DE19910984C2 - Verfahren zur Herstellung von Polymerstrukturen auf einem Substrat mittels eines Ätzprozesses - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Polymerstrukturen auf einem Substrat mittels eines ÄtzprozessesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Poly
merstrukturen auf einem Substrat mittels eines Ätzprozesses nach
der Gattung des Hauptanspruches.
Ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung oder Modifikation makro
molekularer Verbindungen wie Polymere oder Scheibenwischergummi
in einer Gasatmosphäre wird beispielsweise in der
DE 197 27 783 A1 vorgeschlagen, wobei das Gas als Plasma vor
liegt, das in einer Hochfrequenzanregung im Nieder- oder
Normaldruckbereich mittels Mikrowellenanregung erzeugt wird.
Weiterhin ist daraus bereits bekannt, eine anisotrope Plasmabe
handlung derartiger Verbindungen in einem Sauerstoff- oder einem
Sauerstoff-Edelgas-Gasplasma vorzunehmen. Die vorgenommene Ober
flächenbehandlung dient in diesem Fall jedoch lediglich der Ak
tivierung der Oberfläche, nicht der Strukturierung.
Aus F. D. Egitto und L. J. Matienzo, IBM J. Res. Develop., 1994,
38, S. 423-439, ist weiter bekannt, Polymeroberflächen durch
Plasmaätzen in einer Sauerstoffatmosphäre zu behandeln, um deren
Adhäsionseigenschaften zu verbessern.
Im übrigen existieren auch verschiedene Photoprozesse zur Struk
turierung von Polymeren, beispielsweise über UV-Licht, mittels
Excimerlasern oder Elektronenstrahlen, denen eine anschließende
Entwicklung bzw. ein Herauslösen der belichteten, strukturierten
Polymere folgt.
Als Plasmaätzverfahren sind überdies Prozesse in Barrel-
Reaktoren mit isotroper Ätzung bekannt, sowie anisotrope Ätzver
fahren über einen RIE-ICP- oder RIE-ECR-Prozeß (RIE = "reactive
ion etching", ICP = "inductivly coupled plasma", ECR = "electron
cyclotron resonance"). Dazu sei beispielsweise auf den Artikel
von R. Hsiao et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 3,
1997, verwiesen.
Aus JP 01-243 426 A ist bekannt, eine Polymerschicht auf einem
Halbleitersubstrat zu strukturieren, wobei die Polymerschicht
auf dem Substrat bei Temperaturen oberhalb von 200°C gehärtet,
und danach eine Siliziumdioxidschicht und eine Fotolackschicht
als Masken aufgebracht werden. Danach wird die Fotolackschicht
mit Licht strukturiert, die Siliziumdoxid-Maske geätzt, und an
schließend die Polymerschicht mit einem sauerstoffhaltigen Plas
ma bei Substrattemperaturen < 0°C, bevorzugt -80°C bis -100°C,
zur Herstellung von Gräben mit steilen Flanken geätzt. In
JP 05-121 371 A ist ein weiteres Verfahren zur Ätzung einer Po
lymerschicht auf einem Siliziumsubstrat mit Hilfe eines sauer
stoffhaltigen Plasmas bei einer Substrattemperatur von unter
-50°C bekannt. Der Prozessdruck liegt dabei im µbar-Bereich.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vor
teil, daß es ermöglicht, bei der Herstellung von Polymerstruktu
ren auf einem Substrat über ein anisotropes Plasmaätzverfahren
möglichst senkrechte glatte Flanken der hergestellten Struktu
ren, insbesondere mit einer Rauhigkeit kleiner als 100 µm, zu
erzeugen und auch bei Aspektverhältnissen der Strukturen d. h.
einem Verhältnis von Höhe zu Breite von mehr als 10 : 1 eine
Strukturauflösung von mindestens 1 µm bis 2 µm zu erreichen. Zu
dem werden gleichzeitig hohe Polymerätzgeschwindigkeiten von bis
zu 4 µm pro Minute erzielt. Die mit dem erfindungsgemäßen Ver
fahren erzeugten Polymerstrukturen sind weiterhin mechanisch
sehr stabil, haften gut auf dem Substrat und zeigen keine rele
vante Strukturveränderung bei einer Temperaturbehandlung von -
60°C bis +250°C, wobei auch ein noch größerer Temperaturbereich
bei entsprechender Wahl des Polymermaterials erreichbar ist.
Die erzeugten Polymerstrukturen auf dem Substrat können somit
sehr vorteilhaft als aktive Schichten d. h. beispielsweise als
Wellenleiter in der integrierten Optik, als Dielektrikum oder
als Negativform für die galvanische Abscheidung von metallischen
Mikrobauteilen wie Sensoren oder Aktoren eingesetzt werden.
Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Ver
fahren als sogenannter "Backend-Prozeß" auf bereits fertigen in
tegrierten Schaltkreisen anwendbar ist und damit intelligente
mikrosystemtechnische Komponenten herstellbar sind, die in viel
fältigen Anwendungsfeldern wie der Automobiltechnik, der Maschi
nensteuerung, der Nachrichtentechnik oder im Konsumelektronikbe
reich Einsatz finden können. Dabei ist es ein weiterer Vorteil,
daß die zum Einsatz kommenden Bauteile mit der zugehörigen Aus
werteschaltung aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kosten
günstig, zuverlässig und von hoher Funktionalität sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist vorteilhaft, wenn der Ätzprozeß mit einem sauerstoffhal
tigen Ätzgas bei einem Prozeßdruck von 0,2 µbar bis 10 µbar
durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn
das Substrat, auf dem sich das zu struktrierende Polymer befin
det, mit einer Substratelektrode in Verbindung steht, an der ei
ne insbesondere hochfrequente Substratelektrodenspannung (Bias
spannung) von 80 Volt bis 200 Volt anliegt.
Als Plasmaätzanlage zur Durchführung des Ätzprozesses eignen
sich vorteilhaft an sich aus dem Stand der Technik bekannte ECR-
Plasmaätzanlagen ("electron cyclotron resonance") oder ICP-
Plasmaätzanlagen ("inductively coupled plasma"), bei denen die
erfindungsgemäße Einstellung der Ätzparameter, wie insbesondere
der niedrigen Substrattemperatur, vorgenommen wird.
Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn als sauerstoffhaltiges
Ätzgas Sauerstoff eingesetzt wird, dem zur Verbesserung der Pro
file der erzeugten Polymerstrukturen hinsichtlich Flankensteil
heit, Oberflächenrauhigkeit und Strukturauflösung zusätzlich ein
leichtes und/oder leicht ionisierbares Gas wie 4He, 3He oder H2
zugegeben werden kann.
Als ganz besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn ei
ne Substrattemperatur von ca. -65°C mit einem Prozeßdruck von
ca. 2 µbar und einer Substratelektrodenspannung von ca. 150 Volt
kombiniert wird. Diese Kombination in Verbindung mit einer ECR-
Plasmaätzanalage oder einer ICP-Plasmaätzanalge mit dem Ätzgas
Sauerstoff oder dem Ätzgas Sauerstoff mit einer Zugabe von Heli
um führt zu besonders vorteilhaften Eigenschaften der erzeugten
Polymerstrukturen.
Als Substratmaterial eignet sich besonders Silizium und insbe
sondere ein Siliziumwafer. Das Polymermaterial ist vorteilhaft
ein Photolack oder ein Polyimid.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Prinzipskiz
ze einer Plasmaätzanlage und Fig. 2 einen Schnitt durch eine
Polymerstruktur auf einem Substrat.
Die Fig. 1 zeigt eine an sich aus dem Stand der Technik bekann
te ECR-Plasmaätzanlage als Plasmaätzanlage 1 zur anisotropen
Plasmaätzung mit einem Hochfrequenzgenerator 10 zur Erzeugung
einer hochfrequenten Substratelektrodenspannung (Biasspannung)
mit einer Frequenz von 13,56 MHz, der über entsprechende elek
trische Anschlüsse und bei Bedarf unter Zwischenschaltung einer
Matchbox 11 mit einer Substratelektrode 35 verbunden ist, und
dort in an sich bekannter Weise eine anliegende Biasspannung von
80 Volt bis 200 Volt bewirkt. Weiterhin ist eine Ätzkammer 12,
ein Magnetron 14, eine Schleusenkammer 15, ein Elektromagnet 16,
ein Prozeßgaseinlaß 17, eine Mikrowelleneinkoppeleinheit 18 und
eine Substratelelektrodenkühlung 19 vorgesehen. Die Substrate
lektrodenkühlung 19 ist mit der Substratelektrode 35 wärmelei
tend verbunden, und bewirkt eine Kühlung der Substratelektrode
35 und über diese auch eines darauf angeordneten Substrates 30.
Mit der Substratelektrodenkühlung 19 ist eine Temperatur von -
30°C bis -120°C auf dem Substrat 30 erreichbar.
Die Substratelektrodenkühlung 19 ist weiterhin mit nicht darge
stellten, nach außerhalb der Plasmaätzkammer geführten Anschlüs
sen versehen, die mit einer ebenfalls nicht dargestellten Kühl
vorrichtung in Verbindung stehen und einen Kältemittelkreislauf
ermöglichen.
Auf weitere Details der Plasmaätzanlage 1 wird verzichtet, da
sie dem Fachmann bekannt sind.
Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung eines Teils der Substratelektro
de 35 gemäß Fig. 1, auf der ein Substrat 30 angebracht ist. Auf
dem Substrat 30 befindet sich ein Polymer 31 mit einer Oberflä
chenmaskierung 32. Das Polymer 31 wird mittels der Plasmaätzan
lage 1 einer Plasmaätzung unterzogen, wobei sich eine Polymer
struktur, beispielsweise in Form eines Grabens 36 mit Flanken 34
und einem Grund 33 einstellt. Die Plasmaätzung stoppt beim Er
reichen des Substrates 30.
Das Substrat 30 ist beispielsweise ein Siliziumwafer oder ein
Siliziumwafer mit einer Siliziumverbindung wie SiO2 oder Si3N4
oder einem Metall wie Cu oder Al als Oberflächenschicht, auf dem
als Polymer 31 ein Photolack aufgebracht wird. Dieses Aufbringen
erfolgt vorzugsweise über Aufschleudern oder Aufsprühen. Zusätz
lich kann vor dem Aufbringen des Polymers 31 auf das Substrat 30
zunächst noch eine Haftschicht, beispielsweise aus HMDS aufge
bracht werden, um die Haftung des Polymers 31 auf dem Substrat
30 zu verbessern. Nach dem Aufbringen des Polymers 31 auf das
Substrat 30 erfolgt dann eine Trocknung und Härtung des Polymers
31, die hinsichtlich Dauer und Temperatur von dessen Zusammen
setzung abhängig ist und zweckmäßig zwischen 150°C und 350°C
liegt. Bei üblichen Photolacken beträgt die Endtemperatur beim
Tempern typischerweise 200°C.
Anschließend wird auf dem Polymer 31 eine Hartstoffschicht in an
sich bekannter Weise über eine Plasmaabscheidung oder ein Auf
sputtern oder ein Aufdampfen abgeschieden und über einen an sich
bekannten Photoprozeß und eine nachfolgende Plasmaätzung struk
turiert, so daß die Oberflächenmaskierung 32 des Polymers 31 aus
der strukturierten Hartstoffschicht entsteht. Als Hartstoff
schicht eignet sich beispielsweise ein mittels eines Plasmas ab
geschiedenes Oxid oder Nitrid wie SiN, TiN oder SiO2. Möglich
sind jedoch auch Metallschichten (z. B. Al) als Hartstoffschicht.
Die eigentliche Ätzung des Polymers 31 zur Strukturierung und
Herstellung einer Polymerstruktur, wie des Grabens 36, wird dann
in der ECR-Plasmaätzanlage als Plasmaätzanlage 1 durchgeführt,
die über ein Quarzfenster und über die Plasmaeinkoppeleinheit 18
Mikrowellenstrahlung als Energiequelle zur Anregung des zuge
führten Ätzgases in einen Plasmabereich eingekoppelt. Bei einem
Prozeßdruck von 0,2 µbar bis 10 µbar wird dazu mit einem sauer
stoffhaltigen Ätzgas, insbesondere Sauerstoff, über den Elektro
magneten 16 eine ECR-Anregung (electron cyclotron resonance) der
Elektronen im Plasma gewährleistet. Mit dieser Konfiguration
wird ein extrem hoher Ionisiationsgrad des zugeführten Ätzgases
erreicht. Die Verwendung von Sauerstoff als Ätzgas macht die
Kontrolle der Ätzchemie besonders einfach.
Um einen lateralen Ätzangriff zu minimieren, durch den ein
leicht bauchiges Profil der Flanken 34 der Polymerstruktur und
damit eine Profilverschlechterung verursacht wird, wird dem Ätz
gas Sauerstoff zusätzlich ein leichtes und/oder leicht ionisier
bares Gas zugegeben. Bevorzugt ist ein Inertgas, das keinerlei
Einfluß auf die Ätzprozeßchemie nimmt und keine Nebenreaktionen
eingeht, die zu Lasten der Ätzrate gehen könnten.
Dazu eignet sich insbesondere das Edelgas Helium in Form von 4He
oder, besonders bevorzugt, 3He, sowie Wasserstoff. Die Wirkung
dieser Zugabe beruht dabei auf folgendem Effekt.
Die im Plasma befindlichen und sich mit großer Geschwindigkeit
im wesentlichen ungerichtet bewegenden Elektronen werden bei Be
rührung mit den Flanken 34 einer Polymerstruktur dort "gepint",
d. h. sie verbleiben an der Oberfläche der Flanken 34 und können
wegen der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit des Polymers 31
von dort nicht abgeführt werden. Dies führt zu einer negativen
Aufladung der Flanken 34 der Polymerstruktur. Neben den leichten
und schnellen Elektronen befinden sich auch positiv geladene
Sauerstoffionen im Plasma, die über die anliegende Substratelek
trodenspannung stark gerichtet in Richtung zur Substratelektrode
35 und damit zum Grund 33 der Polymerstruktur beschleunigt wer
den. Durch die elektrisch negative Aufladung der Flanken 34 über
die gepinten Elektronen, kommt es jedoch, abhängig von der Auf
ladung der Flanken 34, zu einer Ablenkung der gerichteten Sauer
stoffionen in Richtung auf die Flanken 34, so daß sich dort ein
dynamisches Gleichgewicht zwischen negativer Elektronenaufladung
und Ionenentladung einstellt. Die Ablenkung der ursprünglich na
hezu senkrecht zum Grund 33 einfallenden Sauerstoffionen auf die
Flanken 34 führt dabei dazu, daß der ursprünglich absolut ani
sotrop auf den Grund 33 gerichtete Ätzangriff aus dem Plasma
nunmehr auch die Flanken 34 angreift, was zu der erwähnten Pro
filverschlechterung bzw. bauchigen Ausformung der Flanken 34 der
Polymerstruktur führt.
Die Wirkung der Zugabe des leichten, leicht ionisierbaren Gases
beruht daher auf einer Reduktion der elektrischen Aufladung der
Flanken 34, da die aus diesem Gas entstehenden Ionen besonders
leicht und schnell auf die Flanken 34 abgelenkt werden und dort
zu einer Neutralisiation der gepinten Elektronen führen, wobei
gleichzeitig, verglichen mit dem Einfall von Sauerstoffionen,
nur ein geringer Energieübertrag und insbesondere kein Ätzen der
Flanken 34 auftritt.
Mittels der an der Substratelektrode 35 anliegenden Hochfre
quenzspannung werden die erzeugten Ionen des Ätzgases über die
Ätzkammer 12 auf das Substrat 30 hin beschleunigt. Sie übertra
gen dabei Energie auf die Oberfläche des Substrates 30, und da
mit auf die über die strukturierte Hartstoffschicht der Ätzung
zugängliche Oberfläche des Polymers 31.
Als weitere Prozeßparameter werden während der Ätzung eine Sub
stratelektrodenspannung von 80 bis 200 Volt, und, besonders
wichtig, eine Kühlung des Substrates auf -30°C bis -120°C einge
stellt. Daneben wird ein Ätzgasfluß von 7 cm3/Minute bei Nor
malbedingungen bis 30 cm3/Minute bei Normalbedingungen über den
Prozeßgaseinlaß 17 in der Ätzkammer 12 eingestellt.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn eine Substrattem
peratur von -65°C, ein Prozeßdruck von 2 µbar und eine Substra
telektrodenspannung (Biasspannung) von 150 Volt gewählt wird.
Da eine direkte chemische Passivierung der Flanken 34 der Poly
merstruktur beim Ätzen nicht möglich ist, muß zur Reduzierung
oder zur Verhinderung eines lateralen Ätzangriffes auf die Flan
ken 34 der Polymerstruktur ein Einfrieren des jeweiligen Ätzpro
zesses an den Flanken 33 erreicht werden. Dies wird durch die
Kühlung des Substrates 30 gewährleistet, da die auf die Oberflä
che des Polymers 31 auftreffenden geladenen Ätzgasteilchen aus
dem Plasma über die angelegte Substratelektrodenspannung und bei
ausreichender Kühlung des Substrates nur einen Ätzangriff in
senkrechter Richtung d. h. des Grundes 33, nicht aber in vertika
ler Richtung, d. h. der Flanken 34 bewirken, da hierzu aufgrund
der Kühlung nicht genügend Reaktionsenergie zur Verfügung steht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der ECR-
Plasmaätzanlage eine an sich ebenfalls aus dem Stand der Technik
bekannte ICP-Plasmaätzanlage als Plasmaätzanlage 1 mit ansonsten
hinsichtlich Substrattemperatur, Prozeßdruck, Subtratelektroden
spannung, Ätzgasfluß und Ätzgas vergleichbaren Prozeßparametern
verwendet.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Polymerstrukturen auf einem
Substrat (30) mittels eines Ätzprozesses, wobei das Substrat
(30) in einer Ätzkammer (12) einer Plasmaätzanlage (1)
angeordnet und auf dem Substrat (30) ein Polymer (31) auf
gebracht ist, und wobei der Ätzprozeß bei einer Substrat
temperatur von -30°C bis -120°C durchgeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Ätzgas ein leichtes Gas und/oder ein
leicht ionisierbares Gas zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Ätzgas 4He, 3He oder H2 zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ätzprozeß bei einer Substrattemperatur von -50°C bis -80°C
und insbesondere bei -65°C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ätzprozeß unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Ätzgas
bei einem Prozeßdruck von 0,2 µbar bis 10 µbar, insbesondere bei
2 µbar, durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (30) mit einer Substratelektrode (35) in Verbindung
steht, und daß eine Biasspannung von 80 Volt bis 200 Volt,
insbesondere von 150 Volt, erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Plasmaätzanlage (1) eine ECR-Plasmaätzanlage (electron
cyclotron resonance) oder eine ICP-Plasmaätzanlage (inductively
coupled plasma) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Polymer (31) vor dem Ätzprozeß nach dem Aufbringen auf das
Substrat (30) bei Temperaturen zwischen 150°C und 350°C,
insbesondere bei 200°C, gehärtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Substrat (30) und dem Polymer (31) zunächst eine
Haftschicht aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Polymer (31) vor dem Ätzprozeß mit einer Oberflächen
maskierung (32) versehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächenmaskierung (32) durch die Abscheidung einer
Hartstoffmaske, insbesondere eines mittels eines Plasmas
abgeschiedenen Oxides oder Nitrides oder einer Metallschicht
erfolgt, die anschließend strukturiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Substrat (30) ein siliziumhaltiges Substrat (30) oder ein
Siliziumwafer eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Polymer (31) ein Photolack eingesetzt wird.
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