DE3706127A1 - Diskontinuierliches aetzverfahren - Google Patents
Diskontinuierliches aetzverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren für sehr feine
Ätzbehandlungsschichten, die auf einem Substrat aufgebracht
sind, und insbesondere ein Ätzverfahren, bei dem man
ein reaktives Ionenätzen, das zur Ausbildung von einer
sehr feinen Ätzbearbeitung geeignet ist und das mit einer
erhöhten Ätzrate durchgeführt werden kann, durchführen
kann.
Mit der Minimierung der Größe von funktionellen
Vorrichtungen in Übereinstimmung mit dem in den vergangenen
Jahren erzielten Fortschritt der Verarbeitungstechniken
besteht die Notwendigkeit Vertiefungen in der
Submikrongröße in Schichten von Halbleitern etc. auszubilden,
in zunehmendem Maße. Insbesondere ist es häufig bei der
Herstellung von funktionellen Einrichtungen, wie einer
Josephson-Einrichtung oder dergleichen, unbedingt
erforderlich, extrem feine Kerben von etwa 0,1 µm Breite
zu ätzen.
Bei der Ausbildung einer Vertiefung oder einer Kerbe mit
einer derart außerordentlich feinen Größe ist ein
Längenverhältnis, d. h. das Verhältnis von Tiefe zu Breite
der Vertiefung, erforderlich, das so groß wie möglich
ist, wobei die Seitenwand der Vertiefung so vertikal wie
möglich ausgebildet werden soll. Aber selbst in einem Fall,
bei dem man solche sehr feine Vertiefungen unter Anwendung
eines reaktiven Ionenätzverfahrens (RIE), bei dem man
im allgemeinen ein anisotropes Ätzen anwendet, bei dem
die Ätzrate in der Normalrichtung wesentlich größer ist
als in der Lateralrichtung, besteht die Schwierigkeit,
daß die Ätzrate im Vergleich zu einem Ätzen von Vertiefungen
mit einer breiteren Oberflächenöffnung außerordentlich
niedrig ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß je
kleiner die Breite der Vertiefung und je größer das
Längenverhältnis ist, es um so schwieriger wird, die
gasförmigen Reaktionsprodukte, welche durch das Ätzen
ausgebildet werden und die beim Fortschreiten des Ätzens
stören, aus der Vertiefung zu entfernen.
Bei einem RIE, bei dem das Ätzen anisotrop mittels
positiv geladener Ionen, die durch Gleichspannung
(vollautomatische Gitterspannung) zwischen Elektroden
beschleunigt werden und senkrecht zu der Schicht auftreffen,
durchgeführt wird, ist es erforderlich, die vollautomatische
Gitterspannung zu erhöhen, um das anisotrope Ätzen zu
steigern. Bei einem RIE macht jedoch die Erhöhung der
vollautomatischen Gitterspannung es erforderlich, die
Radiofrequenzspannung zu erhöhen und dies ist von einer
Erhöhung der Substrattemperatur begleitet. Organische
Resiste, die als Maskierungsmaterial gegen das Ätzen
verwendet werden, werden im allgemeinen bei erheblich
erhöhten Temperaturen zerstört, so daß in dem Fall, in
dem lange Ätzzeiten erforderlich sind, um die Tiefe der
Vertiefung zu erhöhen, die vollautomatische
Gitterspannung nicht in dem Maße erhöht werden kann,
weil man eine Temperaturerhöhung unterdrücken muß und
ein verbessertes anisotropes Ätzen infolgedessen nicht
erzielt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme des Standes
der Technik zu lösen und ein Ätzverfahren zur Verfügung
zu stellen, welches die Ausbildung von Vertiefungen
mit außerordentlich kleinen Öffnungsbreiten und einem
großen Längenverhältnis ermöglicht.
Diese Aufgabe kann man nach dem erfindungsgemäßen
diskontinuierlichen Ätzverfahren zur Ausbildung von
Vertiefungen mit sehr kleinen Öffnungen und einem großen
Längenverhältnis in einer Schicht lösen, indem man
RIE-Stufen von kurzer Dauer mit einer Vakuumbehandlung
zum Evakuieren von gasförmigen Reaktionsprodukten und
um eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen zu
vermeiden, alternierend anwendet und dadurch die
nachfolgende RIE-Stufe erleichtert.
Hierbei wird die Ätzstufe von kurzer Dauer von vorzugsweise
etwa 20 bis 60 Sekunden und noch bevorzugter von etwa
30 Sekunden, absatzweise wiederholt und in den Intervallen
werden gasförmige Reaktionsprodukte, die in der
Vertiefung durch das Ätzen ausgebildet werden, durch eine
Vakuumbehandlung von vorzugsweise 1 bis 3 Minuten Dauer
und noch bevorzugter von etwa 2 Minuten, entfernt und
dadurch wird eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen
vermieden. Außerordentlich enge Vertiefungen oder Kerben
in einer gewünschten Tiefe kann man durch eine mehrfache
intermittierende Wiederholung der RIE-Stufe erhalten.
Infolgedessen kann man mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren das Ätzen ohne Schwierigkeiten und ohne daß
durch eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen
das Fortschreiten des Ätzens behindert wird, durchführen.
Da weiterhin die Dauer der einzelnen Ätzstufen
verhältnismäßig kurz ist, kann man die Temperaturerhöhung
des Substrates durch das Ableiten von gasförmigen Produkten
während der Ätzstufe minimieren und weiterhin kann man
die Substrattemperatur während der Vakuumbehandlung
erniedrigen, wodurch die Radiofrequenzspannung bei der
RIE erhöht werden kann und infolgedessen auch die
vollautomatische Gitterspannung erhöht werden kann, was
zur Verbesserung der Ätzanisotropie beiträgt.
Fig. 1 ist ein Diagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 und 3 sind jeweils SEM-Mikrofotografien
von Ätzlinien in Niob gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 4 ist ein Diagramm und zeigt die
Verfahrensfolge beim Ausbilden
eines Verdrahtungsmusters,
Fig. 5 ist eine SEM-Mikrofotografie
einer schwachen Verbindungsregion
(weak-link region) einer nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Brücke, und
Fig. 6 und 7 sind jeweils Diagramme von
I-V-Charakteristika bei einer
Josephson-Vorrichtung, die nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde.
Die vorliegende Erfindung wird ausführlicher in den
Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Zunächst wird kurz das Herstellungsverfahren und die
erzielten Ergebnisse beim Ätzbearbeiten von sehr kleinen
Kerben in einer Niob(Nb)-Schicht, die die vorerwähnte
Josephson-Vorrichtung ausmachen, beschrieben, wobei man
das diskontinuierliche Ätzverfahren der vorliegenden
Erfindung anwendet.
Um sehr feine Kerben in dem gewünschten Muster und der
gewünschten Größe in der Nb-Schicht durch RIE auszubilden,
werden drei Resistschichten nacheinander auf der Nb-Schicht
abgeschieden und dann durch Aussetzen gegen Elektronenstrahlen
partiell entfernt, unter Verbleib einer Maske mit einem
Negativmuster. Der Grund, warum man eine
Dreiresistschicht-Technik anwendet, besteht darin, soweit
wie möglich einen Nachbarschaftseffekt, der durch
Elektronenstreuen in dem Resist und durch eine Rückstreuung
aus der Nb-Schicht während des Aussetzens gegenüber
Elektronenströmen induziert wird, zu reduzieren und die
effektive Region der Elektronenstrahlaussetzung so
klein wie möglich zu machen. Die Bodenschicht des
organischen Resists soll so dick wie etwa 0,3 bis 0,6 µm
sein, weil die Notwendigkeit besteht, eine ausreichende
Dicke als Maske gegen das Ätzen bei einem Material mit
einer verhältnismäßig geringen Ätzrate, wie Nb, zur
Verfügung zu stellen. Wenn daher Rillen von etwa 0,1 µm
Öffnungsbreite geätzt werden, die für ultraschnelle
Josephson-Einrichtung geeignet sind, erzielt man ein
Längenverhältnis von im äußersten Falle etwa 6. Auf der
organischen Resistschicht und der Nb-Schicht wurde ein
Ätzen gemäß dem diskontinuierlichen Ätzverfahren der
vorliegenden Erfindung durchgeführt, wobei Rillen (Kerben)
von etwa 0,1 µm Öffnungsbreite leicht ausgebildet wurden.
Unterwarf man die Nb-Schicht einer intermittierenden
RIE, dann betrug die Dauer der Gasentladung durch Anwendung
des Radiofrequenzfeldes in der einzelnen RIE-Stufe etwa
30 Sekunden. Nachdem man die elektrische Entladung
abgebrochen hatte, wurde lediglich die Vakuumbehandlung
während 2 Minuten fortgeführt und dann wurde die
elektrische Entladung wieder vorgenommen. Die RIE-Stufe
wurde dreimal in einem solchen alternierenden Verfahren
wiederholt, wobei man das gewünschte Längenverhältnis
erzielte. Die Ätzrate der Nb-Schicht war in diesem Fall
erheblich größer als bei einem üblichen kontinuierlichen
RIE-Verfahren und es wurde gezeigt, daß das intermittierende
Ätzverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung außerordentlich
wirksam ist, um eine Ätzbearbeitung von sehr kleinen Kerben
mit kleiner Breite und einem großen Längenverhältnis zu
erzielen.
Das vorerwähnte Beispiel der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend ausführlicher erläutert.
Josephson-Brückenschalteinrichtungen haben eine kleine
Größe, so daß deren Kapazität vernachlässigbar ist und
sind für Anwendungen für digitale Hochgeschwindigkeits-
Recheneinrichtungen geeignet und weisen eine plane Struktur
für eine Integration auf. Um jedoch eine Brückeneinrichtung
mit günstigen Eigenschaften zu erhalten, ist es erforderlich,
sehr feine Kerben mit einer Breite, das Mehrfache der
Kohärenzlänge des Materials ausmacht, nämlich von etwa
0,1 µm in der Schwach-Bindungsregion, auszubilden.
Als Verfahren, das für eine solche, sehr feine Bearbeitung
geeignet ist, benötigt man ein solches, welches die
Einrichtung auf einem Isolatorsubstrat ausbildet, um
dadurch eine hochdichte Integration zu bewirken, wobei
man eine superleitfähige Grundplatte verwendet. Aus den
vorhergehenden Gesichtspunkten haben die Erfinder
lediglich einmal Nb als die Schwach-Bindungsregion auf
einem Isolatorsubstrat durch Vakuum abgeschieden und
unter Ausbildung von Kerben von etwa 0,1 µm Breite unter
Anwendung einer Elektronenstrahl-Litographietechnik
bearbeitet und auf diese Weise Josephson-Einrichtungen
mit unterschiedlicher Dicke, wie nachfolgend beschrieben
wird, hergestellt.
Bei einem Verfahren zur Ausbildung von Kerben von etwa
0,1 µm Breite hat man bisher Dampfabscheidungsmethoden,
Freilegungsmethoden etc., angewendet. Da diese jedoch
nicht für die Bearbeitung von Nb geeignet waren, nämlich
für ein superleitfähiges Metall mit einer hohen
Schmelztemperatur, wurde das gewünschte, sehr feine
Bearbeiten mittels RIE durchgeführt, indem man eine
Resistmaske, die auf der Nb-Schicht auf einem
Isolatorsubstrat abgeschieden war, anwandte und auf die
ein Muster mittels Elektronenstrahlaussetzung aufgezeichnet
wurde.
Die Elektronenstrahl-Aussetzungsvorrichtung (JEOL-Modell
JBX-5DS), die bei der Herstellung der Maske gegen RIE
verwendet wurde, hat eine Elektronenstrahl-
Beschleunigungsspannung von 25 kV und kann den
Elektronenstrahldurchmesser bis zu 10 nm verengen, während
die herstellbare kleinste Breite der Kerbe durch den
Nachbarschaftseffekt des Elektronenstrahl limitiert ist,
der basiert auf:
- (a) Elektronenrückstreuung aus dem zu ätzenden Material, und
- (b) Elektronenstreuung in dem Resist.
Für eine sehr feine Bearbeitung durch Elektronenstrahlbestrahlung
muß man den Nachbarschaftseffekt vermindern. Um die
Auswirkung gemäß (a) zu verringern, nämlich die
Elektronenrückstreuung aus dem zu ätzenden Material,
ist es sinnvoll, die zu ätzende Schicht außerordentlich
dünn zu machen, wobei man jedoch die Nb-Schicht für eine
Josephson-Einrichtung wegen der Notwendigkeit, eine
Dicke von wenigstens 0,1 µm zu erreichen, nicht verdünnen
kann, während eine Verminderung gemäß (b), nämlich
der Elektronenstreuung in dem Widerstand, erzielt werden
kann, unter der Bedingung einer konstanten
Elektronenstrahl-Beschleunigungsspannung, indem man die
Resistschicht so dünn wie möglich macht. Tatsächlich
ist es für die Resistschicht, damit diese eine ausreichende
Plasmabeständigkeit als Maske für die Verwendung bei
einer RIE in einer Nb-Membran aufweist, daß diese
wenigstens eine Dicke von 0,1 µm hat. Resiste für
Elektronenstrahlen weisen gewöhnlich eine hohe Ätzrate
bei RIE auf und insbesondere zeigt ein PMMA-Resist, das
zur Erzielung einer hohen Auflösung von etwa 0,1 µm verwendet
wird, eine äußerst gute Auflösungskraft und ergibt eine
Ätzrate von 300 bis 400 nm/Minute und muß deshalb bei
einer Nb-Schicht, die einer RIE-Schicht unterworfen wird,
in einer erheblichen Dicke als Maske verwendet werden,
so daß die vorerwähnte (b), nämlich die Elektronenstreuung
in dem Resist, unvermeidbar wird.
Bei einer Ausführungsform des Ätzverfahrens der vorliegenden
Erfindung, bei welcher man Kerben von 0,1 µm mittels RIE
in einer Nb-Schicht für eine Josephson-Einrichtung ausbildet,
wurde ein Herstellungsverfahren unter Anwendung eines
dreischichtigen Resists, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird,
angewendet.
Da in dem in Fig. 1 gezeigten, dreischichtigen Resist
eine organische Polymermembran, d. h. eine Grundschicht,
als Maske auf der Nb-Schicht, die der RIE unterworfen wird,
verwendet wird, kann man die PMMA-Resistmembran, d. h.
die oberste Schicht, die dem Elektronenstrahl ausgesetzt
ist, sehr dünn machen, so daß bei Verwendung eines
dreischichtigen Resists (a) die Elektronenrückstreuung
aus dem zu ätzenden Material vermindert werden kann,
indem man die organische Polymergrundschicht ausreichend
dick macht, während (b) die Elektronenstreuung in dem
Resist vermindert werden kann, indem man die oberste
PMMA-Resistschicht ausreichend dünn macht.
Weiterhin wendet man für das Resist in der obersten
Schicht ein elektronenstrahlbeständiges PMMA (OEBR 1000)
mit einer äußerst guten Auflösungsfähigkeit an und
andererseits müssen für das organische Polymerresist in
der Grundschicht die folgenden drei Bedingungen erfüllt
sein:
- (1) eine ausreichende Plasmabeständigkeit muß bei der Maske auf der Nb-Schicht, die der IRE unterworfen wird, vorliegen,
- (2) die Auflösungskraft muß ausreichend groß sein, wenn man mit einem O₂-Plasma eine RIE durchführt und
- (3) muß die Abblätterung leicht erfolgen.
Hinsichtlich der Plasmabeständigkeit sind Fotoresists
im allgemeinen Elektronenstrahlresists überlegen und
umgekehrt sind Elektronenstrahlresists hinsichtlich
der Auflösungskraft erheblich überlegen. Das organische
Polymerresist (OEBR-1030) der Grundschicht, welches ein
Elektronenstrahlresist vom Positivtyp ist, zeigt eine
ausgezeichnete Plasmabeständigkeit und auch eine
ausgezeichnete Auflösungskraft im Vergleich z. B. dem
Fotoresist (MP-1400J), so daß man es mittels RIE ganz
fein bearbeiten kann.
Außerdem wurde, wie schon erwähnt, in dem dreischichtigen
Resist die oberste Resistmembran so dünn wie möglich für
die Elektronenstrahlaussetzung ausgeführt und gleichzeitig
wurde jede Membran ebenfalls so dünn wie möglich
in dem Maße hergestellt, daß sie als Maskierung für
die der RIE zu unterwerfenden unteren Membran wirksam
dient. Die Dicke solcher Membranen wird in Tabelle 1
gezeigt.
ResistschichtDicke
oberste Schicht: OEBR (verdünnt
mit Trichlorethylen)-200 nm mittlere Schicht: amorphes Silicium
(gedopt mit P)- 40 nm Bodenschicht: OEBR-1030-600 nm
mit Trichlorethylen)-200 nm mittlere Schicht: amorphes Silicium
(gedopt mit P)- 40 nm Bodenschicht: OEBR-1030-600 nm
Das amorphe Silicium (alpha-Silicium) wurde mittels
Plasma-CVD in einem P-gedopten Zustand, um eine
Elektrifizierung zu vermeiden, abgeschieden. Die
Abscheidungsbedingungen waren derart, daß die
Abscheidungstemperatur 150°C und die Entladungskraft
10 W so ausgewählt wurden, daß die organische
Resist-Bodenschicht während der Abscheidung nicht
beschädigt wurde. Als mittlere Schicht wurde alpha-Si
verwendet, und zwar aufgrund seines leicht erhältlichen
niedrigen Widerstandes, um eine Elektrifizierung zu
vermeiden, der Leichtigkeit von RIE und der Möglichkeit
der Abscheidung, ohne daß die organische Resist-Bodenschicht
beschädigt wird. Die Dosismenge der Elektronenstrahl-Belichtung
betrug 1 nC/cm. Als Entwickler wurde eine Lösung von
MIBK : IPA = 1 : 3 verwendet.
In der Verarbeitungssequenz, wie sie in Fig. 1 gezeigt
wird, werden die RIE-Bedingungen für alpha-Si, für den
organischen Resist (OEBR-1030) und die Nb-Membranen in
Tabellen 2, 3 und 4 gezeigt.
RIE-Bedingungen für alpha-Si
GasCF₄ + O₂
Rf-Kraft250 W
Gasdruck3 Pa
Gasfließrate30 sccm
vollautomatische Gitterspannung800 V
Ätzrate:
alpha-Si-100 nm/min OEBR-1000-300 nm/min
alpha-Si-100 nm/min OEBR-1000-300 nm/min
RIE-Bedingungen für das Polymer
GasO₂
Rf-Kraft200 W
Gasdruck3 Pa
Gasfließrate30 sccm
vollautomatische Gitterspannung700 V
Ätzrate:
alpha-Si<10 nm/min OEBR-1030-200 nm/min
alpha-Si<10 nm/min OEBR-1030-200 nm/min
RIE-Bedingungen für Nb
GasCf₄ + O₂
RF-Kraft250 W
Gasdruck3 Pa
Gasfließrate30 sccm
vollautomatische Gitterspannung800 V
Ätzrate:
Nb-80 nm/min OEBR-1030<200 nm/min
Nb-80 nm/min OEBR-1030<200 nm/min
Bei jeder dieser Bedingungen wurde der zugelassene
Gasdruck so niedrig wie möglich gemacht und die vollautomatische
Gitterspannung wurde so hoch wie möglich eingestellt, um
ein feines Ätzmuster zu ätzen. Weiterhin zeigen alle
diese Tabellen die Ätzrate in dem Fall, bei dem eine
Vertiefung mit einer großen Öffnungsfläche geätzt wird.
Wird bereits vorher erläutert, gilt, daß, wenn man ein
sehr feines Muster, wie eine feine Kerbe, ätzt, je
kleiner die Breite der Kerbe und je größer das
Längenverhältnis ist, es um so schwieriger wird,
Ätzreaktionsprodukte (z. B. CO₂, H₂O, etc., die vom
Ätzen des organischen Resists OEBR-1030 stammen) aus der
Kerbe zu entfernen, wobei diese Gase mit dem Fortschreiten
der Ätzung interferieren, so daß die tatsächliche
Ätzrate wesentlich kleiner ist als die in den Tabellen
gezeigte.
In Fig. 1 werden eine Siliciumnitrid(Si₃N₄)-Schicht und
eine Niob(Nb)-Schicht nacheinander auf einem Substrat
abgeschieden und dann wird auf der Nb-Schicht ein
dreischichtiges Resist, bestehend aus PMMA (OEBR-1000),
alpha-Si und Polymer (OEBR-1030) abgeschieden. Dann werden
die Elektronenstrahlbelichtung und die Entwicklung
ausgeführt unter Ausbildung eines entfernten Teils mit
einer Öffnung in der gewünschten Form und Größe in der
obersten Schicht, worauf man anschließend RIE unter
Anwendung eines CF₄+O₂-Gasplasmas durchführt, unter
Ausbildung eines entfernten Teils mit einer Öffnung von
identischer Form in dem mittleren Resist (alpha-Si),
Entfernung des oberen Resists, einem weiteren RIE unter
Verwendung eines O₂-Gasplasmas unter Ausbildung eines
entfernten Teils mit einer Öffnung von identischer Größe
in der Polymerresist-Bodenschicht, Entfernung des mittleren
Resists (alpha-Si) und schließlich einer letzten RIE
unter Anwendung eines CF₄+O₂-Gasplasmas unter Ausbildung
eines entfernten Teils mit einer Öffnung in der gewünschten
Form und Größe.
Um das vorerwähnte Problem, nämlich die Erniedrigung
der Ätzrate bei der Ausbildung einer Vertiefung mittels
RIE mit einer sehr kleinen Öffnung und mit einem großen
Längenverhältnis, zu lösen, werden gasförmige
Reaktionsprodukte, die sich während des Ätzens entwickelt
haben, z. B. des Polymerresists (OEBR-1030) und der Nb-Schicht
und die sich in den vertieften Teilen bei dem
Herstellungsverfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt wird,
ausgebildet haben, im Vakuum entfernt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses
Ätzen mit Unterbrechung durchgeführt, indem man alternierend
die Gasentladungsstufen bei der RIE mit einer Vakuumbehandlung
unter Aufrechterhaltung eines Drucks von etwa 3×10-3 Pa
in einem hermetisch abgeschlossenen Reaktionsgefäß
durchführt und auf diese Weise die gasförmigen
Reaktionsprodukte aus den geätzten Vertiefungen entfernt.
Dieses intermittierende Ätzen bewirkt, daß die
aufgegebene Hochfrequenzenergie und somit auch die
vollautomatische Gitterspannung äquivalent mit der
Unterdrückung der Temperaturerhöhung bei der RIE erhöht
werden kann und daß eine Zerstörung des Resists bei hohen
Temperaturen vermieden wird.
Fig. 2 und 3 zeigen SEM-Mikrofotografien eines feinsten
Musters, das in eine Nb-Schicht nach der vorerwähnten
erfindungsgemäßen Ätzmethode geätzt worden ist. Die
feinen Linien in Fig. 2 wurden mit von links nach rechts
allmählich abnehmenden Dosismengen geätzt, und zwar um
10% bei jeder Linie, und dies zeigt, daß es möglich
ist, eine Vertiefung mit einer Öffnung von etwa 0,1 µm
Breite in einer Niobschicht einzuarbeiten.
Da die vorliegende Erfindung letztendlich bezweckt, eine
logische Schaltung herzustellen, unter Verwendung von
Josephson-Einrichtungen vom Brückentyp mittels eines
Verfahrens, welches für eine hochdichte Integration
geeignet ist, soll die minimale Breite der Linien 1 µm
sein, so daß man die besetzte Fläche pro Gitter so klein
wie möglich machen kann. Infolgedessen wird das
Elektrodenverdrahtungsmuster einer Josephson-Einrichtung
vom Brückentyp auch durch Elektronenstrahl-Behandlung
durchgeführt, um so die Übereinanderlagerungs-Genauigkeit
bei der Herstellung von logischen Schaltungen zu verbessern.
Wie schon erwähnt, haben Elektronenstrahlresiste im
allgemeinen einen schlechten Plasmawiderstand und insbesondere
benötigt ein Resists vom Negativtyp, PGMA (OEBR-100) eine
extrem lange Ätzrate bei RIE, so daß ein Herstellungsverfahren,
bei dem man von einem dreischichtigen Resist Gebrauch
macht, wie dies in Fig. 4 gezeigt wird, auch im Falle der
Herstellung einer Josephson-Einrichtung angewendet wird.
In dem dreischichtigen Resist, wie es in Fig. 4 gezeigt
wird, wird MP-1400J als organisches Resist in der
Grundschicht verwendet, und zwar wegen des ausgezeichneten
Plasmawiderstandes und der nicht vorhandenen Notwendigkeit
einer eigenen Auflösungskraft, zum Unterschied von dem
Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1. Da der PGMA-Resist
eine niedrige Brenntemperatur aufweist, wird der
MP-1400J-Resist während der Herstellung des dreischichtigen
Resists nicht zerstört. MP-1400J wurde mit einem Verdünner
so verdünnt, daß die Dicke der Membran 600 µm betragen
kann. Ähnlich zu dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1
wird das alpha-Si mittels Plasma-CVD mit einer
Abscheidungstemperatur von 100°C abgeschieden, weil die
Brenntemperatur von 1400J nur 130°C beträgt. Weiterhin
wird bei dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 4 das
gleiche Gas, das bei dem Herstellungsverfahren gemäß
Fig. 1 verwendet wurde, angewendet und der Gasdruck wird
auf 5 Pa erhöht, so daß sich organische Substanzen kaum
während des Ätzens niederschlagen, während die
Hochfrequenzkraft für die Entladung und infolgedessen
die vollautomatische Gitterspannung abnehmen, und zwar
hauptsächlich um die Temperaturerhöhung während der
RIE zu minimieren.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Einrichtung
vom Brückentyp, bei welchem von dem erfindungsgemäßen
Ätzverfahren Gebrauch gemacht wird, wird nachfolgend kurz
beschrieben:
- (1) Siliciumnitrid(Si₃N₄)-Membran mit einer Dicke von 100 nm wird auf ein Siliciumsubstrat mittels Plasma-CVD abgeschieden.
- (2) Niob(Nb)-Membran, 120 nm dicke, wird mittels Elektronenstrahl-VD abgeschieden.
- (3) Die Musterausbildung für Elektroden und Anschlußstücke bei der Einrichtung wird gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Verfahren vorgenommen.
- (4) Die Musterausbildung der Brückenteile wird gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren vorgenommen.
Da man eine Josephson-Einrichtung vom Brückentyp lediglich
mittels einer Nb-VD-Stufe durchführen kann, ist das
vorerwähnte Verfahren für eine Integration geeignet.
Eine SEM-Mikrofotografie einer Josephson-Einrichtung vom
Brückentyp, die nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt
wurde, wird in Fig. 5 gezeigt. Die Brückenlänge von
0,1 bis 0,15 µm wurde mit guter Reproduzierbarkeit
erhalten.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Strom-Spannung (I-V)-
Charakteristik bei 4,2° K einer Josephson-Brückeneinrichtung,
die nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt wurde.
Bisher erhältliche Brückenelemente mit variabler Dicke
(VTB) haben kritische Strom(Ic)-Werte im Bereich von
0,05 bis 0,5 mA und IcRn-Produkte im Bereich von 0,05 bis
0,3 mV. Weiterhin wird ein Beispiel einer I-V-Charakteristik
mit Mikrowellenbestrahlung bei etwa 10 GHz in Fig. 7
gezeigt. Die charakteristische Kurve in Fig. 7 zeigt,
daß Stufen von bis zu etwa 0,1 mV auftraten. Weiterhin
wird als eine wesentliche Eigenschaft der Einrichtung,
wenn man VTB-Elemente nach dem vorerwähnten Verfahren
herstellt, die Dicke der Nb-Membran an den Brückenteilen
und die Zerstörungen durch RIE angesehen. Denn wenn die
Öffnungsbreite der Kerben nicht mehr als 0,1 µm beträgt,
dann läßt sich die Dicke der Nb-Membran, die an den
Brückenteilen zurückbleibt, aus der Beobachtung mittels
SEM der Querschnittskonfigurationen nur schwer beurteilen,
wobei jedoch angenommen wird, daß diese Dicke einige
Hundert Ångström beträgt und man nimmt an, daß die
Veränderungen in den Eigenschaften dieser Elemente aufgrund
einer nicht ausreichenden Kontrolle der Dicke der
Membran zurückzuführen ist.
Es wurde festgestellt, daß die Bedingungen der RIE von
Nb erheblich die vollautomatische Gitterspannung erhöhen,
so daß man ein feinstes Muster ätzen kann. In diesem
Fall wurde ein merkliches physikalisches Aufsprühen
gleichzeitig durchgeführt, so daß die vollautomatische
Gitterspannung im Bereich zwischen 800 und 700 V variiert
wurde. Innerhalb dieses Bereiches wurden keine merklichen
Unterschiede in den Charakteristika der Elemente festgestellt.
Die Dicke der Nb-Membran hängt von den Ätzbedingungen ab.
Obwohl es schwierig ist, die Einflüsse, die nur auf
die Ätzbedingungen zurückzuführen sind, genau zu umschreiben,
kann man annehmen, daß die Verminderung der vollautomatischen
Gitterspannung auch eine Erniedrigung von Zerstörungen
durch RIE ermöglicht und dadurch die Charakteristika der
Elemente verbessert werden.
Aus der vorhergehenden Erklärung geht hervor, daß als
wesentlicher prominenter Effekt der vorliegenden Erfindung
tiefe Vertiefungen mit kleinen Öffnungen, wie Brückenteile
bei Nb etc., und die eine Josephson-Einrichtung darstellen,
mittels RIE ausgearbeitet werden können, bei denen die
Ätzrate bisher sehr niedrig war im Vergleich zum Ätzen
einer Vertiefung mit einer breiten Öffnung und man eine
erhebliche Verbesserung der Ätzrate erzielen kann und
feinste Elemente mit ausgezeichneten Charakteristika
leicht hergestellt werden kann.
Claims (5)
1. Diskontinuierliches Ätzverfahren zur Ausbildung einer
feinen Vertiefung mit einer kleinen Öffnung und
einem großen Längenverhältnis in einer Schicht,
dadurch gekennzeichnet, daß man
reaktive Ionenätzstufen von kurzer Dauer alternierend
mit einer Vakuumbehandlung zum Evakuieren von
gasförmigen Reaktionsprodukten durchführt, um eine
Erhöhung des Gasdruckes in der Vertiefung zu verhindern
und dadurch die nachfolgende reaktive
Ionenätzungsstufe zu erleichtern.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnung der
Vertiefung eine Breite von etwa 0,1 bis 0,15 µm
aufweist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht eine
Niobmembran umfaßt, die mit einem dreischichtigen
Resist aus einer dicken organischen Grundschicht,
einer dünnen amorphen Siliciummittelschicht und einer
obersten Schicht aus einem organischen Polymer, die
Elektronenstrahlen ausgesetzt werden soll, umfaßt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke der
Bodenschicht etwa 0,3 bis 0,6 µm beträgt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dauer einer
einzelnen reaktiven Ionenätzstufe etwa 20 bis 60
Sekunden und die Vakuumstufe etwa 1 bis 3 Minuten
betragen.
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