DE3503317A1

DE3503317A1 - Verfahren zum herstellen von galvanischen strukturen mit senkrechten flankenwinkeln und hohem aspektverhaeltnis im subum-bereich

Info

Publication number: DE3503317A1
Application number: DE19853503317
Authority: DE
Inventors: Gerlinde Bitto; Brigitte Schneider-Gmelch; Elke Schöning; Hans Georg 8000 München Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1986-08-07

Description

Verfahren zum Herstellen von galvanischen Strukturen mit
senkrechten Flankenwinkeln und hohem Aspektverhältnis im subpm-Bereich.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von galvanischen Strukturen mit senkrechten Flankenwinkeln und hohem Aspektverhältnis im subpm-Bereich, wie sie insbesondere zur Fertigung von Röntgen-Masken für die Mikroelektronik verwendet werden, bei dem die aufzugalvanisierende Struktur in einem, aus Metallhilfs- und Zwischenschichten bestehenden Mehrschichtsystem über ein elektronenstrahlgeschriebenes Lackmuster oder direkt über Ionenstrahlschreiben erzeugt wird, und bei dem die Strukturierung der Metallhilfs- und Zwischenschichten durch reaktives Ionenätzen erfolgt.
Bei der galvanischen Herstellung von Mikrostrukturen wird ein mit Fotolack beschichtetes metallisiertes Substrat entsprechend den zu erzeugenden Mikrostrukturen belichtet und entwickelt. In den entsprechend der Struktur freigelegten Fensterbereichen in der Fotolackschicht erfolgt nun eine kathodische Abscheidung der Metallstrukturteile aus einem das Metall enthaltenden Elektrolyten, wobei das metallisierte Substrat als Starterschicht dient. Abschließend werden die Fotolackreste entfernt. Diese Technik wird als Galvanoplastik bezeichnet und für die Herstellung von Metallmasken, zum Beispiel Röntgenabsorbermasken, und Mikrostrukturen in der Halbleitertechnologie verwendet.
Verfahren zur Herstellung von Röntgenabsorbermasken, wie sie beispielsweise in einem Aufsatz von Suzuki et. al. in Proc. of the International Symposium on Electron-, Ion-and Photon-Beam Science and Technology (1982) auf den Seiten 333 bis 346, insbesondere Figur 1, beschrieben sind, führen von einem elektronenstrahlgeschriebenen Lackmuster über eine Siliziumnitridschicht zu einem Muster mit einem hohen Aspektverhältnis (Strukturhöhe zu Strukturbreite ru 2), in welchem dann aufgalvanisiert werden kann. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß um eine Größenordnung unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auftreten, die bei Temperaturschritten während der Technologie zu Maßveränderungen in den Strukturen führen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Röntgenabsorbermaske aus Gold ist in der deutschen Patentanmeldung P 34 21 773.8 vorgeschlagen worden. Dabei werden zur Strukturierung Metall- und Metalloxidhilfsschichten über der eigentlichen Goldabsorberschicht verwendet, die Passivierungs- und Ätzstop-Funktionen vor und während des Strukturierungsvorganges in einer Ionenstrahlätzanlage haben. Die Passivierungsschicht kann aus Gold, Platin, Silber, Palladium, Kupfer oder Kohlenstoff bestehen. Mit dem hier beschriebenen Verfahren lassen sich maßhaltige Strukturen mit hohem Aspektverhältnis im 1 pm-Bereich und darunter herstellen.
Die Aufgabe, die der Erfindung zuzgrundeliegt, besteht in der einfachen Herstellung von Maskenmustern im subpm-Bereich mit hohem Aspektverhältnis, bei dem folgende Anforderungen aufeinander abgestimmt sind: 1. Für die Elektronenstrahl-Schreibtechnik soll der Unterbau eine geringe Rückstreuung der Elektronen aufweisen, um den Proximity-Effekt zu reduzieren. Ebenso soll keine Blasen- oder Rißbildung durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Ausdiffusion während der Ausheizung des für die Bestrahlung vorgese- henen Elektronenlackes auftreten.
2. Die Strukturierung der Hilfs- und Zwischenschichten muß mit Hilfe eines isotropen Trockenätzverfahrens erfolgen, bei dem kein Maßverlust auftritt. Der hierfür nötige Anteil an physikalischem Abtrag durch Ionenbeschuß führt zum Wiederanlegen von Material an den Strukturflanken. Dieses muß vor dem Aufgalvanisieren der zum Beispiel aus Gold bestehenden Schicht beseitigt werden, um ein Uberwachsen der Strukturen entlang der Flanken zu verhindern.
3. Das Schichtsystem, welches die Galvanikmaske darstellt, muß bei seinem Aufbau Temperaturschwankungen von mindestens 2000C aushalten. Diese Temperaturunterschiede führen bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien innerhalb der Schichtenfolge und gegenüber dem Substratmaterial zu mechanischen Spannungen, die Rißbildungen - oder in der Anwendung für Röntgenmasken - Maßveränderungen hervorrufen können. Außerdem soll das Schichtsystem zusätzlich auf der Galvanik-Starterschicht (Gold) eine gute Haftung aufweisen und sich nach dem Aufgalvanisieren rückstandsfrei beseitigen lassen.
4. Die Galvanik-Starterschicht muß anschließend ohne Änderung der lateralen Strukturabmessungen beseitigt werden können.
Diese Anforderungen werden in ihrer Gesamtheit erfüllt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß a) das Muster auf einem Metallschichtsystem erzeugt wird, welches aus der Kombination einer ersten, Elektronen stark rückstreuenden, im Vergleich zur darunterliegenden, Elektronen schwach rückstreuenden, und während der Ätzung in ein Metalloxid umwandelbaren, zweiten Metallschicht dünnen Metallschicht besteht, b) zwischen der Elektronen schwach rückstreuenden, zweiten Metallschicht und der für die spätere Aufgavalnisierung auf dem Substrat vorgesehenen Plattierschicht als Zwischenschicht und spätere Galvanisierungsmaske eine Resist- oder Polyimidschicht verwendet wird, und c) die Strukturierung durch Ionenstrahlätzen unter Veränderung des .Ionenstrahleinfallswinkels vorgenommen wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß als erste, Elektronen stark rückstreuende Metallschicht eine Goldschicht in einer Dicke im Bereich von 30 bis 100 nm und als zweite, Elektronen schwach rückstreuende Metallschicht eine Aluminiumschicht in einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 200 nm verwendet wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere ein zur Strukturierung des Schichtsystems in einfacher Weise durchzuführender dreistufiger Trockenätzprozeß sind aus den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 9 noch näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 7 die Verfahrensfolge eines galvanischen Absorberaufbaus in einem Mehrlagensystem und die Figuren 8 und 9 die zusätzlichen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Röntgenabsorbermaske.
Für gleiche Teile gelten in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen.
Figur 1: Eine zum Beispiel aus Glas bestehende Substratplatte 1 wird nach Aufbringen einer zum Beispiel aus 30 nm Titan bestehenden Haftschicht 2 mit einer 0,4 um dicken Goldplattierschicht 3 (Galvanik-Starterschicht) bedampft; anschließend wird eine 2 pm dicke Polyimidschicht 4 aufgeschleudert und imidisiert. Danach wird eine 100 nm dicke Aluminiumschicht 5 und eine 30 nm dicke Goldschicht 6 aufgebracht. Abschließend wird ein 0,5 um dicker elektronenempfindlicher Lack 7 (zum Beispiel PMMA-Lack = Polymethylmetacrylat) aufgeschleudert. Die -Anforderungen für den Unterbau der ElektronenstrahlSchreibtechnik werden durch den Aufbau: 2 um Polyimid (4), 100 nm Aluminium (5) und 30 nm Gold (6) unter dem elektronenempfindlichen Lack (7) erfüllt. Die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Polyimid (4), Aluminium (5) und Gold (6) sind sich sehr ähnlich. Der Einfluß der rückgestreuten Elektronen von der Unterlage ist für Aluminium (5) und Polyimid (4) aufgrund der geringen relativen Atommasse (kleiner 30) zu vernachlässigen. Die 30 nm dicke Goldschicht 6 hat eine hohe relative Atommasse (größer 100); sie bewirkt aber in dieser Dicke keine Erhöhung des Proximity-Effektes. Sie kann einmal für eine Lageerkennung bei einer Mischlithographie verwendet werden und bietet zum anderen einen guten Stabilisator, um eine Aluminiumoxidbildung an der Oberfläche zu vermeiden. Ohne diese Goldschicht würde die Selektivität der Ätzraten beim späteren Argon-Ionenstrahlätzen von Elektronenlack zu Aluminium verschlechtert werden und damit einen dickeren Elektronenlack erforderlich machen.
In der deutschen Patentanmeldung P 34 21 773.8 ist die Wirkungsweise einer zum Beispiel aus Gold bestehenden Passivierungsschicht bei der Herstellung von Submikronstrukturen und Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen durch Fotoätzprozesse näher beschrieben.
Das Polyimid (4) eignet sich gut als Galvanisiermaske, da es sehr gut säure- und temperaturbeständig ist. Im Beisein von Sauerstoff kann es selektiv mit Hilfe eines Trockenätzverfahrens geätzt werden und nach dem Aufbringen der Aluminium-, Gold- und Fotolackschicht (5, 6, 7) zeigen sich keine Risse. Das Ausheizen der Polyimidschicht 4 kann entsprechend den Erfordernissen bezüglich elastischer Spannung und Atzrate in den Schichten und nötige Ausheiztemperatur für den elektronenempfindlichen Lack 7 in seiner Endausheiztemperatur zwischen 150 und 3500C angepaßt werden.
Die Polyimiddicke 4 kann entsprechend der Schichtdickenanforderung variiert werden. Zu beachten ist die Selektivität der Ätzraten zwischen Aluminium (5) und Polyimid (4).. Diese liegt bei den genannten Ätzbedingungen über 1:20. Die Dicke der Goldplattierbasis 3 kann bis auf 0,2 um reduziert werden, wenn diese nach der Galvanik und der Beseitigung der Hilfsschichten 4, 5, 6, 7 von der Oberseite her beseitigt wird. Die Plattierbasis 3 kann auch größer 0,4 um betragen und ihrerseits galvanisch verstärkt werden, wenn sie anschließend nach einem Dünnätzprozeß des Substrates 1 von der Rückseite her beseitigt wird. Diese Vorgehensweise kann für den galvanischen Absorberaufbau bei Röntgenmasken verwendet werden und ermöglicht das Einstellen einer geringen elastischen Spannung im Goldabsorber von 17 x 106 N/m2 (bei niedriger Temperatur). Die Spannung liegt hiermit ebenso hoch wie der Spannungswert der sich in einer Polyimidträgerfolie durch einen dreistufigen Ausheizprozeß maximal einstellen läßt.
Figur 2 zeigt den Schichtaufbau nach der Elektronenstrahlbelichtung. Mit dem Bezugszeichen 7a ist das Lackmuster bezeichnet.
Figur 3 zeigt die Anordnung nach dem Strukturieren der aus Polyimid (4), Aluminium (5) und Gold (6) bestehenden Hilfsschicht. In dem Schnittbild ist deutlich die beim Strukturieren beim Ionenstrahlätzprozeß an den Polyimidflanken 4 wieder angelagerte Goldrücksputterschicht 8 zu erkennen. Die Strukturierung der Hilfsschichten 4, 5, 6 geschieht folgendermaßen: Die 30 nm dicke Goldschicht 6, die 100 nm dicke Aluminiumschicht 5 und die 2 um dicke Polyimidschicht 4 werden in einem dreistufigen Trockenätzprozeß durch reaktives Ionenstrahlätzen strukturiert. Für diesen Vorgang werden nur die Ätzgase Argon und das Gasgemisch Argon und Sauerstoff benötigt. Der Ioneneinfallswinkel wird zweimal verändert.
Dieser Ätzvorgang ist einfach in der Handhabung und zudem umweltfreundlich. Die einzelnen Ätzschritte sind in nachfolgender Tabelle aufgezeigt: Ätz- Ionen- Ionenstrom- Ionenein- Ätz- Ätzschritt energie dichte einfalls- gas zeit winkel I 1000 eV #0,#5mA/cm2 0° Argon 10 Min.
II 500 eV <0,25mA/cm2 300 Argon 5 Min.
III 500 eV #0,25mA/cm2 DC Argon + 70 Min.
Sauerstoff Der dreistufige Ätzprozeß kann, wenn eine gute Wärmeableitung über die Substrate gegeben ist, mit Energien bis 1000 eV auch für den 2. und 3. Ätzschritt durchgeführt werden; die Ionenstromdichten können bis 1 mA/cm2 erhöht werden. Eine Erhöhung der Energien führt zu einer geringfügig weiteren Erhöhung der Selektivitäten. Eine Erhöhung der Ionenstromdichte führt zu einer Verkürzung der Ätzzeiten. Der genannte Atzprozeß führt zu einem Anisotropie-Verhältnis von 10:1 (= Ätztiefe zu Linienbreitenver- schmälerung).
Die Figur 4 zeigt die Anordnung nach der Beseitigung der Goldrücksputterschicht 8. Die Schicht 8 muß vor dem Galvanisieren entfernt werden, damit die Strukturen nicht überwachsen werden und die Anordnung als Röntgenabsorbermaske unbrauchbar machen. Da die angelagerte Schicht 8 gleichmäßig dick und das Aluminium (5) und das Polyimid (4) sehr ätzbeständig sind, kann die Schicht 8 naßchemisch beseitigt werden. Dies geschieht auf folgende Weise: Für eine 3 Zoll (= 76.2 mm) große Scheibe, deren Innenfläche mit einem Durchmesser von 5 cm zu 50 % und am Rand ganz mit Gold bedeckt ist, gelten folgende Bedingungen: Ätzlösung: 65,3 ml 65 %ige Salpetersäure 1,3 ml 30 %ige Salzsäure Ätzzeit: 30 Sekunden.
In Figur 5 ist die Anordnung nach der Gold-Galvanik dargestellt, die in bekannter Weise bei Raumtemperatur oder erhöhter Badtemperatur vorgenommen wird, ohne Änderungen bei den Strukturabmessungen zu erzeugen. Mit dem Bezugszeichen 9 ist die aufgalvanisierte Goldschicht bezeichnet.
Figur 6: Die Beseitigung der aus der Polyimidschicht 4 und der Aluminiumschicht 5 bestehenden Hilfsschichten (Galvanisierungsmaske) geschieht durch Behandlung von 650C heißer 44 %iger Kalilauge; die Polyimidschicht 4 wird mit einer Geschwindigkeit von 1 um/Stunde aufgelöst, die Aluminiumschicht 5 wird dabei mitabgehoben.
In Figur 7 ist die Anordnung nach der Beseitigung der Galvanik-Starterschicht 3 von der Vorderseite aus dargestellt. Dies geschieht durch Ionenstrahlätzung mit dem Ätzgas Argon und unter einem senkrechten Ionenstrahleinfallswinkel mit Energien größer 500 eV und Ionenstromdichten größer 0,25 mA/cm2. Die elastische Spannung in den Strukturen ist bei diesem Absorberaufbau von untergeordneter Bedeutung.
Figur 8: Die Beseitigung der Galvanik-Starterschicht 3 von der Rückseite aus kann bei der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Röntgenmasken angewandt werden. Dabei wird zunächst die Vorderseite bei der in Figur 6 dargestellten Anordnung mit einer Polyimidschicht 10 (ca. 2 bis 5 um dick) versehen.
Figur 9: Die Rückseitenätzung erfolgt nach einem Dünnätzprozeß des Substrates 1 im Transmissionsbereich durch Ionenstrahlätzung mit Argon unter einem senkrechten Ionenstrahleinfallswinkel. Hierbei muß dann mit Energien kleiner 500 eV und Ionenstromdichten kleiner 0,25 mA/cm2 gearbeitet werden. Bei dieser Art der Beseitigung wird die Grenzfläche (2, 3) zum Substrat 1 hin mit abgetragen.
Hierin befindet sich, durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien bei den Ausheizzyklen hervorgerufen, eine erhöhte elastische Spannung.
16 Patentansprüche 9 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von galvanischen Strukturen mit senkrechten Flankenwinkeln und hohem Aspektverhältnis im subpm-Bereich wie sie insbesondere zur Fertigung von Röntgen-Masken für die Mikroelektronik verwendet werden, bei dem die aufzugalvanisierende Struktur in einem, aus Metallhilfs- und Zwischenschichten bestehenden Mehrschichtsystem über ein elektronenstrahlgeschriebenes Lackmuster oder direkt über Ionenstrahlschreiben erzeugt wird und bei dem die Strukturierung der Metallhilfs- und Zwischenschichten durch reaktives Ionenätzen erfolgt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a) das Muster (7) auf einem Metallschichtsystem erzeugt wird, welches aus der Kombination einer ersten, Elektronen stark rückstreuenden, im Vergleich zur darunterliegenden, Elektronen schwach rückstreuenden, und während der Ätzung in ein Metalloxid umwandelbaren, zweiten Metallschicht (5) dünnen Metallschicht (6) besteht, b) zwischen der Elektronen schwach rückstreuenden, zweiten Metallschicht (5) und der für die spätere Aufgalvanisierung auf dem Substrat (1) vorgesehenen Plattierschicht (3) als Zwischenschicht und spätere Galvanisierungsmaske eine Resist- oder Polyimidschicht (4) verwendet wird, und c) die Strukturierung durch Ionenstrahlätzen unter Veränderung des Ionenstrahleinfallswinkels vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als erste Metallschicht (6) eine Goldschicht in. einer Schichtstärke von 30 bis 100 nm und als zweite Metallschicht (5) eine Aluminiumschicht in einer Schichtstärke von 50 bis 200 nm verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichtdicke der Polyimidschicht (4) auf 1 bis 4 pm eingestellt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektronenstrahlempfindliche Lack (7) in einer Schichtdicke im Bereich von 0,2 bis 1 pm#vorzugsweise in einer Dicke von 0,5 pm>aufgeschleudert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Belichtung des Lackes (7) durch Elektronen-, Ionen- oder Röntgenstrahlen erfolgt.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strukturierung der obersten, stark-elektronenrückstreuenden und zusätzlich passivierenden Schicht (6), vorzugsweise aus Gold bestehend, durch direktes Ionenstrahlschreiben erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichtdicke der vorzugsweise aus Gold bestehenden Plattierschicht (3) auf einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,8 pm eingestellt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strukturierung der aus der ersten Metallschicht (6) aus Gold, der aus der zweiten Metallschicht (5) aus Aluminium und der aus Polyimid (4) bestehenden Hilfsschichten in einem dreistufigen Trockenätzprozeß durch reaktives Ionen- strahlätzen vorgenommen wird, wobei als Ätzgase Argon und das Gasgemisch Argon und Sauerstoff verwendet werden und der Ionenstrahleinfallswinkel zweimal verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei Vorliegen der Schichtkombination aus einer 30 nm dicken Goldschicht (6), aus einer 100 nm dicken Aluminiumschicht (5) und aus einer 2 um dicken Polyimidschicht (4) der erste Ätzschritt bei einer Ionenenergie von 1000 eV, einer Ionenstromdichte von ' 0,25 mA/cm2, einem Ionenstrahleinfallswinkel von 0° mit Argon als Ätzgas in 10 Minuten vorgenommen wird, der zweite Ätzschritt bei einer Ionenenergie von 500 eV, einer Ionenstromdichte von L 0,25 mA/cm2, einem Ionenstrahleinfallswinkel von 30°, mit Argon als Ätzgas in 5 Minuten vorgenommen wird und der dritte Ätzschritt mit einer Ionenenergie von 500 eV, einer Ionenstromdichte vonc 0,25 mA/cm2 bei einem Ionenstrahleinfallswinkel von 00, mit Argon und Sauerstoff als Ätzgas in 70 Minuten durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß in Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1 die Strukturierung des vorzugsweise aus Gold, Aluminium und Polyimid bestehenden Schichtsystems in einer reaktiven Ionenätzanlage vorgenommen wird, wenn nur ein geringeres Anirotropieverhältnis gefordert ist.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Ionenstrahlätzen eine naßchemische Ätzung in einer mit Salzsäure versetzten Salpetersäurelösung zur Beseitigung von Gold-Rücksputterschichten (8) an den Polyimidflanken (4) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ablösung der Polyimidhilfsschicht (4) mit der darauf befindlichen Aluminiumschicht (5) in 44 %iger Kalilauge bei 650C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die als Starterschicht für die Galvanik dienende, vorzugsweise aus Gold bestehende Plattierschicht (3) nach Durchführung der Galvanik (9) und nach Entfernung der Hilfsschichten (4, 5, 6) durch Ionenstrahlätzen mit Argon als Ätzgas und unter einem senkrechten Ionenstrahleinfallswinkel entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Entfernung von der Vorderseite mit Energien größer 500 eV und Ionenstromdichten größer 0,25 mA/cm2 erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß insbesondere zur Herstellung einer Röntgenabsorbermaske die Entfernung von der Rückseite nach erfolgtem Dünnätzen des Substrates (1) im Transmissionsbereich mit Energien kleiner (#) 500 eV und Ionenstromdichten kleiner (£) 0,25 mA/cm2 durchgeführt wird.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Substrat für die Plattierschicht Glas oder Halbleitermaterial, aber auch Trägerfolien aus Kunststoff, wie Polyimid, oder aus Siliziumnitrid, Titan, Bornitrid, Magnesium verwendet werden.