DE3604342C2 - - Google Patents

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DE3604342C2
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Haruo Okano
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes, insbesondere ein Verfahren zur selektiven Aus­ bildung eines Bildes auf einem Träger unter Aus­ nutzung einer photoinduzierten Reaktion.
Derzeit werden zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendete Muster ausschließlich durch Photoätzung (PEP) gebildet. Hierbei wird ein Träger mit einer Photo­ resistmasse beschichtet, danach der beschichtete Träger belichtet und schließlich ein Resistmuster entwickelt. Im Falle der Behandlung einer Halbleiteroberfläche dient ein durch PEP gebildetes Resistmuster als Maske für die Ätzung der Halbleiteroberfläche, wobei das Muster der Maske auf die Halbleiteroberfläche übertragen wird. Das unter Anwendung einer Photoätzung durchgeführte Ver­ fahren zur Herstellung des Musters erfordert jedoch zahlreiche Verfahrensstufen, wodurch es sehr teuer wird.
In der älteren EP-A-01 62 711 wird die Ausbildung einer bildgerechten Isolierschicht auf einer Werkstückoberfläche durch bildmäßige Bestrahlung durch ein Gasgemisch aus einem Gas auf Halogenbasis und einem Gas mit einer Verbindung, die mit einem Element des die Oberfläche des Werkstücks bildenden Materials unter Ausbildung einer isolierenden Verbindung eine chemische Bindung einzugehen vermag, hindurch beschrieben.
Aus der US-A-41 07 349 ist es bekannt, auf einem Resonator durch Bestrahlen eines ihn umgebenden polymerisierbaren Gases zur Einstellung seiner Frequenzen ein Polymeres abzulagern.
Verfahren zur Erzeugung von Bildern unter Ausnutzung einer photoinduzierten Reaktion kranken jedoch daran, daß insbesondere bei der Herstellung feiner Bilder das Bild beispielsweise infolge Lichtbeugung verschwommen wird, d. h. nach diesem Verfahren kann man kein scharfes Bild herstellen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein unter Aus­ nutzung einer photoinduzierten Reaktion durchzuführendes Verfahren zur Erzeugung eines Bildes zu schaffen, das unter Vermeidung der geschilderten Nachteile ein­ schlägiger bekannter Verfahren auch die genaue Herstel­ lung sehr feiner Bilder gestattet.
Der Erfindung lag die aus dem Stand der Technik nicht herleitbare Erkenntnis zugrunde, daß sich die gestellte Aufgabe lösen läßt, wenn man bei der photoinduzierten Reaktion für eine nicht lineare Beziehung zwischen Lichtintensität und Reaktionsgeschwindigkeit sorgt.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 die Intensitätsverteilung von durch eine Maske auf einen Träger projiziertem Licht;
Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus der eine lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion ersichtlich ist;
Fig. 3 die Ablagerung des Reaktionsprodukts im Falle, daß die Lichtintensität und die Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion in linearer Be­ ziehung stehen;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, aus der eine nicht­ lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion ersichtlich ist;
Fig. 5 die Ablagerung des Reaktionsprodukts im Falle, daß die Lichtintensität und die Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion in nicht-linearer Beziehung stehen;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ver­ wendeten Vorrichtung;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Ablationsgeschwindig­ keit eines organischen Films und
Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Bevor die Erfindung konkret erläutert wird, wird zunächst näher auf das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip ein­ gegangen.
Es ist wichtig, bei der Ausbildung insbesondere eines feinen Bildes auf einem Träger durch Belichten (des­ selben) durch eine Photomaske der Lichtbeugung Beachtung zu schenken. Fig. 1 zeigt die Intensitätsverteilung von Licht 11 auf der Trägeroberfläche. Die ausgezogene Linie in Fig. 1 zeigt ganz typisch, daß die Lichtintensi­ tät auf der Trägeroberfläche entsprechend opaken Stel­ len 12a einer Photomaske 12 infolge Lichtbeugung nicht Null wird. Wenn die Beugung nicht in Betracht gezogen wird, sollte die Intensitätsverteilung - wie durch die gestrichelte Linie angedeutet - einer rechteckigen Form folgen. In anderen Worten gesagt, wird auch die den opaken Stellen 12a der Maske 12 entsprechende Träger­ oberfläche tatsächlich mit Licht niedriger Intensität belichtet.
Es ist ferner wichtig, die Beziehung zwischen der Licht­ intensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion zu verstehen. Wenn es beispielsweise zu einer Photoablagerungsreaktion kommt, wird die Lichtintensität durch die Dicke der durch die photochemische Reaktion gebildeten Ablagerung widergespiegelt. Wenn die Reaktions­ geschwindigkeit direkt proportional zur Lichtintensität ist (vgl. Fig. 2), bildet sich auf der gesamten Oberfläche eines Trägers 31 eine Ablagerung 32 ungleichmäßiger Stärke (vgl. Fig. 3). Stehen dagegen die Lichtintensität und die Reaktionsgeschwindigkeit zueinander in nicht­ linearer Beziehung (vgl. Fig. 4), bildet sich eine Ab­ lagerung 52 lediglich auf denjenigen Oberflächenstellen eines Trägers 51, die durchsichtigen Stellen 12b einer Photomaske 12 entsprechen (vgl. Fig. 5).
Daraus folgt, daß man mit höchster Genauigkeit ein feines Bild erzeugen kann, wenn man zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photochemi­ schen Reaktion eine nicht-lineare Beziehung herstellt.
Es ist ein direktes Ätzverfahren bekannt, bei welchem ohne Verwendung einer Ätzmaske eine photoinduzierte Reaktion durchgeführt wird. Dieses Verfahren gestattet auch die Ausbildung eines scharfen Ätzbildes durch Schaffung einer nicht-linearen Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit und der Lichtintensität.
Kurz gesagt, schafft die Erfindung spezielle Bedingungen für die Herstellung einer nicht-linearen Beziehung zwi­ schen der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion und der Lichtintensität in dem Reaktionsfeld, in welchem durch photoinduzierte Reaktion ein feines Bild erzeugt werden soll.
Die photoinduzierte Reaktion, der man sich im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung bedient, umfaßt eine photochemische Reaktion und eine Photo­ abtragung. Das erfindungsgemäß erzeugte Bild um­ faßt ein Bild des bildmäßig auf einem Träger abge­ lagerten photochemischen Reaktionsprodukts und ein durch bildmäßiges Ätzen des Substrats gebildetes Ätz­ bild. Der bei Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens verwendete Träger kann beispielsweise aus einem Halbleiter selbst oder einem Halbleiter, dessen Oberfläche mit einem Film, z. B. einem metallischen Film, einem isolierenden Film, einem Halb­ leitermaterialfilm oder einem organischen Film bedeckt ist, bestehen.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchge­ führten selektiven Ätz- und Ablagerungsmaßnahmen laufen wie folgt ab:
A. Bildmäßige Ätzung I. Ätzung, basierend auf photochemischer Reaktion
Die Erfindung ermöglicht eine genaue Ätzung eines me­ tallischen Films, eines isolierenden Films und eines Halbleitermaterialfilms, z. B. eines Siliziumfilms, ins­ besondere eines n⁺-Polysiliziumfilms und eines nicht­ dotierten Polysiliziumfilms. In diesem Falle wird ein Träger mit einem (darauf gebildeten) derartigen Film in ein Vakuumgefäß gelegt. Danach wird in das Vakuum­ gefäß zusammen mit einem eine Ablagerung bildenden Gas ein Ätzgas in Form von Cl2 oder eines Gemischs aus Cl2 und F2 eingeführt. Wird der Träger bildmäßig durch beispielsweise eine Photomaske mit Licht belichtet, bildet sich auf dem nicht-belichteten Teil des Trägers eine aus dem eine Ablagerung bildenden Gas stammende Ablagerung. Die gebildete Ablagerung dient als Ätzmaske. Der abgelagerte Film wird auf den be­ lichteten Stellen bildmäßig entfernt, wobei (entsprechende) Trägerteile freigelegt werden. Diese werden dann durch das Ätzgas geätzt.
Die Ätzung mit Cl2 oder einem Cl2/F2-Gemisch ist iso­ trop. Die Ätzgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Lichtintensität. Zwischen der Ätzgeschwindigkeit und der Lichtintensität wird jedoch eine nicht-lineare Beziehung geschaffen, indem das die Ablagerung bildende Gas in den Reaktionsbereich eingeführt wird. Die aus dem eine Ab­ lagerung bildenden Gas entstandene und hauptsächlich aus einem Polymeren bestehende Ablagerung sollte an den be­ lichteten Stellen rascher entfernt werden als an den nicht-belichteten Stellen. Diesem Erfordernis genügende, eine Ablagerung bildende Gase sind beispielsweise Tetramethylsilan, Methylmethacrylat und fluorierte Kohlenwasserstoffe, wie Tetrafluorethylen.
Das Ätzgas wird in das Vakuumgefäß bei einem Druck von 66,5-1330 Pa eingeführt. Die Menge an in das Vakuum­ gefäß eingeführtem, eine Ablagerung bildendem Gas be­ trägt 1-20% des Ätzgases. Sofern damit die Ablagerung entfernt werden kann, kann man sich erfindungsgemäß jeder Art von Licht bedienen. In der Regel arbeitet man im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit UV-Licht. Die Ätztemperatur reicht in der Regel von 10-40°C. Die Intensität des UV-Lichts liegt zwischen 0,1 und 0,5 W/cm2.
II. Bildmäßige Ätzung, basierend auf einer Photoabtragung
Die auf einer Photoabtragung basierende Ätzung ist nicht von einer chemischen Reaktion begleitet. In diesem Falle wird der belichtete Filmteil durch Auflösen (Weg­ schmelzen) und Verdampfen selektiv entfernt. Das er­ findungsgemäße Verfahren gestattet eine genaue Ätzung eines organischen Films, insbesondere eines Polymethyl­ methacrylatfilms oder eines Films aus einem polymeren fluorierten Kohlenwasserstoff, z. B. eines Polytetra­ fluorethylenfilms. Die Ätzung erfolgt durch bildmäßige Belichtung des organischen Films mit Licht unter Vakuum, beispielsweise 13,3 Pa oder weniger. Der organische Film kann auch durch selektives Projizieren von Licht in einem aktiven Gas, z. B. gasförmigem Chlor, bei einem Druck von 13,3-133 Pa weggeätzt werden. In der Regel bedient man sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eines KrF- oder ArF-Laserlichts einer Intensität von 0,1- 3 W/cm2. Wenn die Photoabtragung unter den angegebenen Be­ dingungen durchgeführt wird, wird eine nicht-lineare Be­ ziehung zwischen der Lichtintensität und der Ablationsge­ schwindigkeit (Ätzgeschwindigkeit) geschaffen, was eine genaue Ätzung ermöglicht.
B. Bildmäßige Ablagerung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine genaue Ausbildung eines Bildes aus einem organischen Material auf einem Träger durch photochemische Reaktion. Ins­ besondere wird ein reaktionsfähiges Gas, wie Methyl­ methacrylat oder ein fluorierter Kohlenwasserstoff, wie Tetrafluorethylen, mit Licht eines KrF-Lasers (249 nm) oder eines ArF-Lasers belichtet, um das reaktionsfähige Gas zu polymerisieren. Das Ergebnis dieser Belichtung ist, daß auf der nicht-belichteten Trägeroberfläche bildmäßig ein polymerer Film gebildet wird. Die Intensität des Laserlichts reicht von 0,5-2 W/cm2. Unter den angegebenen Bedingungen wird eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Geschwindig­ keit der Polymerisationsreaktion und der Lichtintensität geschaffen.
Das zur bildmäßigen Ablagerung dienende reaktionsfähige Gas wird durch Mikrowellenentladung zur Bildung aktiver Reaktionsteilnehmer angeregt. Wenn das angeregte reaktions­ fähige Gas, d. h. die aktiven Reaktionsteilnehmer, mit einem in einem Vakuumgefäß befindlichen und vom Entladungs­ feld entfernten Träger in Berührung gebracht wird, bildet sich auf der gesamten Trägeroberfläche ein polymerer Film. Der Träger mit dem darauf gebildeten polymeren Film wird dann - wie beschrieben - bildmäßig mit dem Laserlicht belichtet, wodurch die belichteten Stellen des polymeren Films gelöst und entfernt werden. Da - wie beschrieben - zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der Auflösung des Polymeren eine nicht-lineare Beziehung geschaffen wird, bleibt der polymere Film bildmäßig an den nicht-belichteten Stellen ungelöst, so daß ein polymeres Filmmuster entsteht.
Die Fig. 6 veranschaulicht eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung. Wie aus der Figur hervorgeht, ist in der Vorrichtung ein Vakuumgefäß 61 mit einem durchsichtigen Fenster 62 auf seiner Oberseite und einem an ein Gasauslaßsystem angeschlossenen Gasauslaß 64 auf seiner Unterseite vorgesehen. Ferner ist seitlich an das Vakuumgefäß 61 ein Quarzrohr 65 mit einem Gaseinlaß 66 angeschlossen. Im Inneren des Vakuumgefäßes 61 ist ein Trageteil zum Halten des zu behandelnden Trägers S vorgesehen. Um das Quarzrohr 65 herum ist ein an einen Mikrowellen­ oszillator 68 angeschlossener Wellenleiter herumgelegt. Ferner ist über dem Vakuumgefäß 61 eine Lichtquelle 69 angeordnet. Der Träger S wird, nach der Passage durch eine Photomaske 71, ein Lichtprojektionssystem 72 und das durchsichtige Fenster 62 des Vakuumgefäßes 61 mit dem aus der Lichtquelle 69 emittierten Licht belichtet.
Anhand der Fig. 8 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung erläutert. In diesem Falle wird ein Träger 81 einer reaktionsfähigen Gasatmosphäre ausgesetzt und bildmäßig mit Licht 83 über eine Photomaske 82 mit opaken Stellen 82a belichtet, wobei auf der gesamten Oberfläche des Trägers 81 ein von dem reaktionsfähigen Gas gebildeter polymerer Film entsteht. Gleichzeitig wird in dieser Stufe weiteres Licht 84 parallel zum Träger 81 projiziert. Wenn das Licht 84 eine ein bestimmtes Niveau übersteigende Intensität besitzt, findet eine photochemische Reaktion statt, wobei der polymere Film bildmäßig weggeätzt oder gelöst und somit auf dem Träger 81 ein polymeres Filmmuster 85 gebildet wird.
Das folgende Beispiel soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher veranschaulichen.
Beispiel
Unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung werden erfindungsgemäß eine Ätzmaske gebildet und unter Verwendung der gebildeten Ätzmaske eine Ätzung durchge­ führt. Zu diesem Zweck wird ein Halbleiter S mit einer auf seiner gesamten Oberfläche vorhandenen, 600 nm dicken Schicht aus n⁺-Polysilizium in das Vakuumgefäß 61 eingebracht. Ein in das Quarzrohr 65 eingeleitetes Tetrafluorethylengas wird durch Mikrowellenentladung aus dem an den Mikrowellenoszillator 68 angeschlossenen Wellenleiter angeregt. Das angeregte Gas wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 SCCM (Standard - cm3/min) in das Vakuumgefäß 61 eingeleitet, um auf der auf dem Träger S befind­ lichen Polysiliziumschicht einen 100 nm dicken polymeren Film auszubilden. Der gebildete polymere Film stammt von dem angeregten Tetrafluorethylen und enthält Kohlenstoff und Fluor. Nach Bildung des polymeren Films wird die Einleitung des Tetrafluorethylengases in das Vakuumgefäß 61 beendet.
Danach wird der Träger S mit einem KrF-Laserlicht (249 nm), das aus der Lichtquelle 69 emittiert wurde und die Photomaske 71 passiert hat, belichtet. Der polymere Film wird bei der Bestrahlung mit Laserlicht durch Auf­ lösung und Verdampfung entfernt. Zwischen der Abtragungs­ geschwindigkeit und der Laserlichtintensität herrscht, wie aus Fig. 7 hervorgeht, eine nicht-lineare Beziehung. Auf diese Weise läßt sich durch Einstellen der Licht­ intensität derart, daß die Lichtintensitätsverteilung auf der Oberfläche des Trägers S im Bereich A von Fig. 7, d. h. zwischen 0 und 1,0 W/cm2, liegt, mit hoher Präzision ein polymeres Filmbild einer Strichbreite von 1500 nm herstellen.
Nach Ausbildung des polymeren Filmbildes wird das Vakuumgefäß 61 genügend evakuiert, worauf in das Vakuum­ gefäß 61 gasförmiges Cl2 und gasförmiges Tetramethyl­ silan mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 SCCM bzw. 10 SCCM eingeleitet werden, um in dem Vakuumgefäß einen Gesamtdruck von 6650 Pa zu liefern. Während der Einleitung dieser Gase wird der Mikrowellenoszillator 68 nicht betätigt. Das diese Gase enthaltende Vakuumgefäß 61 wird nun mit UV-Licht aus der Licht­ quelle 69 belichtet. Bei Verwendung von gasförmigem Cl2 alleine wird ein Polysiliziumfilm isotrop geätzt. Wenn zusätzlich gasförmiges Tetramethylsilan verwendet wird, wird jedoch das von dem gasförmigen Tetramethylsilan her­ rührende Polymere lediglich auf der Stelle des Poly­ ethylenfilms (Ätzmaske), die nicht mit Licht belichtet wird, abgelagert. Da der abgelagerte polymere Film dazu dient, ein Unterschneiden der Ätzmaske zu verhindern, wird der n⁺-Polysiliziumfilm vertikal geätzt. Auf diese Weise erhält man ein höchst präzises und scharfes Bild eines n⁺-Polysiliziumfilms.
Wie beschrieben, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung selbst feiner Bilder mit hoher Präzision.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das anhand einer Ätzung und Ablagerung näher erläutert wurde, ist nicht auf Ätzung und Ablagerung beschränkt. So dürfte es auch möglich sein, das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auf die Bildung eines Oxidfilmbildes unter Durchführung einer Photooxidationsreaktion und auf die Bildung eines Fremdatombereichs durch photoinduzierte Diffusion anzuwenden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Bildes auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in einem Gas, das auf einer seiner Oberflächen eine photoinduzierte Reaktion eingehen kann, bildmäßig belichtet wird, wobei die Reaktionsbedingungen so eingestellt sind, daß zwi­ schen der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion und der Lichtintensität eine nicht lineare Beziehung herrscht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Träger mit einem auf seiner Oberfläche ausge­ bildeten Film aus einem metallischen Material, einem isolierenden Material oder einem Halbleitermaterial ver­ wendet und ihn in Gegenwart eines eine Ablagerung bil­ denden Gases und eines reaktionsfähigen Ätzgases, beste­ hend aus einem Cl2-Gas oder einem Gemisch aus einem Cl2-Gas und einem F2-Gas, bildmäßig belichtet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberfläche des Trägers gebildete Film n⁺- Polysilizium enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als eine Ablagerung bildendes Gas Methylmethacrylat oder Tetramethylsilan verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht UV-Licht benutzt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des Trägers einen Film aus Poly­ methylmethacrylat oder einem polymeren fluorierten Kohlenwasserstoff ausbildet und den Träger in einer Aktivgasatmosphäre bildmäßig belichtet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht ein KrF-Laserlicht oder ein ArF-Laser­ licht benutzt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Träger in gasförmigem Methylmethacrylat oder in einem gasförmigen fluorierten Kohlenwasserstoff lagert und ihn bildmäßig belichtet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht ein KrF-Laserlicht benutzt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Film auf dem Träger bildet, indem man ein reaktionsfähiges Gas, aus dem der organische Film ent­ stehen kann, aktiviert und dem Träger zuführt.
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