DE2717400B1 - AEtzverfahren zur Herstellung von Strukturen unterschiedlicher Hoehe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Strukturen unterschiedlicher Höhen in Festkörpern vorzugsweise von Mikrostrukturen durch Ätzen.

Bei der Herstellung von Mikroätzteilen durch materialabtragende Ätzverfahren wird die zu strukturierende Oberfläche durch eine für das Ätzmedium undurchlässige Maske abgedeckt. Der Ätzprozeß ist im allgemeinen isotrop und setzt sich auch unter die Ätzmaske fort. Die Ätzung muß spätestens dann abgebrochen werden, sobald ein wesentlicher Teil der Ätzmaske unterätzt ist. Die erhaltenen Ätzriefen entsprechen maximal der stehenbleibenden Struktur. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen vor allem darin, daß die Unterätzbreite etwa genauso groß wie die Strukturierungstiefe ist. Diese beschränkt die Auflösungsgrenze bisheriger naßchemischer Verfahren auf Stegbreiten, die mindestens doppelt so groß wie die Strukturierungstiefe sind.

Es sind nun weitere Strukturierungsverfahren bekannt, bei welchen Strahlen mit niederen Energien, wie z. B. die Elektronen- oder Ionenstrahlung von Elektronenstrahlbearbeitungsmaschinen verwendet werden. Dabei werden aus der Oberfläche des bestrahlten Körpers lediglich Oberflächenatome herausgeschlagen oder anders ausgedrückt, der Elektronenstrahl schmilzt die Probenoberfläche an und "> verdampft sie lokal. Die Schmelzwirkung kommt durch kollektives Zusammenwirken von vielen niederenergetischen Teilchen zustande. Einwirkungen eines einzelnen Teilchens sind dabei nicht nachweisbar. Auch ist die seitliche Ausbreitung der Energiewirkung praktisch genauso groß wie die Tiefenwirkung, wodurch das Material nur isotrop verändert bzw. bezüglich seiner Anisotropie nicht beeinflußt wird.

Es ist weiterhin ein Teilchenspurenanalysenverfah-I") ren bekannt, bei welchem mit Hilfe von Ätzung einzelne Kernspuren identifiziert werden. Dabei wird mit Hilfe der Ätzrate entlang der Teilchenspur in z. B. Glas durch Ausmessen der durch die Ätzung der einzelnen Spuren entstandenen konischen Vertiefung,

μ deren öffnungswinkel mit zunehmender Ätztiefe immer größer bzw. stumpfer wird, über die entsprechende Ionisationsrate das eingedrungene Kernteilchen identifiziert.

Neue Aufgabenstellung der vorliegenden Erfin-

-'"> dung ist nun die Verbesserung des materialabtragenden Ätzverfahrens nach der Maskenätztechnik in Hinsicht auf die Maskentreue bzw. Abbildungsschärfe sowie der möglichen Profilierungstiefe, in dem einerseits die Unterätzung verringert wird und andererseits

JO die Flanken der Ätzflächen steiler hergestellt werden können.

Gemäß der vorgeschlagenen Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Ätzrate im Festkör-

« per anisotrop durch eine dem Ätzen vorangehende, hochenergetische Schwerionenbestrahlung in Richtung der Ionenbahnen bzw. der Kernspuren erhöht wird und daß die zu strukturierende Oberfläche des Festkörpers entweder bei der Bestrahlung oder in an

sich bekannter Weise bei dem Ätzvorgang mit einer, die abzustragenden Partien freilassenden Maske abgedeckt wird. Werden Materialien mit solch hochenergetischen Schwerionen bestrahlt, so erhält man eine von der Energie und dem Atomgewicht abhängige Eindringtiefe der Partikel in die Materie, die sich in Form sogenannter Kernspuren oder Mikrokanäle einzeln nachweisen läßt.

Günstig ist dabei, daß mit einer vorbestimmten Dosis bestrahlt wird, aus welcher ein mittlerer Abstand der latenten Kernspuren voneinander resultiert, der mindestens gleich dem Durchmesser der einzelnen Kernspur oder größer ist als dieser. Von Vorteil ist es weiterhin, daß die Oberfläche in einer Vorzugsrichtung bestrahlt wird, wobei die Oberfläche in der Richtung bestrahlt wird, die senkrecht zur bestrahlenden Oberfläche ist. Weiterhin schlägt die Erfindung vor, daß der Strahl über einzelne Partien der zu strukturierenden Oberfläche mit Hilfe einer elektronischen oder elektromagnetischen Maske geführt wird, die den fokussierten Strahl bezüglich seiner Intensität und Verweildauer über den einzelnen Partien der zu strukturierenden Oberfläche moduliert.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren weist folgende Vorteile auf: Bei den nach dem neuen Verfahren hergestellten Mikrostrukturen wird eine erhebliche Verbesserung der Kantenschärfe bzw. der Maskentreue sowie eine größere maximale Strukturierungstiefe erzielt. Ein weiterer Vorteil ist die

ORIGINAL INSPECTED

Wählbarkeit der vorzugsweisen Ätzrichtung durch Vorgabe der Bestrahlungsrichtung, wodurch z. B. auch schräg nach innen abfallende Stegkanten ermöglicht werden. Durch die Wählbarkeit der Sensibilisierungsstärke infolge Wahl der Ionenart- bzw. der Ge- > samtstrahlendosis oder Ionenenergie kann die maximale Tiefe des sensibilisierten Bereichs bestimmt werden.

Gegenüber dem Stand der Technik kann festgestellt werden: Die Probenoberfläche wird nicht ange- ^|0 schmolzen bzw. verdampft, sondern mit Kernspuren bzw. Mikrokanälen versehen, wodurch sie in Richtung der Ionenbestrahlung anisotrop ätzbar wird. Die seitliche Ausbreitung des Ionenstrahls im Festkörper ist vernachlässigbar. Bei anschließender Ätzung, ζ. Β. ι > der Maskenätzung ergeben sich steilere Flanken als bei den herkömmlichen Ätzverfahren. Es ergibt sich ein großes Verhältnis von Strukturierungstiefe zu Strukturierungsbreite. Die Ätzrate des Materials wird nicht pauschal erhöht, sondern anisotrop in Richtung -° der Schwerionenspuren.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden und an Hand der Figuren bzw. Photographien beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Verlauf des Ätzvorgan- -~> ges bei der durch Bestrahlung ionensensibilisierten Maskenätzung,

Fig. 2 a bis c die Probenbehandlung bei dem Verfahren in Form eines möglichen Beispiels,

Fig. 3 a bis c elektronenmikroskopische Auf nah- *< > men in verschiedener Vergrößerung der Stelle X aus der Fig. 2c,

Fig. 4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, bei der vor der Bestrahlung eine Maske aufgelegt wurde. s>

Gemäß dem durch die Erfindung gegebenen Verfahren wird die Oberfläche des zu strukturierenden Materials mit energiereichen Ionen bestrahlt. Jedes einzelne Ion hinterläßt eine latente, d. h. zunächst unsichtbare Spur in Form eines Kanals von ca. 100 A Durchmesser. Beim Ätzen dringt das Ätzmedium in den entstandenen Kanal mit einer gegenüber der Ätzgeschwindigkeit im ungestörten Material wesentlich erhöhten Geschwindigkeit ein und beginnt das Material von innen heraus aufzulösen. Bei hinreichend -r> dichter Bestrahlung entsteht durch die dargebotene, vergrößerte Oberfläche eine, gegenüber dem ungestörten Material wesentlich erhöhte makroskopische Ätzrate.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die in Richtung der Ionenbahnen erhöhte Ätzrate zur Verbesserung der Maskentreue in der Mikroätztechnik einzusetzen:

1. Aufbringen einer Ätzschutzmaske auf das zu strukturierende Substrat in Form eines in zweifacher Hinsicht, d. h. sowohl gegen Ionenstrahlen als auch gegen das einzusetzende Ätzmedium unempfindlichen dünnen Metallfilm, bereits vor oder alternativ auch nach der Bestrahlung mit Ionen.

2. Aufbringen einer Bestrahlungsschutzmaske auf eo das zu strukturierende Substrat in Form einer hinreichend dicken, für die einzusetzenden Ionenstrahlen undurchdringlichen Metallschicht, bereits vor der Bestrahlung.

3. örtlich selektive Bestrahlung des Substrats mit b5 einem Schreibstrahl in Form eines über die zu strukturierende Oberfläche geführten und dabei gleichzeitig bezüglich Intensität und bzw. Verweildauer modulierten, feinfokussierten Ionenstrahls. Die Modulierung kann dabei durch eine elektronische oder elektromagnetische Einrichtungerfolgen. Damit wird durch den Einsatz von Ionen eine in Richtung der Ionenbahnen erhöhte makroskopische Ätzgeschwindigkeit, d. h. eine anisotrope Ätzratenerhöhung in Richtung der Ionenbahnen erzielt.

In der Fig. 1 ist ein entsprechender Ätzverlauf schematisch dargestellt, links bestrahlt I und rechts unbestrahlt II. In der Oberfläche des zu strukturierenden und bestrahlten Materials 1 sind senkrecht in der Oberfläche gelegene Teilchenspuren 2 zu sehen. Die nicht zu ätzende Fläche ist mit der Maske 3 abgedeckt. Auf die nicht von der Maske 3 bedeckte Fläche wirkt das Ätzmittel ein, dessen Einwirkungsgeschwindigkeit durch die von der Einwirkungszeit / abhängigen Ätzlinien 5 grafisch dargestellt ist. Die Unterätzbreite ist mit B bezeichnet, die Ätztiefe mit T. Es hat sich gezeigt, daß je größer die Ätzgeschwindigkeit in Richtung der Teilchenspuren 2 gegenüber der ungestörten Atzgeschwindigkeit ist, desto steiler die abgedeckten Ätzkanten, d. h. das Verhältnis von T zu B wird. Im nichtabgedeckten Bereich des Materials 1 entstehen durch Überlagerung aller gleichzeitig dem Ätzmedium ausgesetzten Kernspuren 2, sich gegenseitig durchschneidende Ätzkegel. Solange der mittlere seitliche Abstand der latenten Kernspuren 2 voneinander hinreichend groß gegen ihren Durchmesser ist, bleibt die Geschwindigkeit der Unterätzung praktisch unverändert, da diese Kernspuren in zeitlicher Reihenfolge nacheinander dem Ätzmedium ausgesetzt werden.

Die Fig. 2a, bzeigt schematisch eine Probenvorbehandlung. Auf eine Probe 6 wird eine Glasdeckmaske 8 aufgelegt und danach die Chrom/Goldmaske 7 aufgedampft (Fig. 2a) und anschließend die Maske 8 wieder abgenommen. Darauf werden z. B. vier weitere Masken 9 in der dargestellten Weise über die nichtbedampfte Flächen 10 gelegt (Fig. 2b) und etwa folgende Bestrahlung der nunmehr bereichsweise gegen Schwerionen geschützten Probe 6 vorgenommen:

Der Ionenstrahl wird durch ein erstes strommessendes Schlitzbackenpaar bis auf einen dünnen Strahl ausgeblendet. Ein Strahlabblender dient in Verbindung mit einem weiteren Schlitzbackenpaar als Belichtungsverschluß. Hinter diesem Schlitzbackenpaar wird der Strahl durch ein magnetisches Quadrupoldoublett aufgeweitet und fällt auf die zu bestrahlende Oberfläche. Eine Streublende dient zur Unterdrükkung von Streuteilchen anderer Energien oder Streuteilchen mit anderem Winkel. Zur Strahldiagnose können je nach Strahlintensität alternativ ein Profilgitter, ein Leuchttarget bzw. eine Bildverstärkerplatte eingesetzt werden.

Danach werden die Masken 9 wieder entfernt und die Probe 6 mit ihrer Fläche 7 dem Ätzmittel ausgesetzt, wodurch das Ätzmuster 11 entsteht, dessen Einzelheiten X in der Fig. 3a bis c in Form von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen dargestellt ist. Die Aufnahmen 3 a bis c sind dabei mit zunehmender Vergrößerung von derselben Stelle gemacht.

Die Fläche 12 ist dabei der unbemaskte Bereich, die Fläche 13 ist Iedigl. geätzt, d. h. unbemaskt und unbestrahlt, da sie durch die Masken 9 der Fig. 2b vor der Schwerionenbestrahlung abgeschirmt wurde. Die Fläche 14 ist sowohl unbemaskt als auch bestrahlt,

d. h. sowohl dem Schwerionenbeschuß wie auch dem Ätzmittel voll ausgesetzt. Gemäß den Abbildungen ist nun die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik gut zu erkennen. Die Neigung der Kanten 15 des unbestrahlten Bereichs 13 ist deutlich größer, als die wesentlich steilere Neigung der Kanten 16 des bestrahlten Bereichs 14.

Die Fig. 4 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer bestrahlten, naßchemisch geätzten Glimmeroberfläche, auf die vor der Bestrahlung ein etwa 10 μπι dickes Nickelnetz einer Maschengröße von ca. 50 μπι aufgelegt wurde. Der Strukturierungseffekt wird somit lediglich durch die unterschiedliche Ätzgeschwindigkeit des bestrahlten Teils 17 im Gegensatz zum unbestrahlten Teil 18 bewirkt.

Die vorgeschlagene Erfindung zeigt somit ein Verfahren, bei welchem ein energiereicher Schwerionenstrahl zur Sensibilisierung des nachfolgenden naßchemischen Ätzschrittes eingesetzt wird und die Sensibilisierung in Richtung der Ionenbahnen anisotrop ist, d. h. die Ätzgeschwindigkeit in dieser Richtung gegenüber der Ätzgeschwindigkeit im ungestörten Material erhöht ist. Dabei dringt durch die Verwendung > einer Ätzschutzmaske kein Atzmedium in die latenten Kernspurkanäle ein, wodurch sich das Verhältnis von Ätztiefe zu Unterätzbreite vergrößert (die Geschwindigkeit der Unterätzung ändert sich gegenüber dem unbestrahlten Material nicht). Beim Atzprozeß wird

κ» durch Überschneidung der sich allmählich aufweitenden Kernspurlöcher eine scharfe Kantenstruktur sowohl an der Ober- als auch an Unterkante des stehenbleibenden Steges erzielt. Die Ionendosis kann der geforderten Kantenschärfe angepaßt werden, wobei

>"> die Tiefe der beschleunigt abzutragenden Schicht durch die Energie der eingeschlossenen Schwerionen bestimmt ist. Das Verfahren ist auf sämtliche isolierenden Stoffe (Kristalle, Gläser, organische Materialien, Halbleiter) mit hinreichend hohem spezifischen

-Ό Widerstand (ρ > 2000 Ω X cm) anwendbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Strukturen unterschiedlicher Höhen in Festkörpern, vorzugsweise von Mikrostrukturen durch Ätzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzrate im Festkörper anisotrop durch eine dem Ätzen vorangehende hochenergetische Schwerionenbestrahlung in Richtung der Ionenbahnen bzw. der Kernspuren erhöht wird und daß die zu strukturierende Oberfläche des Festkörpers entweder bei der Bestrahlung oder in an sich bekannter Weise bei dem Ätzvorgang mit einer, die abzutragenden Partien freilassenden Maske abgedeckt wird.

2. Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer vorbestimmten Dosis bestrahlt wird, aus welcher ein mittlerer Abstand der latenten Kernspuren voneinander resultiert, der mindestens gleich dem Durchmesser der einzelnen Kernspur oder größer als dieser ist.

3. Ätzverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche in einer Vorzugsrichtung bestrahlt wird.

4. Ätzverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche in der Richtung bestrahlt wird, die senkrecht zur zu bestrahlenden Oberfläche ist.

5. Ätzverfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl über einzelne Partien der zu strukturierenden Oberfläche mit Hilfe einer elektronischen oder elektromagnetischen Maske geführt wird.

6. Ätzverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl mit einer elektronischen oder elektromagnetischen Maskeneinrichtung geführt wird, die den fokussierten Strahl bezüglich seiner Intensität und Verweildauer über den einzelnen Partien der zu strukturierenden Oberfläche moduliert.