DE3152307A1 - Use of metallic glasses for fabrication of structures with submicron dimensions - Google Patents
Use of metallic glasses for fabrication of structures with submicron dimensionsInfo
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Description
Musterstruktüren oder Leiterbilder aus amorphen Metallen
Die Erfindung betrifft Oberflächen-Musterstrukturen
aus amorphen Metal ] en mi t iJt rukturd j monsj onen im
Submikronbereich, auf Unterlagen aufgebracht oder nicht.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung
der genannten Strukturen und Materialien, die dabei verwendet werden.
10 Es sind in letzter Zeit Methoden und Verfahren veröffentlicht worden, die die Herstellung von mechanischen
Strukturen mit Seiten- oder Höhen-Dimensionen von ^ 1 /um erlauben. Solche Methoden umfassen
Elektronenstrahl- und Röntgenstrahl-Lithographie-
15 Verfahren.. ■
/2
' 1A-55 966/PCT -<r-_3-
.'.-'■'■■■ : ι
Die hier beschriebene Erfindung wird nun anhand
der beigelegten Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung stellen die Figuren 1 bis 3 ve ir- ;
schiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen
Strukturen dar. Die Figur 4 ist eine schematische -ä
Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäss strukturierten Materialien auf
einem Substrat.
10
10
Im folgenden sollen Strukturen beschrieben werden, die
wie folgt hergestellt werden können. Die Liste
stellt jedoch keine Limitierung des erfindungsge-
; massen Gedankens dar.
1.. Vertiefungen, Kanäle, Rinnen oder andere konkave r,
Oberflächenreliefs in einer planen Oberfläche
eines massiven Substrates , wie dies in Fig. 1 der Zeichnungen illustriert ist. Die untere
Grenze für v, d oder w kann <: 1 yam betragen und
das Substrat (S) kann aus ■ irgendeinem Feststoff 1 κ ■;; 1 ( Ίμ mi , wrirlicj drn f
<> I <|( ίμ)< ·η Olxi f .1 .'ichcrihchandlunyen
unterzogen werden kann: chemischer-;.
Aetzen, elektrochemisches Aetzen, Plasmastrahl ■— Ionenstrahl— oder andere geregelte · Erosionstechniken.
2. Erhöhungen, Tafeln, Rippen, Inseln und andere konvexe Oberflächenreliefs aus einem Metall abgelagert
auf und verbunden mit einer planen Oberfläche
/3
1A-55 966/PCT - Y " U ^
eines massiven Substrates, wie dies in Fig. 2 illustriert ist. Die untere Grenze für v, d und
w kann kleiner als 1 /Um betragen und das abgelagerte Material D kann aus irgendeinem Feststoff
bestehen, der auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Methoden für ein solches
Aufbringen sind beispielsweise Aufdampfen, Aufsprühen, chemisch aus der Dampfphase abscheiden,
schnelles Einfrieren, elektrochemische oder elektrolytische Abscheidung und andere Abscheidungstechniken
aus der Dampf- oder flüssigen Phase, wobei D aus dem gleichen oder aus einem verschiedenen chemischen Material bestehen kann,
verglichen mit S. Ebenso kann die Mikrostruktur von D, verglichen mit S, gleich oder verschieden
sein.
3. Kombinationen von 1 und 2, welche auf bzw. im gleichen Substrat ausgeführt werden, um so die
gewünschte laterale Struktur (Bild, Leiterbild, Muster) zu erreichen,,
k. Kombinationen von 1 und 2 nacheinander ausgeführt,
um so die gewünschte vertikale Struktur zu erreichen, wobei diese Kombinationen auch die
Möglichkeiten umfassen, mehr als eine Schicht des Struktur-bildenden Materials gemäß den
Techniken1 und 2 aufzubringen.
5. Selbsttragende, d. h. nicht auf eine Unterlage aufgezogene oder nur am Rande aufgebrachte
dünne Schichtstrukturen mit Ausbildungen, die durchsichtig, durchscheinend oder
1A-55 966/PCT ■ - /-S -
opak sind für Photonen oder Teilchen mit. entsprechenden Energien, wie dies in
Fig. 3 dargestellt ist.
oder Leiterbilder Die Muster-Strukturen/gemäss der Erfindung
werden in verschiedenen technischen Anwendungen eingesetzt, wobei die folgende Liste einige
solcher Anwendungen gibt. Die Anwendungen sind jedoch nicht auf diese Liste beschränkt.
oder Leiterbilder a) Herstellung von MetalIisationε-Mustern/für
Transistoren, integrierte Schaltkreise, Oberflächen-Akkustikwellen-Anlagen,.Magnetblasen-Anlagen,
superleitende Anlagen/ Halbleiter und andere einzelne ■„ oder integrierte
Anordnungen von elektrischen Vor-ιi
chtungen;
b) Herstellung von (gemusterten) Leiter-Anordnungen metallischer Verbindungen,Halbleiter-Bauteilenund
halbleitenden oder isolierenden optischen Wellenleitern in integrierten optischen Systemen:
c) Herstellung von Urschablone und Replizier-Schablone
für lithographische Anwendungen;
d) Herstellung von Beugungsgittern; e) Herstellung von Fresnel-Zonen-Platten;
f) Herstellung von optischen, chemischen oder
biologischen Filtern, wie in Beschichtungen mit eiiner grossen Zahl von kleinen Oeffnungen,
IA-55 966/PCT ■" ',/■ ·..· ; ^.ßf.-.
-G-
so wie sie beispielsweise auf einem Substrat
nur. Seil ζ gebildet, werden, wo nn.c'.ch.l .i essend
das i'.i)]'/ wegijelöst wild;
g) Herstellung von feinsten Oberflächenstruk-'türen
für verbesserte Oberflächenaktivität oder für verbesserte katalytische Aktivität.
Gemäss der praktischen Ausführung dieser Erfindung sind die Materialien S und/oder D Metalle und zwar
aus folgenden Gründen: elektrische Leitfähigkeit,
thernii sehe Lei t f ähi gkei t , jiWiCjnrt i sches Verhiil ten ,
mechanische ]■'(·;;! i gkei t , Ve·! )»i nduiigsniüg ] i chkej t mit
andern Materialien, Lichtundurchlässigkeit, Reflektivität
oder eine Kombination der genannten Eigenschaften .
Es liegt eine Anzahl determinierender Faktoren für die minimal zu erreichende Grosse v, d und w
vor, wie in den Figuren 1 bis 3 definiert. Die Faktoren umfassen die Wellenlängen der Strahlung oder die Energie
von Partikeln, die bei der Belichtung (Herstellung oder Anwendung) eingesetzt werden; die Qualität der Optiken
im Belichtungssystem; die Belichtungs- und Entwicklungscharakteristiken des Resist-Materials und die Qualität,
Dimensionen und Transmissionscharakteristiken der Schablonen (Vorlagen), wenn solche eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist hohe Qualität und Stabilität und spezielle Auflösung der Strukturen einschließlich
Verbesserung des Verhaltens beim Ätzen für scharfe Kanten und glatte Flanken bei regelbarer Ätzgeschwindigkeit
und räumliche Gleichmäßigkeit über weite
/6
1A-55 966/PCT ^
Bereiche für gleichmäßige Schnitte, Beständigkeit gegenüber zeitbedingtenDimensionsänderungen durch
Kriechen, Fließen, Eindiffusion unerwünschter Verunreinigungen, Ausdiffusion wesentlicher Atome,
Löcherbildung, Kornwachstum, Phasentrennung, Phasenänderung oder Bildung von Verbindungen.
Diese Erfindung betrifft speziell Leiterbilder oder Musterstrukturen S und D und ist im vorangehenden
Patentanspruch charakterisiert.
Konventionelle Metalle sind ohne weiteres für S
und D einsetzbar, jedoch nur in Anwendungen, bei denen die minimalen Dimensionen grosser
als 1 /um sind. Die genannten konventionellen Metalle
sind jedoch .im allgemeinen nicht einsetzbar in Anwendungen
mit Strukturd j iiu.ns-i ojien unterhalb 3 /Um.
Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, dass
Metallmikroskopische /substrate oder abgelagerte Schichten
aus konventionellen Metallen ein polikristallines Mikrogefüge aufweisen. Beim Aetzen solcher Materialien
(nasses oder chemisches Aetzen oder ionenerosives Aetzen) werden die Korngrenzen zwischen
den Kristalliten schneller angeätzt als die einzelnen
Kri st.al 3 oberfl riehen . Auch ist gefunden wor- ,
den, dass in einigen Fällen die Aetzgeschwindjgkeit
von Kristallin zu Kristallit verschieden ist, je nach der kristallographisehen Orientierung der angegriffenen
Kristalloberfläche. Es ist hierbei festgestellt
worden, dass-üm einwandfreies Aetzen zu
erreichen -sehr feinkristalline Metalle vorliegen müssen und zwar mit KorngrÖssen, die kleiner sind
als die gewünschten Dimensionen für v, d und w. Die hohe Konzentration von Korngrenzen in feinkristallinen
Metallen aber führt zu Problemen hi nsi c M 1 i el ι der L;mg/.ei 1 si abi 1 i i ii t. der Strukturen
oder Leiterbilder;dies aus folgenden Gründen
/7
3 Ί 52307
1Α-55 966/PCT
1. Die höhe Grenzflächen-Energie der Korngrenzen
führt dazu, dass das System gegen Kornwuchs unstabil ist, wobei ein solcher
Kornwuchs speziell die mikroskopische Geometrie und Dimensionen des Gefüges zu
verändern imstande ist;
2. Korngrenzen und Krisi a ] 1 -Versetzungen führen
zu örtlich hohen Diifusaonsraten für Verunreinigungeri
und Vakanzen, wobei oft sogar die Bildung von Hohlräumen, Einschlüssen, Ausbuchtungen
und Vertiefungen beobachtet wird. Verunreinigungen,welche durch die genannte örtliche
Diffusion entlang von Korngrenzen oder Kri Stallversetzungen eingeführt werden, können
wiederum zu int ermet π 1 J i r.chon ν<··)Ί>:ΐ nduriqcn
fühi on. Die Au.sdi ί f u<; i on von Verunreinigungen
kann an der Oberfläche zu deren Anreicherung als neue Phasen führen; .
3. Die Anwesenheit von Korngrenzen oder Kristall-Versetzungen in elektrischen Leitern führt zu
verstärkter Elektromigration und letztlich zum völligen Versagen des Metalles.
.■-■ ... '
Die obengenannten Probleme werden durch die Verkleinerung der Dimensionen von Mikrostrukturen noch verstärkt.
■
/8
1A-55 966/PCT - Sir *-
Diese Probleme sind nun vermieden bei den
erfindungsgemässen Oberflächen-Musterstrukturen #
aus amorphen oder glasigen Metallphasen in Strukturen mit Submikrondimensionen. Solche amorphe
Metallphasen enthalten keine Korngrenzen oder andere mikroskopische Inhomogenitäten, welche Anisotropie
oder lokal verstärktes Aetzen zur Folge haben. Ebenso zeigt das genannte Material keine Kristall-Ordnunq
über Dimensionen von mehr als etwa 1 bis 2 nm. Die untere Begrenzung betreffend erreichbarer
Kantenabstände mit dem genannten glasigen Metallphasenmaterial wird durch die Grosse der mikroskopischen
Komponcntcnvarjation bestimmt, welche in der ,
GröEsenordnung von etwa 4 mn oder weniger liegt.
Dieser Vorteil wird übrigens zu einem grossen Teil
beibehalten in Materialien, welche aus regellos
einzelnen
verteilten/Kristalxiten an einer amorphen Matrix
bestehen, solang der Volumenanteil der Kristallite weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als
10 %, beträgt und solang die Temperatur genügend unterhalb der Glasübergangstemperatur T liegt.
Die Diffusionsvorgänge verlaufen in glasigen Metallen
bei Temperaturen unterhalb T äusserst lang-, sam. Daher beträqt der Wert für die Zeitkonstante
hinsichtlich Kriechen, Phasentrennungen oder Kristallisierungen effektiv unendlich, ungeachtet
der Tatsache, dass die glasige Phase nur kinetisch metastabil ist. Bei der Bestimmung der Viskosität
mittels Messen der Schubgeschwindigkeit "*£, beispielsweise
wird bei T-T die Viskosität ' .
*
oder Leiterbildern
/9
1A-55 966/PCT
ΙΟ13 poise (1012Pa-S)
.. Der Wert \ steigt stark an bei Temperaturen unterhalb T bei typisch glasigen
Metallen. Diese Viskositätswerte entsprechen
Kriech-Relaxationszeiten von ungefähr
13 (i0* 2 Pg.. s)
16 Minuten bei "T^ = 10 ρ und Hunderten von
Jahren bei Temperaturen beträchtlich
unter T . Glasige Metalle sind mechanisch, zusammensetzungsmässig und gefügenmäßig
stabil bei praktisch allen Temperaturen, denen sie bei Normalgebrauch unterliegen. Die Diffusion von Verunreinigungen
ist deutlich langsamer als in kristallinen oder polykristallinen Metallen,
da die Diffusion in den letzteren normalerweise
durch die schnelle Diffusion entlang der Kristallversetzungsflächen
oder an Korngrenzen erfolgt, welche beide in glasigen
Metallen nicht vorhanden sind.
Amorphe Metallsysteine, welche zur praktischen Ausführung
dieser Erfindung eingesetzt werden können, sind durch die folgende Zusammensetzung charakterisiert:
T N mit χ -F^r-0 , 8 , T Uebergangsmetall und
N ein poly.valentes Normalmetall oder Metalloid wie bod spielsweise Pd ^. Si 0 # 2 ? Au Q ^ ß ,■ Ge Q ^
CO 0,8 * B 0,2·
/10
1A-55 966/PCT
Jj
Auch entsprechende pseudobinäre Zusammensetzungen
der Formel .
'Vx^ 0,8-xN 0,2
können eingesetzt werden. Diese pseudobinären Zufiamnicnsci/tingen
können auch noch mehr komplex
substituierte Systeme enthalten. Ebenfalls eingesetzt
werden können Systeme, die nur ein oder zwei Uebergangsmetall(e) enthalten, wie Nb/Ni, welches
in Form eines aufgesprühten, glasigen Films erhalten werden kann, dessen Phase eine T von
-^ 630 C zeigt. Die Zusammensetzung des zuletzt
genannten Beispiels kann innerhalb eines grossen Bereichs vari i eren, wenn χ 0,2 bis 0,8 "beträgt.
Amorphe Metalle können durch rasches Abkühlen der entsprechenden flüssigen oder dampfförmigen
Phase erhalten .werden. Mit Metallen, die Glas-, bildungstcndenzen zeigen, können amorphe Metallbeschichtungen
mittels konventioneller Aufdampfmethode, unter genügend schnellem Abkühlen des entsprechenden Metalldampfes, erhalten werden.
Glasige oder amorphe Metalle haben bei Raumtemperatur elektrische und thermische Leitfähigkeiten,
welche nur wenig unterhalb denjenigen der entsprechenden kristallinen Uebergangsmetalle
liegen. Sie zeigen hinsichtlich elektrischer Leit—
fähigkeit also ähnliche Eigenschaften wie normale Metalle. Wenn diese Eigenheiten zusammen mit den
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1A-55 966/PCT
Gefügevorteilen betrachtet werden, zej yen
amorphe oder glasige Metalle wesentliche Vorteile bei der praktischen Verwendung in mechanischen
und/oder elektrischen Bauteilen für die Metallisierung von Produkten, die Dimensionen im
Submikronbereich aufweisen müssen.
Nachdem nun die Erfindung anhand ihrer grundsätzlichen
Eigenheiten beschrieben worden ist, werden im folgenden einzelne Ausführungen derselben erläutert,
wobei diese keinesfalls Limitierungen des erfindungsgemässen Gedankens bedeuten.
Die Abscheidung von amorphem Metall zur Herstellung der Schicht S gemäss Fig. 1, der Beschichtung
D in Fig. 2 oder der dünnen Schicht in Fig. 3 werden verschiedene Methoden angewandt. Diese
sind zum Beispiel in der US-Anmeldung Serial No. 81 859 vom 4. Oktober 1979, mit dem Titel "Hochzuverlässige
Metallkontakte für Hochtemperatur-Halbleiter-Anwendungen"
beschrieben.
In der Figur 4 wird das Substrat 10, auf dem das
amorphe Metall abgeschieden werden soll, von einer Anode 12 getragen.Das ganze ist in einer dichten
Vakuumkammer 14 montiert, welche mit inertem Gas,.
1,33 bis 66,5 mbar wie Argon, auf einen Druck von 1 bis 50 Torr
gebracht werden kann. Die Kathode 16 liegt ebenfalls innerhalb der dichten Kammer und ist parallel
zur Anode montiert.
/12
1A-55 966/PCT --Vt\ =. ή 2,-
Das Metall oder die Legierung, die in amorpher
Form auf der Oberfläche-des Substrates 10 abgeschieden
werden soll, ist beispielsweise
Pd 0,8' Si 0,2 °der CO 0,8·-B 0,2· Dieses
Material ist aaf da? Kathode angeordnet. Bei
einem Energieniveau von etwa ] kW wird Argon
ionisiert, wodurch eine GIi mm entladung zwischen der Kathode und der Anode ausgelöst wird. Die
Argon-Ionen werden von der Kathode angezogen, wo sie Atome des Metalls oder der Legierung herausschlagen· Die freien Atome bewegen sich nun auf die
Anode hin, wobei einige von ihnen auf der·Oberfläche
des Substrats 10 auftreffen und dort die
Beschichtung bilden.
Wenn dabei die Temperatur- der Anode zu hoch
steigt, kann dies dadurch vermieden werden, dass ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser oder
Glykol(durch die Anode zirkuliert wird. Dadurch
wird erreicht, dass nur amorphes Metall auf der Oberfläche abgeschieden wird.
Wenn das Material nur in Form von Erhöhungen, :
Rippen usw. oder andern konvexen Obe.rflächenreliefs
abgeschieden werden soll (wie beispielsweise in Fig. 2 illustriert), kann das Substrat mit
einer entsprechenden Maske bedeckt sein, welche die entsprechenden, gewünschten Oeffnungen aufweist.
Ai)(Id ■(· r se i t r, können übliche phot Ol it otj t aphi .sehe
Veriahren verwendet werden, um eine kontinuierliche
Beschichtung, d.h. eine Beschichtung, die ursprünglich die gesamte Substratoberfläche bedeckte· zu
strukturieren.
/13 ■
1A-55 966/PCT
Eine ursprünglich kontinuierliche dünne Schicht von amorphem Metall kann anschließend weiterbehandelt werden.
Diese Weiterbehandlung geschieht mittels chemischer oder elektrochemischer Aetzung, mit Plasma-
oder Ionenstrahl- oder anderen
bekannten Erosionstechniken für Metalle. Dadurch Können im Material Vertiefungen gebildet werden,
Kanäle, Nuten oder andere konkave Oberflächenreliefs,
wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Die ursprünglich kohärente Oberflächenbeschichtung kann jedoch auch
als Ganze von der Unterlage abgelöst werden und die genannten Verfahren an diesem Material ausgeführt
werden. Erhalten werden dann schliesslich Ausbildungsformen, welche durchsichtig, durchscheinend odsr
opak gegenüber Photonen oder Partikel mit entsprechenden Energien sind. Dies ist in Figur 3
illustriert.
Das Abscheidungsverfahren für Metalle wird allgemein
als DC-Getter Sputtering System bezeichnet. Daneben kann aber auch vom RF Sputtering für amorphe Metallabscheidungen
angewendet werden, wobei Metalle aus zusammengesetzten Elektroden abgeschieden werden
(Kathodenzerstäubung).
Tm DC-System sind beide Elektroden, Kathode und Anode,
und die zu beschichtende Oberfläche in einer vakuumdichten Kammer eingeschlossen. Die Abscheidungen
können in Argon oder in einer andern Inertgasatmo sphäre
ausgeführt werden und zwar in den oben angegebenen Druckbereichen. Das dazu erforderliche Energie-1
niveau beträgt dabei weniger als 1 kW. Im RF-System
/14
1Α-55 966/PCT -
werden höhere Abscheidungsraten erreicht und dies bei relativ niedrigeren Gasdrücken, wie beispielsweise weniger als (5 Torr)6,65 mbar. RF-Methoden
führen zu einheitlicheren Abscheidungen, speziell wenn dabei Kathoden eingesetzt werden, die relativ
große Dimensionen haben.
Andere Methoden für die Abscheidung von amorphen Metallen auf einer maskierten Oberfläche für
Oberflächen-Musterstrukturen gemäß Fig. 2 oder dünne Schichten zur Herstellung von Produkten
gemäß Fig. 1 und 3 umfassen das Aufdampfen von entsprechendem Material aus zusammengesetzten Anoden.
814649
Claims (8)
1.1 Leiterbilder oder Musterstrukturen aus amorphen Metallen mit Strukturdimensionen im Submikronbereich,
gegebenenfalls auf einer Unterlage.folgender Eigenschaften: günstige Atzbarkeit hinsichtlich der Ausbildung
von scharfen Kanten und glatten, ebenen Flanken,
hohe Beständigkeit gegenüber zeitabhängigen Dimensionsveränderungen durch Kriech- oder Fließvorgänge ,
gegen Ein- oder Ausdiffundieren von Fremdstoffen bzw. Bestandteilen, gegenüber Hohlraumbildung, Kornwachstum,
Phasentrennurig, Änderung der Phasen und der
Bildung von Verbindungen.
2. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennze i chnet ,
daß das amorphe Metall keine Kristallinität innerhalb einer Strecke von 1 bis 2 mn aufweist.
3. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
20 daß das amorphe Metall eine (pseudo) binäre Legierung der Formel
<*1>x<T2>
(0,8-x)N0,2
/2
PCT/US81/O1139 __ ^ 2»
1Λ-55 966/PCT .
ist, worin xK),8, T ein Ubergangsmetall und N ein
normales Metall oder Metalloid ist.
4. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß
Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Vertiefungen, Kanäle, Nuten
oder andere konkave Reliefs in einer planen Fläche einer amorphen Metallschicht aufweisen.
5. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e η η ze i c h η
et , daß sie Erhöhungen, Rippen, Inseln oder andere konvexe Reliefs aus amorphem Metall, aufgebracht
auf der Oberfläche eines Substrats sind.
6. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ,
daß Vertiefungen und Erhöhungen in separaten Schichten vorliegen.
7· Selbsttragende Leiterbilder oder Musterstrukturen
gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch ge k e η η ζ e ic hn
e t , daß die amorphe Schicht für Photonen oder Teilchen mit entsprechenden Energien durchsichtige,
durchscheinende oder opake Bereiche aufweist.
8. Leiterbilder oder Musterstrukturen gemäß
Anspruch 1 bis 7, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t ,
daß das amorphe Metall maximal 25 Vol.-% Kristallite
aufweist.
8146
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1981
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1985
- 1985-03-08 US US06/709,836 patent/US4630094A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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