DE2436568C3

DE2436568C3 - Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten

Info

Publication number: DE2436568C3
Application number: DE19742436568
Authority: DE
Inventors: Ursula; Hübsch Hubertus; Dimigen Heinz Dipl.-Phys. Dr.; 2000 Hamburg; Lüthje Holger 2083 Halstenbek Convertini
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Filing date: 1974-07-30
Publication date: 1978-02-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Verfahren sind bereits bekannt und finden Anwendung in der Dünnschichttechnologie, z. B. bei der Herstellung von Masken für Festkörperschaltungen.

Es ist dabei bereits bekannt (DDR-Patent 72 068), SiO2-Masken auf einem Halbleitersubstrat derart herzustellen, daß auf dem Substrat eine Photolackmaske

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inn ι line vuii μιιυιυιιιιιυ£ΐ αμιιι»ι^ιι^ιι vciiaiiicii iicigcstellt und mittels Kathodenzerstäubung in einer Gasentladung sowohl auf die Photolackmaske als auch auf die lackfreien Flächen des Halbleitersubstrats eine Siiiziumoxid- oder Siliziumnitrid-Schicht aufgebracht wird. Anschließend wird das Substrat mit einem die Lackmaske angreifenden Lösungsmittel behandelt, die Photolackmaske quillt auf und die auf ihr befindlichen Teile der Siliziumoxid- oder Siliziumnitrid-Schicht werden abgesprengt Nach Entfernen der Photolackmaske verbleibt auf dem Halbleitersubstrat als Negativ des Musters der Photolackmaske die gewünschte Siliziumoxid- oder Siliziumnitrid-Maske.

Es hat sich nun gezeigt, daß dieses bekannte Verfahren Nachteile hat, wenn sehr fein strukturierte Schichten mit Schichtdicken größer 1 μηι auf einem Substrat gebildet werden sollen. Es können nach dem bekannten Verfahren strukturierte Schichten dieser Art nicht mit der wünschenswerten Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Mit anderen Worten: Die Ausbeute an im Vergleich zum Muster der Maske vollständig, maßstabsgetreu und einwandfrei strukturierten Schichten auf einem Substrat ist nicht hoch genug. Mit »vollständiger« Strukturierung ist gemeint, daß alle freizulegenden Flächen auf dem Substrat auch wirklich reproduzierbar freigelegt werden und die »einwandfreie« Strukiurierung bezieht sich vor allem auf die Qualität de; Flanken des in der zu strukturierenden Schicht gebildeten Profils. Speziell im Hinblick auf eine Massenfertigung ist es wichtig. Schichten der genannten Art in gleichbleibender Qualität und mit einer hohen Genauigkeit herstellen zu können. Profilungenauigkeiten machen sich z. B. besonders nachteilig bemerkbar, bei der Ausbildung mehrlagiger strukturierter Schichten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Reproduzierbarkeit bzw. die Ausbeute abhängig ist von der Art der Oberfläche, auf die die Photolackschicht und auf deren lackfreien Stellen die zu strukturierende Schicht aufgebracht wird: Sie muß so beschaffen sein, daß der Photolack ihr gegenüber ein nur geringes Haftungsvermögen hat.

Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß der Absprengprozsß der auf dem Photolack befindlichen Teile der zu strukturierenden Schicht begünstigt werden kann durch Volumenänderungen der Photolackschicht, die z. B. durch Temperatureinwirkung erreicht werden können.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung sehr feiner Strukturen in dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebene Ausbildung des Verfahrens gelöst.

Vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in bezug auf die Maskenvorlage vollständig, maßstabsgetreu und mit guter Profilqualität strukturierte Schichten mit guter, reproduzierbarer Ausbeute erhalten werden können. Die Schichtdicken der zu strukturierenden Schichten liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 1 —3 μίτι, sie können auch größer sein. Die Schichtdicke der zu strukturierenden Schichten wird in erster Linie begrenzt durch die Aufbringbarkeit entsprechend dicker Photolackschichten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

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beschrieben. Es zeigen

Fig. la bis Ic Querschnitte durch ein Substrat in verschiedenen Stufen des Verfahrens.

F i g. 2 graphische Darstellung der Abhängigkeit der Ausbeute einwandfrei und vollständig strukturierter Schichten von der Art der Oberfläche acs Substrats,

Fig.3a bis 3f Querschnitte durch ein Substrat mit Mehrfachschichten in verschiedenen Stufen des Verfahrens,

Fig. 4 Darstellung der Abhängigkeit der Ausbeute ι ο einwandfrei und vollständig strukturierter Schichten und des Flanken-Neigungswinkels der Photolackschicht von der Ausbacktemporaturder Lackmaske.

Für das nachfolgende Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer strukturierten Aluminiumschicht, wie sie z. B. als Leiterbahnschicht Verwendung finden kann, auf einem Substrat beschrieben, wobei diese Aluminiumbahnen 5 μΐη breit und ca. 20 mm lang sind und einen Abstand von 5 μιπ voneinander haben. Die Dicke der Aluminiumbahnen soll etwa 1 μίτι betragen. In derselben Weise können auch anders geartete Schichten strukturiert werden, z. B. Titanschichten, magnetische Schichten für Massenspeicher oder Dünnfilm-Magnetknöpfe oder Schichten aus Oxiden und Nitriden, die als Diffusionsmasken, Oxidationsmasken, Diffusionsquellen, Dielektrika oikr Passivierungsschichten in der Planartechnik der Halbleitertechnologie Verwendung finden.

Auf einem Substrat 1 (Fig. la) wird eine Trägerschicht 2 angebracht, auf der Photolack nicht besonders gut haftet Als Material für solche Schichten haben sich S1O2 und Aluminium bewährt. Bei Silizium-Substraten kann eine SiO₂-Schicht durch thermische Oxidation gebildet werden, die Schichten können aber ebensogut z. B. durch Kathodenzerstäubung in der Gasphase oder durch Aufdampfen gebildet werden. Auf dem mit der Trägerschicht 2 versehenen Substrat 1 wird anschließend eine maskierende Photolackschicht 3 mit steilen Flanken mit Hilfe der bekannten photolithographischen Techniken angebracht, wobei die Photolack-Maske das Negativ der zu bildenden strukturierten Schicht darstellt. Für die Herstellung der Photolackschicht 3 kann sowohl ein Positivlack als auch ein Negativlack verwendet werden. Bei diesen Lacken handelt es sich um lichtempfindliche Lacke auf der Basis entweder eines organischen Polymers, das durch Lichteinwirkung aufgespalten wire! oder eines organischen Monomers, das durch Lichteinwirkung polymersiert wird. Solche Lacke sind in der Halbleitertechnologie ζ. Β. für Maskierungsschritte bekannt und für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel wurde Positiv-Photolack in einer Dicke von etwa 3 μηι aufgebracht. In jedem Fall muß die Dicke der Photolackschicht größer sein als die Dicke der zu strukturierenden Schicht. Die Photolackschicht 3 darf nach dem Auftragen und Entwickeln nicht mehr erwärmt werden, um die Steilheit der Flanken nicht zu beeinträchtigen. Im Anschluß an das Aufbringen der Photolackschicht wird auf das gekühlte Substrat 1 mit der Trägerschicht 2 und und der Photolackschicht 3 eine 1 μΐη dicke Schicht 4 aus Aluminium durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung in einer Gasentladung (vorzugsweise in Argon) aufgebracht (F i g. Ib). Im Anschluß hieran wird das Substrat während einer Dauer von 30 Minuten auf 130°C erwärmt.

Die praktischen Ergebnisse haben gezeigt, daß eine solche Temperaturbehandlung den Absprengprozeß der auf der Photolackschicht befindlichen Teile der zu strukturierenden Schicht deutlich begünstigt. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß durch Ausdehnung des Photolacks, sei es durch Wärmedehnung oder durch Abgabe von noch im Lack enthaltenden Lösungsmittelresten, ein Aufsprengen oder zumindest eine Rißbildung in dei zu strukturierenden Schicht gefördert wird Die Temperatur sollte möglichst hoch sein, auf jeden Fall über dem Fließpunkt des Photolacks, sie soll aber andererseits nicht so hoch sein, daß sie eine weitere Vernetzung des Photolacks bewirkt und damit seine Lösungsmittellöslichkeit herabsetzt

V/ie groß die Bedeutung der Art der Oberfläche des Substrats, auf die die Photolackschicht und die zu strukturierende Schicht aufgebracht wird, für die Ausbeute an einwandfrei und vollständig strukturierten Schichten ist ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle und aus F i g. 2. Die Oberfläche des Substrats muß so beschaffen sein, daß die Photolackschicht nicht sehr gut auf ihr haftet Wurde auf einem Siliziumsubstrat durch thermische Oxidation eine SiO₂-Schicht gebildet war die Ausbeute deutlich besser, als wenn auf dem Substrat beispielsweise eine Chrcm-Nickel-Schicht als Trägerschicht für die Photolackschicht und die zu strukturierende Schicht angebracht wurde. Die günstigen Auswirkungen einer SiO₂-Schicht als Trägerschicht zeigen sich auch an dem Beispiel, bei welchem eine Chrom-Nickd-Schicht auf dem Substrat mit einer zusätzlichen SiO2-Schicht bedeckt wurde, die dann ihrerseits die Trägerschicht für die Photolackschicht und die zu strukturierenden Schicht bildete.

Oberfläche des Substrats

Ausbeute

Siliziumsubstrat mit
SiOj-Trägerschicht
Siliziumsubstrat mit
Chrom-Nickel-Trägerschicht
(0,1 pn)

Siliziumsubstrat mit
Chrorn-Nickel-Zwischenschicht
(0,1 |iim)und
SiO₂-Trägerschicht(0,l μιτι)

98

45

96

Im Anschluß an die Temperaturbehandlung des mit der Photolackschicht 3 und der zu strukturierenden Schicht 4 versehenen Substrats 1 wird das Substrat in ein Lösungsmittel getaucht, das den Photolack löst Ein derartiges Lösungsmittel kann beispielweise Aceton sein. Durch Diffusion durch die zu strukturierende Schicht 4 löst das Lösungsmittel den unter der Schicht liegenden Photolack an und läßt ihn quellen. Die Behandlung kann durch Ultraschalleinwirkung beschleunigt werden. Der aufquellende Photolack 3 hebt die auf ihm befindlichen Teile der zu strukturierenden Schicht 4 ab und auf dem Substrat 1 mit der Trägerschicht 2 verbleiben nach vollständiger Entfernung des Photolacks die restlichen Teile der zu strukturierenden Schicht 4(F i g. Ic).

Nach dem beschriebenen Prinzip können auch Mehirfiachschichten strukturiert werden, die aus Schichten unterschiedlichen Materials aufgebaut sind, z. B. aus einem Isolier- und einem Leiterbahnenmaterial. Solche mehrlagigen Schichten sind beispielsweise von Bedeutung für den Aufbau integrierter magnetischer Speicher.

In F i g. 3a ist der Querschnitt durch ein Substrat 1 mit einer Trägerschicht 2, hier als magnetische Schicht aus FeSi, einer die Trägerschicht 2 teilweise bedeckenden Fhotoiackschichi 3, einer durch Kathodenzerstäubung

aufgebrachten SiCh-Schicht 4 und einer auf diese SiCh-Schicht 4 durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Aluminiumschicht 5 dargestellt. Nach Ablösen der Photolackschicht 3 stellt sich das doppelt beschichtete Substrat 1 mit der Trägerschicht 2, der SiO₂-Schicht 4 und der Aluminiumschicht 5 wie in Fig.3b gezeigt dar. Diese in Fig.3b gezeigte Schichtenfolge kann nun abermals mit einer Isolier und einer Leiterbahnschicht versehen werden, es ergibt sich die Darstellung gemäß F i g. 3c, wobei auf das Substrat 1 mit der ersten Schichtenstruktur 4 und 5 eine weitere Photolackschicht 33 und durch Kathodenzerstäubung eine weitere SiCVSchicht 44 und eine weitere Aluminiumschicht 55 aufgebracht wurden. Nach dem Ablösen der Photolackschicht 33 stellt sich das Substrat 1 mit der Trägerschicht 2 und den doppelten Schichtstrukturen 4 und 5 und 44 und 55 wie in Fig.3d gezeigt dar. Auf diese mehrfach strukturierte Schichtenfolge kann als weiterer Prozeßschritt durch Kathodenzerstäubung eine dritte SiCV Schicht 44 als Isolierschicht aufgebracht werden (Fig. 3e), die anschließend z.B. galvanisch mit einer magnetischen Deckschicht 6, z. B. aus Nickeleisen, versehen werden kann (Fig. 3f). Der magnetische Schluß zwischen der magnetischen Trägerschicht 2 und der magnetischen Deckschicht 6 ist bildlich nicht dargestellt.

Von großer Bedeutung bei dem beschriebenen Verfahren ist die Steilheit der Flanken der strukturierten Photolackschicht; außerdem soll die Photolackschicht möglichst keine verrundeten Kanten aufweisen. Beispielsweise führt eine Wärmebehandlung einer Photolackschicht zu einer Abflachung des Flanken-Neigungswinkels und zur Verrundung der Kanten.

In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Ausbeute einwandfrei und vollständig strukturierter dünner Schichten (ausgezogene Kurve) sowie die Abhängigkeil des Flankenwinkels von der Ausbacktemperatur der Lackmasse (gestrichelte Kurve) dargestellt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Strukturierung dünner Schichten, bei dem die zu strukturierende Schicht auf ein stellenweise von einer Photolackschicht maskiertes Substrat aufgebracht und durch Entfernung der Photolackschicht durch Einwirkung von Hitze teilweise wieder entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf dem Substrat (1) als Trägerschicht (2) für die Photolackschicht (3) und für die zu strukturierende Schicht (4) eine Schicht aufgebracht wird, gegenüber welcher Photolack ein nur geringes Haftungsvermögen hat, und daß das Substrat nach Aufbringen der zu strukturierenden Schicht auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Fließpunkt des Photolacks liegt, die aber nicht so hoch ist, daß die chemische Reaktionsfähigkeit des Photolacks beeinträchtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Trägerschicht (2) S1O2 verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Trägerschicht (2) Aluminium verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Trägerschicht (2) ein magnetisches Material verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung im Temperaturbereich von 100—20O⁰C vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu strukturierende Schicht (4) in einer Dicke im Bereich von 1 bis 3 μπι aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu strukturierende Schicht als Mehrlagenschicht aufgebracht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackschicht (3) in einer Dicke aufgebracht wird, die größer ist als die Dicke der zu strukturierenden Schicht (4).

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zu strukturierende Schicht (4) ein Metall oder eine Legierung verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zu strukturierende Schicht (4) ein Oxid verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zu strukturierende Schicht (4) ein Nitrid verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zu strukturierende Schicht (4) ein magnetisches Material verwendet wird.