DE2717400C2

DE2717400C2 - Ätzverfahren zur Herstellung von Strukturen unterschiedlicher Höhe

Info

Publication number: DE2717400C2
Application number: DE19772717400
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.- Phys. Dr. 6901 Eppelheim Fischer; Baerbel 6082 Moerfelden Genswuerger; Peter Dr. Hansen; Jens-Peter Dr. Krumme; Reimar Dipl.-Phys. Dr. 6100 Darmstadt Spohr
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1977-04-20
Filing date: 1977-04-20
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2717400B1; FR2388057A1; JPS54584A; GB1594800A

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 LJnterätzbreite etwa genauso groß wie die Strukturierungstiefe ist. Diese beschränkt die Auflösungsgrenze bisheriger naßchemischer Verfahren aiuf Stegbreiten, die mindestens doppelt so groß wie die Strukturierungstiefe sind.

Es sind nun weitere Strukturierungsverfahreri 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 ϊ 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 Eiergiewirkung praktisch genauso groß wie die Tiefenwirkung, wodurch das Material nur isotrop verändert bzw. bezüglich seiner Anisotropie nicht beeinflußt wird.

Es ist weiterhin ein Toilchenspurenanalysenverfah-

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

Neue Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist nun die Verbesserung des materialabtragenden Ätzverfahrens nach der Maskenätztechnik in Hinsicht auf die Maskentreue bzw. Abuildungsschärfe 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-

J5 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 Ätz\organg 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 vorbestimm-ten Dosis bestrahlt wird, aus welcher ein mittlerer Abstand

so 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

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

Gegenüber dem Stand der Technik kann festgestellt werden: Die IProbenoberfläche wird nicht angeschmolzen 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, z. B. 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 criiiidürigsgemauen YCuanrens werden im folgenden und an Hand der Figuren bzw. Photographien beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Verlauf des Ätzvorganges bei der durch Bestrahlung ionensensibilisierten Maskenätzung,

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

Fig. 3a bis c elektronenmikroskopische Aufnahmen in verschiedener Vergrößerung der Stelle X aus der Fig. 2c,

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

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 Durchmesse. 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 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 Atzrate 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 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 einem Schrüibstrahl in Form eines über die zu strukturierende Oberfläche geführten und dabei gleichzeitig bezüglich Intensität und bzw. Verweildauer modulierten, feinfokussienen Ionenstrahls. Die Modulierung k£inn dabei durch eine elektronische oder elektromagnetische Einrichtungerfolgen. Damit wird durch den Einsatz von ^r> 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 »ι sehemiitisch dargestellt, links bestrahlt I und rechts unbestrahlt II. In der Oberfläche des zu strukturierenden und bestrahlten Materials 1 sind senkrecht in der Oberfläche gelegene Teilcheiispuren 2 zu sehen. Die nichtzu ätzende Fläche ist mit der Maske 3 abgedeckt, ι s Auf die nicht von der Maske 3 bedeckte Fläche wirkt das Ätzmittel ein, dessen Einwirkungsgeschwindigkeit durch die von der Einwirkungszeit t abhängigen Ätzlinien S grafisch dargestellt ist. Die Unterätzbreite ist mit B bezeichnet, die Ätztiefe mit T. Es hat sich gezeigt, daß ie größer die Ätzgeschwindigkeit in Richtung der Teilchenspuren 2 gegenüb»- der ungestörten Ätz"es£'hwindi^ake!t ist, desto steiler die abgedeckten Ätzkanten, d. h. das Verhältnis von T zu B wird. Im riichtabgedeckten Bereich des Materials 1 entstehen durch Überlagerung aller gleichzeitig dem Ärzmedium ausgesetzten Kernspuren 2, sich gegenseitig durchschneidende Ätzkegel. Solange der mittlere seitliche Abstand der latenten Kernspuren 2 voneinander hinreichend groß gegen ihren Durchmesser ist, jo bleibt die Geschwindigkeit der Unterätzung praktisch unverändert, da diese Kernspuren in zeitlicher Reihenfolge nacheinander dem Ätzmedium ausgesetzt werden.

Die F i g. 2 a, b zeigt schematisch eine Probenvorbe handlung. Auf eine Probe 6 wird eine Glasdeckmaske 8 aufgelegt und danach die Chrom/Goldinaske 7 aufgedampft (Fig. 2a) und anschließend die Maske 8 wieder abgenommen. Darauf werden z. B. vier weitere Masken 9 in der dargesteilten Weise über die nichtbedampfte Flächen 10 gelegt (Fig. 2ü) und etwa folgende Bestrahlung der nunmehr bereichswe^:se gegen Schwerionen geschützten Probe 6 vorgenommen:

Der Ionenstrahl wird durch ein erstes strommessendes Schlitzbackenpaar bis auf einen dünnen Strahl ausgeblendet. Ein Strahlabblender d^;ent in Verbindung nut 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 Unterdrukkung von Streuteilchen anderer Energien oder Streuteilchen mit anderem Winkel. Zur Strahldiagncse können je nach Strahhntensität 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 d-r Fig. 3a bis c in Form von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen dargestellt ist. Die Aufnahmen 3 a bis c sind dabei mit zunehmender Vergrößerung von derselben SteDe gemacht.

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

cL h. sowohl dem Schwerionenbeschüß 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 unbestfähllen Bereichs 13 ist deutlich größer, als die wesentlich steilere Neigung der Kanten 16 des bestrahlten Bereichs 14.

Die Fig. 4 zeigt die rasterelektronenrriikroskopische Aufnahme einer bestrahlten, naßchemisch geätzten Glimmeroberliäche, auf die vor der Bestrahlung -ein etwa 10 μήΐ dickes Nickelnetz einer Maschengröße von ca. 50 μίτι aufgelegt würde, Der Strükturierungseffekt wird somit lediglich durch die unterschiedliche Ätzgeschwindigkeit des bestrahlten Teils 17 im Gegensatz zum unbestrahlten Teil 18 bewirkt.

Die vorgeschlagene Erfindung zeigt somit ein Vcr^ fahren, bei welchem ein eriergiefeichef Schweriörieristrahl zur Sensibilisierung des nachfolgenden naßchemischen Ätzschrittes eingesetzt wird und die Sensibilisierung in Richtung der tonenbahnen anisotrop ist, d. h. die Ätzgeschwindigkeit in dieser Richtung ge^ genüber der Ätzgeschwindigkeit im ungestörten Material erhöht ist. Dabei drinjjt durch die Verwendung

■> einer Älzschutzmaskc kein Atzmediürri 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 Ätzprozeß wird

• ο durch Überschneidung der sich allmählich aufweitenden Kernspuriöcher eine scharfe Kantenstrüktür sowohl an der Ober- als auch an Unterkante des stehenbleibenden Steges erzielt Die Ionendosis kann der geforderten Kantenschärfe angepaßt werden, wobei

ir> die Tiefe der beschleunigt abzutragenden Schicht durch die Energie der eingeschlossenen Schwerionen bestimmt ist. Das Verfahren ist auf sämtliche isolierenden Siöne {Kristalle* GiäSci"; organische Mstcria* lien, Halbleiter) mit hinreichend hohem spezifischen Widerstand (ρ > 2000 Ω X cm) anwendbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

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 ί :it 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.