DE69724159T2

DE69724159T2 - Optische lithographie mit extrem hoher auflösung

Info

Publication number: DE69724159T2
Application number: DE69724159T
Authority: DE
Inventors: Hans Biebuyck; Bruno Michel; Heinz Schmid
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: JP2001517865A; KR100413906B1; KR20010023603A; WO1999015933A1; DE69724159D1; US6569575B1; JP3335343B2; TW432480B; EP1021747A1; EP1021747B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren für die optische Lithografie, durch das die Erweiterung der optischen Lithografie über die herkömmlichen durch die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung bedingten Auflösungsgrenzen hinweg ausgedehnt werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Auflösung herkömmlicher optischer Lithografieverfahren ist hauptsächlich durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt, das zur Übertragung einer Maskenstruktur auf einen Fotolack verwendet wird. Die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung als wichtigste Einflussgröße für die Strukturauflösung W ist durch die Rayleigh-Gleichung W = k₁λ/NA gegeben, wobei λ die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung, NA die numerische Apertur der optischen Lithografieanlage und k₁ eine Konstante für einen speziellen Lithografieprozess ist. Mit anderen Worten, die Auflösung W ist der Wellenlänge λ der Belichtungsstrahlung proportional. Modernste Produktionsverfahren erzeugen heutzutage durch Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge 248 nm Strukturen mit einer Breite bis zu 250 nm. Gegenwärtig stellen die auf Licht beruhenden Verfahren einen Engpass dar, wenn man Strukturgrößen kleiner als 200 nm erreichen will. Optische Lithografiesysteme nach dem Stand der Technik zur Herstellung z. B. modernster DRAMs sind sehr teuer. Wenn man zu kleineren Merkmalgrößen übergehen will, werden alternative Prozesse attraktiv, jedoch erfordern diese riesige Investitionen. Daher sind Verfahren, die mit den meisten gebräuchlichen Prozessen kompatibel sind, von hohem Wert.
Die Entwicklungsrichtungen der Verfahren zur Herstellung von Schaltkreisen und auch von Flachbildschirmen erfordern Verbesserungen der Mikrolithografie. Hier sowie in anderen Gebieten ist ein zunehmender Bedarf an einem kostengünstigen lithografischen Verfahren zu verzeichnen, mit dem große Flächen (bis ungefähr 45 cm Bildschirmdiagonale) mit Nanometerstrukturen hergestellt werden können. Die Planungen der Halbleiterindustrie rechnen bei den führenden Verfahren mit einer Auflösung von 180 nm im Jahr 2001 und 70 nm im Jahr 2011.
Eine gut bekannte Form der optischen Lithografie ist die so genannte Hartkontaktlithografie, bei der die Maske mit dem zu strukturierenden Substrat direkt in Kontakt gebracht wird. Merkmale auf einer Maske, die durchsichtige und auch undurchsichtige Bereiche in einem genau definierten Muster umfassen, werden im Maßstab 1 : 1 von ihrer Ursprungsfläche auf den Fotolack übertragen. Durch die Hartkontaktlithografie kann man im Prinzip auch Strukturgrößen unterhalb der Belichtungswellenlänge herstellen. Durch den Kontakt der Maske mit dem Substrat wird jedoch die Leistungsfähigkeit des Prozesses beeinträchtigt, da die Anzahl der herstellbaren brauchbaren Kopien (im Vergleich zur Projektionslithografie) durch störendes Material an der Oberfläche der Maske und durch Maskenschäden stark eingeschränkt werden kann. Der Kostenfaktor ist mit abnehmender Strukturgröße besonders störend, und die Kosten für die Maskenherstellung explodieren mit steigender Merkmaldichte. Kontaktmasken sind im Allgemeinen wesentlich teurer als die bei der optischen Projektionslithografie verwendeten Masken, da die kritischen Dimensionen bei gleicher Auflösung bei den ersteren um den in einem Projektionssystem verwendeten Verkleinerungsfaktor kleiner als bei den letzteren sein müssen. Staubpartikel und andere physische Störungen des Substrats erweisen sich in der Hartkontaktlithografie als katastrophal, da sie die Maske von der Oberfläche fern halten und so das Muster unscharf wird. Solche Defekte treten auf einer Fläche auf, die größer als das störende Partikel ist, da die Maske um den Defekt herum den Kontakt zum Substrat verliert; dieses Problem wird mit abnehmender Merkmalgröße umso schwerwiegender, als sogar ein Partikel von 200 nm schädlich sein kann. Außerdem kann der Fotolack an der Maske kleben bleiben. Daher hat die Hartkontaktlithografie in der Herstellung mikrostrukturierter integrierter Schaltkreise keine Rolle gespielt.
Es gibt viele bekannte Ansätze, bei denen herkömmliche lithografische Systeme durch Verwendung von Filtern, Projektionsobjektiven oder in geeigneter weise modifizierten Masken verbessert werden. Diese Lösungsansätze werden mit abnehmender Strukturgröße immer komplizierter und teurer. Als Beispiel soll hier die so genannte optische Projektionslithografie genannt werden. Die auf der Projektion beruhende optische Lithografie stellt zweifellos das erfolgreichste und am weitesten verbreitete Mittel zur Herstellung von Strukturen bis hinunter zu ungefähr 200 nm dar. Hier entsteht ein Muster von Intensitätsschwankungen im Fernfeld, wenn das Licht durch eine Maske geschickt wird, wie sie bei der Kontaktlithografie verwendet wird. Das Licht tritt durch Luft und wird mittels eines Objektivs fokussiert, damit auf einem mit Fotolack beschichteten Substrat ein Bild mit dem gewünschten Muster gebildet wird, das oft gegenüber der Größe auf der Maske um einen Faktor 5 bis 10 verkleinert ist. Die Projektionslithografie ist jedoch weitgehend auf Strukturgrößen bei der Wellenlänge λ des Lichts oder größer beschränkt. Außerdem gestaltet sich deren Realisierung in dem Maße zunehmend schwierig, wie die Dimensionen auf 200 nm und darunter schrumpfen, weil dann sehr komplizierte Objektiv- und Materialsysteme erforderlich sind, um die vorhandenen und vorgeschlagenen Verfahren durchzuführen. Besonders problematisch ist die Fläche, die gleichmäßig beleuchtet werden kann. Gegenwärtig liegen die maximalen Flächengrößen der besten Belichtungsanlagen für 248 nm bei lediglich ungefähr 20 × 20 mm. Die nutzbare Belichtungsfläche sinkt mit abnehmender Belichtungswellenlänge drastisch, vor allem weil die gleichmäßige Belichtung durch komplex aufgebaute Objektive auf Basis von Silikaten eine Herausforderung an Materialien und Konstruktion darstellt.
Es ist somit allgemein ein Nachteil der meisten Lösungsansätze, dass sie immer komplizierter und aufwändiger werden, wenn man kleinere Strukturgrößen erreichen will. Außerdem muss ein Kompromiss zwischen maximaler Auflösung, Schärfentiefe und erreichbarer Bildfeldgröße gefunden werden, der sich aus der Verwendung eines Objektivs zum Fokussieren des Lichts ergibt.
Die Auflösung fotolithografischer Standardsysteme kann gesteigert und die Strukturdimensionen können verkleinert werden, indem man Masken verwendet, die nicht die Amplitude, sondern die Phase des für die Belichtung verwendeten Lichts verwenden (diese werden als Phasenmasken, Phasenverschiebungsmasken oder PSM bezeichnet). Zwei Beispiele für Ansätze auf Basis der Phasenverschiebung werden beschrieben von D. M. Tennant et al. in „Phase Grating Masks for Photonic Integrated Circuits Fabricated by E-Beam Writing and Dry Etching: Challenges to Commercial Applications", Microelectronic Engineering, Bd. 27, 1995, S. 427 bis 434, und J. A. Rogers et al. in „Using an elastomeric phase mask for sub-100 nm photolithography in the optical near field", Appl. Phys. Lett., Bd. 20, Nr. 70, 19. Mai 1997, S. 2658 bis 2660.
Tennant et al. schlagen zur Bildung von dicht gepackten Merkmalen unterhalb der Wellenlänge die Verwendung von Hartkontaktmasken vor, während Rogers et al. Elastomermasken 10 (siehe 1) den Vorzug geben. Bei diesen Verfahren führt das Muster auf der Maske zu Interferenzen der Beleuchtung, die im Nahfeld durch den Kontakt zwischen einem Fotolack 11 und der strukturierten Maske 10 entstehen. Das Licht tritt überall durch die vollständig durchsichtige Maske 10, die jedoch ein Muster von Oberflächenreliefs 14 hat, die sich in definierter Weise ändern. Das durch eine solche strukturierte Maske 10 hindurchtretende Licht legt je nach seiner Austrittsstelle einen vergleichsweise längeren oder kürzeren Weg zurück. Diese Änderung der effektiven Weglänge durch die strukturierte Maske 10 trägt zu Phasendifferenzen (und nur zu Phasendifferenzen) des sich ausbreitenden Lichts bei. Diese Phasendifferenzen bewirken an der Oberfläche des Fotolacks 11 Intensitätsknoten im Bereich unterhalb der Wellenlänge der Belichtungsstrahlung. Wenn diese Masken 10 in geeigneter Weise ausgelegt und hergestellt sind, entstehen an der Grenzfläche 15 zwischen Maske und Fotolack Knoten mit einem relativen Intensitätsminimum.
Rogers et al. haben gezeigt, dass sie bei Verwendung eines Phasenlösungsansatzes mit einer Elastomermaske in einer Fotolackschicht 11 Merkmale 18 unterhalb der Wellenlänge erzeugen und dabei die mit spröden Kontaktmasken (wie bei Tennant et al.) verbundenen Probleme vermeiden können (siehe Figur). Diese Merkmale 18 kann man dann durch in der Technik bekannte Verfahren wie Trockenätzen des Substrats oder nasschemisches Auflösen auf ein Substrat 16 übertragen. Die im Substrat gebildeten Merkmale 17 haben etwa dieselben seitlichen Ausdehnungen wie die im Fotolack 11 gebildeten Merkmale 18. Das Problem der oben erwähnten lithografischen Lösungsansätze auf der Grundlage der Phasenverschiebung von Licht durch eine Maske 10 besteht darin, dass man zwar kleine Merkmale 17 (kleiner als die Wellenlänge) erzeugen kann, dass aber diese Merkmale 17 auf eine eindimensionale Geometrie (Leitungsbahnen) oder geringe Bauelementdichten auf dem Substrat 16 beschränkt sind. Ferner sind die Formen der Struktur 18 im Fotolack begrenzt. In der Arbeit von Rogers et al. zeigen die Autoren, dass die Phasenverschiebung der Lichtintensität im Fotolack 11 zu Strukturen 18 führt, die von der Topologie in der Phasenmaske 10 abgeleitet sind, d. h., jede Wand im Muster der Oberflächenreliefs 14 in der Phasenmaske 10 erzeugt an der Oberfläche 15 des Fotolacks 11 ein relatives Minimum der Lichtintensität. Dieser Knoten ist zwar schmal, liegt aber fest, sodass der Änderungsbereich der seitlichen Dimensionen dieser Merkmale 18 und 17 nur sehr begrenzt ist.
Mit diesem Verfahren lassen sich Punkte, Quadrate oder allgemein gefüllte Strukturen beliebiger Form nicht von vornherein in einem einzelnen Schritt herstellen. Damit die Phasenverschiebung überhaupt zustande kommt, muss darüber hinaus die Höhe der Oberflächenreliefs 14 in der Phasenmaske 10 sehr gut auf die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung 13 abgestimmt sein. Diese Forderung des Phasenverschiebungsansatzes bedeutet, dass die Strukturen in einer Phasenmaske 10 dadurch beschränkt sind, dass sie mit abnehmenden Strukturdimensionen zunehmend anisotrop werden, was ein ernstes Problem bei der Bildung solcher Merkmale in elastomeren Materialien darstellt. Ein weiteres Problem bei dieser Art von Lösungsansatz besteht darin, dass in dem Fotolack stets Doppelstrukturen belichtet werden, da jedes „Bein" 14 der Phasenmaske 10 ein paar von Knoten mit geringer Intensität an seinen Kanten erzeugt.
Ebenso wie das oben beschriebene Problem der Maskenherstellung bleibt natürlich auch die Anfälligkeit des Prozesses gegen Defekte und Beschädigungen. Durch die Verwendung eines organischen Polymers können die Masken problemlos nach einer Vielzahl von Verfahren erzeugt werden, am besten wahrscheinlich durch Replikation der Maske von einer Urform. Von einer einzigen Urform können ohne deren spürbare Abnutzung viele Polymermasken abgegossen werden, da der Prozess keine oder nur geringe Beanspruchung auf das Substrat ausübt. Durch die Replikation von Masken werden einige der Probleme vermieden, die mit deren Betriebskosten in der Kontaktlithografie zur Bildung von kleinen Strukturen mit hoher Dichte zusammenhängen: die Kopien können so billig hergestellt werden, dass man sie bereits nach nur einmaligem Gebrauch wegwerfen kann. In vielen der gängigsten Polymere, beispielsweise dem von Rogers et al. verwendeten Polymer Poly(dimethylsiloxan), können bei diesen Anwendungen jedoch nicht alle Strukturen erzeugt werden. In der Arbeit „Stability of Molded Polydimethylsiloxane Microstructures" von Delamarche et al. (Advanced Materials, 1997, 9, S. 741) wurde gezeigt, dass viele Merkmale in normalen Elastomeren zusammenfallen und deren Auflösung immer mehr abnimmt und dass ihre Anisotropie ab- bzw. ihre Merkmalgröße abnimmt.
Es sind andere Lösungsansätze und Schemata vorgeschlagen worden, durch die die Auflösung von optischen Lithografiesystemen etwas nach kleineren Merkmalgrößen verschoben werden kann. Ein Beispiel hierfür ist in einem Artikel von H. Fukuda et al. unter dem Titel „Can synthetic aperture techniques be applied to optical lithography?", J. Vac. Sci. Technol. B, Microelectron. Nanometer Struct. (USA), Bd. 14, Nr. 6, Nov./Dez. 1996, S. 4162 bis 4166, angegeben worden. In diesem Artikel wird theoretisch erörtert, ob die optische Apertursynthese auf die Lithografie angewendet werden kann. Es wird ein Verfahren zur Einbeziehung von drei Phasengittern in ein herkömmliches Projektionssystem beschrieben. Obwohl dieser Ansatz im achsnahen Bereich eine Abbildung mit verdoppelter räumlicher Bandbreite liefert, wurde gezeigt, dass die durch die Gitter eingeführten Aberrationen eine ernste Begrenzung darstellen. Bildsimulationen haben gezeigt, dass bei sehr ausgewählten Mustertypen theoretisch eine Auflösung von unter 0,1 μm erreicht werden kann.
Durch Verwendung teurer Optik, vorhandener Laserquellen und Fotolacke kann die interferometrische Lithographie weit über die Grenzen der aktuellen Industrieprognosen hinaus erweitert werden, wie von Ch. Xiaolan et al. in „Multiple exposure interferometric lithography – a novel approach to nanometer structures", Conference Proceedings – Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting 1996, S. 390 bis 391, beschrieben wurde.
Es werden auch exotischere Vorschläge für die Sub-200 nm-Lithographie diskutiert. Röntgenstrahlen, Extrem-UV-Strahlen und Elektronenstrahlprojektion sind Gegenstand der aktiven Forschung für Produktionsanwendungen. Die mit diesen Verfahren verbundenen Probleme reichen von den Schwierigkeiten der Maskenfertigung, der Realisierung der praktischen Strahlbildungsverfahren, dem Bedarf an neuartigen Fotolackmaterialien zur funktionellen und empfindlichen Ausnutzung der Strahlintensität, praktischen Problemen der Strahlbildung und -stabilisierung bis hin zu den stets vorhandenen Kosten- und Komplexitätsgrenzen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues optische fotolithografisches Schema bereitzustellen, durch das unter Einsatz vorhandener Lichtquellen die Verwendung optischer Lithographiesysteme auf Merkmalgrößen deutlich unter 350 nm und insbesondere auf Merkmalgrößen im Bereich zwischen λ/2 und λ/5 ausgeweitet werden kann.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die oben genannten Aufgaben wurden gelöst, indem ein paralleles optisches Lithografiesystem (als Lichtkopplungsstruktur bezeichnet) bereitgestellt wird, das auf einer Gruppe von Lichtkopplungselementen und Lichtsperrelementen beruht. Die Lichtkopplungselemente leiten die Belichtungsstrahlung zu einem zu belichtenden Fotolack und sind so ausgeführt, dass sie so in Berührungskontakt mit dem Fotolack gebracht werden, dass der Brechungsindex des Fotolacks an vorgegebenen Stellen auf dessen Oberfläche selektiv mit den Lichtkopplungselementen übereinstimmt. Durch diese selektive Anpassung des Brechungsindexes durch die an Sperrstrukturen mit anderem Brechungsindex angrenzenden Lichtkopplungselemente kann das Licht selektiv und in vorgesehener Weise zu definierten Bereichen des Fotolacks geleitet und in diesen eingekoppelt werden. Die seitliche Form und Ausdehnung der herausragenden Elemente definiert die seitliche Ausdehnung und Form in einem Fotolack zu belichtender kleiner Merkmale im Maßstab 1 : 1.
In der vorliegenden Erfindung wird dargelegt, wie Lichtkopplungsstrukturen zum Führen von Licht auf eine Oberfläche zu bilden und anzuwenden sind, die eine neue Form der Kontaktlithografie zur parallelen Fertigung von Merkmalen unterhalb der Wellenlänge mit beliebiger Form und hoher Dichte auf einem Substrat ermöglichen. Es wird von der Bildung dieser Lichtkoppler durch direkten Kontakt eines Substrats mit einer durchsichtigen Maske (im Folgenden als Lichtkopplungsstruktur bezeichnet) ausgegangen, die das Licht auf die Oberfläche leiten, auf der das Muster gebildet wird. Es werden (im Folgenden beschriebene) Verfahren verwendet, bei denen keine Referenzwellen erforderlich sind und somit die bei den auf phasenverschobenem Licht (Phasenverschiebungsmasken-Lösungen) beruhenden Lithografieverfahren üblichen Interferenzeffekte unterdrückt werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz weist den wichtigen Vorteil auf, dass keine Abbildungsoptik benötigt wird. Mit einer Einzelbelichtung können große Flächen strukturiert werden, da der vorliegende Ansatz seinem Wesen nach parallel ist, weil alle Merkmale im Fotolack gleichzeitig belichtet werden, was einen hohen Durchsatz ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann für große Abbildungsflächen eingesetzt werden und eignet sich daher gut sowohl für die Fertigung von Bildschirmen als auch für die Chargenproduktion von Halbleiterchips wie DRAMs usw. und überall da, wo dicht gepackte Strukturen erzeugt werden sollen. Die vorliegende Erfindung eignet sich auch gut zur Bildung von mikromechanischen Strukturen.
Die elastomeren Lichtkopplungsstrukturen können leicht von einer Urform kopiert werden, und jede Kopie kann mehrfach verwendet werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kompatibilität mit vorhanden Fotolacken und Verarbeitungsverfahren erhalten bleibt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man die umfangreichen Erfahrungen bei der Entwicklung und Verarbeitung von Fotolacken nutzen kann, da diese Fotolacke auch weiterhin verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ohne Anpassung der Lichtkopplungsstruktur mehrere Wellenlängen verwendet werden können, da keine Objektive eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Belichtungszeit kürzer als bei herkömmlichen Masken ist, da kein Objektiv oder andere Mittel das Licht durch Sperrung, Absorption oder Streuung der Nutzung entzieht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die in der Praxis realisierten lithografischen Verfahren einfach sind.
HESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine schematische Darstellung der Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich nach dem Phasenverschiebungsverfahren von J. A. Rogers et al. (Stand der Technik).
2 ist eine schematische Darstellung der Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht der auf einem Fotolack angeordneten erfindungsgemäßen Lichtkopplungsstruktur.
4A ist eine schematische Darstellung der Herstellung von Lichtkopplungsstrukturen im Nanometerbereich gemäß der vorliegenden Erfindung.
4B ist eine schematische Draufsicht einer Lichtkopplungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
5A bis E sind schematische Querschnittsansichten verschiedener Lichtkopplungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung.
5F ist eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Lichtkopplungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
6A ist eine repräsentative Draufsicht auf eine Strukturvorlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
6B ist eine repräsentative Draufsicht auf eine Lichtkopplungsstruktur (Kopie) gemäß der vorliegenden Erfindung.
6C ist eine repräsentative Draufsicht auf einen belichteten Fotolack gemäß der vorliegenden Erfindung.
6D ist eine repräsentative Ansicht des belichteten Fotolacks aus einem Winkel von 45° gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine repräsentative Draufsicht auf einen belichteten Fotolack gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE HESCHREIBUNG
Im vorliegenden Zusammenhang wird der Ausdruck Lichtkopplungsstruktur oder Lichtkoppler zur Beschreibung eines maskenähnlichen Objekts verwendet, das zwischen der eine Belichtungsstrahlung emittierenden Lichtquelle und der zu erzeugenden Struktur (z. B. eines mit einer Fotolackschicht bedeckten Substrats) angeordnet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Wechselwirkung an den Begrenzungen (Grenzflächen) der Lichtkopplungsstruktur. Der Brechungsindex der Lichtkopplungsstruktur sollte Idealerweise mit dem des Fotolacks-übereinstimmen. Bei vielen der zur Verfügung stehenden Materialien liegt der Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,5. Außer der geeigneten Wahl des Brechungsindexes der Lichtkopplungsstruktur muss diese so aufgebaut sein, dass die Belichtungsstrahlung in den Lichtkoppler eintritt und sich durch diesen ausbreitet, indem sie vorzugsweise durch innere Reflexionen an den Grenzflächen geleitet wird, welche die Begrenzungen des Lichtkopplers definieren. Das heißt, dass die Lichtkopplungsstruktur als Wellenleiter dient. Das Licht wird hinreichend stark eingeengt, um einen Intensitätskontrast an der Grenzfläche zwischen der Lichtkopplungsstruktur und dem zu strukturierenden Fotolack zu erzeugen. Durch engen Kontakt wird der größtmögliche Kopplungsgrad zwischen beiden und damit der bestmögliche Kontrast gewährleistet, indem an ihrer Grenzfläche eine weitgehende Anpassung des Brechungsindexes und dadurch die Unterdrückung nachteiliger Lichtstreuung sichergestellt wird.
Man beachte, dass hier das Schwergewicht auf den Reflexionen an der Grenzfläche Lichtkoppler/Luft liegt. Wenn das Verfahren nicht in Luft, sondern einer anderen Umgebung (Edelgas, Flüssigkeiten usw.) angewendet wird, müssen unter Umständen andere Materialien mit geeignetem Brechungsindex gewählt werden, um sicherzustellen, dass das Licht durch innere Reflexionen richtig geleitet wird.
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsart der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben. In 2 ist eine schematische Darstellung der Herstellung von Nanometerstrukturen 27 durch das erfindungsgemäße Verfahren angegeben. Diese Figur wird unmittelbar neben dem herkömmlichen Lösungsansatz gezeigt, um die grundsätzlichen Unterschiede der beiden Ansätze herauszustellen. In 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer auf einem Fotolack 11 befindlichen Lichtkopplungsstruktur 20 gezeigt. Diese Lichtkopplungsstruktur 20 hat eine obere Fläche 22, durch welche eine Belichtungsstrahlung 13 eingekoppelt wird. Außerdem hat die Lichtkopplungsstruktur 20 Verbindungsteile 29 (auch als Lichtsperrelemente bezeichnet) mit Grenzflächen zur Luft und Lichtkopplungsteile 24 (auch als hervorstehende Teile, Beine oder Stempel bezeichnet), die sich in direktem Kontakt mit dem Fotolack 11 befinden. Die Belichtungsstrahlung 13 breitet sich durch die Lichtkopplungsstruktur 20 aus und wird innen an den Luftgrenzflächen der hervorstehenden Teile 29 reflektiert, was in 3 durch Pfeile angezeigt wird.
Je nach Ausführung der Lichtkopplungsstruktur können die Verbindungsteile das Licht 13 sperren und zu den Beinen 24 leiten. Diese Beine 24 bilden direkte Koppler/Fotolack-Grenzflächen 25, an denen die Belichtungsstrahlung 13 in den Fotolack 11 eingekoppelt wird. Die Bereiche unmittelbar unterhalb dieser Grenzflächen 25 und innerhalb des Fotolacks 11 werden wie gezeigt durch die Belichtungsstrahlung 13 belichtet. Wenn der Fotolack 11 ein Positiv-Fotolack ist (d. h. ein Fotolack, bei dem die belichteten Flächen löslich werden), bleiben wie in 2 gezeigt nur die unbelichteten Flächen 28 beim Entwickeln des Fotolacks stabil. Nach der Belichtung und dem anschließenden Entwicklungsprozess sind kleine Gräben zu sehen.
Die beiden Ausdrücke „hervorstehender Teil" und „Verbindungsteil" werden verwendet, um zu unterstreichen, dass die vorliegenden Lichtkopplungsstrukturen Kopien von einer Urform darstellen. Es sind immer bestimmte Teile vorhanden, die die hervorstehenden Teile miteinander verbinden. Diese Verbindungsteile verbinden die hervorstehenden Teile mechanisch miteinander und dienen als Lichtsperrmittel. Die Verbindungsteile können aus demselben Material wie die hervorstehenden Teile bestehen, wenn beide zusammen als Kopie von einer Urform gebildet werden. Die Sperrfunktion des Verbindungsteils kann durch Hinzufügen weiterer Mittel verbessert werden, worauf später eingegangen wird. Auch die Lichtleitungs- und -kopplungseigenschaften der hervorstehenden Teile können wie später gezeigt durch geeignete Maßnahmen verbessert werden.
Die seitliche Form und Größe der Beine 24 definieren die seitliche Form und Größe der belichteten Teile im Fotolack 11, da eine ideale Lichtkopplungsstruktur das Licht nur durch diese Beine in den Fotolack einkoppelt. Die Breite w_l des Beins 24 der Lichtkopplungsstruktur 20 beispielsweise definiert direkt die Breite w_r der belichteten Fotolackbereiche und der anschließend gebildeten Gräben 30.
Es ist wichtig, dass die in den Lichtkoppler 20 eingekoppelte Belichtungsstrahlung 13 zur Strukturierung des Fotolacks 11 geeignet sein muss. Die Belichtungsstrahlung kann polarisiert, monochromatisch, polychromatisch (breitbandig) oder inkohärent sein und Wellenlängen zwischen mindestens 800 und 200 nm aufweisen. Breitbandiges Licht kann zum Beispiel durch eine Quecksilberdampflampe erzeugt werden. Es können auch Argonionen-Laser, YAG-Laser, KrF-Laser und viele andere Arten von Lichtquellen verwendet werden. Die Lichtquelle kann eine unfokussierte Fernfeld-Lichtquelle sein. Das durch die Lichtquelle emittierte Licht kann durch eine der Grenzflächen wie die oberste Grenzfläche 22 in 3 in die Lichtkopplungsstruktur eingekoppelt werden. Ebenso kann das Licht mittels eines Wellenleiters oder einer Lichtleitfaser von der Oberseite oder von der Seite oder aus dem Ausgang eines LED- oder eines Festkörper-Lasers in die Lichtkopplungsstruktur eingekoppelt werden. Die Wellenlänge der Lichtquelle kann für eine bestimmte Anwendung optimiert werden. Die Lichtquelle kann bei Bedarf gepulst betrieben werden. Außerdem kann das Licht so in einem Muster über die Lichtkopplungsstruktur hinweg geführt oder darauf projiziert werden, wie wenn ein Projektionssystem mit einer zusätzlichen Maske als Lichtquelle benutzt wird.
Das erfindungsgemäße Schema nutzt die Wechselwirkung an den Grenzflächen der Lichtkopplungsstruktur. Die Grenzfläche zur Luft muss so ausgelegt sein, dass das Licht durch innere Reflexionen zu den Lichtkopplungsteilen (hervorstehenden Elementen) geleitet wird, die sich in Berührungskontakt mit dem zu belichtenden Fotolack befinden. An der Grenzfläche zwischen den Enden der hervorstehenden Elemente und dem Fotolack soll das Licht direkt in den Fotolack eingekoppelt werden, d. h., die hervorstehenden Elemente müssen so konstruiert sein, dass diese Kopplung zwischen der Lichtkopplungsstruktur und dem Fotolack möglichst wirksam ist.
In der Praxis sind Lichtintensitätsunterschiede um den Faktor zwei und weniger zwischen den Fotolackflächen mit und ohne Kontakt zum Ende der Lichtkopplungsteile ausreichend, um nach Belichtung in dem entwickelten Fotolack brauchbare Strukturen zu erzeugen.
Der Kopplungsgrad hängt vom Brechungsindex der Lichtkopplungsstruktur und auch des Fotolacks, von der Wellenlänge (oder dem Wellenlängenbereich bei Verwendung polychromatischen Lichts) usw. ab. Zur Optimierung des Kopplungsgrades gibt es drei verschiedene Mittel. Die Hauptbedingung besteht darin, dass zwischen dem Lichtkopplungsteil 24 und dem Fotolack 11 keine Brechungsindexsprünge weit unterhalb der verwendeten Wellenlänge auftreten. Diese Situation beherrscht man am einfachsten durch Berührungskontakt, d. h. durch enge Berührung zwischen den beiden Flächen. Idealerweise sind die Brechungsindizes der Lichtkopplungsstruktur und auch des Fotolacks möglichst hoch, da sich hierdurch die wirksame Wellenlänge der zur Durchführung der Lithografie verwendeten Beleuchtung verringert. Zur Herstellung dieses Berührungskontakts gibt es verschiedene Möglichkeiten. Erstens kann zum Andrücken wie bei der normalen Hartkontaktlithografie Druck auf das Substrat und die Maske ausgeübt werden, wenn beide aus spröden, harten Materialien bestehen. Zweitens kann der Fotolack 11 durch Variieren der Zusammensetzung und Verarbeitung angepasst werden, sodass er die Oberfläche der hervorstehenden Teile 24 der Lichtkopplungsstruktur besser erreicht und so einen engen Kontakt herstellt. Drittens kann eine dünne Schicht zur Brechzahlanpassung wie beispielsweise ein viskoses Öl oder ein Polymer aufgebracht werden, das die hervorstehenden Teile 24 an den Fotolack 11 koppelt, wenn beide aus spröden, harten Materialien bestehen. Das Material zur Brechzahlanpassung in diesem Sinn muss passend sein und so auf den hervorstehenden Teilen angebracht werden, dass der Brechzahlkontrast zwischen angrenzenden Strukturen der Lichtkopplungsstruktur erhalten bleibt. Viertens können die Sperrelemente 20 und die Lichtkopplungsteile 24 der Lichtkopplungsstruktur aus einem Material wie zum Beispiel einem Elastomer hergestellt werden, durch das der Kontakt zwischen dem Material und dem Fotolack hergestellt wird. Die Teile 20 und 24 können außerdem auf einem (in 2 nicht gezeigten) Substrat abgeschieden werden, das zumindest teilweise durchsichtig und wesentlich härter ist, um die Handhabung und Grobpositionierung der Lichtkopplungsstruktur zu erleichtern.
Die Auflösung des vorliegenden Lösungsansatzes ist der Wellenlänge der Lichtquelle nicht wie bei herkömmlichen fotolithografischen Systemen streng proportional. Auf Grund der Tatsache, dass die erfindungsgemäße Lichtkopplungsstruktur die herkömmliche Maske ersetzt, können Auflösungen zwischen λ/2 und λ/5 erreicht werden. Wenn eine Lichtquelle der i-Linie (mit λ = 365 nm) verwendet wird, können Merkmale der Größe bis hinunter zu 73 nm (= λ/5) erzeugt werden. Hierzu ist anzumerken, dass die λ/5-Grenze keine physikalische Grenze darstellt. Aus theoretischer Sicht können je nach Realisierungsart mittels des erfindungsgemäßen Ansatzes sogar noch kleinere Merkmale hergestellt werden.
In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung können normal erhältliche Fotolacke verwendet werden. Allgemein sind zum Beispiel Fotolacke auf Basis von Kresolen (Novolake), Acrylaten oder Styrolen und deren Gemische geeignet. Es können Positivfotolacke ebenso wie Negativfotolacke verwendet werden. Man kann auch verstärkte Fotolacke zur Verbesserung des Seitenverhältnisses (Breite/Tiefe) der Merkmale verwenden, welche nach Belichtung und Entwicklung des Fotolacks entstehen. Es kann auch ein optisch leitender Fotolack wie zum Beispiel der Negativlack SU-8 verwendet werden, der bei Belichtung selbst differenzielle Lichtleiteffekte aufweist. Auch Verfahren mit Doppel- und Dreifachschichten sowie mit Oberflächenfotolacken sind mit den vorliegenden Lichtkopplungsstrukturen kompatibel und können gut zusammen mit diesen eingesetzt werden. Einzelheiten zu Fotolacken sind in Lehrbüchern und anderen Veröffentlichungen wie zum Beispiel in der Sonderausgabe des IBM Journal of Research and Development unter dem Titel „Optical Lithography", Bd. 41, Nr. 1/2, Januar/März 1997, zu finden.
Die Belichtungszeit hängt von vielen bekannten Parametern wie der Wellenlänge der Lichtquelle, dem Absorptionsgrad der Lichtkopplungsstruktur, der Empfindlichkeit des Fotolacks, dem Kopplungsgrad der Maske (oder der Lichtkopplungsstruktur im vorliegenden Zusammenhang), der Dicke des Fotolacks, dem Kontrast usw. ab
Im Folgenden werden eine Lichtkopplungsstruktur 20 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lichtkopplungsstruktur ausführlich beschrieben. Durch die Erfinder speziell entwickelte Polymere sind gut geeignet. Man kann mehrere Eigenschaften des idealen Polymers zur Bildung der Kopie angeben. Erstens muss das Polymer einen Brechungsindex haben, der dem des zu belichtenden Fotolacks ähnlich ist. Zweitens muss das Polymer in der Lage sein, auf seiner Oberfläche eine stabile Struktur zu definieren, deren Seitenverhältnis (Dicke zu einer ihrer Flächendimensionen) mindestens 0,1 beträgt. Drittens soll das Material fest und (wie oben beschrieben) in bestimmter Weise nachgiebig sein, damit es sich an die Oberfläche des in Kontakt gebrachten Fotolacks anpasst, insbesondere wenn zum Zusammenbringen der beiden Teile außer Schwerkraft und Grenzflächenenergie keine anderen Kräfte ausgeübt werden. Viertens ist die Oberflächenenergie des Polymers idealerweise gering, sodass der Kontakt zum Fotolack reversibel ist und auf dem Fotolack keine Rückstände hinterlässt oder den Fotolack zerstört. Fünftens soll das Material für die vorgesehene Belichtungswellenlänge in bestimmter Weise durchlässig sein, damit das Licht durch die Lichtkopplungsstruktur hindurch und aus ihr austreten kann. Sechstens soll das Material in einer Verarbeitungsstufe fließfähig sein, und zwar entweder durch Schmelzen oder durch Bildung des Polymers mittels einer chemischen Reaktion direkt beim Gießen. Siebentens sollen die mit den oben genannten Bedingungen verbundenen Dichteänderungen und Spannungen nur geringfügig sein, damit die Urform nicht zerstört oder nur unvollständig kopiert wird. Achtens soll das Material wie oben beschrieben einen Berührungskontakt zulassen. In dieser Beziehung haben sich Siloxane als besonders vorteilhaft erwiesen, die durch Zugabe von niedermolekularen Silanen zusammen mit Vernetzern zu Mischungen von verzweigten und linearen olefinsubstituierten Siloxan-Grundketten hergestellt wurden. Aus solchen Mischungen entstandene Siloxane können in ihrer vorpolymerisierten Form Oberflächenenergien von ca. 25 mN/m, Zugfestigkeiten von ca. 10 MPa und Viskositäten von ca. 1000 cSt haben und lassen die Bildung brauchbarer Lichtkopplungsstrukturen im Bereich von 100 nm Merkmalgröße oder darunter zu, wobei der notwendige Berührungskontakt erhalten bleibt. Auch andere Materialien auf Basis von reinen Kohlenstoffelastomeren sowie deren Kombinationen mit silicium- oder siloxanhaltigen Füllmaterialien sind gut geeignet.
Verbundstrukturen aus Kombinationen organischer Materialien und anorganischer Materialien können sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn zur Erreichung der geforderten physikalischen Eigenschaften eines speziellen Elements der Lichtkopplungsstrukturen wie oben erörtert ein bestimmter Materialtyp gewählt wird.
Im Allgemeinen muss das zur Bildung der Lichtkopplungsstruktur verwendete Material so beschaffen sein, dass Merkmale bis hinunter zur Größe der in einem Fotolack und dem darunter liegenden Halbleiter zu bildenden Merkmale zuverlässig definiert werden können, da es sich hier um einen echten 1 Ö 1-Prozess handelt. Mit anderen Worten, wenn in einem Halbleitersubstrat 16 (siehe 2) eine Säule oder ein Steg 27 mit der Breite 90 nm gebildet werden soll, muss die Breite des entsprechenden hervorstehenden Elements 24 der Lichtkopplungsstruktur 20 (vorausgesetzt, es wird ein Fotolack 11 verwendet) ebenfalls eine Breite von 90 nm haben.
Eine Lichtkopplungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Härten eines Polymers auf einer Urform 41 mit dem Negativ der gewünschten Oberfläche der Lichtkopplungsstruktur hergestellt werden. Dies führt zu einem Elastomerkörper 40 mit einem Muster hervorstehender Elemente 42, 43, und 44. Die Urform 41 kann zum Beispiel durch Elektronenstrahlbeschuss gebildet werden. Der Zeit- und Geldaufwand zur Herstellung einer genauen und hoch auflösenden Urform 41 macht sich durch die Herstellung vieler Kopien 40 bezahlt, da alle zum Beispiel zur Herstellung von Halbleiterschaltkreisen verwendet werden können. Jede der Kopien kann mehrmals verwendet werden und wird nicht zerstört, wenn sie aus einem Elastomer besteht.
Die Lichtkopplungsstruktur 40 muss so aufgebaut sein, dass die hervorstehenden Beine 42, 43 und 44 in Berührungskontakt mit dem Fotolack gebracht werden können, da der gesamte Prozess auf der wirksamen Einkopplung von Licht aus der Lichtkopplungsstruktur in den Fotolack beruht.
Die hervorstehenden Elemente der Lichtkopplungsstrukturen 40 können beinahe jede beliebige Form und Größe haben, wie in 4B schematisch dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel hat die Lichtkopplungsstruktur 40 hervorstehende Beine 42, 43 und 44. Der seitliche Querschnitt des ersten Beins 42 ist ein leeres Rechteck oder Quadrat. Das Bein 43 ist ein Steg, während das Bein 44 einen kreisförmigen seitlichen Querschnitt hat. Diese drei Beispiele zeigen die Flexibilität des vorliegenden Lösungsansatzes.
BESCHREIBUNG EINER HEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsart beschrieben.
Bildung der Urform: Ein Siliciumwafer wird mit einer durch Plasmaabscheidung erzeugten 100 nm dicken homogenen Schicht aus Siliciumdioxid bedeckt. Eine Lösung von 15 Gew.-% Polymethylmethacrylat-Polymer (980K) in Chlorbenzol wird hergestellt und als 100 nm dicke Fotolack-Schicht auf das Substrat aufgeschleudert. Der Fotolack wird mittels einer Elektronenstrahl-Maskenbelichtungsanlage mit Elektronen von 100 keV durch strukturierte Belichtung verändert. Durch gezielte Auflösung des Fotolacks in Aceton nach der Belichtung bleibt ein Merkmalmuster in einer periodischen Matrix mit Dimensionen bis zu 100 nm auf dem Substrat zurück. Dieses Muster wird durch reaktives Ionenätzen (RIE) mit Fluor auf die Siliciumdioxidschicht auf dem Substrat übertragen, wobei dieses Fluorätzen gegenüber Silicium außerordentlich selektiv ist. Der RIE-Prozess wird beendet, wenn die zugrunde liegende Siliciumdioxidschicht erreicht ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Merkmale in der Siliciumdioxidschicht gleichmäßig entwickelt werden und an der Grenzfläche zum Silicium rechtwinklige Bodenflächen entstehen. Diese Tatsache wird später von Nutzen sein, im Lichtkopplungsteil der Lichtkopplungsstruktur eine ausgezeichnete Definition der Strukturen 24 zu garantieren. Dann wird das Substrat in einem Sauerstoffplasma verascht, um restliche organische Substanzen zu entfernen, und auf dem gesamten Substrat werden durch einen plasmagestützten Prozess 10 nm eines fluorierten Polymers abgeschieden, um auf dem Substrat eine Schicht mit niedriger freier Oberflächenenergie (15 mN/m) bereitzustellen. Diese Schicht ist wesentlich, damit bei den nachfolgenden Verarbeitungsschritten die gebildeten und gehärteten Kopien abgelöst werden können.
Herstellung der Lichtkopplungsstruktur durch Kopieren einer Urform: Eine Mischung von ca. 6,5 g Vinylmethylsiloxandimethylsiloxan-Copolymer (ca. 1000 cSt, VDT 731 Gelest, Karlsruhe, Deutschland) und ca. 450 mg Quarzglaspartikeln (ca. 20 nm Durchmesser, Gelest) wird mit ca. 5 ppm Platinkatalysator angesetzt. Diese Mischung wird direkt auf die oben erwähnte Urform gegossen und in einem Ofen 24 h bei 60° gehärtet. Die Kopie wird manuell von der Urform abgezogen. Die Kopie hat eine Oberflächenenergie von 23 mN/m, eine Zugfestigkeit von 10 MPa und eine Härte, die etwa 3% der Härte von Glas entspricht. Alle auf der Urform vorhandenen Merkmale werden gemäß dem oben angegebenen Verfahren zuverlässig auf dessen Kopie übertragen, was durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) nachgewiesen wurde, wobei eine Vertiefung in der Urform auf der Oberfläche der Kopie als erhabene Struktur erscheint. Auf die strukturierte Seite der Kopie wird eine 5 nm dicke Goldschicht aufgedampft. Dann wird die so behandelte Kopie in Kontakt mit einem Siliciumwafer gebracht, auf dessen Oberfläche eine 1 nm dicke Titaniumschicht und anschließend eine 30 nm dicke Goldschicht frisch aufgedampft wurde; das Gold auf dieser Oberfläche wird dann 5 Minuten lang den Dämpfen von 1,10-Dekandithiol (Aldrich) ausgesetzt. Nach dem Kontakt der Oberfläche der Kopie mit der behandelten Goldoberfläche des Siliciumwafers und dem Trennen der beiden wird das Gold von den Spitzen der herausragenden Flächen der Kopie selektiv entfernt und durch die Adhäsion zwischen beiden an der behandelten Goldoberfläche des Siliciumwafers zurückgehalten, wobei die Adhäsion durch die an ihrer Oberfläche vorhandenen thiolsubstituierten organischen Moleküle bewirkt wird.
Verwendung der Lichtkopplungsstruktur: Eine 600 nm dicke Fotolackschicht Shipley 6612 (Novolak) wird auf die Oberfläche eines zuvor mit Hexamethyldisilazid als Haftvermittler für den Fotolack behandelten Siliciumwafers aufgeschleudert. Dann wird das Substrat 20 Minuten lang bei 90° getempert. Die oben beschriebene Lichtkopplungsstruktur wird manuell auf das mit Fotolack beschichtete Substrat gelegt, wo Schwerkraft und Grenzflächenkräfte für einen engen Berührungskontakt zwischen beiden sorgen. Lichtimpulse aus einem KrF-Laser (200 Impulse zu je 20 ns und 300 mJ) werden zur Belichtung des Fotolacks eingesetzt, der dann gemäß den Vorschriften des Herstellers in Shipley 400K entwickelt wird.
Die 6A bis 6D zeigen repräsentative Ansichten der auf einem Feld von 1 × 1 cm (Größe der Urform) gebildeten Urform, Lichtkopplungsstruktur und Strukturen in der Fotolackschicht nach Anwendung der oben beschriebenen Prozedur.
Da die Lichtkopplungsstrukturen üblicherweise durchsichtig sind, kann die Ausrichtung überprüft und korrigiert werden. Die Position der Lichtkopplungsstrukturen auf dem Fotolack kann schrittweise so lange verändert werden, bis vor der Belichtung eine gewünschte Endposition erreicht ist. Diese Form der Ausrichtung ist bei den derzeit verwendeten optischen Projektionsverfahren natürlich nicht möglich, bei denen die absolute Lage des Substrats bekannt sein muss, damit eine Überlagerungsgenauigkeit erreicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Lösungsansatzes besteht darin, dass die Topologie des Substrats nicht streng eben muss. Die Lichtkopplungsstrukturen lassen eine gewisse Anpassung an die Oberflächenrauigkeit zu. Die Lichtkopplungsstrukturen können noch weiter verbessert werden, wie in den 5A bis 5E gezeigt wird.
Allen gezeigten Lichtkopplungsstrukturen ist gemeinsam, dass spezielle Mittel bereitgestellt werden, durch die die inneren Reflexionen an der Grenzfläche Lichtkopplungsstruktur/Luft verbessert werden. In 5A ist der einfachste Ansatz gezeigt. Dieser Ansatz wurde bereits in den 2 und 3 gezeigt. Der scharfe Brechzahlsprung an der Grenzfläche führt zur Rückreflexion des einfallenden Lichts.
In 5B ist eine Lichtkopplungsstruktur gezeigt, bei der der hervorstehende Teil zur Verbesserung der inneren Reflexionen geneigte Grenzflächen 51 aufweist. Ein weiterer Ansatz ist in 5C gezeigt. Hier wird zur Verbesserung der inneren Reflexion auf den hervorstehenden Teilen eine reflektierende Schicht 52 wie zum Beispiel eine Metallschicht (aus Gold) abgeschieden, wie in dem obigen Beispiel gezeigt wird. Ein in Figur 5D-gezeigtes Gitter 53 zeigt ähnliche Wirkungen.
Die bisher beschriebenen Lichtkopplungsstrukturen können durch Aufbringen einer Lichtsperrschicht 54 auf bestimmte Grenzflächen der Struktur verbessert werden, wie in 5E schematisch dargestellt wird. Die Lichtsperrschicht 54 im vorliegenden Beispiel bedeckt die dem Fotolack gegenüber liegenden Grenzflächen 55 der Lichtsperrelemente sowie die Seitenwände 56 der hervorstehenden Lichtkopplungsteile.
In 5F ist eine Lichtkopplungsstruktur gezeigt, bei der der Lichtstrahl durch einen schmalen Spalt oder eine schmale Lücke aufgespaltet wird.
Im Folgenden wird beschrieben, wie eine Lichtkopplungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Herstellungsprozess angewendet werden kann.
Zuerst wird auf einem zu strukturierenden Substrat ein Fotolack gebildet. In der Technik sind verschiedene Verfahren zur Bildung eines solchen Fotolacks bekannt. Dann wird die gemäß der vorliegenden Erfindung definierte Lichtkopplungsstruktur auf den Fotolack gebracht. Wenn die Lichtkopplungsstruktur flexibel ist, kann sie auf den Fotolack aufgerollt werden. Die Position der Struktur in Bezug auf das Substrat kann optisch überprüft werden. Zum Korrigieren der Position wird eine Vorrichtung zur Feinpositionierung verwendet, durch die eine seitliche Relativbewegung zwischen der Lichtkopplungsstruktur und dem Substrat erzeugt wird. Dann wird die Position erneut überprüft und der gesamte Prozess so lange wiederholt, bis eine hinreichende Ausrichtung erreicht ist.
Jetzt kann die Lichtkopplungsstruktur gegen den Fotolack gedrückt werden, um den Kopplungsgrad zu erhöhen. Dieser Schritt kann je nach den Bedingungen ausgelassen werden. Dann wird die Lichtquelle entweder mit Konstantlicht oder mit Lichtimpulsen betrieben. Das durch die Lichtquelle emittierte und in die Lichtkopplungsstruktur eingekoppelte Licht wird automatisch zu den hervorstehenden Enden geleitet, wo es direkt in den Fotolack eingekoppelt wird. Der Fotolack wird unmittelbar unterhalb dieser hervorstehenden Enden belichtet. Am Ende des Belichtungsprozesses (wenn die erforderliche Belichtungsdosis erreicht wurde) wird das Licht ausgeschaltet und die Lichtkopplungsstruktur entfernt. Zur Unterdrückung von Interferenzeffekten in den Lichtaustrittsstrukturen können mehrere Lichtwellenlängen verwendet werden, wenn diese Strukturen unterschiedlich groß sind, was dann der Fall sein kann, wenn diese Strukturen wesentlich größer als die Arbeitswellenlängen sind. Zusätzlich können das Substrat oder der Fotolack wie in der Technik bekannt mit reflexionsmindernden oder ähnlichen Schichten ausgestattet werden, um Reflexionen zu unterdrücken.
Dann wird der Fotolack mittels eines geeigneten Entwicklungsschrittes entwickelt. Im Fall eines Positivlacks werden während des Entwicklungsschrittes die belichteten Teile des Fotolacks entfernt. Wenn ein Negativlack verwendet wird, werden nur diejenigen Teile entfernt, die nicht durch die Strahlung belichtet wurden.
Vor den nächsten Schritten kann ein harter Abtragungsschritt ausgeführt werden. Die zurückbleibenden Fotolackbereiche dienen nun als Maske, um bestimmte Flächen des Substrats vor dem Abätzen zu schützen. Jetzt wird ein Nass- oder Trockenätzschritt angewendet, um die seitliche Form und Größe der zurückbleibenden Fotolackbereiche in das Substrat zu übertragen. Dann wird der Fotolack entfernt (verascht).
Es muss angemerkt werden, dass man durch einfache Verkleinerung der bekannten Interferenzlösungsansätze auf Basis der Phasenverschiebung nicht zu der hier beschriebenen und beanspruchten Art von Lithografieverfahren kommt. Durch eine Verringerung der Periodizität der von Rogers et al. vorgeschlagenen Phasenverschiebungsmaske kommt man zu Masken und Prozessen, die sich nicht zur Bereitstellung der erforderlichen Intensitätsverteilung mit einem relativen Minimum an der Stelle eignet, an der ein Merkmal im Fotolack definiert werden soll, wie sich aus 4 von Rogers et al. ergibt. Folgt man der von Rogers angegebenen Konstruktionsregel, erhält man genau das Gegenteil von dem, was hier offengelegt und beschrieben wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zum Erreichen einer gut definierten Belichtung des Fotolacks die Mode nullter Ordnung (m = 0) verwendet. Rogers et al. sind auf Moden höherer Ordnung des Lichtes angewiesen, da sie ansonsten keine Interferenzeffekte und dadurch keine Phasenverschiebungen erreichen würden.
Es muss auch erwähnt werden, dass es vor den Arbeiten der Erfinder nicht möglich war, zur Verwendung als Lichtkopplungsstruktur geeignete Masken gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Aus dem Vergleich zwischen 1 und 2 erkennt man, dass die hervorstehenden Teile 24 der Maske 20 dieselbe seitliche Form und Größe haben wie die im Substrat 16 zu bildenden Merkmale 27. d. h., dass die hervorstehenden Teile 24 wesentlich kleiner als die hervorstehenden Teile 14 der Maske 10 sein müssen.

Claims

Lichtkopplungsstruktur (20, 40) zur Verwendung als Maske für die Belichtung eines Fotolacks (11) mit Belichtungsstrahlung (13), wobei die Kopplungsstruktur Folgendes umfasst: – hervorstehende Teile (24, 42, 43, 44), welche die Belichtungsstrahlung (13) zu deren Enden leiten, von wo aus die Belichtungsstrahlung (13) direkt in den Fotolack (11) eingekoppelt wird, wobei die Enden die seitliche Form der im Fotolack (11) zu belichtenden Strukturen aufweisen, und – Verbindungsteile (29), welche die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) miteinander verbinden und das Belichten des Fotolacks (11) durch die Belichtungsstrahlung (13) an den Stellen verhindern, die nicht durch die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) belichtet werden, wobei die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) einen Brechungsindexverlauf aufweist, durch den die Belichtungsstrahlung (13) durch innere Reflexionen zu den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) geleitet werden kann.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Belichtungsstrahlung (13) beim Belichten der Lichtkopplungsstruktur eine Wellenlänge (λ) zwischen mindestens 800 nm und 200 nm aufweist und wobei die seitliche Form mindestens eines der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) eine seitliche Ausdehnung zwischen einer Hälfte (λ/2) und einem Fünftel (λ/5) der Wellenlänge (λ) der Belichtungsstrahlung (13) aufweist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die seitliche Form mindestens eines der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) eine seitliche Ausdehnung zwischen 200 nm und 73 nm aufweist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, welche ein Elastomer umfasst.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 4, wobei das Elastomer ein Polymer ist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) so ausgewählt wird, dass er zum Brechungsindex des Fotolacks (11) passt, der durch die Kopplungsstruktur mit Strahlung belichtet werden kann.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, welche mit einem Positiv-Fotolack (11) verwendet werden kann.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, welche Ausrichtungsmarkierungen zur Ausrichtung auf den Fotolack (11) aufweist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, welche eine niedrige Oberflächenenergie aufweist, sodass der Kontakt mit dem Fotolack (11) reversibel ist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 5, wobei das Polymer Siloxan ist, welches durch Zugabe von niedrigmolekularem Silan erzeugt wird, das Vernetzungsmittel enthält.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 4, wobei das Elastomer ein Kohlenstoffelastomer ist.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsteile (29) ein Mittel zur verbesserten Sperrung der Belichtungsstrahlung (13) umfassen.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 12, wobei bestimmte Grenzflächen der Verbindungsteile (29) mit einer Schicht bedeckt sind, die die Reflexion der Belichtungsstrahlung (13) erhöht.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 12, wobei auf bestimmten Grenzflächen der Verbindungsteile (29) eine dünne Metallschicht gebildet wird, um die Reflexion der Belichtungsstrahlung (13) zu erhöhen.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 12, wobei die Verbindungsteile (29) Bragg-Gitter zur Verstärkung der Reflexion der Belichtungsstrahlung (13) umfassen.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 12, wobei die Verbindungsteile (29) auch als Lichtwellenleiter dienen, welche die Belichtungsstrahlung (13) mittels innerer Reflexionen in die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) leiten.
Lichtkopplungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Seitenwände der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) durch eine Schicht bedeckt sind, die die inneren Reflexionen verstärkt.
Vorrichtung, welche eine Lichtkopplungsstruktur (20, 40) nach Anspruch 6 und einen Fotolack (11) umfasst, wobei die Anpassung der Brechungsindizes erreicht werden kann, indem die Brechungsindexstufe zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Anpassung der Brechungsindizes erreicht werden kann, indem zwischen die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) und den Fotolack (11) eine dünne Schicht aus einem Material zur Anpassung der Brechungsindizes bereitgestellt wird, die die Brechungsindexstufe zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) verringert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Anpassung der Brechungsindizes durch Bereitstellung einer dünnen Schicht eines viskosen Öls oder Polymers zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) erreicht werden kann, welches die Brechungsindexstufe zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) verringert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) so beschaffen sind, dass keine Brechungsindexsprünge auftreten.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei es zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) zu einem engen Kontakt kommt.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtkopplungsstruktur (20, 40) zur Verwendung als Maske für die Belichtung eines Fotolacks (11), welche hervorstehende Teile (24, 42, 43, 44) mit hervorstehenden Enden, deren seitliche Form der seitlichen Form einer im Fotolack (11) zu belichtenden Struktur ähnlich ist, und Verbindungsteile (29) umfasst, welche die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) verbinden und das Belichten des Fotolacks (11) durch Belichtungsstrahlung (13) an den Stellen verhindern, die nicht durch die hervorstehenden Enden belichtet werden, wobei die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) ein Brechungsindexverlauf dergestalt aufweist, dass die Belichtungsstrahlung (13) durch innere Reflexionen zu den hervorstehenden Enden der Lichtkopplungsteile geleitet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Gießen eines Polymers auf eine Urform (41) mit einem negativen Relief der seitlichen Form der hervorstehenden Enden, – Härten des Polymers auf der Urform (41), um eine feste elastomere Lichtkopplungsstruktur (20, 40) mit einer Anordnung hervorstehender Teile (24, 42, 43, 44) zu bilden, – Entfernen der festen elastomeren Lichtkopplungsstruktur (20, 40) von der Urform (41).
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Polymer ein Siloxan ist, welches durch Zugabe von niedrigmolekularem Silan erzeugt wird, das Vernetzungsmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Polymer ein Kohlenstoffelastomer ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei – nach dem Entfernen von der Urform (41) auf der Lichtkopplungsstruktur (20, 40) eine Schicht gebildet wird, – diese Schicht so strukturiert ist, dass sie bestimmte Grenzflächen der Verbindungsteile (29) bedeckt, um die Reflexion der Belichtungsstrahlung zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Schicht eine Metallschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Schicht selektiv durch Kontakt mit einem anderen Substrat, an dem das Material haften bleibt, von den Lichtkopplungsstrukturen (20, 40) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das andere Substrat ein weiches Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das andere Substrat chemische Oberflächeneigenschaften aufweist, die durch Bildung ionischer oder kovalenter Bindungen das Haften der Schicht fördern.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schritt des Härtens mehrere Stunden lang in einem Ofen erfolgt.
Verfahren zur Bildung von Strukturen kleiner als die Belichtungswellenlänge auf einem Substrat (16), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bilden eines Fotolacks (11) auf dem Substrat (16), – Anordnen einer Lichtkopplungsstruktur (20, 40) auf dem Fotolack (11), welche hervorstehende Teile (24, 42, 43, 44) mit hervorstehenden Enden, deren seitliche Form eine Ähnlichkeit mit der seitlichen Form der zu bildenden Strukturen hat, welche kleinere Abmaße als die Belichtungswellenlänge aufweisen, und Verbindungsteile (29) umfasst, die die hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) verbinden und das Belichten des Fotolacks (11) durch Belichtungsstrahlung (13) an den Stellen verhindern, die nicht durch die hervorstehenden Enden belichtet werden, wobei die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) ein Brechungsindexverlauf dergestalt aufweist, dass die Belichtungsstrahlung (13) durch innere Reflexionen zu den hervorstehenden Enden der Lichtkopplungsteile geleitet wird, und wobei die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) so angeordnet wird, dass zwischen den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) und dem Fotolack (11) ein enger Kontakt gewährleistet ist, – Ausrichten der Lichtkopplungsstruktur (20, 40) auf das Substrat (16), – Einkoppeln von Belichtungsstrahlung (13) in die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) dergestalt, dass die Belichtungsstrahlung (13) zu den hervorstehenden Teilen (24, 42, 43, 44) geleitet und von dort in den Fotolack (11) eingekoppelt wird, – Entfernen der Lichtkopplungsstruktur (20, 40), – Entwickeln des Fotolacks, um ein Fotolackmuster zu bilden, – Übertragen des Fotolackmusters mittels eines Ätzprozesses auf das Substrat (16), – Entfernen des Fotolackmusters.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Fotolack (11) ein Negativ- oder ein Positiv-Fotolack ist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Lichtkopplungsstruktur (20, 40) nur durch Schwerkraft und Grenzflächenkräfte an Ort und Stelle gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Ätzprozess ein Trockenätzprozess ist.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Trockenätzprozess dazu eingesetzt wird, die seitliche Form und die seitlichen Ausdehnungen der zurückbleibenden Teile des Fotolacks auf das Substrat zu übertragen.
Verfahren zur Herstellung einer Urform (41) zur Verwendung für die Herstellung einer Lichtkopplungsstruktur (20, 40), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bedecken eines Substrats (16) mit einer dünnen Schicht, – Bilden eines Fotolacks (11) auf der dünnen Schicht, – Belichten des Fotolacks (11) mittels einer Elektronenstrahleinheit zur Maskenbelichtung, wodurch ein negatives Relief der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) der zu bildenden Lichtkopplungsstruktur (20, 40) gebildet wird, – Entwickeln des Fotolacks (11), um das negative Relief freizulegen, – Übertragen des negativen Relief auf die dünne Schicht mittels eines Ätzprozesses, der am darunterliegenden Substrat (16) aufhört, – Entfernen des Fotolacks (11), um so das negative Relief der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) freizulegen.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei eine Schicht mit niedriger freier Oberflächenenergie auf das negative Relief der hervorstehenden Teile (24, 42, 43, 44) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Substrat (16) ein Siliciumsubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die dünne Schicht eine Siliciumdioxid-Dünnschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei als Fotolack (11) ein Polymer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei für die Elektronenstrahllithographie Elektronen von ungefähr 100 keV verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Ätzprozess ein Ätzprozess mit reaktiven Ionen ist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Urform (41) in einem Sauerstoffplasma verascht wird, um zurückbleibende organische Stoffe zu entfernen.