Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur
Bildung einer Schicht aus strukturiertem Fotolack auf einem
Substrat, die den Schritt des Ausbildens einer Schicht von
polymerem Fotolackmaterial auf dem genannten Substrat
beinhalten.
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Eine besondere Anwendung der Erfindung ist eine
fotolithografische Sperrschichtmaskierung, wie sie in der
Halbleiter-Prozeßtechnologie angewendet wird.
Hintergrund der Erfindung
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Die Herstellung von Halbleiterbauelementen für
großintegrierte Schaltungen durch Ausbilden von
strukturiertem Fotolack, hier gleichbedeutend als Resist
bezeichnet, Grenzschichten auf Halbleiterwafern, hier
gleichbedeutend als Substrate bezeichnet, erfordert, daß
solche Fotolackschichten ausreichend präzise geformt und
positioniert sind, um eine zuverlässige Herstellung von
äußerst klein strukturierten Konfigurationen zu erlauben,
und ferner, daß solche Schichten frei von störenden
Lochdefekten sind. Es ist allgemein bekannt, daß durch die
Anwesenheit solcher "Loch"-Defekte beim Maskieren
dielektrischer Schichten ein unerwünschtes Durchätzen und
nachfolgende Kurzschlußpfade nach der Metallisierung in
solchen Schichten entstehen können. Da ein Defekt in einem
einzigen Leitweg oder Bauelement zur Folge haben kann, daß
ein ganzer IC-Chip, der aus mehreren tausend solcher
Bauelementen besteht, funktionsunfähig wird, hat die
Eliminierung solcher Mängel zur Entwicklung einer Reihe
verschiedener Techniken geführt, deren Ziel es ist, deren
Auftreten auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Die
nachfolgenden Diskussionen befassen sich hauptsächlich mit
der Anwendung solcher Grenzschichten als Ätzgrenzschichten;
die Beschränkungen des Standes der Technik und die Vorteile
der vorliegenden Erfindung gegenüber diesen lassen sich
daher gleichermaßen in bezug auf die übliche Praxis des
Einsetzens solcher Strukturen als selektive Masken für
Autrags-, Ionenimplantations-, Diffusions-, Abhebevorgänge
usw. anwenden.
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Positive Fotolacke, die derzeit für
Halbleiterbearbeitungsvorgänge bevorzugt werden, werden
gewöhnlich aus einem Polymer hergestellt, das in einem
geeigneten Trägerlösungsmittel zur Erzeugung eines Lacks
aufgelöst wird, und dieser Lack wird mit konventionellen
Aufschleudertechniken aufgetragen, um eine dünne massive
Schicht über einem Substrat zu bilden, nachdem das
Trägerlösungsmittel durch Verdampfung entfernt wurde.
Danach wird die Resistschicht selektiv einer Strahlung mit
depolymerisierender Wellenlänge ausgesetzt, die durch eine
strukturierte Maske geleitet wird, oder alternativ kann
eine solche aktinische Strahlung auch direkt projiziert
werden, wodurch eine lokale Depolymerisation des
bestrahlten Resists zur Bildung eines Monomer bewirkt wird.
Durch ein nachfolgendes Eintauchen des resistbeschichteten
Substrats in ein Entwicklerlösungsmittel, das die Fähigkeit
hat, das resultierende Monomer aufzulösen, ohne dabei das
unexponierte Polymer in starkem Maße anzugreifen, wird eine
Retention der gewünschten polymeren Fotolackstruktur
bewirkt. Alternativ kann die selektiv exponierte Schicht
"trockenentwickelt" werden, indem sie ionischen Plasmen
bestimmter Gase mit ähnlichen selektiven
Auflösungseigenschaften ausgesetzt wird.
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Zur Erzielung einer maximalen Auflösung, d.h. um die
kleinsten Öffnungen im Resist zu erzeugen, muß die Stärke
der Resistschicht auf Werte von 500 Nanometer oder weniger
gehalten werden. Leider haben Resistgrenzschichten von
dieser geringen Stärke sehr häufig Mängel in Zusammenhang
mit zufallsmäßigen Lochdefekten. Solche Mängel entstehen
aus einer Reihe verschiedener Gründe, wie beispielsweise
aufgrund von Staubpartikeln im fotolithografischen System
und aufgrund von Maskendefekten.
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Ein besonderes Problem in Zusammenhang mit der
Fotolackauflösung entsteht aufgrund der vielschichtigen
Natur gegenwärtiger Halbleiterbauelemente für integrierte
Schaltungen. Die Oberflächentopografie von Wafern für
integrierte Schaltungen in den letzen Phasen der Fertigung
ist bei weitem nicht planar und ist gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von Stufen, die jeweils in der allgemeinen
Größenordnung von mehreren hundert Nanometern liegen, wobei
solche Stufen die Ränder von Metallisierungen,
Nitridverkappungsschichten und einer Reihe verschiedener
anderer Schichtbegrenzungen repräsentieren, die den
jeweiligen angewendeten Herstellungsprozessen eigen sind.
Zur Erzielung der für die derzeit gewünschten kleinen
Geometrien erforderlichen Auflösung müssen Fokus- und
Randdefekte durch Benutzen einer äußerst planaren
Fotolackoberfläche bei der Exposur auf ein Minimum
reduziert werden. Wenn die Fotolackschicht zu dünn ist,
dann wird dadurch die Oberflächentopografie des Substrats
gewöhnlich vervielfältigt. Es wird somit in den letzten
Phasen der Herstellung notwendig, Fotolackfilme mit
erheblich größerer Dicke zu benutzen, um die
Oberflächentopografie zu ebnen. Die gewählte Stärke solcher
"Planarisierungs"-Schichten liegt gewöhnlich bei zwei- bis
dreitausend Nanometern.
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Zur Erzielung einer maximalen Strukturauflösung in
einer mit einer Resistschicht einer solchen Dicke erzeugten
Sperrschicht ist es bekannt, einen dreischichtigen
Maskierungsaufbau mit einer relativ dicken Fotolackschicht
mit einer Stärke von 2 Mikron oder mehr auszubilden, die
mit mehreren dünnen Ergänzungs-Grenzschichten bedeckt ist.
In der Praxis ist die oberste Schicht ein dünner Fotolack,
und die nächsttiefere Schicht wird aus einem anorganischen
Material wie Siliziumdioxid ausgebildet. Mit Hilfe einer
komplexen Reihe von Strukturexposuren, Ätzungen und zwei
separaten Fotolack-Entwicklungsschritten wird ein
Maskierungsaufbau mit ausreichender Auflösung erzielt, um
die Ätzgrenzschicht des Substrats herzustellen. Die Figuren
2A-2C zeigen ein solches bekanntes System, das nachfolgend
ausführlicher erörtert wird. Eine ausführliche Diskussion
dieser Technik befindet sich auch in dem Artikel
"Multilayer Resists for Fine Line Optical Lithography"
(Vielschichtige Resiste für feinlinige optische
Lithografie) von Ong et al, Solid State Technology, S. 155-
160 (Juni 1984).
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Die oben erwähnten Verfahren sind nicht nur recht
komplex, sondern sie erfordern auch automatisch mehrere
manuelle Handhabungsvorgänge, die zusätzliche Kosten und
ein Beschädigungsrisiko beinhalten. Eine in den letzten
Phasen der Bearbeitung auftretende Waferbeschädigung ist
ein erhebliches Risiko, da die einzelnen Wafer in dieser
Phase bereits recht wertvoll geworden sind.
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Aus der EP-A-0 103 337 ist ein Verfahren zur
Herstellung eines Halbleiterbauelementes bekannt, bei dem
eine fotosensitive Lackschicht, die ein polymeres Material
und einen Sensibilisator mit einer Diazogruppe und einer
Ketongruppe beinhaltet, auf einem Substrat ausgebildet
wird. Die Lackschicht wird dann einer selektiven
Strukturierungsstrahlung unterzogen, die in einer
Ausgestaltung die bestrahlten Teile einer
Oberflächenschicht der Lackschicht entwicklungsfähig macht.
Nach der Strukturierungsstrahlung, aber vor der
Entwicklung, wird die Lackschicht einer Zwischenbehandlung
unterzogen, die einen ersten und einen zweiten
Strahlungsvorgang beinhaltet. Während der ersten Strahlung
wird eine Esterverbindung in einer oberen Schicht der Teile
der Lackschicht ausgebildet, die durch die
Strukturierungsstrahlung nicht bestrahlt wurden. In einem
zweiten Strahlungsvorgang wird wenigstens ein Teil des
Sensibilisators in den Teilen der Lackschicht unter der
Oberflächenschicht in eine Säure umgewandelt. Somit werden
Unterschiede im Hinblick auf die Löslichkeit, wenn die
Lackschicht entwickelt wird, in den Teilen der Lackschicht
erzielt, die während der Strukturierungsstrahlung in der
Richtung der Dicke der Lackschicht nicht exponiert wurden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren der vorgegebenen Art bereitzustellen, bei dem
eine hochauflösende strukturierte Fotolackschicht auf
einfache Weise bereitgestellt werden kann.
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Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus strukturiertem
Fotolack auf einem Substrat bereitgestellt, umfassend die
folgenden Schritte: Ausbilden einer Schicht aus polymerem
Fotolackmaterial auf dem genannten Substrat, und Umwandeln
gewählter, relativ dünner Zonen an der Oberfläche der
genannten Schicht in eine monomere Form durch Aussetzen der
genannten gewählten Zonen einer Energie mit einer
depolymerisierenden Wellenlänge; gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte: selektives Härten der genannten
Schicht, um von einer Oberflächenzone des genannten
polymeren Fotolackmaterials eine Oberflächenschicht zu
bilden, die für weitere Energie mit depolymerisierender
Wellenlänge im wesentlichen undurchlässig ist, ohne die
genannten gewählten Zonen materiell zu beeinflussen;
Aussetzen der genannten Schicht depolymerisierender
Energie, gegenüber der die genannte Oberflächenschicht im
wesentlichen undurchlässig ist, und Benutzen der genannten
Oberflächenschicht als Maske, um auf diese Weise die
Umwandlung von Zonen der genannten Schicht in eine monomere
Form zu bewirken, die von den genannten gewählten Zonen
über die gesamte Dicke der genannten Schicht verlaufen; und
Herausentwickeln des monomeren Materials.
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Es wurde gefunden, daß bestimmte Härtungstechniken,
die bestimmte polymere positive Fotolacke in den
Lösungsmitteln, in denen sie sonst aufgelöst würden,
unlöslich machen, selektiv nur auf den polymeren
Abschnitten einer exponierten, aber noch nicht entwickelten
Schicht anwendbar machen, so daß es nicht notwendig ist,
die Schicht zu entwickeln, um das exponierte Monomer vor
dem Härten davon zu entfernen, wie dies früher die Praxis
war. Solche selektiven Härtungstechniken beinhalten eine
sachgemäß geregelte Gesamtaussetzung gegenüber Plasmen
bestimmter Gase oder einem positiven Ionenbombardement, und
werden so ausgelegt, daß sie ultraviolette Strahlung über
einem Bereich von Wellenlängen beinhalten, die vernetzen,
aber nicht depolymerisieren.
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Der Begriff "aktinisch" wird nachfolgend
ausschließlich zur Beschreibung einer normalen
depolymerisierenden Strahlung verwendet.
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Die Erfindung nutzt die Entdeckung aus, daß die
selektiv gehärteten und vernetzten Oberflächenzonen der
Fotolackschicht als Abschirmung während der nachfolgenden
aktinischen Bestrahlung fungieren, die sonst sämtliches
darunterliegendes Polymer der ersten Schicht
depolymerisieren würde. Insbesondere verhindert die
Funktion der Maskierung der gehärteten Bereiche in der
Fotolackschicht gegenüber aktinischer Strahlung eine
Depolymerisation der darunterliegenden Fotolackschicht.
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Beispiele für kommerziell erhältliche
Fotolackmaterialien, die die obengenannten selektiven
Härtungsmerkmale aufweisen, sind vom positiven Fotolacktyp
AZ4210, der von der American Hoerch Corporation hergestellt
wird, und vom positiven Fotolacktyp HPR204, der von Hunt
Chemical Company hergestellt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bei Anwendung
auf die Produktion von Strukturen mit guter Auflösung auf
relativ dicken "planarisierenden" Fotolackschichten, wird
eine Schicht gewählter Dicke aufgetragen und dann einer
aktinischen Strahlungsstruktur ausreichend lang unterzogen,
so daß nur die Oberflächenzonen der Schicht polymerisiert
werden. Der Fotolackfilm wird dann selektiv mit einer der
obengenannten Methoden gehärtet, so daß auf jeder
unexponierten polymerischen Zone eine gegenüber aktinischer
Strahlung undurchlässige Maskierungsschicht aus gehärtetem
Polymer entsteht. Somit wird die ursprüngliche
Maskenstruktur als hochauflösende Struktur auf der
Oberfläche der dicken Fotolackschicht vervielfältigt. Eine
nachfolgende allgemeine "flutende" Exposur durch aktinische
ultraviolette Strahlung depolymerisiert selektiv nur die
unmaskierten Zonen der dicken Fotolackschicht, die
unmittelbar unterhalb der zuvor exponierten
Oberflächenbereiche liegen.
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Gemäß der Praxis der vorliegenden Erfindung wird die
komplexe Serie der oben beschriebenen Vorgänge zur
Herstellung hochauflösender Strukturen in dicken,
planarisierenden Fotolackschichten unnötig. Außerdem
braucht nur eine einzige Fotolackschicht aufgetragen zu
werden, im Gegensatz zu den gleichförmigen Maskensystemen
des Standes der Technik.
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Eine alternative Vorgehensweise ist in dem US-Patent
Nr. 4,352,820 offenbart, das an Howard et al ausgegeben
wurde und die Benutzung einer zweischichtigen
Resistzusammensetzung beschreibt, wobei die obere dünne
Schicht aus Resist als hochauflösende Maske benutzt wird,
um eine Elektronenstrahlbeseitigung der unteren
Fotolackschicht zu steuern. Rückstreuelektronen ergeben ein
gewisses Maß an Unterätzen, um die Auflösung des Systems zu
regeln. Aufgrund der Natur des Unterätzprozesses ergibt
sich eine grundsätzliche Beschränkung auf ungestützten
Abschnitten zwischen Löchern (Spalte 4, Zeilen 60-63), und
diese Beschränkung entfällt in dem Prozeß der vorliegenden
Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Eine Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend
beispielhaft unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen
beschrieben, die folgendes zeigen:
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Die Figuren 1A-1D sind Querschnittsansichten eines
Substrats, das einem einzigen Planarisierungsschicht-
Fotolackprozeß gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
unterzogen wird, wobei folgendes dargestellt ist: eine
lokale Oberflächenexposur der gewünschten Zonen des
Fotolacks, eine selektive Härtung der Außenfläche des
polymeren Fotolacks, um ihn selektiv gegen ultraviolette
Strahlung undurchlässig zu machen, eine Flutung der
Struktur, um jeweils die depolymerisierte
Oberflächenschicht bis herunter auf das Substrat und die
resultierende Struktur nach der Entwicklung zu erweitern;
und
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die Figuren 2A-2C beschreiben die entsprechenden
Schritte eines bekannten dreischichtigen Prozesses, der zur
Erzielung desselben Ergebnisses wie in Fig. 1D gezeigt
benutzt wird, wobei jeweils folgendes dargestellt ist: die
anfängliche Strukturabbildung einer oberen Fotolackschicht,
die Benutzung einer entwickelten Struktur in dieser
Schicht, um Öffnungen in einer anorganischen
Zwischenschicht zu ätzen, und die resultierende
Endstruktur, nachdem Öffnungen in der Zwischenschicht als
Maske für eine selektive Entfernung von Fotolack in der
unteren Schicht benutzt wurden.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
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Das Merkmal des selektiven Härtens bestimmter Prozesse
auf bestimmten positiven Fotolacken, wie oben erwähnt,
ermöglicht eine erhebliche Verbesserung bei der Herstellung
von hochauflösenden und lochfreien Fotolack-
Maskenstrukturen mit dicken "planarisierenden"
Fotolackschichten. Ausführlicher ausgedrückt, es wurde
gefunden, daß, wenn ein massiver polymerer Film aus
positivem Fotolack, wie beispielsweise vom Typ AZ4210, der
von American Hoechst Corporation hergestellt wird, oder vom
Typ HPR204, der von Hunt Chemical Company hergestellt wird,
örtlich standardmäßiger aktinischer Strahlung mit einer
Wellenlänge von etwa 400 Nanometer ausgesetzt wird, wodurch
die exponierten Bereiche von einer polymeren in eine
monomere Form umgewandelt werden, und als nächstes
allgemein einem Entladungsplasma eines gewählten Gases oder
Gasgemisches unterzogen werden, dann treten zwei Dinge auf:
Zunächst wird die Oberfläche der polymeren Zonen im
wesentlichen durch polymeres Fotolack-Trägerlösungsmittel
unlöslich gemacht, während die monomeren Zonen in dem
standardmäßigen Entwickler auf Natriumhydroxidbasis löslich
bleiben, der benutzt wird, um das Monomer selektiv zu
extrahieren, d.h. um die Strukturbilder zu entwickeln; und
zweitens, die auf diese Weise behandelten oder "selektiv
gehärteten" polymeren Zonen werden im wesentlichen
undurchlässig gegenüber nachfolgenden Exposuren von
aktinischer Strahlung, die gewöhnlich deren
Depolymerisierung verursachen würde.
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Ein solches selektives Härten wurde mit Hilfe von
Stickstoff-, Helium- oder Argonplasmas und mit anderen
Formen von positivem Ionenbombardement, z.B.
Sputterungsbombardement und Ionenimplantation oder mit
Hochenergiestrahlung mit ultraviolettem Licht mit einer
Wellenlänge erzielt, die das Polymer vernetzt, ohne es in
die monomere Form umzuwandeln.
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Die Figuren 1A-1D zeigen die Anwendung der aktinischen
Strahlungsabschirmungsaktion selektiv vernetzter Abschnitte
einer Fotolackschicht, wie sie auf die Herstellung
hochauflösender Strukturen auf einer dicken,
planarisierenden Fotolackschicht angewendet wird. In Fig.
1A wird ein topologisch nicht planares Substrat 50, das mit
einer dicken Fotolackschicht von einer Stärke in der
Größenordnung von 2400 Nanometern beschichtet wurde, einer
aktinischen Strahlung 60 durch eine Maske ausgesetzt, die
sich aus einer Platte 54 mit einer undurchlässigen
Maskierungsschicht 56 und Öffnungen 58-58 darin
zusammensetzt. Die Intensität und Dauer der Bestrahlung
werden so geregelt, daß entsprechende monomere Zonen 62-62
nur auf eine Tiefe von vorzugsweise 400 Nanometer
ausgebildet werden, wie durch Begrenzungen 63-63 angedeutet
wird. Fig. 1A stellt zwar die Struktur der monomeren
latenten Bildzonen 62-62 mit einer Kontakttyp-Maskierung
hergestellt dar, sie ist jedoch in gleichem Maße auch auf
projizierte aktinische Bilder anwendbar.
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Die Fotolackschicht 52 wird als nächstes (Fig. 1B)
einem der oben beschriebenen selektiven Härtungsmittel 64
ausgesetzt, wodurch vernetzte Oberflächenbereiche 66 an
allen Punkten ausgenommen über den monomeren Zonen 62 auf
der Oberfläche der Fotolackschicht 52 entstehen. An dieser
Stelle wird eine Maske für eine aktinische Bestrahlung über
der gesamten Oberfläche der Fotolackschicht 52 "fixiert".
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Da die vernetzten Oberflächenabschnitte 66-66-66 im
wesentlichen undurchlässig gegenüber aktinischer Strahlung
sind, wird dadurch, daß sie nachfolgend allgemein geflutet
oder flächendeckend aktinischer Strahlung 60-60 ausgesetzt
(Fig. 1C) werden, eine vollständige Exposur nur der
ursprünglichen monomeren Zonen bewirkt. Dauer und
Intensität der Flutungsexposur werden so gewählt, daß sie
ausreichen, um zu gewährleisten, daß die polymeren Zonen
der Fotolackschicht 52 unter den flachen monomeren Zonen
63-63 in Fig. 1B vollständig in monomere Zonen umgewandelt
werden, die Begrenzungen 68-68 bis hinab zum Substrat 50
haben. Durch eine nachfolgende konventionelle Entwicklung
werden diese monomeren Schichten wie in Fig. 1D gezeigt
entfernt, um Ätzöffnungen 70-70 zu hinterlassen, wodurch
die Herstellung der Fotolackmaskierungsschicht vollendet
wird.
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Dies steht im Gegensatz zu einem bekannten Prozeß zur
Herstellung einer dreischichtigen Maske, wie in den Figuren
2A-2C illustriert. Fig. 2A zeigt eine dicke planarisierende
Fotolackschicht 73, die aus PMMA oder einem ähnlichen
Material besteht und über einem Substrat 74 aufgetragen
wird, und darüber wird eine dünne ergänzende
Ätzgrenzschicht 76 aufgetragen. Diese Grenzschicht besteht
typischerweise aus aufgetragenem Siliziumdioxid oder
Siliziumnitrid mit einer Stärke von etwa 50 bis 100
Nanometern. Über diese anorganische Grenzschicht wird der
hochauflösende Fotolackfilm 78 mit einer Stärke im Bereich
von 500 Nanometern aufgetragen. Diese obere Schicht 78 wird
auf konventionelle Weise zunächst aktinischer Strahlung 60-
60, die durch die undurchlässige Schicht 56 auf der Platte
54 strukturiert wird, und dann einem Entwicklungszyklus
ausgesetzt. Auf diese Weise wird eine hochauflösende
Öffnungsstruktur in der Fotolackschicht 78 ausgebildet,
wobei ausgewählte Zonen der darunterliegenden
Siliziumdioxid- oder Nitridgrenzschicht 76 exponiert
werden. Die Grenzschicht 76 wird dann mit der oberen
Fotolackschicht 78 als die Ätzgrenzschicht selektiv
weggeätzt (Fig. 2B), um eine hochauflösende Struktur von
Öffnungen 80-80 in der dünnen Grenzschicht 76 zu bilden.
Als nächstes wird die Öffnungsstruktur 80-80 in der
Grenzschicht 76 selbst als Maske zum selektiven
Strukturieren der unteren Fotolackschicht 72 benutzt (Fig.
2C), vorzugsweise durch direktes anisotropes Plasmaätzen
oder alternativ durch konventionelle fotolithografische
Bearbeitung, um die tiefe Öffnungsstruktur 82-82 zu
erzeugen. Die resultierende Maskengrenzstruktur ist dann
bereit, um das Ätzen des Substrats zu regeln.
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Daraus wird ersichtlich, daß der nun offenbarte
einfache einschichtige Prozeß benutzt werden kann, um eine
Maskenstruktur mit einer Auflösung zu erzeugen, die mit der
vergleichbar ist, die durch den bekannten komplexen
vielschichtigen Prozeß hergestellt wird.