DE2944576A1 - Verfahren zur herstellung einer lochblende, etwa fuer eine elektronenstrahlbelichtungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer lochblende, etwa fuer eine elektronenstrahlbelichtungsvorrichtung

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Description

29U576
Henkel, Kern, Feiler ir Hanzel Patentanwälte Registered Representatives
before the
European Patent Office VLSI Technology Research Association, MohlstraBe 37 Kawasaki-shi, Japan D-8000München 80
Tel.: 089/982085 87
Telex: 05 29 80? hnkl d Telegramme: ellipsoid
MH-54P643-3
5. Nov. 1979
Verfahren zur Herstellung einer Lochblende, etwa für eine Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lochblende (aperture stop) zur Bestimmung beispielsweise der Querschnittsform eines Elektronenstrahls bei einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung.
Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtungen, insbesondere solche mit variabler Einstellung der Querschnittsabmessungen der Elektronenstrahlen, benötigen eine Lochblende mit hoher Maßgenauigkeit. Eine solche Blende wurde bisher durch Ätzen, z.B. eines Molybdänplättchens zur Ausbildung einer Bohrung in diesem hergestellt. Die Maßgenauigkeit einer auf diese Weise geformten Bohrung ist allerdings sehr gering, und sie kann einer Maßabweichung einer Größe entsprechend der Dicke des Plättchens oder Bleches unterworfen sein. Im JA-Gbm Nr. 1977/130 679 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lochblende durch anisotropes Stzen einer Siliziumeinkristallplatte beschrieben. Die nach dieser Veröffentlichung herge-
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stellte Lochblende ist jedoch mit verschiedenen Mängeln behaftet. Insbesondere ist das Material auf einen Einkristall beschränkt, und die Form der Blendenöffnung wird durch die Kristallstruktur und das anisotrope Ätzen bestimmt. Außerdem treten dabei Maßfehler entsprechend Toleranzen in der Größenordnung der Dicke der Einkristallplatte auf.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Lochblende der angegebenen Art, mit dem ohne weiteres die gewünschte Blenden-(öffnungs)form mit Wahlmöglichkeit unter verschiedenen Werkstoffen und mit hoher Genauigkeit reali: ;ort werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Lochblende erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst ein Substrat vorgesehen wird, daß durch Ätzen der einen Seite des Substrats ein vorspringender Abschnitt geformt wird, daß eine Blendenschicht durch überziehen der genannten Seite des geätzten Substrats mit einem Lochblendenmaterial um den vorspringenden Abschnitt herum geformt wird und daß durch Entfernung des Substrats in der Blendenschicht eine Blendenöffnung mit einem dem Querschnittsprofil des vorspringenden Abschnitts entsprechenden Querschnittsprofil ausgebildet wird.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1D schematische Schnittdarstellungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Lochblende,
Fig. 2A und 2B schematische Schnittdarstellungen eines anderen Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der Erfindung,
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Pig. 3Α bis 3C schematische Schnittdarstellungen noch eines anderen AusfUhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4A bis 4D schematische Schnittdarstellungen eines weiteren AusfUhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß Fig. 1A wird zunächst ein Siliziumeinkristall-Plättchen bzw. eine -Scheibe 1, dessen Hauptfläche durch die Index-[100!-Fläche gebildet wird, vorgesehen, und das gesamte Plättchen 1 wird nach dem an sich bekannten thermischen Oxydationsverfahren beidseitig mit Siliziumdioxid-Schtöhten 2 überzogen. Sodann wird auf der Siliziumdioxid-Schicht 2 auf der Hauptfläche des Plättchens ein Widerstandsmaterial- bzw. Photoresistmuster 3 einer vorbestimmten Form und Größe vorgesehen (Fig. 1A), das bei diesem Ausführungsbeispiel etwa durch Blektronenstrahlbelichtung in genauer Quadratform mit einer Kantenlänge von etwa 100 μιη ausgebildet wird. Danach wird die oberseitige Siliziumdioxid-Schicht 2 unter Benutzung des Resistmusters 3 als Maske selektiv weggeätzt, worauf das Silizium-Plättchen 1 unter Benutzung des zurückbleibenden Teils der Siliziumdioxid-Schicht 2 als Maske gemäß Fig. 1B einem anisotropen ÄtzVorgang unterworfen wird, der z.B. in einer wässrigen Lösung (von 6O0C) aus Kaliumhydroxid und Isopropylalkohol durchgeführt werden kann. Durch dieses anisotrope Atzen wird ein rechteckiger Vorsprung mit rechteckig-trapezoidem Querschnitt, dessen Seitenflächen durch die Index-[111!-Fläche gebildet werden, mit hoher Maßgenauigkeit geformt. Sodann wird gemäß Fig. 1C durch Galvanisieren (electroplating) eine Blendenschicht 5 aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie Au, Ag oder Cu, auf der Oberseite des Silizium-Plättchens 1 vorgesehen, worauf
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der verbliebene Teil der Siliziumdioxid-Schicht 2 mittels einer Ammoniumfluoridlösung abgetragen und sodann das Silizium-Plättchen 1 durch Plasmaätzen oder in alkalischer Lösung entfernt wird, so daß eine Lochblende gemäß Fig. 1D erhalten wird. Wenn im Arbeitsgang gemäß Fig. 1C die Blendenschicht 5 dick ausgebildet wird, entsteht ein vorstehender Abschnitt 6 um die öffnung herum, welcher die hergestellte Blende jedoch in keiner Weise beeinträchtigt. Erforderlichenfalls kann dieser Abschnitt 6 jedoch z.B. weggeschliffen werden.
Die auf die beschriebene Weise hergestellte Lochblende besitzt eine öffnung mit dem Maß A, welches dem durch das anisotrope Ätzen bestimmten Querschnittsmaß entspricht, so daß die öffnung eine sehr hohe Maßgenauigkeit besitzen kann. Im Gegensatz zum bisherigen Verfahren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Umkehrung der Bestimmung der Maskenöffnungsdimension anhand des Blendenöffnungsmaßes und des Materials erforderlich, so daß kaum ein nennenswerter Fehler eingeführt wird. Außerdem treten keine auf Änderungen der Dicke des Blendenmaterials beruhenden Maßfehler oder -abweichungen auf. Weiterhin wird die Fertigung vereinfacht, weil nur die Querschnittsmaße des Vorsprungabschnitts 4, speziell die Maskenmaße der Siliziumdioxid-Schicht 2, mit hoher Genauigkeit bestimmt zu werden brauchen. Schließlich kann das Lochblendenmaterial in Abhängigkeit vom vorgesehenen Verwendungszweck gewählt werden.
Nachstehend ist anhand der Fig. 2A und 2B ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Wie im Fall von Fig. 1A werden Siliziumdioxid-Schichten 2 auf beiden Seiten der [100]-Fläche eines Einkristall-Plätt-
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chens 1 geformt. Sodann wird eine Siliziumnitrid-Schicht 7 als ein Anätzen verhindernde Maske (anti-etching mask) auf der oberen Schicht 2 vorgesehen, und auf der Schicht 7 wird wiederum ein Photoresistmuster 5 mit vorbestimmten Abmessungen ausgebildet (vgl. Fig. 2A). Hierauf wird die Siliziumnitridschicht 7 unter Benutzung des Resistmusters als Maske durch Plasmaätzen selektiv abgetragen, wobei der unter dem Resistmuster 5 befindliche Abschnitt unverändert erhalten bleibt. Danach wird unter Benutzung des verbliebenen Teils der Siliziumnitrid-Schicht 7 als Maske die Siliziumdioxid-Schicht 2 selektiv weggeätzt. Dieses Xtzen kann ohne weiteres mittels einer wässrigen Ammoniumfluoridlösung erfolgen. Sodann wird nach einer Bestätigung, daß die Schicht 2, mit Ausnahme des unter der Siliziumnitridschicht 7 befindlichen Teils, vollständig entfernt worden ist, weitergeätzt. Die Dauer dieses Ätzvorgangs beträgt vorzugsweise 10 min bis zu einem Mehrfachen davon, wenn durch thermische Oxydation erzeugtes Siliziumdioxid mittels einer wässrigen Ammoniumfluoridlösung bei 25°C geätzt wird, und einige min bis zu min, wenn nach dem chemischen Aufdampf- bzw. CVD-Verfahren geformtes Siliziumdioxid geätzt wird. Sodann wird das Silizium-Plättchen 1 einem anisotropen Xtzen zur Bildung eines Vorsprungs 4 mit vorbestimrater Form unterworfen. In diesem Fall kann die auf dem Vorsprung 4 zurückbleibende Siliziumnitrid-Schicht 7 Abmessungen besitzen, die um einige tausend A bis zu einigen um größer sind als die Abmessungen der Oberseite des Vorsprungs 4. Dieser Maßunterschied kann jedoch auf einige hundert A begrenzt werden. Anschließend wird die Oberseite des Siliziumeinkristall-Plättchens 1 mit den auf diesem vorgesehen Schichten 2 und 7 durch Ionenplattleren bzw. -galvanisieren, chemisches Aufdampfen, Vakuumaufdampfen oder Aufsprühen mit einem Metall hohen Schmelzpunkts, wie Mo, W, Ta und Ti, oder einem Metall wie Au und Ag beschichtet, so daß gemäß Fig. 2B eine Blendenschicht 9 hergestellt wird.
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Hierauf kann erforderlichenfalls zur Ausbildung eines Musters mit hohem Genauigkeitsgrad Metall aufgalvanisiert werden. Wenn dann das Plättchen 1 durch Ätzen entfernt wird, werden die Siliziumdioxid-Schicht 2, die Siliziumnitrid-Schicht und der darauf befindliche Teil der Metallschicht 9 gleichzeitig abgelöst, so daß eine nur aus der Blendenschicht 9 bestehende Lochblende erhalten wird.
In den Fig. 3A bis 3C ist noch ein anderes Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Auf einem Saphir-Substrat 11 wird durch epitaxiales Aufwachsen eine Siliziumschicht 12 geformt, und auf dieser wird durch thermische Oxydation oder durch chemisches Aufdampfen eine Siliziumdioxid-Schicht 13 ausgebildet, so daß gemäß Fig. 3A ein Plättchen mit "SOS"- bzw. Silizium-auf-Saphir-Konstruktion erhalten wird. Die Siliziumdioxid-Schicht 13 wird nach dem üblichen Photoätzverfahren in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf die Siliziumschicht 12 gemäß Fig. 3B unter Benutzung der entsprechend geformten Siliziumdioxid-Schicht 13 als Maske einem anisotropen Ätzen unterworfen wird. Wenn die Siliziumschicht 12 entsprechend stark geätzt bzw. "überätzt" wird, bleibt gemäß Fig. 3B die Schicht 12 in Form einer Insel mit nach unten abgeschrägten Seiten als Vorsprung 12 stehen. Die auf diesem Inselbereich befindliche Siliziumdioxid-Schicht 13 besitzt größere Abmessungen als die Oberseite der Insel 12, d.h. die Schicht 13 ragt in waagerechter Richtung über den Inselbereich hinaus. Das Saphir-Substrat 11 wird durch Aufdampfen oder Aufsprühen mit einem Metall 14 als Blendenwerkstoff überzogen, wodurch gemäß Fig.3C eine Blendenöffnung festgelegt wird. Hierauf wird die Blendenschicht auf nicht dargestellte Weise mit dem gleichen oder einem anderen Metall plattiert bzw. galvanisiert, und die verbliebene Siliziumschicht 12 wird weggeätzt, wobei die Siliziumdioxid-Schicht 13 auf der Schicht 12 sowie der darüber
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befindliche Teil der Blendenschicht 14 gleichzeitig entfernt werden. Im Anschluß hieran wird das Saphir-Substrat 11 durch Phosphorsäure o.dgl. entfernt, so daß eine Metall-Lochblende erhalten wird.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 4A bis 4D veranschaulicht.
Dabei wird auf die in Verbindung mit Fig. 1B beschriebene Weise ein Vorsprung 4 mit der gewünschten Form der Oberseite auf einem Siliziumeinkristall-Substrat oder -Plättchen 1 geformt. Danach werden die Oberseite des Vorsprungs 4 und die Unterseite des Substrats 1 jeweils mit einer Siliziumdioxid-Schicht 2 überzogen, während auf der Oberseite des Substrats 1 durch z.B. Galvanisieren (plating) selektiv eine Metallschicht 16 geformt wird (vgl. Fig. 4A). Anschließend wird gemäß Fig. 4B auf dem Substrat 1 unter Einschluß der Siliziumdioxid-Schicht 2 und der Metallschicht 16 eine Blendenschicht 17 ausgebildet, die je nach dem Grundmaterial aus polykristallinem Si, SiN4, BP, BN, U, Au oder W durch chemisches Aufdampfen, Ionenplattieren oder -galvanisieren, Ionenaufsprühen o.dgl. hergestellt werden kann. Die Herstellung der Blendenschicht kann auch nach Abtragung der Siliziumdioxid-Schicht 2 erfolgen. Nachdem die Siliziumdioxid-Schicht 2 und das Silizium-Substrat 1 auf die in Fig. 4C gezeigte Weise entfernt worden sind, wird die Blendenschicht 16 von der Seite der Metallschicht 16 her und unter Heranziehung der letzteren als Maske selektiv geätzt. Durch Wegätzen der Metallschicht 16 wird eine Lochblende mit der gewünschten Form und den vorgesehenen Abmessungen entsprechend dem Vorsprung 4 erhalten (vgl. Fig. 4D). Wenn für das Ätzen der Blendenschicht 17 von der Rückseite her ein Verfahren angewandt wird, bei dem die Schicht 17 auch von anderen Seiten als von der Rückseite her geätzt wird, muß vorher eine ätzfeste Schicht auf der Oberseite der Blendenschicht 17 vorgesehen werden.
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Die beschriebenen Verfahren eignen sich sämtlich für die Herstellung einer Lochblende mit rechteckiger Blendenöffnung. Dabei werden die jeweiligen Vorsprünge mit rechteckigem Querschnitt jeweils mit Hilfe von Masken einer diesen Vorsprüngen entsprechenden Form ausgebildet. Zur Verbesserung der Rechtwinkligkeit des Vorsprungquerschnitts werden vorzugsweise im wesentlichen quadratisch vorspringende (square extended) Bereiche an den vier Ecken der Maske vorgesehen, um den geringen Unterschied zwischen der Ätzgröße an den Ecken und an den Seiten auszugleichen.
Fig. 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Lochblende mit kreisförmiger Öffnung.
Auf beiden Flächen eines Substrats 21 aus Siliziumeinkristall oder polykristallinem Silizium werden Schichten 22 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid als ätzfeste Masken geformt. Danach wird die obere Schicht 22 auf beschriebene Weise durch selektives Ätzen derart abgetragen, daß ein kreisförmiger Bereich mit einem Radius R stehenbleibt und der außerhalb des verbliebenen Teils der Schicht 22 befindliche Bereich des Substrats 21 freigelegt ist. Sodann wird der freigelegte Bereich des Substrats 21 unter Heranziehung des kreisförmigen Bereichs 22 als Maske mit einer alkalischen Esterlösung geätzt. Dabei entsteht ein säulenartig vorspringender Teil 23 mit einer Höhe d und einem Radius R - d. Geätzt wird nach einem isotropen Ätzverfahren, das in üblicher Weise mit einer Toleranz in der Größenordnung von einigen 8 genau gesteuert werden kann. Ähnlich wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Substrat 21 anschließend mit Metall überzogen, so daß eine Lochblende entsteht, deren Öffnung denselben Durchmesser besitzt wie der vorspringende Teil 23. Da letzterer eine sanft bzw. gleichmäßig gekrümmte Umfangsflache besitzt, die sich allmählich nach unten erweitert, verengt sich die
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Öffnung der hergestellten Lochblende über deren Dicke hinweg gleichmäßig. Eine solche Lochblende ist daher auch vorteilhaft als DUse für Strömungsmittel verwendbar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Abmessungen der Öffnung einer Lochblende also mit hoher Genauigkeit steuern. Außerdem können die Werkstoffe für die Lochblende je nach dem jeweiligen Verwendungszweck gewählt werden, wobei auch die Fertigung vergleichsweise einfach ist. Zudem sind beim erfindungsgemäßen Verfahren auch keine speziellen Arbeitsgänge für eine Steuerung der Abmessungen erforderlieh. Erfindungsgemäß läßt sich somit in äußerst vorteilhafter Weise eine Lochblende mit hoher Maßgenauigkeit einfach und mit niedrigen Kosten aus einem für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten Werkstoff und ohne Einschränkung bezüglich der Form bzw. des Profils der Blendenöffnung herstellen.
Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können als Substrat andere geeignete Werkstoffe als Silizium verwendet werden, etwa ein mehrlagiges Substrat aus einer Kombination von Siliziumeinkristall mit einem Ionenkristall (ion crystal) oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Das Anwendungsgebiet der Lochblende umfaßt Strömungsmitteldüsen für Tintenstrahlschreiber, optische Lochblenden für Lasersysteme sowie Lochblenden für Korpuskularstrahlvorrichtungen. Dabei lassen sich Dicke und andere Einzelheiten der Lochblende ohne weiteres nach Belieben und Bedarf steuern. Dero Fachmann sind also verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.
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Claims (9)

Verfahren zur Herstellung einer Lochblende, etwa für eine Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Lochblende, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Substrat vorgesehen wird, daß durch Ätzen der einen Seite des Substrats ein vorspringender Abschnitt geformt wird, daß eine Blendenschicht durch überziehen der genannten Seite des geätzten Substrats mit einem Lochblendenmaterial um den vorspringenden Abschnitt herum geformt wird und daß durch Entfernung des Substrats in der Blendenschicht eine Blendenöffnung mit einem dem Querschnittsprofil des vorspringenden Abschnitts entsprechenden Querschnittsprofil ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Metallsubstrat verwendet wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus einem anisotropen Metall besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Siliziumeinkristall-Substrat verwendet wird und daß der vorspringende Abschnitt dadurch geformt wird, daß ein Teil der einen Seite des Substrats mit einer Photowiderstandsbzw. Photoresistschicht abgedeckt und das Substrat unter Benutzung der Photoresistschicht als Maske selektiv geätzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Seite des Substrats die [100]-Fläche des Siliziumeinkristalls ist und daß dem vorspringenden Abschnitt durch anisotropes Ätzen ein rechteckiger Querschnitt verliehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus einem anisotropen Metall besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Abschnitt in der Weise gebildet wird, daß ein Teil der genannten Seite des Substrats mit einer kreisförmigen Photoresistschicht abgedeckt und das Substrat unter Benutzung der Photoresistschicht als Maske selektiv geätzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Blendenmaterial ein Metall mit hohem Schmelzpunkt verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Blendenmaterial ein guter elektrischer Leiter verwendet wird.
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