DE60128165T2 - Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit nanometrischen Oberflächenaufrauhungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit nanometrischen Oberflächenaufrauhungen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur mit nanometrischen Oberflächenstrukturen.
  • Ausbilden einer Mikrostruktur erfordert präzise Fertigungstechnologien, da die Mikrostruktur eine Mehrzahl von miniaturisierten elektronischen Komponenten aufweist. Allgemein wird ein Dünnfilm auf einem Substrat gezüchtet und ausgebildet und in einem speziellen Schritt physikalisch-chemisch in ein bestimmtes Muster geschnitten, so dass eine Mikrostruktur mit einer gewünschten Struktur erhalten wird, wie es zum Beispiel im J. of the Electrochemical Society, Band 137, Nr. 6, Juni 1990, Seiten 1907-1911 beschrieben ist. In einigen Fällen wird eine Mikrostruktur durch Züchten und Ausbilden von Dünnfilmen auf zwei Substraten, die in bestimmte Muster geschnitten werden, und Kombinieren der beiden Substrate in eines ausgebildet.
  • Typischerweise wird ein Musterungsprozess wie Photolithographie oder Plasmaätzen angewendet, um eine regelmäßig strukturierte Mikrostruktur auszubilden. Manchmal kann eine Mikrostruktur mit einer unregelmäßigen Gestalt, wie eine Struktur im Nano- oder Mikromaßstab erforderlich sein. Da jedoch herkömmliche Ätztechniken hauptsächlich bei regelmäßig geformten Mikrostrukturen angewendet werden, ist es schwierig, eine Mikrostruktur mit einer unregelmäßigen Form mit einer Struktur in Nano- oder Mikrogröße zu erhalten.
  • Es ist zum Beispiel bekannt, dass eine Mikrospitze mit mehr Kanten, die eine Elektronenemissionsquelle für ein Feldemissionsdisplay ist, bei der Elektronenemission gegenüber einem Mikrochip mit einer einzigen Elektronenemissionskante im Vorteil ist, aber es wurden bisher noch keine effektiven Herstellungstechniken dafür vorgeschlagen.
  • Andere Mikrostrukturen als die Mikrospitze können auch eine Struktur mit einer unregelmäßigen Form im Mikromaßstab oder Nanomaßstab erfordern.
  • Zur Lösung der oben genannten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ausbildung einer Mikrostruktur mit Oberflächenrauigkeit aufgrund von Oberflächenstrukturen in Nanogröße zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur mit Oberflächenstrukturen in Nanogröße zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    Ausbilden einer Mikrostruktur in einer bestimmten Größe und Form auf einem Substrat;
    dann Auftragen einer Kohlenstoffpolymerschicht in einer bestimmten Dicke auf das Substrat mit der Mikrostruktur;
    Durchführen einer Ätzung auf der Kohlenstoffpolymerschicht mittels Plasmaätzen unter Verwendung eines Reaktionsgases, in dem O2-Gas zum Ätzen der Kohlenstoffpolymerschicht und ein Gas zum Ätzen der Mikrostruktur gemischt sind, so dass sich eine feine raue Oberfläche mit Nanostruktur auf der Kohlenstoffpolymerschicht entwickelt, wodurch eine Maskenschicht auf der Oberfläche der Mikrostruktur gebildet wird;
    und Fortsetzen des Ätzens der Kohlenstoffpolymerschicht, bis die Oberfläche der Mikrostruktur geätzt ist, wodurch die Mikrostruktur mit Nanooberflächenstrukturen gebildet wird.
  • Bevorzugt wird die Kohlenstoffpolymerschicht aus Polyimid oder Photoresist gebildet, und unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) geätzt.
  • Wenn die Kohlenstoffpolymerschicht geätzt wird, ist das Reaktionsgas bevorzugt aus O2 als Hauptkomponente und mindestens einem der Gase aus der Fluorfamilie wie CF4, SF6 und CHF3 oder aus O2 als Hauptkomponente und mindestens einem der Gase aus der Chlorfamilie wie Cl2 oder CCl4 gebildet. Insbesondere, wenn das Reaktionsgas Gas aus der Fluorfamilie enthält, wird CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 und/oder SF6/CHF3/O2 bevorzugt angewendet. Wenn das Reaktionsgas Gas aus der Chlorfamilie enthält, wird Cl2/O2, CCl4/O2 und/oder Cl2/CCl4/O2 angewendet.
  • Beim Ätzen der Mikrostruktur wird eine Ätzrate bevorzugt durch Plasmaenergie, O2-Gehalt des Reaktionsgases in Bezug auf das Ätzgas zum Ätzen der Mikrostruktur und/oder Plasmaprozessdruck eingestellt, wodurch die Oberflächenrauhigkeit der Mikrostruktur beeinflusst wird.
  • Die obige Aufgabe und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 einen Zustand zeigt, in dem gemäß einem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung eine Zielschicht auf einem Substrat ausgebildet wird;
  • 2 einen Zustand zeigt, in dem gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung eine Maskenschicht auf der Zielschicht ausgebildet wird;
  • 3A und 3B Zustände zeigen, in denen gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung die Zielschicht geätzt wird;
  • 4A und 4B Zustände zeigen, in denen gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung eine Kohlenstoffpolymerschicht auf der Zielschicht gebildet wird;
  • 5A und 5B einen Zustand zeigen, bei dem gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung die Kohlenstoffpolymerschicht auf der Zielschicht durch ein O2-Plasma geätzt wird, so dass eine grasartige Struktur gebildet wird;
  • 6A und 6B einen Zustand zeigen, bei dem gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung die Kohlenstoffpolymerschicht auf der Zielschicht durch ein O2-Plasma geätzt wird, so dass eine grasartige Struktur gebildet wird, während sie als Maske für die Zielschicht verbleibt;
  • 7A und 7B einen Zustand zeigen, bei dem gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung die Zielschicht Oberflächenstrukturen in Nanogröße aufweist, wenn die verbleibende Kohlenstoffpolymerschicht als Maske dient; und
  • 8 eine Elektronenmikroskopaufnahme der Zielschicht ist, die gemäß dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird eine Zielschicht 2 auf einem Substrat 1 ausgebildet. Hier ist die Zielschicht 2 ein Teil, der als Mikrostruktur gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung auszubilden ist und eines oder eine Mischung von zwei oder mehr ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Silicium und Diamant beinhalten kann.
  • Mit Bezug zu 2 wird eine Maskenschicht 3 mit einem bestimmten Muster oben auf der Zielschicht 2 ausgebildet. Wie in den 3A bis 3B gezeigt ist, wird isotropes oder anisotropes Ätzen durchgeführt, um einen Teil der Zielschicht 2 zu entfernen, der nicht von der Maskenschicht 3 bedeckt ist. Hier zeigen die 3A und 3B die Ergebnisse des anisotropen bzw. isotropen Ätzens.
  • Wie in den 4A und 4B gezeigt ist, wird nach Entfernen der Maskenschicht 3 eine Kohlenstoffpolymerschicht 4 auf der Zielschicht 2 ausgebildet. Die Kohlenstoffpolymerschicht 4 wird aus Photoresist oder Polyimid mittels einer Spinbeschichtungstechnik gebildet. Die Kohlenstoffpolymerschicht 4 wird durch Prozesse wie Spinbeschichtung, mildes Erwärmen und Härten gebildet, während seine Dicke im Bereich von 1 bis 20 μm erhalten bleibt.
  • Wie in den 5A und 5B gezeigt ist, wird an der Kohlenstoffpolymerschicht 4 Trockenätzen mittels Plasmaätzen durchgeführt, insbesondere durch reaktives Ionenätzen (RIE). Beim Plasmaätzen kann ein Reaktionsgas aus O2-Gas als Hauptkomponente und Gas aus der Fluorfamilie wie CF4, CF6 und CHF3 zusammengesetzt sein. Zum Beispiel kann das Reaktionsgas CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 und/oder SF6/CHF3/O2 beinhalten. Ebenso kann das Reaktionsgas eine Mischung von O2-Gas und Gas aus der Chlorfamilie sein. In diesem Fall kann das Reaktionsgas Cl2/O2, CCl4/O2 und/oder Cl2/CCl4/O2 beinhalten.
  • Beim Trockenätzen mit O2-Plasma wird die Kohlenstoffpolymerschicht 4 so geätzt, dass sich eine grasartige Struktur bildet, wie es in den 5A und 5B gezeigt ist. Die grasartige Struktur bezieht sich auf eine Struktur, die aufgrund von Schwankungen in der lokalen Ätzrate, eine feine raue Ätzoberfläche aufweist. In diesem Fall wird O2 zu Gas der Fluor- oder Chlorfamilie zugesetzt, um die Ätzrate von Polyimid zu erhöhen, das heißt, Ätzen eines oberen Endes der Zielschicht 2 zu erleichtern, wenn Plasma auf eine Mikrospitze der Zielschicht 2 einwirkt, wenn die Kohlenstoffpolymerschicht 4 geätzt wird. Hier wird beim Ätzen der Kohlenstoffpolymerschicht 4 die Ätzrate der Zielschicht 2 durch Plasma in Abhängigkeit vom Molverhältnis von O2 zu Gas der Fluor- oder Chlorfamilie, Prozessdruck, Plasmaenergie und dergleichen eingestellt. Da die Kohlenstoffpolymerschicht 4 auf diese Weise so geätzt wird, dass sich eine grasartige Struktur bildet, verbleibt Kohlenstoffpolymer auf einem Teil der Oberfläche der Zielschicht 2, das dadurch als Maske für die Zielschicht 2 dient.
  • Wenn die Kohlenstoffpolymerschicht 4 weiter geätzt wird, wie es in den 6A und 6B gezeigt ist, wird die Kohlenstoffpolymerschicht 4 fast entfernt und es beginnt das Ätzen der Zielschicht 2. Schließlich weist die Zielschicht 2, die ursprünglich eine flache Oberfläche aufwies, Oberflächenstrukturen in Nanogröße auf, wie es in den 7A und 7B gezeigt ist.
  • Die Oberflächenrauigkeit der Mikrostruktur wird in Abhängigkeit vom Unterschied in der Ätzrate zwischen der Mikrostruktur und der Kohlenstoffpolymerschicht 4 eingestellt. Insbesondere wird die Ätzrate bevorzugt durch Einstellen von Plasmaenergie, O2-Gehalt des Reaktionsgases in Bezug auf das Ätzgas zum Ätzen der Mikrostruktur und/oder Plasmaprozessdruck gesteuert.
  • 8 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme der Zielschicht 2 von 7B mit auf dem Substrat 1 ausgebildeten Oberflächenstrukturen in Nanogröße, die dem obigen Prozess unterzogen ist.
  • Das Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur mit Oberflächenstrukturen in Nanogröße wie es oben beschrieben ist, ist zur Ausbildung einer Elektronenemissionsquelle wie einer Feldemissionsanzeige geeignet. Darüber hinaus kann jegliche andere Mikrostruktur mit Oberflächenstrukturen in Nanogröße leicht nach diesem Verfahren hergestellt werden.
  • Zum Beispiel sind nach einem Test, den der Erfinder dieser Erfindung durchgeführt hat, im Falle eines FED-Bauteils, das nach dem Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur wie es oben beschrieben ist, herge stellt wurde, eine Gateanschaltspannung und eine Arbeitsspannung, im Vergleich zu einem herkömmlichen FED mit der gleichen Struktur, um ungefähr 20 V bzw. 40 bis 50 V reduziert. Hier bezieht sich eine Arbeitsspannung auf eine Spannung, bei der ein Emissionsstrom von 0,3 mA bei einer relativen Einschaltdauer von 1/90 und einer Frequenz von 60 Hz erhalten wird.
  • Wie oben beschrieben ist, kann die Höhe und Oberflächenrauhigkeit der Mikrospitze durch geeignetes Einstellen einer Ätzrate oder Ätzgeschwindigkeit zwischen der Mikrospitze und der Kohlenstoffpolymerschicht gemäß den Plasmaprozessbedingungen eingestellt werden. Die Ätzrate wird durch Steuern von Plasmaenergie, O2-Gehalt des Reaktionsgases in Bezug auf das Ätzgas zum Ätzen der Mikrostruktur und/oder Plasmaprozessdruck eingestellt.
  • Die vorliegende Erfindung kann einfach Oberflächenstrukturen in Nanogröße einer regelmäßig strukturierten Mikrostruktur ergeben. Das Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einem Prozess zum Ausbilden einer weiteren Mikrostruktur mit einer gewünschten Funktion enthalten sein. Die vorliegende Erfindung kann auch auf irgendeine andere Struktur als FED angewendet werden, die die oben beschriebene Struktur erfordert.
  • Obwohl diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sind die dargestellten Ausführungsformen nur Beispiele.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer Mikrostruktur mit Oberflächenstrukturen in Nanogröße, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Ausbilden einer Mikrostruktur (2) in einer bestimmten Größe und Form auf einem Substrat (1); dann Auftragen einer Kohlenstoffpolymerschicht (4) in einer bestimmten Dicke auf das Substrat (1) mit der Mikrostruktur; Durchführen einer Ätzung auf der Kohlenstoffpolymerschicht (4) mittels Plasmaätzen unter Verwendung eines Reaktionsgases, in dem O2-Gas zum Ätzen der Kohlenstoffpolymerschicht und ein Gas zum Ätzen der Mikrostruktur gemischt sind, so dass sich eine feine raue Oberfläche mit Nanostrukturen auf der Kohlenstoffpolymerschicht (4) entwickelt, wodurch eine Maskenschicht (3) auf der Oberfläche der Mikrostruktur (2) gebildet wird; und Fortsetzen des Ätzens der Kohlenstoffpolymerschicht (4), bis die Oberfläche der Mikrostruktur geätzt ist, wodurch die Mikrostruktur (2) mit Nanooberflächenstrukturen gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffpolymerschicht (4) aus Polyimid oder Photoresist gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstoffpolymerschicht (4) unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) geätzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Oberflächenrauigkeit der Mikrostruktur (2) durch Einstellen der Differenz der Ätzrate zwischen der Mikrostruktur (2) und der Kohlenstoffpolymerschicht (4) beeinflusst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ätzrate durch Plasmaenergie, O2-Gehalt des Reaktionsgases in Bezug auf das Ätzgas zum Ätzen der Mikrostruktur (2) und/oder Plasmaprozessdruck eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Mikrostruktur aus einem oder einer Mischung von zwei oder mehreren ausgewählt aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Silicium und Diamant gebildet wird und das Reaktionsgas eine Mischung von O2-Gas und Gas aus der Fluorfamilie ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Reaktionsgas CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 und/oder SF6/CHF3/O2 umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Mikrostruktur aus einem oder einer Mischung von zwei oder mehreren ausgewählt aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Silicium und Diamant gebildet wird und das Reaktionsgas eine Mischung von O2-Gas und Gas aus der Chlorfamilie ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Reaktionsgas Cl2/O2, CCl4/O2 und/oder Cl2/CCl4/O2 umfasst.
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