DE19910984C2 - Verfahren zur Herstellung von Polymerstrukturen auf einem Substrat mittels eines Ätzprozesses - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Ausführungsbeispiele

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.