DE69219183T2

DE69219183T2 - Herstellungsmethode für abgeschrägte Oberfläche mit vorbestimmter Neigung

Info

Publication number: DE69219183T2
Application number: DE1992619183
Authority: DE
Inventors: Greg E Blonder
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-11
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: EP0499944B1; DE69219183D1; JPH0588335A; EP0499944A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Photolithographie und im besonderen ein Verfahren zur Bildung eines Werkstücks in einem einzigen photolithographischen Arbeitsgang, wobei eine oder mehrere geneigte Flächen jeweils vorbestimmte Neigungen haben. Die Erfindung kann zum Ausbilden von Ringen, Ebenen, Rohren und Tälern benutzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Photolithographische Verfahren, die unter der Verwendung von Licht ein Bild von einem Hauptmuster zu einem anderen Medium übertragen, werden hauptsächlich bei der Herstellung von Halbleitern und optoelektronischen Bauteilen verwendet. Bei einem typischen photolithographischen Arbeitsvorgang wird ein Werkstück, z. B. ein planares Halbleitersubstrat, mit einem lichtempfindlichen, nicht ätzbaren Material, Photoresist genannt, beschichtet. Der Photoresist wird dann mit einem aktivierenden Strahlenmuster durch das Übertragen von Licht durch eine schablonenartige Maske hindurch, die sich auf der beschichteten Oberfläche befindet, bestrahlt. Nach der Bestrahlung wird der Resist entwickelt. Wenn der Resist "positiv-arbeitend" ist, wird der bestrahlte Resist abgewaschen. Charakteristische kleine Öffnungen, Fenster genannt, sind in dem Resist geöffnet und ermöglichen eine ausgewählte Behandlung, wie Ätzen oder Lackieren des bestrahlten Substrates. Somit können zweidimensionale Muster definiert und bearbeitet werden.
Photolithographische Ätzvorgänge sind typischerweise "binäre" Vorgänge in dem Sinn, daß sie typischerweise entweder für das Entfernen eines gegebenen zweidimensionalen Gebietes benutzt werden oder das Gebiet nicht weggeätzt wird. Bei einem üblichen Fall hat ein einzelner photolithographischer Ätzvorgang nur eine begrenzte Fähigkeit, die Topologie einer Werkstückoberfläche zu bearbeiten.
Aus der US-A-4 912 022 ist ein Verfahren zum Herstellen geneigter Bereiche durch die Benutzung eines Diffusors bekannt, welcher dazu verwendet wird, das Licht nahe an den Kanten der Muster, die sich in der Maske befinden, auszubreiten. Das Licht tritt durch transmittierende Bereiche der Maske und bestrahlt bestimmte Bereiche des Resists.
Besondere topologische Formen erfordern typischerweise Spezialätzungen und zahlreiche Ätzschritte mit verschiedenen Masken.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Der Anmelder hat entdeckt, daß bei richtiger Ausführung der Maske und richtiger Wahl der Bestrahlung ein photolithographischer Arbeitsgang eine Oberfläche, die eine vorbestimmte Neigung hat, ausbilden kann. Im wesentlichen ist die Maske zum Glätten und monotonen Ändern der Lichtintensität in Richtung der Neigung und zum Wählen der Bestrahlungsintensität innerhalb eines Wertebereichs ausgebildet, wobei die Stärke des entwickelten Resists proportional zu der Bestrahlung ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liefert die Maske durch das Bereitstellen einer Reihe von undurchlässigen Dreiecken, die eine ausgerichtete Basis haben, eine glatte, monoton einstellbare Intensität. Die übertragene Lichtmenge wächst linear zwischen den ausgerichteten Basen, wo die Dreiecke dicht beieinanderliegen, zu den Spitzen, wo die Übertragung im wesentlichen nicht behindert wird. Durch das absichtliche Verwischen des projizierten Bildes der Maske auf dem Substrat während der Bestrahlung erhält man einen Bereich mit sich monoton ändernder Resiststärke in der Richtung zwischen der Basis und den Spitzen anstelle eines binären Bilds der Dreiecke. Im speziellen wird ein Werkstück mit einer vorbestimmten, geneigten Fläche durch folgende Schritte bereitgestellt:
a) Beschichten des Werkstücks mit einem Resist,
b) Bestrahlen des mit einem Resist beschichteten Werkstücks durch eine geeignete Maske mit einer aktivierenden Bestrahlung, die sich monoton in Richtung der Neigung ändert,
c) Entwickeln des bestrahlten Resists, und
d) Ätzen der sich ergebenden Struktur zum Ausbilden eines Tiefdruck- oder Strukturmusters in der Werkstückoberfläche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Vorteile, Beschaffenheit und die verschiedenen zusätzlichen Eigenschaften der Erfindung werden beim Betrachten der beispielhaften Ausführungsformen, die nachfolgend im Detail in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, noch anschaulicher gemacht:
Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm, das die Schritte zur Bereitstellung eines Werkstücks mit einer Vielzahl von unterschiedlich geneigten Oberflächen in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt,
Fig. 2 bis 5 zeigen schematische Querschnitte eines Werkstücks bei verschiedenen Arbeitsschritten von Fig. 1,
Fig. 6 zeigt eine Photographie, die das mittlere Teil einer Bestrahlungsmaske zeigt, die im Verfahren nach Fig. 1 gebraucht wird,
Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Photographie eines Maskenteils von Fig. 6,
Fig. 8 zeigt eine Mikrophotographie einer Reflektorstruktur, die eine Vielzahl von unterschiedlich geneigten Oberflächen hat, die durch die Benutzung des Verfahrens von Fig. 1 und der Maske von Fig. 6 erzeugt wurden.
Es ist verständlich, daß diese Zeichnungen die Erläuterung der Konzepte der Erfindung bezwecken. Abgesehen von den Fig. 6, 7 und 8 sind die Zeichnungen nicht skaliert.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, zeigt Fig. 1 die Schritte zum Herstellen eines Werkstücks mit geneigter Oberfläche mit vorbestimmter Neigung. Die Fig. 2 bis 5 illustrieren schematisch die während den verschienenen Arbeitsschritten von Fig. 1 produzierten Strukturen. Das Verfahren wird im Zusammenhang mit dem Herstellen einer konzentrischen Ringreflektoranordnung mit einer mittigen Linse erläutert, wie es in Fig. 8 dargestellt ist.
Fig. 1A zeigt, daß beim ersten Schritt die Oberfläche des Werkstücks mit einer dünnen Schicht Photoresist beschichtet wird. Dieser Schritt ist bei einer Beschichtung üblich und umfaßt typischerweise ein Aufschleudern einer Photoresistschicht auf einem Werkstück. Das Ergebnis, das schematisch in Fig. 2 illustriert ist, ist ein Werkstück 10, an dem eine Photoresistschicht 20 abgeschieden ist. Beim Herstellen der Reflektorstruktur von Fig. 8 wird eine 4 µm dicke Photoresistschicht AZ 1400-31 (Handelsname) auf ein 0,127 mm starkes Indiumphosphidsubstrat aufgeschleudert.
Der zweite Schritt, der in Fig. 1B gezeigt wird, umfaßt die Bestrahlung des Werkstücks, das mit einem Resist beschichtet ist, mit einer aktivierenden Bestrahlung in einem Muster, deren durchschnittliche Intensität sich von der höheren Kante der Oberfläche mit gewünschter Neigung zu der niedrigen Kante linear ändert. Für einen positiv arbeitenden Resist sollte die Durchschnittsintensität am niedrigsten entlang der Linie 30 längs der oberen Kante der gewünschten Neigungsfläche und am größten entlang der Linie 31 an der unteren Kante sein. Für einen negativ arbeitenden Resist sollte die durchschnittliche Intensität am größten an Linie 30 und am geringsten bei Linie 31 sein. Gewöhnlich wird eine solche Bestrahlung, wie sie in Fig. 3 gezeigt wird, mit ultraviolettem Licht 34 aus einer Quelle durch eine Übertragungsmaske 32 durchgeführt, die ein sich linear änderndes Übertragungsmuster in der X-Richtung der größten Neigung hat.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Bestrahlungsmaske, die in dem Verfahren von Fig. 1 gebraucht wird. Fig. 6 zeigt das Zentralteil einer Maske zum Ätzen einer Serie von Reflektorringen. Fig. 7 zeigt die Vergrößerung eines Maskenelements. Im wesentlichen umfaßt die Maske ein Muster, welches die Übertragung einer durchschnittlich linear ansteigenden Lichtmenge, wenn man von der oberen Kante der vorgeschlagenen Neigungsfläche in X-Richtung zur unteren Kante der Fläche voranschreitet, ermöglicht. Die Maske von Fig. 6 produziert eine Vielzahl von konzentrischen Ringen, die stufenweise geneigte Bereiche, die mit den Ringen R1, R2, R3 usw. übereinstimmen, und schroffe Verjüngungen der Stärke, die mit den offenen Feldern 64 übereinstimmen, umfassen. Solch eine Maske kann zweckmäßigerweise aufeinanderfolgende Ringe von unterschiedlichen, dreieckigen Bereichen 60 (Fig. 7) umfassen, die zueinander ausgerichtete Basen 62 und Spitzen 63 besitzen. Die durchschnittlich übertragene Lichtmenge durch die Maske an einer gegebenen Strecke d zwischen den Basen und den Spitzen ist im wesentlichen proportional zur Beabstandung s zwischen den angrenzenden Dreiecken 60 beim Abstand d. Wenn sich die Beabstandung s linear mit d ändert, ändert sich auch die übertragene Durchschnittslichtmenge linear mit d. Ein typischer dreieckiger Bereich 60 besitzt eine Basis von ungefähr 2,5 µm und einer Höhe von ungefähr 27 µm. Eine solche Maske wird auf einfache Weise unter Verwendung von konventionellen Elektronenstrahl-Bemusterungseinrichtungen hergestellt, wie z.B. mit einem EBES Mustergenerator (Handelsname), der durch die Perkin-Elmer Corporation vermarktet wird.
Auf diese Art wird die Intensität und Bestrahlungsdauer zum Herstellen einer sich monoton ändernden Dicke des entwickelbaren Resistes in Richtung der gewünschten Neigung ausgewählt, vorzugsweise eine linear änderbare Dicke des Resistes, die in dem darunter liegenden Substrat repliziert werden kann. Um dieses Ergebnis zu erreichen, benutzt man die Masken aus den Fig. 6 und 7, die Intensität und Dauer der Bestrahlung wird so gewählt, daß sie innerhalb des empirisch vorbestimmbaren Bereiches liegt, wobei die Dicke des entwickelten Resistes proportional zur Bestrahlung ist. Für den AZ 1400-31 (Handelsname) Resist, der in diesem Beispiel benutzt wird, war die angemessene Bestrahlungsdauer 2 Sekunden mit einer Quecksilberdampfentladungslampe in einem GCA-Schrittgeber bzw. -Stepper, Modell MANN 4800 (Handelsname). Die Bestrahlung fand in einem 5:1-Reduzier-Schrittgeber statt. Für andere Resists und Lichtquellen kann der lineare Bestrahlungsbereich durch die Bestrahlung einer resistbeschichteten Probe durch einen keilförmigen Neutraldichtefilter hindurch bestimmt werden. Nach der Entwicklung kann der lineare Bestrahlungspegel durch das Messen der Resistdicke unter Verwendung der herkömmlichen Instrumente, wie z. B. einem Dektak- Profilmeßgerät (Handelsname), erkannt werden.
Die Art der Bestrahlung wird gewählt, um ein scharfes Bild einer Bestrahlungsmaske zu verwischen, und dieses erzeugt dann eine Neigungsfläche anstelle eines scharfen Bilds der Maske. Eine Technik zum Verwischen des Bildes benutzt die Defraktion oder Beugung. Um diese Defraktionsverwischung zu erhalten, benutzt man undurchsichtige Maskenelemente, die ungefährt die Hälfte der minimalen Linienbreite, für die das Bestrahlungssystem konstruiert wurde, betragen. Zum Beispiel besitzt eine Anzahl von vorhandenen oder verfügbaren kommerziellen Systemen eine Lichtkollimation und Linsenqualität, die für eine ein-µm-Struktur geeignet ist. In einem solchen System, wäre eine Maske von dreieckigen Elementen, die eine 1/2 µm starke Basis besitzten, quer zur Neigungsrichtung ausreichend verwischt. Größere Maskenelemente können in demselben System unter Verwendung eines Reduzierschrittgebers (Reducing Stepper) benutzt werden. Zum Beispiel würde der Gebrauch eines 5:1-Reduzierschrittgebers eine Verwischung eines 2,5-µm-Maskenelementes in einem 1-µm- Bestrahlungssystem liefern. Alternativ dazu kann man das Bild eines Maskenelements durch das Plazieren eines Diffusors zwischen der Lichtquelle und der Maske verwischen. Ein Blatt oder Bogen von 0,127 mm (5 Mil) aus Polytetrafluorethylen wurde als ein besonders guter Diffusor von ultraviolettem Licht gefunden.
Bezugnehmend auf Fig. 1C ist der nächste Schritt nach dem Bestrahlen das Entwickeln des bestrahlten Resists. Das Ergebnis einer solchen Entwicklung ist ein Werkstück mit einer Tiefdruck- oder strukturierten Maske des Resists auf der Oberfläche, wie in Fig. 4 schematisch gezeigt wird. Wie auch noch in Fig. 4 gezeigt wird, stimmt bei einem positiven Resist der Bereich mit der größten Resistdicke (nahe Linie 30) mit dem Bereich der geringsten Bestrahlung überein, und der Bereich mit der kleinsten Resistdicke stimmt mit dem Bereich der größten Bestrahlung überein. Vorteilhafterweise wird der Resist nach dem Entwickeln in der gewöhnlichen Weise gebacken oder wärmebehandelt Beim Herstellen des Reflektors in Fig. 8 wurde der bestrahlte Resist 30 Sekunden lang in einem Shipley 505-Entwickler (Handelsname) entwickelt und 30 Minuten lang bei 90ºC gebacken.
Der nächste Schritt, der in Fig. 1D gezeigt wird, beinhaltet das Ätzen des mit einer Maske belegten Werkstücks, um die Resistmaske wegzuätzen und in der Werkstückoberfläche ein Tiefdruckmuster zu erzeugen, das mit den Tiefdruckmustern des Resistes übereinstimmt. Wie man in Fig. 5 sehen kann, kommt diese Musterübereinstimmung vor, weil zuerst die dünneren Bereiche des Resists weggeätzt werden und dadurch ein tiefer wirkendes Ätzen des Werkstücks in den darunterliegenden Bereichen ermöglicht wird. Dickere Bereiche des Resists schützen das Werkstück länger, was zu einer leichteren Anätzung der darunterliegenden Substrate zur Folge hat. Beim Herstellen der Struktur von Fig. 8 wurde die gebackene Struktur in einem reaktiven Plasma Technologies Plasmalab (Handelsname) lonenätzer mit eloxierten Aluminiumelektroden plaziert. Die Bodenelektrode wurde bei einer Temperatur von 70º0 belassen und war vollständig durch eine Quarzplatte bedeckt, die thermisch mit dieser verbunden war. Nach der Plasmareinigung der Kammer mit O&sub2; wurde die Struktur mit der Quarzplatte durch einen dünnen Film aus Diffusionspumpenflüssigkeit thermisch verbunden. Die Atzeinrichtung wurde dann auf 1,333 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) evakuiert und das Plasmagas, bestehend aus 10 cm³ (10 sccm) SiCl&sub4;, 10 cm³ (10 sccm) H&sub2; und 1 cm³ (1 sccm) CH&sub4; wurde bei einem Gesamtdruck von 1,999 x 10³ Pa (1,5 x 10&supmin;² Torr) durchströmen lassen. Eine Hochfrequenzquelle mit 13,6 MHz wurde mit einer Leistung von 180 W während 60 Minuten angelegt, welches eine selbsteinstellende Gleich-Vor- Spannung von 300 V ergab.
Das Ergebnis einer solchen Ätzung ist ein Werkstück, das eine Vielzahl von verschiedenen geneigten Flächen besitzt. Die Neigungen erstrecken sich abwärts von den minimal bestrahlten Bereichen, die mit der Linie der Dreiecksbasen übereinstimmen, zu den maximal bestrahlten Bereichen, die mit der Linie der Spitzen übereinstimmen. Somit wird der Neigungsgrad durch die Ätztiefe vorbestimmt, die relative Ätzrate des Photoresistes und des Substrates in der Ätzeinrichtung und den Abstand zwischen den beiden Bereichen, die in dieser Ausführungsform der Höhe der Dreiecke der diese umfassenden Maske 32 entspricht. Die sich ergebende Struktur umfaßt ein Indiumphosphid-Werkstück mit einer Vielzahl von konzentrischen Ringen, das in Fig. 8 photographisch dargestellt ist. Diese Struktur ist nutzbar als eine Reflektoranordnung zum Steigern der Lichtmenge von einer untenliegenden LED, die an eine darüber liegende Faseroptik angeschlossen ist.

Claims

1. Verfahren zur Bereitstellung eines Werkstücks mit einer geneigten Fläche mit den Verfahrensschritten:

Beschichten des Werkstücks mit einem Resist,

Bestrahlen des beschichteten Werkstücks durch eine Maske mit einer aktivierenden Bestrahlung einer Intensität, die sich monoton in Richtung der gewünschten Neigung ändert,

Entwickeln des bestrahlten Resists zur Erzeugung eines Resistmusters, das sich in der gewünschten Richtung neigt, und

Ätzen der sich ergebenden Struktur zur Erzeugung der gewünschten, geneigten Fläche im Substrat, wobei die monotone Änderung der Intensität durch einen Mittelwert- Bildungseffekt über Strukturen der Maske gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem das beschichtete Werkstück der aktivierenden Strahlung durch Aussetzen eines diffusen Strahlungsdurchgangs durch eine Bestrahlungsmaske mit einem Übertragungsmuster unterworfen wird, das sich linear in Richtung der gewünschten Neigung ändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem das beschichtete Werkstück der aktivierenden Strahlung durch Aussetzen eines Strahlungsdurchgangs durch eine Bestrahlungsmaske unterworfen wird, wie eine Vielzahl von undurchlässigen, dreieckförmigen Bereichen mit ausgerichteter Basis und ausgerichteten Spitzen umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem das beschichtete Werkstück einem verkleinerten Bild der Maske ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem der Resist ein positiv arbeitender Photoresist ist, der durch ultraviolettes Licht aktiviert wird, und das beschichtete Werkstück dem Ultraviolett-Licht- Durchgang durch eine Bestrahlungsmaske ausgesetzt wird, die eine Vielzahl von undurchlässigen, dreieckförmigen Bereichen umfaßt, deren Basis entlang einer Linie ausgerichtet sind, die eine Hochkante des gewünschten Neigungsbereichs bildet, und deren Spitzen entlang einer Linie ausgerichtet sind, die eine niedrige Kante des Neigungsbereichs bildet.