DE2536718B2 - Verfahren zur herstellung geaetzter strukturen in festkoerperoberflaechen durch ionenaetzung und bestrahlungsmaske zur verwendung in diesem verfahren - Google Patents

Verfahren zur herstellung geaetzter strukturen in festkoerperoberflaechen durch ionenaetzung und bestrahlungsmaske zur verwendung in diesem verfahren

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Description

Die Erfindung betrifft ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Verfahren zur Herstellung geätzter Strukturen in Festkörperoberflächen durch Ionenätzung sowie eine Bestrahlungsmaseke zur Verwendung in diesem Verfahren.
In Festkörperoberflächen sind durch Beschüß mit energiereichen Ionen Vertiefungen vorgegebener Form erzielbar. Dabei wird die Materie des festen Körpers aufgrund von atomaren Koloisionen der einfallenden Ionen mit den Bausteinen des Festkörpers abgetragen. Die Abtragungsrate der dem Ionenbeschuß ausgesetzten Fläche ist dabei unter anderem abhängig von der Masse und der Energie der Ionen, der Masse der Bausteine des Festkörpers sowie von der Einfallsrichtung des Ionenstrahles, vgl. auch »Journal of Applied Physics«, Vol. 30,(1959) Nr. 111S. 1762-1765.
Aus der französischen Patentschrift 15 08 463 und der deutschen Patentschrift Nr. 21 17 199 ist bekannt, daß zur Herstellung vorgegebener Strukturen in den Festkörperoberflächen bei der Ionenätzung Ätzmasken verwendet werden, wobei als Ätzmaske ein Film aus fotoempfindlichem Lack verwendet wird, der auf der Oberfläche des Festkörpers aufgebracht wird. Das gewünschte Muster wird mit einem fotolithografischen Prozeß erhalten, und die Abätzung der durch den Fotolackfilm nicht abgedeckten Teile der Festkörperoberfläche erfolgt anschließend durch den Ionenbeschuß, wobei das Kantenprofil der Ätzmaske in der zu ätzenden Festkörperoberfläche durch diesen Ionenätzprozeß abgebildet wird. Bei der Ionenätzung wird die Fotolackätzmaske jedoch selber von dem Ionenbeschuß angegriffen. Dies hat einmal zur Folge, daß die in der Festkörperoberfläche durch die Ätzung erzeugten Vertiefungen nicht von senkrecht zur Festkörperoberfläche verlaufenden Flächen begrenzt werden, sondern von Flächen, die einen Böschungswinkel von etwa 60° zu der Festkörperoberfläche aufweisen. Dieser Effekt ist einerseits erwünscht, da Schichten, die im weiteren Verfahren auf die so geätzte Festkörperoberfläche aufgebracht werden, an nicht zu steilen Kanten besser haften und eine bessere Dickenverteilung aufweisen als
bei senkrecht verlaufenden Kanten. Andererseits wird aber die Fotolackmaske bei der Ionenätzung abgetragen und dadurch in ihren Abmessungen verkleinert. Dies hat zur Folge, daß die in der Festkörperoberfläche durch den lonenbeschuß herausgeätzten Strukturen in ihren Abmessungen größer sind als die entsprechenden Strukturen der Fotolackschicht. Dieser Umstand läßt sich nur im begrenzten Umfang durch eine Maßvorgabe der Fotolackschicht ausgleichen, da bei den in der Fotolackschicht mit einem fotolithografischen Verfahren erzeugten Strukturen aufgrund der bei der lichtoptischen Projektion auftretenden Beugungserscheinungen ein Mindestabstand nicht unterschritten werden kann.
Zur Vermeidung eines Meßverlustes der Bestrahlungsmaske kann bei d?r Ionenätzung der Umgebungsatmosphäre, wie aus der DT-PS 21 17 199 weiterhin bekannt ist, ein reaktives Gas zugesetzt werden, das eine Erniedrigung der Ätzrate der Metallmaske verursarht. Dies hat aber zur Folge, daß die Ionenätzung nicht mehr zu Böschungswinkeln von etwa 60° führt, sondern zu nahezu senkrecht verlaufenden Kanten. Dies wirkt sich dann nachteilig aus, wenn die erzeugte Ätzstruktur anschließend mit einer Schicht gleichmäßig bedampft werden soll, weil diese aufgedampfte Schicht dann an den senkrecht verlaufenden Kanten abreißen kann.
Ein Maßverlust der Fotolackmaske bei dem Ionenätzverfahren kann teilweise vermieden werden, wenn Metallmasken verwendet werden. So ist aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 13, Sept. 1970, Nr. 4 S. 884 ein Verfahren bekannt, bei dem auf dem Substrat, das mit der Struktur versehen wird, eine Aluminiumschicht abgeschieden wird, deren Zerstäubungsrate kleiner ist als die Zerstäubungsrate des Substrates. In diese Aluminiumschicht wird mittels eines Photolack-Ätzverfahrens ein Muster geätzt Die mit dem Muster versehene Metallschicht dient für den weiteren Prozeß als Maske für die Sputterätzung. Die entwickelte Photolackschicht kann bei der Sputterätzung auf der Metallmaske bleiben; sie wird im weiteren Verfahren zusammen mit der Metallmaske entfernt Bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Verfahren wird zwar eine Bestrahlungsmaske verwendet, die aus zwei Schichten mit unterschiedlicher Zerstäubungsrate, einer Metallschicht und einer darauf befindlichen Photolackschicht, besteht, jedoch wird bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die Schicht mit der größeren Zerstäubungsrate auf der von der Festkörperoberfläche abgewandten Seite angeordnet Das bedingt eine Verkleinerung der Zerstäubungsmaske während der Ionenätzung.
Die erzeugte Ätzstruktur wird weitgehend durch die Aluminiumschicht der Ätzmaske bestimmt
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen für ein wie SS eingangs aufgeführtes Verfahren anzugeben, mit denen sich bei den ionengeätzten Strukturen schräg verlaufende Kantenflächen erreichen lassen, ohne daß bei den geätzten Strukturen ein störender Maßverlust gegenüber der verwendeten Ätzmaske auftritt
Diese Aufgabe wird bei einem wie eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß nach der im kennzeichnendden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise gelöst
Während der Ionenätzung wird also die Zerstäubungsrate der Maske zunächst gering gehalten. Dies hat zur Folge, daß die durch Ionenätzung in der Festkörrjeroberfläche erzeugten Strukturen zunächst von senkrecht verlaufenden Kantenflächen begrenz! werden und die Abmessungen der geätzten Strukturen den Abmessungen der Ätzmaske identisch en isprechen. Wird dann die Zerstäubungsrate der Ätzmaske vergrößert, so werden bei fortschreitender Ionenätzung die Kantenflächen der in der Fesikörperoberfläche erzeugten Strukturen abgeschrägt. Zwar erleidet in diesem zweiten Teil des Ätzverfahrens die Ätzmaske einen Maßverlust, jedoch ist der durch diesen Maßverlust bewirkte Unterschied zwischen den Dimensionen der ionengeätzten Strukturen und der ursprünglichen Ätzmaske vernachlässigbar gering.
Eine bevorzugte Maßnahme, mit der während des lonenätzverfahrens die Ätzrate der verwendeten Maske vergrößert werden kann, besteht darin, daß entsprechend der im Anspruch 2 angegebenen Weise eine Maske verwendet wial, die aus Schichten mit unterschiedlicher Zerstäubungsrate besteht, und die so angeordnet ist, daß die Schicht mit der größeren Zerstäubungsrate auf der der Festkörperoberfläche zugekehrten Seite der Maske liegt
Das bewirkt, daß durch den lonenbeschuß zunächst in der Festkörperoberfläche Strukturen mit senkrecht verlaufenden Kanten erzeugt werden, da die Abtragungsgeschwindigkeit des Festkörpers wesentlich größer ist als die der Ätzmaske. Sobald die erste Schicht der Ätzmaske durch die Ionen abgetragen ist und die zweite Schicht der Ätzmaske dem lonenbeschuß ausgesetzt wird, wird die Zerstäubungsrate der Ätzmaske größer. Dies führt dazu, daß die Kanten der Ätzmaske und damit auch die Kanten der in eier Festkörperoberfläche erzeugten Vertiefung abgeschrägt werden. Die Größe des Böschungswinkels der in der Festkörperoberfläche erzeugten Strukturen wird durch die Wahl der Schichtdicken der Ätzmaske sowie durch die Zerstäubungsraten dieser Schichten bestimmt
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sehen vor, daß für das Material der Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate ein Metall gewählt wird, daß die Schicht mit der größeren Zerstäubungsrate aus organischem Material, insbesondere aus fotoempfindlichem Lack, besteht und daß für die Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate eines der Metalle Al, Ti, Cr, Mn, Mo, Ta, Zr, V als Material verwendet wird.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Metall mit größeren Zerstäubungsraten Al und als Material mit der kleineren Zerstäubungsrate eines der Metalle Ti, Cr, V, Mn, Mo, Ta verwendet Dabei kann vorteilhafterweise bei dem Zerstäubungsvorgang in der Umgebungsatmosphäre ein reaktives Gas vorhanden sein, das die Zerstäubungsrate der Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate erniedrigt. Das reaktive Gas kann vorteilhafterweise Sauerstoff sein» wobei der Partialdruck des Sauerstoffes vorteilhafterweise zwischen etwa ΙΟ-5 und 10-4Torr liegt. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, daß das reaktive Gas CF4 ist
Bei einem solchen Zusatz ist die Änderung der Zerstäubungsrate des Metalles mit der höheren Zerstäubungürate im Vergleich zur Änderung der Zerstäubungr.rate der Metallschicht mit der niedrigeren Zer^täubungsrate unwesentlich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Maske als mit einer Struktur versehene Metallschicht auf der Festkörperoberfläche aufgebracht und durch Zugabe eines reaktiven Gases zu der Umgebungstemperatur die Ätzrate dieser Metallschicht eingestellt Dabei kann
vorteilhafterweise zu Beginn der Ionenätzung eine Zufuhr eines reaktiven Gases erfolgen, das die Zerstäubungsrate der Metallschicht erniedrigt, und diese Zufuhr später abgebrochen werden. Die Ätzrate der Metallmaske steigt dann an, und dies führt, wie , bereits beschrieben, zu einer Abflachung der Kanten von den in der Festkörperoberfläche erzielten Strukturen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann auch erst im Verlauf der Ionenätzung ein die Zerstäubungsrate der Metallschicht erhöhendes reaktives Gas zugeführt werden.
Die Metallschicht kann dabei vorteilhafterweise aus einem der Metalle Al, Ti, Mn, Mo, Ta, Zr, V bestehen, als reaktives Gas Sauerstoff verwendet werden und der Partialdruck des Sauerstoffes in der Umgebungsatmosphäre bei der Ionenätzung zwischen etwa 10~5 und 10~4Torr liegen. Als reaktives Gas kann vorteilhafterweise auch CF4 verwendet werden.
Eine Bestrahlungsmaske zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann aus zwei Schichten bestehen, welche sich in ihrer Zerstäubungsrate unterscheiden. Vorteilhafterweise kann die Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate aus Chrom und die Schicht mit der größeren Zerstäubungsrate aus Vanadium bestehen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Bestrahlungsmaske besteht die Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate aus Vanadium und die Schicht mit der größeren Zerstäubungsrate aus Mangan.
In den F i g. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Dabei zeigen
F i g. 1 und 2 ein Verfahren, bei dem eine aus zwei Schichten bestehende Ätzmaske verwendet wird, die
F i g. 3 und 4 veranschaulichen ein Verfahren, bei dem als Maske eine Metallschicht verwendet wird und bei dem ein reaktives Gas während des Ionenätzvorganges der Umgebungsatmosphäre zugesetzt wird, wobei das Gas die Zerstäubungsrate der Metallschicht erniedrigt.
Als Ausführungsbeispiel diene die Herstellung von Ätzmustern in einer Siliziumdioxidschicht 2, die auf einem Substrat 1 aus Silizium aufgebracht ist. Auf diese Siliziumdioxidschicht 2 wird zunächst eine Schicht 3 aus fotoempfindlichem Lack aufgebracht, sodann belichtet
30
35 und entwickelt, so daß auf der Siliziumdioxidschicht ', ein vorgegebenes Muster einer Foiolackschicht 1 zurückbleibt. Auf diese Fotolackschicht wird sodann eir Metall 4 aufgedampft, beispielsweise Ti. Diese Ti Schicht wird dann nach einem weiteren Verfahren, ζ. Β in einem fotolithografischen Verfahren, chemisch geätzt, so daß auf der Fotolackschicht eine mit diesel Fotolackschicht deckungsgleiche Ti-Schicht zurück bleibt. Bei Anwendung einer Metalldoppelschicht wire die Doppelmetallmaske mit einer Abhebe-Technik hergestellt. Sodann wird das mit diesen Schichter versehene Substrat einem Ionenstrahl 5 ausgesetzt odei es wird mit einem Trägergas, beispielsweise Argon, eine Ionenätzung vorgenommen. Durch diese Ionenätzung wird die Siliziumdioxidschicht an den freien Steller abgetragen; ebenso wird auch das Metall der Maske abgetragen, jedoch mit einer gegenüber der Siliziumdi oxidschicht wesentlich kleineren Abtragungsgeschwin digkeit. Auf diese Weise entstehen in der Siliziumdioxid schicht Vertiefungen, deren Begrenzungsflächen beina he senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiter: verlaufen (Fig. 1). Für die Ätzung werden elektrisch beschleunigte Argonionen verwendet, die eine kinetische Energie zwischen 200 und 120OeV besitzen. Be Verwendung eines sogenannten Sputterätzverfahrens bei dem die Ionen durch eine Hochfrequenzspannung beschleunigt werden, beträgt die angelegte Hochfrequenzspannung zwischen 500 und 2000 V. Bei Verwendung eines Argonionenstrahles mit einer Intensität vor etwa 1018 Ionen pro cm2 und see, die eine kinetische Energie von 600 eV besitzen, wird zur Abtragung einei SiC>2-Schicht von 0,5 μιη Dicke etwa eine halbe Stunde benötigt. Wenn von den Ionen die obere Metallschichl der Ätzmaske, die beispielsweise eine Ti-Schicht vor einem Zehntel μπι Dicke ist, abgetragen und die Fotolackschicht oder die darunterliegende Metallschicht, die z. B. aus Al besteht, freigelegt ist, werden be der fortschreitenden Ionenätzung die entsprechender Kantenflächen abgeschrägt (vgl. F i g. 2). Diesem Übergang zu einer Ätzmaske mit höherer Abtragungsrate entspricht bei dem in den Fig.3 und 4 dargestellter Verfahren die Unterbrechung der Zufuhr des reaktiver Gases.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Jj Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung geätzter Strukturen
in Festköi peroberflächen durch Ionenätzung, wobei eine auf der Oberfläche des Festkörpers befindliche Maske verwendet wird und wobei durch Ionenbeschuß Material des Festkörpers und der Maske zerstäubt und dadurch abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der lonenätzung die Zerstäubungsrate der Maske vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske verwendet wird, die aus Schichten (3,4) mit unterschiedlicher Zerstäubungsrate besteht und so angeordnet ist, daß die Schicht (3) mit der größeren Zerstäubungsrate auf der der Festkörperoberfläche zugekehrten Seite der Maske liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material der Schicht (4) mit der kleineren Zerstäubungsrate ein Metal! gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) mit der größeren Zerstäubungsrate aus organischem Material, insbesondere aus fotoempfindlichem Lack, besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht (4) mit der kleineren Zerstäubungsrate eines der Metalle Al, Ti, Cr, Mn, Mo, Ta, Zr oder V als Material verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit der größeren Zerstäubungsrate Al, als Material mit der kleineren Zerstäubungsrate eines der Metalle Ti, Cr, V, Mn, Mo oder Ta verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Zerstäubungsvorgang in der Umgebungsatmosphäre ein reaktives Gas vorhanden ist, das die Zerstäubungsrate der Schicht mit der kleineren Zerstäubungsrate erniedrigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas Sauerstoff ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Sauerstoffes zwischen etwa ΙΟ-5 und ΙΟ-4 Torr liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas CF4 ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske als mit einer Struktur versehene Metallschicht auf der Festkörperoberfläehe aufgebracht und daß durch Zugabe eines reaktiven Gases zu der Umgebungsatmosphäre die Ätzrate dieser Metallschicht eingestellt wird.
12. \'erfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der ionenätzung eine Zufuhr eines reaktiven Gases erfolgt, das die Zerstäubungsrate der Metallschicht erniedrigt, und daß diese Zufuhr später abgebrochen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß erst im Verlauf der lonenätzung ein die Zerstäubungsrate der Metallschicht erhöhendes reaktives Gas zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus einem der Metalle Al, Ti, Mn, Mo, Ta, Zr oder V besteht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive
Gas Sauerstoff verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Sauerstoffes in der Umgebungsatmosphäre bei der Ionenätzung zwischen etwa IO-5und ΙΟ-4 Torr liegt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als das reaktive Gas CF4 verwendet wird.
18. Bestrahlungsmaske zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei Schichten (3, 4) besteht, welche sich in ihrer Zerstäubungsrate unterscheiden.
19. Bestrahlungsmaske nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) mit der kleineren Zerstäubungsrate aus Chrom und die Schicht (3) mit der größeren Zerstäubungsrate aus Vanadium besteht.
20. Bestrahlungsmaske nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) mit der kleineren Zerstäubungsrate aus Vanadium und die Schicht (3) mit der gröBeren Zeratäubungsrate aus Mangan besteht.
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