DE69303320T2

DE69303320T2 - Herstellung von Mikrostrukturen unterschiedlicher Strukturhöhe mittels Röntgentiefenlithographie mit Opfermetallschicht

Info

Publication number: DE69303320T2
Application number: DE69303320T
Authority: DE
Inventors: Henry Guckel Henry Guckel
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: JP3249233B2; MX9302149A; EP0567332A2; US5190637A; JPH0645232A; DE69303320D1; CA2088605C; EP0567332A3; KR930022470A; KR100272829B1; CA2088605A1; ATE139810T1; EP0567332B1; IL104835A0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Halbleiterbauelemente und der mikromechanischen Bauelemente und Herstellungstechniken hierfür sowie insbesondere die Bildung von aus Metall gebildeten Mikrominiaturstrukturen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die tiefe Röntgenstrahl-Lithographie umfaßt ein Substrat, das durch ein dickes Photoresist bedeckt ist, daß typischerweise eine Dicke von mehreren 100 µm (Mikrons) besitzt und durch eine Maske mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. Röntgenphotonen sind viel energiereicher als optische Photonen, wodurch die vollständige Bestrahlung eines dicken Photoresistfilms machbar und praktikabel ist. Da Röntgenphotonen kurzwellige Partikel sind, sind bei Maskenabmessungen von mehr als 0,1 µm (Mikrons) Beugungseffekte, die typischerweise die Bauelementabmessungen auf zwei oder drei Wellenlängen der Bestrahlung begrenzen, nicht vorhanden. Unter Hinzunahme der Tatsache, daß Röntgenphotonen durch atomare Prozesse absorbiert werden, werden Probleme stehender Wellen, die typischerweise die Bestrahlungen dicker Photoresists durch optische Einrichtungen beschränken, für Röntgenbestrahlungen unwesentlich. Die Verwendung eines Synchrotrons für die Röntgenstrahlenquelle liefert hohe Flußdichten - mehrere Watt pro Quadratzentimeter - in Verbindung mit ausgezeichneter Kollimation, um Bestrahlungen eines dicken Photoresists ohne jegliches horizontale Verlaufen zu erzeugen. Lokal bestrahlte Muster sollten daher vertikale Photoresistwände erzeugen, falls ein Entwicklungssystem mit sehr hoher Selektivität zwischen dem bestrahlten und dem nicht bestrahlten Photoresist verfügbar ist. Diese Anforderung wird durch Polymethylmethacrylat (PMMA) als Röntgenphotoresist und ein wässeriges Entwicklungssystem erfüllt. Siehe H. Guckel u. a. "Deep X-ray and UV Lithographies For Micromechanics", Technical Digest, Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, S.C., 4.-7. Juni 1990, S. 118-122.
Die tiefe Röntgenstrahl-Lithographie kann mit dem Galvanisieren kombiniert werden, um Strukturen mit hohem Schlankheitsverhältnis zu bilden. Dies macht erforderlich, daß das Substrat vor der Aufbringung des Photoresists mit einer geeigneten Metallisierungsbasis versehen wird. Typischerweise umfaßt dies einen aufgedampften Film aus einem Haftmetall wie etwa Chrom oder Titan, dem ein Dünnfilm aus dem Metall folgt, das als Metallisierung dienen soll. Der Bestrahlung durch eine geeignete Maske und der Entwicklung folgt die Galvanisierung. Dies ergibt nach dem Reinigen vollständig befestigte Metallstrukturen mit sehr hohen Schlankheitsverhältnissen. Solche Strukturen wurden von W. Ehrfeld und Mitarbeitern am Institut für Kernphysik, Universität Karlsruhe, Westdeutschland, berichtet. Ehrfeld hat den Prozeß anhand der ersten Buchstaben der deutschen Wörter für Lithographie und Galvanisieren mit "LIGA" bezeichnet. Ein allgemeiner Überblick über den LIGA-Prozeß wird in dem Artikel von W. Ehrfeld u. a. "LIGA Process: Sensor Construction Technics Via X-Ray Lithography", Technical Digest, IEEE Solid- State Sensor and Actuator Workshop, 1988, S. 1-4, gegeben.
Eine Schwierigkeit beim ursprünglichen LIGA-Prozeß besteht darin, daß er nur vollständig befestigte Metallstrukturen erzeugen kann. Dadurch werden die möglichen Anwendungsbereiche ernsthaft und unnötig eingeschränkt.
Die Hinzufügung einer Opferschicht zum LIGA-Prozeß erleichtert die Herstellung von vollständig befestigten, teilweise befestigten oder vollkommen freien Metallstrukturen. Da die Bauelementdicken typischerweise größer als 10 Mikrons und kleiner als 300 µm (Mikrons) sind, werden freistehende Strukturen nicht geometrisch verzogen, sofern eine vernünftige Beanspruchungssteuerung für den Metallisierungsfilm erzielt wird. Diese Tatsache macht die Zusammenfügung in der Mikromechanik möglich und führt dabei zu nahezu beliebigen dreidimensionalen Strukturen. Siehe H. Guckel u. a. "Fabrication of Assembled Micromechanical Components via Deep X-Ray Lithography", Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 30. Januar bis 2. Februar 1991, S. 74-79. Im Prinzip ist es möglich, den LIGA-Prozeß mit oder ohne Opferschicht zu erweitern, indem mehrere Röntgenbestrahlungen des Photoresists und einer Galvanisierung der zusätzlichen Metallschichten nach jeder Bestrahlung ausgeführt werden. Die Erweiterung des herkömmlichen LIGA-Prozesses stößt jedoch sowohl auf topologische als auch auf praktische Schwierigkeiten. Das topologische Problem leitet sich aus der Tatsache ab, daß der elektrische Kontakt mit der Metallisierungsbasis während des Galvanisierens hergestellt werden muß. Da der Röntgenstrahlungs-Photoresist ein Isolator ist, kann der elektrische Kontakt nach der Röntgenbestrahlung und der Entwicklung des Photoresists nur durch die vorher abgelagerten Metallstrukturen entstehen, welche ihrerseits mit der darunterliegenden Metallisierungsbasis in Kontakt sind. Dies macht erforderlich, daß eine annehmbare Topologie einer zweiten Röntgenmaske die Merkmale enthalten müßte, die stets vollständig in den Merkmalen der ersten Maske enthalten sind. Auf diese Weise könnte ein Schaft mit Stufen mit jeweils abnehmendem Durchmesser konstruiert werden. Ein Schaft mit einem anfangs kleinen Durchmesser und einer zweiten Schicht, die sich zu einem größeren Durchmesser oder zu einem Zahnrad erweitert, ist jedoch nicht möglich. Das zweite Problem besteht in der praktischen Ausführbarkeit des Prozesses. Die Bestrahlung und die Entwicklung des Röntgenphotoresists und die anschließende Galvanisierung erzeugen Sprünge und Risse im Photoresist. Obwohl es möglich ist, daß die Beschädigung des Photoresists durch Aufbringen einer zweiten Photoresistschicht teilweise geheilt werden kann, besteht bei zusätzlichen Schichten des Photoresists die Neigung, daß die Photoresistbeanspruchung erhöht wird und daß geometrische Verformungen des Photoresists hervorgerufen werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Bilden einer mikromechanischen Struktur, mit den Schritten:
(a) Schaffen einer Metallisierungsbasis auf einer Oberfläche eines Substrats;
(b) Aufbringen einer Schicht eines Photoresists auf die Metallisierungsbasis;
(c) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, damit das Photoresist in einem Muster löslich wird;
(d) Entfernen des löslichen Photoresists;
(e) Aufbringen einer ersten Schicht aus einem Primärmetall durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist;
(f) Entfernen des restlichen Photoresists;
(g) Aufbringen einer ersten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis, um die erste Schicht des Primärmetalls zu bedecken und zu umgeben, wobei das Sekundärmetall so gewählt ist, daß es ohne wesentliche Ätzung des Primärmetalls geätzt werden kann, wobei die Aufbringung des Sekundärmetalls durch Galvanisieren vorzugsweise bis zu einer Höhe erfolgt, die größer als die Höhe der ersten Schicht des Primärmetalls ist;
(h) Abtragen der freiliegenden Oberfläche des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer gewählten Höhe, bei der die erste Schicht des Primärmetalls freiliegt.
Das Verfahren der Erfindung enthält vorzugsweise den weiteren Schritt des Aufbringens eines Ätzmittels auf die Primär- und Sekundärmetalle, das das Sekundärmetall ätzt, während es das Primärmetall im wesentlichen nicht ätzt, um das Sekundärmetall zu entfernen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Verfahren vorzugsweise die weiteren Schritte:
(a) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht über der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und des Sekundärmetalls;
(b) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;
(c) Entfernen des löslichen Photoresists;
(d) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um wenigstens einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls zu bedecken und um außerdem einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls zu bedecken;
(e) Entfernen des restlichen Photoresists;
(f) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die zweite Schicht des Primärmetalls und auf die Oberfläche der ersten Schicht der Primär- und Sekundärmetalle, wobei diese zweite Schicht des Sekundärmetalls vorzugsweise bis zu einer Höhe abgelagert wird, die größer als die Höhe der zweiten Schicht des Primärmetalls ist;
(g) Abtragen der freiliegenden Oberfläche der zweiten Schicht des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer Höhe, bei der die zweite Schicht des Primärmetalls freiliegt.
Diese besondere Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung enthält optional den zusätzlichen Schritt des Aufbringen eines Ätzmittels auf die Oberfläche der zweiten Schichten der Primär- und Sekundärmetalle, um die ersten und zweiten Schichten des Sekundärmetalls wegzuätzen, wobei die ersten und zweiten Schichten des Primärmetalls im wesentlichen nicht geätzt werden.
In dem Verfahren der Erfindung wird im Schritt des Bestrahlens des Photoresists in einem Muster das Photoresist so bestrahlt, daß zwei parallele Bereiche geschaffen werden, in denen das Photoresist gelöst werden kann, und indem das durch Galvanisieren aufgebrachte Primärmetall, das in dem Bereich, in dem das Photoresist gelöst worden ist, gebildet ist, zwei parallele, aufrechte Wände definiert, die sich von der Metallisierungsbasis erstrecken. Die Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung enthält vorzugsweise die weiteren Schritte:
(a) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und der ersten Schicht des Sekundärmetalls;
(b) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in dem Muster, das sich über die zwei durch die erste Schicht des Primärmetalls definierten aufrechten Wände erstreckt, löslich zu machen;
(c) Entfernen des löslichen Photoresists;.
(d) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um die freiliegende Fläche der ersten Metallschichten zu bedecken, und um die freiliegende Fläche des Sekundärmetalls zwischen den zwei durch die erste Schicht des Primärmetalls gebildeten aufrechten Wänden zu überbrücken;
(e) Entfernen des restlichen Photoresists;
(f) Aufbringen eines Ätzmittels auf die Primär- und Sekundärmetalle, um die erste Schicht des Sekundärmetalls wegzuätzen, wobei die ersten und zweiten Schichten des Primärmetalls im wesentlichen nicht geätzt werden.
In dem Verfahren der Erfindung enthält das Substrat vorzugsweise eine Schicht aus Opfermaterial, auf die die Metallisierungsbasis aufgebracht ist, und nach Abschluß sämtlicher anderen Schritte den weiteren Schritt des Entfernens der Metallisierungsbasis in ausgewählten Bereichen zur Schaffung eines Zugangs zum Opferschichtmaterial sowie des Aufbringens eines Ätzmittels, das die Opferschicht ätzt, ohne das Primärmetall wesentlich zu ätzen.
Gemäß einer dritten besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Verfahren die Schritte:
(a) Schaffen einer Metallisierungsbasis auf einer Oberfläche eines Substrats;
(b) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der Metallisierungsbasis;
(c) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;
(d) Entfernen des löslichen Photoresists;
(e) Aufbringen einer ersten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist;
(f) Entfernen des restlichen Photoresists;
(g) Aufbringen einer ersten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis, um die erste Schicht des Primärmetalls zu bedecken und zu umgeben, wobei das Sekundärmetall in der Weise gewählt ist, daß es geätzt werden kann, ohne daß das Primärmetall im wesentlichen geätzt wird;
(h) Abtragen der freiliegenden Oberfläche des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer ausgewählten Höhe, bei der die erste Schicht des Primärmetalls freiliegt;
(i) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und der ersten Schicht des Sekundärmetalls;
(j) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;
(k) Entfernen des löslichen Photoresists;
(l) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um wenigstens einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls zu bedecken und um außerdem einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls zu bedecken;
(m) Entfernen des restlichen Photoresists;
(n) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die zweite Schicht des Primärmetalls und auf die Oberfläche der ersten Schicht der Primär- und Sekundärmetalle;
(o) Abtragen der freiliegenden Oberfläche bis zu einer Höhe, bei der die zweite Schicht des Primärmetalls freiliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können komplexe Metallstrukturen in Mikrominiaturdimensionen unter Verwendung der mehreren Maskenbestrahlungen gebildet werden, welche die Ausbildung von im wesentlichen beliebigen dreidimensionalen Formen ermöglichen. Diese Formen enthalten auf einem Substrat gebildete Strukturen, die überhängende Abschnitte besitzen, sowie röhrenförmige Strukturen, die für hydraulische und pneumatische Anwendungen verwendet werden können, und außerdem Teile, die auf einer Opferschicht gebildet sind, um die vollständige Entfernung der Teile vom Substrat für die nachfolgende Zusammenfügung zu ermöglichen. Der Prozeß ist besonders gut geeignet für die tiefe Röntgenstrahl-Lithographie, in der Metallstrukturen durch Röntgenbestrahlung eines relativ dicken Photoresists und durch Aufbringen eines Metalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem der bestrahlte Photoresist entfernt worden ist, gebildet werden, was Strukturen ergibt, die äußerst gut definierte vertikale Wände mit einer erheblichen Höhe, z. B. mit einer Dicke von 100 bis 300 Mikrometer, besitzen.
Bei der Ausführung des Prozesses der Erfindung wird anfangs auf ein Substrat eine Metallisierungsbasis aufgebracht, alternativ kann in geeigneten Fällen ein Metallsubstrat selbst als Metallisierungsbasis dienen. Wenn das gebildete Teil später teilweise und vollständig vom Substrat entfernt werden soll, wird die Metallisierungsbasis auf eine anfängliche Opferschicht auf dem Substrat aufgebracht. Dann wird das Photoresist auf die Metallisierungsbasis gegossen, woraufhin das Photoresist in einem Muster bestrahlt wird, etwa mit einer Synchrotron- Bestrahlung durch eine Röntgenmaske, woraufhin das bestrahlte Photoresist entfernt wird. Anschließend wird eine erste Schicht eines Primärmetalls auf die bestrahlte Metallisierungsbasis durch Galvanisieren aufgebracht, um den Bereich zu füllen, der durch den leeren Raum im Photoresist definiert ist. Das verbleibende Photoresist wird anschließend entfernt, woraufhin ein Sekundärmetall, das ein Opfermetall bilden kann, durch Galvanisieren auf der vorher abgelagerten ersten Schicht des Primärmetalls und der Metallisierungsbasis aufgebracht wird. Wenn das Sekundärmetall als Opfermetall verwendet werden soll, wird es in der Weise gewählt, daß es durch ein selektives Ätzmittel, das im wesentlichen das Primärmetall nicht angreift, differentiell geätzt wird. Die bestrahlte Oberfläche des abgelagerten Sekundärmetalls wird anschließend bis auf eine Höhe abgetragen, bei der das erste Metall freiliegt. Die Abtragung, z. B. durch mechanisches Schleifen oder Fräsen, erzielt eine im wesentlichen flache, gleichmäßige Oberfläche, die sich über die Primär- und Sekundärmetalle erstreckt und eine genaue Steuerung der Dicke der ersten Schicht des Primärmetalls ermöglicht und insbesondere die im wesentlichen gleichmäßige Ausbildung der bestrahlten Oberfläche des Primärmetalls ermöglicht. Im Gegensatz dazu zeigt ein galvanisiertes Metall an sich vor der Abtragung zu einer unebenen Oberfläche, deren Dicke nicht gut kontrolliert ist. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls besser als die rauhe Oberfläche eines grob plattierten Metalls dazu geeignet, eine galvanisierte zweite Schicht aufzunehmen.
Die Verwendung des Sekundär- oder Opfermetalls zur vollständigen Abdeckung der ersten Schicht des Primärmetalls erleichtert die Abtragung der Oberfläche sowohl des Primär- als auch des Sekundärmetalls, so daß es wegen der mechanischen Stabilität, die das Sekundärmetall dem Primärmetall verleiht, das es umgibt und trägt, möglich ist, die Oberfläche des Primärmetalls auf eine gewünschte Höhe zu reduzieren. Im Gegensatz dazu ist eine solche mechanische Abtragung schwierig oder unmöglich, wenn ein Polymer-Photoresist in der Nähe des Primärmetalls zurückbleibt; die Abtragung kann im allgemeinen nicht sowohl durch das Photoresist und das Primärmetall erfolgen, da das Photoresist mechanisch verhältnismäßig schwach ist und zerkleinert wird und zerreißt, wenn es gefräst wird, außerdem ist das Photoresist nicht stark genug, um für verhältnismäßig kleine und möglicherweise zerbrechliche Primärmetall-Strukturen einen horizontalen Träger zu schaffen. Falls das Photoresist entfernt würde und die Abtragung der nun isolierten Primärmetall-Strukturen versucht würde, würde eine solche Abtragung in ähnlicher Weise äußerst schwierig sein und eine wesentliche Beschädigung wie etwa ein Abbrechen von Abschnitten der Primärmetall-Struktur vom Substrat riskieren.
Nachdem die erste Schicht der Primär- und Sekundärmetalle bis auf die gewünschte Höhe abgetragen worden ist, kann sowohl auf dem Primärmetall als auch auf dem Sekundärmetall eine zweite Photoresistschicht aufgebracht werden, anschließend wird das Photoresist mit Röntgenstrahlen in einem gewünschten Muster bestrahlt, was ein Photoresist ergibt, das wenigstens einen Teil des Primärmetalls abdeckt und sich über das Sekundärmetall erstreckt. Anschließend wird das bestrahlte Photoresist entfernt, woraufhin eine zweite Schicht des Primärmetalls, das im allgemeinen, jedoch nicht notwendig das gleiche Metall wie dasjenige der ersten Schicht des Primärmetalls ist, durch Galvanisieren im Bereich des entfernten Photoresists aufgebracht, um wenigstens zum Teil die erste Schicht des Primärmetalls, jedoch auch die erste Schicht des Sekundärmetalls abzudecken. Da sowohl das Primär- als auch das Sekundärmetall elektrische Leiter sind, kann über diesen beiden Werkstoffen die Galvanisierung erfolgen. Das Photoresist wird anschließend entfernt. Falls nur zwei Schichten erwünscht sind, kann an diesem Punkt das Sekundärmetall mit einem Ätzmittel entfernt werden, das das Sekundärmetall und nicht das Primärmetall differentiell ätzt, um die zwei isolierten Schichten der Primärmetall-Struktur auf dem Substrat zurückzulassen. Falls diese Struktur vom Substrat befreit werden soll, wird anschließend die Metallisierungsbasis bemustert und um die Struktur entfernt, woraufhin die Opferschicht unter der Metallisierungsbasis gelöst wird, um die Struktur freizugeben.
Alternativ kann die erste Schicht des Sekundärmetalls an ihrem Ort gelassen werden, ferner kann eine zweite Schicht des Sekundärmetalls sowohl auf der zweiten Schicht des Primärmetalls als auch auf der ersten Schicht des Sekundärmetalls abgelagert werden. Nach dem Galvanisieren kann die bestrahlte Oberfläche anschließend abgetragen werden, um die Gesamthöhe der Mehrschichtstruktur auf eine gewünschte Höhe zu reduzieren und um die zweite Schicht des Primärmetalls zu bestrahlen. An diesem Punkt kann der obenbeschriebene Prozeß, d. h. Gießen des Photoresists, Bestrahlen des Photoresists, Entfernen des bestrahlten Photoresists und Ablagern der dritten Schicht des Primärmetalls, wiederholt werden. Der Prozeß kann so oft wiederholt werden, wie Schichten gewünscht sind.
Es können ohne weiteres komplexe Strukturen wie etwa hohle Rohre und Brückenstrukturen gebildet werden, indem die zweite Schicht des Primärmetalls ein Sekundärmetall zwischen zwei oder mehr Strukturen, die auf der ersten Schicht des Primärmetalls gebildet sind, überbrückt.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen
sind die Fig. 1-9 schematische Ansichten, die die Schritte im Prozeß der Erfindung zur Bildung einer auf einem Substrat befestigten Mehrschichtstruktur erläutern;
sind die Fig. 10-17 schematische Ansichten, die die Schritte im Prozeß der Erfindung zum Bilden einer auf einem Substrat befestigten röhrenförmigen Struktur erläutern;
sind die Fig. 18-23 schematische Ansichten, die die Schritte im Prozeß der Erfindung zum Bilden einer Struktur erläutern, die vom Substrat durch Entfernen einer Opferschicht befreit werden kann.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In der vorliegenden Erfindung können Mikrostrukturen auf vielen verschiedenen Substraten einschließlich Silicium, Germanium, Metallen, Keramik, Glas usw. gebildet werden. Solche Substrate können Halbleitersubstrate umfassen, auf denen elektronische Bauelemente unter Verwendung herkömmlicher planarer Prozesse gebildet worden sind. Obwohl die vorliegende Erfindung tiefe Bestrahlungen eines Photoresists wie etwa eine Röntgenbestrahlung durch eine Synchrotronstrahlung verwendet, können Abschnitte des Substrats, auf denen keine Strukturen ausgebildet werden sollen, abgedeckt werden, so daß sie keiner wesentlichen Bestrahlung ausgesetzt sind. Darüber hinaus kann eine minimale Strahlungsbeschädigung nach der Bestrahlung geglüht werden. Somit ist der vorliegende Prozeß mit der mikroelektronischen Fertigung kompatibel, so daß die Integration von mechanischen Strukturen in mikroelektronische Halbleitersubstrate möglich ist.
Der grundlegende Prozeß der Erfindung wird mit Bezug auf die Ansichten der Fig. 1-9 veranschaulicht. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann das anfängliche Substrat 30 wie oben angegeben viele verschiedene Materialien einschließlich Halbleitern, Isolatoren usw. enthalten. Das Substrat 30 könnte aus einem leitenden Metall gebildet sein. In einem solchen Fall ist eine Metallisierungsbasis nicht notwendig. Im allgemeinen wird jedoch auf der oberen Fläche des Substrats 30 etwa durch Aufdampfen eine Metallisierungsbasis 31 abgelagert, woraufhin das Photoresist 33, z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) mit der gewünschten Dicke gegossen wird. Der nächste Schritt enthält, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Röntgenbestrahlung und die Lösung des Photoresists in einem gewünschten Muster sowie die Aufbringung einer ersten Schicht eines Primärmetalls 34, beispielsweise Nickel, durch Galvanisieren. Es ist deutlich, daß in Abhängigkeit vom Typ der verwendeten Strahlung, der Bestrahlungstiefe und den Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Photoresists positive und negative Photoresists verwendet werden können. Als nächstes wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, das Photoresist 33 entfernt, woraufhin ein Sekundärmetall 36 auf der ersten Schicht des Primärmetalls und auf der Metallisierungsbasis 31 dort, wo sie freiliegt, durch Galvanisieren aufgebracht wird. Wenn beispielsweise das Primärmetall Nickel ist, kann als Sekundärmetall Silber verwendet werden. Als nächstes wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die bestrahlte Oberfläche solange mikrogefräst, bis das Primärmetall 34 freiliegt und eine im wesentlichen gleichmäßige, ebene Oberfläche 37 gebildet ist, die sich sowohl über das Primärmetall 34 als auch über das Sekundärmetall 36 erstreckt. An diesem Punkt kann das Sekundärmetall 36 durch Ätzen selektiv entfernt werden, wodurch eine einstufige Struktur erzeugt wird, wovon sämtliche Oberflächen wohldefiniert sind. Diese Entfernung findet unter Verwendung eines Ätzmittels statt, das das Sekundärmetall, nicht jedoch das Primärmetall ätzt. Da das Sekundärmetall ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Primärmetall besitzt, schafft das Sekundärmetall eine kohärente Struktur mit ausreichender Integrität, um eine genaue Abtragung, etwa durch Fräsen, zu ermöglichen.
Der Prozeß kann mit weiteren Schichten wie in Fig. 5 gezeigt fortgesetzt werden, wobei eine zweite Schicht des Photoresists 39 auf die Oberfläche 37 gegossen wird, die sich über die ersten Schichten des Primärmetalls 34 und des Sekundärmetalls 36 erstreckt. Dann wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist, eine Röntgenmaske für die zweite Schicht auf die Struktur ausgerichtet, woraufhin eine Röntgenbestrahlung etwa in einem Synchrotron ausgeführt wird, anschließend wird das Photoresist entwickelt, um einen Abschnitt des Photoresists zu entfernen, damit wenigstens ein Teil wenn nicht die gesamte Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls 34 sowie ein Teil der Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls 36 freiliegt. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird anschließend eine zweite Schicht des Primärmetalls 41 durch Galvanisieren auf den Bereich 40 aufgebracht, der sowohl wenigstens einen Teil der Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls 34 als auch einen Teil der Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls 36 abdeckt. Die zweite Schicht des Primärmetalls 41 kann aus dem gleichen Metall wie die erste Schicht 34 sein oder auch nicht.
Obwohl die Röntgenbestrahlung des Photoresists mittels Synchrotron-Röntgenstrahlen bevorzugt wird, um Strukturen mit maximaler Tiefe und minimalem Verlaufen zu erhalten, ist deutlich, daß der Prozeß mit anderer Strahlung wie etwa Ultraviolett(UV)- oder Röntgenstrahlung ohne Synchrotronquelle ausgeführt werden kann, wenn dünnere Strukturen annehmbar sind.
Wie in Fig. 8 gezeigt, kann das Photoresist 30 anschließend entfernt werden, woraufhin eine weitere Schicht 43 des Sekundär- oder Opfermetalls durch Galvanisieren aufgebracht werden kann, um sowohl die erste Schicht 36 des Sekundärmetalls als auch die zweite Schicht 41 des Primärmetalls abzudecken. Anschließend kann, wie in Fig. 9 gezeigt, die freiliegende Oberfläche bis auf eine gewählte Höhe mikrogefräst werden, wodurch die zweite Schicht 41 des Primärmetalls freiliegt und eine im wesentlichen ebene, gleichmäßige Oberfläche 44 sowohl über der zweiten Schicht 43 des Sekundärmetalls als auch über der zweiten Schicht 41 des Primärmetalls erzeugt wird. An diesem Punkt ist erneut eine ebene Oberfläche erzeugt worden, auf der nachfolgende Schichten gebildet werden können. Das Sekundärmetall kann in diesem Zeitpunkt entfernt werden, falls dies gewünscht ist, was eine dreidimensionale Struktur ergibt, die Merkmale wie etwa Überhänge und Vorsprünge besitzt, die mit einem Einzelschichtprozeß nicht erhalten werden können.
Im folgenden wird ein beispielhafter, genauer Prozeß zum Ausführen des grundlegenden mehrstufigen Prozesses der Erfindung wie oben allgemein beschrieben dargelegt.
(1) Es wird mit einem Substratmaterial aus Silicium, Glas, Metallen oder aber Silicium mit geschützten bearbeiteten Halbleiterbauelementen begonnen:
(a) Aufdampfen der Metallisierungsbasis: 150 Å Ti und 300 Å Ni, die beide bei 160 ºC aufgedampft werden (10 Å = 1 nm);
(b) Aufbringen eines Haftungspromotors zum Gießen von PMMA: diese Lösung wird 4 Stunden vor der Aufbringung frisch gemischt:
95 ± 1 ml MeOH
5 ± 0,1 ml DI-Wasser
0,10 ± 0,01 ml TMPMA (3-(Trimethoxyscilyl) Propyl- Methacrylat)
Fluten der Oberfläche des Substrats; Rotieren mit 2000 min&supmin;¹ für 40 s; anschließend Schleuderbeschichtung von 496K, 9 % PMMA, das mit 5000 min&supmin;¹ für 60 s rotiert wird;
Glühen in einem programmierbaren Ofen unter Stickstoff:
Anstieg mit 60 ºC/Stunde bis 180 ºC, Halten für eine Stunde bei 180 ºC
Absenken mit -60 ºC/Stunde auf Raumtemperatur;
(c) Gießen von PMMA
das Gießen wird unter Verwendung zweier im voraus gemischter Lösungen ausgeführt:
Lösung I:
35 Gew.-% PMMA - mittleres Molekulargewicht - Aldrich #18, 224-9
61 Gew.-% MMA-Metylmethacrylat - Aldrich #M5, 590-9
2 Gew.-% EGDA-Ethylenglykoldimethacrylat - Aldrich #33, 568-1
2 Gew.-% DMA-N,N-Dimethylanilin - Aldrich #D14, 575-0
Lösung II:
35 Gew.-% PMMA
62 Gew.-% MMA
2 Gew.-% EGDA
1 Gew.-% BPO - Benzoylperoxid - Aldrich #17, 998-1
Der Hemmstoff in MMA wird unter Verwendung einer Hemmstoffentfernungskolonne entfernt (Aldrich #30, 631-2). Die 35 Gew.-% PMMA müssen zuerst in MMA gelöst werden ( eine Woche).
Die Lösungen I und II werden direkt vor dem Gießen unter Verwendung eines Vakuummischers vermischt. Eine gewählte Menge des PMMA-Sirups wird auf den Substratwafer aufgebracht, der anschließend in eine Gießbefestigung eingesetzt wird, um das PMMA auf die gewünscht Dicke zu pressen. Die Proben bleiben für 48 Stunden festgeklemmt und werden dann in einem programmierbaren Ofen unter 2 lpm N&sub2; folgendermaßen geglüht:
mit 20 ºC/Stunde auf 110 ºC, anschließend Halten für eine Stunde bei 110 ºC
mit -5 ºC/Stunde Abkühlen auf Raumtemperatur
(2) (a) Zusammenfügen der Struktur und der Röntgenmaske, die ein erstes Schichtmuster enthält, in einem geeigneten Röntgenbestrahlungs-Spannwerkzeug.
(b) Transportieren zum Synchrotron und Röntgenbestrahlung unter den folgenden Bedingungen (das Beispiel ist das Aladdin-Synchrotron an der Universität von Wisconsin)
- Die Bestrahlungskammer ist gefüllt mit 2,66 kPa (20 Torr) He
- Be-Filter mit 250 µm
- typische Bestrahlung für einen 100 µm-Film ≥ 2500 mJ/cm² unter Verwendung einer Flußkonstanten von 0,0095 mW/cm²
- die typische Abtastung beträgt 2,0 cm bei 0,05 cm/s
(c) tiefe UV-Kantenbestrahlung der Probe mit linear aufgeschleudertem PMMA für den zur Metallisierungsbasis geöffneten Kontakt ( 5 Min. bei 3,25 mW/cm²)
(d) Entwickeln mit EO-Entwickler:
Die Entwicklungsfolge enthält ein Entwicklerbad und zwei Spülbäder und besteht aus:
Entwickler:
60 Vol.-% 2-(2-Butoxyethoxy)Ethanol
20 Vol.-% Tetrahydro-1,+4-Oxazin (Morpholin)
5 Vol.-% 2-Aminoethanol (Ethanolamin)
15 Vol.-% DI-Wasser
Erstes Spülbad:
80 % 2-(2-Butoxyethoxy)Ethanol
20 % Wasser
Zweites Spülbad:
100 % Wasser
Die Entwicklungsfolge für 100 µm-PMMA lautet:
a) Entwickeln im Entwicklerbad bei 35,0 ± 0,5 ºC für 25 Minuten unter Umrühren
b) Spülen im ersten Spülbad bei 35,0 ± 0,5 ºC für 20 Minuten unter Umrühren
c) Spülen im zweiten Spülbad bei 35,0 ± 0,5 ºC für 5 Minuten unter Umrühren
(e) Vorbereiten des Substrats zum Galvanisieren
- Sauerstoffplasma-Descum (die Parameter für ein Plasma Therm 1441 lauten z. B.: 25 Ncm² Sauerstoff, p = 2,66 Pa (20 mT) oberhalb der Grundlinie, Leistung = 50 W, Zeit = 2 Min.)
- 5 %-HCl-Bearbeitung: Eintauchen für 15 Min.
- 30 s DI-Wasserspülbad
(f) Aufbringen der ersten Schicht des Primärmetalls durch Galvanisieren (beispielsweise Ni):
- Ein Beispiel eines Ni-Galvanisierungsbades ist ein Barrett-Nickelsulfamat-Bad, das erhältlich ist von:
Witco Corporation, allied - Kelite Division Melrose Park, IL 60160
unter den folgenden Bedingungen:
T = 52 ºC
pH = 4,0
40 g/l Borsäure
80 g/l Nickelmetall
0,8 Vol.-% Benetzungsmittel
- Galvanisieren mit Nickel bei 50 mA/cm², was bei einem Stromwirkungsgrad von 100 % eine Galvanisierungsrate von 1,0 µm/Min. ergibt
(3) Entfernen des Feld-PMMAs:
(a) Einwirken der Synchrotronbestrahlung auf Feld-PMMA unter den gleichen Bedingungen wie im Schritt (2b)
(b) Entwickeln von PMMA unter Verwendung derselben Prozedur wie im Schritt (2d)
(4) Vorbereiten des Substrats für das Galvanisieren des Sekundärmetalls und Aufbringen des Sekundärmetalls durch Galvanisieren:
(a) Vorbereiten des Substrats wie im Schritt (2e)
(b) Aufbringen des Sekundärmetalls (z. B. Silber) durch Galvanisieren
- ein Beispiel eines geeigneten Ag-Bades ist ein Silbercyanidbad, das erhältlich ist von
Technic, Inc. Providence RI 02940 (Silbercyanidbad E-2)
unter den folgenden Bedingungen:
T = 35 ºC
37 g/l Silbermetall
82,2 g/l freies Kaliumcyanid
- Ag-Galvanisieren bei 50 mA/cm², was bei einem Stromwirkungsgrad von 100 % eine Ablagerungsrate von 3,0 µm/Min. ergibt
(5) Behandeln der Oberfläche des Substrats mit einer Mikrofräse, um sowohl das erste als auch das zweite Metall auf die gewünschte Höhe zu bringen
- ein Beispiel eine Fräsmaschine, mit der dies erreicht werden kann, ist eine Jung/Reichert-Mehrschnitt-E- Ultrafräsmaschine
(6) Definieren der zweiten Metallhöhe:
(a) Reinigen der Oberfläche des Substrats unter Verwendung von DI-Wasserspülbädern, um die vom Fräsen zurückgelassenen Metallreste zu entfernen;
(b) Aufbringen einer Haftungspromotorschicht wie im Schritt (1b);
(c) Gießen von PMMA und Glühen wie im Schritt (1c);
(d) Ausrichten einer Röntgenmaske der zweiten Ebene auf das Substrat unter Verwendung geeigneter Ausrichtplatten und Ausrichter
ein Beispiel eines Verfahrens ist die Verwendung eines doppelseitigen Maskenausrichters (ein Karl Süß 21) mit zwei Vakuum-Ausrichtplatten:
- eine Ausrichtplatte hält die Röntgenmaske auf der unteren Stufe, durch die die Objektive die Substratausrichtmarkierungen abbilden (es wird ein lichtdurchlässiges Röntgenmasken-Membranmaterial verwendet - z. B. Siliciumnitrid);
- die andere Ausrichtplatte hält das Substrat auf der oberen Stufe;
- wenn die Ausrichtung erreicht ist, werden die zwei Platten mechanisch aneinander festgeklemmt, wird das Vakuum beseitigt und werden die Platten entfernt und zum Synchrotron für die Röntgenbestrahlung transportiert.
(7) Galvanisieren der zweiten Schicht des Primärmetalls:
(a) das PMMA wird wie im Schritt (2b) mit Röntgenstrahlen bestrahlt
(b) das Substrat wird für die Galvanisierung der zweiten Metallschicht unter Verwendung der Prozedur im Schritt (2e) mit der Abwandlung vorbereitet, daß das Eintauchen in 5 % HCl nur 5 Min. dauert;
(c) Galvanisieren der zweiten Schicht des Primärmetalls - wenn beispielsweise Ni verwendet wird, wie in der Prozedur im Schritt (2f)
(8) Entfernen des PMMA und Entfernen der Opferschicht (in diesem Fall Ag):
(a) Entfernen von PMMA wie im Schritt (3)
(b) Entfernen von Ag in selektiver Weise unter Verwendung einer 1:1:12-Lösung aus Salmiakgeist:Wasserstoffperoxid:DI-Wasser.
Eine Abwandlung des Prozesses zum Herstellen eines Rohrs wie etwa eines für die Pneumatik, die Hydraulik usw. verwendeten Rohrs ist in den Ansichten der Fig. 10-17 dargestellt. Wie in der ersten Ansicht von Fig. 10 gezeigt, kann das Ausgangssubstratmaterial 50 aus einer großen Zahl verschiedener Materialien einschließlich Silicium, Glas, verschiedenen Metallen oder bearbeitetem Silicium mit darauf befindlichen Halbleiterbauelementen, die vor der Röntgenbestrahlung geschützt sind, gewählt werden. Im ersten Schritt wird eine Metallisierungsbasis 51 aufgebracht (typischerweise durch Aufdampfen von Ti bis zu einer Dicke von 150 Å, gefolgt vom Aufdampfen von Ni mit 150 Å) anschließend wird eine Schicht eines Photoresists 52 (PMMA) mit einer Dicke gegossen, die größer als die gewünschte Höhe der Innenseite des Rohrs ist. Anschließend wird auf die obenbeschriebene Weise das Photoresist mit Röntgenstrahlen in einem Synchrotron bestrahlt, das bestrahlte Photoresist wird entwickelt und eine erste Schicht eines Primärmetalls wird in den durch den Entwickler geöffneten Musterbereich durch Galvanisieren eingebracht, wobei der Bereich, wie in Fig. 11 gezeigt ist, zwei parallele vertikale Wände 53 aufweisen kann, die die Seitenwände des Rohrs definieren. Das Galvanisieren der Wände 53 erfolgt bis zu einer Höhe, die größer als die gewünschte Höhe des Rohrs ist. Dann wird, wie in Fig. 12 gezeigt ist, das Photoresist entfernt, um die Wände 53 gegenüber dem Substrat isoliert zurückzulassen.
Wie in Fig. 13 gezeigt, wird das Sekundärmetall 55 (z. B. Silber) bis zu einer Dicke, die größer als die gewünschte Rohrhöhe ist, durch Galvanisieren aufgebracht, anschließend wird die freie Oberfläche wie in Fig. 14 gezeigt durch Fräsen abgetragen, um sowohl das Primärmetall als auch das Sekundärmetall auf die gewünschte Rohrhöhe zu fräsen, wobei eine gleichmäßige, freie Oberfläche 57 zurückbleibt.
Dann wird, wie in Fig. 15 gezeigt, eine zweite Schicht des Photoresists 58 auf die freie Oberfläche 57 gegossen, woraufhin eine Röntgenmaske 59 mit einem Muster 60, das Röntgenstrahlen durchläßt, über der Struktur ausgerichtet wird und eine Röntgenbestrahlung erfolgt. Nach der Bestrahlung wird, wie in Fig. 15 gezeigt, das bestrahlte Photoresist 58 entwickelt und entfernt, woraufhin eine zweite Schicht des Primärmetalls 62 in den bestrahlten Bereich durch Galvanisieren eingebracht wird, wobei der Bereich in diesem Fall die oberen Oberflächen der zwei Seitenwände 53 sowie den Mittelabschnitt 61 der ersten Schicht des Sekundärmetalls überbrückt.
Schließlich wird, wie in Fig. 17 gezeigt ist, das Photoresist 58 entfernt, außerdem werden die Sekundärmetall- Opferschichten 55 und 61 weggeätzt. Beispielsweise kann Silber in Wasserstoffperoxid geätzt werden, ohne daß Nickel geätzt wird. Das Ergebnis, das in Fig. 17 gezeigt ist, ist eine Rohrstruktur, die am Substrat befestigt ist und eine hohle Bohrung 64 aufweist, die zwischen der oberen Oberfläche der Metallisierungsbasis 51, den vertikalen Seitenwänden 53 und der überbrückenden zweiten Schicht 62 des Primärmetalls gebildet ist.
Ein Beispiel der Verwendung des Prozesses für die Herstellung einer komplexen dreidimensionalen Struktur, eines Rohrs, das vom Substrat befreit ist, ist in den Fig. 18-23 gezeigt. Das Ausgangssubstrat 70 kann ein Einkristall-Siliciumwafer, z. B. (100)-Silicium sein. Dieses Substrat 70 wird mit Siliciumnitridfilmen 71 und 73 auf jeder Seite in herkömmlicher Weise abgedeckt. Die Filme 71 und 73 werden unter Verwendung zweier optischer Masken bemustert, die in Fig. 19 gezeigt sind und die erläuternde Vorderseitenmasken 75 und 77 und Rückseitenmasken 76 und 78 besitzen. Das Ergebnis der Bemusterung ist in Fig. 18 gezeigt, wobei eine Öffnung 72 an der öberen Oberfläche im Siliciumnitridfilm und eine Öffnung 74 in der unteren Oberfläche geschaffen werden. Die typische Nitridverarbeitung umfaßt eine kurze Oxidation, um 150 Å eines belastungsfreien Oxids aufwachsen zu lässen, das mit 1000 Å eines Nitrids durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei niedrigem Druck (LPCVD), das bei ungefähr 830 ºC abgelagert wird, bedeckt wird. Die zwei optischen Masken werden in einem doppelseitigen Ausrichter angebracht, wobei das Muster auf ein positives Photoresist übertragen wird, das einer Plasmaätzung beispielsweise in CF&sub4; + O&sub2; wiederstehen kann, um das Nitrid zu entfernen. Ein anschließender Reinigungszyklus entfernt jegliche Oxidreste in den Mustern. Der Prozeß wird fortgesetzt durch die Aufbringung der Opferschicht und durch deren Bemusterung über eine dritte optische Maske. Die Schicht kann aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden. Ein weiches Polyimid, das von Brewer Science erhältlich ist, ist wegen seiner einfachen Verarbeitbarkeit ein besonders geeignetes Material. Es wird bevorzugt, daß die Opferschicht (1) hinsichtlich ihrer Dicke genau gesteuert werden kann, (2) genau bemustert werden kann, (3) die Metallisierungsbasis ohne Blasenbildung und bei guter Haftung tragen kann und (4) entfernt werden kann, ohne daß es die gewünschten Metallstrukturen angreift. Das PIRL-Polyimidmaterial von Brewer Science kann unter Verwendung eines Schleuderzyklus mit 2000 min&supmin;¹ für 30 Sekunden aufgebracht werden, um eine Schicht mit einer Dicke von einem Mikron herzustellen. Andere PIRL-Bildungen verändern die gewünschte Schichtdicke. Das Material wird auf einer heißen Platte für zwei Minuten bei 100 ºC und dann bei 210 ºC für eine weitere Minute gebacken. Der Film wird mit einem 1400-27- Shipley-Photoresist bei 5000 min&supmin;¹ für 30 Sekunden überzogen. Das Photoresist wird bestrahlt, anschließend werden das Photoresist und das Polyimid in MF-321- (Shipley)-Mustern entwickelt. Ein Aceton-Spülbad entfernt das 1400-27, ferner reinigt ein Sauerstoffplasmazyklus die vorbereitete Oberfläche. Ein abschließendes Ausbrennen mit einer Zunahme von 240º/Stunde in Stickstoff und ein sechsminütiges Durchwärmen bei 310 ºC vervollständigen die Opferschicht, die in Fig. 20 bei 80 auf der Oberfläche 81 des Substrats dargestellt ist.
Der Prozeß wird fortgesetzt mit der Aufbringung der Metallisierungsbasis. Die Metallisierungsbasis besitzt mehrere erforderliche Eigenschaften, worunter sich (1) eine gute Anhaftung am Substrat und an der Opferschicht, (2) eine gute Haftung zwischen den galvanisierten Metallen und (3) eine einfache Entfernung nach der Vervollständigung der Primärmetall-Struktur befinden. Eine im allgemeinen zufriedenstellende Metallisierungsbasis für Nickel besteht aus 150 Å aufgedampften Titans, gefolgt von 150 Å aufgedampften Nickels.
Die nicht bemusterte Metallisierungsbasis wird anschließend mit einem Haftungspromotor bedeckt, der durch Schleuderbeschichtung aufgebracht wird, um die Haftung zwischen der Metallisierungsbasis und dem Röntgenstrahl- Photoresist, typischerweise PMMA, zu verbessern. Dieses Material wird gegossen, wobei eine mäßige Vernetzung zugelassen wird. Es wird gehärtet und bei langsamen Wärmegradienten und Durchwärmphasen bei 180 ºC sehr sorgfältig geglüht. Da die Dicke des abgelagerten Photoresists (z. B. PMMA) schwer zu steuern ist, kann, falls gewünscht, ein Diamantfräsvorgang des Photoresists verwendet werden.
Das mit dem Photoresist bedeckte Substrat wird anschließend auf eine erste Röntgenmaske ausgerichtet. Diese Ausrichtung wird durch Verwendung eines doppelseitigen Ausrichters von Karl Süß zusammen mit Ausricht- und Klemmbefestigungen erzielt. Nach der Ausrichtung werden das Substrat und die Maske aneinander festgeklemmt, zu einem Synchrotron transportiert und bestrahlt. Dann folgt die Entwicklung in einem PMMA-Entwickler. Für die Entfernung der Reste wird eine mäßige Sauerstoffplasma-Ätzung verwendet, woraufhin eine kritische Konditionierung der bestrahlten Metallisierungsbasis in verdünnter Chlorwasserstoffsäure folgt. Die Galvanisierung mit Nickel in einem Sulfamat-Bad ist der nächste Schritt. Die zweite Bestrahlung, der die Entwicklung und die Reinigung folgt, wird verwendet, um das Photoresist zu entfernen. Fig. 21 ist eine Draufsicht der Struktur in dieser Stufe.
Die folgenden Betrachtungen können für weitere Schritte im Prozeß angegeben werden. Zunächst ist das vernetzte PMMA durch Naßchemie sehr schwer zu entfernen. Dies erfordert, daß das vernetzte PMMA eine verarmte Opferschicht ist. Zweitens wird das Röntgenstrahl-Photoresist nach dem Galvanisieren mechanisch beschädigt. Typischerweise wird es zerrissen und verkratzt, außerdem sind ein Haftungsverlust aufgrund der Beanspruchungsentspannung und der Wärmezyklen typisch. Das Material kann gewöhnlich nicht weiter bearbeitet werden. Drittens erzeugt eine Galvanisierung von mehreren µm (Mikrons) pro Minute keine Umgebung, in der die Höhe der Struktur kontrollierbar ist. Diese Schwierigkeit bei der Kontrolle der Höhe wird durch musterabhängige Ablagerungsraten und grobe Endoberflächen noch komplizierter. Viertens werden topologische Einschränkungen beseitigt, falls das Substrat als neue, ebene Metallisierungsbasis wirken kann.
Um die obenangegebenen Probleme anzugehen, kann das gesamte Substrat mit einem Opfermetall galvanisiert werden. Die Dicke des Opfer- oder Sekundärmetalls sollte die Dicke der Struktur oder des Primärmetalls überschreiten. Diese Galvanisierung erzeugt eine Oberfläche mit Welligkeiten, die grob gleich der Dicke des Primärmetalls sind. Diese Oberflächenwelligkeit wird durch Fräsen der galvanisierten Oberfläche mit einer Mikrofräse, z. B. mit einem Diamantflugschleifer wie etwa der Jung-Reichert- Ultrafräse beseitigt. Fig. 22 zeigt den Querschnitt durch die Struktur von Fig. 21.
An diesem Punkt ist die Struktur ein magnetisches oder nicht magnetisches Metall-Verbundmaterial mit einer flachen Oberfläche, die mehrere Anwendungen einschließlich magnetischen Lese- und Schreibköpfen haben kann.
Der Prozeß wird fortgesetzt durch die Aufbringung der nächsten Schicht des Photoresists und durch die Ausrichtung auf eine zweite Röntgenmaske. Die zweite Struktur- oder Primärmetall-Schicht wird anschließend nach Entwicklung des bestrahlten Photoresists galvanisiert. Die zweite Schicht des Primärmetalls kann Nickel sein, selbstverständlich könnte jedoch auch irgendein anderer Leiter verwendet werden. Der Entfernung des Photoresists folgen die Galvanisierung mit dem Sekundärmetall und das Fräsen.
Für die Herstellung des vollständigen Rohrs, das in Fig. 23 in eine Querschnittansicht gezeigt ist, werden eine dritte Röntgenmaske und eine nachfolgende Verarbeitung wie oben beschrieben verwendet.
Anschließend können Siliciumätzlöcher gebildet werden. Der Wafer wird in Hydrazin oder EDP eingetaucht, wobei die Durchgangslöcher unter Verwendung der gewöhnlichen (111)-Ebenen geätzt werden, um die Ätzung anzuhalten. Die Siliciumätzung wird auf diesen Ebenen und auf der Metallisierungsbasis angehalten. Die Metallisierungsbasis in den Durchgangslöchern wird durch Chlorwasserstoffsäure Ätzung entfernt, gefolgt von einem verdünnten Flurwasserstoff-Spülbad, um das Titan zu entfernen.
Silber ätzt in H&sub2;O:H&sub2;O&sub2;:NH&sub4;OH-Gemischen. Ein solches Ätzmittel wird verwendet, um sämtliche externen und internen Sekundärmetalle zu entfernen.
Der nächste Schritt entfernt die gesamte bestrahlte Metallisierungsbasis. Dadurch wird die Opferschicht freigelegt, die anschließend mit Salpetergeist entfernt wird.
Die sich ergebende Vorrichtung ist ein offenes, teilweise unterstütztes Nickelrohr. Es kann als Grundkomponente bei der Herstellung pneumatischer und hydraulischer Sensor- und Betätigungssysteme verwendet werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier zur Erläuterung angegebenen Ausführungsformen eingeschränkt, sondern umfaßt abgewandelte Formen hiervon, soweit sie im Umfang der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zum Bilden einer mikromechanischen Struktur, mit den Schritten:

(a) Schaffen einer Metallisierungsbasis auf einer Oberfläche eines Substrats;

(b) Aufbringen einer Schicht eines Photoresists auf die Metallisierungsbasis;

(c) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, damit das Photoresist in einem Muster löslich wird;

(d) Entfernen des löslichen Photoresists;

(e) Aufbringen einer ersten Schicht aus einem Primärmetall durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist;

(f) Entfernen des restlichen Photoresists;

(g) Aufbringen einer ersten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis, um die erste Schicht des Primärmetalls zu bedecken und zu umgeben, wobei das Sekundärmetall so gewählt ist, daß es ohne wesentliche Ätzung des Primärmetalls geätzt werden kann;

(h) Abtragen der freiliegenden Oberfläche des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer gewählten Höhe, bei der die erste Schicht des Primärmetalls freiliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Aufbringens eines Ätzmittels auf die Primär- und Sekundärmetalle, das das Sekundärmetall ätzt, während es das Primärmetall im wesentlichen nicht ätzt, um das Sekundärmetall zu entfernen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Sekundärmetall durch Galvanisieren bis zu einer Höhe aufgebracht wird, die größer als die Höhe der ersten Schicht des Primärmetalls ist.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, mit den weiteren Schritten:

(a) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht über der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und des Sekundärmetalls;

(b) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;

(c) Entfernen des löslichen Photoresists;

(d) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um wenigstens einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls zu bedecken und um außerdem einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls zu bedecken;

(e) Entfernen des restlichen Photoresists;

(f) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die zweite Schicht des Primärmetalls und auf die Oberfläche der ersten Schicht der Primär- und Sekundärmetalle;

(g) Abtragen der freiliegenden Oberfläche der zweiten Schicht des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer Höhe, bei der die zweite Schicht des Primärmetalls freiliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, mit dem zusätzlichen Schritt des Aufbringens eines Ätzmittels auf die Oberfläche der zweiten Schichten der Primär- und Sekundärmetalle, um die ersten und zweiten Schichten des Sekundärmetalls wegzuätzen, wobei die ersten und zweiten Schichten des Primärmetalls im wesentlichen nicht geätzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, in dem die zweite Schicht des Sekundärmetalls bis zu einer Höhe ablagert wird, die größer als die Höhe der zweiten Schicht des Primärmetalls ist.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem der Schritt des Bestrahlens des Photoresists in einem Muster durch Bestrahlen des Photoresists mit einer Röntgen-Synchrotron-Strahlung durch eine Röntgenmaske erfolgt, um im Photoresist ein Muster zu definieren, und in dem das Photoresist für Röntgenstrahlen in der Weise empfindlich ist, daß es nach der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen löslich ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem das Photoresist ein Polymethylmethacrylat ist.

9. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Primärmetall Nickel ist und das Sekundärmetall Silber ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Schritt des Abtragens unter Verwendung einer Mikromühle erfolgt.

11. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem im Schritt des Bestrahlens des Photoresists in einem Muster das Photoresist so bestrahlt wird, daß zwei parallele Bereiche geschaffen werden, in denen der Photoresist gelöst werden kann, und in dem das durch Galavanisieren aufgebrachte Primärmetall, das in dem Bereich, in dem das Photoresist gelöst worden ist, gebildet ist, zwei parallele, aufrechte Wände definiert, die sich von der Metallisierungsbasis erstrecken.

12. Verfahren nach Anspruch 11, mit den weiteren Schritten:

(a) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und der ersten Schicht des Sekundärmetalls;

(b) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in dem Muster, das sich über die zwei durch die erste Schicht des Primärmetalls definierten aufrechten Wände erstreckt, löslich zu machen;

(c) Entfernen des löslichen Photoresists;.

(d) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um die freiliegende Fläche der ersten Metallschichten zu bedecken, und um die freiliegende Fläche des Sekundärmetalls zwischen den zwei durch die erste Schicht des Primärmetalls gebildeten aufrechten Wänden zu überbrücken;

(e) Entfernen des restlichen Photoresists;

(f) Aufbringen eines Ätzmittels auf die Primär- und Sekundärmetalle, um die erste Schicht des Sekundärmetalls wegzuätzen, wobei die ersten und zweiten Schichten des Primärmetalls im wesentlichen nicht geätzt werden.

13. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Substrat eine Schicht aus Opfermaterial enthält, auf die die Metallisierungsbasis aufgebracht ist, und das nach Abschluß sämtlicher anderen Schritte den weiteren Schritt des Entfernens der Metallisierungsbasis in ausgewählten Bereichen zur Schaffung eines Zugangs zum Opferschichtmaterial sowie des Aufbringens eines Ätzmittels enthält, das die Opferschicht ätzt, ohne das Primärmetall wesentlich zu ätzten.

14. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten:

(a) Schaffen einer Metallisierungsbasis auf einer Oberfläche eines Substrats;

(b) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der Metallisierungsbasis;

(c) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;

(d) Entfernen des löslichen Photoresists;

(e) Aufbringen einer ersten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist;

(f) Entfernen des restlichen Photoresists;

(g) Aufbringen einer ersten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die Metallisierungsbasis, um die erste Schicht des Primärmetalls zu bedecken und zu umgeben, wobei das Sekundärmetall in der Weise gewählt ist, daß es geätzt werden kann, ohne daß das Primärmetall im wesentlichen geätzt wird;

(h) Abtragen der freiliegenden Oberfläche des Sekundärmetalls bis zu einer flachen Oberfläche mit einer ausgewählten Höhe, bei der die erste Schicht des Primärmetalls freiliegt;

(i) Aufbringen eines Photoresists in einer Schicht auf der freiliegenden ersten Schicht des Primärmetalls und der ersten Schicht des Sekundärmetalls;

(j) Bestrahlen des Photoresists in einem Muster, um das Photoresist in einem Muster löslich zu machen;

(k) Entfernen des löslichen Photoresists;

(l) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Primärmetalls durch Galvanisieren in dem Bereich, von dem das Photoresist entfernt worden ist, um wenigstens einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Primärmetalls zu bedecken und um außerdem einen Teil der freiliegenden Oberfläche der ersten Schicht des Sekundärmetalls zu bedecken;

(m) Entfernen des restlichen Photoresists;

(n) Aufbringen einer zweiten Schicht eines Sekundärmetalls durch Galvanisieren auf die zweite Schicht des Primärmetalls und auf die Oberfläche der ersten Schicht der Primär- und Sekundärmetalle;

(o) Abtragen der freiliegenden Oberfläche bis zu einer Höhe, bei der die zweite Schicht des Primärmetalls freiliegt.