DE19844025A1 - Reaktives Ionen(strahl)ätzen von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren für Quarz, Quarzglas und quarzhaltige Gläser zu schaffen, mit dem optische Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne eine nachteilige Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit formbearbeitet oder strukturiert werden können, so daß für Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr minimale und damit technologisch und/oder verfahrensökonomisch akzeptable Ätzzeiten erreicht werden und daß für Oberflächenformgebungen eine lokale Bearbeitung mit einem im Verhältnis zu der zu bearbeitenden Oberfläche kleinem Ionenstrahl oder einer gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls möglich ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß erstens ein reaktiver Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß mit einem oder mehreren der drei Gase CF¶4¶, C¶2¶F¶6¶ oder CHF¶3¶ als Hauptbestandteil des Ätzgases unter Zumischungen von SF¶6¶, XeF¶2¶, NF¶3¶ oder CH¶4¶ und mit Ionenenergien größer 600 eV, zwecks Gewährleistung eines hinreichend hohen Ionensputteranteils am Ätzprozeß, verwendet wird. Zweitens wird eine für den reaktiven Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß adäquat ausgerüstete RIE-Ätzanordnung oder Ionenstrahlquelle eingesetzt, deren Aufbau erfindungsgemäß durch den minimalen Einsatz der Materialien Graphit, Metall und Silizium bzw. Siliziumverbindungen (z. B. SiO¶2¶, Si¶3¶N¶4¶) für Bauteile im Plasmaentladungsraum, des Ionenabsaugsystems und der ggf. einzusetzenden Strahlformungsblenden bzw. Wechselmasken gekennzeichnet ist. ...

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Ionenätzen und Ionenstrahlätzen von optischen Quarz, Quarzglas und quarzglashaltigen Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit.

Stand der Technik

Trockenätzverfahren werden zunehmend zur Bearbeitung optischer Oberflächen (Formbear­ beitung und Politur) und zur Übertragung optischer Strukturelemente (Mikrooptiken, diffrak­ tive optische Oberflächenelemente) in optische Materialien verwendet. Die Trockenätzverfah­ ren bieten dafür eine Reihe von Vorteilen. Es ist zum einen die Flexibilität dieser Prozesse hinsichtlich vielfältiger Bearbeitungsmöglichkeiten sowie deren Sauberkeit und zum anderen die gute Steuerbarkeit der Ätzverfahren. Weiterhin sind die Verfahren in bezug auf ihren Ätzangriff flächenmäßig skalierbar vom Nanometer- bis in den Meterbereich. Die Technologien und Ätzanlagen stammen zunächst aus der Mikroelektronik, wo derartige Ver­ fahren standardmäßig eingesetzt werden. Sie sind durch Anpassung der Parameter und ggf. der Anlagen an die Anforderungen beim Ätzen von optischen Bauteilen in die Optikfertigung übertragbar. Beispiele für eine solche Technik sind optische Strukturen, wie Mikrolinsen oder Mikrolinsenarrays, die, zunächst hergestellt z. B. in einer Photoresistschicht auf optischen Quarz oder Silizium, in einem Trockenätzschritt in dieses Material übertragen werden [Ph. Nussbaum, R. Völkel, H.P. Herzig and R. Dändliker, Micro-Optics for Sensor Applications, SPIE Vol. 2783 European Symposium on Lasers, Optics and Vision for Productivity in Manufacturing (1996)] oder in ähnlicher Weise die Übertragung von in Photoresist oder Elektronenstrahlresist erzeugten diffraktiven optischen Oberflächenelementen (Gitter, Fres­ nellinsen, Hologramme) in Quarz, Glas oder Silizium [M.B. Stern, Binary Optics: A VLSI­ based microoptics technology, Microelectronic Engineering 32 (1996)]. Verwendet werden in diesen Fällen reaktive Ionenätzverfahren wie RIE (reactive ion etching) oder RIBE (reactive ion beam etching). Diese Ätzverfahren werden meist bis zu Bearbeitungstiefen von einigen Mikrometern erfolgreich in der Fertigung eingesetzt.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für den Einsatz von Trockenätzverfahren in der optischen Industrie ist die Formfehlerkorrektur von Oberflächen von Hochleistungsoptiken einschließlich von Röntgenstrahloptiken wie Linsen, Spiegel oder auch Planflächen. In diesem Fall werden die Abweichungen der mit konventionellen optischen Polierverfahren erzeugten realen Oberfläche von der berechneten idealen Oberfläche mit einem Ionenstrahl korrigiert [L.N. Allen and H.W. Romig, Demonstration of an Ion Figuring Process, SPIE Vol. 1333 Advanced Optical Manufacturing and Testing (1990)]. Hier handelt es sich um eine lokale Oberflächenbearbeitung. Dabei wird mit einem im Verhältnis zu der zu bearbeitenden Oberfläche kleinen Ionenstrahl oder mit einer mittels Blenden oder Lochmasken vor der Ionenquelle (DE 41 08 404 C2) gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls und/oder zusätzlich durch eine computergesteuerte Relativbewegung von Werkstück und Ionenstrahl die Oberfläche lokal abgetragen. Diese Verfahren lassen sich neben der genannten Formkorrektur auf Sphären- oder Planflächen natürlich auch zur Herstellung von asphärischen Freiformflächen einsetzen. Die mit diesen Verfahren erreichbaren Genauig­ keiten in der Bearbeitungstiefe liegen im unteren Nanometerbereich, selbst für Flächen mit Abmessungen im Meterbereich. In Einzelfällen erlaubt diese Technologie die Herstellung von Bauelementen die mit klassischen Schleif und Polierverfahren der Optik nur mit sehr hohem Aufwand oder auch überhaupt nicht herstellbar sind. Für diese ionenstrahlgestützten ultraprä­ zisen Oberflächenkorrektur- oder Oberflächenformgebungsverfahren wird ausschließlich physikalisches Ionenstrahlätzen (IBE - ion beam etching), auch Ionenstrahlsputtern (IBM - ion beam milling) genannt, meist mit Argon als Prozeßgas, eingesetzt. Ein wesentlicher Nachteil dieses Ätzprozesses ist seine relativ geringe Abtragrate von nur einigen 10 nm/min. die abhängig von dem zu bearbeitendem Material und den Ionenstrahlparametern etwas variiert. Diese geringe Abtragrate schränkt die Anwendung aus technologischen und Wirt­ schaftlichkeitsgründen auf die bereits genannten Formbearbeitungen (Polierfehlerkorrektur, nanometrische Asphären z. B. zur Wellenfrontkorrektur optischer Systeme) mit Gesamtbear­ beitungstiefen im Bereich von einigen zehn bis hundert Nanometern ein. Man spricht hier auch von einer "Endbearbeitungstechnik" (engl. finishing technology). Ein spezielles Trockenätzverfahren, wo sehr hohe Ätzraten von bis zu einigen 10 µm/min für spezielle Materialien erreicht werden, ist PACE (plasma assisted chemical etching) [L.D. Bollinger, G. Steinberg and C.B. Zarowin, Rapid optical figuring of aspherical surfaces with Plasma Assisted Chemical Etching (PACE), SPIE Vol. 1618 Large Optics II (1991)], (US 807535). Bei diesem Hochrateätzverfahren, das sowohl mit Subapertur-Plasmaquellen als auch mit großflächigen Quellen betrieben wird, wird in einer topfförmigen Plasmaquelle ein Plasma mit chemisch reaktiven Spezies gezündet. Legt man eine HF-Bias-Spannung an die zu ätzende Oberfläche an, hat man einen chemisch reaktiv gestützten Ionenätzprozeß. Bei isolie­ renden Substraten großer und/oder variabler Dicke (z. B. Glaslinsenkörper) macht die HF- Bias-Spannung aufgrund der zu geringen und/oder inhomogenen Feldstärkeverteilung auf der zu ätzenden Oberfläche keinen Sinn. In diesem Fall hat man einen rein chemisch reaktiven Plasmaätzprozeß, bei dem der den Ätzprozeß unterstützende Ionenbeschuß der Oberfläche fehlt und nur noch Radikale und angeregte Teilchen ätzen. Das führt materialabhängig meist zu technologischen Nachteilen hinsichtlich einer geringeren Abtragrate aber auch materialabhängig zu einer unerwünschten Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Im Fall der lokalen Formbearbeitung, wird, wie oben für das Ionenstrahlverfahren beschrieben, die Plasmaquelle computergesteuert über die Oberfläche gefahren oder in umgekehrter Weise das Werkstück relativ zur Plasmaquelle bewegt oder eine Kombination aus beiden Möglichkeiten angewendet.

Nachteile des Standes der Technik

Bei den mikrooptischen Bauelementen ist neben den o. g. Anwendungen mit Bearbeitungstie­ fen im Mikrometerbereich auch der Bereich von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Tiefe technologisch zunehmend erforderlich. Die Applikationen betreffen hier z. B. optische Wel­ lenleiterstrukturen aber auch mikromechanische Strukturen, wobei allgemein derartige Strukturen auch auf dicken Substraten zu erzeugen sind, bei denen eine Bearbeitung mit bekannten Hochrateätzgeräten aus dem Bereich der Si-Bauelementetechnologie aus geometri­ schen Gründen meist nicht möglich ist.

Im Rahmen der Entwicklung neuer optischer Hochleistungsbauelemente werden aus physika­ lischen und technologischen Gründen zunehmend optische Oberflächenprofile im Optik­ design verwendet, die mit klassischen Schleif und Polierverfahren nur mit großem Aufwand oder gar nicht herstellbar sind. Das sind vor allem Asphärenflächen wie parabolisch, elliptisch oder hyperbolisch gekrümmte Flächen mit hoher Asphärizität von einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometern bezüglich ihrer Abweichung von der bestangepaßten Sphärenfläche oder von einer Planfläche. Beispiele sind Spiegel und Monochromatoren für weiche und harte Röntgenstrahlen, Neutronenleiter aber auch Komponenten für Hochleistungsoptiken vom UV- bis in den IR-Bereich des Lichtes (z. B. Lithographieoptiken für die Halbleitertechnik oder Hohlspiegel für die optische Kommunikation bei der Satellitendirektverbindung).

Die Abtragtiefen bei der Herstellung dieser Bauelemente von einigen zehn bis einige hundert Mikrometer sind so groß, daß Haftmasken, wie sie z. B. für die Übertragung von Mikrolinsen verwendet werden, nicht einsetzbar sind. Die lokalen physikalischen Inertgas-Ionenstrahl- Oberflächenbearbeitungsverfahren IBE bzw. IBM scheiden aus den o. g. nachteiligen Gründen auch aus.

Verwendet man für die lokalen Oberflächenbearbeitungsverfahren anstelle des Ionenstrahl­ sputterns das reaktive Ionenstrahlätzen erreicht man die notwendigen höheren Ätzraten. Jedoch kommt es beim Ätzen von Quarz oder quarzhaltigem Glas mit Fluorkohlenwasserstof­ fen als Ätzgasen bei großen Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr zu einer Aufrauhung der Oberfläche. Diese Aufrauhung wird wahrscheinlich durch eine lokale mikroskopische Abscheidungen von Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff Fluor-Partikeln verursacht. Derartige Partikel haben gegenüber dem zu ätzenden Quarz oder quarzhaltigen Material eine bedeutend geringere Ätzrate und wirken dadurch auf der Oberfläche maskierend. Diese Partikelabscheidung kann in gewissen Grenzen durch Zumischung von Edelgas zum Ätzgas reduziert werden, was aber zu einer inaktzeptablen Verringerung der Ätzrate führt.

Das Plasmahochrateätzverfahren PACE unterliegt teilweise merklichen Einschränkungen in der Anwendbarkeit. So führt die hohe Selektivität des chemischen Ätzabtrages Materialien die aus verschiedenen chemischen Bestandteilen bestehen, wie z. B. die meisten Gläser, zu einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Dieser große Nachteil des PACE-Verfahrens wirkt vor allem beim Ätzen von dicken isolierenden Substraten, wo keine definierte HF-Bias- Spannung an das Substrat angelegt werden kann und somit nur ein rein chemisches Plasma­ ätzen möglich ist. Der fehlende physikalische Sputteranteil führt dann beim Ätzen von Glä­ sern, insbesondere mit Metalloxid- oder Alkalioxidanteilen zu einer Aufrauhung der Oberfläche aufgrund der merklich geringeren chemischen Ätzraten dieser Bestandteile im Vergleich zum reinen Quarz. Technische Probleme resultieren bei der chemischen Ätzreaktion unter Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffgasen aus der Tatsache, daß die Plasmen zur Polymerabscheidung neigen. Inhomogenitäten in der Plasmaentladung können sowohl die Ätz- als auch die Abscheideraktionen in-situ ablaufen lassen. Die Ablagerung von Kohlenstoff-Fluor-Polymeren bzw. von Partikeln auf der Oberfläche beim Ätzen unter verfahrensbedingt hohen Druck und Gasdurchsatz ist die Ursache für Aufrauhungen infolge Maskierung des Substratmaterials durch derartige Schichten oder Partikel. Ein weiterer Nachteil beim PACE-Verfahren ist, daß es beim Ätzen über Substratkanten hinweg zu Änderungen in der Plasmaentladung und damit zu Schwankungen in der Ätzrate kommt. Nachteile ergeben sich weiterhin, daß aus dem Prinzip der Plasmaanregung heraus die hohe Abtragrate über die Plasmadichte nur eingeschränkt steuerbar ist, bei HF- oder Mikrowellenanregung nur über die eingespeiste HF- bzw. Mikrowellenleistung.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren für Quarz, Quarzglas und quarzhaltige Gläser zu entwickeln, mit dem optische Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne eine nachteilige Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit formbearbeitet oder strukturiert werden können, so daß für Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr minimale und damit technologisch und/oder verfahrensökonomisch akzeptable Ätzzeiten erreicht werden und daß für Oberflächenformgebungen eine lokale Bearbeitung mit einem im Verhältnis zu der zu bearbeitenden Oberfläche kleinem Ionenstrahl oder einer gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls möglich ist.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß erstens ein reaktiver Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß mit einem oder mehreren der drei Gase CF₄, C₂F₆ oder CHF₃ als Hauptbestandteil des Ätzgases unter Zumischungen von SF₆, XeF₂, NF₃ oder CH₄ und mit Ionenenergien größer 600 eV, zwecks Gewährleistung eines hinreichend hohen Ionensputteranteils am Ätzprozeß, verwendet wird. Zweitens wird eine für den reaktiven Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß adäquat ausgerüstete RIE-Ätzanordnung oder Ionenstrahlquelle eingesetzt, deren Aufbau erfindungsgemäß durch den minimalen Einsatz der Materialien Graphit, Metall und Silizium bzw. Siliziumverbindungen (z. B. SiO₂, Si₃N₄) für Bauteile im Plasmaentladungsraum, des Ionenabsaugsytems und der ggf. einzusetzenden Strahlformungsblenden bzw. Wechselmasken gekennzeichnet ist. Vorzugsweise wird dafür erfindungsgemäß Aluminiumoxidkeramik als Konstruktionswerkstoff eingesetzt.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Ätzgase werden Voraussetzung für einen nichtaufrau­ henden reaktiven Ionenätzprozeß mit Fluorkohlenwasserstoffen durch die Unterdrückung der Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff-Fluorpolymer-Abscheidung auf der Oberfläche während des Ätzprozesses geschaffen. Erfindungsgemäß wird das durch eine Verringerung des Kohlen­ stoff/Fluor-Verhältnisses im Plasma bzw. im Ionenstrahl erreicht. Bei hohen Kohlenstoffanteilen kommt es zur Polymerabscheidung, bei hohen Fluoranteilen wird die Polymerabscheidung unterdrückt. Das Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis wird erfindungsgemäß mit den genannten Ätzgasgemischen verringert. Durch die kohlenstofffreien fluorhaltigen Gase Schwefelhexafluorid und/oder Stickstofftrifluorid und/oder Xenondifluorid wird der Fluoranteil im Plasma bzw. im Ionenstrahl erhöht. Die Aufrauhung der Oberfläche wird dadurch unterdrückt. Weiterhin wird erfindungsgemäß mit steigendem Fluorgehalt die Ätzrate von Quarz und quarzhaltigem Glas erhöht. Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit die Aufrauhung beim reaktiven Ionenstrahlätzen optischer Oberflächen zu minimieren, ist die Zumischung von Methan. Im diesem Falle entfernen die CH_x-Ionen bzw. -Radikale (x = 1-3) und der in der Plasmaentladung abgespaltene Wasserstoff durch chemische Reaktionen die abgeschiedenen Kohlenstoff-Fluorpolymere von der Oberfläche bevor es zu einer Aufrauhung kommen kann.

Als Plasmaanregung im RIE-Reaktor bzw. den Ionenquellen werden die bekannten Mikrowellen-ECR-Plasmaanregung (ECR - electron cyclotron resonance) oder HF- Plasmaanregung (13,56 MHz, 27 MHz oder andere Frequenzen) verwendet. Der Plasmaraum bzw. der Entladungsraum der Ionenquellen wird erfindungsgemäß mit Al₂O₃-Keramik ausgekleidet. Die chemische Wechselwirkung des Plasmas mit der Al₂O₃-Oberfläche im Entladungsraum (durch Bildung gasförmiger Produkt mit dem Wandmaterial, wie z. B. im Falle von Graphit, Metall oder Si-Verbindungen) ist vernachlässigbar gering. Damit wird zum einen ein möglicher Verlust von reaktiven Fluorspezies aus dem Plasma, die dann für den eigentlichen Ätzprozeß auf dem Werkstück nicht mehr zur Verfügung stehen, verhindert. Zum anderen wird kein zusätzlicher Kohlenstoff aus dem Wandmaterial in das Plasma eingebracht, der das Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis im Ionenstrahl vergrößern würde.

Zur Formierung des Ionenstrahls wird, wie bekannt, eine Viellochgitteroptik eingesetzt. Die flächenmäßige Skalierung des Ionenstrahls wird in ebenfalls bekannter Weise über die flächenhafte Ausdehnung der Ionenquelle und des Ionenabsauggittersystems in der Strahlaustrittsebene oder durch den Einsatz von fokussierenden Gittersystemen realisiert. Weitere Techniken der Strahlformung sind Wechselmasken oder computergesteuerte Blenden zwischen der Ionenquelle und dem Werkstück.

Vorteile der Erfindung

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen, mit fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen betriebenen reaktiven Ionen- bzw. Ionenstrahlätzprozesses mit dafür konfektionierten RIE- Reaktoren bzw. Ionenstrahlquellen ist, daß extrem glatte optische Oberflächen aus Quarz oder quarzhaltigen Gläsern formbearbeitet oder strukturiert werden können, ohne daß sich dabei die Oberflächenrauhigkeit erhöht. Die Ätzrate liegt bei Ionenenergien über 600 eV und Ionenstromdichten über 0,5 mAcm^-2 deutlich über 100 nm/min und kann bei höheren Ionenstromdichten und -energien mehrere hundert nm/min auch mit Strahlquerschnitten von einhundert Quadratzentimeter und mehr erreichen. Mit diesen Ätzraten ist es möglich einen Gesamtabtrag von einigen 10 µm in technologisch und verfahrensökonomisch relevanten Prozeßzeiten zu realisieren. Der Ätzprozeß ist über die Gaszusammensetzung, den Gasfluß, den Arbeitsdruck, die Ionenenergie und die Ionenstromdichte gut steuerbar und über mehrere Stunden langzeitstabil regelbar. Durch die relativ hohe Ionenenergie von größer 600 eV und dem damit verbundenen Sputteranteil am Ätzprozeß können auch Gläser mit Bestandteilen die mit den chemisch reaktiven Fluorspezies keine flüchtigen Produkte bilden, wie z. B. Metalloxide, ohne Aufrauhung der Oberfläche bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß das reaktive Ionenstrahlätzen durch die Variation des Durchmessers des Ionenstrahls oder durch eine gesteuerte Ausblendung von Teilen eines breiten Ionenstrahls mittels Blenden oder Wechselmasken, angeordnet zwischen der Ionenquelle und dem Werkstückoberfläche, für die lokale Formbearbeitung eingesetzt werden kann. Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren auch zur Strukturübertragung unter Anwendung von Haft- oder Wechselmasken z. B. von Mikrooptiken und diffraktiven optischen Oberflächenelementen in Quarz und Glas eingesetzt werden.

Von Vorteil ist weiterhin, daß konventionelle, kommerziell erhältliche ECR- oder HF- Breitstrahlionenquellen nachträglich durch die erfindungsgemäßen Änderungen der Bauteil­ materialien, die in Kontakt mit dem Plasma bzw. dem Ionenstrahl sind, eingesetzt werden können. Das üblicherweise im Entladungsraum der Ionenquelle verwendete Metall oder Quarzglas muß durch Al₂O₃-Keramik ersetzt werden. Das Gittersystem der Ionenquelle muß an die entsprechenden Anforderungen angepaßt werden.

Beispielbeschreibung

Im folgenden wird das erfindungsgemäße reaktive Ionenstrahlätzverfahren von extrem glatten optischen Oberflächen an zwei Beispielen dargestellt. In beiden Fällen wurde eine ECR- Breitstrahlionenquelle verwendet, deren Plasmaraum mit Al₂O₃-Keramik ausgekleidet wurde. In die Ionenquelle wurden als Betriebsgas Gemische aus Tetrafluormethan und Schwefel­ hexafluorid und/oder Stickstofftrifluorid eingeleitet. Der Anteil von Schwefelhexafluorid und/oder Stickstofftrifluorid im Gemisch wurde im Bereich von 20 bis 80% variiert. Als Betriebsgas kam auch ein Gemisch aus Tetrafluormethan und Methan zum Einsatz. Der An­ teil von Methan im Gemisch wurde im Bereich von 20% bis 50% variiert. Der Gesamtfluß des eingeleiteten Betriebsgases wurde von 5 bis 20 s.c.c./min¹ variiert. Die Ionenquelle wurde vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen etwa 1 × 10^-4 und 10 × 10^-4 mbar betrieben. Die Ionenenergie wurde zwischen 500 bis 1000 eV und die Ionenstromdichte am Substrat im Bereich zwischen 400 und 2000 µA/cm² variiert. Das Werkstück befand sich in einem Abstand von 10 bis 30 cm vom Ionenaustrittsgitter der Ionenquelle entfernt. Der Ionenstrahl wurde während des Ätzvorganges mittels eines vor der Ionenquelle angeordneten Wolfram- Glühfadens neutralisiert. Die Ätzzeiten ohne Unterbrechung wurden zwischen einer Stunde und sechs Stunden variiert.

Beispiel 1

Ein erstes Beispiel betrifft das reaktive Ionenstrahlätzen einer Quarzlinse (Material SQ1, Durchmesser 33 mm, Dicke 3 mm). Die Ausgangsrauhigkeit der Oberfläche wurde mit einem mechanischen Tastschnittgerät (Talystep von Taylor-Hobson) und einem Atomkraftmikro­ skop (Nanoscope III von Digital Instruments) als mittlere quadratische Rauhigkeit R_q (rms - root-mean-square) bestimmt. Die Ausgangsrauhigkeit mit dem Tastschnittgerät betrug (1,8 ± 0,4)nm (Mittelwert aus fünf Messungen) und mit dem Atomkraftmikroskop 0,7 nm. Der Unterschied ergibt sich aus den zwei verschiedenen, der Größe des Meßfeldes entsprechenden, erfaßten Ortswellenlängenbereichen. Das Tastschnittgerät mißt einen Linienscan von 0,8 mm Länge und das Atomkraftmikroskop ein Rasterfeld von 40 µm × 40 µm.

Die Quarzlinse wurde in einer Ionenstrahlätzanlage mit einer ECR-Breitstrahlionenquelle geätzt. Der Plasmaentladungsraum der Ionenquelle war mit Al₂O₃-Keramik ausgekleidet. Als Ionenabsauggitter wurden Graphitgitter verwendet. Die Ionenenergie betrug 800 eV und die Ionenstromdichte 600 µA/cm². Das Ätzgas war ein Gemisch aus Tetrafluormethan und Schwefelhexafluorid (Volumenstromanteil 50%/50%). Der Gesamtfluß war 6 s.c.c./min. bei einem Arbeitsdruck in der Ätzanlage von 5 × 10^-4 mbar. Die Ätzzeit betrug 3 Stunden und der Ätzabtrag, gemessen mit einem Weißlichtinterferometer (MICROMAP von ATOS) betrug 25,5 µm. Daraus ergibt sich eine Ätzrate von 142 nm/min. Die Rauhigkeit der geätzten Ober­ fläche gemessen mit dem Tastschnittgerät, war (2,9 ± 0,8)nm und mit dem Atomkraftmikro­ skop 1 nm, unter den gleichen Meßbedingungen wie bei der Messung der Ausgangsrauhigkeit vor dem Ionenstrahlätzen. Die Oberflächenrauhigkeit hat sich durch den Ätzprozeß nur geringfügig erhöht.

Beispiel 2

Ein zweites Beispiel betrifft das reaktive Ionenstrahlätzen einer Quarzplatte (Material SQ1, Abmessung 50 mm × 50 mm, Dicke 2 mm) Die Quarzplatte wurde während der Ätzung mit einer Wechselmaske gleicher Größe und 0,5 mm Dicke aus Al₂O₃ direkt auf der Quarzplatte liegend abgedeckt. In die Maske waren mittels Laserschneiden folgende Lochstrukturen eingearbeitet: Linien 30 mm lang, mit Breiten zwischen 0,5 bis 1 mm bei 0,1 mm Differenz der einzelnen Linienbreiten; kreisförmige Löcher mit Durchmessern von 1 mm bis 5 mm bei 1 mm Differenz der einzelnen Durchmesser. Die Ätzung erfolgte in einer Ionenstrahlätzanlage mit einer ECR-Breitstrahlionenquelle. Der Plasmaentladungsraum der Ionenquelle war mit Al₂O₃-Keramik ausgekleidet. Als Ionenabsauggitter wurden Graphitgitter verwendet. Die Ionenenergie betrug 800 eV und die Ionenstromdichte 600 µA/cm². Das Ätzgas war ein Gemisch aus Tetrafluormethan und Schwefelhexafluorid (Volumenstromanteil 50%/50%). Der Gesamtfluß war 6 s.c.c./min. bei einem Arbeitsdruck in der Ätzanlage von 5 × 10^-4 mbar. Die Ätzzeit betrug 6 Stunden und der Ätzabtrag, gemessen mit einem Weißlichtinterferometer (MICROMAP von ATOS) betrug 50,1 µm. Daraus ergibt sich eine Ätzrate von 139 nm/min. Die Oberflächen der geätzten Strukturen wurden in einem Rasterelektronenmikroskop (JEOL JSM-660) und mit einem Weißlichtinterferometer (MICROMAP von ATOS) untersucht. Eine Erhöhung der Rauhigkeit konnte nicht festgestellt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Quarz, Quarzglas und quarzhaltigen Gläsern mittels Ionenstrahl- oder Ionenätzen hoher Ätzrate und ohne Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein reaktiver Ionenstrahl- oder Ionenätzprozeß mit wenigstens einem fluorhaltigen Ätzgas und einem weiteren Gas, das entweder Fluor und oder Wasserstoff oder beide als Bestandteile enthält, verwendet wird, wobei die Ionen derart gegen die Oberfläche des Quarzes, Quarzglases oder quarzhaltigen Glases beschleunigt werden, daß neben dem Ätzabtrag durch die chemisch reaktiven Fluorspezies auch ein wesentlicher Anteil des Abtrages über die physikalische Zerstäubungswirkung der Ionen erfolgt und daß weiterhin gegenüber den chemisch reaktiven Fluorspezies inerte Konstruktionswerkstoffe für den Plasmaentladungsraum und das ionenoptische System der Ionenquelle sowie für ionenstrahlführenden bzw. -formenden Elemente zwischen der Ionenquelle und der zu bearbeitenden Oberfläche zum Einsatz kommen, und dadurch zum einen, ein hoher Anteil der in der Plasmaentladung gebildeten reaktiven Fluorspezies auf die zu ätzende Oberfläche gelangen und damit eine hohe Ätzrate gewährleisten und zum anderen ein niedriges "Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis" begünstigt wird, wodurch die Polymer- und/oder Partikelbildung auf der Quarz- bzw. Glasoberfläche, als eine entscheidende Ursache für eine Erhöhung der Rauhigkeit, unterbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Al₂O₃-Keramik ausgekleideter RIE-Reaktor verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Al₂O₃-Keramik ausgekleidete Ionenstrahlquelle verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einem HF-Feld (13,56 MHz, 27 MHz oder anderer Frequenz) erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaanregung mit einer Mikrowelleneinkopplung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzgas mindestens eines der drei Gase CF₄, C₂F₆ oder CHF₃ als Hauptbestandteil und die Zumischung von mindestens einem der Gase SF₆, XeF₂, NF₃ oder CH₄ verwendet werden und daß die Ionenenergie größer 600 eV gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi­ schung neben CF₄ eines der Gase SF₆ oder NF₃ oder XeF₂ mit einem Anteil von 10 bis 90% enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi­ schung C₂F₆ und eines der Gase SF₆ oder NF₃ oder XeF₂ mit einem Anteil von 10 bis 90% enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi­ schung CF₄ mit einem Anteil von 10 bis 50% CH₄ enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine lokale Formbearbeitung von Oberflächen mit einem verweilzeitgesteuerten Ionenstrahl erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine lokale Formbearbeitung von Oberflächen mit einer gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls mittels bewegter oder feststehender Blenden oder Wechselmasken vor der Ionenquelle erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für Blenden und Wechselmasken Aluminiumoxid verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strukturübertragung mittels Haftmasken erfolgt.