DE3751134T2 - Simultanes Ätzen von Mehrschicht- und Bildstrukturen. - Google Patents

Simultanes Ätzen von Mehrschicht- und Bildstrukturen.

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DE3751134T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ätzen eines Substrates, das durch einen Strahl elektromagnetischer Strahlung selektiv beleuchtet wird.
  • Auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer Komponenten, wie von Halbleiterbauelementen und Leiterplatten mit Mikrostrukturen, werden subtraktive Prozesse, wie mechanisches, chemisches oder trockenes (z.B. Plasma- und/oder Laser-) Ätzen entweder im Stapelverfahren seriell oder individuell durchgeführt. Jede dieser Techniken hat einen im allgemeinen gleichmäßigen Ätzvorgang zur Folge.
  • Wenn ein bestimmter Teil einer Komponente (zum Beispiel ein Substrat) mehr als ein anderer Teil geätzt werden soll, bestand jedoch die vordem benutzte Technik darin, den bestimmten Teil während einer längeren Zeitdauer zu ätzen. Alternativ können zwei oder mehrere Ätzmittel verwendet oder mechanische Operationen sequentiell durchgeführt werden, um den bestimmten Teil mehr als den verbleibenden Teil zu ätzen. So war stets ein Prozeß, der zwei oder mehr Schritte beinhaltete, erforderlich, um zu ermöglichen, daß ein Teil des Materials in größerem Maß als ein anderer Teil desselben geätzt wurde.
  • In ähnlicher Weise ist die Bereitstellung von zwei verschiedenen Materialien auf einem Substrat, die jeweils eine eindeutige Ätzrate aufweisen, eine herkömmliche Technik, die zu einem einstufigen Ätzvorgang führt. Mit dieser Technik sind jedoch Nachteile verknüpft. Zum Beispiel sind häufig zwei oder mehr Ätzlösungen erforderlich, um das Ätzen von zwei oder mehr Materialien zu bewirken. Ein derartiges Erfordernis ist anfällig für ein unabsichtliches Vermischen von chemischen Ätzmitteln. Es sind nur äußerst hochentwickelte Verfahren zur Trennung der Ätzmittel voneinander effektiv.
  • Eine weitere Herausforderung, besonders auf dem Gebiet von Substraten mit hoher Auflösung, besteht darin, erforderliche Toleranzen einzuhalten. Dieses Problem kann Lösungen erfordern, die weit über die Grenzen der gegenwärtigen Technologie hinausgehen. Die Technik mit separaten Ätzmitteln kann zu einem ungenauen Ätzen führen, so daß Gebiete, die nicht geätzt werden sollen, in Wirklichkeit geätzt werden, während Gebiete, die zum Ätzen vorgesehen sind, nicht geätzt werden.
  • Im Stand der Technik sind zahlreiche Beispiele für Laser- oder laserunterstütztes Ätzen angegeben. Zum Beispiel offenbaren die US-Patente 4 449 210 und 4 490 211, die beide für Chen et al. erteilt und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurden, ein System zum Belichten eines metallisierten Substrates mit Laserstrahlung in einer Reaktionskammer in Anwesenheit eines ausgewählten Gases, das so gewählt ist, daß es mit dem zu ätzenden Metall reagiert.
  • Die Intensität des Laserstrahls kann mittels der Verwendung von teilweise reflektierenden dielektrischen Spiegeln eingestellt werden, wie zum Beispiel im US-Patent 4 152 072, das für Hutchings erteilt wurde, angegeben.
  • Die Verwendung sogenannter Masken, um vorgegebene, zu ätzende Bereiche eines Substrates auszuwählen, ist ebenfalls Fachwissen. Eine Maske ist eine teilweise undurchlässige Struktur, die verhindert, daß elektromagnetische Strahlung einer (von) vorgegebenen Wellenlänge(n) auf eine zu ätzende Oberfläche auftrifft oder ein Beschuß derselben mit Partikeln stattfindet. Das US-Patent 4 508 749, das für Brannon et al. erteilt und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde, offenbart zum Beispiel ein System zum Ätzen von Polyimid durch Verwendung von Laserstrahlung. Durch Verwenden einer Maske zwischen dem Laser und dem Polyimid werden lediglich Teile des Substrates geätzt.
  • Die Zusammensetzung und die Herstellung einer Maske sind äußerst entscheidend. Zur Verwendung mit einer gegebenen Quelle elektromagnetischer Strahlung ist es vorteilhaft, wenn die Maske wenigstens zwei Bereiche aufweist. Das Reflexionsvermögen eines Bereiches der Maske für eine gegebene Strahlungswellenlänge sollte sich von dem Reflexionsvermögen der anderen Bereiche der Maske unterscheiden.
  • Des weiteren ist es wünschenswert, daß eine Maske drei oder mehr Gebiet mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweist, so daß das durch selektives Ätzen erzeugte Substrat auf drei oder mehr verschiedene Niveaus geätzt werden kann. Dies ist besonders wertvoll bei Verwendung mit Substraten, die eine Mehrzahl von Materialschichten besitzen. So können bei einem Mehrschichtsubstrat jede Schicht oder bestimmte Kombinationen von Schichten des Substrates selektiv geätzt werden, wenn die richtige Maskenkonfiguration vorliegt.
  • In jüngerer Zeit wurden Masken mit vorgegebenen Gebieten entwickelt, die eine dielektrische Beschichtung mit einem bestimmten Reflexionsvermögen aufweisen, welches sich von dem Reflexionsvermögen eines transparenten Substrates unterscheidet. Zum Beispiel lehrt die gleichzeitig anhängige europäische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer EP-A-0 265 658, die gleichzeitig von J.R. Lankard et al. eingereicht und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde, mit dem Titel "High Energy Laser Mask and Method of Making Same" die Verwendung eines Dielektrikums zur Bildung einer Maske mit einem ersten Reflexionsvermögen des transparenten Substrates der Maske und einem zweiten Reflexionsvermögen einer darauf befindlichen dielektrischen Beschichtung. Das Dokument FR-A-2 228 242 offenbart das Ätzen eines Substrates unter Verwendung einer Maske mit drei Zonen von unterschiedlichem Transmissionsvermögen, wobei eine Photoresistschicht einer Strahlung ausgesetzt wird. In einem ersten photolithographischen Schritt werden belichtete Zonen eines ersten Typs durch einen ersten Ätzschritt entfernt. In einem darauffolgenden zweiten photolithographischen Schritt werden unter Verwendung eines konzentrierteren Lösungsmittels (Entwicklers) Zonen eines zweiten Typs durch einen zweiten Ätzschritt entfernt. Dadurch werden die ersten Zonen erneut der photolithographischen Ätzbehandlung unterzogen. Zuletzt wird die verbliebene Photoresistschicht entfernt.
  • Die Dokumente EP-A-0 120 834 und US-A-4 374 911 offenbaren jeweils eine Maske zur Verwendung in lithographischen Prozessen, die drei Bereiche mit jeweils unterschiedlichem Transmissionsvermögen aufweisen.
  • Man betrachte ein Mehrschichtsubstrat mit einer Basisschicht aus Chrom, auf der eine Schicht aus Kupfer angeordnet ist, auf der sich ferner eine weitere Schicht aus Chrom befindet. Die Zeitspanne, die benötigt wird, um alle drei Schichten aus diesem Material zu ätzen - als Personality-Ätzen bezeichnet - und zwar unter Verwendung eines Lasers mit hoher Intensität, kann gemessen und/oder berechnet werden. Es kann zudem eine Maske mit bestimmten Reflexionseigenschaften in einem Teil derselben hergestellt werden. Im Betrieb ist es vorteilhaft, wenn ein Laserstrahl das gesamte Personality-Dreischichtmaterial für einen Teil der Maske in der gleichen Zeitspanne ätzt, in der die obere Chromschicht alleine - als Auswahlätzen bezeichnet - durch einen anderen Bereich der Maske hindurch geätzt wird. So ist es wünschenswert, daß die Kombination der drei Schichten dieses Mehrschichtsubstrates (Personality) und die obere Chromschicht des Substrates (Auswahl) gleichzeitig und differentiell geätzt werden.
  • Es ist vorteilhaft, ein auf elektromagnetischer Strahlung basierendes System bereit zustellen, das es erlaubt, ein Material differentiell zu ätzen.
  • Es ist außerdem vorteilhaft, ein System für differentielles Ätzen bereit zustellen, das ein derartiges Resultat in einem einstufigen Prozeß erreicht.
  • Überdies ist es auch vorteilhaft, ein System zum gleichzeitigen Ätzen von zwei oder mehr Materialien durch die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen.
  • Es ist des weiteren vorteilhaft, ein System zum gleichzeitigen und differentiellen Ätzen von zwei oder mehr Bereichen eines Substrates bereitzustellen, unabhängig davon, ob die Bereiche aus dem gleichen Material bestehen.
  • Es ist vorteilhaft, ein Verfahren für ein gleichzeitiges Personality- und Auswahlätzen einer elektronischen Komponente bereitzustellen.
  • Es ist des weiteren vorteilhaft, ein System bereitzustellen, das es elektromagnetischer Strahlung ermöglicht, differentielles Ätzen eines Materials in Abhängigkeit von der Position des Materials zu unterstützen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung differentiellen Ätzens von Material durch Verwenden elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
  • Ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erzielt werden, wenn sie in Verbindung mit deren detaillierter Beschreibung herangezogen werden, wobei:
  • FIGUR 1 eine planare Querschnittsansicht eines Maskenrohlings sowie einer fertiggestellten Maske gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • FIGUR 2 eine planare Querschnittsansicht eines dreischichtigen Maskenrohlings mit Mitteln zur Endpunkterkennung sowie einer fertiggestellten Maske ist;
  • FIGUR 3 eine schematische Ansicht einer Maske sowie eines entsprechenden geätzten Substrates ist, das aus der Verwendung der Maske resultiert;
  • FIGUR 4 eine schematische Querschnittsblockdarstellung einer Ätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • FIGUR 5 eine schematische Darstellung von Ätzstadien ist; und
  • FIGUR 6 eine isometrische Ansicht eines Substrates ist, das durch Verwenden des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
  • Nun bezugnehmend auf FIGUR 1 ist dort ein Maskenrohling 10 mit einem transparenten Träger 12, wie synthetischem Quarzglas oder jedem beliebigen, im wesentlichen für die verwendete Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung transparenten Material, gezeigt. Es versteht sich, daß eine bestimmte Menge an Strahlung immer dann reflektiert wird, wenn eine derartige Strahlung über eine Diskontinuität im Brechungsindex hinweggeführt wird. Auf dem Träger 12 ist eine dielektrische Beschichtung 14 angeordnet, die üblicherweise als Dielektrikum bezeichnet wird, wie sie in der zuvor erwähnten, ebenfalls anhängigen Patentanmeldung, Anmeldungsnr. 87 113 673.5, offenbart ist, die durch Verweis hierin aufgenommen wird. Die Beschichtung 14 ist für elektromagnetische Strahlung undurchlässig. Die Beschichtung 14 besteht aus einer Serie dünner Schichten, die jeweils eine Dicke von 1/4 der Wellenlänge der Strahlung in dem verwendeten Medium aufweist. Es wurde festgestellt, daß bei diesen Dicken von 1/4 der Wellenlänge eine beträchtliche Menge an Licht, das auf die Grenzflächen zwischen Schichten einfällt, reflektiert wird, wenn der Brechungsindex des 1/4-Wellenlänge-Films höher als jener der darunterliegenden Schicht ist. Durch Aufbringen vieler Schichten kann jeder beliebig hohe Reflexionsgrad erzielt werden. Die Beschichtung 14 kann mittels Elektronenstrahldeposition oder durch ein beliebiges anderes, zum Fachwissen gehörendes Verfahren auf dem Träger 12 aufgebracht werden. Außerdem können zwischenliegende Materialschichten zwischen diesen dünnen Schichten erforderlich sein, um den Effekt von thermischem und mechanischem Streß zu neutralisieren.
  • Dem Maskenrohling 10 ist in FIGUR 1 eine Maske 16 gegenübergestellt, die zur Verwendung bei der Lithograpie mit optischer oder elektromagnetischer Strahlung hergestellt und einsatzbereit ist. Die Maske 16 besitzt einen Träger 18, der so gewählt ist, daß im wesentlichen die gesamte darauf auftreffende Strahlung durch ihn hindurch transmittiert wird. Auf dem Träger 18 angeordnetes dielektrisches Material besteht aus einer Substanz, die Licht oder andere elektromagnetische Strahlung entweder total oder mit einem bestimmten Bruchteil davon reflektiert. Der Teil des auf dem Träger 18 angeordneten Dielektrikums, der mit dem Bezugszeichen 20 gezeigt ist, reflektiert zum Beispiel die gesamte darauf auftreffende Laserstrahlung. Der Teil des Dielektrikums, der mit dem Bezugszeichen 22 gezeigt ist, erlaubt die Transmission eines Bruchteils der Laserstrahlung (z.B. Wellenlänge von 308 nm) durch ihn und den Träger 18 hindurch. Bei einer Ausführungsform zum Ätzen zweier Bereiche aus Polyimid mit ultraviolettem (UV-) Licht, und zwar den ersten Bereich mit einer Ätzrate von 100 Nanometer pro Puls und den zweiten Bereich mit einer Ätzrate von 60 Nanometer pro Puls, beträgt das Reflexionsvermögen des dielektrischen Materials mit dem Bezugszeichen 22 33,4 %. Die Ableitung dieses Bruchteilwertes ist hier im folgenden unter Bezugnahme auf FIGUR 6 gezeigt. Tabellen von Kennlinien der Ätzrate in Abhängigkeit vom Teilchenfluß stehen zur Bestimmung des Reflexionsvermögens bestimmter Bereiche der Maske 16 zur Verfügung, um ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Rate zu ätzen, während ein anderes Material mit einer zweiten Ätzrate geätzt wird. Derartige Kurven sind für Polyimide zum Beispiel von J.H. Brannon, J.R. Lankard, A.I. Baise, F. Burns und J. Kaufman in Journal of Applied Physics 58(5), 1. Sept. 1985, Seiten 2036 bis 2043 veröffentlicht. Es ist ersichtlich, daß Strahlung, die auf denjenigen Teil 24 des Trägers 18 auftrifft, auf dem kein dielektrisches Material vorhanden ist, von demselben nicht reflektiert wird.
  • Es versteht sich, daß der Begriff reflektierend eine Funktion der elektromagnetischen Strahlung ist, die in dem System verwendet wird. So kann, während ein Material für einen Teil des Spektrums (z.B. sichtbares Licht) reflektierend wirkt, ein anderes Material für einen anderen Teil des Spektrums (z.B. ultraviolettes Licht) reflektierend wirken.
  • Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich das Personality- Gebiet oder die Personality-Struktur der Maske 16 auf jegliches Gebiet derselben, das bei der Betriebswellenlänge eines Lasers weniger Licht transmittiert als der Träger 12. Das Auswahlgebiet oder die Auswahlstruktur der Maske 16 bezieht sich auf jegliches Gebiet derselben, das eine vorgegebene, bestimmte Menge an Licht transmittiert, die geringer ist als die Menge an Licht, die von dem Träger 12 bei der Betriebswellenlänge eines Lasers transmittiert wird, das jedoch mehr Licht transmittiert als die gesamte Dicke des Dielektrikums 14. Somit ist das Auswahlgebiet ein Teil des Personality-Gebietes der Maske 16. Ein Komplement des Personality-Gebietes ist jenes Gebiet auf einem Träger, das nicht zum Personality-Gebiet gehört.
  • Im Betrieb erfordert die Erzeugung der Maske 16 folgendes Vorgehen. Um die Personality-Gebiete herzustellen, nehme man einen Träger 18 mit geeigneten Transmissionseigenschaften. Man beschichte den Träger 18 mit einem dielektrischen Material 20, das für die Betriebswellenlänge eines vorgegebenen Lasers vollständig reflektierend wirkt. Das Dielektrikum 20 sollte gegenüber hohen Teilchenflüssen bei der Betriebswellenlänge des Lasers beständig sein. Man erzeuge eine vorgegebene Personality-Struktur in einem nicht gezeigten Photoresist, härte, belichte und entwickle dieses. Man führe ein Ionenstrahlätzen des belichteten Dielektrikums 24 bis auf den Träger 18 hinunter durch. Dann löse man das Photoresist ab.
  • Um die Auswahlgebiete herzustellen, erzeuge man eine vorgegebene Auswahlstruktur in einem nicht gezeigten Photoresist, härte, belichte und entwickle dieses. Man führe ein Ionenstrahlätzen des Dielektrikums 22 in den Auswahlstrukturgebieten durch, bis das Dielektrikum die gewünschten Transmissionseigenschaften für die Betriebswellenlänge des Lasers aufweist. Man löse das Photoresist ab. Dann führe man eine Reinigung durch.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Maske 16 durch Ausführen der folgenden Schritte hergestellt werden. Man nehme einen Träger 18 mit geeigneten Transmissionseigenschaften. Man beschichte den Träger 18 mit einem dielektrischen Material 20, das für die Betriebswellenlänge des Lasers vollständig reflektierend wirkt. Man erzeuge die vorgegebene Personality-Struktur in einem nicht gezeigten Photoresist, härte, belichte und entwickle dieses. Man führe ein Ionenstrahlätzen des belichteten Dielektrikums durch, bis das Transmissionsvermögen des verbliebenen Dielektrikums 22 1 - T beträgt, wobei T das Transmissionsvermögen ist, das für die Auswahlgebiete gewünscht ist. Man löse das Photoresist ab. Man erzeuge die vorgegebene Auswahlstruktur in einem nicht gezeigten zweiten Photoresist, härte, belichte und entwickle dieses. Man führe ein Ionenstrahlätzen des belichteten Dielektrikums 24, das vorher in dem zuvor erwähnten Ionenstrahlätzschritt geätzt wurde, bis zu dem Basisträger 18 durch. Das gesamte Dielektrikum wird aus den in dem zuvor erwähnten Ionenstrahlätzschritt geätzten Gebieten entfernt. Von den Auswahlgebieten 22 wird ausreichend viel von dem Dielektrikum entfernt, so daß die Transmissionscharakteristik in den Auswahlgebieten die gewünschte ist. Man löse das Photoresist ab. Dann führe man eine Reinigung durch.
  • Nun auch auf FIGUR 2 bezugnehmend, ist dort eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Maske aus einer Mehrzahl von Schichten besteht. Ein Maskenrohling 34 besitzt einen Träger 36, auf dem ein erstes Material 38 aufgebracht ist, das teilweise reflektierend wirkt. Auf dieser ersten Schicht 38 ist eine Schicht 40 aus Metall (z.B. Chrom) aufgebracht. Angrenzend an die Metallschicht 40 befindet sich eine dritte Schicht 42 aus einem vollständig reflektierenden dielektrischen Material.
  • Dem Maskenrohling 34 ist ein fertiggestellter, zur Verwendung in der Lithographie bereite Maskenbaugruppe gegenübergestellt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 44 gezeigt ist. Die Maskenbaugruppe 44 besitzt einen Träger 46, eine erste Schicht aus einem Material 48, die wenigstens einen Teil desselben bedeckt, eine zweite Schicht aus einem Material 50, die wenigstens einen Teil der ersten Schicht 48 bedeckt, und eine dritte Schicht aus einem Material 52, das die zweite Schicht aus dem Material 50 dort bedeckt, wo diese vorhanden ist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform befindet sich das Material mit einem niedrigeren Reflexionsvermögen 48 normalerweise angrenzend an den Träger 46, während das Material mit dem höheren Reflexionsgrad 52 am weitesten von dem Träger 46 entfernt liegt.
  • Die erste Schicht 48 fehlt bereichsweise, ebenso wie Teile der zweiten und der dritten Schicht 50, 52 fehlen. An bestimmten Stellen 54 befindet sich kein Dielektrikum auf dem Träger 46.
  • Die Erzeugung der Maske 44 mit einer Mehrzahl von Schichten erfordert das folgende Vorgehen. Man nehme einen Träger 46 mit geeigneten Strahlungstransmissionseigenschaften. Man beschichte den Träger 46 mit drei Schichten aus Materialien mit elektrischen und Transmissionscharakteristika, wie hier im folgenden beschrieben. Die erste Schicht 48 grenzt an den Träger 46. Es handelt sich um ein Dielektrikum, das für die nachfolgend zu verwendende Betriebswellenlänge eines Lasers teilweise transmittierend ist. Die zweite dünne Schicht 50 besteht aus Metall, wie Chrom oder Aluminium. Bei der dritten Schicht 52 handelt es sich um ein für die Betriebswellenlänge des Lasers vollständig reflektierend wirkendes Dielektrikum. Man erzeuge eine vorgegebene Personality-Struktur in einem nicht gezeigten Photoresist, härte, belichte und entwickle dasselbe. Man führe ein Ionenstrahlätzen der vollständig reflektierenden dielektrischen Schicht 52 durch, ätze die Metallschicht 50 und führe ein Ionenstrahlätzen des Dielektrikums 48 mit teilweiser Transmission durch, um den Träger 46 freizulegen. Man löse das Photoresist ab. Man erzeuge eine vorgegebene Auswahlstruktur in einem Photoresist, härte, belichte und entwickle dieses. Man führe ein Ionenstrahlätzen der vollständig reflektierenden dielektrischen Schicht 52 durch und ätze die Metallschicht 50. Man löse das Photoresist ab. Dann führe man eine Reinigung durch.
  • Nun auch bezugnehmend auf FIGUR 3, ist dort eine schematische Darstellung von elektromagnetischer Strahlung gezeigt, die auf eine Maske 16 und auf Teile eines bezüglich derselben justierten, metallisierten Substrates 60 auftrifft.
  • Bei dem Substrat 60 handelt es sich um eines, das bereits gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Maske 16, wie sie obenstehend unter Bezugnahme auf FIGUR 1 beschrieben wurde, geätzt wurde.
  • Das Substrat 60 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform aus einer Basis 64, wie Keramik, auf der eine erste Schicht aus einem Material 66, wie Chrom, aufgebracht ist. Eine zweite Schicht 68, wie Kupfer, ist auf der ersten Schicht 66 aufgebracht. Schließlich bedeckt eine dritte Schicht aus einem Material 70, wie Chrom, die zweite Schicht 68. Nach Beendigung des Ätzvorganges sind Teile 72 des Substrates von keiner der zusätzlichen Materialschichten 66 bis 70 bedeckt.
  • Zusammenfassend sollte es eine Maske 16 (FIGUR 1) zur Verwendung bei differentiellem Metallätzen gestatten, daß die folgenden Prozesse gleichzeitig ausgeführt werden:
  • a) Ätzen von Cr-Cu-Cr 66 bis 70 bis herab auf eine Keramikbasis 64, auf der diese Schichtfolge in vorgegebenen Gebieten in einer Chloratmosphäre aufgebracht wird (Personality-Ätzen);
  • b) Ätzen der oberen Cr-Schicht 70 alleine in anderen Gebieten (Auswahlätzen) zur gleichen Zeit, zu der Cr-Cu- Cr 66 bis 70 geätzt wird; und
  • c) keinerlei Ätzen bestimmter Gebiete 71.
  • Der Prozeß a) wird gemäß dem Verfahren ausgeführt, das in den US-Patenten 4 490 210 sowie 4 490 211, die für Chen et al. erteilt und auf die vorliegende Abmelderin übertragen wurden und durch Verweis hierin aufgenommen sind, offenbart ist. Für differentielles Metallätzen müssen Chlorgasdruck und Laserwiederholrate zusätzlich zu einer Lichtwellenlänge und zu einer Ätzrate (Teilchenfluß) gewählt werden.
  • Es wurde beobachtet, daß die untere Chromschicht 66 im wesentlichen verdampft wird, sobald die Cu-Schicht 68 geätzt ist (J. E. Andrew, P. E. Dyer, R. D. Greenough und P. H. Key, Appl. Phys. Lett., 43(11), 1. Dez. 1983, Seiten 1076 bis 1078; und J. Bohandy, B. F. Kim und F. J. Adrian, J. Appl. Phys., 60(4), 15. August 1986, Seiten 1538, 1539 sowie Referenzen in denselben). Da das Ätzen der unteren Cr-Schicht 66 keinen signifikanten Zeitaufwand erfordert, ist die Ätzrate des Cr-Cu-Cr im wesentlichen allein durch die Ätzrate der oberen Cr-Schicht 70 und der Cu-Schicht 68 bestimmt.
  • Die Zeitspanne, die benötigt wird, um alle drei Metallschichten (tp) zu ätzen, und die Zeitspanne, die benötigt wird, um lediglich die obere Cr-Schicht (ts) zu ätzen, sollten gleich sein. Die Ätzzeiten, tp und ts, können in Abhängigkeit der Metalldicken und gemessenen Ätzraten ausgedrückt werden:
  • und
  • wobei Tcu die Dicke der Cu-Schicht 68, Tcr die Dicke der oberen Cr-Schicht 70, Rau die Ätzrate von Cu, RCr die Ätzrate von Cr im Fall von Personality-Ätzen und R'Cr die Ätzrate von Cr im Fall von Auswahlätzen bedeuten.
  • Da tp undts gleich sind, ist
  • Aus den bekannten Dicken der Metalle und den Raten für das Personality-Ätzen kann die Rate für das Auswahlätzen bestimmt werden. Das Verhältnis des Teichenflusses Φs, der für das Auswahlätzen benötigt wird, zu dem Teichenfluß Φp, der für das Personality-Ätzen benötigt wird, weist die folgende Beziehung auf:
  • wobei Ts die Transmission in dem Auswahl-Ätzgebiet der Maske und Tp die Transmission in dem Personality-Ätzgebiet der Maske ist.
  • Für illustrative Zwecke und als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrachte man das Ätzen mit einem Cl&sub2;-Druck von 500 mTorr, einer Laserwiederholrate von 20 Hz und einem Teichenfluß an dem Metall von 384 mJ/cm² in jenen Gebieten, in denen alle drei Metallschichten zu ätzen sind. Es werde angenommen, daß die Metalldicken TCu = 8000 Nanometer und TCr = 80 Nanometer betragen. Bei 384 mJ/cm² beträgt die Ätzrate für Cu 205,8 Nanometer/Sek. und die Ätzrate für Cr 9,59 Nanometer/Sek.. Werden diese Werte in Gleichung (3) eingesetzt, ergibt sich eine Ätzrate für Cr in den Auswahlbereichen von ungefähr 1,7 Nanometer/Sek., was einem Teichenfluß von 220 mJ/cm² entspricht. Die Transmission in den Auswahlbereichen ist damit:
  • Wenn das Gebiet, das dem Personality-Ätzen entspricht, einfach unbedecktes, synthetisches Quarzglas ist, dann sind Tp = 0,955 und Ts = 0,547. Das Reflexionsvermögen der Beschichtung in dem Gebiet der Maske, das dem Auswahl-Ätzen entspricht, ist dann 1 - Ts = 0,453 oder 45,3 %.
  • Auf der Basis des obigen Beispiels wird eine Maske wie folgt aufgebaut. Jene Bereiche des Cr-Cu-Cr, die nicht zu ätzen sind, besitzen entsprechend vollständig reflektierende Gebiete auf der Maske. Die Gebiete auf der Maske, die Bereichen des Cr-Cu-Cr entsprechen, in denen das gesamte Metall zu entfernen ist, bestehen aus dem unbedeckten Substrat aus synthetischem Quarzglas ohne Beschichtung. Die Gebiete der Maske, die dem Auswahl-Ätzen entsprechen, besitzen eine dielektrische Beschichtung, die zu 45,3 % reflektierend wirkt. Wenn ein ausreichender Teichenfluß gleichmäßig über die Maske hinweg einfällt, so daß der dem Metall zugeführte Teichenfluß in den Personality-Ätzgebieten 384 mJ/cm² beträgt, werden das Personality- und das Auswahl-Ätzen gleichzeitig ausgeführt und sind gemeinsam beendet.
  • In der Praxis ist es aufgrund der Art und Weise, in der die dielektrischen Beschichtungen erzeugt werden, schwierig, ein Reflexionsvermögen von exakt 45,3 % zu erzielen. Da die Keramikbasis 64 beständig gegenüber einer Beschädigung durch einen Laser ist, kann der berechnete Reflexionsgrad in den Gebieten der Maske, die dem Auswahl-Ätzen entsprechen, in Wirklichkeit als eine untere Grenze angesehen werden. Jedes beliebige Reflexionsvermögen, das größer als das berechnete Reflexionsvermögen für die Auswahlgebiete ist, kann verwendet werden, solange der den Auswahlgebieten zugeführte Teichenfluß oberhalb der Schwelle liegt, die für ein Auswahl-Ätzen unter den gegebenen Bedingungen benötigt wird. Wenn das Reflexionsvermögen in den Auswahlgebieten größer als der berechnete Wert ist, ist es notwendig, in den Personality-Ätzgebieten zu überätzen. Da die Keramik 64 beständig gegenüber einer Beschädigung durch einen Laser ist, verursacht das Überätzen in den Personality-Bereichen einige Probleme. Das Reflexionsvermögen in den Auswahlgebieten sollte niemals geringer als die berechneten Werte sein, da sonst in den Auswahlgebieten ein Überätzen auftritt und eine beträchtliche Menge Cu aus denselben verloren gehen kann.
  • Nun auch bezugnehmend auf FIGUR 4, ist dort eine schematische Querschnittsblockdarstellung einer Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
  • Ein Laser 101 ist so positioniert, daß er eine optische Linie mit einer Maske 16, einem optischen Abbildungssystem 103 und einer zu ätzenden, metallisierten Basis 60 bildet. Die Basis 60 ist in einer Reaktionskammer 105 angebracht. Der Laser 101 ist ein Edelgas-Halogenid-Laser, der in der Lage ist, eine charakteristische Wellenlänge zu emittieren, die an die Absorptionswellenlänge des Reaktionsprodukts oder des darunterliegenden Materials angepaßt ist. Ein für die Zwecke dieser Erfindung kommerziell erhältlicher Laser ist das Modell LAMBDA PHYSIC EMG 201.
  • Im Betrieb ist die Maske 16 in dem Bereich 24, in dem sich kein Dielektrikum befindet, für das Laserlicht durchlässig, im Bereich 20 undurchlässig und in dem Bereich 22, in dem das Dielektrikum vorhanden ist, teilweise durchlässig. Demzufolge wird Licht vom Laser 101 durch die Maske 16 mit dem Muster, das den durchlässigen und den teilweise durchlässigen Bereichen derselben entspricht, transmittiert.
  • Das Abbildungssystem 103 besteht aus wenigstens einer Linse 104 aus synthetischem Quarzglas. Das Abbildungssystem 103 bildet den strukturierten Strahl aus Laserstrahlung, der aus der Maske 16 austritt, auf die metallisierte Basis 60 ab, um sie gemäß dem strukturierten Laserstrahl zu ätzen.
  • Es ist ersichtlich, daß es, während das in FIGUR 4 gezeigte System zum Ätzen ein Abbildungs-Projektionssystem 103 verwendet, um den strukturierten Strahl aus Laserstrahlung in effektiver Weise auf die Basis 60 zu projizieren, möglich ist, auf das Abbildungssystem 103 zu verzichten, wenn kein leichtflüchtiges Produkt erzeugt wird (z.B. im Falle einer Belichtung, nicht eines Ätzens, eines photosensitiven Polymers), indem eine in nächster Nähe zu der Basis 60 angeordnete Kontaktmaske verwendet wird.
  • Bei der Reaktionskammer 105 handelt es sich um eine herkömmliche Vakuumkammer, die aus Edelstahl aufgebaut ist. Sie besitzt nicht gezeigte, entfernbare Vakuumflansche auf jeder ihrer vier Öffnungen. Einer der Flansche ist mit einer nicht gezeigten Pumpe verbunden. Die Pumpe stellt den notwendigen niedrigen Druck innerhalb der Reaktionskammer 105 während des Ätzprozesses bereit. Einer der anderen Flansche ist mit einem Fenster 106 versehen, um den Eintritt des Laserlichtes in die Kammer 105 zu gestatten. Das Fenster 106 ist optisch klar und verzerrungsfrei, um sicherzustellen, daß die darauf projizierte Abbildung der Maske ohne Verzerrung zu der Basis 60 transmittiert wird. Einer der anderen Flansche der Reaktionskammer 105 ist außerdem mit einem nicht gezeigten Rohr versehen, um den Einlaß eines reaktiven Gases in die Kammer 105 zu erlauben. Nicht gezeigte, geeignete Mittel, wie ein Probenhalter, sind in der Kammer 105 angebracht, um die zu ätzende Basis 60 unterzubringen.
  • Nun auch bezugnehmend auf FIGUR 5, ist dort eine Serie schematischer Darstellungen eines Substrates 119 gezeigt, das über eine Zeitspanne hinweg sukzessive auf drei verschiedene Niveaus gemäß der vorliegenden Erfindung geätzt wird. Die Maskenbaugruppe 16 weist eine Schicht aus dielektrischem Material auf, das auf einem Träger 18 angeordnet ist. Der erste dünne Teil des Dielektrikums 22 bedeckt wenigstens einen Teil des Trägers 18 und der dickere Teil des Dielektrikums 20 bedeckt wenigstens einen Teil des dünnen Bereiches 22.
  • Zu Beginn (Zeit T-0) besitzt die Basis 120 des Substrates 119 drei darauf angeordnete, vollständige, nicht geätzte Schichten: dabei besteht in der bevorzugten Mehrschicht-Ausführungsform die erste Schicht 122 aus Chrom, die zweite Schicht 124 aus Kupfer und die oberste Schicht 126 aus Chrom. Wenn nicht gezeigtes Laserlicht durch die Maske 16 unter geeigneten Bedingungen hindurchtritt, beginnt in Verbindung mit der Prozeßkammer 105 (FIGUR 4), wie sie hier obenstehend beschrieben ist, der Ätzvorgang.
  • Nach einer bestimmten Zeitspanne (Zeit T-1) sind Teile der obersten zwei Schichten 124 und 126 geätzt und entfernt. Es ist erkennbar, daß die mittleren Teile 118 schneller als ein Teil 114 der oberen Schicht 126 geätzt werden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Maske 16 vollständig reflektierende und teilweise reflektierende Bereiche aufweist, die Positionen auf dem Substrat 119 entsprechen. Die Stellen, an denen das Dielektrikum 24 auf der Maske 16 nicht vorhanden ist, entsprechen den Gebieten 118 der Schichten 122 bis 126 auf dem Substrat 119 mit der schnellsten Ätzrate. In ähnlicher Weise führt das Vorhandensein des dicksten Bereiches des Dielektrikums 20 der Maske 16 dazu, daß die entsprechende Stelle 116 auf dem Substrat 119 nicht geätzt wird. Der dünne und daher teilweise reflektierende Bereich des Dielektrikums 22 der Maske 16 führt dazu, daß lediglich die obere Schicht 126 des Substrats 119 geätzt wird, die einer mit dem Bezugszeichen 114 gezeigten Position entspricht.
  • Wenn der Ätzvorgang beendet ist (Zeit T-F), ist das Material der drei Schichten 122 bis 126, das auf dem Substrat 119 verbleibt, bis zu dem gewünschten Grad geätzt. So ist ersichtlich, daß am Ende einer gegebenen Zeitspanne bestimmte Teile der Schichten 114A, die auf der Basis 120 angeordnet sind, im wesentlichen in der gleichen Zeit geätzt werden, in der Kombinationen 118A dieser Schichten geätzt werden. In anderen Worten wird sowohl Auswahl- als auch Personality-Ätzen gleichzeitig ausgeführt. Ungeachtet des differentiellen Ätzens einer Schicht und einer Kombination von Schichten werden Teile des Substrates 116A, die vollständig reflektierenden 20 Bereichen der Maske entsprechen, überhaupt nicht geätzt.
  • Nun auch bezugnehmend auf FIGUR 6, ist dort eine isometrische Querschnittsansicht eines Substrates 130 gezeigt, das einen im wesentlichen gleichförmigen Block aus einem ätzbaren Polymer, wie Polyimid, beinhaltet.
  • Die dreidimensionale Ansicht des Substrates 130, das gemäß dem zuvor erwähnten Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde, ist zum Verständnis der Nützlichkeit von differentiellem Ätzen hilfreich. Die Oberseite des Polyimides 130 ist mit dem Bezugszeichen 131 gezeigt. Es wurden Oberflächenmerkmale 132, 134, 136 und 138 auf unterschiedliche Tiefen durch die Verwendung eines Lasersystems geätzt. Die Merkmale, die mit Bezugszeichen 132 und 136 gezeigt sind, stellen Durchgangslöcher oder Kontaktlöcher dar. Das Loch 136 wurde bis auf eine Tiefe H1 geätzt. Die rechtwinklige Schaltkreisleitungsstruktur 134 wurde bis auf eine größere Tiefe, H2, geätzt. Schließlich verbindet ein Durchkontaktloch 138 die Oberseite des Substrates 130 mit der Unterseite desselben. Das Durchkontaktloch 138 wurde also durch die gesamte Dicke des Substrates 130, die mit der Dicke H3 bezeichnet ist, geätzt.
  • Für die in FIGUR 6 gezeigten Oberflächenmerkmale werden verschiedene Gebiete mit verschiedenen Raten geätzt, abhängig vom Reflexionsvermögen von Teilen einer zugehörigen Maske. Das Reflexionsvermögen derartiger Teile der Maske wird wie folgt abgeleitet.
  • Eine Maske 16 (FIGUR 1) zur Verwendung für differentielles Ätzen von Polyimid sollte den folgenden drei Kriterien genügen:
  • a) das Polyimid 130 ist bei einer bestimmten Wellenlänge an Luft zu ätzen;
  • zwei Bereiche 138 und 134 des Polyimides 130 sind bei zwei verschiedenen jeweiligen Raten ER&sub1; und ER&sub2; mit ER&sub1; > ER&sub2; gleichzeitig zu ätzen; und
  • c) bestimmte Oberflächengebiete 131 des Polyimides 130 sind nicht zu ätzen, während die anderen Gebiete 134 und 138 geätzt werden (d.h. eine dritte Ätzrate ist ER&sub3; = 0).
  • Man betrachte das Problem der Wahl der Reflexionsgrade des dielektrischen Materials 14 (FIGUR 1) zur Erzeugung von Teilchenflüssen auf dem Polyimid 130, die jeweiligen Raten ER&sub1; und ER&sub2; entsprechen.
  • Der erste Schritt besteht darin, die Ätzrate des interessierenden Polyimides 130 an Luft bei 308 nm zu messen. Beispielhaft werden die von Brannon et al., oben, zusammengestellten Ätzratendaten verwendet. Die Daten der Ätzrate in Abhängigkeit vom Teichenfluß (Energie pro cm²) folgen einem Beer-Lambert-Gesetz. Die Ätzrate pro Puls beträgt
  • In Gleichung (6) ist α der Absorptionskoeffizient des Polyimides für Laserlicht von 308 nm, und Φt ist der Schwellenteilchenfluß für ein Ätzen des Polyimides bei einer Wellenlänge von 308 nm. Sowohl α als auch Φt sind lediglich Funktionen des Materials, das geätzt wird, und der Wellenlänge des verwendeten Lichtes. ERi ist die Ätztiefe des Polyimides 130 pro Puls bei einem Teilchenfluß Φi. Es ist zu erwähnen, daß Φi ≥ Φt, damit Ätzen auftritt. Man betrachte die Differenz zwischen den Ätzraten:
  • Es sei
  • Durch Einsetzen und Umschreiben ergibt sich:
  • Da Φ&sub1; der Teilchenfluß ist, der das Polyimid 130 erreicht, ist er direkt proportional zu der Menge des Lichtes, die durch den entsprechenden Teil der Maske 16 transmittiert wird:
  • Einsetzen und Umschreiben ergibt:
  • Man wähle die gewünschten Ätzraten ER&sub1; und ER&sub2; und messe die zu dem Durchkontaktloch 138 gehörige Transmission der Maske 16. Da α aus den Ätzratenmessungen bekannt ist, ist die Transmission der Maske, die zur Erzielung der Ätzrate ER&sub2; erforderlich ist, durch Gleichung (11) gegeben.
  • Als spezielles Beispiel betrachte man den Fall, daß ER&sub1; = 100 Nanometer pro Puls und ER&sub2; = 60 Nanometer pro Puls sind. Für diesen Satz von Ätzraten ist X = 0,6. Der Arbeit von Brannon et al., oben, ist α = 9,0 x 10&supmin;³ nm&supmin;¹ zu entnehmen.
  • Um maximalen Nutzen aus dem verfügbaren Licht zu erzielen, wird das reflektierende Dielektrikum vollständig von dem Gebiet der Maske entfernt, das dem Durchkontaktloch 138 auf dem Polyimid 130 entspricht. Reflexionsverluste auf anderen optischen Oberflächen würden Licht, das durch alle Gebiete der Maske in gleicher Weise hindurchgeht, schwächen und nicht das Verhältnis der Ätzraten beeinflussen. So ist T&sub1; die Transmission durch die eine Oberfläche des Substrates 18 (FIGUR 1) aus synthetischem Quarzglas. Ein realistischer Wert für die Transmission von synthetischem Quarzglas ist 95,5 % pro Oberfläche. Wird T&sub1; = 0,955 gesetzt und in Gleichung (11) eingesetzt, führt dies zu einem Wert für T&sub2; von 0,666.
  • Das Reflexionsvermögen der verbliebenen Beschichtung 22 auf der Maske 16 ist 1 - T&sub2; = 1 - 0,666 = 0,334 oder 33,4 %. Bei diesem Beispiel ist die Maske 16 so aufgebaut, daß bestimmte Gebiete 20 der Maske 16 bei einer Wellenlänge von 308 nm vollständig reflektierend wirken. In Gebieten 24 der Maske 16, die einem Ätzvorgang mit 100 Nanometer/Puls entsprechen, werden alle Beschichtungen entfernt; lediglich das Substrat 18 aus synthetischem Quarzglas verbleibt. Schließlich verbleibt in Gebieten 22 der Maske 16 lediglich eine dielektrische Beschichtung mit einem Reflexionsvermögen von 33,4 % bei einer Wellenlänge von 308 nm.
  • Die obige Erörterung bezieht sich lediglich auf das Erzeugen einer Maske, um das Ätzen des Polyimids 130 gleichzeitig mit zwei Raten zu ermöglichen. Die oben angeführten Daten, die von Brannon et al., oben, zusammengestellt wurden, ergeben den Teilchenfluß, der dem Polyimid 130 zuzuführen ist, um eine bestimmte Ätzrate zu erzielen. Verluste in dem optischen System 103 (FIGUR 4) treten auf, nachdem Licht durch diejenige Seite der Maske 16 hindurchgetreten ist, auf der das Bild in das Dielektrikum ionenstrahlgeätzt wurde. Um die Verluste in dem optischen System 103 zu kompensieren, muß der auf die Maske 16 treffende Teichenfluß größer als der Teilchenfluß sein, der benötigt wird, um das Polyimid 130 mit einer gegebenen Rate zu ätzen. Es ist nicht möglich, den Teilchenfluß zu bestimmen, der der Maske zuzuführen ist, um eine gegebene Ätzrate zu erzielen, wenn die Verluste in dem optischen System nicht bekannt sind. Wenn jedoch in dem obigen Beispiel ein ausreichender, gleichmäßiger Teilchenfluß der Maske 16 zugeführt wird, so daß die Ätzrate des Polyimides bei dem Bezugszeichen 138 100 Nanometer/Puls beträgt, beträgt die Ätzrate bei dem Bezugszeichen 134 60 Nanomter/Puls, und an der Oberfläche 131 tritt kein Ätzen auf.
  • In der Praxis ist es aufgrund der Art und Weise, in der die dielektrischen Beschichtungen erzeugt werden, unwahrscheinlich, daß ein Reflexionsvermögen von exakt 33,4 % erzielt werden kann. In derartigen Fällen ist es notwendig zu entscheiden, ob am besten ein etwas höheres Reflexionsvermögen (niedrigere Ätzrate) oder ein etwas niedrigeres Reflexionsvermögen (höhere Ätzrate) zu verwenden ist. In einem Fall ist es klarerweise am besten, ein Reflexionsvermögen zu verwenden, das größer als das optimale ist. Dieser Fall tritt ein, wenn das Polyimid 130 bei dem Durchkontaktloch 138 geätzt wird, um ein nicht gezeigtes Substrat freizulegen, das gegenüber einer Beschädigung durch einen Laser beständig ist. In diesem speziellen Fall stellt das oben berechnete Reflexionsvermögen eine untere Grenze für das tatsächlich verwendete Reflexionsvermögen dar, da eine niedrigere Ätzrate (höheres Reflexionsvermögen) verwendet werden kann, um die korrekte Ätztiefe bei dem Oberflächenmerkmal 134 durch Verwendung zusätzlicher Laserpulse zu erzielen. Ein Überätzen beeinflußt das Durchkontaktloch 138 nicht, da das Substrat gegenüber einer Beschädigung durch einen Laser beständig ist.
  • Es ist ersichtlich, daß Leiterplatten oder Halbleiterstrukturelemente durch Verwendung der vorliegenden Erfindung gleichzeitig auf unterschiedliche Tiefen geätzt werden können. Es ist zu erwähnen, daß, wenngleich in FIGUR 6 drei verschiedene Ätztiefen gezeigt sind, auch weitere Tiefen durch Modifizieren der Struktur der Maske 16 (FIGUR 1) in einer geeigneten Weise erzeugt werden können. Zum Beispiel kann eine beliebige Anzahl dielektrischer Schichten, mit oder ohne Endpunktdetektion, in einer Maske hergestellt werden, die ihrerseits zur Herstellung eines Substrates verwendet werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Durchführung von differentiellem Ätzen eines Substrates (119), das aus einem Körper (120) besteht, der mit einer Beschichtung (122, ...) versehen ist, durch einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, das die Schritte:
a) Bereitstellen einer Maske des Typs, der einen Träger (18) beinhaltet, der für einen Strahl elektromagnetischer Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und mit einer strukturierten Beschichtung (20, ...) bedeckt ist, wobei die strukturierte Beschichtung wenigstens drei Bereiche (22, 24, ...) mit verschiedenen Reflexionsgraden beinhaltet, und
b) Beleuchten des Substrates mit dem Strahl durch die Maske hindurch beinhaltet und gekennzeichnet ist durch
c) Einstellen der lokalen Energiedichte des Strahls derart, daß jedes der vorbestimmten Gebiete der Beschichtung, die diesen Bereichen entsprechen, innerhalb der gleichen Zeitspanne auf eine jeweils verschiedene, vorgewählte Ätztiefe (H1, H2, H3 ...) geätzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ätzvorgang in Anwesenheit eines ausgewählten reaktiven Gases durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung wenigstens zwei Schichten beinhaltet, die sich hinsichtlich der Zusammensetzung des Materials unterscheiden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die zu ätzende Beschichtung drei Schichten beinhaltet, die aus einer unteren Schicht aus Cr, einer Zwischenschicht aus Cu und einer oberen Schicht aus Cr bestehen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strahlungsstrahl durch einen Excimerlaser erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zu ätzende Beschichtung aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Metalle, Polymere und Halbleiter enthält.
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