DE2526382C3 - Kathodenzerstäubungsverf ahren zur Herstellung geätzter Strukturen - Google Patents

Kathodenzerstäubungsverf ahren zur Herstellung geätzter Strukturen

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/34—Sputtering
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Description

45
Die Erfindung betrifft ein Kathodenzerstäubungsverfahren zur Herstellung geätzter Strukturen in mit Ätzmasken bedeckten Substraten in einem Zerstäubungsraum unter Aufrechterhaltung einer zwischen einer Kathode mit Kathodenauftreffplatte (Target) und einer Anode gezündeten Gasentladung, bei dem sowohl eine Readsorption abgestäubten Materials als auch eine Rückdiffusion abgestäubten Materials auftritt.
Solche Verfahren sind bekannt und finden Anwendung in der Dünnschichttechnologie beispielsweise zur Herstellung integrierter Magnetspeicher oder von Dünnschicht widerständen.
Bei diesen bekannten Verfahren wird — ähnlich wie &" bei den naßchemischen Ätzverfahren — die zu strukturierende Schicht mit einer Maske abgedeckt, die in den meisten Fällen aus einem Photolack besteht und in bekannter Weise durch einen photolilhographisehen Pro/el.i hergestellt wird. Es können aber auch andere far' Materialien für Masken verwendet werden, z. 15. Titan oder Molybdän, wenn spezielle Ätzprobleme vorliegen, beispielsweise bei der Erzeugimg tiefer Strukturen mit hoher Maßhaltigkeit.
Eine mittels Ionenätzung in einem Substrat erzeugte Struktur weist bekanntlich mehr oder weniger deutliche charakteristische Veränderungen im Vergleich zum ursprünglichen Profil der Ätzmaske auf, die auf eine Schrumpfung der ursprünglichen Profilbreite der Ätzmaske und eine Inhomogenität der Ätzrate in unmittelbarer Nähe der Maskenkanten zurückzuführen sind. Hervorgerufen werden diese Effekte zum Teil dadurch, daß die Ionen im Bereich der Maskenkanten schräg auf die Maskenoberfläche auftreffen. Es ist bekannt, daß die meisten der bisher untersuchten Materialien eine Erhöhung der Ausbeute zerstäubter Teilchen pro einfallendes lon mit zunehmendem Einfallswinkel der Ionen gegen die Flächennormale zeigen, wodurch die Maskenstruktur einen erhöhten Abtrag an schrägen Kamen und damit die im Substrat erzeugte Struktur eine Profilschrumpfung erfährt. Durch Wahl eines geeigneten Maskenmaterials Kann diese Profilschrumpfung der im Substrat erzeugten Struktur nahezu vermieden werden (vgl. [!E-OS 22 58 297).
Die örtliche Homogenität der Ätzrate wird aber bekanntlich neben den Maskeneigenschaften außerdem durch zwei weitere Effekte entscheidend beeinflußt: Durch eine Readsorption abgestäubten Materials und durch eine Rückdiffusion abgestäubten Materials.
Diese beiden Effekte, Readsorption und Rückdiffusion, wirken besonders nachteilig zusammen bei der Herstellung von Strukturen, deren Topographie derart ist, daß z. B. mehrere sehr feine, dicht benachbarte Strukturen neben größeren unstrukturierten Bereichen in einem Substrat liegen.
Bei der Ionenätzung feiner Strukturen ergeben sich daher folgende Probleme:
Die in einem Substrat geätzten Strukturen weisen entweder nicht frei geätzte Partien auf, was auf eine starke Readsorption abgestäubten Materials — vor allem bei Verwendung von Ionenstrahl-Ätzanlagen — zurückzuführen ist, oder die geätzte Struktur zeigt starke Gräben an den Rändern der Ätzmaske, was einer starken Rückdiffusion abgestäubten Materials zuzuschreiben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kathodenzerstäubungsverfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein homogener Schichtabtrag unabhängig von der Größe und Geometrie der Ätzfiguren, dem Profil der Ätzmaske und dem Maskenmaterial erfolgt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Arbeitsgasdruck so eingestellt wird, daß die Ätzrate zur Entfernung des readsorbierten und des durch Rückdiffusion wieder angelagerten Materials örtlich konstant ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sehr feine Strukturen aus einem beliebigen Material durch homogenen Schichtabtrag erzeugt werden können durch die kontinuierliche Einstellung der lokalen Abtragsraten, auch wenn sehr feine Ätzfiguren von sehr unterschiedlicher Große geätzt werden müssen Die kontinuierliche Einstellungsmöglichkeit der lokalen Abtragsraten ist von besonderem Vorteil bei der Ätzung von mehrschichtigen Strukturen, da es hier ganz, besonders auf die Unversehrtheit der unter der zu ätzenden Schicht liegenden nächsten Schicht ankommt.
Im folgenden werden Ausfiihriingsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert.
Der Prozeß tier Readsorpiion abgestaubten Materials
ist in F i g. 1 schematisch dargestellt. Ein im Punkt A auf die Kante der Maske 2 auftreffendes lon 1 führt zu einer Zerstäubung, bei der abgestäubtes Material im maskennahen Bereich, z. B. im Punkt B, auf der zu ätzenden Schicht 3 wieder angelagert wird. Dadurch verringert sich die effektive Ätzrate S2 im maskennahen Bereich gegenüber der effektiven Ätzrate Si vn maskenfernen Bereich, z. B. im Punkt E, unter Umständen erheblich.
Der Prozeß der Rückdiffusion abgestäubten Materials ist in Fig.2 schematisch dargestellt. Teiler sn (Atome) abgestäubten Materials erleiden bei jedem Zusammenstoß mit anderen Teilchen eine plötzliche Richtungsänderung; sie beschreiben daher im Laufe der Zeit eine Zick-Zack-Bahn. Die einzelnen, geradlinigen, ungeknickten Teile dieser Bahn werden als »freie is Weglängen« bezeichnet Selbstverständlich sind diese keineswegs untereinander gleich; bald begegnet ein Teilchen kurz nacheinander zwei Teilchen, bald durchläuft es ohne Zusammenstoß eine längere Strecke. Wird aus einer großen Anzahl der freien Weglängen der 2c Mittelwert gebildet, so wird diese »mittlere freie Weglänge« λ, die durchschnittliche Länge der einzelnen Zacken der Bahn der Teilchen, eine für das Gas und seinen Zustand (Druck, Temperatur) charakteristische Größe darstellen. Wird der Druck des Gases erniedrigt, so werden die Zacken der Bahn der Teilchen und damit die mittlere freie Weglänge vergrößert; wird der Druck des Gases erhöht, so werden sie verkleinert, und zwar ergibt die Berechnung, daß λ dem Gasdruck bzw. der Dichte umgekehrt proportional ist. Wenn bei höherem Arbeitsgasdruck die mittlere freie Weglänge λ d.'r Atome des abgestäubten Materials im Zerstäubungsraum klein wird gegen den Abstand c/Target 4 — Anode 5, diffundiert ein Teil des abgestäubten Materials auf das Target und das darauf plazierte Substrat 3 zurück. Es kommt daher aufgrund der Diffusion von Targetmaterial auf das Substrat und umgekehrt zu einer Reduktion der Ätzrate, die in der unmittelbaren Nähe von Maskenkanten wegen der dort vorliegenden Abschatlungweniger ausgeprägt ist.
In Fig.3 ist der Einfluß der Rückdiffusion auf die lokale Ätzrate dargestellt. Während der Punkt Cinfolge Abschattung durch die Masken 2 diffundierendes Material aus dem Raumwinkel Φ2 erhält, ist für den Punkt D der Raumwinkel Φ\ maßgebend. Die pro Flächeneinheit auftretende Menge rückdiffundierenden Materials ist daher in C geringer als in D. Daher ist die effektive Ätzrate in Cgrößer als in D.
Wird an Hand der Fig. 1 die Ionenä:zung bei senkrechter Inzidenz an dem dargestellten Querschnitt 5u einer Struktur unter der Voraussetzung, daß die Rückdiffusion von abgestäubtem Material zu vernachlässigen ist, betrachtet, so erfolgt der Schichtabtrag in dem mit Ygekennzeichneten Bereich mit einer Ätzrate S]. Dem Zwischenstrukturbereich X ist unter gleichen w Bedingungen die kleinere Ätzrale .S".> zuzuordnen, da hier ein bedeutender Anteil des von der Kante abgesläubien Materials in Richtung der Schichtoberfläche emittiert wird und dort von den senkrecht auftreffenden Ionen erneut abgetragen werden muß. fei) Die Anzahl der angelagerten Teilchen ist dabei abhängig von der Kanlcnneigung und der Dicke der Ätzmaske, der Energie und der Dichte der Ionen und der dem Kantenwinkel t\ zuzuordnenden Ausbeute abgetragenen Materials unter Berücksichtigung der f" Winkel verteilung der abgestäubten Festkörperteilchen.
Dem beschriebenen Verfahren liegt folgende Erkenntnis /ligrunde: Mit einer Variation des Arheilsgnsdruckes ergibt sich eine Einstellbarkeit der mittleren freien Weglänge λ der Atome des abgestäubten Materials und damit eine Einstellbarkei' der Menge des aufgrund von Rückdiffusion wiederangelagerten Materials. Der Arbeitsgasdruck kann daher so eingestellt werden, daß die Ätzzeit zur Entfernung des readsorbierten und durch Rückdiffusion wiederangelagerten Materials örtlich konstant ist. Es ergeben sich daher für alle Bereiche der zu ätzenden Struktur gleiche Ätzraten.
Eine bestimmte, von der jeweiligen Situation abhängige Menge von rückdiffundiertem Material wird also durch eine Angleichung der unterschiedlichen Ätzraten für Bereiche unterschiedlicher Abmessungen einstellbar, und zwar durch Wahl des geeigneten Gasdruckes, da dieser die mittlere freie Weglänge λ der Atome des abgestäubten Materials bestimmt. Da die Intensität rückdiffundierenden Materials durch das Verhältnis d/λ bestimmt wird (d= Abstand Target—Anode), kann die Angleichung der unterschiedlichen Ätzraten Si und Si im Prinzip auch durch Einstellung eines geeigneten Abstandes d bei vorgegebenem Gasdruck erreicht werden. Hier die für den jeweiligen Prozeß optimale Auswahl der Parameter zu treffen, liegt im Bereich fachmännischen Handelns. Ein hoher Anteil rückdiffundierenden Materials hat zur Folge, daß die Ätzrate Sx des in Fig. 1 mit Y bezeichneten maskenfernen Bereichs wesentlich stärker reduziert wird als die Ätzrate S? des maskennahen Bereichs X. Während im Bereich Y rückdiffundierendes Material aus dem Raumwinkel Φι angelagert wird (siehe F i g. 3). entfällt auf den Bereich X nur noch der erheblich kleinere, durch den Winkel Φ2 bestimmte Anteil. Bei passend gewähltem Gasdruck ergänzen sich die Einflüsse von Readsorption und Rückdiffusion abgestäubten Materials, so daß, von geringen Abweichungen abgesehen, 5i = 52 wird.
Auf diese Weise ist also eine Steuerung der zunächst unterschiedlichen Ätzraten innerhalb zu strukturierender Bereiche unterschiedlicher Abmessungen über die Intensität der Rückdiffusion abgestäubten Materials und damit eine Angleichung der unterschiedlichen Ätzraten möglich.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, in einem gewissen Rahmen wohl definierte Unterschiede beiderlei Vorzeichens der Ätzraten S] und 52 durch Wahl eines geeigneten Gasdruckes zu erreichen.
Als Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer Struktur beschrieben, die aus separaten Ätzfiguren mit jeweils neun karnmartig ineinandergreifenden, 60 μιτι langen Bahnen bestand. Die Breite dieser parallel verlaufenden Bahnen betrug 4 μιη bei einem Abstand von 1,5 Jim. Diese Ätzfiguren waren mit einer Periodizität von 200 μπι angeordnet.
Das /u strukturierende Substrat bestand aus einer thermisch oxidierten Siliziumscheibe von 38 mm Durchmesser, auf die nacheinander 0,16 μιτι Titan, 0,15 μιτι Platin und 0,62 μηι Gold ganzflächig aufgebracht wurden. Als Ätzmaske diente eine 2 μηι dicke Lackstruktur, deren Kantenneigung etwa 70" betrug. Hierbei handelte es sich um einen im Handel erhältlichen Photolack, aus dem die Maske in bekannter Weise durch einen photolithographischen Pro/eß erzeugt wurde.
Die Ätzung der Metallstruktur auf dem Sili/.iumsubslral erfolgte in einer mit Hochfrequenz betriebenen Kallioden/erstiuibungsanlage, die mit einem wassergekühlten fiian-Tiirgct von 15 cm Durchmesser ausgestaltet war. Der Abstand /wischen Target und Anode
betrug 21cm.
Als inertes Arbeitsgas wurde Argon verwendet. Bei einem Argondruck von 4,8 χ 10~3mbar und einer Ionenenergie von 122OeV waren zum Ätzen der Metallschichten insgesamt 800 see erforderlich. Bei 4,8 χ 10~3 mbar ergibt sich eine mittlere freie Weglänge λ von ~ 1 cm, so daß bei einem Abstand d zwischen Targel und Anode von 21 cm das Verhältnis dlk ~ 20 wird. Die hier beschriebenen Ionenätzbedingungen führten zu getrennten, sauber geätzten Metallbahnen und einer homogenen Dicke der freigelegten Quarzschicht. Vergleichsversuche mit bis auf den Argondruck und die lonenätzzeil unveränderten Parametern haben
folgendes ergeben:
1.) Eine Verringerung des Argoindruckes, also eine Verringerung der Rückdiffusion, führte zu nicht frei geätzten Melallstrukluren bei erheblicher Beschädigung der 0,4 μπι dicken Quarzschicht im maskenfernen Bereich (Bereich Kgemäß Fig. 3);
2.) Eine Erhöhung des Argonclruckes, also eine Erhöhung der Rückdiffusion, führte zu erheblicher Beschädigung der Quarzschicht im maskennahen Bereich (Bereich X gemäß Fig. 3) bei einer von der Metallschicht nicht freigelegten Quarzschicht im maskenfernen Bereich (Bereich ygemäß F i g. 3).
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Kathodenzerstäubungsverfahren zur Herstellung geätzter Strukturen in mit Ätzmasken bedeckten Substraten in einem Zerstäubungsraum unter Aufrechterhaltung einer zwischen einer Kathode mit Kathodenauftreffplatte (Target) und einer Anode gezündeten Gasentladung, bei dem sowohl eine Readsorption abgestäubten Materials als auch eine Rückdiffusion abgestäubten Materials auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsgasdruck so eingestellt wird, daß die Ätzrate zur Entfernung des readsorbierten und des -durch Rückdiffusion wieder angelagerten Materials örtlich konstant ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dlX kleiner als 500 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Ätzmaske ein Photolack verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Ätzmaske Titan verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Ätzmaske Molybdän verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Target Titan verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Target wassergekühlt ist.
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Ätzen von Substraten in Form von homogenen Metallschichten.
10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Ätzen von Substraten in Form von mehreren Metallschichten.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der Schichten Titan, Platin und Gold sind.
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