DE1244262B - Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungen in Duennfilmtechnik - Google Patents

Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungen in Duennfilmtechnik

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DE1244262B
DE1244262B DEJ24889A DEJ0024889A DE1244262B DE 1244262 B DE1244262 B DE 1244262B DE J24889 A DEJ24889 A DE J24889A DE J0024889 A DEJ0024889 A DE J0024889A DE 1244262 B DE1244262 B DE 1244262B
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gas
thin
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Lawrence Vincent Gregor
Peter White
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Description

DEUTSCHES PATENTAMT
"^||W DeutscheKl.: 21c-2/34
AUSLEGESCHRIFT Nummer: J244262
Aktenzeichen: J 24889 VIII d/21 c
1 244 262 Anmeldetag: 10.Dezember 1963
Auslegetag: 13. Juli 1967
Zur Verringerung des Energie- und Raumbedarfes komplexer elektronischer Datenverarbeitungsanlagen ist man dazu übergegangen, die Bauelemente als dünne metallische, halb- oder supraleitende Filme auszubilden. Hierbei werden im allgemeinen die dünnen Filme durch Aufdampfen ausgewählter Materialien auf eine in einer Vakuumkammer befindliche Unterlage erzeugt, wobei bestimmte Masken verwendet werden, um das Aufdampfen der dünnen Filme in gewünschten Mustern zu gewährleisten. Sollen jedoch die elektrischen Bauelemente so weit verringert werden, daß ihre Abmessungen gleich oder kleiner als 25 μ werden, wie das bei weiterer Verringerung des Raum und Energiebedarfs von Anlagen der Fall ist, die in der sogenannten Mikrominiaturtechnik erstellt werden, so ergeben sich verschiedene Probleme für das Aufdampfen der dünnen Filme. Da dann beispielsweise Teile einer Schaltung Abmessungen von einigen μ aufweisen, wird es schwierig, die benötigten Masken und ihre Öffnungen mit der erforderlichen Genauigkeit und Steifigkeit herzustellen. Selbst wenn das gelingt, resultiert ein weiteres Problem daraus, daß ein Teil des verdampften Materials sich auf der Maske niederschlägt und die Abmessungen der Maskenöffnungen verändert und sogar zum Verschließen einiger oder aller Öffnungen der Maske führt. Schließlich wirkt sich auch ein sogenannter Abschattungseffekt für die Herstellung von Dünnfilmschaltungen nachteilig aus, der eine ungleichmäßige Dicke des auf eine größere Fläche aufgedampften Materials zu Folge hat.
Wegen der genannten Nachteile war es bisher nicht möglich, Bauelemente von Dünnfilmschaltungen mit kleineren Abmessungen als in der Größenordnung von 25 μ zu erzeugen. Diese Beschränkung wird bei einem Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungen in Dünnfilmtechnik gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß ein auf einer Unterlage aufgebrachter dünner metallischer, halb- oder supraleitfähiger Film in Gegenwart eines photolysierbaren Gases mit Licht bestimmter Wellenlänge in vorbestimmten Flächenbereichen zur Erzeugung eines positiven, latenten Bildes bestrahlt wird, das anschließend durch Entfernen der nichtbestrahlten Flächenbereiche des dünnen Filmes entwickelt wird.
An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vakuumkammer geeignete Anordnung,
F i g. 2A die verschiedenen Schichten, die auf einer Verfahren zur Herstellung elektrischer
Schaltungen in Dünnfilmtechnik
Anmelder:
International Business Machines Corporation,
Armonk,N.Y. (V.StA.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. Η. Ε. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
Lawrence Vincent Gregor, Chappaqua, Ν. Y.
1S (V.StA.);
Peter White, Essex (Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Dezember 1962
(243 468)
a5 Unterlage während der Herstellung eines supraleitfähigen Bauelements gebildet werden,
F i g. 2 B die verschiedenen Schichten, die auf einer Unterlage während der Herstellung von Halbleiterbauelementen gebildet werden.
In F i g. 1 ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung gezeigt. Die gezeigte VakuumkammerlO besteht aus einem zylindrischen Glas- oder Metallgehäuse 12, an dem eine obere und eine untere Grundplatte 13 bzw. 14 befestigt ist. In der unteren Grundplatte 14 ist eine Öffnung 16 vorgesehen, an die eine herkömmliche Vakuumpumpe IS angeschlossen ist, die sowohl zum Evakuieren der Kammer 10 als auch zum Aufrechterhalten eines bestimmten Druckes in ihr dient.
Bei der Pumpe 18 kann es sich um eine der verschiedenen von Pumpenkombinationen handeln, die gegenwärtig in der Vakuumtechnik verv/endet werden, z. B. um die Kombination einer mechanischen Drehpumpe mit einer Hochvakuum-Öldiffusionspumpe.
In der Kammer 10 befinden sich außerdem auf der unteren Grundplatte 14 mehrere becherförmige Verdampfungsquellen, von denen zwei, 24 und 26, dargestellt sind. Jede von ihnen ist an der Grundplatte 14 durch ein Stangenpaar 28 und 30 bzw. 32 und 34 befestigt.
Da den becherförmigen Verdampfungsquellen 24 und 26 Wärmeenergie zugeführt werden muß, um
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das darin enthaltene Material zu verdampfen, bestehen die Stangen 28 bis 34 vorzugsweise aus Kupfer und sind mittels üblicher Vakuumdichtungen durch die Platte 14 hindurchgeführt. Durch Anschließen einer elektrischen Energiequelle mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke wahlweise an jedes Stangenpaar wird den Quellen 24 und 26 als Ergebnis des sie durchfließenden Stroms Wärmeenergie zugeführt. Aus diesem Grunde bestehen die Quellen 24 und 26 vorzugsweise aus Graphit, aber es können auch andere Materialien sowie andere Verfahren zur Erhitzung dieser Quellen, z. B. induktive Erhitzung, benutzt werden. Eine größere Anzahl von Quellen kann, wenn es erforderlich ist, verwendet werden. Oberhalb der Verdampfungsquellen ist ein mit einem Scharnier versehener Unterlagenhalter 40 angebracht, an dem durch herkömmliche Mittel zwei Unterlagen 42 und 44 befestigt sind. Je nach Bedarf werden auch mehr oder weniger Unterlagen daran angebracht. Zwischen dem Halter 40 und den Verdampfungsquellen befindet sich ein MaskenhaIter 48, in den einzelne Masken eingesetzt werden, die bestimmte geometrische Muster auf den Unterlagen 42 und 44 abgrenzen. In F i g. 1 sind nur drei Masken 50, 52 und 54 dargestellt, aber es können auch mehr oder weniger Masken benutzt werden. Um die Masken zwischen den einzelnen Unterlagen und den Verdampfungsquellen richtig anordnen zu können, kann der Maskenhalter 48 in Längsrichtung durch eine aus einem Ritzel und einer Zahnstange bestehende Anordnung 56 bewegt werden, welche außerhalb der Kammer 10 über eine mit dem Knopf 60 gekoppelte Welle 58 angetrieben wird.
Die oben beschriebenen Teile des Systems sind normalerweise in einem Vakuumaufdampfungsgerät enthalten, wie es für die Bildung von aus mehreren dünnen Schichten bestehenden Schaltungen benutzt wird. Eine typische Folge von Arbeitsgängen für das beschriebene Gerät sieht so aus: Einbringen eines zu verdampfenden Materials in eine oder mehrere der Quellen, wie es für das Material 62 in der Quelle 24 gezeigt ist, Anordnen der gewünschten Maske vor der Unterlage 42 auf der die Materialschicht 62 zu bilden ist, und nach dem Evakuieren der Kammer 10 auf einen bestimmten Verdampfungsdruck ausreichende Zufuhr von Wärmeenergie zu der Quelle 24, um den Dampfdruck des Materials 62 über den vorherbestimmten Verdampfungsdruck anzuheben. Auf diese Weise werden Dämpfe der Materialien von der Quelle 24 aus nach oben durch die Maske hindurchgerichtet, die das Muster des auf die Unterlage 42 aufzubringenden dünnen Films abgrenzt, und schließlich wird das Material in dem vorgegebenen geometrischen Muster auf die Unterlage aufgebracht. Wenn eine ausreichend starke Schicht erreicht ist, wird die Energiezufuhr beendet, und außerdem kann eine nicht dargestellte bewegliche Abschirmvorrichtung zwischen die Quelle und die Unterlage gebracht werden, die verhindert, daß weitere Dampfteilchen die Unterlage erreichen. Falls eine zweite Schicht auf der Unterlage erforderlich ist, wird der Maskenhalter 48 so bewegt, daß er eine andere Maske zwischen die Quelle 26 und die Unterlage einfügt. Sobald der Quelle 26 Wärmeenergie zugeführt wird, erfolgt ein erneuter Aufdampfungsvorgang.
Wie F i g. 1 weiter zeigt, sind zusätzliche Einrichtungen in die Anordnung eingebaut, die für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens be-
sonders nützlich sind. Der Unterlagenhalter 40, der von einer Stange 64 gehalten wird, ist am anderen Ende mit einem Scharnier 66 verbunden und ist über ein Schneckengetriebe 65, das mit der Welle 68 und dem Knopf 70 gekoppelt ist, um 180° in die in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete Lage schwenkbar. Dort wird der Halter 40 von einer zweiten Stange 68 getragen. In dieser Lage befinden sich nun die Oberflächen der Unterlagen unter einem Quarzlichtrohr
ίο 72, das durch die obere Grundplatte 13 hindurchgeht. Außerdem befindet sich oberhalb dieses Lichtrohrs und außerhalb der Kammer ein Lichtmaskenhalter 74. Schließlich ist eine Lichtquelle 76 einschließlich bestimmter optischer Filter über der Maske 74 angeordnet, von der aus Licht durch ein Linsensystem 78 auf die Maske gerichtet wird. Auf diese Weise wird Licht einer vorherbestimmten und ausgewählten Wellenlänge gebündelt und durch eine oder mehrere Masken im Halter 74 geleitet und da-
zo nach mittels des Quarzrohres 72 durch die obere Grundplatte 13 hindurch auf die Oberfläche der Unterlagen 42 und 44 gerichtet. Die Lichtquelle 76 erzeugt Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 2000 bis 3000 Angströmeinheiten, aber es können auch andere Wellenlängen verwendet werden, um die Bindungen der ausgewählten Materialien zu lösen. Um das außerhalb der Kammer 10 erzeugte Licht durch die Kammerwände hindurch auf die Unterlage zu lenken, besteht das Lichtrohr 72 aus Quarz, da dieses Material für Licht der obenerwähnten Wellenlängen durchlässig ist, während das bei Glas od. dgl. nicht der Fall ist. Das untere Ende des Rohres 72 ist von einer Heizdrahtspule 80 umgeben, die an zwei durch die Platte 13 hindurchgehende Klemmen 82 und 84 angeschlossen ist. Während bestimmter Photolysevorgänge verhindert die Spule 80 das Haften von Material an der Oberfläche des Rohres 72, wodurch ein Teil des zur Unterlage gerichteten Lichtes abgefangen würde. In ähnlicher Weise ist das untere Ende des Rohres 72 von einer Kühlspule 85 umgeben. Durch eine Einlaßöffnung 87 und eine Auslaßöffnung 88 wird Wasser oder eine ähnliche Flüssigkeit durch die Spule 85 geschickt und hält während bestimmter Photolysevorgänge das Rohr 72 etwa auf Zimmertemperatur, wodurch ebenfalls das Haften von Material an dessen Oberflächen verhindert wird. Weiterhin befindet sich ein Temperaturregler 89 neben dem Halter 40 in der in F i g. 1 gestrichelt gezeichneten Lage und kann wahlweise betätigt werden, um die Temperatur der Unterlagen 42 und 44 zu regeln. Durch die Seitenwand des Gehäuses 12 führt eine Einlaßröhre 86, die wahlweise mit einer oder mehrerer nicht gezeigter Quellen für bestimmte organische Dämpfe und ätzende Dämpfe verbunden wird, die in den Photolysereaktionen verwendet werden. Mit der dargestellten Anordnung werden durch Aufdampfen dünne Schichten auf einer Unterlage hergestellt und nachfolgend durch Photo-Iyse hierauf ein laitentes, gegen einen Ätzvorgang widerstandsfähiges Muster hergestellt.
In dem folgenden werden verschiedene Arten von Festkörperschaltungen kurz erläutert. Supraleiterschaltungen können vorteilhaft in großen elektrischen Datenverarbeitungssystemen verwendet werden. Der Grundbaustein von Supraleiterschaltungen, das Kryotron, besteht im wesentlichen aus einem sogenannten Torleiter, um den ein sogenannter Steuerleiter herumgewickelt ist. Jeder dieser Leiter besteht aus einem
supraleitfähigen Material, d. h. einem Material, das unterhalb bestimmter Temperaturen supraleitend ist. Die Supraleitfähigkeit ist gekennzeichnet durch das praktisch widerstandslose Fließen eines elektrischen Stromes. Bei der Supraleiterbetriebstemperatur wird durch den den Steuerleiter durchfließenden Strom ein magnetisches Feld erzeugt, das stark genug ist, um den Torleiter normalleitend zu machen. Außerdem besteht im allgemeinen der Steuerleiter aus einem anderen Material als der Torleiter, so daß der Steuerleiter bei allen Werten der im Kryotron erzeugten magnetischen Felder supraleitend ist. Durch die Verbindung verschiedener Tor- und Steuerleiter mehrerer Kryotrons sind verschiedene logische Schaltungen aufgebaut worden.
Das beschriebene aus Draht gewickelte Kryotron arbeitet relativ langsam. Das ist bedingt durch den geringen Widerstand, den der Torleiter aufweist, wenn er normalleitend ist, in Verbindung mit der hohen Induktivität der Steuerleiterwicklung. Aus diesem Grunde und aus Gründen der Mikrominiaturisierung elektrischer Schaltungen sind verbesserte Kryotronvorrichtungen entwickelt worden. Diese verbesserten Kryotronvorrichtungen bestehen aus einer ersten dünnen Schicht, die als Torleiter arbeitet und der eine zweite, gegenüber der ersten isolierte dünne Schicht zugeordnet ist, die als Steuerleiter dient. Außerdem wird eine Abschirmung verwendet, die die Induktivität des Steuerleiters verringert, und gleichzeitig ist der Widerstand des Torleiters durch die Verwendung der dünnen Schicht vergrößert worden, wodurch eine höhere Schaltgeschwindigkeit erreicht wird. Solche verbesserten Vorrichtungen können vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Halbleiter-Schaltungen lassen sich ebenfalls vorteilhaft nach der Erfindung herstellen. Halbleiter können grob als Leiter klassifiziert werden, deren spezifischer Widerstand zwischen dem herkömmlichen Leiter und dem von Isolatoren liegt. Die Halbleiter zeigen zwei Arten von Störstellenleitungen: Halbleiter vom N-Typ enthalten einen Überschuß an Elektronen oder negativen Stromträgern, und Halbleiter vom P-Typ enthalten einen Uberschuß an »Löchern« oder positiven Stromträgern N- und P-Materialien werden bestimmt durch die vorherrschende Zahl von Überschuß-Verunreinigungen im Halbleitermaterial. Es sind zwar viele Arten von Halbleitermaterialien entwickelt worden, aber die meisten Halbleiter-Bauelemente bestehen aus Germanium oder Silizium, denen Elemente der GruppeIII des Periodischen Systems zugesetzt wurden, um den P-Leitfähigkeitstyp zu erzeugen oder denen Elemente der GruppeV des Periodischen Systems zugefügt wurden, um den N-Leitfähigkeitstyp zu erzeugen.
Bevor nun Beispiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Festkörperschaltungen im einzelnen beschrieben werden, sollen zunächst die theoretischen Grundlagen zusammen mit einigen speziellen Beispielen aufgezeigt werden, um ein Bild von den vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung zu geben. In jedem der nachstehenden Beispiele muß beachtet werden, daß durch richtige Wahl von Temperatur und Druck die erforderliche Reaktion erreicht werden kann. Es ist bekannt, daß viele organische Moleküle durch die Absorption von Strahlung einer bestimmten Wellenlänge auf angeregte Zustände gebracht wer-
den können. In diesen angeregten Zuständen können die Moleküle dann mit nicht angeregten Molekülen reagieren oder sich zu stabilen oder nichtstabilen Produkten zersetzen. Wenn die Produkte nichtstabil sind, kann eine weitere Reaktion mit nichtangeregten Molekülen eintreten und weitere Produkte ergeben, und häufig kann eine komplexe Kettenreaktion eintreten, bevor die endgültigen stabilen Produkte gebildet werden. Viele gewöhnliche Dämpfe haben Absorptionsbanden im ultravioletten Wellenlängenbereich.
Für die Zwecke der Erfindung sollten die durch Photolyse zu zersetzenden Gase die folgenden Eigenschaften besitzen:
1. Starke Absorption von Licht in dem Wellenlängenbereich zwischen 2000 und 3000 Angströmeinheiten, die zur Photolyse und der Bildung von angeregten Molekülen, Atomen oder freien Radikalen führt, die zur Reaktion mit der Oberfläche des dünnen Filmes fähig sind;
2. die chemischen Eigenschaften der zurückbleibenden Photolyse-Produkte sollten für die elektronischen Eigenschaften des betrachteten Films nicht schädlich sein;
3. der Dampfdruck sollte merklich sein, d. h., er sollte zumindest OjImmHg betragen.
Diese Eigenschaften besitzen gewisse anorganische Gase als auch bestimmte organische Dämpfe. Beispiele für die anorganischen Gase sind Stickstoffdioxyd (Distickstofftetroxyd), Chlordioxyd und eine Mischung von Distickstoffoxyd und Sauerstoff. Einige Beispiele für die organischen Dämpfe, welche die oben angegebenen Forderungen erfüllen, sind die niedrigmolekularen Nitro-Alkane (z. B. R-NO2, worin R ein Radikal der aus Methyl, Äthyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tertiärem und sekundärem Butyl bestehende Gruppe ist). Andere Beispiele sind die Halogen-Alkane (z. B. Methylenchlorid) und Nitroaryl (z. B. Nitro-Benzol), Nitroalkylaryl (z. B. Nitrotoluol) und aromatische Halogen-Verbindungen (z. B. Phenylchlorid).
Der Vorgang der Photolyse wird an einem der Nitro-Alkane, nämlich an Nitromethan erläutert. Durch die Photolyse wird unter anderen Produkten das Radikal NO2 erzeugt, das in der Lage ist, mit einer großen Vielfalt dünner Filme zu reagieren und stabile Oberflächenverbindungen einzugehen. Wenn ultraviolette Strahlung geeigneter Wellenlänge auf das gasförmige Nitrometan fällt, wird es photolytisch zersetzt. Der geeignete Wellenlängenbereich erstreckt sich zwischen 2000 und 3000 Angström. Die Zersetzungsprodukte rekombinieren entweder oder reagieren mit der Oberfläche des dünnen Filmes oder mit anderen Zersetzungsprodukten. Bei bestimmten Klassen dünner Filme reagiert das durch die Photodissoziation erzeugte Radikal NO2 mit der Filmoberfläche. Das Radikal CH3 reagiert mit einem anderen Radikal CH3 und bildet das flüchtige Gas Äthan. Daher erhält man einen Oberflächenfilm, der aus einer NO2-Verbindung und dem Filmmaterial zusammengesetzt ist und keine Rückstände aufweist.
Es gibt 3 Klassen von Materialien, die als dünne Filme niedergeschlagen werden können und diese Art der Oberflächenreaktion zeigen: 1. Aufgedampfte metallische Filme der GruppeIV und der Übergangsmetalle der Tafel des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Sn, Ge, Si, Fe, Pb usw.
2. Aufgedampfte oder chemisch niedergeschlagene Filme binärer Legierungen von Elementen der GruppeIV des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Sn-Ge3 Pb-Sn, Ge-Si, Pb-Ge usw., Filme binärer Legierungen der Übergangsmetalle des Periodischen Systems der Elemente,
z. B. Ne-Fe, Ti-Fe usw.
3. Aufgedampfte oder chemisch niedergeschlagene Filme in der metallischen Verbindung der Elemente der Gruppen II bis V, III bis V, II bis VI und III bis VI des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Ga As, Cd S, Cd Se, Zn P, InTe, GaP, Ga Sb, InSe1 InAs usw.
Insbesondere kann ein dünner Film aus Zinn in Anwesenheit von Nitrometan mit einem Partialdruck von 5 mm Hg während 10 Minuten mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Das geometrische Muster der auffallenden ultravioletten Strahlung ist nicht erkennbar; wird jedoch die den dünnen Film tragende Unterlage mit einem chemischen Ätzmittel, z.B. 4 N Salpetersäure, behandelt, werden diejenigen Teile des Zinnfilms, die nicht dem ultravioletten Licht ausgesetzt waren, in einer Sekunde vollständig aufgelöst, während die Teile, die dem ultravioletten Licht ausgesetzt waren, nicht angegriffen werden.
So ist das latente Bild entwickelt worden als ein dem Lichtmuster entsprechendes geometrisches Muster. Ein alkalisches Ätzmittel, wie z. B. NaOH oder KOH, ist ebenfalls wirksam. Ein zweites Beispiel ist Germanium, mit dem die gleichen Ergebnisse erhalten werden, wenn Königswasser als Ätzmittel verwendet wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, gasförmiges Wasserstoff-Fluorid als Ätzmittel für Siliziumfilme zu verwenden. Ein anderes Beispiel stellt ein aufgedampfter Film aus Gallium-Arsenid dar, bei dem das latente Bild durch Sprühätzen mit Salpetersäure entwickelt wird. Die theoretische Erklärung für dieses Ergebnis besteht darin, daß die Verbindung, die sich aus dem Radikal NO2 und dem dünnen Film bildet, den Film schützt und ihn unempfindlich für den chemischen Angriff von Reagenzien macht, durch die die nichtbelichteten Bereiche des Filmes leicht aufgelöst werden, d. h., das latente Bild wird durch das Produkt der Oberflächenreaktion beschützt und kann daher nachfolgend entwickelt werden. Das Produkt der Oberflächenreaktion ist äußerst dünn und daher wird die erreichbare Auflösung effektiv nur durch die optische Auflösung des Bildmusters und die spezifische Natur des Ätzmittels gefähr 5000 Angströmeinheiten dick ist und der die
Das Produkt der Oberflächenreaktion, das auf der entwickelten Oberfläche des latenten Bildes vorhanden ist, hindert nicht, das nachfolgende Herstellen elektrischer Kontakte mit dem geometrischen Muster oder der Stromkreisanordnung mittels nachfolgenden Aufdampfens oder anderer Arten des Abscheidens von Verbindungslinien, anderen Anordnungen usw. Mit anderen Worten, es ist nicht notwendig, die Oberflächenverbindung zu entfernen, um die elektrische Kontaktgabe mit einem nachfolgend aufgebrachten dünnen Film zu erleichtern.
Die Auflösung des nach diesen Verfahren gebildeten geometrischen Musters hängt von zwei Faktoren ab. Der erste ist die Genauigkeit, mit der das Bild auf der Oberfläche abgebildet werden kann. Dieser Faktor wird allein durch das benutzte optische System bestimmt. Der zweite Faktor ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Zersetzungsprodukte, die
von dem Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeit zur Oberflächendiffusion der photolysierten Teilchen abhängt. Da allgemein bei einer Reaktion freier Radikale die Lebensdauer der nichtstabilen Zwischenprodukte auf etwa 1 nsec beschränkt ist, bevor weitere Reaktionen eintreten, wird die vom optischen System ermöglichte Genauigkeit auf der Oberfläche durch die stattfindende Reaktion begrenzt. Im allgemeinen begrenzt das Aufdampfen des Materials durch eine Mustermaske hindurch die Breite der aufgebrachten Muster, ob sie nun aus einem Isoliermaterial oder einem metallischen Material bestehen, auf etwa 0,025 mm. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kann man jedoch Schaltungen herstellen, deren Breite in der Größenordnung von 10 000 Angströmeinheiten liegt.
Jetzt soll die photolytische Reaktion betrachtet werden, durch die ein dünner metallischer oder halbleitender Film geätzt wird, um eine gewünschte Form zu erhalten. Nach Aufbringen einer dünnen metallischen Schicht auf die ganze Oberfläche einer Unterlage in einer evakuierten Kammer, z. B. durch Aufdampfen des metallischen oder halbleitenden Materials auf die Unterlage, wobei die evakuierte Kammer verwendet wird, um sicherzustellen, daß die dünne Schicht relativ frei von einem Oxydüberzug ist, bewirkt dann das Einführen eines organischen Dampfes, der einer photolytischen Reaktion mit Licht einer bestimmten Wellenlänge fähig ist, eine Oberflächenreaktion mit dem metallischen oder halbleitenden dünnen Film.
Die Reaktion findet nur auf den Oberflächenbereichen des metallischen oder halbleitenden Filmes statt, die dem Licht mit bestimmter Wellenlänge ausgesetzt sind. Durch Verwendung einer Lichtmaske oder Schablone, die innerhalb oder außerhalb des Systems so angebracht wird, daß der Lichtstrahl auf sie fällt, wird die Oberfläche des metallischen oder halbleitenden Filmes einem bestimmten Lichtmuster ausgesetzt. Die photolytische Reaktion erzeugt chemische Verbindungen, die mit der Oberflächenschicht des metallischen oder halbleitenden Filmes reagieren, um eine Lage eines Materials zu erzeugen, das widerstandsfähig ist gegenüber chemischen Ätzmitteln, die die nichtbelichteten Teile des Filmes angreifen und entfernen. Ein positives latentes Bild des vorherbestimmten Musters ist gebildet worden, das jedoch nur durch nachfolgendes chemisches Ätzen sichtbar wird. Dieses Bild kann entwickelt werden in dem Sinne, daß das Muster dadurch erzeugt wird, daß der metallische oder halbleitende Film anschließend einer Vielzahl von chemischen Ätzmitteln ausgesetzt wird, die entweder in der Gasoder flüssigen Phase vorliegen.
Dieses Verfahren ist besonders für die Herstellung von mikrominiaturisierten Schaltungen geeignet, da die Größe der Maske, die die Fläche bestimmt, die vorzugsweise dem Licht ausgesetzt wird, jede passende Größe besitzen kann. Das durch die Maske erzeugte Lichtmuster kann durch optische Vorrichtungen so fokussiert werden, daß auf der Oberfläche des Substrats die erforderliche Größe des Musters erzeugt wird. Darüber hinaus kann das Metall zunächst in einem Muster abgeschieden werden, das grob der gewünschten endgültigen Konfiguration entspricht, während die photolytische Reaktion anschließend dazu benutzt wird, um die endgültigen Abmessungen der Schaltung genau festzulegen.
Zur weiteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Methode wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die in den Fig. 2A und 2B verschiedene nach der erfindungsgemäßen Methode hergestellte Mikrominiaturschaltungen zeigen. F i g. 2A zeigt eine besondere Folge von Verfahrensschritten bei der Herstellung eines aus dünnen Schichten bestehenden Supraleiterkryotron. Selbstverständlich können mehrere Kryotrone zusammen mit ihren Verbindungen gleichzeitig hergestellt werden. Bei der als Beispiel gewählten Folge von Verfahrensschritten werden zuerst zwei Schichten in üblicher Aufdampftechnik im Vakuum hergestellt. Wie im Schritt I (Fig. 2A) gezeigt, besteht der erste Schritt der Herstellung des aus dünnen Schichten bestehenden Kryotrons darin, eine saubere Unterlage aus Glas od. dgl., die einen Träger für das Kryotron bildet, bereitzustellen. Gleichzeitig wird auf F i g. 1 Bezug genommen. Hier ist die Unterlage 42, angebracht auf dem Halter 40, gezeigt, unter dem eine Maske 52 angebracht ist. Während der ersten Schritte zur Herstellung des Kryotrons ist es nicht notwendig, eine musterabgrenzende Maske zu verwenden. Die Maske 52 hat daher eine Öffnung, die beträchtlich breiter als die Unterlage 42 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Quelle 24, die eine Bleibeschickung enthält, auf eine erhöhte Temperatur gebracht, um einen Teil der Beschickung zu verdampfen. Diese Beschickung wird durch die offene Maske 52 auf die Oberfläche der Unterlage 42 gerichtet, um die Unterlage 42, wie bei Schritt II (F i g. 2A) gezeigt, mit einer Bleischicht 90 zu beschichten, die eine Dicke von etwa 1000 Ängströmeinheiten besitzt; diese Bleischicht dient anschließend als Abschirmung der supraleitenden Schaltung. Der nächste Verfahrensschritt besteht darin, die Quelle 26, die eine Siliziummonoxyd-Beschickung enthält, auf eine erhöhte Temperatur zu bringen, um den verdampften Teil dieses Materials durch die Maske 52 auf die Bleischicht 90 auf der Unterlage 42 zu richten. Dieses Material bedeckt wieder die ganze Fläche der Bleischicht 90 auf der Unterlage 42 und liefert so eine isolierende Schicht 92, wie im Schritt III (F i g. 2A) gezeigt ist.
Als nächster Verfahrensschritt wird eine nicht gezeigte Quelle, die der Quelle 24 ähnelt und mit Zinn beschickt ist, auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Ein Teil der Zinnbeschickung verdampft dabei, gelangt durch die Maske 52 und erzeugt auf der Siliziummonoxydschicht 92 einen Zinnfilm 94, der ungefähr 5000 Angströmeinheiten dickt ist, und der die Siliziummonoxydschicht 92 vollständig bedeckt. Der Zinnfilm 94 ist elektrisch durch die Siliziummonoxydschicht 92 von der Bleischicht isoliert.
Als nächstes wird der Halter 40 um 180° um das Scharnier 66 gedreht, um die in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete Lage zu erreichen. Dann wird eine Lichtmaske, die die Geometrie des Torleiters des herzustellenden Kryotrons abgrenzt, in den Halter 74 eingesetzt, und gasförmiges Nitromethan wird durch die Öffnung 86 in die evakuierte Kammer 10 eingelassen. Anschließend wird das Heizelement 89 eingeschaltet, um die Temperatur der Unterlage 42 zu regeln. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt Wasser oder ein anderes Kühlmittel durch die Einlaßöffnung 87 und Auslaßöffnung 88 geschickt, um die Temperatur des Quarzlichtrohres 72 bei etwa Zimmertemperatur zu halten. Anschließend wird die Lichtquelle 76 eingeschaltet, um das vorbestimmte Muster ultraviolet-
ten Lichtes auf die Oberfläche der mit einem Zinnfilm bedeckten Unterlage 42 zu richten.
Der von dem ultravioletten Licht bestrahlte Teil des Zinnfilms 94 wird in ein gegen Ätzmittel widerstandsfähiges Muster 95 umgewandelt. Nach einer Belichtung von wenigen Minuten, z. B. von 1 bis 5 Minuten, ist das Muster fixiert. Das Einlassen von Nitrometandampf durch die Öffnung 86 wird beendet, und die Vakuumpumpe 18 entfernt das in der Kammer 10 befindliche gasförmige Nitrometan. Die Kühlung des Quarzlichtrohres 72 und die Regelung der Temperatur der Unterlage 42 werden eingestellt. Am Ende dieses Schrittes ist das Muster als latentes Bild der gewünschten Konfiguration vorhanden und ist in Schritt IV der F i g. 2A durch strichpunktierte Linien angedeutet. Der nächste Schritt besteht darin, die Unterlage 42 mit ihren verschiedenen Schichten einem chemischen Ätzmittel auszusetzen. Das Ätzmittel kann als gasförmiges Ätzmittel (Wasserstoffchlorid) durch die Öffnung 86 eintreten, oder die Unterlage 42 wird aus der Kammer entfernt und einem flüssigen Ätzmittel (Salpetersäure) ausgesetzt. Beispielsweise kann die Unterlage 42 während einer Sekunde in ein Salpetersäurebad eingetaucht werden, dessen Konzentration 4 N beträgt und das auf einer Temperatur von 25° C gehalten wird. Diese Behandlung genügt, um die nichtbelichteten Teile des Zinnfilms 94 vollständig aufzulösen, und als Ergebnis bleibt das vorbestimmte Muster auf der Silizummonoxydschicht 92 in der gewünschten Konfiguration 96 zurück, die in Schritt V als Hantelmuster dargestellt ist. Wenn die beschichtete Unterlage einem flüssigen Ätzmittel ausgesetzt wurde, wird die beschichtete Unterlage in ihren Halter 40 wieder eingesetzt. Wenn andererseits ein gasförmiges Ätzmittel verwendet wurde, um das Muster in der Kammer selbst zu entwickeln, befindet sich die beschichtete Unterlage bereits an der richtigen Stelle in der Kammer 10. Die beschichtete Unterlage und ihr Halter 40 werden wieder um 180° gedreht, so daß sie sich für den nächsten Schritt in der richtigen Lage befinden. Der Siliziummonoxyd enthaltende Schmelztiegel 26 wird aufgeheizt, um einen Teil seiner Beschickung durch eine geeignete Maske hindurch zu verdampfen, die das in Schritt VI gezeigte Muster 98 bestimmt. Die Dicke dieser Schicht Siliziummonoxyd beträgt ungefähr 5000 Angströmeinheiten. Anschließend wird die Bleibeschickung des Tiegels 24 aufgeheizt, um einen Teil des Bleis durch eine geeignete Maske hindurch zu verdampfen, die das in SchrittVII gezeigte Muster 100 bestimmt. Die Unterlage 42 trägt nun eine supraleitende Kryotronschaltung, die aus der supraleitenden Bleiabschirmung 90, der Isolierschicht 92, dem mikrominiaturisierten, aus Zinn bestehenden Torleiter 96, der Isolationsschicht 98 und dem aus Blei bestehenden Steuerleiter 100 aufgebaut ist. Obgleich der Einfachheit halber nur die Herstellung des Torleiters 96 als Beispiel für die Erfindung diente, kann auch der Steuerleiter 100 durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildet werden, da sich damit Bleischichten in gleicher Weise wie Zinnschichten herstellen lassen.
Zur weiteren Erläuterung der durch die erfindungsgemäße Methode erzielten Vorteile wird in Fig. 2B eine weitere Folge von Verfahrensschritten zur Herstellung einer elementaren Halbleiterschaltung gezeigt. Es wird wieder von einer sauberen Unterlage 42, wie Fig. 2B, Schritt I, zeigt, ausgegangen, die
709 610/373

Claims (12)

I 244 je nach der Verwendung der Schaltung aus Glas, einem metallischen Material oder einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Germanium oder Silizium, bestehen kann. Die Unterlage 42 wird in dem Halter 40 in der in F i g. 1 gestrichelt gezeichneten Lage unmittelbar unter dem Lichtrohr 72 angebracht. Dann wird die Kammer evakuiert, und eine Maske, die durch die Schaltungskonfiguration bestimmt ist, wird in dem Halter 74 angebracht. Anschließend wird Germanium auf der Oberfläche der Unterlage 42 mittels irgendeines geeigneten Verfahrens, z. B. mittels Verdampfen oder Aufdampfen, abgeschieden. Diese Schicht ist mit der Bezugsziffer 106 im SchrittII der in Fig. 2 B gezeigten Verfahrensschritte bezeichnet. Anschließend wird Nitromethan durch die Öffnung 86 zugeführt. Dann wird die Lichtquelle 76 eingeschaltet, um ein Bild des verlangten Musters auf den Germaniumfilm 106 zu projizieren. Nach einer Belichtung von wenigen Minuten, ist das Muster 107 auf der Germaniumoberfläche fixiert, wie das in dem Schritt III der Fig. 2B durch strichpunktierte Linie angedeutet ist. Wieder wird die Lichtquelle 76 abgeschaltet und die Nitromethanzufuhr durch die Öffnung 86 eingestellt, und das restliche Nitromethan durch die Vakuumpumpe 18 entfernt. Das so gebildete latente Bild 107 widersteht dem chemischen Angriff einer Reihe von Ätzmitteln, wie z. B. Königswasser, die die unbelichtete Germaniumoberfläche angreifen und entfernen. Das Ergebnis ist die Herstellung einer Konfiguration von Germanium, die dem im Germanium gebildeten latenten Bild entspricht. Das ist mit den Bezugsziffern 108, 110, 112 und 114 im Schritt IV der Fig. 2B angedeutet. Durch das beschriebene Verfahren werden die Schaltungsabmessungen nicht länger durch die kleinsten herstellbaren Öffnungen in der Maske begrenzt. Darüber hinaus weisen die vorbestimmten Muster der dünnen Filme eine höhere Auflösung auf als sie bisher erreichbar war. Während das für manche Schaltungen (z.B. Halbleiterschaltungen) nicht von so großer Bedeutung ist, da eine Mindestgröße wegen der auftretenden Leistungen nicht unterschritten werden kann, hat das Verfahren für Kryotronschaltungen, in denen sehr geringe Verlustleistungen auftreten, große Bedeutung. Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungen in Dünnfilmtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Unterlage aufgebrachter dünner metallischer, halboder supraleitfähiger Film in Gegenwart eines photolysierbaren Gases mit Licht bestimmter Wellenlänge in vorbestimmten Flächenbereichen
zur Erzeugung eines positiven, latenten Bildes bestrahlt wird, das anschließend durch Entfernen der nichtbestrahlten Flächenbereiche des dünnen Filmes entwickelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Photolyse des Gases eine chemische Verbindung entsteht, die mit der Oberfläche des dünnen Filmes zu einem stabilen Reaktionsprodukt reagiert.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das photolysierbare Gas einen Dampfdruck von mindestens 0,1 mm Hg aufweist und ein starkes Absorptionsvermögen für Licht des Wellenlängenbereichs zwischen 2000 und 3000 Ängströmeinheiten besitzt, das zur Photolyse führt, und daß die Photolyseprodukte keine für die elektrischen Eigenschaften des dünnen Films schädlichen chemischen Eigenschaften besitzen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als photolysierbares Gas eine organische Verbindung verwendet wird, die eine funktionelle NO2-Gruppe enthält.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als photolysierbares Gas eine anorganische, Stickstoff enthaltende Verbindung verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als photolysierbares Gas ein Nitroalkan verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als photolysierbares Gas Nitromethan verwendet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtbestrahlten Flächenbereiche des dünnen Films durch chemisches Ätzen entfernt werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film auf die Unterlage aufgedampft wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch isolierendes Material in einem bestimmten Muster auf dem entwickelten positiven latenten Bild abgeschieden wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch isolierendes Material Siliziummonoxyd aufgedampft wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Bildung mehrere dünne Filme enthaltender elektrischer Schaltungen wiederholt vorgenommen werden.
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