DE3416819A1

DE3416819A1 - Verfahren zum lithographischen herstellen von bauelementen

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Publication number: DE3416819A1
Application number: DE19843416819
Authority: DE
Inventors: Abraham Afeka Katzir; Paul Robert Maplewood N.J. Kolodner
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-05-06
Filing date: 1984-05-07
Publication date: 1984-11-08
Also published as: KR840009174A; GB8411122D0; DE3416819C2; CA1209723A; KR930000900B1; JPS59208724A; FR2545622B1; NL189631C; FR2545622A1; US4482424A; NL8401430A; GB2139151A; HK53287A; NL189631B; GB2139151B

Description

Beschreibung

Verfahren zum lithographischen Herstellen von Bauelementen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauelementen wie beispielsweise Halbleiterbauelementen mit Hilfe von Lithographiemethoden und mit Überwachung der fortschreitenden Ätzung eines geätzten (entwickelten) Resistmaterial.

Bei der Herstellung von Bauelementen, ζ. B. von Halbleiter-Bauelementen, spielen Lithographieverfahren eine bedeutsame Rolle. Während der Herstellung solcher Bauelemente werden mit Hilfe von Lithographieverfahren Muster auf. Substraten gebildet, beispielsweise auf Siliciumwafern oder vorbehandelten Siliciumwafern, die beispielsweise vollständig oder teilweise mit einem Metall, mit Siliciumdioxid oder Polysilicium

(= polykristallinem Silicium) beschichtet sind. Typischerweise wird auf einem Substrat dadurch ein Muster gebildet, daß das Substrat mit einem als "Resist" bezeichneten energieempfindlichen Material überzogen wird. Ausgewählte Abschnitte des Resists werden einer Form von Energie ausgesetzt, die eine

Änderung der Löslichkeit der ausgesetzten Teile für ein bestimmtes Entwicklungs- oder Ätzmittel· bewirkt. Die leichter löslichen Abschnitte des Resists werden dann entfernt, indem das Resist mit einem chemischen Naßätzmittel oder unter Verwendung eines Trockenätzvorgangs wie beispielsweise Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen, geätzt (entwickelt) wird. Das sich ergebende, in dem Resist gebildete Muster wird dann in das darunterliegende Substrat übertragen, indem beispielsweise das Substrat durch das mit dem Muster versehene Resist hindurch geätzt oder metallisiert wird.

Besondere Bedeutung bei dem oben geschilderten Vorgang der Musterbildung kommt der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts des Resists zu, d. h. demjenigen Zeitpunkt, an dem das Resist in seiner vollen Dicke durchgeätzt ist und somit die Grenzfläche zwischen dem Resist und dem darunter befindlichen Substrat erreicht ist. Wenn beispielsweise das Resist mit einem Naß-

ätzmittel geätzt (entwickelt) wird, welches das Resist sowohl in vertikaler (in Dickenrichtung) als auch in seitlicher Richtung ätzt, so führt ein überätzen des Resists (das Einwirkenlassen des Ätzmittels auf das Resist während' eines Zeitraums, der länger ist als es für das Durchätzen der Resistdicke notwendig ist) häufig zu einem übermäßig starken seitlichen Ätzen des Resists. Ein derart übermäßig starkes seitliches Ätzen führt zu einem Verlust der Linienbreite wäh-

rend der Musterübertragung auf das Substrat. Erfolgt andererseits das Ätzen des Resists durch Trockenätzung, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, so führt das tiberätzen häufig zu einem Zerstäuben des Substrats, wobei sich das zerstäubte Substratmaterial an den Wänden des mit einem Muster versehenen Resists niederschlägt. Auch hierbei ergibt sich also ein Verlust der Linienbreiten-Steuerung während der Übertragung des Musters auf das darunterliegende Substrat. Derartige Verluste der Linienbreiten-Beherrschung sind besonders schwerwiegend bei Muster-Merkmalsgrößen von einigen Mikrometern oder weniger.

Um den Zeitpunkt des Ätzens des Resists zu überwachen, wurden verschiedene Methoden entwickelt, darunter die massenspektrometrische und die optische interferometrische Methode. Bei der erstgenannten Methode wird z. B. eine Massenspektrometer-Analyse eines Ätzplasmas dazu herangezogen, den Ätz-Endzeitpunkt für das Resist zu bestimmen. Wenn einmal bei der Massenspektrometer-Analyse des Plasmas ein für das Substrat typisches Reaktionsprodukt festgestellt wird, so wird davon ausgegangen, daß die Grenzschicht zwischen Resist und Substrat erreicht wurde, woraufhin der Ätzvorgang beendet wird. Zwar ist diese Methode im großen und ganzen brauchbar, allerdings ist die für die Analyse der Reaktionsprodukte typische

zeitliche Auflösung und mithin die Genauigkeit bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts durch die Ätzgeschwindigkeit des Substrats und durch die Diffusionszeiten der Substrat-Reaktionsprodukte in bezug auf einen Detektor begrenzt. Demzufolge kann bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts ein Fehler von bis zu mehreren Minuten entstehen. Bei typischen Plasmaätzgeschwindigkeiten (etwa 50 nm pro Minute) entsprechen derartige Fehler bei der Endzeitpunkt-Bestimmung mindestens einigen 10 nm, häufig sogar einigen hundert nm Resistschichtdicke (diese ist typischerweise nur 1 bis 2 μΐη dick), was einen sehr signifikanten Bruchteil der Dicke des Resists ausmacht. Dementsprechend signifikant ist der Fehler bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts.

Bei den typischen optischen interferometrischen Methoden wird Licht auf das' geätzte Resist gelenkt, und ein Teil des reflektierten Lichts wird erfaßt, um die Intensität des erfaßten Lichts aufzuzeichnen. Bekanntlich schwankt die Intensität des reflektierten Lichts periodisch mit der Zeit (während sich die Dicke des Resists verringert) aufgrund sukzessiver, sich auf- und abbauender Interferenzen zwischen den vom Boden der in das Resist geätzten Nuten reflektierten Lichtstrahlen und den von der darunterliegenden Grenzfläche zwischen Resist und Substrat reflektierten Licht-

strahlen. Der Ätz-Endzeitpunkt wird im allgemeinen dadurch festgestellt, daß man auf scharfe Änderungen der Steigung oder auf scharfe Änderungen der Schwingungsfrequenz des erfaßten Signals achtet. Allerdings ändert sich die Steigung des Ausgangssignals nicht immer abrupt in dem Endzeitpunkt, insbesondere dann nicht, wenn das Substrat ähnliche optische Eigenschaften besitzt wie das Resist, d. h., wenn der Brechungsindex des Substrats dem des Resists nahekommt. In diesem Fall kann der Ätz-Endzeitpunkt ebenfalls mit einem Fehler .behaftet sein, dessen Größe einer äquivalenten Resistdicke von mindestens einigen hundert Angström, häufig sogar einigen tausend Angström, entspricht.

Aus den oben genannten Gründen wurde von den mit der Entwicklung der Lithographietechnik befaßten Personen seit langem, jedoch ohne Erfolg, eine Methode gesucht, die eine exaktere Bestimmung des Endzeitpunkts des Ätzens des Resists ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung schafft eine die herkömmlichen Methoden an Genauigkeiten übertreffende Methode zum Bestimmen des Ätz-Endzeitpunkts eines Opferbeschichtungsmaterials (im folgenden auch mit OBM abgekürzt), z. B. eines Resists, welches geätzt werden soll. Erfindungsgemäß wird ein OBM mit einem fluoreszierenden Material dotiert (physikalisch ge-

mischt). Während des Ätzens des OBM wird ein Flächenabschnitt des OBM und mithin der fluoreszierende Dotierstoff innerhalb dieses Flächenbereichs, einer eine Fluoreszenz anregenden Energie ausgesetzt, und die sich ergebende Fluoreszenz wird zur Aufzeichnung ihrer Intensität erfaßt. Wenn das OBM geätzt wird, verringert sich die Intensität der Fluoreszenz, weil das fluoreszierende Material ebenfalls entfernt (fortgeätzt) wird. In demjenigen Moment, in dem das OBM in seiner Dicke vollständig durchgeätzt ist (in diesem Moment hört die überwachte Fluoreszenz auf, weil das fluoreszierende Material in dem betrachteten Bereich entfernt wurde), ergibt sich eine scharfe Änderung des Anstiegs des erfaßten Signals, wodurch der Ätz-Endzeitpunkt gekennzeichnet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Ätz-Endzeitpunkt mit einer Genauigkeit (ausgedrückt durch eine äquivalente Dicke oder Stärke des OBM) bestimmt werden, die kleiner ist als etwa 10 Nanometer, ja sogar kleiner als etwa 1 Nanometer ist, wobei theoretisch eine Genauigkeit von weniger als 0,01 Nanometer möglich ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Substrats, dessen nichtebene Oberfläche von einem dicken Opferbeschichtungs-

material (OBM) in Vorbereitung des Ätzprozesses abgedeckt wurde,

Fig. 2 den Aufbau eines Drei-Schicht-Resists,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines optischen Systems, welches sich zur Ausführung der Erfindung eignet, und

Fig. 4 und 5a bis 5c graphische Darstellungen von -Fluoreszenzintensitäts-Signalen, die während des anhand "der Beispiele 1 bis 4 beschriebenen Ätzvorgangs von Photoresistschichten erfaßt wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen von Bauelementen wie beispielsweise Halbleiter-Bauelementen oder Magnetblasen-Bauelementen. Das Verfahren beinhaltet die Änderung, z. B. die Musterbildung, eines- Substrats (z. B. eines Siliciumwafers oder eines vorbehandelten Siliciumwafers, der beispielsweise vollständig oder teilweise mit Metall, Siliciumdioxid oder Polysilicium überzogen ist). Erfindungsgemäß wird ein Substrat dadurch geändert, indem zunächst ein Opferbeschichtungsmaterial (OBM), z. B. ein Resist, welches mit einem fluoreszierenden Material dotiert, d. h. physikalisch gemischt wurde, auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird. Die Änderung des Substrats umfaßt außerdem, daß das

aufgebrachte OBM einem Ätzmittel ausgesetzt wird, das entweder das gesamte OBM oder nur ausgewählte Abschnitte des OBM fortätzt. Wenn beispielsweise auf dem Substrat ein Muster auszubilden ist, so ist das OBM typischerweise ein Resist. Ausgewählte Flächenbereiche des Resists werden zunächst einer Form von Energie ausgesetzt, die.die Löslichkeit der ausgesetzten Teile in bezug auf ein gegebenes Entwicklungsmittel oder Ätzmittel entweder verringert (positives Resistmaterial) oder erhöht (negatives Resistmaterial). Die leichter löslichen Abschnitte des Resistmaterials werden dann fortgeätzt, beispielsweise durch chemisches Naßätzen, durch Plasmaätzen oder durch reaktives Ionenätzen des Resists,

Während des Ätzens des OBM wird ein Flächenbereich (oder mehrere Flächenbereiche oder das gesamte Material) des OBM

einer Form von Energie ausgesetzt, die den in diesem Bereich befindlichen fluoreszierenden Dotierstoff zum Fluoreszieren veranlaßt. Im Rahmen der Erfindung wird ein Material als fluoreszierend angesehen, wenn es ansprechend auf eine geeignete Form von Energie, z. B. Licht, Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen,■elektromagnetische Strahlung emittiert. Durch Überwachen der Fluoreszenz des Dotierstoffs wird der Ätz-Endzeitpunkt des OBM, welcher demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem die überwachte Fluoreszenz praktisch aufhört, bestimmt, und auf diese Weise wird ein unerwünschtes

Ätzen des OBM und/oder des Substrats vermieden. Besteht der Zweck des Ätzvorgangs darin, in dem OBM ein Muster zu erzeugen, das in das darunterliegende Substrat übertragen wird, so wird dies beispielsweise dadurch erreicht, daß das Substrat durch das mit einem Muster versehene OBM hindurch geätzt oder metallisiert wird.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfaßt Verfahren zum Ändern von Substraten, die sich von den herkömmlichen Lithographie-Musterbildungsverfahren unterscheiden. Unter solchen Verfahren sind beispielsweise das Planarisations-Ätζverfahren, das von A. C. Adams und C. D. Capio in "Planarization of Phosphorus-Doped Silicon Dioxide", Journal of Electrochemical Society, 128, Seiten 42 3 bis 428 (Februar 1981) beschrieben ist. Bei dem Planarisations-Ätzverfahren wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine nicht-plane, zu planarisierende (im wesentlichen flach zu machende) Seite 12 eines Substrats 10 mit einer dicken OBM 14, ζ. Β. einer dicken Resistschicht, überzogen.. Das OBM 14 wird derart gewählt, daß sein Ätzen etwa genauso schnell vonstatten geht wie das Ätzen des Substrats 10, wenn man von einem bestimmten Ätzmittel ausgeht. Durch Fortätzen des OBM werden auch die Substratvorsprünge fortgeätzt, so daß eine flache Substratoberfläche gebildet wird. Erfindungsgemäß geht der

Planarisierungs-Ätzvorgang in der oben geschilderten Weise vonstatten, mit der Ausnahme, daß das dicke OBM 14 mit einem fluoreszierenden Material dotiert (physikalisch gemischt) wird und die von einem Abschnitt (oder Abschnitten) des dotierten OBM emittierte Fluoreszenz (ansprechend auf fluoreszenz-anregende Energie) während des Ätzens des OBM überwacht wird. Wenn einmal die Fluoreszenz aufhört, wird .das Ätzen beendet, weil sämtliches Opferbeschichtungsmaterial (OBM) fortgeätzt ist, und es liegt ein flaches Substrat vor, ohne daß das Substrat übermäßig stark geätzt wurde.

Die Erfindung umfaßt außerdem solche Opferbeschichtungsmaterialien (OBM), die aus mehreren unterschiedlichen Materialschichten bestehen, von denen eine oder mehrere mit einem fluoreszierenden Material dotiert sind und deren Fluoreszenz während des Ätzens überwacht wird, um ein unerwünschtes Ätzen des Substrats und/oder anderer OBM-Schichten zu vermeiden. Beispielsweise umfaßt die Erfindung Drei-Schicht-Resist-Prozesse zur Bildung von Mustern auf Substraten, wie sie von J. M. Moran und D. Maydan beschrieben sind in "High Resolution, Steep Profile, Resist Patterns" The Bell System Technical Journal, 58 (5), Seiten 1027 bis 1036 (Mai/Juni 1979) und in der US-PS 4 244 799. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt das Drei-Schicht-Resist eine (typischerweise 2 μΐη starke) dicke Planarisierung.sschicht 18 aus organischem Material

direkt auf einem Substrat 16. Weiterhin umfaßt das Drei-Schicht-Resist eine dünne (typischerweise 100 nm dicke) SiO₂-Schicht 20, die auf die dicke Planarisierungsschicht 18 aufgebracht ist, sowie eine (typischerweise 400 nm dicke) dünne Schicht 22 aus Photoresist, Röntgenstrahlenresist oder Elektronenstrahlresist hoher Auflösung..Die Schicht 22 ist auf die SiO₂-Schicht 20 aufgebracht. In der Praxis wird zunächst in der oberen, hochauflösenden Schicht 22 ein Muster definiert, indem diese Schicht belichtet und entwickelt wird. Dann wird dieses Muster (unter Verwendung der hochauflösenden Resistschicht 22 als Ätzmaske) in die SiO₂-Schicht 20 übertragen, wobei die SiO₂-Schicht 20 beispielsweise in CHF₃-Plasma einem reaktiven Ionenätzen ausgesetzt wird. Anschließend wird das Muster in der SiO₂-Schicht 20 in die dicke Planarisierungsschicht 18 übertragen. (Hierbei dient die mit Muster versehene SiO₂-Schicht 20 als Ätzmaske.) Dies geschieht durch lonenätzen der Planarisierungsschicht 18, z. B. in einem O₂-Plasma.

Die obere, hochauflösende Resistschicht 22 des Drei-Schicht-Resists wird häufig von zum 'Ätzen der SiO₂-Schicht 20 verwendeten CHF₃-Plasma geätzt. Ein Überätzen der SiO₂-Schicht 20 ruft ein unerwünschtes übermäßiges Ätzen der oberen Schicht· 22 hervor und somit einen Verlust der Linienbreitensteuerung während der Musterübertragung von der oberen Schicht 22 auf die SiO₂-Schicht 20. Ferner führt ein über-

ätzen der dicken Planarisierungsschicht 18 häufig zu einem unerwünschten Ätzen des Substrats 16 und/oder zu einem Zerstäuben des Substrats 16. Ein Zerstäuben des Substrats wiederum führt häufig dazu, daß sich zerstäubtes Substratmaterial auf den Wänden der mit einem Muster versehenen Planarisierungsschicht 18 niederschlägt, was einen Verlust der Linienbreitensteuerung während der Musterübertragung in das Substrat 16 zur Folge hat. Um diesen Problemen zu begegnen, wird erfindungsgemäß die dicke Planarisierungsschicht 18 mit einem fluorezierenden Material dotiert (physikalisch gemischt) , und die von einem Bereich (oder von Bereichen) der Schicht 18 (ansprechend auf fluoreszenzanregende Energie) emittierte Fluoreszenz wird während der Musterbildung der drei Schichten 22, 20 und 18 überwacht. Während des reaktiven Ionenätzens der SiO₂-Schicht 20 in dem CHF₃-Plasma bleibt d|ie Intensität der von der Planarisierungsschicht 18 emittierten Fluoreszenz konstant. Wenn erstmalig eine spürbare Abnahme der festgestellten Fuoreszenz erfolgt (wodurch der Beginn der Ätzung des fluoreszierenden Materials in der Planarisierungsschicht 18 und mithin der Ätz'-Endzeitpunkt der SiO₂-Schicht 20 gekennzeichnet wird), wird der-Ätzvorgang der SiO₂-Schicht angehalten. Auf diese Weise wird ein überätzen der SiO₂-Schicht 20 verhindert und ein unerwünschtes übermäßiges Ätzen der oberen, hochauflösenden Resistschicht 22 vermieden. Ferner wird während der Musterbildung

der dicken Planarisierungsschicht 18 deren Ätzvorgang angehalten, wenn die überwachte Fluoreszenz praktisch aufhört (was bedeutet, daß das fluoreszierende Material vollständig fortgeätzt ist und mithin die Schicht 18 in ihrer vollen Stärke geätzt ist). Auf diese Weise wird ein unerwünschtes Ätzen oder ein Zerstäuben des Substrats 16 vermieden.

Bei der Ausführung der Erfindung wird typischerweise ein Bereich (oder das gesamte Material, oder es werden Flächenbereiche) eines mit einem fluoreszierenden Material dotierten OBM einer fluoreszenz-anregenden Energiestrahlung mit einer Leistung P ausgesetzt, z. B. einer fluoreszenzanregenden elektromagnetischen Strahlung der Leistung P (Photonen/Sekunde) . Wenn der (dem fluoreszenzanregenden Strahl ausgesetzte) fluoreszierende Dotierstoff nur einen Bruchteil θ der einfallenden fluoreszenzanregenden Strahlung absorbiert, und wenn der Dotierstoff eine Quantenausbeute η_£ (Anzahl der emittierten Photonen/Anzahl der absorbierten Photonen) aufweist, so beträgt die Anzahl von durch das fluoreszierende Material emittierten Photonen pro Zeiteinheit:

N = P · θ · ij_f (1)

Die emittierten Photonen werden typischerweise von einem Photodetektor gesammelt, dessen Ausgangssignal von einer

elektrischen Schaltung mit der Ansprechzeit At gemessen wird, d. h., dessen Ausgangssignal zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Summe sämtlicher während des vorausgehenden Zeitinkrements At gesammelter Photonen darstellt. Im allgemeinen sammelt der Detektor nur einen Bruchteil f der während jedes dieser Zeitintervalle At emittierten Photonen (der Bruchteil f schließt den von dem Detektor gesammelten Anteil der Fluoreszenz und Interferenzeffekte ein). Der Photodetektor enthält im allgemeinen einen Wandler, z. B. eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre (PM-Röhre), die das erfaßte Lichtsignal beispielsweise in einen Elektronenstrom umsetzt. Wenn die PM-Röhre eine Quantenausbeute t) (Anzahl von emittierten

⁴C

Elektronen/Anzahl von gesammelten Photonen) hat, so beträgt das gemessene Fluoreszenzsignal N (die Gesamtzahl von von der PM-Röhre ansprechend auf die Fluoreszenz während jedes Zeitintervalls Ät emittierten Elektronen):

(2)

Nach dem Beerschen Gesetz (vgl. z. B. Billings et al (Heraus geber) American Institute of Physics Handbook (McGraw-Hill, New York, 1972), Seite 6-2), folgt, daß der Absorptionsanteil θ (in Gleichung (2)) gegeben ist durch

θ = 1 - eECT(t) ₍₃₎

£ = molare Absorptionsfähigkeit des fluoreszierenden Materials (mit beispielsweise der Dimention Liter/Mol-cm),

C = Konzentration des fluoreszierenden Materials in "dem Resist (mit der Dimension Mol/Liter) , und

T(t) = Dicke des Resists (in cm) zur Zeit t. Hieraus folgt:

N = P- [1 - e~^£CT(t)2 · η_£ · f · y\_c · At (4)

Wenn die Konzentration des fluoreszierenden Materials, C, ausreichend klein ist, damit tCT(t) im Vergleich zu dem Wert 1,0 klein ist (dies ist häufig, jedoch nicht immer der Fall bei der Ausführung der Erfindung), so ergibt sich die Exponentialfunktion gemäß Gleichung (3) und (4) angenähert folgendermaßen:

«* 1 - £cT(t) Daher gilt

θ <& E.CT(t) ,
9/10

Ν« P · f£CT(t)] · y\_f · f · 7|_c · At (5)

Wie aus den Gleichungen (4) und (5) ersichtlich ist, ist das festgestellte Fluoreszenzsignal eine Funktion der Dicke T des Resists. Das heißt, wenn T(t) während des ÄtzVorgangs abnimmt, so nimmt auch das Fluoreszenzsignal N ab. Folglich läßt sich die Ätztiefe des Resists leicht überwachen. Allerdings erfaßt der Photodetektor im allgemeinen nicht nur das Fluoreszenzsignal N, sondern auch ein Hintergrundsignal N, (dieses ist z. B. auf Reflexionen der fluoreszenzanregenden Energie am Photodetektor zurückzuführen). In der Nähe des Ätz-Endzeitpunkts ist das Hintergrundsignal N, im allgemeinen größer als das Fluoreszenzsignal N, so daß der Ätz-Endzeitpunkt (das Aufhören des Fluoreszierens) nicht durch das Verschwinden des festgestellten Signals gekennzeichnet ist, sondern durch eine scharfe Änderung der Steigung des festgestellten Signals (wie Fig. 4 zeigt, wird die Steigung beispielsweise Null). Die scharfe Steigungsänderung kann man leicht feststellen und somit den Ätz-Endzeitpunkt exakt bestimmen.

Der eine Faktor, der die Signalauflösung jedes Photodetektors letztendlich begrenzt, ist das Schrotrauschen (vergleiche

ζ. Β. American Institute of Physics Handbook, supra, Seite 6-253), das der Quadratwurzel des festgestellten Signals entspricht (die Quadratwurzel der Gesamtanzahl von während jedes Intervalls At gezählten Elektronen). Weil das Hintergrundsignal N, in der Nähe des Ätz-Endzeitpunkts im allgemeinen größer ist als das festgestellte Fluoreszenzsignal N, ist das mit dem erstgenannten Signal einhergehende Schrotrauschen im allgemeinen größer als das mit dem letztgenannten Signal verbundene Schrotrauschen in der Nähe des Ätz-Endzeitpunkts. Wenn das zu dem Hintergrundsignal (N, ) gehörige Schrotrauschen vor sämtlichen anderen Rauschquellen dominiert, so ergibt sich, wie man festgestellt hat, bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein durch die äquivalente OBM-Dicke <$ T ausgedrückter Fehler gemäß folgender Näherung:

In der Gleichung (6) bezeichnet T(t) die Dicke des OBM im Zeitpunkt t, und N(t) bezeichnet das entsprechende festgestellte Fluoreszenzsignal zur Zeit t. Im allgemeinen wird die Gleichung (6) für den Zeitpunkt t = 0 vor Beinn des Ätzvorgangs ermittelt:

°^T ~ N(t=0)
10/11

Vb

Wie Gleichung (7) zeigt, ist ^T umgekehrt proportional zu dem Anfangssignalpegel N(t = 0). Weil N(t = 0) direkt proportional zu dem Anfangs-Absorptionsanteil θ und der Quantenausbeute des fluoreszierenden Materials, TL., ist, sind zur Erreichung eines großen Anfangssignalpegels und mithin eines kleinen Wertes- von i T sowohl ein hoher Absorptionsanteil als auch eine hohe Quantenausbeute wünschenswert.

Bei der Auswahl eines (für ein spezielles OBM vorgesehenen) fluoreszierenden Materials zwecks Bestimmung des Ä'tz-Endzeitpunkts bedarf die Erzielung eines kleinen Endzeitpunktfehlers O* T besonderer Berücksichtigung. Wenn das OBM jedoch beispielsweise ein Resist ist, das zur Bildung eines Musters in einem Substrat dient, so muß gleichermaßen berücksichtigt werden, daß das ausgewählten fluoreszierende Material kompatibel sein soll mit dem Resist und mit den Verfahrensschritten zum Belichten und Entwickeln des Resists. Ein fluoreszierendes Material ist mit einem Resist dann kompatibel, wenn die fluoreszenzanregende Energie und die sich ergebende Fluoreszenz die Löslichkeit des Resists nicht signifikant beeinflussen. Wenn die Löslichkeit beispielsweise durch die fluoreszenzanregende Energie erhöht wird, wird der der fluoreszenzanregenden Energie ausgesetzte Abschnitt des Resists rascher geätzt als das übrige Resist, und somit wird der erfindungsgemäß gemessene Ä"tz-Endzeitpunkt nicht kenn-

_ Ti _

zeichnend sein für den Ätz-Endzeitpunkt des verbleibenden Resists. Außerdem sollte die zum "Belichten" des Resists verwendete Energie das fluoreszierende Material nicht nennenswert abträglich beeinflussen, z. B. die Molekularbindungen des fluoreszierenden Materials aufbrechen, oder die Konzentration des fluoreszierenden Materials wirksam verringern (und somit den Wert von <$T erhöhen) . Weiterhin ist ein fluoreszierendes Material mit den zum Belichten und Entwickeln des Resists in Verbindung stehenden Verfahrensschritten kompatibel unter .der Voraussetzung, daß das fluoreszierende Material die Empfindlichkeit des Resists bezüglich der Belichtungsenergie nicht nennenswert herabsetzt und das Ätzverhalten des Resists nicht abträglich beeinflußt. Diese Kompatibilitätserfordernisse werden im allgemeinen nur bei niedrigen Konzentrationen des fluoreszierenden Materials erfüllt, die typischerweise nicht mehr als etwa 2 bis 3 (3ew.-)% betragen.

Es wurde eine Prozedur für die Auswahl eines (für ein bestimmtes Resist vorgesehenen) fluoreszierenden Materials bestimmt, welches den obigen Kompatibilitätsforderungen entspricht und eine exakte Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts erlaubt (wobei herkömmliche Quellen für fluoreszenzanregende Energien und herkömmliche Photodetektoren verwendet werden). Diese beispielhafte Prozedur hat sich als derart wirksam

erwiesen, daß sich geeignete fluoreszierende Materialien (für spezielle Resists) auf einfache Weise finden lassen, wobei die aufgefundenen Materialien die Bestimmung von Ätz-Endzeitpunkten mit einem (in einer äquivalenten Resistdicke OT ausgedrückte) Fehler von weniger als etwa 10 Nanometer, ja sogar weniger als etwa 1 Nanometer und (theoretisch) potentiell sogar kleiner als etwa 0,01 Nanometer ermöglichen. (Da es keine Struktur wie eine physikalische Materialschicht mit einer Dicke von weniger als 0,01 Nanometer gibt, repräsentiert die angegebene Dicke beispielsweise die mittlere Dicke einer monomolekularen Schicht eines Materials, wobei einige Moleküle entfernt sind.) Im folgenden soll diese Prozedur erläutert werden.

Der erste Schritt der erfindungsgemäßen Prozedur besteht dari'n, ein oder mehrere fluoreszierende Materialien auszuwählen, die keine anorganischen Stoffe enthalten. Fluoreszierende Stoffe, die anorganische Stoffe enthalten, sind - wenn nicht ausgeschlossen - so doch unerwünscht, weil anorganische Stoffe während des Ätzens (Entwickeins) von Resistmäterialien häufig nicht leicht geätzt werden.

Der zweite Schritt der erfindungsgemäßen Prozedur besteht darin, fluoreszierende Stoffe (die keine anorganischen Stoffe enthalten) auszuwählen, deren fluoreszenzanregende Energie

und die sich ergebende Fluoreszenz die Löslichkeit des (jeweils interessierenden) Resists während des Ätzens (Entwickeins) des Resists nicht nennenswert beeinflussen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß (unter Einsatz üblicher Methoden und typischer fluoreszenzinduzierender Energiestrahlen von beispielsweise etwa 1 Milliwatt) gemessen wird, wie groß eine Dosis (Joule/cm²) von fluoreszenzanregenden Energien und Fluoreszenzenergien ist, die benötigt wird, um Steuerproben des Resists vollständig (durch ihre gesamte Dicke) zu "belichten". Durch Abschätzen der Zeit, die zum Ätzen (Entwickeln) der vollständigen Dicke des Resists benötigt wird, erhält man dann Abschätzungen über die Dosis, die das Resist während des Ätzens sowohl von den fluoreszenzanregenden Energien als auch den Fluöreszenzenergien empfängt. Auf der Grundlage dieser Abschätzungen werden nur solche fluoreszierenden Stoffe ausgewählt, bei denen die fluoresanregenden Energien und die Fluoreszenzenergien das Resistmaterial während des Ätzvorgangs mit einer Dosis belasten, die klein ist im Vergleich zu der Dosis, die zum "Belichten" der gesamten Dicke des Resists notwendig ist. Vorzugsweise sollte die Belichtungsdosis nicht größer als etwa 2 % der zur Belichtung der gesamten Dicke des Resists erforderlichen Dosis betragen. Größere Dosen sind jedoch nicht ausgeschlossen, jedoch erhöhen Bestrahlungen mit mehr als etwa 2 % in unerwünschter Weise den Fehler bei der Bestimmung des Ätz-

Endzeitpunkts. (Beispielsweise wird der von den fluoreszenzanregenden und den Fluoreszenzenergien betroffene Resistbereich löslicher gemacht als solche Bereiche/ die diesen Energien nicht ausgesetzt sind, so daß dieser Bereich rascher geätzt wird als die übrigen Bereiche. Hierdurch entsteht ein Fehler bezüglich des Ätz-Endzeitpunkts.)

Der dritte Schritt der erfindungsgemäßen Prozedur besteht darin, solche fluoreszierenden Stoffe auszuschließen, die sich bei einer Konzentration von mindestens 0,001 % (Gew.-%) nicht gleichmäßig mit dem Resist mischen lassen.· Vorzugsweise sollten sich die fluoreszierenden Stoffe mit dem Resist bei einer Konzentration von mindestens etwa 1 Gew.-% gleichmäßig vermischen. Kleinere Konzentrationen als etwa.0,001 % sind nicht ausgeschlossen, jedoch unerwünscht, weil sie im allgemeinen Endzeitpunktfehler d T ergeben, die größer sind als etwa 10 Nanometer. (Bei typischen Leistungen eines fluoreszenzanregenden Strahls, beispielsweise bei 1 Milliwatt, und typischen Hintergrundpegeln sind die entsprechenden Quantenausbeuten und Absorpti.onsanteile im allgemeinen nicht hoch genug, um Konzentrationen von weniger als etwa 0,001 % in Gleichung (7) zur Erzeugung eines Wertes von 6i von etwa 10 Nanometer zu verschieben.) Typischerweise wird ein fluoreszierender Stoff dadurch mit dem Resist gemischt, daß der fluoreszierende Stoff (der im allgemeinen in Pulverform vor-

liegt) in die ResistlÖsung (die den Resist und ein Lösungsmittel enthält) eingebracht wird. Ist das Resist beispielsweise auf ein Substrat durch Schleudern aufgebracht, so verdampft das Lösungsmittel, und der fluoreszierende Stoff vermischt sind mit dem Resist. Für die Erfindung ist ein fluoreszierender Stoff gleichmäßig physikalisch mit einem Resist vermischt, vorausgesetzt, daß sich jegliche in dem Resist bildenden Kristallite (kleine Aggregationen von fluoreszierendem Stoff, die man im optischen oder Rastelektronenmikroskop leicht sieht) einen kleineren Durchmesser als etwa 1 Mikrometer haben und mindestens 100 Mikrometer voneinander beabstandet sind. Kristallite von mehr als 1 Mikrometer Größe und/oder Kristallitabstände von weniger als etwa 100 Mikrometer führen häufig zu einem lokalen Detailverlust während der Belichtung und der Entwicklung des Resists.

Der vierte Schritt der erfindungsgemäßen Prozedur besteht darin, aus den nach obigem Verfahren ausgewählten fluoreszierenden Stoffen diejenigen auszuwählen, die hell fluoreszieren, d. h., die Quantenausbeuten ^ von mehr als etwa 0,01 % aufweisen (bei Mischung in dem Resist mit einer Konzentration von mindestens 0,001 %) . (Die Quante.nausbeuten T|_ der fluoreszierenden Stoffe werden häufig geändert, z. B. reduziert, wenn eine Mischung mit Resistmaterialien erfolgt, wobei das Ausmaß der Änderung häufig von der Konzentration

des in dem Resist befindlichen fluoreszierenden Stoffs abhängt.) Während fluoreszierende Stoffe mit Quantenausbeuten von weniger als etwa 0,01 % nicht ausgeschlossen sind, so sind solche Stoffe jedoch nicht bevorzugt, da sie im allgemeinen Fehler (<^T) im Ätz-Endzeitpunkt ergeben, die größer als etwa 10 Nanometer sind.

Der fünfte Schritt bei der erfindungsgemäßen Prozedur besteht darin, diejenigen fluoreszierenden Stoffe auszuwählen, die (gemischt mit dem Resist in Konzentrationen von mindestens 0,001 %) zu Resistschichten führen, deren Absorptionsanteile θ (ausgedrückt in %) größer sind als etwa 0,01 %, jedoch kleiner als etwa 50 %. Absorptionsanteile lassen sich leicht messen, beispielsweise durch Aufbringen von mit fluoreszierendem Stoff dotierten Steuerproben des Resists (die Konzentrationen betragen mindestens 0,001 %) auf ein Substrat, dessen Durchlässigkeit in bezug auf die fluoreszenzanregende Energie bekannt ist. Indem man die Steuerproben den fluoreszenzanregenden Energien aussetzt und die durchgelassenen fluoreszenzanregenden Energien mißt, kann man in einfacher Weise die Absorptionsanteile bestimmen. Fluoreszierende Stoffe, die Resistschichten mit Absorptionsanteilen θ von weniger als etwa 0,01 % ergeben, sind zwar nicht ausgeschlossen, jedoch insofern unerwünscht, da sie im allgemeinen Endzeitpunktfehler d T von mehr als etwa 10 Nanometer hervorrufen. Fluores-

zierende Stoffe, die Absorptionsfaktoren θ von mehr als 50 % hervorrufen, sind ebenfalls nicht ausgeschlossen, jedoch insoweit unerwünscht, als sie die Neigung haben, sowohl für die fluoreszenzanregenden Energien als auch für die zum Belichten des Resists verwendeten Energien in hohem Maße absorbierend zu sein. Somit wird während der Belichtung viel von der Belichtungsenergie durch das fluoreszierende Material in der Nähe der Oberseite der Resistschicht absorbiert, während der Boden der Resistschicht unterbelichtet bleibt.

Während des sechsten Schritts der erfindungsgemäßen Prozedur ( nach dem Messen des Hintergrundpegels N, ) werden mit Hilfe der Gleichung (7) die Konzentrationen C der in obiger Weise ausgewählten fluoreszierenden Stoffe bestimmt, die zur Erzielung des gewünschten Endzeitpunktfehlers β Τ benötigt werden. Die verschiedenen berücksichtigten fluoreszierenden Stoffe werden dann mit den in obiger Weise berechneten Konzentrationen in Steuerproben des Resists eingemischt. Diejenigen fluoreszierenden Stoffe, die sich nicht.gleichförmig mit dem Resist (in obiger Weise) mit den berechneten Konzentrationswerten vermischen, und "die nicht die gewünschten Werte von θ und Tj,. aufweisen (bei den berechneten Konzentrationswerten) , werden ausgeschlossen.

Die in dem sechsten Prozedurschritt ausgeschlossenen Steuer-

proben werden anschließend der zur "Belichtung" des Resists verwendeten Energie ausgesetzt. Das Ausmaß, zu dem die Molekularbindungen der fluoreszierenden Stoffe in den Steuerproben aufgebrochen werden, wodurch die Konzentrationen der fluoreszierenden Stoffe wirksam reduziert werden, wird dadurch bestimmt, daß jede Steuerprobe (nach der Belichtung) der fluoreszenzanregenden Energie ausgesetzt wird und die sich ergebende Fluoreszenz gemessen wird. Wenn die effektive Konzentration eines fluoreszierenden Stoffs reduziert wurde (dies wird durch eine Verringerung der Fluoreszenzintensität gemessen), dann wird diese Verringerung durch Erhöhung der Anfangskonzentration verschoben. Dann wird der sechste Schritt mit zunehmenden Konzentrationswerten wiederholt..

Häufig werden die Resistmaterialien verschiedenen Wärmequellen ausgesetzt, beispielsweise der während des Vorbackens des Resistmaterial erzeugten Wärme. Diese Wärme verursacht häufig, daß einige der Molekularbindungen eines fluoreszierenden Stoffs aufgebrochen werden, wodurch effektiv die Konzentration des fluoreszierenden Stoffs verringert wird, was seinerseits wiederum dazu führt, daß die Intensität der Fluoreszenz abnimmt. Wenn dies der Fall ist (was man dadurch bestimmt, daß man eine Steuerprobe des dotierten Resists Wärme aussetzt), so wird diese Verringerung dadurch verschoben, daß man die Anfangs-Dotierstoffkonzentration in der oben beschriebenen Weise erhöht.

Die die Fluoreszenz anregende Energie wird außerdem häufig einige der Molekularbindungen des fluoreszierenden Stoffs aufbrechen, wodurch die Konzentration des fluoreszierenden Stoffs effektiv verringert wird. Diese Verringerung wird ebenfalls dadurch verschoben, daß man die Anfangskonzentration in der beschriebenen Weise erhöht.

Schließlich werden die Steuerproben, die die oben geschilderten Schritte "überlebt" haben, belichtet und anschließend geätzt (entwickelt). Der Ätzvorgang verursacht häufig eine irreversible Beschädigung der fluoreszierenden Stoffe, wodurch wiederum effektiv die Konzentrationen der fluoreszierenden Stoffe reduziert werden. Hier erfolgt dann die oben beschriebene Versetzung.

Wenn das OBM nicht "belichtet" werden soll, wie es bei dem Planarisierungs-Ätzvorgang der Fall ist, so wird der sich auf die Belichtung beziehende Teil der obigen Prozedur fortgelassen.

Die oben beschriebene Prozedur dient also zum Auswählen geeigneter fluoreszierender Stoffe, die die exakte Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts eines bestimmten OBM ermöglichen. Ätz-Endzeitpunkt-Fehler von weniger als etwa 10 Nanometer erreicht man mühelos, vorausgesetzt, die Konzentration (des OBM) eines

kompatiblen) fluoreszierenden Materials ist größer als etwa 0,001 Gew.-%. Weiterhin sollte die Quantenausbeute des fluoreszierenden Stoffs (in dem OBM) größer als etwa 0,01 % sein, und der fluoreszierende Stoff sollte eine OBM-Schicht ergeben, deren Absorptionsanteil größer ist als etwa 0,01 %, jedoch kleiner als etwa 50 %.

Unter den fluoreszierenden Stoffen, die sich als brauchbar zum Feststellen des Ätz-Endzeitpunkts von Opferbeschichtungsmaterialien erwiesen (mit Hilfe der oben beschriebenen Prozedur) ist 4-Dicyanomethylen-2-methyl-6-p-diäthylaminostyryI · 4H-pyran (DCM). DCM absorbiert (fluoreszenzinduzierende) elektromagnetische Strahlung in einem breiten Band um etwa 500 Nanometer herum und fluoresziert in einem breiten Band um etwa 590 Nanometer herum.

Einer der Resiststoffe, der mit DCM kompatibel ist, ist das im Handel erhältliche positive Photoresistmaterial, das unter der Handelsbezeichnung AZ2400 von der Shipley Corporation of Newton, Massachusetts vertrieben wird. AZ2400 wird typischerweise mit Licht von Wellenlängen von etwa 365, 404 und 436 nm belichtet und wird beispielsweise in einem O₂-Plasma geätzt (entwickelt) . DCM ist mit diesen Belichtungs- und A'tzvorgängen kompatibel.

Beispiel 1

Das Plasmaätzen des handelsüblichen positiven Photoresists AZ2400 wurde überwacht, indem anfangs eine handelsübliche Lösung von AZ2400 (der Photoresist wurde in einem Lösungsmittel gelöst) mit dem fluoreszierenden Stoff DCM gesättigt wurde, der (in Pulverform) von der Exciton Chemical Company of Dayton, Ohio bezogen wurde. Die Konzentration des DCM in der AZ2400-Lösung betrug etwa 1 Gew.-%. Die Lösung wurde durch ein 0,2 μΐη-Filter passiert, auf einen 10,16-cm-Siliciumwafer bei etwa 3000 UPM aufgeschleudert und unter Vakuum bei etwa 120 ⁰C etwa 15 Minuten lang gebacken. Die Dicke der daraus entstandenen Photoresist-Schicht wurde mit einem Dektak II-Profilometer gemessen und hatte den Wert von etwa 1,30 Mikrometer. Die Quantenausbeute ΐ\~ des DCM in dem AZ2400 wurde durch Sichtprüfung abgeschätzt (auf das AZ2400 wurde fluoreszenzanregendes Licht gestrahlt, und die sich ergebende Fluorezenz wurde visuell beobachtet, und der Wert lag in dem Bereich von 0,1 bis 1,0.

£ct Der Absorptionsanteil θ (θ =·1 - e ) der DCM-dotierten Photoresist-Schicht wurde gemessen, indem eine derartige Schicht auf einem Glassubstrat gebildet wurde und fluoreszenz -anregendes Licht im Wellenlängenbereich von 480 bis 520 Nanometer durch das von dem Photoresist überzogene Glas

Substrat aufgestrahlt wurde. Durch Messen der Intensität des durchgelassenen Lichts wurde der Absorptionsanteil θ auf den Wert 0,50 ± 0,01 bestimmt, woraus sich £CT zu 0,69 errechnete. Da DCM eine molare Absorptionsfähigkeit £. von

4 '
4,4 χ 10 Liter/Mol-cm (bei 500 nm) aufweist, und weil die Dicke T auf 1,30 μΐη bestimmt wurde, ergab sich die Konzentration C des DCM in dem AZ2400 zu 2,4 Gew.-%. Nachdem der Absorptionsanteil θ gemessen war, wurde der Siliciumwafer (der mit dem DCM-dotierten AZ2400-Photoresist überzogen war) auf der Masseelektrode einer Parallelplatten-Plasmaätz-Apparatur montiert.

Das optische System zum Anregen der Fluoreszenz sowie zum Überwachen der Ätzung des auf den Siliciumwafer aufgeschleuderten DCM-dotierten Photoresists ist in Fig. 3 dargestellt. Wie in der Zeichnung schematisch skizziert ist, enthält das optische System 25 eine 100 Watt starke Quecksilberdampflampe 28, deren Licht mit Hilfe von Linsen 30 auf eine Blende 40 gelenkt wird, wo das Licht in dem Wellenlängenband von 480 - 520 nm (die fluoreszenzanregende Energie) mit Hilfe eines Interferenzfilters 50 getrennt und mit Hilfe eines Zerhackers 60 moduliert wird. Das modulierte Licht wird mit Linsen 70 auf ein aus Quarzglas bestehendes optisches Faserbündel 80 fokussiert, das durch eine Öffnung in die Plasmaätzapparatur läuft (das optische Faserbündel

wird von dem Plasma nicht geätzt). Das Faserbündel 80 wurde dazu benutzt, einen Bereich von etwa 2 cm² auf der Oberfläche des von dem Photoresist überzogenen Siliciumwafers während des Ätzvorgangs zu beleuchten. Das optische Faserbündel 80 diente außerdem dazu, etwas von der Fluoreszenz (die von dem DCM während des Ätzvorgangs emittiert wurde) zu sammeln und auf einen dichroitischen Strahlaufspalter 90 zurückzuschicken, wo die Fluoreszenz auf eine Linse 100 reflektiert wurde. Die Linse 100 fokussiert die Fluoreszenz auf eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre (PM-Röhre) 130 (RCA Modell 4526) , und zwar über eine Blende 120 und ein Rotglasfilter 110. Die Blende 120. dient zum Ausschalten von Streulicht, und das Rotglasfilter 110 diente zum Trennen der DCM-Fluoreszenz von dem fluoreszenzanregenden Licht und dem von dem Plasma (während der Ätzung) emittierten weißen Licht.

Das optische System 25 enthält außerdem einen Lock-in-Verstärker 140 für das phasenempfindliche Feststellen des PM-Röhren-Signals. Um eine Normierung in bezug auf Schwankungen der Leistung der Quecksilberdampflampe zu erzielen, wurde das Fluoreszenzsignal von einem Bezugssignal aufgeteilt, welches von der Streureflexion des fluoreszenzanregenden Lichts an dem dichroitischen Strahlaufspalter 90 in ein zweites optisches Faserbündel 150 und eine Photodiode 160 abge-

leitet wurde. Das Bezugssignal wird von einem Bezugs-Lock-in-Verstärker 170 erzeugt.

Während des gesamten Ätzvorgangs wurde das Ende des Faserbündels 80 etwa 15 mm von dem Siliciumwafer in einem Winkel von etwa 50 ° bezüglich der Vertikalen gehalten. Ein näheres Anordnen des Faserendes an dem Wafer führte zu gegenseitigen Störungen mit dem Ätzvorgang.

Fig. 4 zeigt eine Aufzeichnung des normierten Fluoreszenzsignals, das während der Ätzung des DCM-dotierten Photoresists festgestellt wurde. Zu Beginn wurde ein Hintergrundpegel aufgezeichnet, indem ein blanker Siliciumwafer in das Gesichtsfeld der Faser 80 gebracht wurde (die Faser 80 emittierte hierbei fluoreszenzanregende Energie). Bei t = 4 Minuten wurde der mit dem Photoresist überzogene Wafer in Stellung gebracht, was eine starke Zunahme des festgestellten Signals verursachte, Aus dem Verhältnis dieses festgestellten Signalpegels (der einer Resistschicht mit einer Dicke von 1,3 μπι entspricht) zu dem Hintergrundpegel wurde errechnet, daß der Hintergrundpegel äquivalent war einem Signal von einer Resistschicht mit einer Dicke von etwa 60 Nanometer.

Zwischen t = 4 Minuten und t = 9 Minuten wurde das Vakuumsystem geschlossen und ausgepumpt. Bei t = 9 Minuten wurde

O₂-GaS bei einem Druck von etwa 93,33 Pa (7 Mikrometer Hg) und einem Strömungsdurchsatz von 14 sccm·in die Plasmaätzkammer gelassen. Das festgestellte Signal driftete während dieser Vorgänge langsam nach oben. Aus den früher gemachten Erfahrungen war bekannt, daß sich das Signal im Laufe der Zeit stets stabilisiert. Ohne die vollständige Stabilität abzuwarten, wurde bei t = 15 Minuten eine Plasmaentladung eingeleitet, indem 100 Watt HF-Leistung (13,56 MHz) an die Leistungselektrode der Plasmaätzapparatur gelegt wurde. Diese Elektrode war etwa 20 cm von der den Wafer tragenden Masseelektrode beabstandet. Der anfängliche scharfe Abfall des aufgezeichneten Signals (siehe Fig. 4) war zurückzuführen auf die Aufheizung des Photoresists. Aus vorhergehenden Experimenten war bekannt, daß die Temperatur des Photoresists sich innerhalb von etwa 3 bis 4 Minuten bei etwa 50 ⁰C stabilisierte. Danach fiel das Signal, wie aus Fig. ersichtlich, mit dem Fortätzen der Photoresistschicht ab.

Die in Fig. 4 zu sehende periodische Modulation war zurückzuführen auf Interferenz zwischen der in Richtung der optischen Faser emittierten Fluoreszenz und dem von dem Siliciumwafer reflektierten Licht. Obschon in Fig. 4 entlang des Mittelwerts der Modulationen eine glatte Kurve verläuft, so ist doch eine leicht konvexe Krümmung ersichtlich. Diese

konvexe Krümmung ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß £CT(t = 0) nicht klein war (£CT(t = 0) = 0,69), und mithin θ nicht linear proportional zu T und folglich das (Durchschnitts- oder Mittelr) Signal N nicht linear proportional zu T war.

Der Ätz-Endzeitpunkt ist in Fig. 4 deutlich sichtbar als abrupte Änderung der Steigung bei t = 37 Minuten. Der Fehler bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts war jedoch nicht in erster Linie zurückzuführen auf das dem Hintergrundsignal zugehörige Schrotrauschen, sondern vielmehr war die Genauigkeit der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts begrenzt durch die Drei-Sekunden-Ansprechzeit der in dem Detektorsystem verwendeten Elektronik. Weil die Dicke des Photoresists (1,3 μπι) innerhalb von 21 Minuten durchgeätzt wurde, folgt daraus, daß die mittlere Ätzgeschwindigkeit etwa 1 Nanometer/Sekunde betrug. Dementsprechend folgt aus der Drei-Sekunden-Ansprechzeit, daß der Fehler des Ätz-Endzeitpunkts, ausgedrückt als eine äquivalente Resistmaterialdicke, (1 Nanometer/Sekunde) (3 Sekunden) = 3 Nanometer betrug.

Wäre das Schrotrauschen des Hintergrundsignals der limitierende Faktor gewesen, so wäre der Fehler bei der Bestimmung des Ätz-Endzeitpunkts, ausgedrückt als eine äquivalente Resistmaterialdicke, (theoretisch) sogar noch kleiner als etwa

0,01 Nanometer gewesen. Dies folgt aus der Tatsache, daß die Leistung P der fluoreszenzanregenden, auf den Bereich des Resists ( 2 cm²), der dieser Energie ausgesetzt war, auftreffenden Energie P <fc 10~³ Watt ^ 3,1 x.1O¹⁵ Photonen/Sekunde betrug (geschätzt aus der Gesamt-Ausgangsleistung der Quecksilberdampflampe und dem Anteil dieser über das Faserbündel übertragenen Leistung). Ferner ergaben herkömmliche

-4 Abschätzungen für T]_f und f die Werte 4}_f *^0,5 bzw. f $t 10 .

Weiterhin ergaben auf Spezifikationen der Hersteller (der PM-Röhre) beruhende Berechnungen einen Wert von η ^0,1. Weil also bekannt war, daß θ = 0,5 und At = 3 Sekunden, bedeutete die Gleichung (4), daß der Wert N(t = 0) (die Anzahl von dem 1,3 Mikrometer-Film entsprechenden Elektronen) annähernd 2,3 χ 10 betrug. Wie oben erwähnt wurde, war der Hintergrundpegel N, äquivalent zu dem Fluoreszenzsignal von einer Schicht mit einer Dicke von etwa 60 Nanometer, so daß folgende Beziehung gilt:

= (60 Nanometer/1,3 μπι). χ 2,3 χ 10 = 1,1 χ 10⁹. .

Aus Gleichung (7) folgt also (theoretisch):

₌ T(t = O) /ν" ₌ (1,3um) (1,1 χ 10⁹)^1/2

N(t = O) \1 b _o _ _v .10

2,3 X To

= 0,0019 Nanometer.

- 40 Beispiel 2

Ein mit DCM dotierter AZ2400-Photoresist wurde wie im Beispiel 1 vorbereitet und auf ein Glassubstrat aufgeschleudert (wie in.Beispiel 1), wobei der Brechungsindex des Substrats etwa dem der Photoresistschicht entsprach (der Brechungsindex betrug etwa 1/5). Das Resistmaterial wurde anschließend geätzt, und der Ätzvorgang wurde wie in Beispiel 1 überwacht. Das während des Ätzvorgangs des Resists aufgezeichnete normierte Fluoreszenzsignal ist in Fig. 5a dargestellt. Die Interferenzwelligkeiten, die in Fig. 4 zu sehen sind, sind in Fig. 5a spürbar reduziert, da die Fehlanpassung der optischen Eigenschaften (Brechungsindices) zwischen der Photoresistschicht und dem Substrat im wesentlichen ausgeschaltet waren.

Beispiel 3

Ein mit DCM dotierter AZ2400-Photoresist wurde vorbereitet und wie im Beispiel 2 auf ein Glassubstrat aufgeschleudert, nur daß bei diesem Beispiel die DCM-Konzentration um den Faktor 4 reduziert wurde (und damit θ um einen Faktor 4 verkleinert wurde). Anschließend wurde diese Schicht geätzt, und der Ätzvorgang wurde wie im Beispiel 2 überwacht. Bei einer solchen Schicht ist die Gleichung (5) anwendbar und ergibt

die Voraussage, daß die Fluoreszenzintensität linear proportional zur Schichtdicke ist. Fig. 5b, die eine Aufzeichnung des während des Ätzvorgangs festgestellten Fluoreszenzsignals ist, zeigt, daß diese Voraussage erfüllt ist.

Beispiel 4

Es wurde wie im Beispiel 3 eine mit DCM dotierte Schicht
aus AZ2400-Photoresist vorbereitet und auf ein Glassubstrat aufgeschleudert. Anschließend wurde die Schicht geätzt, und der Ätzvorgang wurde wie im Beispiel 3 überwacht, mit der
Ausnahme, daß die angelegte HF-Leistung um den Faktor 2 verringert wurde. Die Änderung der Kurvensteigung nach Fig. 5c, die eine Aufzeichnung des während des Ätzens erfaßten Fluoreszenzsignals ist, zeigt die Verringerung der Ätzgeschwindigkeit.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Bauelementherstellung, bei dem auf ein Substrat ein Opferbeschichtungsmaterial aufgebracht wird und mindestens ein Teil dieses Beschichtungsmaterials geätzt wird,

dadurch gekennzeichnet , daß in dem Beschichtungsmaterial fluoreszierendes Material vorgesehen wird, und daß das Ätzen des Opferbeschichtungsmaterials überwacht wird, indem mindestens ein Abschnitt des Teils des Beschichtungsmaterials einer Form von Energie ausgesetzt wird, die das in dem Abschnitt enthaltene fluoreszierende Material zum Fluoreszieren anregt, und die sich ergebende Fluoreszenz gefühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
. dadurch gekennzeichnet ,

daß

Radecfcestrnee 43 8000 München 60 Telefon (089) 883403/88 3604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramm« Patentconsult

das Opferbeschichtungsmaterial eine erste auf das Substrat aufgebrachte Materialschicht und eine auf die erste Schicht aufgebrachte zweite Materialschicht umfaßt.
3. Verfahren nach. Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß das Opferbeschichtungsmaterial weiterhin eine dritte, auf die zweite Schicht aufgebrachte Materialschicht umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3/

dadurch gekennzeichnet , daß die erste Materialschicht das fluoreszierende Material enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ätzvorgang nicht weiter fortgesetzt wird, wenn die gefühlte Fluoreszenz im wesentlichen aufgehört hat.
6. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß das Ätzen nicht weiter fortgesetzt wird, wenn als erstes beobachtet wird, daß die gefühlte Fluoreszenz wesentlich abnimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß der festgestellte Zeitpunkt des Aufhörens der Fluoreszenz von dem wahren Zeitpunkt des Endes des Ätzvorgangs des Opferbeschichtungsmaterials um einen Zeitraum abweicht, der einer äquivalenten Dicke des Opferbeschichtungsmaterials von weniger als etwa 10 Nanometer oder weniger als etwa 1 Nanometer entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration des fluoreszierenden Materials in dem Opferbeschichtungsmaterial mehr als etwa 0,001 % beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Quantenausbeute des fluoreszierenden Materials in dem Opferbeschichtungsmaterial größer als etwa 0,01 % ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Opferbeschichtungsmaterial mehr als etwa 0,01 %, jedoch weniger als etwa 50 % der die Fluoreszenz anregenden, in dem Material eintreffenden Energie absorbiert.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das fluoreszierende Material 4-Dicyananethylen-2-methyl-6-p-diäthylaminostyryl-4H-pyran enthält.