DE19511119A1

DE19511119A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Präparation von Strukturen in dünnen Schichten durch Direktbeleuchtung einer fotoempfindlichen Schicht

Info

Publication number: DE19511119A1
Application number: DE1995111119
Authority: DE
Inventors: H-J Dr Frenck; R Dr Schubert; I Henke
Original assignee: FRENCK H J DR
Current assignee: FRENCK H J DR
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1995-10-05

Description

Aufgabe der Erfindung

Zur Erzeugung von Strukturen in sogenannten Masken sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Zum einen Elektronenstrahl gesteuerte Anlagen, bei denen die Maske mit Hilfe eines Korpuskularstrahles aus Elektronen verändert wird, zum an deren laserstrahlgestützte Verfahren, bei denen eine Platte mit einer photoempfindlichen Schicht belichtet wird. Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die in einem Fotolack zu erzeugende Struktur mittels einer Maskenprojektion erzeugt wird. Demgegenüber soll das vorgeschlagene Verfahren, wie in Zeichnung 2 dargestellt, Arbeitsschritte, die im Zu sammenhang mit der Maskenerstellung stehen, vermeiden. Es läßt sich durch die Ver wendung eines direktschreibenden Belichtungssystems eine größere Flexibilität bei sich rasch ändernden Strukturen und Geometrien erreichen. Zudem erlauben nur sequentiell arbeitende direkt belichtende Verfahren auf einem Substrat mehrere und unterschiedliche Strukturen zu schreiben, und diese von einem Substrat zum anderen zu verändern. Dies ist insbesondere in der Pilot- und Musterproduktion von Interesse, als auch bei der Her stellung kleiner Stückzahlen eines sich rasch ändernden Produktes. Es ist auch möglich, auf einem Substrat nur einen kleinen Teilbereich zu belichten. Auf diesem Teilbereich können dann Teststrukturen für nicht kontaktlos arbeitende Charakterisierungsverfah ren, wie Strom/Spannungsmessungen oder Widerstandsbestimmungen gefertigt werden. Durch Ausnutzen der Randbereiche des belichteten Gegenstandes kann dann gewährlei stet werden, daß trotz der Aufbringung von Teststrukturen, die Gesamtfunktionalität der hergestellten dünnen Schicht nicht beeinflußt wird. Die Probe steht somit weiterer Pro zessierung zur Verfügung. Durch den vereinfachten Aufbau und die reduzierte Anzahl von Prozeßschritten ergibt sich zudem eine Verbreitung dieser Technologie auch in kleinen Laboratorien und Forschungseinrichtungen.

Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, die Zeit, die zum Schreiben einer Struktur in einem Substrat benötigt wird, zu minimieren. Üblicherweise verwenden direktschreibende Vorrichtungen wie in DE 34 27 611 und DE 35 09 747 vorgeschlagen, flächenhafte Belich tungen oder aus einzelnen Linien zusammengesetzte Flächen. Die durch dieses Vorgehen begrenzte Schreibgeschwindigkeit der Vorrichtungen stellt eine prinzipielle Begrenzung dar, die auch nicht durch eine gewisse Parallelbelichtung wie in DE 34 27 611 beschrieben aufgehoben werden kann. Darüberhinaus ist der technische Aufwand für die Paralleli sierung der einzelnen Strahlengänge und die Einrichtung des korrekten Fokus bei dieser Methode erheblich. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die flächenhafte oder aus Linien zusammengesetzte flächenhafte Belichtung durch eine Umfangbelichtung zu erset zen. Hierbei werden Teststrukturen und einfache Geometrien dadurch erzeugt, daß die Ränder der gewünschten Figur belichtet werden. Anschließend kann durch entsprechende Belichtung und Ätzung der dünnen Schicht eine funktionale Trennung der Figur und des übrigen Substrates erfolgen.

Beschreibung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einfacher Struk turen und Geometrien mittels der in Zeichnung 1 dargestellten Einzelkomponenten. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei zugrunde, eine Geometrie durch eine Umfangs belichtung dergestalt zu erzeugen, daß die Konturen der zu beschreibenden Geometrie exakt nachgefahren werden, und durch die Belichtung und Entwicklung des Fotolackes und einen nachfolgenden geeigneten Ätzprozeß kann die zu erzeugende Struktur in ihrer Funktionalität vom Rest der Schicht oder des strukturierten Substrates getrennt werden.

Die in Zeichnung 1 dargestellte Vorrichtung dient zur Erzeugung von Teststrukturen zur Leitfähigkeitsmessung von dünnen Schichten oder Substraten oder anderer einfacher Geometrien zur Funktionalitätsprüfung. Bei der Vorrichtung wird zunächst das von einer Lampe (1) mit einer gewissen spektralen Verteilung ausgesandte Licht dergestalt gefiltert, daß nur noch Licht eines Wellenlängenbereiches durchgelassen wird, in dem der Fotolack belichtet wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich aufgrund der Dispersion in einem optischen System Farbfehler ergeben können. Es gilt für die Veränderung des Fokus eines Systems in Abhängigkeit von der Abbeschen Zahl ν_e:

Die strenge Beseitigung aller Abbildungsfehler in einem optischen System ist nicht möglich, daher sollte weitgehend monochromatisches Licht verwendet werden. Da jedoch alle Licht quellen parasitäre Wellenlängen emittieren, ist in jedem Fall die Notwendigkeit der Filte rung gegeben, da diese aufgrund der Farbfehler optischer Systeme nicht in der Fokusebene liegen. Sollte der Fotolack parasitären Wellenlängen ausgesetzt sein, so muß aufgrund sei ner spektralen Empfindlichkeit damit gerechnet werden, daß die gewünschten Strukturen sich verbreitern. Dies ist von besonderer Bedeutung bei langsamen, direktschreibenden Systemen. Der Effekt ist umso größer, je kleiner die Belichtungsgeschwindigkeit ist, und steigt proportional mit der für die Belichtung benötigten Beleuchtungsstärke. Der somit erhaltene Lichtstrahl wird zur Minimierung von Strahlungsverlusten mittels einer Ein kopplungsoptik (2), im wesentlichen bestehend aus einem Kondensor, in eine Glasfaser (3) eingekoppelt. Der Lichtstrahl verläßt die Glasfaser mit einem Austrittswinkel und wird mittels eines weiteren Kondensors in ein Linsensystem (5) zur Fokussierung des Strahles eingekoppelt. Der Einsatz von Linsensystemen hat den Vorteil, daß im Gegen satz zur Verwendung von Mikroskopoptiken (wie in DE 34 27 611 vorgeschlagen) keine zusätzliche optische Elemente wie Prismen verwendet werden und hier der sich so erge bende Strahlengang tatsächlich in einer Ebene senkrecht zum Strahl fokussiert werden kann. Jede Verwendung von optischen Elementen, die üblicherweise für die Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit des Auges (λ = 550 nm) korrigiert sind, führt zu örtlichen Ablenkungen der für die Belichtung benötigten UV-Strahlung aus der Strahlsenkrechten.

Der Betrag dieser Änderung hängt von der gewählten Vergrößerung des Mikroskopes ab.

Dies hat zur Folge, daß die entwickelte Struktur keine gleichmäßigen senkrechten Wände erhält. Darüberhinaus ist dann auch der tatsächliche Strahldurchmesser in der Ebene des Fotolackes unbekannt, so daß sich bei Flächenbelichtungen möglicherweise zwei Linien nicht überlappen und es somit zu Fehlstellen in der Entwicklung kommt.

Diese optischen Fehler werden durch die Verwendung eines UV-Licht durchlässigen Linsensystemes vermieden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Umfangbelichtung wird zudem erreicht, daß etwaige verbleibende Ungenauigkeiten im Strahldurchmesser keinen Einfluß auf die Funktionalität der belichteten Struktur haben. Es ist lediglich erforderlich, daß sich die Umfanglinien am Start- und Endpunkt der Belichtung treffen. Bei Flächenbelichtungen aus Linien muß die Positioniergenauigkeit so gut sein, daß zum einen die Linien exakt parallel zueinander geschrieben werden, und zum anderen sich die Linien gerade so berühren, daß eine sichere Belichtung des Fotolackes erfolgt.

Die Struktur wird mit einem entsprechenden EDV-Programm graphisch erzeugt und in Fahrbefehle, die an den Mikropositioniertisch (6) ausgesandt werden, umgewandelt. Die auf dem Mikropositioniertisch (6) befindliche, fest arretierte Probe wird nun gemäß der von einer EDV-Anlage (7) an den Tisch übertragenen Befehle dergestalt verfahren, daß im Fotolack eine geometrische Figur entsteht.

Der Fotolack wird mit einem geeigneten Verfahren entwickelt und somit die belichteten Stellen herausgewaschen. Mit einem anschließenden Ätzprozeß wird die zuvor in den Fotolack geschriebene Figur herauspräpariert. Handelt es sich bei der Probe um eine dünne Schicht, so wird diese solange dem Ätzprozeß ausgesetzt, bis an den Stellen der Belichtung das unterliegende Substrat zum Vorschein kommt. Wenn die Struktur in eine kompakte Probe geschrieben wird, wird diese solange dem Ätzprozeß ausgesetzt bis das gesamte Material welches sich an den Stellen der Belichtung des Fotolackes befand aufgelöst ist.

Bestimmung der geometrischen Abmessungen der Figuren mit der Umfangsbelichtung

Zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften (wie spezifischer Widerstand oder kri tische Stromdichte) einer dünnen Schicht, müssen die geometrischen Abmessungen der geschriebenen Teststruktur möglichst genau bekannt sein, da sich jeder Fehler, der bei der Ermittlung der Abmessungen gemacht wird linear fortpflanzt.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren der Umfangsbelichtung bei di rektschreibenden Lithographiesystemen entsteht darüberhinaus ein scharfer Bereich in dem die jeweilige Figur in ihren geometrischen Ausmaßen genau bekannt ist. In jedem Fall kann die Geometrie der Umfangsbelichtung optisch leicht bestimmt werden. Die Fläche läßt sich dann als Summe der einzelnen identifizierten geometrischen Figuren berechnen. Es ist mithin zur Bestimmung der geometrischen Abmessungen auch nicht zwingend er forderlich, daß die Lichtstrahlen, die den Umfang beschreiben, parallele Linien zeichnen. Da es sich bei der Bewegung des Tisches nur um das einfache Nachfahren einer Linie, und nicht um die mehrfache Reproduktion ein und derselben Musters handelt, entspricht die maximale Ungenauigkeit mit der ein Punkt auf dem Umfang der Struktur angefahren wird, der Positioniergenauigkeit des Verfahrtisches. Bei typischen Stegbreiten der Test strukturen von 20 µm beträgt bei einer Positioniergenauigkeit des Verfahrtisches von ± 100 nm der Fehler in der Bestimmung der Abmessungen verfahrensbedingt nicht mehr als 1%.

Bei flächenhaften Belichtungen, bzw. bei aus Linien zusammengesetzten Flächen wird die zu schreibende Figur mehrfach reproduziert. Prinzipbedingt kommt es bei einer solchen Fläche daher aufgrund der Positioniergenauigkeit der verwendeten Verfahren zu Stellen der Über- bzw. der Unterbelichtung. Dies soll an folgendem Rechenexempel illustriert werden: Wenn also, wie in DE 34 27 611 beschrieben, der Fokus des Strahls ca. 125 nm be trägt und die Positioniergenauigkeit des verwendeten Verfahrtisches ca. ± 100 nm ist, und sich eine Fläche von o.g. Ausmaßen, aus 160 einzelnen Linien zusammensetzt, so ist klar daß je nach den experimentellen Bedingungen entweder zwei Strahlen genau aufeinander fallen, oder aber sich nicht berühren. Somit ist die zu strukturierende Geometrie in ihren Ausmessungen beeinträchtigt, da die Stellen, an denen die Belichtung des Fotolackes nicht ausreicht, um ihn zu entwickeln und die Struktur ätzen zu können, nicht einfach optisch vermessen werden können. Der Fehler, der aufgrund dieser Ungenauigkeit gemacht wird, läßt sich nicht genau berechnen.

Funktionalität der Umfangbelichtung

Durch die Verwendung der kontinuierlichen Umfangsbelichtung nach Anspruch 1 wird gewährleistet, daß die gewünschte Figur zusammenhängend vom übrigen Substrat oder der dünnen Schicht funktionell getrennt werden kann. Selbst bei kleinsten Strahldurch messern ist aufgrund der vorne beschriebenen Positioniergenauigkeit des Verfahrtisches und der Art der Belichtung gewährleistet, daß in jedem Fall der Lichtstrahl bei Schließen der geometrischen Figur mit einem Teil der bereits belichteten Fläche überlappt, da in jede der Richtungen x/y maximal eine Bewegung durchgeführt wird, und somit als maxi maler Fehler des Überlapps der belichteten Flächen die Positioniergenauigkeit des Tisches angegeben werden kann. Somit können auch kleinste Flächen präzise geschrieben werden.

Schreibgeschwindigkeit der Umfangbelichtung

Der Umfang einer einfachen Geometrie nimmt linear mit der geometriebestimmenden Variablen zu, während die Fläche quadratisch von derselben abhängt. Der Betrag der geometriebestimmenden Variablen legt fest, welche absolute Weglänge der Lichtstrahl zurücklegen muß, um die gewünschte Figur darzustellen. Bei der Umfangbelichtung ei nes Quaders beispielsweise ist dies die vierfache Kantenlänge. Bei der Flächenbelichtung hängt die zurückzulegende Weglänge vom Verhältnis der Strahlbreite zur Quaderabmes sung ab. Ist die Strahlbreite kleiner als der vierte Teil der Kantenlänge, was die Regel ist, so ist der zurückzulegende Weg bei einer Flächenbelichtung größer als der bei einer Umfangbelichtung. Nicht berücksichtigt in dieser Betrachtung sind die Zeiten, die bei ei ner Flächenbelichtung für eine parallele Positionierung der Schreiblinien erforderlich sind. Diese Zeit entfällt bei einer Umfangbelichtung.

Bei größer werdenden Flächen und gleichbleibender Strahlbreite ergibt sich somit ein Vorteil in der absoluten Länge der zu beschreibenden Bahnen zugunsten der Umfang belichtung, der in seinem Betrag wiederum von der Größe der Fläche abhängt. Größere Flächen können also schneller bezüglich ihrer Funktionalität in dem zu strukturierenden Substrat dargestellt werden. Dies ist insbesondere bei Teststrukturen von Interesse, die zum einen präzise geschrieben werden müssen, was kleine Strahldurchmesser bedingt und andererseits von größeren Ausmaßen sind.

Beschreibung der Merkmale

Durch die Merkmale des Anspruches 1 wird der, die zu strukturierende Fläche bedecken den Fotolack derart belichtet, daß eine geometrische Figur entsteht, die in ihren Umrissen der gewünschten Struktur entspricht, und durch Entwickeln des Fotolackes und einen Ätzprozeß die Struktur herausgeätzt werden kann.

Durch die Merkmale der Ansprüche 2-5 wird erreicht, daß der vereinfachte Aufbau bei Substraten beliebiger Geometrie verwendet werden kann und eine optimale Ausnutzung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes erfolgt.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 wird die Voraussetzung für eine optimale Fokussierung des verwendeten Lichtstrahles bei der Wellenlänge der maximalen Empfind lichkeit des Fotolackes geschaffen. Ferner werden durch die Merkmale des Anspruches 3 parasitäre Wellenlängen, die zu Belichtung des Fotolackes an unerwünschter Stelle führen vermieden.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 wird die Intensität des Lichtes ausgenutzt.

Durch die Merkmale des Anspruches 6 wird die Belichtung unterschiedlich dicker Sub strate unter Beibehaltung der gewünschten Fokussierung ermöglicht. Ferner wird mit dem Merkmal des Anspruches 6 sichergestellt, daß der Fokus des für das menschliche Auge un sichtbaren UV-Lichtes bestehenden Lichtstrahles stets im Fotolack erfolgt.

Durch die Merkmale des Anspruches 7 wird gewährleistet, daß eine Fehlbelichtung des Fotolackes in Bereichen zwischen einzelnen Teststrukturen auf einem Substrat vermieden wird. Außerdem wird durch die Merkmale des Anspruches 7 erreicht, daß an Stellen an de nen zur Beschreibung der Geometrie der Struktur die Verfahrgeschwindigkeit des Tisches verändert werden muß, der Fotolackes korrekt belichtet werden kann.

Durch die Merkmale des Anspruches 8 kann der Aufbau des optischen Weges un abhängig von der nötigen Verschiebung des Substrates gewährleistet werden. Damit kann auch der optische Aufbau zur Erzielung einer hohen Konstanz der Lage der Fokusebene statisch stabilisiert werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 9 wird die notwendige Positioniergenauigkeit des Belichtungsstrahles zur Schließung der Umfanglinien der Struktur erzielt.

Durch die Merkmale des Anspruches 10 werden die gewünschten Strukturen in einem fotolithographischen Prozeß reproduziert.

Durch die Merkmale des Anspruches 11 werden die gewünschten Strukturen direkt auf einem beliebigen Substrat abgebildet.

Durch die Merkmale der Ansprüche 12-14 werden die gewünschten Strukturen in den zu untersuchenden Schichten geschrieben.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zum direkten Belichten einer Fotolackschicht durch Licht geeigneter Wellenlänge mit einem durch eine EDV-Anlage oder einen anderen In formationsspeicher vorgegebenen Muster von Linien zur Erzeugung von Leiterbah nen und Teststrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erzeugende Struk tur in ihren Konturen reproduziert wird und durch die nachfolgende Entwicklung des Fotolackes und einem entsprechenden Ätzprozeß eine funktionale Trennung der gewünschten Struktur und der Umgebung erfolgt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Licht quelle eine UV-Lampe verwendet wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum der Lichtquelle durch geeignete Filterung auf den Bereich der optimalen Empfindlichkeit des Fotolackes beschränkt wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl mittels eines Kondensors in eine Glasfaser eingekoppelt wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Glasfaser austretende Lichtstrahl durch ein räumlich feststehendes Linsen system auf eine Ebene senkrecht zum Lichtstrahl fokussiert werden kann.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokusebene durch eine Mikrometermeßuhr bestimmt wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl mittels einer Verschlußeinrichtung dergestalt ausblenden kann, daß al leinstehende Strukturen erzeugt werden können, ohne daß durch eine Belichtung der Zwischenräume eine funktionale Verbindung besteht.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß alle lichtoptischen Elemente der Vorrichtung schwingungsisoliert feststehend sind.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu strukturierende Substrat auf einem Mikropositioniertisch rechnergesteuert so ver schoben wird, daß die gewünschten Formen entstehen.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß Struk turen in Substrate geschrieben werden, so daß diese als Masken zur Reproduktion der Strukturen durch fotolithographische Verfahren verwendet werden können.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske bei einem Beschichtungsverfahren eingesetzt wird, so daß die Struktur sich auf dem beschichteten Substrat reproduziert.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß in dünnen Schichten Teststrukturen zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften wie der spezifischen Leitfähigkeit und des Schichtwiderstandes erzeugt werden.

13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dünnen Schichten aus Hochtemperatursupraleitern Teststrukturen zur Er mittlung der kritischen Stromdichte mit geeigneten Ätzverfahren erzeugt werden.

14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Struktur nur auf einem, die gesamte Funktionalität der betref fenden Schicht nicht beeinflussenden Teil des Substrates geschrieben wird.