DE69306565T2 - Vorrichtung und Verfahren um feine Metal-linie auf einem Substrat abzulegen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren um feine Metal-linie auf einem Substrat abzulegen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen verschiedener Werkstoffe, entweder vom Leitertyp oder vom Nichtleitertyp auf die unterschiedlichsten Substrate. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren und ein Gerät zum Direktauftragen eines gewünschten Leiterbahnmusters aus metallischen Leitern auf ein Isoliersubstrat mit Hilfe einer Schreibfeder, die in wesentlichen aus einer hochschmelzenden Spitze besteht, die mit geschmolzenem Metall benetzt wird. In einer besonderen Anwendung auf VLSI integrierte Halbleiter-Schaltungs-Chips (IC) führt die Anwendung einer extrem dünnen Spitze zum Ausbilden ultrafeiner Linien aus reinem Metall. Der Ablagerungsprozeß wird verhältnismäßig schnell ausgeführt und erzeugt dicke Linien mit ausgezeichneter Auflösung.
  • Bisher wurden verschiedene herkönnliche Verfahren eingesetzt, um in Zusammenhang mit der Fertigung oder der Instandsetzung von Halbleiter-IC-Chips Muster aus Leitermaterial auf einen Substrat zu erzeugen. In der Praxis ist es oft erforderlich, Muster aus einen Leitermaterial auf einer Halbleiterstruktur zu unterschiedlichen Zeiten in der Chip-Herstellung auszuführen, um die erforderlichen Kontakte, Elektroden und Leiter (Leiterbahnen) zu fertigen, die die unterschiedlichen Verbindungs/Zwischenverbindungs-Erfordernisse zu erfüllen. Leitermaterialien sind u.a. dotiertes Polysilicium, niedrigschmelzende Metalle wie z.B. Aluminium (Al) oder Metalllegierungen wie Aluminium-Silicium (Al-Si), Gold-Silicium (Au-Si), und hochschmelzende Metalle wie Wolfram (W), Tantal (Ta) und Chrom (Cr). Jedoch sind niedrigschmelzende Metalle und Metallegierungen bei weitem die in der Halbleitertechnik am häufigsten eingesetzten Metalle.
  • Ein typisches Verfahren zum Ausbilden von Mustern aus Metall ist die Konbination von Lithographie- und Abscheidetechniken. E-Strahlverdampfung oder Aufstäubeverfahren und Abhebelithographie sind die bis heute benutzten Standardtechniken. In der Regel wird zunächst eine dicke Photoresistschicht auf der Halbleiterstruktur ausgebildet. Der Resist wird mit Hilfe einer Photomaske belichtet. Dieser Belichtungsschritt dient zum Ausbilden eines vorgegebenen Musters im Resist durch Einleiten örtlicher chemischer Reaktionen in den belichteten Bereichen. Dann wird die Resistschicht in einen geeigneten Lösungsmittel entwickelt und (in Falle eines positiven Resists) werden die belichteten Bereiche abgezogen. Als nächstes wird eine Metallschicht auf eine Maske auf der Struktur aufgestäubt. Schließlich werden die restlichen Teile der Resistschicht abgezogen und lassen das komplementäre Metallmuster auf der Strukturoberfläche.
  • Das obige Verfahren wird weitgehend zur industriellen Fertigung von Halbleiter-IC-Chips verwendet. Es gibt jedoch einige signifikante Einschränkungen soweit kundenspezifische Chips und Instandsetzung betroffen sind. Die oben beschriebene herkömmliche Methode wird noch inner in den kundenspezifischen (oder persönlichen) Schritten der CMOS-Gate-Anordnungen benutzt. Zum Beispiel sind acht der 12 Photonasken eines typischen CMOS-Prozesses von allgemeiner Art. Es gibt jedoch seitens der Kunden eine starke Nachfrage nach kurzen Durchlaufzeiten von Protoytpen, kleinen Fertigungszahlen und signifikanter technischer Unterstützung in den Chip-Konstruktions- und Auswertungsstufen, die die Gate-Anordnungs- Produzenten unter starken Druck setzen. Offensichtlich ist die Lithographie stark beansprucht, wenn sie mit den kurzen Terminen fertig werden soll, die die Kunden bei der Produktion eines kundenspezifischen Chips oder bei der Instandsetzung eines defekten Chips zuzugestehen gewillt sind. Als Folge daraus kann die obige Methode nicht eingesetzt werden für die augenblickliche kundenspezifische Herstellung von ASICs (Application Specific Integrated Circuits - anwenderspezifische IC) oder Chip-Instandsetzung.
  • Ebenso wurden verschiedene herkömmliche Verfahren eingesetzt, um Muster aus undurchsichtigen Material im Zusammenhang mit der Produktion von Photonasken herzustellen, aber gewöhnlich durch Anwenden einer anderen lithographischen Technik.
  • Zum Beispiel wird gemäß einem typischen Fertigungsprozeß für eine Photomaske eine netallbeschichtete (in der Regel mit Chrom) durchsichtige Glasplatte zunächst mit einer strahlungsempfindlichen Resistschicht bedeckt. Der Resist wird belichtet unter Verwendung eines scharf gebündelten E-Strahls und dann als Standard entwickelt. Die bleibende bemusterte Resistschicht wirkt als Schutzschicht für die darunterliegende Metallbeschichtung. Andererseits wird das ungeschützte Metall bis zur Glasplatte abgeätzt. Schließlich wird die restliche Resistschicht abgezogen und hinterläßt undurchsichtige Bereiche aus Metall auf der Oberfläche der Glasplatte. Wie den Fachmann bekannt ist, werden Photomasken derzeit in den Lithographieschritten bei der IC-Chip-Fertigung angewandt. Soweit die Fertigung von Photomasken betroffen ist, tendiert dieser Lithographieprozeß zur Entwicklung von zwei Fehlergruppen: Ungewollt werden Teile nicht abgezogen (sogenannte Schwarzfleckfehler) und benötigte Teile werden fälschlicherweise ausgeätzt (sogenannte Klar- oder Weißfleckfehler).
  • Dieses Verfahren wird weitgehend für die industrielle Serien fertigung der Photomaske benutzt, kann jedoch eindeutig nicht zur Reparatur benutzt werden. Das Einbauen eines zusätzlichen Lithographieschritts zum Instandsetzen einer defekten Maske durch Durchführen eines örtlichen Metallauftrags hätte keinen Sinn und öfter als nicht wird einfach eine neue Maske hergestellt.
  • Zusammenfassend gesagt sind die obigen auf Lithographie beruhenden Schritte ausgezeichnet an die Massenproduktion von Halbleiter-IC-Chips oder Photomasken angepaßt, jedoch nicht für solche Anwendungen wie die Fertigung geringer IC-Chip- Stückzahlen, kundenspezifische IC-Chip-Fertigung und Instandsetzung, und schließlich Maskeninstandsetzung. Zusätzlich bedingt die Lithographie hohe Kapitals- und Arbeitskosten infolge der hochentwickelten E-Strahl- oder Photoausrichtgeräte, die erforderlich sind zum Zeichnen des Musters. Als Ergebnis wurden alternative Methoden gesucht, die die lithographischen Schritte bein Photodruck ausschalten sollten und technische Schritte wurden gesucht, um die Flexibilität zu erhöhen und Zeit und Kosten für die Anwendungen einzusparen.
  • In dieser Hinsicht vermeiden zwei neuere Techniken, bekannt unter dem Namen Focused Ion Beam (FIB) (Gebündelter Ionenstrahl) und seine Variante Focused Ion Beam - Chemical Vapor Deposition (FIB-CVD) (gebündelter Ionenstrahl-Chemische Dampfabscheidung) die meisten Nachteile der obigen herkömmlichen Lithographieprozesse. Sie sind insbesondere angepaßt an das Abtragen dünner Metallinien bzw. Auftragen dünner Metallinien. Dementsprechend gibt es für sie eine Anzahl von Anwendungen auf verschiedenen Gebieten der Halbleitertechnologie, und insbesondere bei der Instandsetzung von IC-Chips und -Masken, aber auch auf anderen, verwandten Gebieten wie z.B. Prozeßüberwachung, Schadens/Fehler-Analyse, Vorrich- tungsbewertung, Probenherstellung für die Mikroskopie und Mikroananalyse usw. Insbesondere wird das FIB-CVD bis heute als ein sehr vielversprechendes technisches Ablagerungungsverfahren an Anfang einer aufregenden und schnellen Entwicklung in der Halbleiterindustrie betrachtet.
  • In einer klassischen Konfiguration, die für den Metallauftrag ausgelegt ist, wird die FIB-CVD-Station innerhalb einer säulenförmigen Vakuumkammer untergebracht, die eine X-Y-Bühne aufweist, die kontrollierte Bewegungen in X-Y-Richtungen in einer horizontalen Ebene ausführen kann. Die Säule beinhaltet eine hochglänzende Flüssigmetall-Ionenquelle, die aus einer spitzen Nadel besteht, die mit einem Film dieses Metalls, in der Regel Gallium (Ga), im geschmolzenen Zustand benetzt wird. Dieses geschmolzene Metall fließt unter der Kapillarkraft zur Nadel der Ionenquelle, wo es ionisiert wird. Eine Auszugselektrode mit einen anderen Spannungspotential als die Ionenquelle, zieht den Ionenstrahl aus der Quelle. Dort wird ein Strahl aufgeladenen Partikeln d.i. Ionen erzeugt, der von einem Punkt abzustrahlen scheint. Ein ExB Massentrenner kann eingesetzt werden, um nur die gewünschte Ionenspezies auszuwählen und die unerwünschten Spezies aus den Strahl abzulenken (wenn eine Metallegierung benutzt wird). Eine Reihe von Linsen wird auf den Ionenstrahlpfad eingesetzt, um den Ionenstrahl zu bündeln. Als nächstes wird ein Strahldeflektor benutzt, um den Strahl über das Substrat streichen zu lassen. Das Substrat, das das Ziel für das FIB darstellt, ist im allgemeinen oben auf einen Heizelement angeordnet, das auf der X-Y-Bühne angebracht ist. Ein Thermoelelementfühler tastet die Substratemperatur ab, um das Heizelement zu steuern. Das Substrat wird auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug ist, um das Aufwachsen des gewünschten Materials zu unterstützen. Die Verbindung, die das auf das Substrat aufzubringende Material enthält, wird in gasförmigen Zustand in einem Tank gehalten. Eine gasförmige organonetallische Verbindung, z.B. Wolframcarbonyl, wird in der Regel als Arbeits gas benutzt. Ein Ventil steuert den Strom des Arbeitsgases aus dem Vorratstank durch eine Düse, die ganz in der Nähe des Substrats endet, und richtet einen Gasstron auf den gewünschten Teil desselben. Ein paar Atomschichten des Arbeitsgases werden von der Substratoberfläche adsorbiert.
  • Der von der Flüssigmetall-Ionenquelle generierte gebündelte Ionenstrahl wird auf das Substrat projiziert und dort von Strahlablenker über dieses Substrat geführt, so daß sich das Arbeitsgas zersetzt. Die Wolframdünnschicht bildet sich nur in dem Bereich aus, wo der Ionenstrahl auf das Gas trifft. Die dünnen Metallinien werden kontinuierlich gebildet. Der gebündelte Ionenstrahl wird entlang einer vorgegebenen Ortskurve geführt, entsprechend einer gewünschten Schaltungsverbindungsleiterbahn (vorzugsweise in Mehrfachabtastung) um das Metall aufwachsen zu lassen bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Das ist eindeutig ein langwieriger Prozeß, und weil der Ionenstrahl eine Stärke hat, die nur begrenzt erhöht werden kann, ist es ganz unmöglich, verhältnismäßig lange Leiterbahnen, z.B. 1 mm, aufzuzeichnen, es sei denn, auf Kosten eines übermäßigen Verlusts an Auflösung. Die von der Oberfläche des Substrats ausgesandten Sekundärelektronen werden von einem Detektor erfaßt, verstärkt und verarbeitet, so daß sie letztendlich in einen geeigneten Bildschirm als hochauflösendes SIM-Bild (Scanning Ion Microscope - Rasterionenmikroskop) angezeigt werden. Weil eine Steuereinheit die X-Y- Richtung antreibt, ist es möglich, das SIM-Bild jedes beliebigen Teils des Substrats zu beobachten, was ein signifikanter Vorteil bei der Chip- oder Maskeninstandsetzung ist.
  • Zum Beispiel wird, obwohl die FIB-CVD-Technik bei der Fertigung von IC-Chips nur begrenzt zur Ausbildung elektrischer Verbindungen auf der Halbleiterstruktur eingesetzt werden kann (wo aktive und passive Vorrichtungen durch geeignete Lithographie- und Implantationsschritte vorher ausgebildet wurden), diese Technik weitgehend bei der Instandsetzung solcher Chips eingesetzt. Wenn hier ein Teil fehlt, d.h. es in einer metallischen Verbindungsleitung, die vorher aufgebracht worden war, eine Lücke gibt (infolge eines ursprünglichen Fertigungsfehlers), kann die Linie durch einfaches Abtasten der Lücke repariert werden, um neues Metall aufzubringen und die Lücke zu füllen, wie oben beschrieben wurde.
  • Gemäß der FIB-CVD-Technik gibt es keine Einschränkung bei der Natur der Metalle, die aufgetragen werden sollen. Zum Beispiel lassen sich hochschmelzende Metalle, einschließlich Wolfram, das die höchsten Schmelzpunkt-Temperatur von etwa 3370ºC aufweist, leicht auf ein isolierendes oder auf ein Siliciumsubstrat auftragen, wenn man Metallcarbonylverbindungen einsetzt. Die Auftrag eines solchen hochschmelzenden Metalls ist jedoch schwieriger, wenn GaAs das Halbleitermaterial ist, weil GaAs nicht leicht oxidiert und metallisiert wird, und dieser Nachteil beschränkt bis heute ernsthaft die Entwicklung dieser Technologie. Zum Beispiel werden laufend metallische Gatterelektroden aus hochschmelzenden Metall bei GaAs MESFET Vorrichtungen durch Aufstäuben und E- Strahl-Verdampfung aufgebracht.
  • Bei diesen beiden Prozessen kann die GaAs-Oberfläche beschädigt werden. Aufstäuben verursacht Aufschlagschäden und E-Strahl-Verdampfung führt zur Zersetzung des GaAs. Das bevorzugte Verfahren zum Auftragen von hochschmelzenden Metallen ist eine Variante der FIB-CVD-Technik, die eben oben beschrieben wurde, die sogenannte Photodeposition. Wie z.B. in US-A-4451503, erteilt an IBM, geoffenbart wird, benutzt Photodeposition UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 200 nn, um die gasförmige Metallcarbonylverbidung in der Nähe des GaAs-Wafer photochemisch zu zersetzen.
  • Aus den gleichen Gründen sind die FIB/FIB-CVD-Techniken für die Herstellung von Masken nicht ausgelegt, um die undurchsichtigen Chrom-Muster auf der Glasplatte auszubilden, sie sind jedoch sehr geschätzt bei Maskeninstandsetzungsanwendungen, entweder um neues Metall in Weißfleckfehlern aufzubringen, die sich im Maskennuster ausbilden, oder um deren unerwünschte Metallteile abzutragen. Wieder ist auch in diesem Fall das SIM-Bild sehr geschätzt, weil es höchst interessant ist, die genauen Stellen der instandzusetzenden Maskendefekte festzustellen. Ferner, wie oben bereits gesagt, ist es sehr einfach, die FIB-CVD-Station in eine FIB-Station umzuwandeln, die ausgelegt ist, um unerwünschte Kurzschlüsse auf der Oberfläche der IC-Chips durch Abtragen zu beseitigen.
  • Zusammenfassend gesagt, es gibt zahlreiche Anwendungen für die FIB/FIB-CVD-Techniken, einschließlich der örtlichen Ausbildung von Metallmustern, die bei der Instandsetzung oder für die kundenspezifische Herstellung eines IC-Chips als Schaltungsverbindungen benutzt werden sollen, oder zur Ausbildung zusätzlicher undurchsichtiger Muster bei der Instandsetzung von Photomasken.
  • Leider weist insbesondere der FIB-CVD-Muster-bildende Prozeß einige signifikante Nachteile auf.
  • Um eine gute Auflösung zu erhalten ist eine geringe Ionenstrahlintensität erforderlich, was andererseits einen Ionenstrahl voraussetzt, der nur einen kleinen Durchmesser, z.B. 30-40 nm, aufweist. Zum Herstellen einer 2 µm x 1 µm Leiterbahn ist daher eine Mehrfachabtastung erforderlich. Die Forderung nach einer relativ hohen Ionendosis und die Tatsache, daß der Ionenstrahl während der ganzen Auftragsperiode auf den Substrat bleiben muß, mit mehrfachen Überstreichen der auf zutragenden Linie verlangsamt signifikant die Geschwindigkeit, mit der die Linie gezeichnet werden kann. Die Rate des Linien- oder Musteraufbaus auf eine gewünschte Dicke ist schließlich sehr niedrig.
  • Weil es sich hier um einen chemischen Abscheidungsprozeß handelt, ist die Auflösung naturgemäß schlecht. Jeder Versuch, die oben genannte Aufbaurate zu erhöhen, würde eine Verstärkung der Intensität des Ionenstrahls voraussetzen, was wiederum bewirken würde, daß der Ionenstrahl aus den Brennpunkt auswandert, was seinerseits dazu führen würde, daß das aufgestäubte Material übermäßig verbreitert würde.
  • Leiter mit hohem spezifischen Widerstand lassen sich herstellen. Verunreinigungen, in der Regel Kohlenstoff und Gallium, werden während des musterbildenden Prozesses implantiert. Wenn für VLSI IC Chips die Ausbildung ultrafeiner Linien gefordert wird, kann die Verunreingungshöhe der aufgebrachten Linien sehr hoch sein, z.B. über 25%, und somit einen spezifischen Schichtwiderstand bewirken, der viel höher als erwünscht ist.
  • Als Folge daraus ist aus den oben genannten Gründen die FIB- CVD-Technik auf das Abscheiden verhältnismäßig kurzer Leitungen beschränkt, weil lange Leiterbahnen einen zu hohen spezifischen Widerstand aufweisen würden und auch zu zeitaufwendig wären.
  • Organometallische Stoffe wie Wolframhexacarbonyl W(CO)&sub6;, Molybdänhexacarbonyl Mo(CO)&sub6;, Chromhexacarbonyl Cr(CO)&sub6; und dergl., die in FIB-CVD weitgehend eingesetzt werden, sind gefährliche und toxische Verbindungen.
  • Die herkömmliche FIB-CVD-Station ist ein verhältnismäßig kompliziertes und teueres Gerät und hat hohe Betriebskosten. Sie muß zwangsläufig in einer Vakuumumgebung arbeiten. In allgemeinen ist die FIB-CVD-Station in der Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops (REM) (Scanning Electron Microscope - SEM) untergebracht.
  • Der FIB-CVD-Prozeß setzt eine verhältnismäßig hohe Dosierung voraus, in der Größenordnung von 10¹&sup7; Ionen/cm² oder darüber, um Muster oder Leiterbahnen mit einer Dicke von nur ein paar hundert Nanometer aufzutragen. Die Anwendung einer so hohen Dosierung kann zu Beschädigungen der Wafer-Oberfläche führen.
  • Der Auftragsschritt setzt relativ hohe Temperaturen (z.B. 300ºC) zum Aufheizen des Substrats voraus, und sollte das Substrat ein Halbleiter-Wafer sein, kann das Auftreten dieser erhöhten Temperatur zu abträglichen Erscheinungen innerhalb der integrierten Vorrichtungen führen und könnte zeitweilig, oder vielleicht sogar permanent, die elektrischen Charakteristiken dieser Vorrichtungen verändern.
  • Mit der FIB-CVD-Technik lassen sich hohe Seitenverhältnisse erzielen. Ein allgemeines Problem in diesen Zusammenhang läßt sich auf die scharfen Stufen der ausgebildeten Leiterbahnen zurückführen, während in den meisten Fällen Leiterbahnen mit schräg zulaufenden Kanten bevorzugt wären, um den Treppeneffekt mit seinen wohlbekannten Zuverlässigkeitsproblemen zu vermeiden.
  • Zwar lassen sich Ionenstrahlen bis unter einen Mikrometer Durchmesser bündeln und haben somit das Potential für eine Auflösung im Untermikroneterbereich, jedoch wurde bisher kein praktischer Weg zum Integrieren einer schnellen und effizienten Leitungsabscheidung in einen IC-Chip-Fertigungs- und - Instandsetzungsprozeß gefunden. Als Ergebnis besteht inner noch ein dringender Bedarf nach einer neuen Technik, die ein Maximum an Vorzügen der FIB-CVD-Abscheidetechnik (möglicherweise unter Einschluß von Funktionen, die von derselben nicht geleistet werden) mit einen Minimum an Nachteilen vereinigt.
  • Ferner sollte sie vorzugsweise so angepaßt werden, daß sie einige der subtraktiven Merkmale der FIB-Technik vorsieht. Schließlich wäre es höchst erwünscht, daß diese neue Technik auf die Fertigung von IC-Chips anwendbar wäre, so daß eine absolut maskenfreie Fertigung von IC-Chips ohne Lithographieschritt ermöglicht würde. Natürlich müßte eine solche neue Technik an die kundenspezifische Fertigung und Instandsetzung von IC-Chips und auch für die Instandsetzung von Masken perfekt angepaßt sein, wie es derzeit die FIB-CVD- und FIB- Techniken sind.
  • Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen unterschiedlicher Werkstoffe entweder des leitenden oder des nichtleitenden Typs auf eine große Vielfalt von Substraten bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens und eines Geräts zum direkten Zeichnen eines gewünschten Leiterbahnenmusters auf ein Substrat mit entweder einer regelmäßigen oder einer unregelmäßigen Oberfläche.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat, um verhältnismäßig schnell elektrische Verbindungen auszubilden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen zum Auftragen eines Metallnusters auf ein Substrat, um elektrische Verbindungen mit genauen Dimensionen auszubilden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen zum Auftragen eines Metallnusters auf ein Substrat, um elektrische Verbindungen mit einem spezifischen Widerstand auszubilden, der gleich dem der Metallmasse ist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen zum Auftragen eines Metallnusters auf ein Substrat, um elektrische Verbindungsleitungen jeder beliebigen Länge und Breite auszuführen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat bereitzustellen, das keine toxischen Verbindungen verwendet.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat bereitzustellen, das eine nur verhältnismäßig billige Ausrüstung oder eine vereinfachte Konstruktion mit niedrigen Betriebskosten verwendet.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat bereitzustellen, das in der Lage ist, die in diesem Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungslöcher zu füllen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat bereitzustellen, das die Oberfläche dieses Substrats nicht beschädigt.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat bereitzustellen, das im Normalfall bei Zimmertemperatur arbeitet.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein isolierendes Substrat bereitzustellen, dessen Leiterbahnen zwecks verbesserter Zuverlässigkeit schräge Kanten und gerundete Ecken aufweisen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Musters aus hochschmelzenden Metall auf ein GaAs-Substrat bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen, das üblicherweise zum Auftragen leitender und nichtleitender Werkstoffe auf ein Substrat vorgesehen ist, das aber leicht für einen subtraktiven Prozeß wie Ritzen und Elektroerosion umgerüstet werden kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum aufeinanderfolgenden Auftragen von Mustern aus Metallen (und auch Isolierstoffen) auf ein Substrat bereitzustellen, das zu einer völlig maskenfreien Fertigung von IC-Chip führen könnte.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zum Auftragen eines Metallmusters auf ein Substrat vorzusehen, das besonders gut für den kundenspezifischen Aufbau und zur Instandsetzung von IC-Chips und auch zur Instandsetzung von Photomasken geeignet ist.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung gemäß den abhängigen Ansprüchen.
  • Das Verfahren und ein Gerät der vorliegenden Erfindung ermöglicht das direkte Zeichnen eines gewünschten Musters aus einem gegebenen Werkstoff auf ein Substrat. Es gründet sich auf den Einsatz einer Schreibfeder oder eines Schreibkopfes, der im wesentlichen aus einer hochschmelzenden Spitze besteht, die mit dem Werkstoff in flüssiger Form benetzt wird. Die Spitze wird gebildet durch ein kleines Drahtstück, in der Regel aus einen hochschmelzenden Metall, wie z.B. Wolfram, die elektrolytisch geschärft und aufgerauht wird. Diese Spitze ist, z.B. durch Mikroschweißen, am Scheitel eines Heizdrahts befestigt, der in der Regel aus einem V-förmigen Stück des gleichen Wolfrandrahtes besteht. Die Enden des V- förmigen Heizdrahts sind an je einen Kontaktstift geschweißt, die aus einer isolierenden Grundhalterung vorstehen, z.B. aus einer 3-Leitungs-TO-5-Packung, in die standardmäßig drei Stifte eingegossen sind. Die Schreibfeder ist in ein Gerät eingebaut, das für die Direktschreibtechnik eingerichtet ist. Zu diesem Zweck wird die Spitze an einer Halterungsvorrichtung befestigt, die vorzugsweise so betrieben werden kann, daß sie sich entlang der Z-Achse bewegt, während das Substrat auf einer X-Y-Bühne angeordnet ist, so daß die geeigneten Bewegungen in der X-, Y- und Z-Achse möglich sind. Die zwei Kontaktstifte der Schreibfeder sind an eine Stromversorgung angeschlossen, um den Heizdraht durch Widerstandsheizung aufzuheizen. Wenn der Schweißpunkt der Spitze/Heizdraht-Baugruppe die Schmelztenperatur des aufzutragenden Metalls erreicht, wird sie in einen Schmelztiegel getaucht, der dieses Material in geschmolzene Form enthält. Der Schweißpunkt bildet einen Kristallisationskein für einen winzigen Tropfen des flüssigen Materials und bildet so einen räumlichen Vorrat ohne Behälter. Eine Dünnschicht des Flüssignaterials fließt von diesem Vorrat ab und benetzt die gesamte Oberfläche der Spitze. Schließlich wird die benetzte Spitze sanft in Berührung mit dem Substrat gebracht und die Absetzung des Materials erfolgt. Ein physikalischer Kontakt zwischen der Spitze und der Substratoberfläche ist nicht erforderlich, was den Verschleiß der Spitze begrenzt. Vorzugsweise wird die Spitze/Heizdraht-Baugruppe in Schwingungen versetzt, um die Ablagerung des Materials zu unterstützen. Unterschiedliche Konfigurationen der Spitze können benutzt werden, um unterschiedliche Muster zu erzeugen. Zum Beispiel lassen sich ultradünne Metalleitungen ausbilden, um die elektrischen Verbindungen eines IC-Chips herzustellen, aber ebenso können breitere Bereiche eines undurchsichtigen Materials für die Instandsetzung von Masken ausgebildet werden.
  • Im wesentlichen besteht die Ablagerungsmethode der vorliegenden Erfindung aus den direkten Aufschreiben eines Materials auf ein festes Substrat mit Hilfe der Spitze, die mit den betreffenden Material in geschmolzenen Zustand benetzt ist. Verschiedene Stoffe, entweder des leitenden Typs einschließlich der Standardmetalle (Al) und Metallegierungen (Al-Si, Au-Si, ...) und einiger hochschmelzender Metalle (Cr, Ta, ...), oder eines nichtleitenden Typs, wie organische oder nichtorganische Isolatoren können aufgetragen werden. Das Substrat kann unter einer großen Variation von Halterungen ausgewählt werden und eine planare oder auch eine nicht planare Oberfläche aufweisen. Ferner ist mit dem Verfahren und den Gerät der vorliegenden Erfindung ab jetzt eine gänzlich naskenfreie Fertigung von Halbleiter-IC-Chips, und insbesondere von III-V IC-Chips, möglich. Das erfindungsgemäße Auftragsverfahren hat zahlreiche Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten, nicht nur in der Halbleitertechnologie sondern auch auf anderen Gebieten.
  • Die als charakteristisch angenommenen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst sowie auch weitere Aufgaben und Vorteile derselben werden an besten verständlich unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer illustrativen, bevorzugten Ausführungsform anhand der begleitenden Zeichnungen.
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Schreibfeder gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2A ist eine vergrößerte schematische Darstellung der Spitze/Heizdraht-Baugruppe der Schreibfeder aus Fig. 1.
  • Fig. 28 ist eine schematische Darstellung, die die Spitzel Heizdraht-Baugruppe aus Fig. 2A zeigt, die mit einem Flüssigmaterial benetzt ist.
  • Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Geräts.
  • Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die die Feden Piezovorrichtungs-Baugruppe des Geräts aus Fig. 3 zeigt.
  • Fig. 5 ist eine Fotografie, die in perspektivischer Ansicht den experimentellen Aufbau des Geräts der Fig. 3 zeigt.
  • Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung der erfindungsgemäßen Direktschreibnethode in Anwendung auf das Ausbilden einer dünnen Linie eines gegebenen Materials auf einem Substrat.
  • Fig. 7 ist eine Fotografie, die die erfindungsgemäße Direktschreibmethode zur Bildung einer Metallverbindungsbrücke oder eines Steges auf einer Polyimid-Schicht darstellt.
  • Fig. 8 ist eine Fotografie, die eine vergrößerte Querschnittsansicht des metallischen Verbindungsstegs aus Fig. 7 zeigt, um die typischen schräg zulaufenden Kanten und gerundeten Ecken desselben zu zeigen.
  • Fig. 9 ist ein Diagramm, das den Widerstand (in Ohm) des metallischen Verbindungsstegs der Fig. 7, aufgetragen als Funktion seines Längen/Flächenverhältnisses (in µm&supmin;¹) zeigt.
  • Fig. 10 ist eine Fotografie, die das Muster parallel laufender Leiterbahnen zeigt, die auf einem isolierenden SiO&sub2; Substrat ausgebildet sind, immer gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt wird, besteht die Schreibfeder 10 grundlegend aus einer Spitze 11, die aus einem kleinen, zugespitzten Stück eines hochschmelzenden Metalls, wie z.B. Wolfram, gebildet wird, das mit einen elektrolytischen Prozeß geschärft und aufgerauht wurde (damit sie besser mit dem aufzutragenden Metall benetzt werden kann), wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben werden soll. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wolframspitze 11 an dem Scheitel eines V-förmigen Wolfrandrahtes befestigt, z.B. angeschweißt, der ab jetzt als Heizdraht 12 bezeichnet wird. Die Baugruppe, bestehend aus Schweißpunkt und Spitze/Heizdraht wird entsprechend in Fig. 1 mit 13 bzw. 14 bezeichnet. Immer in dieser bevorzugten Ausführungform wird eine Standard-Dreileiter-TO-5-Packungsbasis 15 mit zwei Kontaktstiften 16 und 16' benutzt, um als Halterungsvorrichtung für die Spitze/Heizdraht-Baugruppe 14 zu dienen. Die zwei Enden des V-förmigen Heizdrahts 12 werden an die Enden 16a und 16'a der entsprechenden Kontaktstifte 16 und 16' geschweißt, die etwa 3mm aus der Oberfläche der Basis 15 vorstehen. Die freien Enden der Kontaktstifte sind jetzt bereit zum Anschluß an eine Stromversorgung zwecks Widerstandsheizen der Baugruppe Spitze/Heizdraht, sobald die Schreibfeder in das Gerät eingesetzt ist, wie später noch erklärt wird. Damit ist die Beschreibung der Schreibfeder, d.i. des Schreibkopfs 10 abgeschlossen.
  • Ein geeigneter Prozeß zum Fertigen der Baugruppe Heizdraht/Spitze 14, die das Schlüsselelement der Schreibfeder 10 ist, lautet wie folgt: In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgangsmaterial zum Herstellen der Spitze 11 und des Heizdrahts 12 ein 0,1 mm dicker Wolframdraht, wie er bei MOLYTECH, Meribel, Frankreich, erhältlich ist. Die Spitze und der Heizdraht können jedoch auch aus anderen Werkstoffen bestehen, die Baugruppe Spitze/Heizdraht muß jedoch aus einen Material bestehen, dessen Schmelzpunkt höher liegt, als die Schmelztemperatur des aufzutragenden Materials, und das mit diesem benetzt werden kann. Zusätzlich darf keine chemische Unverträglichkeit zwischen dem Material, aus dem die Spitze besteht, und den Material, das aufgetragen werden soll, geben. Zunächst wird der V-förmige Heizdraht 12 durch Biegen eines kleinen Stücks dieses Drahts gebildet. In der Regel ist jede Seite, d.i. jeder Schenkel des V-förmigen Drahtes, aus dem der Heizdraht 12 besteht, etwa 115 cm lang. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird der obere Teil des V gegenüber den Schenkeln leicht geneigt, so daß er mit diesem einen Winkel von etwa 45º bildet, etwa in zwei Drittel der Gesamtlänge vom Scheitel aus. Dann wird ein 2 mm langes Stück des gleichen Wolframdrahts, das vorher mit einem Seitenschneider grob abgeschnitten wurde, an Schweißpunkt 13 an die Spitze des V geschweißt, um so die Spitze 11 zu bilden. Ihrerseits werden die Enden des Heizdrahts 12, die der Spitze gegenüberliegen, an die Enden der Kontaktstifte 16a und 16'a geschweißt. Nun wird ein elektrolytischer Prozeß durchgeführt, um die Spitze in etwa der Hälfte ihrer Länge zu schärfen und die ganze Spitze und den oberen Teil des Heizdrahts bis ganz in die Nähe des Schweißpunkts 13 (ein paar Millimeter des schrägen Teils) aufzurauhen. Die Spitze wird aufgerauht, damit sie von dem Material im geschmolzenen Zustand besser benetzt werden kann. Einige Stoffe, wie z.B. eine Au-Si-Legierung, benetzen die Spitze jedoch auch ohne diese Forderung. Ferner wird auch der obere Teil des Heizdrahts aufgerauht, damit sich ein Tropfen des geschmolzenen Materials leichter ausbildet, wie in weiteren Einzelheiten noch beschrieben wird. Zum Beispiel lassen sich dieses Schärfen und Aufrauhen durch die nachfolgend beschriebenen Prozeßschritte erzielen. Die Spitze wird in eine Elektrolytbad aus NaOH und Glyzerinlösung (8g NaOH/100 ml Glyzerin) getaucht, das auf etwa 40ºC gehalten wird, so daß die roh geschnittene Extremität durch Anlegen einer Spannung von 20 VAC zwischen die Elektrode und die Spitze als Standard abgetragen wird. Dann wird als nächstes die restliche Spitze (etwa 1 mm) wieder in die gleiche Lösung getaucht, aber jetzt wird eine veränderbare Spannung, abnehmend von etwa 15 V bis etwa 5 V, für 90 s angelegt, um die Spitze zu schärfen und die gewünschte Form und den Spitzenradius zu erhalten. Schließlich werden die Spitze und der Heizdrahtoberteil geätzt, um die gewünschte Rauhtiefe der Oberfläche zu erzielen. Zu diesem Zweck werden sie unter geringer Spannung, z.B. 1 V, und für wenige Sekunden, z.B. 1 bis 3 s, in die Lösung getaucht, um die erforderlichen Grübchen zu erzeugen. Die entstehende Struktur wird in Fig. 2A gezeigt, die eine vergrößerte Ansicht der Baugruppe 14 aus Spitze und Heizdraht der Fig. 1 ist, und zweigt eindeutig das typische Nadelprofil der Spitze und die aufgerauhte Oberfläche der Spitze und des Oberteils des Heizdrahts. (Der technische Hintergrund zu diesem hier beschriebenen elektrolytischen Prozeß kann in Artikel von JP Ibe et al., Journal of Vacuum Science and Technology A, 4, 3570 (1990) gefunden werden). In Fig. 2A, in der die Schreibspitze mit 18 bezeichnet wird, ist der Spitzenradius etwa 1 µm. In einer typischen Anwendung zum Ausbilden ultrafeiner Metallinien für VLSI IC- Chips ist in allgemeinen ein Schreibspitzenradius von etwa 0,5 bis 2 µm ausreichend. In der Wirklichkeit ist der Spitzenradius kein kritischer Parameter für die Spitze, weil, wie später noch erklärt wird, der physikalische Kontakt zwischen der Spitze 11 und dem Substrat nicht erforderlich ist.
  • Ein Verfahren zum Benetzen der Spitze mit dem Material im ge schmolzenen Zustand wird jetzt hier nachstehend beschrieben. Zunächst wird die Baugruppe 14 aus Heizdraht/Spitze (in der Nähe des Schweißpunkts 13) erhitzt, bis sie die Schmelztemperatur des aufzutragenden Materials erreicht. Dann wird die Baugruppe in einen Schmelztiegel getaucht, der dieses Material im geschmolzenen Zustand enthält. Aufrund der Oberflächenspannungskräfte kristallisiert der Schweißpunkt 13 einen winzigen Tropfen bzw. eine Kugel aus den flüssigen Material aus, die ein "räumliches" Reservoir 19a ausbildet. Von diesem Reservoir 19a aus fließt das flüssige Material ab und bildet seinerseits eine Dünnschicht 19b, die die ganze Spitzenoberfläche 11 benetzt. In der Wirklichkeit bilden das Reservoir und die Schicht ein kontinuierliches Volumen aus flüssigen Material, dessen Kontur unter Bezugszahl 19 in Fig. 28 ersichtlich ist. Hier nuß darauf hingewiesen werden, daß das Reservoir 19a keinen Behälter benötigt, um das Material zu speichern.
  • Dem Spitzendurchmesser ist offensichtlich keine physikalische Grenze gesetzt. Im einzelnen kann die erfindungsgemäße Spitze auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden wie z.B. in der Halbleiter- und Packungstechnologie. Auch andere technische Gebiete können in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel kann ein Spitzendurchmesser in Bereich von 0,5 bis 2 µm benutzt werden, um Leitebahnen der Standardvorrichtungen, die heute in VLSI Halbleiter-IC-Chips integriert sind, herzustellen oder zu verändern. Auch noch kleinere Spitzendurchmesser im Bereich von 10 - 100 nm sind denkbar, um noch stärker integrierte Vorrichtungen oder Quantenvorrichtungen herzustellen. Umgekehrt ist die Erweiterung auf Spitzen mit größeren Durchmessern (z.B. 10 - 1000 µm) ohne weiteres vorstellbar. Solche größeren Spitzen könnten angewendet werden bei der Fertigung von Substraten aus metallisierter Keramik (MC) und Mehrschichtenkeranik (MLC). In der vorliegenden Ausführungsform wurde unter Hinweis auf die Fig. 2A und 2B eine nadelscharfe Spitze beschrieben, diese besondere Konstruktion ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Auch andersgeformte Nadelspitzen sind denkbar, wie z.B. im nachhinein ausgeformte Rakelmesser, bürstenähnliche Strukturen usw. In der Tat hängen die Art des hochschmelzenden Metalls, das die Spitze bildet, ihre Länge, Form und noch weitere Parameter von der besonderen speziellen Anwendung ab. Ferner können auch unterschiedliche Konstruktionen oder Varianten der Baugruppe 14 aus Spitze und Heizdraht überlegt werden. Zum Beispiel kann anstatt in V-Form der Heizdraht auch als Spule ausgebildet sein (was die Reservoirkapazität signifikant erhöht). Auch kann die Spitze in Inneren eines dünnen Kapillarrohrs eingesetzt sein, das mit einer Quelle für das flüssige Material verbunden ist (zur automatischen Versorgung der Spitze), ... usw. Das Gerät, das die erfindungsgemäße Schreibfeder 10 beinhaltet, ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, wo es die Kennziffer 20 hat. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Gerät 20 eine Vakuumkammer 21, die mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden ist. Das Substrat 23 ist auf einer X-Y-Bühne d.i. Tisch 24 gelagert, dessen Bewegungen über herkömmliche Steuermittel 25 gesteuert werden. Die Haltevorrichtung 17 der Schreibfeder 10 ist an einem Halterungsrahmen 26 befestigt, der in der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform zunächst einen ringförmigen Kunststoffteil 27 beinhaltet, der so ausgelegt ist, daß er die Basis 15 der Schreibfeder 10 auf einer Fläche aufnimmt. Die zwei freien Enden der Kontaktstifte 16 und 16' der Schreibfeder 10 stehen auf der gegenüberliegenden Fläche vor, diese letztere ist versehen mit einer mittigen Aussparung, die so ausgelegt ist, daß sie ein Ende eines Arms 28 aufnimmt, der zwangsläufig in ihr befestigt ist. Das andere Ende des Arms 28 ist mit einer Schraube auf einem Streifen einer piezoelektrischen Vorrichtung 29 befestigt. Schließlich ist die piezoelektrische Vorrichtung 29 in einem Modulblock 30 montiert, um den Aufbau des Halterungsrahmens 26 abzuschlie ßen. Zum Beispiel sind die geeigneten piezoelektrischen Vorrichtungen erhältlich bei Tokio Corp., Tokio, Japan, unter Bezugnahme auf LA 2x3x18. Der Modulblock 30 kann die Schreibfeder 10 in X-, Y- und Z-Richtung aktivieren dank den drei Schrittmotoren (optional kann der Modulblock auch so ausgelegt sein, daß er die Schreibfeder rotieren läßt) unter der Steuerung von Steuermitteln 31. Der Schrittmotor für die Z- Richtung ermöglicht eine Grobeinstellung der räumlichen Distanz d.i. des Spalts zwischen der benetzten Spitze und dem Substrat, so daß sie gerade in den Wirkungsbereich (etwa 1 mm) der piezoelektrischen Vorrichtung gelangt. Die Aufgabe der piezioelektrischen Vorrichtung 29 ist es dann, die Feineinstellung dieses Abstands durchzuführen, wenn die benetzte Spitze in Berührung mit dem Substrat gebracht wird. Ferner ist es möglich, die Spitze in Z-Richtung in Schwingungen zu versetzen. Die piezoelektrische Vorrichtung 29 wird unter der Steuerung von piezoelektischen Steuerungsmitteln 32 angetrieben. Diese Schwingungsbewegungen können schließlich in bestimmten Situationen zwangsläufig erforderlich werden, z.B. um Oberflächenunregelnäßigkeiten (wie z.B. Mikrostufen) zu überwinden, oder um Durchkontaktierungslöcher auszufüllen oder auch nur um den Auftragsprozeß in Gang zu bringen. In planaren Substratflächen werden diese Schwingungsbewegungen in allgemeinen nicht mehr benötigt, aber in allen Fällen erleichtern sie den Auftragsprozeß. Die X-Y-Bühne 24 und der Modulblock 30 sind Standardteile und sind im Handel erhältlich, z.B. bei RAITH GMBH, Dortmund, Deutschland. Die zwei Kontaktstifte 16 und 16' der Schreibfeder 10 sind an eine Stromversorgung 33 angeschlossen, um die Baugruppe 14 aus Spitze/Heizdraht durch Widerstandsheizung zu erwärmen. Der Fachmann begreift leicht, daß sich die relativen X-, Y- und Z-Bewegungen zwischen Feder und Substrat, die für die Direktschreiboperation erforderlich sind, auf verschiedene Weisen erzielt werden können. Das Material 34 im geschmolzenen Zustand ist in einem mit der Kennziffer 35 bezeichneten Schmelztiegel. enthalten, der mit einer Heizspule 36 und zugeordneten Temperatursteuermitteln 37 versehen ist, wie in Fig. 3 ebenfalls dargestellt wird. Der Schmelztiegel ist so ausgelegt, daß sich die Schreibfeder eintauchen läßt zwecks Füllen (bzw. Nachfüllen) des Reservoirs 19a oder auch nur zum Dekontaminieren der Spitze. Es gibt kein offensichtliches Bedürfnis ein automatisches Nachfüllsysten zu implementieren wegen des Fassungsvermögens des Reservoirs und der extrem geringen Materialmengen, die zum Auftragsprozeß erforderlich sind. In der Tat ist das Fassungsvermögen des Reservoirs 19a in Fig. 2B etwa 1 mm³, unter der Annahme, daß es sich beim auf zutragenden Material um ein Metall handelt, würde diese Kapazität ausreichen zum Schreiben von etwa 1 km einer 1 µm x 1µm Leiterbahn. Alternativ kann die Schreibfeder dem Anwender auch mit einem vorgefüllten Reservoir geliefert werden, so daß sie sofort einsatzbereit ist, man braucht das Reservoir nur aufzuheizen, so daß die Spitze in ein paar Sekunden benetzt ist. Sollte jedoch ein automatisches Nachfüllsystem verlangt sein, gibt es in dieser Hinsicht keine Hindernisse.
  • Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilansicht der Baugruppe Schreibfeder/Halterungsrahmen aus Fig. 3. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Spitze 11 im wesentlichen in etwa in 45º schräg gegenüber einer horizontalen Ebene angeordnet. Die zwei freien Enden der Kontaktstifte 16 und 16' stehen aus der gegenüberliegenden Seite des Teils 27 vor und sind über Drahtleitungen mit der Stromversorgung 33 verbunden. Auch die piezoelektrische Vorrichtung 29 ist elektrisch mit den Piezosteuermittel 32 standardmäßig über einen einzigen elektrischen Leiterdraht verbunden.
  • Die äußerst feine Einstellung des Abstands zwischen Schreibspitze und Substrat kann sehr subtil auf verschiedene Weise gesteuert werden. Von Hand läßt sie sich durch optische Beobachtung entweder direkt oder durch ein Binokular oder ein Mikroskop einstellen. Die Einstellung kann auch automatisch vorgenommen werden durch den Einsatz von Sensoren, die auf die Wirkungen atonarer/kapillarer Kräfte, auf Druck, Kapazitäts- oder Leitungswiderstandsnessungen anziehend oder abstoßend ansprechen o.ä. Weiter unter der Annahme, daß das aufzutragende Material ein Metall ist, kann das Gerät 20 ferner vorzugsweise ein Abtastsystem für elektrische Durchgängigkeit enthalten. Zwei Testproben werden für elektrische Durchgängigkeits- oder Widerstandsnessungen eingesetzt. In diesen Fall kann ein Master-Slave-System an Gerät 20 angepaßt werden, so daß bei Feststellen einer Undurchgängigkeit (verursacht durch einen "Sprung" der Spitze) beim Ausbilden der Leiterbahn die Schreibfeder den Ablagerungsprozeß wieder aufnehmen kann. Die Einstellung eines Temperatursteuergeräts zwecks genauerer Steuerung der Temperatur der Baugruppe 14 Spitze/Heizdraht, z.B. durch IR Mikro-Pyrometrie liegt ebenso innerhalb der Vorstellungen des Fachmanns.
  • Gemäß der Ausführungsform in Fig. 3 hält die Baugruppe 14 Spitze/Heizdraht nach Anschluß an die Stromversorgung 33 das Material im geschmolzenen Zustand, so daß das flüssige Material kontinuierlich vom Reservoir 19a abfließt und die Spitzenoberfläche mit einer dünnen Schicht 19b benetzt. Aber auch andere direkte oder indirekte Heiztechniken für das Reservoir 19a, wie Elektronen- und Laserbeschuß, Induktion und dergl. sind ebenfalls eingeschlossen. Keine Heizvorrichtung ist jedoch zum Aufheizen des Substrats 23 vorgesehen, doch könnte eine solche Vorrichtung leicht eingesetzt werden, falls erforderlich. Offensichtlich läßt sich wegen der einfachen Konstruktion das Gerät 20 der Fig. 3 voll automatisieren
  • Schließlich muß auch darauf hingewiesen werden, daß das vorliegende Gerät voll kompatibel mit den existierenden FIB-CVD- Stationen ist. In diesem Fall, wenn das Gerät in der Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops oder einer FIB- Station untergebracht ist, ist das SIM-Bild, auf dessen Vorteilhaftigkeit für eine Präzisionssteuerung des Schreibprozesses oben hingewiesen wurde, voll verfügbar. Das Gerät 20 der Fig. 3 arbeitet im Normalfall bei Zimmertemperatur. Es kann jedoch auch in der umgebenden Atmosphäre arbeiten, wenn sich das hochschmelzende Material der Spitze in der Luft nicht zersetzt, sobald es erhitzt wird. In gewissen Fällen jedoch, z.B. bei einem Auftrag von Au-Si, kann diese Schwierigkeit überwunden werden, wenn ein Neutralgas (Stickstoff oder Argon) eingeblasen wird, so daß die Oxidierung der Baugruppe 14 Spitze/Heizdraht verhindert wird (und damit auch die Kontaminierung des aufgebrachten metallischen Au-Si).
  • Fig. 5 ist eine Fotografie, die einen experimentellen Aufbau des erfindungsgemäßen Geräts 20 zeigt, das für die Praxis ausgelegt wurde. Das oben genannte Abtastsystem beinhaltet zwei Sonden 38 und 39, die auf ihre entsprechenden Modulblöcke montiert sind.
  • Jetzt soll das Prinzip des Auftragsverfahrens beschrieben werden. Ein typischer, einfacher Weg zur Versorgung des Schweißpunkts 13 mit dem flüssigen Material, ist wie folgt. Zunächst muß eine Quelle für das Material in geschmolzenen Zustand geschaffen werden. Z.B. wird der Schmelztiegel 35 in der Vakuunkammer 20 (siehe Fig. 3) mit einem Barren oder mit Pellets des auf zutragenden Materials gefüllt. Das Material 34 wird dann über seine Schmelztemperatur erhitzt. Gleichzeitig werden die Kontaktstifte 16 und 16' (Fig. 1) der Schreibfeder 10 mit der Stromversorgung 33 verbunden, so daß ein ausreichender Strom durch sie hindurchfließt, um die Baugruppe 14 Spitze/Heizdraht durch Widerstandsheizen zu erwärmen. Die Temperatur der Baugruppe Spitze/Heizdraht in der Nähe des Schweißpunkts 13 steigt damit über die Schmelztemperatur des Materials. Der Zweck dabei ist, zu verhüten, daß es zu einem Wärmestoß zwischen ihnen kommt. Als nächstes wird die Baugruppe Spitze/Heizdraht in den Schmelztiegel getaucht, das Reservoir 19a füllt sich und die Dünnschicht 19b entsteht. Sobald die Spitze 11 von der Dünnschicht benetzt ist, ist sie bereit zum Einsatz. Im Fall, daß die Schreibfeder bereits vorher benutzt wurde (das Reservoir ist schon gefüllt) - das restliche Material, das das Reservoir bildet, und die Dünnschicht sind erstarrt - genügt es, die Baugruppe Spitze/Heizdraht, wie oben gesagt, aufzuheizen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die benetzte Spitze 11, die vom Halterungsrahmen 26 getragen wird, die in der "oberen" Position steht, wird in der X- und/oder Y-Richtung verfahren, so daß sie genau über dem Anfangsablagepunt steht. Der Halterungsrahmen wird mittels der Steuermittel 31 entweder mit Hilfe eines Mikromanipulators von Hand oder automatisch bewegt. Dann wird die Spitze grob, z.B. etwa 1 mm, mit Hilfe des Z-Schrittnotors in Z-Richtung über dem Substrat eingerichtet. Als nächstes wird mit Hilfe der piezoelektrischen Einrichtung (immer noch in Z- Richtung) nach Sicht eine Feineinstellung durchgeführt, bis die Dünnschicht aus geschmolzenem Material auf der Spitze in engen Kontakt mit der Substratoberfläche kommt. Diese Feinbewegung in Z-Richtung wird unter der Steuerung durch das piezoelektrische Steuermittel 32 (Fig. 3) abgeschlossen. Für den restlichen Auftragsprozeß ist es angebracht (im wesentlichen um das Auswandern des Brennpunkts des SIM-Bildes zu verhindern, falls dieses benutzt wird), das Substrat nur durch Betätigen der X-Y-Bühne unter der Steuerung durch die Steuermittel 31 zu bewegen. Der Fachmann versteht, daß in Wirklichkeit die geeigneten relativen Bewegungen zwischen der Spitze und dem Substrat in X-, Y- und Z-Richtung gesucht werden.
  • Gehen wir jetzt über zu Fig. 6; das flüssige Material fließt (unter der Wirkung der Kapillarkräfte) von der Dünnschicht 19b, die die Spitze 11 benetzt, auf die Oberfläche des Substrats 23 und erstarrt dort, z.B. bein Schreiben einer dünnen Linie 40 aus dem Material, sobald das Substrat 23 in X- bzw. Y-Richtung bewegt wird. Ein typischer Ort für die Schnittstelle flüssig/fest wird mit Bezugszahl 41 bezeichnet. Relativ hochgenaue Bewegungen zwischen der Spitze und den Substrat (mechanisch/piezo) ermöglichen es, daß die benetzte Schreibspitze in geeignetem Abstand h geführt wird, damit der Auftrag stattfindet. Im wesentlichen fließt das flüssige Material von der Spitze ab, benetzt die Substratoberfläche, und erstarrt auf dieser. Die anhand der Fig. 6 beschriebene Methode wird direkt angewandt bei der Ausbildung ultradünner Leiterbahnen, um den.Anforderungen an die Verbindungen bei den VLSI IC-Chips zu genügen. Das vorliegende Verfahren ist jedoch in der Lage, auch viele andere Muster aufzubringen, und insbesondere ist es in der Lage, Metalltestflecken zu erzeugen (z.B. durch Mehrfachüberstreichen, falls die oben beschriebene dünne Spitze benutzt wird, oder durch Einsatz einer Rakel), die bei der Prüfung und Bewertung der Vorrichtungen dringend benötigt werden. Hier muß darauf hingewiesen werden, daß unerwarteterweise das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Lage ist, dendritische Strukturen und brückenförmige Leiterbahnen auszuformen.
  • Sobald das Substrat bewegt wird, bildet sich die Linie 40 aus mit einer ausgezeichneten Haftung auf denselben. Hier wird angemerkt, daß es, wie aus Fig. 6 hervorgeht, nicht erforderlich ist, daß die Schreibspitze 11 in physikalische Berührung mit der Substratoberfäche gebracht wird, gemäß einen signifikanten Merkmal der vorliegenden Erfindung. Daraus ergibt sich, daß sich der Verschleiß der Schreibspitze signifikant verringert und eine lange Lebensdauer der Spitze erwartet werden kann.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann gemäß einem weiteren signifikanten Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Schwingbewegung auf die Spitze aufgebracht werden, um das Absetzen am Anfangspunkt zu erleichtern, und wunschgemäß über den ganzen Ablagerungsvorgang aufrecht erhalten werden. In einigen Fällen kann das Substrat als Wärmesenke fungieren und kühlt auf diese Weise das flüssige Material an der Spitze der Schreibspitze. Das trifft insbesondere zu, wenn ein metallisches Substrat benutzt wird (z.B. wenn ein leitender Steg mit einem metallischen Kontaktflecken in Berührung gebracht werden soll, wie in BEISPIEL 1 nachstehend gezeigt wird). In diesem Fall tendiert die Schnittstelle 41 in Fig. 6 dazu, sich in Richtung zur Schreibspitze zu verschieben, was den Auftragsprozeß erschwert. Die Aufgabe der Schwingungsbewegungen ist es daher, das Erstarren des flüssigen Materials an Berührungspunkt zu verhindern. Die sehr hohe Präzision der kombinierten X-Y-Bewegungen der Bühne 24 mit den Z-Bewegungen, die von der piezoelektrischen Vorrichtung 29 bewirkt werden, ermöglichen das Auftragen des Materials ohne jede Beschädigung des Substrats 23. Ferner ist es möglich, mit den Schwingungsbewegungen der Spitze 11 eine "Mikrostufe" zu überwinden oder sogar ein Durchkontaktierungsloch zu füllen. Daraus ergibt sich, daß, immer unter der Annahme des Auftrags eines Metalls, es möglich ist, Leiterbahnen und Ansätze in Z- Richtung abzulegen und damit die den Weg zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen zu öffnen.
  • Zusätzlich kann, gemäß einen anderen signifikanten Merkmal der vorliegenden Erfindung, beim Auftragen eines Metalls auf ein metallisches Substrat, in obigen Fall, ein Strongenerator zwischen die Baugruppe Spitze/Heizdraht und den metallischen Flecken (der geerdet werden muß) geschaltet werden, um den Ablageprozeß signifikant zu verbessern. Der Gleichstrom, der dem Heizgleichstrom aus der Stromversorgung 33 überlagert wird, produziert Mikroentladungen, die ihrerseits die Ausbildung kleiner Metallpunkte bewirken, die eine erstaunliche Haftkraft aufweisen. Diese Punkte können überlappt werden, um einen Leiter zu bilden. Daraus ergibt sich, daß die Schreibfeder der vorliegenden Erfindung leicht an die Mikrolichtbogen-Schweißtechnik angepaßt werden kann.
  • Schließlich erfolgt der Ablagerungsprozeß üblicherweise bei Zimmertemperatur. Die Ablagerungsrate muß so eingestellt werden, daß eine kontinuierliche Ablagerung erfolgt. Im allgemeinen sind Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 20 µm/s geeignet, aber sie hängt offensichtlich von der Qualität der Substratoberfläche und von der betreffenden spezifischen Anwendung ab.
  • Das erfindungsgemäße Ablagerungsprinzip läßt sich vergleichen mit der mikroskopischen Reproduktion des Schreibens auf eine Platte mit Hilfe einer Tuschfeder, wobei statt der Feder eine geschärfte und aufgerauhte Spitze aus hochschmelzenden Metall und statt der Tusche ein Material in geschmolzenen Zustand benutzt wird.
    • BEISPIEL 1
  • Feine Linien aus einer Au-Si-Metallegierung werden aufgebracht, um eine Leiterbahn oder einen Steg 42 auf der Oberfläche eines Substrats auszubilden, im vorliegenden Fall eine Polyimidfolie 43 mit zwei quadratischen Goldflecken 44 und 45, wie in Fig. 7 gezeigt wird. Die Betriebsparameter sind: Ein Heizgleichstrom mit etwa 0,7 A fließt durch den Heizdraht 12, um die Temperatur bis etwas über die Schmelztemperatur des Au-Si zu erhöhen, d.i. etwa 350ºC. Sobald sich die Dünnschicht 19b ausbildet, wird die benetzte Spitze 11 vorsichtig in Berührung mit dem Flecken 44 gebracht (wobei der Abstand der Schreibspitze zur Oberfläche des Fleckens nur einige wenige Nanometer beträgt). Die Spitze wird in Z-Richtung in Schwingungen versetzt, um eine gute Haftung der Au-Si-Metall legierung auf dem Goldflecken zu gewährleisten. Dann beginnt die Polyimidfolie 43 mit ihren entsprechenden Bewegungen in X- und/oder Y-Richtung. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird das Hindernis, das aus der "Mikrostufe" an der Seitenwand des Fleckens 44 besteht, ohne Erzeugung einer elektrischen Diskontinuität zwischen den zwei Flecken überwunden. Die Geschwindigkeit, Frequenz und Größenordnung der Schwingungen werden gemäß der Wechselwirkung zwischen dem aufgetragenen Au-Si und der Polyimidfolie eingestellt. Im vorliegenden Fall ist die Auftragsgeschwindigkeit etwa 5 µm/s, die Schwingungsamplitude ist 0,5 µm und die Frequenz ist etwa 20 Hz. Der entstehende Steg 42 Weist einen Querschnitt von etwa 3 µm x 3 um auf. Sobald die "Mikrostufe" überwunden ist, wird die Ablagerung weiter auf die Polyimidfolie 41 fortgeführt und die Schwingung der Spitze ist nicht mehr zwingend erforderlich. Die unter Bezugnahme auf BEISPIEL 1 beschriebene Methode zeigt, daß sich die Direktschreibmethode der vorliegenden Erfindung nicht auf Substrate mit ebener Oberfläche beschränkt, sondern auch bei unregelmäßigen Oberflächen anwendbar ist.
  • Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, die eine Querschnittsansicht des Stegs 42 der Fig. 7 darstellt, sind dessen Kanten d.i. Seitenwände geschrägt und die Ecken gerundet. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann somit dazu benutzt werden, die Topologie der Metallinien d.i. Leiterbahnen zu verbessern, und ist besonders attraktiv, wenn sie in dieser Hinsicht auf eine hochschmelzende Metallisierung angewandt werden. Ferner sind der Stegquerschnitt und der saubere Aspekt der Schnittstelle zwischen Au-Si-Legierung und Polyimidfolie gute Indikatoren für die ausgezeichnete Haftung des den Steg bildenden Metalls auf der Polyimidfolie.
  • Nehmen wir wieder Bezug auf Fig. 7; zwischen den Flecken 44 und 45, die etwa 180 µm auseinanderliegen, wird ein Widerstand von 0,2 Ohm gemessen. Fig. 9 ist ein Diagramm des gemessenen Widerstands R (in Ohm), aufgetragen gegen die Steglänge, genauer gesagt, das Verhältnis Weglänge/Stegquerschnitt, d.i. 1/s (in µm&supmin;¹) Die Kurve 46, die die unterschiedlichen gemessenen Punkte nittelt, hat einen Anstieg, der für den spez. Widerstand der aufgetragenen Au-Si-Legierung illustrativ ist. Aus Fig. 9 geht daher eindeutig hervor, daß der spez. Widerstand des aufgetragenen Au-Si im wesentlichen identisch ist mit den der Masse der Au-Si-Metalllegierung (2,6 10&supmin;&sup6; Ohm-cm).
    • BEISPIEL 2
  • Fig. 10 ist eine Fotografie, die ein Muster aus dünnen parallelen Au-Si-Linien zeigt, die auf einem SiO&sub2;-Substrat gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden. Die Auftragsgeschwindigkeit war 10 µm/s. Die Linien liegen in Abstand von etwa 40 µm und weisen einen Querschnitt von etwa 5 µm Breite und 2 µm Höhe auf.
  • Es können also verschiedene leitende Materialien, einschließlich Standardmetalle und Metallegierungen (Al-Si, Au-Si, Cu, ...) und hochschmelzende Metalle (Ta, Ti, ...) aufgebracht werden, mit Ausnahme natürlich Wolfram (W), aus dem die Baugruppe Spitze/Heizdraht besteht. Jedoch können auch nichtleitende Materialien, wie z.B. nichtorganische Isolatoren (Si&sub3;N&sub4;, SiO&sub2;, ...) oder organische Isolatoren (Polymere) aufgetragen werden, wenn sie die geeigneten Benetzungs- und Viskosität/Fluiditätsnerkmale aufweisen. Auch das Auftragen anderer Materialien, die auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie exotisch sind, ist ebenfalls möglich. Solche Materialien sind u.a. Salzschmelzen, Photolacke, Lösungen, biologische Moleküle und Strukturen usw. In Abhängigkeit vom aufzutragenden Material kann es erforderlich sein, daß das Substrat erwärmt oder gekühlt werden muß. Auch kann das Substrat aus jedem beliebigen Material sein, wie z.B.: Keramik, Quarz, Gläser, Halbleiter wie Si und GaAs, Isolierschichten wie Nitride und Oxide, Polymere wie Polymide, Metalle usw., ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Wegen ihrer spezifischen scharfen Form kann die Spitze 11 der vorliegenden Erfindung auch für Abziehprozesse eingesetzt werden. Viele Anwendungen erfordern, daß dünne Linien auf ein Substrat aufgebracht werden, die durch Ablation ausgebildet werden.
  • Eine erste herkömmliche Technik ist mechanisches Anreißen. Beispielhafte Artikel, die typisch durch mechanisches Anreißen gebildet werden, sind Reticle-Masken (Zwischenmasken) Hier wird ein Verfahren ohne Photolack gesucht in Gegensatz zu den verhältnismäßig aufwendigen Feinlinien-Lithographietechniken, die für die IC-Chip-Fertigung entwickelt wurden. In dieser Hinsicht erfordert das mechanische Anreißverfahren weit weniger Kapital- und Betriebskosten, jedoch bleiben gewisse Zweifel über seine Fähigkeit zum Schreiben von ultradünnen Linien (z.B. 0,35 µm), die in nächster Zukunft erforderlich werden zum Herstellen der Photonasken für fortgeschrittene IC-Chips. Die Spitze 11 der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, für jeden Gebrauch eingesetzt zu werden, soweit es Standard-Anreißverfahren betrifft, aber die Spitze 11 ist noch viel wirksamer, weil die piezoelektrische Vorrichtung zusätzliche Abbaufähigkeiten (Maschinenhammereffekt) bereitstellt, die mit Standardspitzen nicht erzielt werden können.
  • Die oben beschriebene mechanische Anreißtechnik setzt ein zugespitztes Stück aus festen Material ein, in vorliegenden Fall die Spitze 11, um ein Werkstück zu formen. Leitermaterialien können auch durch Elektrobearbeitungsverfahren wie z.B. elektrisch-funkenerosives Bearbeiten (EDM) und insbesondere durch Elektroerosionsbearbeitung geformt werden. In diesem Fall wird das Werkstück geerdet und ein Lichtbogen wird zwischen einer Elektrode und dem Werkstück gezündet. Wenn das Werkstück ein hinreichend guter Leiter ist, bildet der Lichtbogen ein Plasma aus, das das Material des Werkstücks in der Nähe des Lichtbogens verdampft. Die hinreichende Steuerung des Materialabtrags wird ermöglicht durch Steuerung des Lichtbogens. Eine Technik zum Bohren von Mikrobohrungen in verschiedenen Werkstücken, so z.B. Retide-Masken, wird in US-A-5149404, erteilt an ATT, beschrieben.
  • Die Spitze 11 der vorliegenden Erfindung läßt sich sehr einfach so auslegen, daß sie auf diese Weise arbeitet. In einer typischen Anwendung wird die Spitze 11, die hier die Rolle einer Elektrode spielt, ganz nahe an das Werkstück, das angerissen werden soll, oder sogar in Berührung mit diesem gehalten. Die Kontaktstifte 16 und 16' werden kurzgeschlossen und mit einer Klemme der Stromversorgung verbunden, und das Werkstück über einen Schalter mit der anderen. Die Spitze wird auf das Werkstück gesetzt oder in dessen Nähe gehalten, entweder unter Einwirkung der Schwerkraft oder durch eine andere Kraft, wie z.B. durch eine Reihe elastischer Federn. Die Auflagekraft, falls erforderlich, hängt ab von der spezifischen Anwendung. Nach Einschalten der Stromzufuhr werden die Spitze und das Werkstück im Verhältnis zueinander verschoben und damit findet das Anreißen statt. Die Schreibfeder der vorliegenden Erfindung findet auf diese Weise eine weitere Anwendungsnöglichkeit, z.B. bei der Fertigung oder Instandsetzung von Photomasken.
  • Verfahren und Gerät der vorliegenden Erfindung bringen somit viele Vorteile. Das Verfahren dient zum Aufbringen verschiedener Materialien auf eine große Menge unterschiedlicher Substrate. Leitende Materialien, wie z.B. Metalle, nichtleitende Materialien, wie z.B. Isolatoren, und sonstige Materialien, wie z.B. Halbleiter oder Supraleiter, können aufgebracht werden. Hochschmelzende Metalle können aufgetragen werden, mit Ausnahme von Wolfram, welches das bevorzugte Material zum Herstellen der Baugruppe Spitze/Heizdraht ist. Die Substratoberfläche braucht keineswegs eben zu sein.
  • - Die Spitze unterliegt keinem vorzeitigen Verschleiß, weil keine physikalische Berührung mit dem Substrat erforderlich ist. Als zusätzliches Ergebnis gibt es bei der vorliegenden Methode keine Beschädigung der Substratoberfläche, im Gegensatz zur herkömmlichen FIB-CVD-Ablagerungstechnik, die eine hohe Jonendosierung erfordert.
  • - Die piezoelektrische Vorrichtung stellt sich in bestimmten Fällen als entscheidendes Merkmal heraus, z.B. zum Beginnen des Ablagerungsprozesses und zum Füllen von Durchkontaktierungslöchern. Ferner läßt sich die piezoelektrische Vorrichtung mit dem Strongenerator kombinieren, um Mikroentladungen für eine verbesserte Haftung des abgelagerten Metalls auf einem metallischen Substrat zu bewirken.
  • - Der Ablagerungsprozeß ist vom direkten Typ. Eine Metallverbindungsleitung (z.B. mit einem Querschnitt von 2 µm x 1 µm) kann mit einer Geschwindigkeit von einigen zehn µm/s aufgebracht werden. Zusätzlich ist der spez. Widerstand des abgelagerten Metalls gleich dem spez. Widerstand des aufzutragenden Massenmetalls. Daraus ergibt sich, daß verhältnismäßig lange, z.B. mehrere hundert um lange Leiterbahnen verhältnismäßig leicht aufgebracht werden können, um Leiterbahnen in IC-Chips zu produzieren. Ferner haben diese Leiterbahnen die gewünschten schräg zulaufenden Kanten.
  • - Der Ablagerungsprozeß ist sehr genau. Z.B. ermöglicht die hohe Auflösung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Füllen einer Lücke zwischen zwei ultradünnen Leiterbahnen mit minimalem Abstand, z.B. zwei 0,3 µm breite Leitungen, die etwa 0,3 µm auseinanderliegen.
  • - Das Aufbringen von Metallen wird erreicht ohne jede Entwicklung giftiger Gase oder Verbindungen, in der Regel bei Zimmertemperatur und in der üblichen, Ungebungsatmosphäre.
  • - Eine Anzahl unterschiedlicher Spitzenformen und -größen kann eingesetzt werden, um eine große Anzahl unterschiedlicher Muster zu erzeugen.
  • - Das erfindungsgemäße Gerät ist von einfachem Aufbau und erfordert im Vergleich zu den FIB-CVD-Stationen nur geringe Betriebskosten.
  • - Es läßt sich mit Leichtigkeit für Abzugsprozesse, wie mechanisches Anreißen und elektroerosive Bearbeitung auslegen.
  • Daraus ergibt sich, daß das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung eine weiten Palette von Anwendungsmöglichkeiten findet.
  • Zunächst ist die Möglichkeit zum Ausbilden feiner, hochleitender Metalleitungen ein sehr geschätztes Merkmal bei der kundenspezifischen Herstellung und Instandsetzung von IC- Chips. Es lassen sich jedoch auch Widerstände anstatt der hochleitfähigen Leiterbahnen aufbringen, wenn man entsprechende Zusammensetzungen einsetzt, wie z.B. Cermets. Andererseits ist auch die Möglichkeit des Ausbildens weitflächiger Zonen aus undurchsichtigem Material sehr nützlich bei der Herstellung und Instandsetzung von Photomasken.
  • Die Fähigkeit zum Ausfüllen von Durchkontaktierungslöchern (Ansatzformprozeß) zum Aufbringen von Metall an der Seite von Vorrichtungen, und das Aufbringen von Isolatoren in begrenzten Zonen einer Vorrichtung, ist ein entscheidender Faktor bei der Fertigung von 3D-Strukturen.
  • Die Fähigkeit zum Ablegen von Isolatoren kann auch dazu benutzt werden, kleine Isolierungsbereiche und Verbindungen z.B. mit optischen Fasern auszubilden, wenn geschmolzenes Glas als Materialauftrag benutzt wird.
  • Weitere betroffene Gebiete sind u.a. Fertigung von Hybridschaltungen, Beugungsgittern, Solarzellen, Quantenvorrichtungen usw.
  • Insbesondere sind das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung für die Fertigung von Solarzellen perfekt ausgelegt. Mehrfach nebeneinanderliegende Schreibfedern können leicht mit einem Siliziumband kombiniert werden, das von einem Endlosband zwecks billiger Massenproduktion desselben transportiert wird.
  • Das Verfahren ist extrem bedeutsam für die Fehleranalyse (Kontaktflecken-Ausbildungsprozeß), Probenherstellung, Mikroanalyse, Rekonfiguration von IC-Chips und dergl.
  • Ferner läßt sich die IC-Chip- und Maskeninstandsetzung in Qualitätskontrollzyklen integrieren, in denen Fehler in den ursprünglich aufgebrachten Mustern nach Abschluß der Fertigung der IC-Chips oder Masken berichtigt werden. Es könnte somit interessant sein, das erfindungsgemäße Gerät an Schlüsselstellen der Fertigungsstraße einzusetzen.
  • Ein weiterer einzigartiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und Geräts ist seine Kompatibilität mit anderen FIB- Techniken, wie Ionenimplantation, Ionenschleifen und Umkehraufstäuben, so daß die Integration der Metallauftragstechnik der vorliegenden Erfindung ein integriertes, voll maskenfreies IC-Chip-Fertigungssysten ermöglichen würde.

Claims (1)

1. Eine Vorrichtung (20) zum direkten Zeichnen eines gewünschten Musters aus einen gegebenen Material auf ein Substrat (23) mit einer Hauptfläche, die umfaßt:
Substrattragemittel (24) zum Tragen des Substrats;
eine feste, konisch zulaufende Spitze (11) aus einem Material, dessen Schmeiztenperatur über der Schmelztemperatur des auf zutragenden Materials liegt, wobei die äußere Fläche dieser Spitze von dem Material im geschmolzenen Zustand benetzt werden kann;
Spitzentragemittel (12, 15, 26), die so ausgelegt sind, daß die Schreibspitze (18) über der Hauptfläche des Substrats und in einen vorgegebenen Abstand (h) dazu gehalten wird, während sie in Richtungen parallel zum Substrat geführt wird;
Zufuhmittel (19a) zum Versorgen der äußeren Fläche der Spitze einschließlich der Schreibspitze mit einer dünnen Schicht (19b) dieses Materials in geschmolzenen Zustand mit Hilfe von Kapillarkräften;
Heizmittel (12) zum Halten der dünnen Schicht etwas über der Schmelztemperatur des betreffenden Materials; und
gesteuerte Antriebsmittel (25, 31) zum Bewirken der relativen Bewegungen zwischen dem Substrat und der Spitze.
2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Heizmittel gewählt werden aus der Gruppe, die beinhaltet: Elektronenbeschuß, Laserbeschuß, Induktionsheizung und Widerstandsheizung.
3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das Heizmittel ein Widerstandsheizmittel ist.
4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Spitzentragemittel ein Spitzenhaltemittel (17) umfaßt.
5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der das Spitzenhaltenittel im wesentlichen aus einer TO-5 Packungsbasis (15) besteht, die mit zwei Stiften (16, 16') versehen ist.
6. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, bei der das Material, aus dem die Spitze besteht, ein hochschmelzendes Metall ist.
7. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das hochschmelzende Metall Wolfram ist.
8. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das Widerstandsheiznittel aus einem Heizfaden (12) besteht, der aus einem V-förmigen Wolframdraht gefertigt ist, dessen Spitze an einem Schweißpunkt (13) an das äußerste Ende der Spitze gegenüber der Schreibspitze geschweißt ist, und dessen beide Enden an die Enden (16a, 16'a) der Stifte (16, 16') geschweißt sind, die zwecks Anschluß an eine gesteuerte Energiezufuhr (33) in die Basis eingebettet sind.
9. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das Widerstandsheizmittel ein Heizfaden (12) ist, der aus Wolframdraht in Spulenform besteht, dessen zwei Enden an die Enden (16a, 16'a) der Stifte (16, 16') geschweißt sind, und in dem das Ende der Spitze, das der Schreibspitze gegenüber liegt, an eine Wicklung der Spule geschweißt ist, so daß der Schweißpunkt (13) in etwa in der Mitte der Spule gelegen ist.
10. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Spitze und die Heizfadenoberfläche in der Nähe des Schweißpunkts die Fähigkeit aufweist, eine gewisse Menge des aufzutragenden Materials zu Kristallisationskeimen zu bilden, wenn sie in das Material in geschmolzenen Zustand eingetaucht wird, wobei diese Menge ihrerseits einen Vorrat (19a) derselben bildet, der die Spitze benetzt, wenn diese letztere auf den Materialschmelzpunkt erwärmt wird.
11. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, bei der die Außenfläche aufgerauht ist.
12. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, in dem das Spitzentragemittel (26) so ausgelegt ist, daß es die Spitze in Z-Richtung in feine Bewegungen versetzt.
13. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, in dem das Spitzentragemittel ferner eine Piezo-Vorrichtung (29) aufweist, die auf einen Modulblock (30) befestigt ist und einen Arm (28) hat, der an dem Tragemittel (17) befestigt ist.
14. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, in dem die Piezo- Vorrichtung so ausgelegt ist, daß sie die Spitze in Z- Richtung in feine Bewegungen versetzt.
15. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, in dem die Piezo-Vorrichtung so ausgelegt ist, daß sie die Spitze in Schwingungen versetzt.
16. Die Vorrichtung gemäß einen beliebigen obigen Anspruch, in dem das Spitzentragemittel ferner Mittel beinhaltet, um der Spitze in Z-Richtung in grobe Bewegungen zu versetzen.
17. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 16, in dem das Mittel zum Erteilen grober Bewegungen einen Schrittmotor im Modulblock beinhaltet.
18. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, die ferner ein Vakuumkammermittel (21) aufweist, das mit einer Vakuumpumpe (22) verbunden ist, um das Gerät mit eine reinen Atmosphäre zu umgeben.
19. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, die ferner ein Schmelztiegelmittel (35) zur Aufnahme des Materials (34) im geschmolzenen Zustand aufweist.
20. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 19, in dem das Schmelztiegelmittel innerhalb der Vakuumkammer eingeschlossen ist.
21. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, in dem das Substrattragenittel eine X-Y-Bühne enthält.
22. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, in dem das Substrattragemittel ein Fließband enthält.
23. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, die ferner an die Spitze angeschlossene Stromgeneratormittel enthält, zwecks Mikrolichtbogenschweißen, wenn ein metallisches Substrat benutzt wird.
24. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, die ferner Sondenmittel enthalten.
25. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, in der das Material ausgewählt wird aus der Gruppe Leiter, Nichtleiter, Halbleiter und Supraleiter.
26. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, in der die Leiter ausgewählt werden aus der Gruppe niedrigschmelzender Metalle und Legierungen und hochschmelzender Metalle.
27. Die Vorrichtung gemäß einen beliebigen obigen Anspruch, in der das Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe Halbleiter, Nichtleiter und Metalle.
28. Die Vorrichtung gemäß einem beliebigen obigen Anspruch, in dem die feste, konisch zulaufende Spitze ausgewählt wird aus der Gruppe spitz zulaufende Spitzen, pfostenförmige Spitzen, nadelförmige Spitzen, bürstenförmige Spitzen und rakelförmige Spitzen.
29. Verfahren zum Abscheiden eines gegebenen Materials auf ein Substrat, das eine Hauptfläche gemäß einem gewünschten Muster aufweist, enthaltend die folgenden Schritte:
Vorsehen eines Substrats (23) mit einer Hauptfläche, die auf einer bestimmten Ebene angeordnet ist;
Vorsehen einer festen, einzeln-ausgeformten Spitze (11), deren Außenfläche, einschließlich ihrer Schreibspitze, vollständig von einer Dünnschicht (19b) des Materials im geschmolzenem Zustand benetzt ist, das in einem Vorrat enthalten ist, der an die Außenfläche anliegt, und in der Lage ist, eine bestimmte Menge desselben zu Kristallisationskeinen zu formen;
vorsichtiges Aufbringen der benetzten Spitze auf die Substratfläche, so daß die Schreibspitze in einem bestimmten Abstand (b) über der Hauptfläche des Substrats gehalten wird; und
selektives Vorsehen einer relativen Bewegung zwischen der Spitze und dem Substrat, damit bewirkt wird, daß das Material gemäß dem gewünschten Muster (40) auf dem Substrat aufgetragen wird, wobei sich die Spitze entlang parallel zum Substrat laufenden Richtungen bewegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 29, das ferner den folgenden Schritt enthält:
Aufbringen einer Schwingungsbewegung auf die Spitze, um die Haftung des aufgebrachten Materials zu verstärken.
31. Das Verfahren gemäß Anspruch 29 oder 30, das ferner den folgenden Schritt enthält:
Aufbringen von Mikroentladungen auf die Spitze.
32. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der obigen Ansprüche 29 bis 31, in dem das Material ausgewählt wird aus der Gruppe Leiter, Nichtleiter, Halbleiter und Supraleiter.
33. Das Verfahren gemäß Anspruch 32, in dem die Leiter ausgewählt werden aus der Gruppe niedrigschmelzender Metalle und Legierungen und hochschmelzender Metalle.
34. Das Verfahren gemäß einen beliebigen der Ansprüche 29 bis 33, in dem das Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe Halbleiter, Nichtleiter und Metalle.
35. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 29 bis 34, in dem die Spitze aus einen hochschmelzenden Metall, wie z.B. Wolfram, gefertigt ist.
36. Anwendung des Verfahrens gemäß einem beliebigen der obigen Ansprüche 29 bis 35 auf das Herstellen von Verbindungsleiterbahnen in einem VLSI-Halbleiterchip.
37. Anwendung des Verfahrens gemäß einen beliebigen der obigen Ansprüche 29 bis 35 auf das Aufbringen eines undurchsichtigen Materials bei der Instandsetzung von Photomasken, bestehend aus einen undurchsichtigen Muster, das auf einem Glassubstrat ausgefomt wird, die für die Photolithographieschritte bei der Halbleiterwaferbearbeitung benutzt werden.
38. Anwendung des Verfahrens gemäß einem beliebigen der obigen Ansprüche 29 bis 35 auf das Aufbringen leitender Verbindungsleiterbahnen bei der kundenspezifischen Fertigung von VLSI-IC-Chips.
39. Anwendung des Verfahrens gemäß einem beliebigen obigen Anspruch 29 bis 35 auf das Aufbringen leitender Verbindungsleiterbahnen bei der Kleinserienfertigung von VLSI- IC-Chips.
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