pt, Si, Sn, Ta, Y, MgO, ITO (Indium-Zinn-Oxid, In₂O₃-SnO₂), Titanoxide (TiOS₂, Ti₂O₃, Ti₃O₄), ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, SiC oder jedes andere geeignete Material ein. In besonderen Ausführungsformen schließt die zweite Maskierungsschicht Ni ein.
Die zweite Maskierungsschicht kann mit jedem geeigneten Verfahren auf dem Substrat abgelagert werden, wie beispielsweise der Atomlagenabscheidung (ALD), Zerstäubungsverfahren, Aufdampfverfahren (z. B. thermische Verdampfung oder E-Beam-Verdampfung) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder jedem anderen geeigneten Verfahren. In einigen Ausführungsformen weist die zweite Maskierungsschicht eine zweite Dicke auf, die größer ist als die erste Dicke der ersten Maskierungsschicht. In einigen Ausführungsformen beträgt die zweite Dicke weniger als oder gleich 5 Mikrometer (z.B. 1 Nanometer, 10 Nanometer, 50 Nanometer, 100 Nanometer, 250 Nanometer, 500 Nanometer, 750 Nanometer, 1 Mikrometer, 3 Mikrometer, 4 Mikrometer und 5 Mikrometer, einschließlich). In einigen Ausführungsformen ist die zweite Dicke direkt proportional zu einer gewünschten Zielätzungstiefe. Zum Beispiel nimmt die zweite Dicke mit zunehmender Zielätzungstiefe des kohlenstoffhaltigen Substrats zu. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Dicke der ersten Maskierungsschicht zur zweiten Maskierungsschicht in einem Bereich von 1:10 bis 1:30 liegen.
Die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht sind gemustert, um eine Ätzmaske zu definieren, bei 108. Die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht können unter Verwendung von Standardlithographietechniken strukturiert werden, zum Beispiel durch Photolithographie, chemisches Ätzen usw. In einigen Ausführungsformen können die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie (EBL) strukturiert und anschließend in einem geeigneten Entwickler, zum Beispiel einem Entwickler auf Basis von Tetramethylammoniumhydroxid (z. B. MF® CD-26), entwickelt werden. In einigen Ausführungsformen können die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht durch Laserätzung oder Laserlithographie strukturiert werden. Die Strukturierung der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht definiert ein Muster oder eine Vorlage zum Ätzen des Substrats. In anderen Ausführungsformen kann zunächst ein Fotolack (z. B. ein Positiv- oder Negativ-Fotolack) auf dem Substrat abgelagert und mit Hilfe von Lithographie (z. B. Photolithographie, E-Beam-Lithographie usw.), Nanoimprint-Lithographie oder einer anderen geeigneten Technik strukturiert werden. Die erste und die zweite Maskenschicht können dann auf das Photoresistmaterial und die freiliegenden Abschnitte des Substrats aufgebracht werden. Das Fotolackmaterial wird dann entfernt, um die Ätzmaske auf dem Substrat durch Abheben des Fotolacks zu bilden.
Freigelegte Abschnitte des Substrats werden mit der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht, die zusammen als Ätzmaske dienen, bei 110 geätzt. Das Substrat kann mit jedem geeigneten Verfahren geätzt werden, wie zum Beispiel Sauerstoffplasmaätzen, reaktivem lonenätzen (RIE), reaktivem lonenätzen in der Tiefe (DRIE), reaktivem lonenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-RIE), Fluoridgasätzen, jedem plasmabasierten Ätzverfahren oder jedem anderen geeigneten Ätzverfahren. In einigen Ausführungsformen kann die Plasmaätzung ausschließlich Sauerstoff umfassen oder Mischgase wie O₂ und Ar und SF₆; O₂ und SF₆; O₂ und CHF₃; O₂ und H₂; oder Ar und Cl₂. In einigen Ausführungsformen wird das Substrat unter Verwendung von RIE oder DRIE in einem Zeitraum von etwa 1 bis einschließlich 300 Minuten geätzt (z. B. 1, 10, 50, 100, 150, 200, 250 und 300 Minuten). In einigen Ausführungsformen kann der Plasmaätzprozess Gasquellen wie Cl₂, HBr, CF₄, CHF₃, CH₂F₂, CH₃F, C₄F₆, BCl₃, SF₆, H₂, NF₃ verwenden, und andere geeignete Ätzgasquellen und Kombinationen davon können mit Passivierungsgasen wie N₂, O₂, CO₂, SO₂, CO, CH₄, SiCl₄ und anderen geeigneten Passivierungsgasen und Kombinationen davon verwendet werden. Darüber hinaus können für den Prozess des Plasmaätzens die Gasquellen und/oder die Passivierungsgase mit Gasen wie Ar, He, Ne und anderen geeigneten Verdünnungsgasen und Kombinationen davon verdünnt werden, um das Substrat zu ätzen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine Quellenenergie von 1 Watt bis 3.000 Watt, eine Vorspannungsenergie von 1 Volt bis 1.500 Volt, ein Druck von 0,1 Millitorr bis 200 Torr und ein Gasfluss von 1 sccm bis 300 sccm für den Ätzprozess verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Quellenenergien, Vorspannungsenergien, Drücke und Flussraten außerhalb dieser Bereiche ebenfalls in Betracht gezogen werden.
So kann das Verfahren 100 eine zweischichtige Ätzmaske bereitstellen, bei der die untere erste Maskierungsschicht eine geringe thermische Erweiterung und eine hohe thermische Leitfähigkeit und die obere zweite Maskierungsschicht eine hohe Ätzbeständigkeit aufweist, wodurch die thermische und/oder plasmatische Beschädigung der zweischichtigen Ätzmaske minimiert wird, während die erste Maskierungsschicht eine effiziente Wärmeableitung während des Ätzprozesses aufweist. In einigen Ausführungsformen kann die Ätzmaske nach dem Ätzen des Substrats auf dem Substrat belassen werden. In anderen Ausführungsformen werden die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht entfernt, bei 112. In einigen Ausführungsformen können die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht über dem Substrat entfernt werden, zum Beispiel unter Verwendung von Ätzmitteln (z. B. Perchlorsäure, Zersäure, Salzsäure usw.) oder anderen chemischen Entfernungsmitteln. In einigen Ausführungsformen kann das Diamantsubstrat anschließend mit einem beliebigen Standardverfahren gereinigt werden, wie beispielsweise mit Methanol, Aceton, Ethanol, Ultraschall, Polieren oder einer beliebigen Kombination davon.
2 zeigt schematische Veranschaulichungen verschiedener Schritte eines Verfahrens 200 zum Ätzen eines kohlenstoffhaltigen Substrats unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske nach einer Ausführungsform. Das Verfahren 200 schließt das Bereitstellen eines Substrats 202, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, in Schritt 1 ein. Außerdem wird in Schritt 1 die erste Maskierungsschicht 204 auf dem Substrat abgelagert, und die zweite Maskierungsschicht 206 wird auf der ersten Maskierungsschicht 204 abgebildet. Das kohlenstoffhaltige Substrat 202 kann ein sp-3-haltiges kohlenstoffhaltiges Material einschließen, zum Beispiel monokristallinen Diamant, zufällig orientierten Diamant (wie, aber nicht beschränkt auf, polykristallinen Diamant, mikrokristallinen Diamant, nanokristallinen Diamant und ultrananokristallinen Diamant), Diamant-Epilayer/Film auf einem heteroepitaktischen Substrat, oder ein sp-2-haltiges kohlenstoffhaltiges Material, zum Beispiel Graphen oder Graphit, jedes andere geeignete Substrat oder eine Kombination davon.
Die erste Maskierungsschicht 204 und die zweite Maskierungsschicht 206 werden in Schritt 2 strukturiert, um eine zweischichtige Ätzmaske zu bilden. Die erste Maskierungsschicht 204 und die zweite Maskierungsschicht 206 können jedes geeignete Material einschließen und können durch jedes geeignete Verfahren, wie in Bezug auf das Verfahren 100 beschrieben, abgelagert werden. In Schritt 3 werden unter Verwendung der zweischichtigen Ätzmaske die freiliegenden Abschnitte des Substrats 206, die nicht von der Ätzmaske abgedeckt sind, geätzt, zum Beispiel mit einem Trockenätzverfahren (z. B. einem Plasmaätzverfahren), wie es in Bezug auf das Verfahren 100 beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen werden die erste Maskierungsschicht 204 und die zweite Maskierungsschicht 206 dann in Schritt 4 entfernt, zum Beispiel unter Verwendung eines geeigneten Nassätzmittels.
Der folgende Abschnitt beschreibt Beispiele für das Ätzen eines kohlenstoffhaltigen Substrats unter Verwendung einer zweischichtigen Ätzmaske. Diese Beispiele dienen nur der veranschaulichenden Darstellung und sollen den Umfang der hierin beschriebenen Konzepte nicht einschränken.
Experimentelle Beispiele
Wie in 3 gezeigt, sind die Platten A-C mikroskopische Bilder einer 1 Mikrometer dicken Aluminiumätzmaske, einer 300 Nanometer dicken Titanätzmaske und einer zweischichtigen Ätzmaske, die eine 5 nm dicke untere Cr-Maskierungsschicht bzw. eine 150 nm dicke obere Ni-Maskierungsschicht einschließt, nach 70 Minuten RIE-Tiefenätzung. Während bei der Aluminium- und Titanmaske Oberflächenbeschädigungen zu beobachten sind, gibt es bei der viel dünneren zweischichtigen Cr/Ni-Maske keine sichtbaren Schäden, wie in Platte C zu sehen ist. Platte D ist eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines Diamantsubstrats, nachdem es unter Verwendung der zweischichtigen Maske von Platte C selektiv mittels DRIE geätzt wurde. Platte E und F sind energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) des Diamantsubstrats mit der zweischichtigen Cr/Ni-Ätzmaske bzw. ohne die Ätzmaske. Die Platten E und F zeigen, dass zwischen den beiden Proben kein nennenswerter Unterschied in der Zusammensetzung zu beobachten ist, mit Ausnahme eines schwachen Sauerstoffpeaks aus dem maskierten Bereich, der auf die ursprüngliche, durch einen Reinigungsprozess mit Sauerstoff terminierte Diamantoberfläche hinweist.
Wie in 4 gezeigt, ist Platte A ein schematisches Diagramm einer zweischichtigen Cr/Ni Ätzmaske, die auf einem Diamantsubstrat mit einer Chromschichtdicke von 5 nm und einer Nickelschichtdicke von 150 nm angeordnet ist. Die Platten B und C sind mikroskopische Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 70 Minuten bzw. 160 Minuten Ätzzeit. Die Platten D und E sind REM-Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 160 Minuten Ätzzeit. Die Platten B, C, D und E veranschaulichen, dass die Ätzmaske die Diamantoberfläche schützt, ohne sie merklich zu beschädigen, was auf die Wirksamkeit der zweischichtigen Ätzung beim Ätzen von kohlenstoffhaltigen Substraten, insbesondere von Diamant, mit hohem Aspektverhältnis hinweist.
Wie in 5 gezeigt, ist die Platte A ein schematisches Diagramm einer zweischichtigen Ätzmaske, die Chrom und Nickel umfasst, auf einem diamantenen Substrat mit einer Chromschichtdicke von 50 nm und einer Nickelschichtdicke von 150 nm. Die Platten B und C sind mikroskopische Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 70 Minuten bzw. 160 Minuten Ätzzeit. Die Platten D und E sind REM-Aufnahmen der zweischichtigen Ätzmaske nach 160 Minuten Ätzzeit. Die Platten B, C, D und E veranschaulichen, dass die Ätzmaske die Diamantoberfläche nicht schützt. Daher ist es wünschenswert, die Dicke der unteren Chrom-Maskierungsschicht zu kontrollieren, da eine zu dicke untere Maskierungsschicht zu einer zweischichtigen Ätzmaske mit geringerer Zuverlässigkeit führen kann, die anfälliger für Beschädigungen ist. In einigen Ausführungsformen hat die untere Maskierungsschicht (z. B. die Chrom-Maskierungsschicht) eine Dicke von weniger als 20 nm. In einigen Ausführungsformen weist die erste untere Maskierungsschicht eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm auf (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Nanometer).
6 ist eine Ausgabe einer Finite-Elemente-Simulationssoftware einer beispielhaften Dehnungsverteilung einer zweischichtigen Chrom/Nickel-Ätzmaske auf einem Diamantsubstrat unter verschiedenen thermisch induzierten Dehnungszuständen während eines Plasmaätzprozesses. Punkt 1 befindet sich an der Oberseite des Diamantsubstrats unterhalb der Chromschicht. Punkt 2 ist definiert als die Oberseite der Chromschicht unterhalb der Nickelschicht. Punkt 3 ist definiert als die Oberseite der Nickelschicht.
Wie in 7 gezeigt, sind die Platten A und B Finite-Elemente-Simulationen der beispielhaften Dehnungsverteilung von 6 zwischen Punkt 1 und 3 bzw. zwischen Punkt 2 und 3 in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur. Platte A veranschaulicht, dass sich die Dehnung nur bei unterschiedlichen Temperaturen ändert, unabhängig von der Dicke der Chromschicht. Platte B veranschaulicht, dass zwischen den Punkten 1 und 2 in Abhängigkeit von der Dicke der Chromschicht ein viel höherer Grad an Dehnungsänderung auftritt, der aufgrund einer thermisch induzierten Dehnung eine Delamination der Ätzmaske verursachen kann.
Wie in 8 gezeigt, sind die Platten A und B Finite-Elemente-Simulationen der beispielhaften Dehnungsverteilung von 6 an Punkt 1 bzw. an Punkt 2 in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur. Die Platten A und B veranschaulichen, dass eine dünnere Chromschicht die Fluktuation der Dehnung während des Ätzens erheblich reduziert. Daher ist das mechanische Versagen mit einer dickeren Chromschicht, das zuvor in 5-6 gesehen wurde, erklärt.
Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „eine“, „ein“ und „der“, „die“, „das“ den Plural ein, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. So bezeichnet der Begriff „ein Element“ zum Beispiel ein einzelnes Element oder eine Kombination von Elementen, „ein Material“ ein oder mehrere Materialien oder eine Kombination davon.
Wie hierin verwendet, bedeuten die Begriffe „etwa“ und „ungefähr“ im Allgemeinen plus oder minus 10 % des angegebenen Wertes. Zum Beispiel würde etwa 0,5 0,45 und 0,55 einschließen, etwa 10 würde 9 bis 11 einschließen, etwa 1000 würde 900 bis 1100 einschließen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der hierin zur Beschreibung verschiedener Ausführungsformen verwendete Begriff „beispielhaft“ darauf hinweisen soll, dass es sich bei diesen Ausführungsformen um mögliche Beispiele, Darstellungen und/oder Illustrationen möglicher Ausführungsformen handelt (und dieser Begriff soll nicht bedeuten, dass es sich bei diesen Ausführungsformen notwendigerweise um außergewöhnliche oder überragende Beispiele handelt).
Die hierin verwendeten Begriffe „gekoppelt“, „verbunden“ und dergleichen bedeuten die Verbindung zweier Elemente direkt oder indirekt miteinander. Solche Verbindungen können stationär (z. B. dauerhaft) oder beweglich (z. B. abnehmbar oder lösbar) sein. Eine solche Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und etwaige zusätzliche Zwischenelemente integral als ein einziger einheitlicher Körper miteinander ausgebildet sind oder dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und etwaige zusätzliche Zwischenelemente aneinander angebracht sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Konstruktion und Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen nur veranschaulichend sind. Obwohl in dieser Offenbarung nur einige wenige Ausführungsformen detailliert beschrieben wurden, wird der Fachmann, der diese Offenbarung liest, leicht erkennen, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen von Größen, Abmessungen, Strukturen, Formen und Anteilen der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montageformen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne dass dies wesentlich von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abweicht. Andere Substitutionen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls im Design, im Betriebszustand und in der Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Diese Spezifikation enthält zwar viele spezifische Details zur Implementierung, diese sollten jedoch nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindungen oder der beanspruchten Leistungen verstanden werden, sondern vielmehr als Beschreibung von Merkmalen, die für bestimmte Implementierungen bestimmter Erfindungen spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Spezifikation im Rahmen von separaten Implementierungen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Implementierung implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Implementierung beschrieben wurden, auch in mehreren Implementierungen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar anfänglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Auch wenn die Operationen in den Zeichnungen und Tabellen in einer bestimmten Reihenfolge veranschaulicht werden, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Operationen in der dargestellten Reihenfolge oder in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen, oder dass alle veranschaulichten Operationen ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Es wurden also besondere Implementierungen der Erfindung beschrieben. Andere Implementierungen fallen in den Umfang der folgenden Ansprüche. In manchen Fällen können die in den Ansprüchen genannten Handlungen in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und dennoch die gewünschten Ergebnisse erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 17357666 [0001]

Claims

Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, wobei das Substrat eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist; Ablagern einer ersten Maskierungsschicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit auf mindestens einem Abschnitt des Substrats, wobei das Verhältnis der zweiten thermischen Leitfähigkeit zur ersten thermischen Leitfähigkeit kleiner als oder gleich 1:30 ist; Ablagern einer zweiten Maskierungsschicht auf der ersten Maskierungsschicht; und Ätzen des Substrats basierend auf einer Ätzmaske, die von der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht nach dem Ablagern auf dem Substrat strukturiert werden, um die Ätzmaske zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem sp-3-haltigen kohlenstoffhaltigen Material, wobei das sp-3-haltige kohlenstoffhaltige Material mindestens einen monokristallinen Diamanten, einen zufällig orientierten Diamanten, einen polykristallinen Diamanten, einen mikrokristallinen Diamanten, einen nanokristallinen Diamanten, einen ultrananokristallinen Diamanten, eine Diamantepillarschicht/-film auf einem heteroepitaktischen Substrat und eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Maskierungsschicht einen thermischen Erweiterungskoeffizienten von weniger als 10 Mikrometern/(Meter Kelvin) bei 25 Grad Celsius aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Maskierungsschicht Chrom umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Ätzselektivität des Substrats zur zweiten Maskierungsschicht größer als 1:100 ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Maskierungsschicht Nickel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Maskierungsschicht eine erste Dicke von weniger als 20 Nanometern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite Maskierungsschicht eine zweite Dicke aufweist, die größer als die erste Dicke ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Dicke weniger als 10 Nanometer beträgt.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das eine erste Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 1800 Watt/(Meter Kelvin) bis etwa 2300 Watt/(Meter Kelvin) aufweist; Bilden einer zweischichtigen Ätzmaske über dem Substrat, wobei die zweischichtige Ätzmaske eine erste Schicht mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit und eine zweite Schicht mit einer dritten Wärmeleitfähigkeit aufweist und wobei mindestens eine der zweiten Wärmeleitfähigkeit oder der dritten Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 90 Watt/(Meter Kelvin) bis etwa 110 Watt/(Meter Kelvin) liegt; und Ätzen, basierend auf der zweischichtigen Ätzmaske, des Substrats bei erhöhter Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat ein kohlenstoffhaltiges Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem sp-3-haltigen kohlenstoffhaltigen Material, wobei das sp-3-haltige kohlenstoffhaltige Material mindestens einen monokristallinen Diamanten, einen zufällig orientierten Diamanten, einen polykristallinen Diamanten, einen mikrokristallinen Diamanten, einen nanokristallinen Diamanten, einen ultrananokristallinen Diamanten, eine Diamantepilayer/-film auf einem heteroepitaktischen Substrat und eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Schicht Chrom umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite Schicht Nickel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Schicht eine erste Dicke von weniger als etwa 20 Nanometern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die zweite Schicht eine zweite Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke größer ist als die erste Dicke.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Dicke weniger als etwa 10 Nanometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens die erste Schicht, die mit dem Substrat in Kontakt steht, so konfiguriert ist, dass sie bei der erhöhten Temperatur Wärme an das Substrat abgibt.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das ein kohlenstoffhaltiges Material einschließt, wobei das Substrat eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist; Bilden einer zweischichtigen Ätzmaske über dem Substrat, wobei die zweischichtige Ätzmaske eine erste Schicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und eine zweite Schicht mit einer dritten thermischen Leitfähigkeit aufweist und wobei ein Verhältnis von mindestens einer der zweiten thermischen Leitfähigkeit oder der dritten thermischen Leitfähigkeit zu der ersten thermischen Leitfähigkeit kleiner als oder gleich 1:30 ist; und Ätzen, basierend auf der zweischichtigen Ätzmaske, des Substrats bei erhöhter Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das kohlenstoffhaltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem sp-3-haltigen kohlenstoffhaltigen Material, wobei das sp-3-haltige kohlenstoffhaltige Material mindestens einen monokristallinen Diamanten, einen zufällig orientierten Diamanten, einen polykristallinen Diamanten, einen mikrokristallinen Diamanten, einen nanokristallinen Diamanten, einen ultrananokristallinen Diamanten, eine Diamantepillarschicht/-film auf einem heteroepitaktischen Substrat und eine Kombination davon umfasst.