DE19504433A1

DE19504433A1 - Verfahren zur Herstellung oder Verbesserung berandeter Fotolackschichten

Info

Publication number: DE19504433A1
Application number: DE1995104433
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Gerhard; Charlotte Hoyler; Dagmar Sacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1996-08-14

Description

Zur Strukturdefinition von Halbleiterbauelementen jeglicher Art wird Fotolack verwendet. Bei Belichtung durch geeignete Masken erfolgt die Übertragung der durch diese Masken gegebe nen Struktur in den Fotolack. Nach der Strukturierung des Fo tolackes werden geeignete Ätzverfahren angewendet, um die Struktur dieser berandeten Fotolackschicht in darunter be findliches Material zu übertragen. Eine wesentliche Schwie rigkeit ist dabei, diese berandete Fotolackschicht mit mög lichst glatten Kanten, d. h. den an den Rändern abfallenden Flanken, herzustellen. Das ist insbesondere in der Optoelek tronik wichtig, da jegliche Abweichung von der idealen Struk tur zu Streuverlusten der z. B. in Wellenleitern geführten oder an Spiegeln bzw. an Gittern reflektierten Lichtwelle führt. Quantitativ bedeutet das, daß die Lange der Periode einer Unebenheit dieser Fotolackflanken und deren Tiefe etwa 1/10 der Wellenlänge der in dem mit dem Fotolack strukturier ten Halbleiter geführten Welle nicht überschreiten dürfen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung berandeter Fotolackschichten, insbesondere von Fo tolackmasken, mit extrem glatten Flanken (seitlichen Rändern) anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 2 gelöst. Weitere Ausge staltungen ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, an den Flanken einer berandeten Fotolackschicht, z. B. einer Fotolackmaske, auftretende Rauhigkeiten oder Riffe lungen zu beseitigen, auch wenn diese berandete Fotolack schicht wie üblich mittels strukturierender Belichtung einer Fotolackschicht und anschließendem Behandeln mit Entwickler und Lösungsmittel hergestellt wird. Das geschieht durch Glät tung der Fotolackflanken mittels gemäßigtem, isotropem Ätzan griff in einem Plasma, das z. B. mit Mikrowellen oder Radio wellen erzeugt wird. Es ist insbesondere ein Sauerstoffplasma für dieses Verfahren geeignet. Bei Verwendung dieses Verfah rens werden die senkrechten oder schräg abfallenden Flanken einer berandeten Fotolackschicht (z. B. einer Mesa) extrem glatt, d. h. auch bei einer Vergrößerung von 35.000 ist keine Riffelung in den Flanken erkennbar, mögliche Unebenheiten sind also kleiner als 20 nm.

Zur Strukturierung des Fotolackes können bei diesem Verfahren die üblichen Masken z. B. aus Chrom verwendet werden. Falls die Berandungen der in den Fotolack zu übertragenden Struktu ren rund sind, empfiehlt sich zum Herstellen dieser Masken Schreiben mit einem Elektronenstrahl; für gerade berandete Strukturen sind dagegen z. B. mit dem "Pattern Generator" ge schriebene Chrom-Masken vorzuziehen. Jedoch ist die Verwen dung der für die jeweils gewünschte Struktur besser geeigne ten Maske nur eine zusätzliche Verbesserung des eigentlichen erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Erläuterung dienen die Fig. 1 und 2, die ein Bauele ment mit den für das Verfahren aufgebrachten Schichten im Querschnitt zeigen.

Nachdem die Fotolackschicht 1 (s. Fig. 1) aufgebracht worden ist, wird sie unter Verwendung einer Maske 2 entsprechend der vorgesehenen Strukturierung wie üblich belichtet, wobei die von der Maske 2 bedeckten Anteile der Fotolackschicht 1 unbe lichtet bleiben. Danach wird die Maske 2 entfernt und die Fo tolackschicht 1 strukturiert. Je nach Art des verwendeten Fo tolackes (positiv oder negativ) sind es die belichteten oder die unbelichteten Anteile der Fotolackschicht 1, die nach dem Entwickeln mit Lösungsmittel entfernt werden. Damit das erfindungsgemäß vorgesehene Plasmaätzverfahren angewendet werden kann, muß sichergestellt sein, daß kein Lösungsmittel in dem Fotolack verbleibt. Das Lösungsmittel könnte sonst bei der schlagartigen Temperaturerhöhung beim Zünden des verwendeten Plasmas zu einer explosionsartigen Aufblähung des Fotolacks führen. Der Fotolack wird daher bei einer höheren Temperatur als sonst üblich (sogenanntes "post-bake") ausgeheizt. Diese Temperatur liegt in der Regel deutlich über derjenigen Temperatur, bei der der Fotolack aufgrund von Effekten, die durch die Oberflächenspannung hervorgerufen werden, verrundet. Z. B. liegt bei dem Lack AZ 1450 J diese sogenannte Schmelztemperatur bei 118°C, während "post-baking" bei etwa 150°C stattfindet.

Damit ist die in Fig. 2 dargestellte Struktur erreicht, bei der die berandete Fotolackschicht als Beispiel durch eine Me sa 3 mit senkrechten Flanken 4 gegeben ist. Um diese Flanken zu glätten, d. h. darin vorhandene Riffelungen und Unebenhei ten zu beseitigen, wird die Fotolackschicht Entladungen im Plasma (Plasmaätzen) ausgesetzt. Besonders vorteilhaft sind Entladungen von Sauerstoff (Sauerstoff-Plasma). Dafür können die üblicherweise für Plasmaätzverfahren verwendeten Appara turen eingesetzt werden. Die Betriebsweise unterscheidet sich allerdings grundlegend von den üblicherweise vorgesehenen Be triebsbedingungen.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Fotolackschicht einem Mikrowellenplasma (ohne Unterstützung durch ein Magnet feld, z. B. in einer Anlage zum Entfernen von Fotolackmasken nach den damit durchgeführten Verfahrensschritten, sog. "Veraschen") ausgesetzt, wobei eine Frequenz von z. B. 2,45 GHz (typischer Wert, der aber nicht festgelegt ist) ver wendet wird. Die typischen Prozeßbedingungen sind dabei ein Druck von 500 mTorr bis 1000 mTorr, eine auf das Volumen be zogene Leistungsdichte der eingekoppelten Mikrowellen von 0,35 W/cm³ bis 1 W/cm³ (die man z. B. bei einer üblichen Ap paratur durch Einstellen der Leistung der eingekoppelten Mi krowellen zwischen 100 W und 300 W erhält) und eine maximale Reaktionszeit (d. h. Prozeßdauer) von etwa 10 Minuten. Dabei wird ein Faraday-Käfig verwendet, der die geladenen Teilchen des Plasmas abschirmt, so daß das Ätzen isotrop erfolgt und die Ätzrate niedrig ist. Das Ätzen erfolgt vorwiegend durch chemischen Angriff durch in dem Plasma angeregte und daher reaktionsfähigere Neutralteilchen. Läßt man den Faraday-Käfig weg, muß die Leistung auf Werte nicht höher als etwa 50 W (entspricht einer Leistungsdichte von etwa 0,17 W/cm³) redu ziert werden; dann ist jedoch bereits die Grenze der möglichen Einstellung erreicht, wenn ein Abtrag des Fotolackes in reproduzierbarer Stärke gewünscht wird. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel wurde mit dem Plasma-System E-100 der Firma Technics Plasma, Kirchheim bei München, erprobt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel werden ebenfalls Mikro wellenplasmen verwendet, wobei die Frequenz dieser Mikrowel len nicht festgelegt ist und z. B. ebenfalls bei typisch 2,45 GHz liegt. Die Energie wird durch ein statisches Magnet feld in ein Elektronengas bei dessen Resonanzfrequenz einge koppelt (ECR-Entladung, electron cyclotron resonance). Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt dabei primär in einer Ebene. Eine Divergenz des Magnetfeldes bewirkt eine Beschleu nigung der Elektronen senkrecht zu dieser Ebene, so daß ein Plasmastrom in dieser Richtung hervorgerufen wird. Die typi schen Prozeßbedingungen sind hier ein Druck von maximal 1 mTorr (bei Drücken bis etwa 1 mTorr ergibt sich eine deut lich ausgeprägte Resonanz), eine auf das Volumen bezogene Leistungsdichte der eingekoppelten Mikrowellen von 0,01 W/cm³ bis 0,03 W/cm³ (die man z. B. bei einer üblichen Apparatur durch Einstellen der Leistung der eingekoppelten Mikrowellen zwischen 50 W und 150 w erhält) und eine maximale Re aktionszeit von 5 Minuten. Unter diesen Bedingungen wird üblicherweise eher eine Abscheidung als eine Ätzung erwartet. Im Bereich von Radiofrequenzen wird keine Leistung eingekop pelt. Sollte das dennoch erwünscht sein, z. B. zur Unterstüt zung der Plasmaerzeugung, muß der Druck höher eingestellt werden, damit mehr Zusammenstöße mit Neutralteilchen erfolgen und daher die isotrope Ätzkomponente größer wird. Andernfalls ist der anisotrope physikalische Abtrag (Sputtern) der Foto lackschicht wegen des Aufbaus einer zusätzlichen Beschleuni gungsgleichspannung (DC-Bias) zu stark. Dieses Ausführungs beispiel wurde mit dem RIE-System PlasmaLab 90 der Firma Ox ford, Yatton bei Bristol, mit dem ASTEX-ECR-System erprobt.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel werden Radiowellenplas men (RF-Entladungen) in einem Parallel-Platten-Reaktor mit der von der Federal Communications Cornmission zugelassenen Frequenz von 13,56 MHz verwendet, was üblicherweise als Plasmaätzen (Probe [target] liegt auf der geerdeten, "kalten" Elektrode) oder als Ionenätzen (Probe [target] liegt auf der nicht geerdeten, "heißen" Elektrode) bezeichnet wird. Die Frequenz der eingekoppelten Radiowellen ist aber auch hier prinzipiell nicht festgelegt. RF-Plasmen liefern eine hohe DC-Bias (Gleichspannung auf den zur Einkopplung der Radiowel len vorgesehenen Elektrodenplatten) und sind daher vorteil haft für eine Beschleunigung von Ionen, die eine auf der Probe (target) vorhandene (z. B. Oxid-)Deckschicht physika lisch abtragen und chemische Reaktionen mit den auf diese Weise freigelegten Halbleitermaterialien ermöglichen. Dabei ergeben sich Stöße mit Neutralteilchen, wodurch diese ioni siert oder zumindest angeregt werden, so daß auch die neu tralen Atome zum (chemischen) Abtragen der Halbleiterober fläche befähigt werden. Die anisotrope Ätzkomponente (Sputterwirkung) darf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zu groß sein, da mittels eines seitlichen (also isotro pen) und relativ schwachen Ätzangriffs an die Flanken der Fotolackschicht das Glätten bewirkt wird. Typische Prozeßbe dingungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind ein Druck von 100 mTorr bis 500 mTorr, eine auf die Fläche bezogene Leistungsdichte der eingekoppelten Radiowellen von 0,1 W/cm² bis 0,3 W/cm² (die man z. B. bei einer üblichen Apparatur mit Elektrodenplatten einer Größe von 700 cm² durch Einstellen der Leistung der eingekoppelten Radiowellen zwischen 75 W und 200 W erhält) und eine Reaktionszeit von 5 Minuten bis 10 Minuten. Unter diesen Bedingungen, insbesondere in diesem Druckbereich, wäre eher eine plasmaunterstützte Abscheidung zu erwarten gewesen (sog. Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD).

Derartige Reaktoren sind eigentlich für anisotropes Ätzen konzipiert. Die Bereiche der Arbeitsbedingungen sind dafür typisch: die eingekoppelte Leistung von 180 W bis 300 W (entspricht einer Leistungsdichte von 0,25 W/cm² bis 0,5 W/cm²), der Druck von typisch 5 mTorr bis 50 mTorr (0,67 Pa bis 6,67 Pa), dabei entstehende Substrat-Gleich spannung (DC-Bias) von 250 V bis 500 V.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, daß bei dem synergetischen Prozeß des Plasmaätzens eine physikalische Komponente (Sputtern) und eine chemische Komponente (Ätzen) zusammenwirken und die chemische Komponente einen möglichst großen Anteil hat. Weder reines Sputtern in Argon (insbeson dere bei den niedrigen Drücken, wie sie für das Ionenätzen typisch sind) noch Nachbehandeln des Fotolackes etwa in einem naßchemischen Prozeß ergeben die ideal glatten Flanken der berandeten Fotolackschicht, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar sind. Die Wirkung des Plasmas liegt hierbei vorwiegend in der Erzeugung angeregter und daher chemisch reaktionsfähigerer Atome oder Moleküle, die die Fotolackschicht in erster Linie chemisch abtragen. Die beim Plasmaätzen sonst erwünschte Sputterwirkung (physikalisches Abtragen der Oberfläche) erfolgt anisotrop und wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur in stark abgeschwächter Weise eingesetzt.

Die Tiefe der Rauhigkeit und die Periode der Riffelungen be trugen bei der Erprobung dieses Verfahrens höchstens 12 nm. Unter Verwendung einer nach diesem Verfahren hergestellten Fotolackmaske konnte eine Struktur in eine mit RIE herge stellte Säule aus GaAs/AlAs übertragen werden, wobei auch hier die Rauhigkeit und die Periode der Riffelung höchstens 12 nm betrugen. Bei einer Vakuumwellenlänge von 980 um, d. h. in GaAs von 305 um, sind das nur etwa 4%.

Da es sich bei diesem Verfahren um die Strukturierung einer isolierenden Schicht handelt, ist zur Konstruktion eines dafür geeigneten Apparates zunächst erforderlich, daß die An regung des Plasmas bei Frequenzen, ω_err, erfolgt, bei denen sich die Probe, das Substrat, nicht elektrostatisch aufladen kann. Dies ist erst bei Frequenzen, die oberhalb der sog. "Plasmafrequenz" der Ionen, ω_p,I, liegen, der Fall. Je dichter ω_err bei ω_p,I liegt, umso niedriger muß der Totaldruck sein. Hier gilt das Druckintervall 100 mTorr bis 1000 mTorr (13,3 Pa bis 133 Pa). Wird dagegen ein resonantes Verfahren, wie etwa das der Elektronen-Cyclotron-Resonanz, ECR, zur Plasmaanregung verwendet, sollte die Dämpfung durch Stöße angeregter Spezies mit Neutralteilchen möglichst gering sein. Dann werden Drücke von unter 1 mTorr (0,13 Pa) empfohlen, obwohl auch bei höheren Drücken gute Ergebnisse, nur mit deutlich niedrigeren Ätzraten, möglich sind.

Eine Apparatur, mit der derartig glatte Flanken in Masken aus Fotolack nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, muß außerdem so beschaffen sein, daß sich die Wirkung des Plasmas so regulieren läßt, daß der chemische Anteil der Ätzung dominiert. Das bedeutet, daß die Betriebs bedingungen, insbesondere der Druck, die an den zur Erzeugung des Plasmas vorhandenen Elektroden anliegende Spannung oder die durch die für eine ECR-Entladung vorgesehenen Spulen fließende Stromstärke, die Leistung der eingekoppelten elektromagnetischen Wellen und die Prozeßdauer, so einge stellt werden können, daß ausreichend chemisch reaktions fähige Teilchen vorhanden sind, aber die Sputterwirkung begrenzt wird. Es ist für eine Begrenzung des physikalischen Abtrages von der Oberfläche des Fotolackes erforderlich, daß Substratspannungen ("DC-Bias", d. h. eine elektrische Span nung zwischen der Probe ("Target") und einer Gegenelektrode), die dem Betrag nach größer sind als 200 V, vermieden werden können.

Geeignet sind daher z. B. Apparate, die auch für konventio nelles Plasmaätzen eingesetzt werden können (z. B. bei ty pisch 13,56 MHz) und bei denen ein Druck eingestellt werden kann, der wesentlich höher ist als der Druck bei dem konven tionellen Ionenätzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liefert in einer solchen Apparatur ein Druck von mehr als 100 mTorr (13,3 Pa) die besten Resultate. Es sind auch Appa rate verwendbar, bei denen das Plasma mit Mikrowellen (z. B. bei typisch 2,45 GHz) erzeugt wird und die entweder mit oder ohne Magnetfeldunterstützung arbeiten.

Um eine möglichst gute Reproduzierbarkeit bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erreichen, ist es vor teilhaft, wenn die verwendete Anlage mit einem auch bei höhe ren Drücken gut arbeitenden sogenannten "Down-Stream-Con troller" ausgerüstet ist. Als "Down-stream" wird der Plasma strom im Bereich der Probe (Target) bezeichnet. Die Verwen dung eines Domes aus Quarz, durch den die Strahlung eingekop pelt wird, ist aus Gründen der Kontaminationsvermeidung vorteilhaft.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von berandeten Fotolackschich ten, bei dem

a) eine Schicht (1) aus Fotolack hergestellt wird,
b) diese Schicht durch eine Maske (2) belichtet wird,
c) der belichtete oder der unbelichtete Anteil dieser Schicht entfernt wird,
d) der verbliebene Anteil dieser Schicht oberhalb der Schmelztemperatur des Fotolackes ausgeheizt wird und
e) seitliche Flanken dieses verbliebenen Anteiles geglättet werden, indem der Fotolack einer Entladung in einem Plasma ausgesetzt wird.

2. Verfahren zur Verbesserung berandeter Fotolackschichten, bei dem

f) bei Vorhandensein von Lösungsmittel in der Fotolackschicht dieses Lösungsmittel durch Ausheizen des Fotolackes oberhalb der Schmelztemperatur des Fotolackes entfernt wird und
e) seitliche Flanken der Fotolackschicht geglättet werden, indem der Fotolack einer Entladung in einem Plasma ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt e ein Sauerstoffplasma verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in Schritt e in dem Plasma ein Druck eingestellt wird, der über dem bei anisotropem Plasmaätzen verwendeten Druck liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in Schritt e ein Mikrowellenplasma verwendet wird, dabei für das Einkoppeln dieser Mikrowellen eine Leistungs dichte zwischen 0,35 W/cm³ und 1 W/cm³ eingestellt wird, dabei der Druck zwischen 500 mTorr und 1000 mTorr eingestellt wird,
dabei eine Reaktionszeit von maximal 10 min eingehalten wird und
dabei geladene Teilchen des Plasmas durch einen Faraday-Käfig von der Schicht aus Fotolack weitgehend abgeschirmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Leistungsdichte durch Einstellen einer Leistung zwischen 100 W und 300 W er zeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in Schritt e ein Mikrowellenplasma verwendet wird, dabei für das Einkoppeln dieser Mikrowellen eine Leistungs dichte zwischen 0,01 W/cm³ und 0,03 W/cm³ eingestellt wird, dabei der Druck bis maximal 1 mTorr eingestellt wird, dabei eine Reaktionszeit von maximal 5 min eingehalten wird und
dieser Verfahrensschritt in einem Magnetfeld vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Leistungsdichte durch Einstellen einer Leistung zwischen 50 W und 150 W er zeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in Schritt e ein Radiofrequenzplasma verwendet wird, dabei für das Einkoppeln dieser Radiowellen eine auf die Flä che bezogene Leistungsdichte zwischen 0,1 W/cm² und 0,3 W/cm² eingestellt wird, dabei der Druck zwischen 100 mTorr und 500 mTorr eingestellt wird und dabei eine Reaktionszeit zwischen 5 min und 10 min eingehal ten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Leistungsdichte durch Einstellen einer Leistung zwischen 75 W und 200 W er zeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine auftre tende Gleichspannung (DC-Bias) zwischen der Schicht aus Foto lack und einer für die Erzeugung des Plasmas vorgesehenen Elektrode auf einen Betrag von weniger als 200 V eingestellt wird.