DE4435022A1 - Grautonmaske für lithographische Strukturierungen von Bauelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Grautonmaske für lithographische Strukturierungen von Bauelementen im µm- bis Sub-µm-Bereich, deren Transmission über die Größe von in einem Raster angeordneten Löchern variierbar ist, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Optoelektronische integrierte Schaltkreise (OEIC) nutzen für die effiziente Kopplung in optische Fasern und planare Lichtwellenbauelemente sowie für die Strahlformung in Frei-Raum-Verbindungen mikrooptische Elemente. Solche Elemente sind z. B. integrierte Wellenleitertaper für adiabatische Konversion, Fresnelsche Zonen-Platten und computergenerierte Hologramme und besitzen alle eine nichtplanare, reliefartige Oberflächentopographie, die ein geeignetes Herstellungsverfahren erfordert.

Es sind zwei lithographische Methoden für die Herstellung von reliefartigen Oberflächentopographien bekannt, die die Kontrast-Kurve des Resist ausnutzen. Zum einen ist dies die Lithographie mit direkt eingeschriebenem Elektronenstrahl, zum anderen sowohl die Photolithographie mit semitransparenter Maske als auch die zeitaufwendige Mehrfachbelichtung mit verschiedenen Masken, bei der außerdem auch Justierungenauigkeiten auftreten. Die Elektronenstrahllithographie ist zwar sehr flexibel und garantiert eine hohe Auflösung, sie ermöglicht aber keinen großen Durchlauf/Ausstoß bei der Herstellung solcher für die Anwendung in mikrooptischen Bauelementen notwendigen reliefartigen Oberflächen. Um auch die Flexibilität der Photolithographie bei der Herstellung solcher Oberflächen zu vergrößern, werden Grautonmasken verwendet.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in Microcircuit Engineering 93 Conference, September 27-29, 1993, Maastricht, PREPRINT bzw. Microelectronic Engineering 23, pp. 449 (1994) und in European Conference on Integrated Optics 93- ECIO 93, Apr. 18.-22.1993, Neuchatel (Switzerland), pp.4 dargestellt.

In beiden erstgenannten Quellen ist mit identischem Inhalt die Herstellung von 3D- Komponenten in drei prinzipiellen Schritten beschrieben. So wird in einem ersten Schritt die Grautonmaske selbst hergestellt, in einem weiteren Schritt erfolgt mittels Projektionsphotolithographie die Übertragung der Maskenstruktur, die durch eine definierte Transmission charakterisiert ist, in den Photoresist. Im dritten Schritt wird das im Photoresist erzeugte Profil proportional auf das Substrat übertragen. Die Struktur der Grautonmaske wird hierbei mittels Elektronenstrahl oder Laserstrahl erzeugt. Dabei wird entweder von der "Puls-Breiten-Modulation" oder der "Puls-Dichten-Modulation" ausgegangen. Bei der "Puls-Breiten-Modulation" ist die Größe des Lochrasters konstant, und die Änderung der Größe der belichteten Flächen der Löcher bestimmt das geforderte Grau-Niveau. Bei der "Puls-Dichten-Modulation" wird das geforderte Grau- Niveau über die Größe des Lochrasters bei konstanter Größe der belichteten Flächen der Löcher eingestellt. Da bei der weiteren Übertragung des erzeugten Maskenprofils auf einem Resist mittels Projektionsphotolithographie ein Bild verkleinert (im Verhältnis 5 : 1) entsteht, sind an das mittels Elektronen- oder Laserstrahl entstandene Lochraster keine besonderen Anforderungen im Vergleich zu bisher bekannten Masken gestellt. Die Anpassung an das geforderte Profil erfordert eine Projektionsoptik, die sehr teuer ist. Weitergehende Angaben zur Herstellung der Grautonmaske sind beiden Veröffentlichungen nicht zu entnehmen. Es wird von den Autoren festgestellt, daß die hauptsächliche Schwierigkeit bei der 1-Masken-Grauton-Technik zur Erzeugung von effizienten Oberflächenprofilen in der Herstellung der Masken selbst liegt.

In European Conference on Integrated Optics 93-ECIO 93, Apr. 18-22.1993, Neuchatel (Switzerland), pp. 4 wird ebenfalls berichtet, daß die semitransparente Maske mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt wird. Auf einer das Maskensubstrat bedeckenden Chromschicht werden Löcher in verschiedenen Ausmaßen erzeugt. Der Durchmesser dieser Löcher ist eine Funktion der Belichtungs-/Bestrahlzeit und des Strahlstromes. Diese beiden Parameter garantieren die Änderung der Transmission der geätzten Maske über den gesamten Bereich von undurchlässig bis vollständig transparent. Das Rastermaß ist konstant und mit 280 nm angegeben. Auch hier sind keine konkreten Verfahrensschritte zur Herstellung der Grautonmaske beschrieben.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Grautonmaske mit lokal veränderbarer Transmission anzugeben, die die jeweilige Funktion für die verschiedenen Bauelemente gewährleistet. Es ist ein kostengünstiges Verfahren für die Herstellung einer solchen Grautonmaske mit modulierbarer Transmission zu beschreiben.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Grautonmaske Löcher mit lokal über die Maskenfläche variierbaren Flächen bei konstantem Lochraster entsprechend der geforderten Transmission aufweist und erfindungsgemäß das Lochraster konstant 250 nm über die gesamte Maskenfläche und der Durchmesser der Löcher mindestens 50 nm beträgt und vergrößerbar bis zur lückenlosen Öffnung im vollständig transparenten Gebiet ist.

Die Variation der Lochgröße ermöglicht eine in ihrer Transmission definiert einstellbare Grautonmaske über die gesamte Maskenfläche, so daß eine Maske vorliegt, deren zweidimensionales Lochraster - und damit die gewünschte Transmission - mittels Kontaktphotolithographie auf einen Resist abgebildet werden kann und nach der Entwicklung des Resists ein (dreidimensionales) Profil entsteht, das mittels Ionenstrahlätzen in das Substrat eingeprägt wird. Die Möglichkeit der Änderung der Transmission der Grautonmaske gewährleistet die Herstellung von Bauelementen unterschiedlicher Struktur und Funktion zur Strahlformung und zum verlustarmen Übergang von einem optischen Bauelement in ein anderes. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Grautonmaske liegt in ihren sehr kleinen Strukturabmessungen, so daß bei der Weiterverarbeitung mittels Kontaktphotolithographie die übertragenen Strukturen nicht mehr aufgelöst und somit kontinuierlich änderbare Strukturen auf die Bauelemente entsprechend der Maske mit modulierter Transmission übertragen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Grautonmaske mit modulierter Transmission, wobei diese durch ein Lochraster mit konstantem Rastermaß und variierbarem Durchmesser der Löcher erzeugt wird, wird auf eine Glasscheibe, die mit einer mindestens 50 nm dicken Chromschicht versehen ist, eine 80 nm bis 300 nm dicke Resistschicht aus Polymethyl-Meth-Acrylat aufgeschleudert und 30 min bei 200°C getrocknet. Mittels Elektronenstrahllithographie wird bei einer Beschleunigungsspannung von 50 keV, einem Strahlstrom von 0, 1 nA bis 50 nA und einer Belichtungsdosis von 60 bis 300 µC/cm² ein Lochraster mit konstanter Größe des Rastermaßes und veränderbarem Durchmesser der Löcher in Abhängigkeit von der Funktion des mit der erfindungsgemäßen Grautonmaske zu realisierenden Bauelements eingeschrieben. Danach wird in einer 1 : 1-Lösung aus Methyl-Isobutyl- Keton : Isopropanol ca. 60 s die Entwicklung vorgenommen, und mittels eines folgenden Ätzschrittes, bei dem die Maske in Cer-Ammonium-Nitrat-Säure weniger als 60 s eingetaucht wird, erfolgt die Übertragung des Oberflächenprofils des Resists in die Chromschicht. Da der Transmissionsgrad der Maske eine Funktion der Elektronenstrahl- Belichtungsdosis bei jeweils festem Strahlfleckdurchmesser ist, kann über die Änderung der Dosis und des Elektronenstrahlstromes das Loch je nach gewünschtem Transmissionsgrad definiert bezüglich seiner Ausdehnung in den Resist eingeschrieben werden.

Weist bei einem großen Strahlstrom der Strahlfleckdurchmesser etwa die Größe des Rastermaßes auf, so erfolgt der Übergang zwischen undurchlässig und völlig transparent sehr abrupt. Bei kleinerem Strahlfleckdurchmesser erfolgt dieser Übergang über einen wesentlich größeren Bereich der Elektronenstrahl-Belichtungsdosis. Der geforderte Transmissionsgrad der Maske läßt sich somit wesentlich spezifischer einstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die kostengünstige Herstellung von Grautonmasken mit modulierter Transmission. Je nach Verwendungszweck der mit der erfindungsgemäßen Grautonmaske dann mittels der dem Ausstoß nach sehr effizienten Kontaktphotolithographie hergestellten Bauelemente ist es also möglich, das entsprechende Lochraster mit jeweils definiertem Elektronenstrahlstrom und definierter Belichtungsdosis in die Resistschicht der Maske einzuschreiben. Die geringe Rauhigkeit der mittels der erfindungsgemäßen Grautonmaske in Kontaktphotolithographie hergestellten Oberflächenprofile, sie beträgt nur 20 nm, ermöglicht die Herstellung von mikrooptischen und integrierten optischen Elementen, deren Oberfläche eine entsprechend ihrer Funktion gute optische Qualität aufweisen muß.

Die Erfindung soll anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist schematisch die Draufsicht eines Ausschnittes einer Grautonmaske mit konstantem Rastermaß und unterschiedlicher Größe der Löcher und ein entsprechendes Schnittbild entlang der eingezeichneten Linie dargestellt.

Das Substrat 1, eine mit einer 80 nm dicken Chromschicht 2 versehene 4′′ × 4′′ große Glasscheibe, wird zwecks Reinigung zunächst in Aceton und anschließend in Chromschwefelsäure getaucht. Danach wird mittels Aufschleudern bei 3000 Umin^-1 während 60 s eine 100 nm dicke Resistschicht aus Polymethyl-Meth-Acrylat (PMMA 600 k 2% Feststoffgehalt gelöst in Methyl-Isobutyl-Keton) aufgebracht. Während des Aufbringens wird der Resist durch ein Mikroporenfilter (0,5 µm) gedrückt. Die anschließende Trocknung erfolgt in einem Umluftofen 30 min lang bei 200°C. Danach wird die Lackschicht mittels Elektronenstrahllithographie belichtet, dies erfolgt bei einer Beschleunigungsspannung von 50 keV und einem Strahlstrom von 1 nA (Strahldurchmesser 50 nm). Bei diesem Strahlstrom ist die Transmission bei einer Belichtungsdosis von 200 bis 260 µC/cm² zwischen 15 und 70% variierbar. Es schließt sich dann die Entwicklung der belichteten Resistschicht an, dabei wird eine 1 : 1-Lösung aus Methyl-Isobutyl-Keton : Isopropanol 60 s lang aufgesprüht und anschließend 45 s lang mit Isopropanol abgesprüht. Das Ätzen erfolgt in einem 35 s dauernden Tauchprozeß in einer Cerammonium-Nitrat-Ätzlösung. Letztendlich wird der Lack durch Tauchen der Maske wiederum zunächst in Azeton und anschließend in Chromschwefelsäure entfernt. Die konkrete Strukturierung der Resistschicht erfolgt in Abhängigkeit davon, welche Funktionen das mit der Grautonmaske herzustellende Bauelement realisieren soll. Über die Verfahrensparameter Strahlstrom und Belichtungsdosis ist der Durchmesser der in den Resist einzuschreibenden Löcher von mindestens 50 nm bis zur vollständigen Öffnung der Maske - wie in Fig. 1 schematisch dargestellt - variierbar. Das Rastermaß beträgt konstant 250 nm.

Die Anwendung der auf dem beschriebenen Wege hergestellten Grautonmaske kann dann in der Kontaktphotolithographie bei einer Wellenlänge von λ < 300 nm erfolgen, die Strukturen in der Größe von nur 5 µm auf den herzustellenden Bauelementen zur effizienten Kopplung bzw. für die Strahlformung in Frei-Raum-Verbindungen realisiert.

Claims (3)

1. Grautonmaske für lithographische Strukturierungen von Bauelementen im µm- bis Sub-µm-Bereich, deren Transmission über die Größe von in einem Raster angeordneten Löchern variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lochraster konstant 250 nm über die gesamte Maskenfläche und der Durchmesser der Löcher mindestens 50 nm beträgt und vergrößerbar bis zur lückenlosen Öffnung im vollständig transparenten Gebiet ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Grautonmaske gemäß Anspruch 1, enthaltend die Verfahrensschritte

• - Erzeugen eines Lochrasters mittels Elektronenstrahllithographie auf einem Resist, der auf einer sich auf einer Glasscheibe befindenden Chromschicht angeordnet ist
• - Entwickeln des Resistbildes,
• -Übertragen der Resiststruktur mittels Ätzen in die Chromschicht,

dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst auf die mit einer mindestens 50 nm dicken Chromschicht versehene Glasscheibe eine 80 nm bis 300 nm dicke Resistschicht aus Polymethyl-Meth-Acryl aufgeschleudert und 30 min bei 200°C getrocknet wird, anschließend mittels Elektronenstrahllithographie bei einer Beschleunigungsspannung von 50 keV, einem Strahlstrom von 0,1 nA bis 50 nA und einer Belichtungsdosis von 60 bis 300 µC/cm² ein Lochraster mit konstantem Rastermaß und veränderbarem Durchmesser der Löcher in die Resistschicht eingeschrieben und danach in einer 1 : 1-Lösung aus Methyl-Isobutyl- Keton : Isopropanol ca. 60 s entwickelt wird und abschließend die Maske in Cer- Ammomum-Nitrat-Säure weniger als 60 s eingetaucht wird.