EP2697687A1 - Verfahren zur herstellung dreidimensionaler strukturen - Google Patents

Verfahren zur herstellung dreidimensionaler strukturen

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Publication number
EP2697687A1
EP2697687A1 EP12714004.4A EP12714004A EP2697687A1 EP 2697687 A1 EP2697687 A1 EP 2697687A1 EP 12714004 A EP12714004 A EP 12714004A EP 2697687 A1 EP2697687 A1 EP 2697687A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
etching
substrate
implantation
ions
implanted
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12714004.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Wanzenboeck
Simon WAID
Emmerich Bertagnolli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP2697687A1 publication Critical patent/EP2697687A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D1/00—Carriages for ordinary railway passenger traffic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D31/00—Sleeping accommodation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing three-dimensional structures on a substrate, wherein in a first method step by local implantation, preferably ion implantation, in particular by irradiation with a focused ion beam (FIB), a layer with preferred removal properties with respect to at least one subsequent second process step is etched, and then in the at least one subsequent second process step, the prestructured by the first process step substrate, wherein the achievable in the second process step ⁇ tzabtrag takes place in dependence on the concentration of the implanted ions.
  • FIB focused ion beam
  • NIL nanoimprint lithography
  • stamps an imprint of these structures is produced on a substrate by means of impression forms ("stamps") with a structured surface.
  • the surface of the substrate is covered with a positive, usually a polymer layer and impressed the stamp under heating or by means of laser or UV light in the positive.
  • the positive is cured, the stamp removed, and finally etched positive and substrate, with the positive embossed structure in the substrate transmits as a depth profile.
  • the punch required for this purpose is produced either by the same method or by other nanolithography methods.
  • nanoprecipitate lithography does not involve downsizing, which means that the influence of stamping errors has a much greater influence on the final structure on the substrate.
  • substrate or “substrate surface” or “object” or “object surface” is understood to mean any surface which can be structured by the method according to the invention and is made of a material suitable for this purpose.
  • Ga + Beam Lithography for Nanoscale Silicon Reactive Ion Etching by MD HENRY et al., Nanotechnology, 21 (2010), 245303, describes the production of three-dimensional structures in silicon, wherein gallium ions are produced by ion beam lithography (Focused Ion Beam , FIB) and the substrate is subsequently etched by means of a one-step dry etching step.
  • the implanted gallium ions act as an etching mask, with the gallium-enriched silicon in the individual etching process described having a significantly lower etching rate than the untreated silicon.
  • regions on the silicon can thus be protected from the etching attack.
  • the second method step has a first etching step with a predeterminable first etching period and predeterminable first process parameters, followed by at least one second etching step with a predefinable second etching period and predeterminable second process parameters, wherein the process conditions of the second etching step are different the process conditions of the first etching step.
  • a further method step is carried out subsequent to the implantation step in which the doped surface of the substrate is etched, this method step being subdivided into at least two etching steps which differ from one another in at least one of their method parameters, whereby compared to the simple one Etching process a better relative height resolution of the structures is achieved.
  • HENRY et al. describes that the etch rate is in a non-linear relationship with the concentration of implanted gallium ions in the substrate.
  • the Applicants have found, however, that by appropriate choice of the etching gas very well linear relationships are found, which has a higher reproducibility of the inventive method result.
  • structures can be obtained by a specific combination of two or more etching steps with different parameters, which have a curved (convex or concave) surface. This is of particular importance for the production of microlenses.
  • a locally high-resolution ion implantation takes place in an object surface, wherein the local implantation dose is related to the desired local structure height in the subsequent etching process.
  • the spatially resolved implantation step is followed by a according to the invention etching process, wherein the doped surface of the substrate is etched.
  • the implantation is carried out with different acceleration voltages for producing implantation structures having different layer thicknesses.
  • the local implantation dose is related to the desired local structure height generated by the subsequent etching step.
  • the implantation profile is preferably determined on the basis of the structure to be produced and the known properties of the etching processes to be carried out.
  • the maximum dose of ions per unit area to be applied represents a special characteristic. This variable preferably moves in a range from 1 to 300 pC / ⁇ 2 . Values of 40 to 100 pC / ⁇ 2 have proven particularly suitable. At higher acceleration voltages of the ion beam, higher values up to 200 pC / ⁇ 2 are possible.
  • a fixed dose is preferably applied, derived from the maximum dose to be applied and the selected number of exposure runs. Particularly suitable exposure doses per passage between 0.1 and 10 pC / ⁇ 2 , for example 4 pC / ⁇ 2 .
  • the beam current of the ion beam is preferably between 0.5 pA and 30 nA. Beam currents between 1 and 100 pA have proven to be particularly suitable.
  • the beam profile is preferably Gaussian, but may also be rectangular, circular or otherwise shaped, with Gaussian sloping flanks being preferred in each case.
  • the width of the beam profile at half height preferably ranges between 0.1 and 200 nm. Particularly suitable is a range between 10 and 50 nm has been found.
  • the implantation mask can be generated by multiple exposures, each with different acceleration energies of the ions, and thus the thickness of the hard mask can be further increased, or the depth distribution of the ions in the implantation zone can be adjusted.
  • the implantation process a single type of ion, a sequential sequence of different ions, or even mixtures of different ions can be used, each of which has a different influence on the etching behavior of the substrate during the second process step.
  • the ion beam used has an energy of 50 eV to 5 MeV, in particular an energy from 200 eV to 30 keV.
  • FIB focused ion beam systems
  • acceleration voltages between 100 keV and 3 MeV are also possible for the fabrication of the implant masks.
  • the layer is produced with preferred removal properties using an additional, removable surface coating, wherein atoms from the surface coating are implanted into the substrate by irradiation with a focused ion beam by atomic impact.
  • the implantation layers will be made by atomic mixing by ion beam.
  • the material to be implanted is previously applied as a thin layer on the surface and then the layer only locally mixed by the ion beam in the surface, so that in this way an implantation mask is illustrated. The excess non-implanted material is then removed from the surface and removed. In this way, ions can be implanted into the substrate which can not be implanted into the substrate material by means of an ion beam or only under difficult conditions, but influence the removal properties of the substrate for the subsequent etching step.
  • ions from systems with a focused ion beam are particularly suitable for high-resolution implantation. Further different removal properties of the substrate are obtained if a multi-beam ion beam system is used for the first method step.
  • Some substrate materials respond to the implantation with an irregular distribution of the implanted ions and an irregular formation of amorphous and crystalline regions, which are etched irregularly in the subsequent second process step, the etching process. This results in a large surface roughness, undesirable in some applications, due to existing etch selectivities on the order of about 3 nm to 10 nm.
  • at least one additional coating step preceding the first method step of the local implantation is provided.
  • the at least one additional coating step comprises the application of a layer etchable in the second process step. It is particularly preferred that this layer, which is usually only a few nanometers thick, is etchable with that etching medium used in the etching process.
  • ions may be implanted either either (a) only in the additional uppermost coating layer or (b) in both the uppermost coating layer and the underlying substrate.
  • the additional surface coating and its content of impurities results in a further option for fine-tuning the cross-sectional profile of the subsequent etching, and in particular further possibility for the design of the edge profile.
  • the at least one additional coating step sputtering, vapor deposition, epitaxial coating, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, electrodeposition, electrodeless electrochemical deposition, crystallization from the liquid phase, Auffolieren, pressing Metal coatings, lacquers, spin-coating, dip-coating or related methods of applying metals.
  • metals and metal alloys especially from the group of transition metals, in particular vanadium and / or tungsten have proven successful.
  • Vanadium in particular has proven particularly useful as a smoothing material because it provides the desired results, in particular in a dry etching process.
  • the second method step is an etching method, wherein at least one etching step, preferably all etching steps, are carried out as a preferred physico-chemical dry etching process.
  • Other etching methods such as purely physical or purely chemical or wet-chemical etching or a combination of these methods may also be used.
  • RIE reactive ion etcher
  • the temperature during the etching process is between 0 K and 500 K, more preferably between 270 K and 400 K.
  • the gas flow into the etching chamber or into the reaction vessel is preferably between 1 sccm and 1000 sccm per 100 l chamber volume.
  • energy is introduced in the form of electromagnetic waves, or in the form of an alternating electric or magnetic field, or by thermal processes or a combination thereof.
  • the power introduced in this form is preferably in a range between 0 kW and 10 kW. Particularly suitable is a range between 5 W and 800 W, in particular a value of 10 W to 80 W.
  • a particularly aggressive etchant is preferred for the first etching step, which causes a high etch selectivity between implanted regions and native substrate regions.
  • a fluorine-containing species such as B. SF 6 with a share of at least 20%.
  • the etching time of the individual etching steps is determined by measuring the etching depth by means of interferometers. In each case etching depths of between 5 nm and 1 mm, but in particular 10 nm and 100 ⁇ m, are preferably achieved per etching step.
  • the etching gas composition is preferably changed in the case of burning plasma from process parameter 1 to process parameter 2, wherein the change can be gradual or abrupt.
  • the plasma is deactivated during reactive ion etching (RIE) between the individual etching steps.
  • RIE reactive ion etching
  • the etching is preferably carried out in a parallel plate reactor.
  • the pressure at the beginning of the process is preferably increased in order then to reduce it to the predetermined desired value when the plasma is burning.
  • Essential for the etching process according to the invention is a different etch rate for implanted and non-implanted regions.
  • a change of this Selectivity can be achieved by changing the etching parameters, for example by changing the gas composition, but all parameters already mentioned, such as gas flow, pressure, temperature and power, are also suitable for this purpose.
  • At least one predefinable threshold value is provided which characterizes the transition from the first etching step to the second etching step.
  • This threshold value represents a change in the process conditions between the first (previous) and the second (subsequent) etching step.
  • more than two, further etching steps and also more than two further threshold values can be provided, which are independent of one another or repeat cyclically. In no case is the inventive method limited to only two etching steps.
  • the threshold value may depend on the process progress (eg etch depth) or independent of feedback parameters (eg already elapsed process time).
  • the threshold value relates to a change in the etching parameters, for example the composition and / or the concentration of the etching medium during the transition between the first and subsequent second etching step; For example, it may also relate to the concentration of the etching medium and / or the temperature, the pressure or, in the case of a dry etching process, the energy input during the etching process.
  • the change can also affect other process parameters not listed here.
  • transition between the first and second, and any further etching steps can be continuous or discontinuous, this change can be done, for example, continuously gradual, stepwise, pulsed or periodic.
  • the change of the process parameters of the etching process according to the invention can be carried out on the basis of the threshold value, time-dependent or under the control of a suitable control system.
  • the threshold value is detected by means of a process-accompanying control system.
  • the etching process is monitored by a suitably designed control system, which preferably processes sensor data that provide information about the etching progress, and preferably at least partially specifies the process parameters for the etching process.
  • a control system is used which adjusts or controls the process parameters of the etching process on the basis of measurement data, in particular those which provide information about the progress of the etching or the surface condition of the substrate.
  • a control system is preferred which compares the measurement data or quantities derived therefrom with values of the desired altitude profile or values derived therefrom.
  • the monitoring of the etching progress is preferably carried out within at least one implanted area, but is by no means limited thereto.
  • the monitored area is preferably designed specifically for this purpose.
  • suitable patterns with at least one, but preferably at least four different implantation doses are used.
  • the measurement data available to the control system are preferably supplied by suitably developed sensors.
  • sensors which detect the etching progress on the substrate to be etched or another reference object provided for this purpose include, in particular, sensors which permit spatially resolved monitoring of the etching progress.
  • sensors which permit spatially resolved monitoring of the etching progress Preferably, optical, electron-optical or mechanical scanning or a combination thereof are used.
  • control system is particularly preferably based on an optical method, in particular interferometry or reflectometry, or an electron-optical method, in particular scanning electron microscopy, or on a scanning probe technique, in particular Atomic Force Microscope (AFM).
  • optical method in particular interferometry or reflectometry
  • electron-optical method in particular scanning electron microscopy
  • scanning probe technique in particular Atomic Force Microscope (AFM).
  • AFM Atomic Force Microscope
  • the etching progress is monitored by means of an interferometer camera consisting of a coherent light source, preferably a laser, an interferometer, preferably a Michelson interferometer, and a camera or at least one of these components.
  • an interferometer camera consisting of a coherent light source, preferably a laser, an interferometer, preferably a Michelson interferometer, and a camera or at least one of these components.
  • the etch progress control system may consist of a broadband light source, a white light interferometer and a spectrometer or at least one of these components.
  • the monitoring system consists of a quartz crystal, which is mechanically coupled to the substrate.
  • the monitoring of the ⁇ tzfort suitses carried out by measuring the oscillation frequency of the quartz (quartz microbalance).
  • the etching rate in the second method step is dependent on the concentration of ions implanted in the substrate by the ion beam and on the composition of the etchant.
  • implanted ions are preferably atomic ions or inorganic cluster ions, which are produced in technical systems for generating an ion beam.
  • Suitable ions are all ions from non-noble gases, in particular the ions from the group of metal ions from the II, III, IV, V and VI main group, here preferably ions from that group, gallium, indium, silicon, arsenic or selenium includes, selected. Furthermore, ions from the group of secondary group metals, the lanthanides or actinides, in particular gold, platinum or other noble metals are chosen, those ions which do not react with halogens being particularly suitable.
  • a halogen-containing gas is used as the etching medium.
  • a fluorine-containing gas in particular F 2 , XeF 2 , SF 6 , CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , CHF 3 , HF or SiF 4 and / or at least one chlorine-containing gas, in particular Cl 2 , SOCl 2 , CCI 4 , CH 3 Cl, CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , C 2 Cl 6 , C 3 Cl 8 , HCl or SiCl 4 .
  • the etching medium may be a single etching gas or a mixture of different components.
  • the use of chlorine-containing gases, such as SiCl 4 alone or in combination with fluorine-containing gases is provided in order to influence the selectivity of the etching process can.
  • a halogen-containing gas-in particular of a fluorine-containing gas-the etching rate of the substrate during the etching process can be influenced by further gases, in which case non-halogen-containing gases, in particular oxygen- or nitrogen-containing gases, such as, for example, nitrous oxide (N 2 O), Ammonia (NH 3 ), pure nitrogen or pure oxygen can be used.
  • non-halogen-containing gases in particular oxygen- or nitrogen-containing gases, such as, for example, nitrous oxide (N 2 O), Ammonia (NH 3 ), pure nitrogen or pure oxygen
  • the etching properties of the gas mixture are changed by adding additional, additional etching gases. In particular, in this way the roughness of the resulting surface can be influenced. This can be achieved in particular by the addition of oxygen- or nitrogen-containing gases.
  • another non-fluorine-containing gas especially an oxygen-containing gas such as N 2 O or pure oxygen, or a nitrogen-containing gas such as NH 3 or pure nitrogen, and / or a noble gas, in particular helium, argon, xenon or else a hydrogenating gas, in particular hydrogen or N 2 H 4 is used.
  • an oxygen-containing gas such as N 2 O or pure oxygen
  • a nitrogen-containing gas such as NH 3 or pure nitrogen
  • a noble gas in particular helium, argon, xenon or else a hydrogenating gas, in particular hydrogen or N 2 H 4 is used.
  • a hydrogenating gas in particular hydrogen or N 2 H 4
  • the selectivity of the etching process is understood to be the context in which the etching rate of the implanted / doped region of a substrate is related to its undoped region.
  • the selectivity of the etching process is achieved by changing the mixing ratio of a Hauptigergases to a Mauisergas.
  • this relates to admixtures of chlorine-containing gases to fluorine-containing gases, of fluorine-containing gases to chlorine-containing gases, the admixture of oxidizing gases to chlorine or fluorine-containing gases, and the addition of inert gases to chlorine or fluorine-containing gases.
  • the etching gas during an RIE process consists of two or more etching gases, which may be designed to optimize surface properties such. B. to achieve low surface roughness, as well as one or more additional gases, which set the selectivity between implanted and unimplanted areas.
  • etching gases which may be designed to optimize surface properties such. B. to achieve low surface roughness, as well as one or more additional gases, which set the selectivity between implanted and unimplanted areas.
  • several parameters are adapted during the etching process in such a way that not only the selectivity of the individual regions is changed, but also the properties of the basic composition, such as, for example, B. be maintained or remain optimized surface properties.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that it can be carried out both on planar and non-planar, in particular on curved or stepped substrate surfaces.
  • stamps for nanoimprint lithography which are intended for use on large areas
  • roller-like die which are rolled over a suitably prepared substrate surface to create a depth profile here.
  • the nanostructuring of spherical substrates eg a dirt-repellent coating of reflection optics
  • the method according to the invention is particularly suitable for this purpose, since the curved surface of the substrate is processed particularly precisely by the sequence of different etching steps.
  • the substrate has a three-dimensional structure on at least one surface, which is additionally further structured according to the method according to the invention by ion implantation and subsequent etching.
  • these "primary" three-dimensional structures have an order of magnitude in the millimeter or micrometer range, while smaller three-dimensional structures in the micrometer or submicrometer range, preferably ⁇ 10 m, are produced by subsequent processing by the methods according to the invention.
  • the method according to the invention has proven particularly useful in the production of stamps for nanoprint lithography. Likewise, its use for the production of microlenses, as well as three-dimensional structures (for example dirt-repellent surfaces or flow-optimized surfaces) is generally particularly suitable. Furthermore, the method is outstandingly suitable for the production of microfluidic structures.
  • Example 1 Production of a lenticular structure
  • gallium ions are implanted by means of FIB, wherein the ion beam is passed over the substrate surface in ten passes.
  • the exposure of the respective area (each pixel) of the substrate surface occurs depending on the blackening of the respective pixel in the gray scale image and results in a gradual graded implantation mask.
  • 40 pC / pm 2 is defined as the maximum required ion dose, 4 pC / ⁇ 2 being implanted / applied in each of the ten exposure runs. Based on a predetermined threshold dose, it is decided whether or not to expose a pixel in the respective pass.
  • the beam current is 1.3 pA
  • the beam profile is approximately Gaussian with a width of 25 nm to 50 nm at half height.
  • the implantation is carried out using a special ion beam system (for example a Zeiss Neon X-beam system), with acceleration voltages of 10 kV to 30 kV being used.
  • the division into a higher number of exposure passes for example 20 to 50, can take place.
  • reducing the exposure passes for example, way to less than five exposure passes, a step-like flank structure achieved.
  • ion beams with higher beam currents and larger beam widths can also be used.
  • FIG. 2A shows the linear implantation profile 11 into the silicon substrate 10, wherein in the diagram of FIG. 2B the implantation profile 12 corresponding to the dose of gallium ions within the substrate 10 is shown along the line A-A in FIG. 2A.
  • the etching of the silicon surface 10 takes place in a parallel plate reactor in a three-stage process with the following parameters:
  • Etching depth (total) 300 nm 300 nm
  • the pressure in the plasma chamber is first increased to 50 pbar and lowered to the predetermined working pressure after ignition has taken place (recognizable by a sudden increase in pressure).
  • the plasma can be ignited again or remain switched on.
  • the above-described etching process has the variation of an etching parameter, namely the etching gas composition, between the individual threshold values.
  • an etching parameter namely the etching gas composition
  • three etching steps are shown, the first etching step a) a high selectivity for etching the substrate, the second etching step b) a lower selectivity for etching the silicon substrate and the third etching step c) no significant selectivity between substrate and implanted areas more represents. In this way, a different geometric result can be achieved with a defined implantation dose depending on the etching parameter.
  • FIG. 3A shows the lens-like structure 13 obtained by the etching process, wherein in the diagram according to FIG. 3B the etching profile is shown in the substrate 10 along the line B-B from FIG. 3A. It can clearly be seen here that the first etching step 14 results in a high edge steepness of the etching profile, which flattenes in the two subsequent etching steps 15, 16.
  • FIG. 4 shows an atomic force microscope image of the structure 13 obtained according to example 1.
  • a lens-like structure 13 is obtained by the method according to the invention, whose profile can be varied by changing the different parameters of the etching process.
  • etching of the silicon surface 10 takes place in a parallel plate reactor with the following process parameters: a) 1st etching step:
  • the total flow of the etching gases is successively replaced after reaching 120 of the predetermined threshold, in the present case a predetermined etch depth after the first etching step, by argon.
  • the etching selectivity between implanted and non-implanted regions of the substrate 10 is changed.
  • FIG. 5 shows the flow of the etching gases SF 6 , N 2 and Ar.
  • the transition 120 between the first etching step 114 and the second etching step 115 is in this case continuous.
  • a three-dimensional pixel or vector image guiding the implantation beam is used (FIG. 7).
  • the implantation beam is also rasterized only once over the silicon surface 10, remaining on each pixel until the desired implantation dose is achieved. This allows a temporal shortening of the implantation step, and continuous doping profiles 212 are obtained.
  • the thickness of the additional coating may preferably vary between 5 nm and 150 nm.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the layer structure of the substrate 10 after implantation.
  • gallium-doped island-like regions 21 are provided which are less than the thickness of the vanadium layer 20.
  • etching of the silicon surface 10 takes place in a parallel plate reactor with the following process parameters: a) 1st etching step:
  • the total composition of the etching gas is successively changed after reaching the predetermined threshold value, in the present case a predetermined etching depth after the first etching step, by increasing the flow of argon while simultaneously reducing the SF 6 ⁇ tzgasmannes.
  • the altered etching gas composition changes the etch selectivity between implanted and non-implanted regions of the substrate 10.
  • the surface structure obtained with this process has a lower surface roughness compared to Example 3.
  • the changes in the individual etching steps may also relate to temperature, working pressure, RF power of the RIE process, or the total flow rate of gases, which variations may refer to a single or multiple parameters.
  • FIG. 11 schematically shows a control system 400 for monitoring and controlling the etching parameters, in particular the corresponding threshold values. It is preferably used to compensate for deviations or inaccuracies in the etching process by adjusting the etching parameters.
  • a self-contained control loop 401, 402 is provided in this embodiment of the control system 400, which is equipped with a sensor system 403, the sensors of which supply measured data to an evaluation / control units 404, 405.
  • sensors which detect the etching progress on the substrate 10 to be etched in the reactor 500 include, in particular, sensors which permit spatially resolved monitoring of the etching progress.
  • optical, electron-optical or mechanical scanning methods or a combination thereof are used.
  • the monitoring of a reference object can be provided, from whose data corresponding data can be derived to the substrate.
  • the etching progress is monitored by the analysis of the substrate surface 10, which preferably serves as a feedback input 406, 407 for the process parameters of the subsequent further etching step.
  • the etching progress is monitored by optical scanning 410, 411 of a preferably specially designed zone 110 of the substrate 10, which has been doped according to a suitable pattern.
  • This pattern has regions 111, 112, 113, 114, 115, 116 with different doping doses, the number of which can be between 2 and 20.
  • the measured values obtained by the scanning 410, 411 allow direct conclusions to be drawn about the etching progress on the entire substrate 10.
  • Example 5 Production of Different Structures on a Substrate Surface
  • FIG. 13A illustrates the progress in fabricating structures on a surface 10 after each etching step.
  • the implantation step is shown schematically, wherein structures 601, 602, 603 with different local implantation doses are generated by means of ion beam 600 into a substrate surface 10 according to one of the implantation methods described above.
  • a first etching step 614 FIG. 13B
  • the first regions are exposed with a higher implantation dose
  • the structures 611, 612, 613 are in their desired different heights according to the implanted in the first method step Ion concentration on the substrate surface 10 are arranged.
  • FIG. 14 shows a substrate 100 in which a micro-fluid channel 101 has been etched in the manner described above.
  • FIG. 15 A more complex structure is shown in FIG. 15, in which a regularly repeating three-dimensional structure 102 has been etched into a substrate surface 100 ("grating").
  • the production of repetitive structures is of particular interest for the production of NIL punches, which are constructed in the form of rollers and are thus able to impress uniform structures on large-area substrates.
  • FIG. 16 shows an optical waveguide which was also produced by the method according to the invention, wherein a waveguide 150 with a filter element 151 is arranged in the substrate 100.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen (13, 113, 213, 611, 612, 613) auf einem Substrat (10, 100), wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch lokale Implantation, bevorzugt Ionenimplantation, insbesondere durch Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl (600), eine Schicht mit bevorzugten Abtragseigenschaften in Hinblick auf zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt hergestellt wird, und anschließend in dem zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt das durch den ersten Verfahrensschritt vorstrukturierte Substrat (10, 100) geätzt wird, wobei der im zweiten Verfahrensschritt erzielbare Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Konzentration der implantierten Ionen erfolgt, und der zweite Verfahrensschritt einen ersten Ätzschritt (14, 114, 214, 314) mit einer vorgebbaren ersten Ätzdauer und vorgebbaren ersten Prozessparametern aufweist, an den zumindest ein zweiter Ätzschritt (15, 115, 215, 315) mit einer vorgebbaren zweiten Ätzdauer und vorgebbaren zweiten Prozessparametern anschließt, wobei die Verfahrensbedingungen des zweiten Ätzschrittes (15, 115, 215, 315) unterschiedlich von den Verfahrensbedingungen des ersten Ätzschrittes (14, 114, 214, 314) sind.

Description

Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen auf einem Substrat, wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch lokale Implantation, bevorzugt Ionenimplantation, insbesondere durch Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB), eine Schicht mit bevorzugten Abtragseigenschaften in Hinblick auf zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt hergestellt wird, und anschließend in dem zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt das durch den ersten Verfahrensschritt vorstrukturierte Substrat geätzt wird, wobei der im zweiten Verfahrensschritt erzielbare Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Konzentration der implantierten Ionen erfolgt.
Im Zuge der immer weiter voranschreitenden Miniaturisierung von Bauteilen ist der Bedarf insbesondere von großflächig einsetzbaren, kostengünstigen Herstellungsmethoden von strukturierten Oberflächen stetig steigend. Ein gebräuchliches Verfahren für die Herstellung strukturierter Oberflächen stellt die Nanoprä- gelithographie (Nano Imprint Lithography, NIL) dar, bei welcher mit Hilfe von Abdrucksformen ("Stempel") mit strukturierter Oberfläche auf einem Substrat ein Abdruck dieser Strukturen erzeugt wird. Hierfür wird die Oberfläche des Substrats mit einem Positiv, zumeist einer Polymerschicht bedeckt und der Stempel unter Erhitzen bzw. mit Hilfe von Laser oder UV-Licht in das Positiv eingeprägt. Anschließend wird das Positiv ausgehärtet, der Stempel entfernt, und schließlich Positiv und Substrat geätzt, wobei sich die im Positiv eingeprägte Struktur im Substrat als Tiefenprofil überträgt. Der hierfür benötigte Stempel wird entweder mit der gleichen Methode hergestellt oder aber mit anderen Nanolithographie- Verfahren. Im Gegensatz zu anderen Nanostukturierungsverfahren erfolgt bei der Nanoprägelithographie der Strukturübertrag ohne Verkleinerung, wodurch der Einfluss von Fehlern in der Stempelherstellung einen wesentlich stärkeren Ein- fluss auf die Endstruktur am Substrat hat.
Im Rahmen dieser Offenbarung wird unter "Substrat" bzw. "Substratoberfläche" bzw. "Objekt" bzw. "Objektoberfläche" jede mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierbare Oberfläche aus hierfür geeignetem Material verstanden.
Ein herausragendes Merkmal der Nanoprägelithographie ist ihre Eignung für die direkte Replikation von dreidimensionalen Strukturen mit Auflösungen bis in den Nanometerbereich. Dieses Merkmal zeichnet diese Lithographiemethode gegenüber allen anderen aus und macht sie besonders für die Herstellung von optischen Bauelementen attraktiv. Da der genannte Stempel weiters auch mehrfach benutzbar sein sollte, ist dessen präzise Herstellung wesentlich. Um das volle Potential der Nanoprägelithographie ausschöpfen zu können, wird ein Strukturierungs-Verfahren für Stempel benötigt, welches in der Lage ist, drei Dimensionen mit hoher Auflösung und hoher Reproduzierbarkeit herzustellen.
In der Veröffentlichung "Three-Dimensional Patterning using Ultraviolet Na- noimprint Lithography" von M. M . ALKAISI and K. MOHAMED, Lithography, 28, Seite 571 (2010) wird die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit Hilfe der Nanoimprint-Lithographie und anschließendem Trockenätzen, insbesondere Reactive Ion Etching (RIE) beschrieben. Dieses Verfahren eignet sich jedoch ausschließlich für die Replikation in zweiter Generation unter Verwendung von bereits dreidimensional strukturierten Stempeln, nicht jedoch für die primäre Strukturerzeugung von dreidimensionalen Stempeln in erster Generation (z. B. aus elektronisch vorliegenden Strukturdaten des Stempeldesigns).
Die Herstellung von Formen zur Verwendung in der Stempelherstellung für die Nanoimprint-Lithographie werden in der Veröffentlichung "Large area mold fabri- cation for Nanoimprint-Lithography using Electron Beam Lithography" von CHU J. K. et al., Science China, Vol . 53, Seite 248 bis 252 dargelegt. In dieser Druckschrift wird die Herstellung von Stempeln mit geringer Strukturbreite und hoher Genauigkeit mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie beschrieben, welche auch eine mehrstufige Strukturierung des Stempels zulässt. Das Verfahren eignet sich jedoch nicht für die Herstellung von Stempeln mit mehreren verschiedenen Höhenstufen, wie sie beispielsweise für Linsen oder andere optische Bauelemente benötigt werden, weil durch die vielen verschiedenen Belichtungsdosen die aufzubringende Gesamt-Dosis in hohem Maße steigt, wodurch die Herstellungsdauer extrem verlängert wird, so dass die Herstellung großflächiger Stempel innerhalb wirtschaftlich zumutbarer Prozesszeiten unmöglich wird. Des Weiteren stehen für diesen Einsatz auch nicht ausreichend kompatible Lacke zur Verfügung, wodurch die generelle Eignung des Verfahrens für Strukturen mit mehreren verschiedenen Höhenstufen, wie sie z. B. für optische Bauelemente benötigt werden, im Wesentlichen zu verneinen ist.
In der Veröffentlichung "Ga+ Beam Lithography for nanoscale Silicon Reactive Ion Etching" von M. D. HENRY et al., Nanotechnology, 21 (2010), 245303 wird die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen in Silizium beschrieben, wobei Galliumionen mittels Ionenstrahl-Lithographie (Focused Ion Beam, FIB) implantiert und das Substrat anschließend mittels eines einstufigen Trockenätzschrittes geätzt wird. Hierbei fungieren die implantierten Galliumionen als Ätzmaske, wobei das mit Gallium angereicherte Silizium bei dem einzelnen beschriebenen Ätzpro- zess eine signifikant geringere Ätzrate aufweist als das unbehandelte Silizium . Durch die Ionenimplantation können somit Bereiche auf dem Silizium vor dem Ätzangriff geschützt werden. Durch die unterschiedliche Konzentrationen der im- plantierten Ionen kann eine unterschiedliche Schutzdauer erreicht werden. Da beim beschriebenen Verfahren die Ätzparameter nicht geändert werden, ist eine dreidimensionale Strukturierung ausschließlich über die lokalen Konzentrationen der implantierten Ionen definierbar. Durch den einfachen Ätzprozess ist dieses Verfahren deshalb hinsichtlich seiner erreichbaren relativen und absoluten Höhenauflösung eingeschränkt, wodurch insbesondere bei der Herstellung von optischen Bauelementen bzw. Stempeln für diese ein Nachteil entsteht.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das auf rasche und einfache Weise die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit hoher Genauigkeit und geringer Größe auf einem Substrat erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zweite Verfahrensschritt einen ersten Ätzschritt mit einer vorgebbaren ersten Ätzdauer und vorgebbaren ersten Prozessparametern aufweist, an den zumindest ein zweiter Ätzschritt mit einer vorgebbaren zweiten Ätzdauer und vorgebbaren zweiten Prozessparametern anschließt, wobei die Verfahrensbedingungen des zweiten Ätzschrittes unterschiedlich von den Verfahrensbedingungen des ersten Ätzschrittes sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass anschließend an den Implantationsschritt ein weiterer Verfahrensschritt durchgeführt wird, bei welchem die dotierte Oberfläche des Substrats geätzt wird, wobei dieser Verfahrensschritt sich in zumindest zwei Ätzschritte unterteilt, die sich zumindest in einem ihrer Verfahrensparameter voneinander unterscheiden, wodurch im Vergleich zum einfachen Ätzprozess eine bessere relative Höhenauflösung der Strukturen erzielt wird. HENRY et al . beschreibt, dass die Ätzrate in einem nicht-linearen Zusammenhang mit der Konzentration an implantierten Galliumionen im Substrat steht. Die Anmelder haben jedoch herausgefunden, dass durch geeignete Wahl des Ätzgases sehr wohl lineare Zusammenhänge zu finden sind, was eine höhere Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Folge hat. Des weiteren kann durch gezielte Kombination von zwei oder mehreren Ätzschritten mit unterschiedlichen Parametern Strukturen erhalten werden, die eine gekrümmte (konvexe oder konkave) Oberfläche aufweisen. Dies ist insbesondere für die Herstellung von Mi- krolinsen von Bedeutung.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass zunächst eine örtlich hochaufgelöste Ionenimplantation in eine Objektoberfläche erfolgt, wobei die lokale Implantationsdosis in Zusammenhang zur gewünschten lokalen Strukturhöhe in dem nachfolgenden Ätzprozess steht. An den örtlich aufgelösten Implantationsschritt schließt ein er- findungsgemäßer Ätzprozess an, bei welchem die dotierte Oberfläche des Substrats geätzt wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem ersten Verfahrensschritt die Implantation mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen zur Erzeugung von Implantationsstrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken durchgeführt wird. Hierbei steht die lokale Implantationsdosis in Zusammenhang mit der gewünschten lokalen Strukturhöhe, die durch den nachfolgenden Ätzschritt erzeugt wird.
Das Implantationsprofil wird bevorzugt auf Basis der zu erzeugenden Struktur und den bekannten Eigenschaften der durchzuführenden Ätzprozesse bestimmt. Die maximal aufzubringende Ionendosis pro Flächeneinheit stellt hierbei eine besondere Kenngröße dar. Bevorzugterweise bewegt sich diese Größe in einem Bereich von 1 bis 300 pC/μηΊ 2. Als besonders gut geeignet haben sich Werte von 40 bis 100 pC/μηΊ 2 herausgestellt. Bei höheren Beschleunigungsspannungen des Ionenstrahls sind auch höhere Werte bis 200 pC/μηΊ2 möglich. In jedem Belichtungsdurchlauf wird bevorzugterweise eine feste Dosis, abgeleitet von der maximal aufzubringenden Dosis und der gewählten Anzahl an Belichtungsdurchläufen, aufgebracht. Besonders geeignet sind Belichtungsdosen pro Durchgang zwischen 0,1 und 10 pC/μηΊ 2, beispielsweise 4 pC/μηΊ 2. Der Strahlstrom des Ionenstrahls beträgt bevorzugterweise zwischen 0,5 pA und 30 nA. Als besonders geeignet haben sich Strahlströme zwischen 1 und 100 pA erwiesen. Das Strahlprofil ist bevorzugterweise gaußförmig, kann aber auch rechteckig, kreisförmig oder anders geformt sein, wobei in jedem Fall gaußförmig abfallende Flanken bevorzugt werden. Die Breite des Strahlprofils auf halber Höhe bewegt sich bevorzugterweise zwischen 0,1 und 200 nm . Als besonders geeignet hat sich ein Bereich zwischen 10 und 50 nm herausgestellt.
In einer besonderen Ausführungsform des Implantationsprozesses kann die Implantationsmaske durch mehrfache Belichtung mit jeweils unterschiedlichen Beschleunigungsenergien der Ionen erzeugt werden, und so die Dicke der Hartmaske noch gezielt erhöht werden, bzw. die Tiefenverteilung der Ionen in der Implantationszone eingestellt werden. So kann durch niedere Beschleunigungsspannungen eine Anreicherung der implantierten Ionen nahe der Oberfläche durchgeführt werden, während bei hohen Beschleunigungsspannungen eine Anreicherung in tieferen Bereichen unter der Oberfläche erzielt werden. Während des Implantationsprozesses kann eine einzige Ionenart, eine sequentielle Abfolge unterschiedlicher Ionen, oder aber auch Mischungen unterschiedlicher Ionen verwendet werden, die jeweils einen unterschiedlichen Einfluss auf das Ätzverhalten des Substrats während des zweiten Verfahrensschrittes nehmen. Der verwendete Ionenstrahl hat dabei eine Energie von 50 eV bis 5 MeV, insbesondere eine Energie von 200 eV bis 30 keV. Bei Verwendung von Fokussierten Ionenstrahlsystemen (FIB) ist eine Variation der Beschleunigungsspannungen zwischen 250 eV und 100 keV, insbesondere jedoch zwischen 10 keV und 50 keV ein sinnvoller Bereich. Bei kombiniertem Einsatz mit Ionenimplantern sind auch Beschleunigungsspannungen zwischen 100 keV und 3 MeV zur Herstellung der Implantationsmasken möglich.
In einer weiteren Variante der Erfindung erfolgt im ersten Verfahrensschritt die Erzeugung der Schicht mit bevorzugten Abtragseigenschaften unter Verwendung einer zusätzlichen, entfernbaren Oberflächenbeschichtung, wobei durch Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl Atome aus der Oberflächenbeschichtung durch atomare Stoßeinwirkung in das Substrat hineinimplantiert werden. Anstatt einer Implantation durch den Ionenstrahl selbst werden die Implantationsschichten durch atomare Durchmischung mittels Ionenstrahl hergestellt werden. Dazu wird das zu implantierende Material zuvor als dünne Schicht auf die Oberfläche aufgetragenen und danach die Schicht nur lokal durch den Ionenstrahl in die Oberfläche eingemischt, so dass auf diese Art und Weise eine Implantationsmaske bebildet wird. Das überschüssige, nicht implantierte Material wird danach wieder von der Oberfläche abgelöst und entfernt. Auf diese Weise können Ionen in das Substrat implantiert werden, die mittels Ionenstrahl nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen in das Substratmaterial implantiert werden können, für den nachfolgenden Ätzschritt jedoch die Abtragseigenschaften des Substrats beeinflussen.
Neben Ionen-Plasmatronen, -Magnetronen und Breitstrahlquellen sind insbesondere Ionen aus Anlagen mit einem fokussierten Ionenstrahl zur hochauflösenden Implantation geeignet. Weitere unterschiedliche Abtragseigenschaften des Substrats werden erhalten, wenn für den ersten Verfahrensschritt ein Mehrstrahl-Io- nenstrahlsystems zum Einsatz kommt.
Einige Substratmaterialien wie beispielsweise monokristallines Silizium reagieren auf die Implantation mit einer unregelmäßigen Verteilung der implantierten Ionen und einer unregelmäßigen Ausbildung von amorphen und kristallinen Bereichen, die im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, dem Ätzverfahren unregelmäßig geätzt werden. Dies hat eine in manchen Anwendungsbereiche unerwünschte große Oberflächenrauhigkeit aufgrund bestehender Ätzselektivitäten in einer Größenordnung von etwa 3 nm bis 10 nm zur Folge. Um dieses Problem zu vermeiden, ist in einer Variante der Erfindung zumindest ein dem ersten Verfahrensschritt der lokalen Implantation vorangestellter zusätzlicher Beschichtungs- schritt vorgesehen. Durch das Aufbringen zumindest eines während des Implantationsprozesses und des nachfolgenden Ätzverfahrens als Glättungsschicht fungierenden Materials wird die Aufrauung der Oberfläche um bis zu 50% reduziert. Bevorzugterweise ist hierbei vorgesehen, dass der zumindest eine zusätzliche Beschichtungsschritt das Aufbringen einer im zweiten Verfahrensschritt ätzbaren Schicht umfasst. Besonders bevorzugt ist, dass diese Schicht, die üblicherweise nur wenige Nanometer dick ist, mit jenem im Ätzverfahren eingesetzten Ätzmedium ätzbar ist.
Ja nach Schichtdicke des als Glättungsschicht fungierenden Materials und je nach Eindringtiefe der implantierten Ionen können die Ionen entweder (a) nur in die zusätzliche, oberste Beschichtungsschicht oder (b) sowohl in die oberste Be- schichtungsschicht als auch in das darunter liegende Substrat implantiert werden. Dadurch kann sich mit dem erfindungsgemäßem Ätzgasgradienten durch leicht unterschiedliche Ätzselektivitäten der oberen Beschichtungsschicht und des darunterliegenden Substrates - insbesondere jedoch durch die Gallium-Einbettung in die Materialien - ebenfalls eine zusätzliche Unterscheidung in den Ätzraten ergeben. Durch die zusätzliche Oberflächenbeschichtung und deren Gehalt an Fremdatomen (durch die Implantation) ergibt sich eine weitere Option zur Feinabstimmung des Querschnittprofils der nachfolgenden Ätzung, und insbesondere weitere Möglichkeit zum Design des Kanten profils.
Besonders gute Resultate in Hinblick auf geringe Oberflächenrauhigkeiten im Endprodukt werden erhalten, wenn der zumindest eine zusätzliche Beschichtungsschritt das Aufsputtern, Aufdampfen, epitaktisches Beschichten, chemische Gasphasenabscheidung, Atomic Layer Deposition, galvanisches Abscheiden, elektrodenloses elektrochemisches Abscheiden, Kristallisieren aus der Flüssigphase, Auffolieren, Aufpressen von Metallschichten, Belacken, Schleuderbeschichten, Tauchbeschichten oder verwandte Verfahren zur Aufbringung von Metallen umfasst. Für Substrate aus Halbleitern der 4-Hauptgruppe (Silizium, Germanium) haben sich Metalle und Metalllegierungen, vor allem aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere Vanadium und/oder Wolfram bewährt. Speziell Vanadium hat sich als Glättungsmaterial besonders bewährt, weil es insbesondere im Trockenätzverfahren die gewünschten Ergebnisse liefert.
Bei dem zweiten Verfahrensschritt handelt es sich um ein Ätzverfahren, wobei zumindest ein Ätzschritt, vorzugsweise alle Ätzschritte, als bevorzugt physikalisch-chemischer Trockenätzprozess ausgeführt werden. Es können auch andere Ätzverfahren wie beispielsweise rein physikalisches oder rein chemisches oder ein nasschemisches Ätzen oder eine Kombination dieser Verfahren zum Einsatz kommen.
In bevorzugter Weise finden alle Teilschritte in einem Reaktiven Ionenätzer (RIE) oder einem Plasmaätzer statt, wobei der Ätzprozess oder Teilprozesse auch mittels anderer Ätzverfahren durchgeführt werden können. Die Temperatur während der Ätzprozesse beträgt zwischen 0 K und 500 K, besonders bevorzugt zwischen 270 K und 400 K. Im Falle des Einsatzes eines trockenchemischen Ätzprozesses beträgt der Gasfluss in die Ätzkammer oder in das Reaktionsgefäß vorzugsweise zwischen 1 sccm und 1.000 sccm pro 100 I Kammervolumen. Vorzugsweise wird während des Ätzens Energie in Form von elektromagnetischen Wellen, oder in Form eines elektrischen bzw. magnetischen Wechselfeldes, oder durch thermische Verfahren oder einer Kombination daraus eingebracht. Die in dieser Form eingebrachte Leistung befindet sich bevorzugterweise in einem Bereich zwischen 0 kW und 10 kW. Besonders geeignet ist ein Bereich zwischen 5 W und 800 W, insbesondere ein Wert von 10 W bis 80 W.
Während des Ätzens wird für den ersten Ätzschritt ein besonders aggressives Ätzmittel bevorzugt, welches eine hohe Ätzselektivität zwischen implantierten Bereichen und nativen Substratbereichen bedingt. Als besonders geeignet hat sich für Silizium-Substrate im Falle des reaktiven Ionenätzens die Zugabe einer fluor-hältigen Spezies wie z. B. SF6 mit einem Anteil von mindestens 20% herausgestellt.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ätzzeit der einzelnen Ätzschritte über die Messung der Ätztiefe mittels Interfero- meter bestimmt. Bevorzugt werden pro Ätzschritt jeweils Ätztiefen zwischen 5 nm und 1 mm, insbesondere aber 10 nm und 100 μηη erreicht. Die Ätzgaszusammensetzung wird bevorzugterweise bei brennendem Plasma von Prozessparameter 1 auf Prozessparameter 2 geändert, wobei die Änderung graduell oder abrupt geschehen kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Plasma beim Reaktiven Ionenätzen (RIE) zwischen den einzelnen Ätzschritten deaktiviert. Dies geschieht bevorzugt mit dem Ziel, genau definierte Gaszusammensetzungen während der einzelnen Ätzprozesse zu garantieren, was somit schärfere Übergänge in der Struktur ermöglichen kann. Das Deaktivieren des Plasmas kann auch zwecks thermischem Management durchgeführt werden.
Das Ätzen erfolgt bevorzugterweise in einem Parallelplattenreaktor. Für die Zündung des Plasmas wird bevorzugterweise der Druck am Anfang des Prozesses erhöht, um ihn dann bei brennendem Plasma auf den vorgegebenen Sollwert zu senken. Durch diesen Zündvorgang kann sich bereits ein erster Ätzschritt ergeben, dessen Einfluss in Abhängigkeit der Parameter wesentlich für den Gesamt- prozess ist.
Wesentlich für den erfindungsgemäßen Ätzprozesses ist eine unterschiedliche Ätzrate für implantierte und nicht implantierte Bereiche. Eine Änderung dieser Selektivität kann durch die Änderung der Ätzparameter, beispielsweise durch die Änderung der Gaszusammensetzung, erreicht werden, jedoch eignen sich auch alle bereits genannten Parameter wie Gasfluss, Druck, Temperatur und Leistung hierfür.
Bevorzugterweise ist zumindest ein vorgebbarer Schwellwert vorgesehen, der den Übergang von dem ersten Ätzschritt zu dem zweiten Ätzschritt kennzeichnet. Dieser Schwellwert markiert eine Änderung in den Verfahrensbedingungen zwischen dem ersten (vorangegangenen) und dem zweiten (nachfolgenden) Ätzschritt dar. In bevorzugten Anwendungen können auch mehr als zwei, weitere Ätzschritte und auch mehr als zwei weitere Schwellwerte bzw. vorgesehen sein, die voneinander unabhängig sind oder sich zyklisch wiederholen. Keinesfalls ist das erfindungsgemäße Verfahren auf lediglich zwei Ätzschritte beschränkt.
Der Schwellwert ist gegebenenfalls vom Prozessfortschritt abhängig (z. B. Ätztiefe) oder aber von Feedback- Parametern unabhängig (z. B. bereits verstrichenen Prozessdauer). Der Schwellwert betrifft eine Änderung der Ätzparameter, beispielsweise der Zusammensetzung und/oder der Konzentration des Ätzmediums während des Übergangs zwischen erstem und nachfolgendem zweiten Ätzschritt; er kann beispielsweise ebenso die Konzentration des Ätzmediums und/ oder die Temperatur, den Druck oder im Falle eines Trockenätzprozesses den Energieeintrag während des Ätzvorganges betreffen. Selbstverständlich kann die Änderung auch weitere hier nicht aufgezählte Prozessparameter betreffen.
Der Übergang zwischen ersten und zweiten, sowie allfälligen weiteren Ätzschritten kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen, wobei diese Änderung beispielsweise kontinuierlich graduell, stufenweise, gepulst oder periodisch erfolgen kann.
Die Änderung der Verfahrensparameter des erfindungsgemäßen Ätzverfahrens kann anhand des Schwellwertes, zeitabhängig oder aber unter Kontrolle eines geeigneten Kontrollsystem erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schwellwert mittels eines prozessbegleitenden Kontrollsystems detektiert wird. Hierbei wird der Ätzprozess durch ein geeignet ausgebildetes Kontrollsystem überwacht, das bevorzugterweise Sensordaten verarbeitet, die Aufschluss über den Ätzfortschritt geben, und vorzugsweise zumindest teilweise die Verfahrensparameter für den Ätzvorgang vorgibt. Durch den Einsatz eines Kontrollsystems können Parameterschwankungen im gesamten Prozessverlauf minimiert werden, wodurch eine bessere absolute Höhenauflösung der Strukturen erzielt werden kann. Somit kann auch die Reproduzierbarkeit der Strukturierung erhöht werden. Bevorzugt wird ein Kontrollsystem eingesetzt, welches die Verfahrensparameter des Ätzverfahrens auf Basis von Messdaten, insbesondere solche, die Aufschluss über den Ätzfortschritt oder die Oberflächenbeschaffenheit des Substrates geben, anpasst oder steuert. Insbesondere wird ein Kontrollsystem bevorzugt, das die Messdaten oder davon abgeleiteten Größen mit Werten vom gewünschten Höhenprofil oder davon abgeleiteten Werten vergleicht.
Die Überwachung des Ätzfortschrittes erfolgt bevorzugt innerhalb mindestens eines implantierten Bereiches, ist aber keinesfalls darauf beschränkt. Der überwachte Bereich ist bevorzugterweise speziell für diesen Zweck ausgebildet. Insbesondere werden geeignete Muster mit zumindest einer, bevorzugterweise aber mindestens vier unterschiedlichen Implantationsdosen verwendet.
Die dem Kontrollsystem zur Verfügung stehenden Messdaten werden bevorzugt von geeignet ausgeprägten Sensoren geliefert. Besonders geeignet sind Sensoren, die den Ätzfortschritt auf dem zu ätzenden Substrates oder eines anderen dafür vorgesehene Referenzobjektes erfassen. Dazu zählen insbesondere Sensoren, welche eine ortsaufgelöste Überwachung des Ätzfortschrittes erlauben. Bevorzugt werden optischen, elektronenoptischen oder mechanischen Abtastverfahren oder einer Kombination daraus eingesetzt.
Besonders bevorzugt beruht hierfür das Kontrollsystem auf einer optischen Methode, insbesondere Interferometrie oder Reflektometrie, oder einer elektronenoptischen Methode, insbesondere der Rasterelektronenmikroskopie, oder auf einer Rastersondentechnik, insbesondere Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Mi- croscope, AFM).
In einer Ausführungsform erfolgt die Überwachung des Ätzfortschrittes mithilfe einer Interferometerkamera, bestehend aus einer kohärenten Lichtquelle, bevorzugterweise einem Laser, einem Interferometer, bevorzugterweise einem Michel- son-Interferometer, und einer Kamera oder zumindest einer dieser Komponenten.
Alternativ hierzu kann das Kontrollsystem für den Ätzfortschritt aus einer breit- bandigen Lichtquelle, einem Weißlichtinterferometer und einem Spektrometer oder zumindest einer dieser Komponenten bestehen .
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Überwachungssystem aus einem Schwingquarz, der mechanisch mit dem Substrat gekoppelt wird. Die Überwachung des Ätzfortschrittes erfolgt durch Messung der Schwingfrequenz des Quarzes (Quarz-Mikrowaage). Wie bereits beschrieben ist die Ätzrate in dem zweiten Verfahrensschritt von der Konzentration der durch den Ionenstrahl implantierten Ionen im Substrat sowie von der Zusammensetzung des Ätzmittels abhängig. Diese implantierten Ionen sind bevorzugterweise atomare Ionen oder anorganische Clusterionen, welche in technischen Anlagen zur Erzeugung eines Ionenstrahls hergestellt werden.
Als Ionen sind alle Ionen aus Nicht-Edelgasen geeignet, insbesondere sind die Ionen aus der Gruppe der Metallionen aus der II, III, IV, V und VI Hauptgruppe, hier bevorzugterweise Ionen aus jener Gruppe, die Gallium, Indium, Silizium, Arsen oder Selen umfasst, gewählt. Des weiteren sind Ionen aus der Gruppe der Nebengruppenmetalle, der Lanthanoiden oder Actinoiden, insbesondere Gold, Platin oder andere Edelmetalle gewählt, wobei jene Ionen, die nicht mit Halogenen reagieren, besonders geeignet sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Ätzmedium ein halogenhältiges Gas eingesetzt wird. Besonders bevorzugt ist hierbei zumindest ein fluorhältiges Gas, insbesondere F2, XeF2, SF6, CF4, C2F6, C3F8, CHF3, HF oder SiF4 und/oder zumindest ein chlorhältiges Gas, insbesondere Cl2, SOCI2, CCI4, CH3CI, CH2CI2, CHCI3, C2CI6, C3CI8, HCl oder SiCI4. Das Ätzmedium kann ein einzelnes Ätzgas oder eine Mischung aus verschiedenen Komponenten sein. Ebenso ist die Verwendung von chlorhältigen Gasen, z.B. SiCI4 allein oder in Verbindung mit fluorhältigen Gasen vorgesehen, um die Selektivität des Ätzvorganges beeinflussen zu können.
Die Ätzrate des Substrates während des Ätzvorganges kann zusätzlich neben der Verwendung eines halogenhältigen Gases - insbesondere eines fluorhältigen Gases - durch weitere Gase beeinflusst werden, wobei hier nicht-halogenhältige Gase, insbesondere Sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gase, wie beispielsweise Lachgas (N20), Ammoniak (NH3), reiner Stickstoff oder reiner Sauerstoff zum Einsatz kommen können. In einer weiteren Ausführungsform werden die Ätzeigenschaften des Gasgemisches durch Zugabe weitere, zusätzlicher Ätzgase verändert. Im Besonderen kann auf diese Weise die Rauhigkeit der entstehenden Oberfläche beeinflusst werden. Dies kann insbesondere durch die Zugabe von Sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Gasen erreicht werden.
Besonders bevorzugt ist daher, dass zusätzlich zu dem fluorhältigen oder chlorhältigen Gas ein weiteres nicht-fluorhältiges Gas, insbesondere ein Sauerstoff hältiges Gas, wie beispielsweise N20 oder reiner Sauerstoff, oder ein Stickstoff hältiges Gas, wie beispielsweise N H3 oder reiner Stickstoffstoff, und/oder ein Edelgas, insbesondere Helium, Argon, Xenon oder aber ein hydrierendes Gas, insbesondere Wasserstoff oder N2H4 eingesetzt wird. Besonders gute Ergebnisse wurden auch bei der Verwendung von chemisch inerten Gasen, vor allem mit Edelgasen, insbesondere Argon in Verbindung mit den oben genannten Gasen erhalten. Mit chemisch inerten Gasen, die weder mit dem Substrat noch mit dem implantierten Material chemisch reagieren, kann eine geringe Selektivität beim chemisch-physikalischen Ätzen erreicht werden (während mit Ätzgasen, die bevorzugt mit dem Substrat reagieren, eine hohe Selektivität erreicht wird). Unter Selektivität des Ätzvorganges wird im Rahmen dieser Offenbarung jener Zusammenhang verstanden, bei welchen die Ätzrate des implantierten/dotierten Bereiches eines Substrats mit dessen undotierten Bereich in Bezug gesetzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Selektivität des Ätzprozesses durch Änderung des Mischverhältnisses eines Hauptätzgases zu einem Nebenätzgas erreicht. Insbesondere betrifft dies Zumischungen von chlorhältigen Gasen zu fluorhältigen Gasen, von fluorhältigen Gasen zu chlorhältigen Gasen, die Zumischung von oxidierenden Gasen zu chlor- oder fluorhältigen Gasen, sowie die Zumischung von Inertgasen zu chlor- oder fluorhältigen Gasen.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Ätzgas während eines RIE-Pro- zesses aus zwei oder mehreren Ätzgasen, welche dazu ausgelegt sein können, optimierte Oberflächeneigenschaften wie z. B. geringe Oberflächenrauhigkeit zu erreichen, sowie aus einem oder mehreren zusätzlichen Gasen, welche die Selektivität zwischen implantierten und unimplantierten Bereichen festlegen. Bevorzugterweise werden während des Ätzprozesses mehrere Parameter derart an- gepasst, dass nicht nur die Selektivität der einzelnen Bereiche geändert wird, sondern auch die Eigenschaften der Grundzusammensetzung wie z. B. optimierte Oberflächeneigenschaften erhalten werden oder bleiben.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sowohl auf planaren als auch auf nicht-planaren, insbesondere auf gekrümmten oder abgestuften Substratoberflächen durchgeführt werden kann. Insbesondere bei der Herstellung von Stempeln für die Nanopräge-Lithographie, die für den Einsatz auf großen Flächen vorgesehen sind, gibt es Bestrebungen, walzenartige Stempel herzustellen, die über eine entsprechend vorbereitete Substratoberfläche gerollt werden, um hier ein Tiefenprofil zu erstellen. Auch die Nanostruktu- rierung von sphärischen Substraten (z. B. eine schmutzabweisende Beschichtung von Reflexionsoptiken) ist mit speziell hergestellten komplementären Abdruck- formen mit erfindungsgemäß hergestellten Nanooberflächen möglich. Die Bearbeitung derartig gekrümmter Oberflächen ist mit den gängigen Methoden nur schwer zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen ist hierfür besonders geeignet, da durch die Abfolge unterschiedlicher Ätzschritte die gekrümmte Oberfläche des Substrats besonders genau bearbeitet wird. In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat auf zumindest einer Oberfläche eine dreidimensionale Struktur aufweist, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Ionenimplantation und nachfolgender Ätzung noch zusätzlich weiter strukturiert wird. So ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese "primären" dreidimensionalen Strukturen eine Größenordnung im Millimeter oder Mikrometerbereich aufweisen, während durch die nachfolgende Bearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Verfahren kleinere dreidimensionale Strukturen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich, vorzugsweise < 10 m hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere bei der Herstellung von Stempeln für die Nanopräge-Lithographie bewährt. Ebenso ist seine Verwendung für die Herstellung von Mikrolinsen, sowie dreidimensionaler Strukturen (beispielsweise schmutzabweisender Oberflächen oder strömungsoptimierter Oberflächen) im Allgemeinen besonders geeignet. Des weiteren ist das Verfahren hervorragend zur Herstellung von mikrofluidischen Strukturen geeignet.
Im Folgenden wird anhand von nichteinschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1 : Herstellung einer linsenartigen Struktur
1. Verfahrensschritt: Implantation
In ein gegebenenfalls vordotiertes Siliziumsubstrat 10 (mit der Kristallorientierung < 100>) werden ausgehend von digitalen Daten, insbesondere von einem Graustufenbild gemäß Fig. 1, Galliumionen mittels FIB implantiert, wobei der Ionenstrahl in zehn Durchläufen über die Substratoberfläche geführt wird. Die Belichtung des jeweiligen Bereich (jeden Pixels) der Substratoberfläche erfolgt in Abhängigkeit der Schwärzung des jeweiligen Pixels in dem Graustufenbild und führt zu einer graduell abgestuften Implantationsmaske. Als maximal benötigte Ionendosis wird 40 pC/pm2 festgelegt, wobei in jedem der zehn Belichtungsdurchläufe 4 pC/μηΊ2 implantiert / aufgebracht werden. Anhand einer vorgegebenen Schwellendosis wird entschieden, ob eine Pixel in dem jeweiligen Durchlauf belichtet werden soll oder nicht. Der Strahlstrom beträgt hierbei 1,3 pA, das Strahlenprofil ist annähernd gaußförmig mit einer Breite von 25 nm bis 50 nm auf halber Höhe. Die Implantation wird hierbei mit einem speziellen Ionenstrahl- system (beispielsweise einem Zeiss Neon X-beam System) durchgeführt, wobei mit Beschleunigungsspannungen von 10 kV bis 30 kV gearbeitet wird.
Sollen glattere Übergänge erzielt werden, so kann die Aufteilung in eine höhere Anzahl an Belichtungsdurchgängen, beispielsweise 20 bis 50, erfolgen. Im Gegensatz hierzu wird durch eine Reduktion der Belichtungsdurchgänge, beispiels- weise auf unter fünf Belichtungsdurchgänge, eine stufenartige Flankenstruktur erreicht. Zur Herstellung größerer Strukturen mit geringeren Feinheitsanforderungen sind auch Ionenstrahlen mit höheren Strahlströmen und mit größeren Strahlbreiten einsetzbar.
Fig. 2A zeigt den linearen Implantationsverlauf 11 in das Siliziumsubstrat 10, wobei in dem Diagramm der Fig. 2B das Implantationsprofil 12 entsprechend der Dosis an Galliumionen innerhalb des Substrates 10 entlang der Linie A-A aus der Fig. 2A dargestellt ist.
2. Verfahrensschritt: Ätzprozess
Das Ätzen der Siliziumoberfläche 10 erfolgt in einem Parallelplattenreaktor in einem dreistufigen Prozess mit den folgenden Parametern :
1. Atzschritt:
Temperatur: 30°C
Arbeitsdruck: 20 Mbar
Prozessgase: Argon : 5 sccm
SF6: 25 sccm
RF-Leistung : 50 W
Ätztiefe (gesamt) 150 nm
2. Ätzschritt:
Temperatur: 30°C
Arbeitsdruck: 20 Mbar
Prozessgase : Argon : 15 sccm
SF6 : 15 sccm
RF-Leistung : 50 W
Ätztiefe (gesamt) 225 nm
3. Ätzschritt:
Temperatur: 30°C
Arbeitsdruck: 20 Mbar
Prozessgase : Argon : 29 sccm
SF6 : 1 sccm
RF-Leistung : 50 W
Ätztiefe (gesamt) 300 nm Zur Zündung des Plasmas innerhalb des Reaktors wird zunächst der Druck in der Plasmakammer auf 50 pbar erhöht und nach erfolgter Zündung (erkennbar durch einen schlagartigen Druckanstieg) auf den vorgegebenen Arbeitsdruck abgesenkt. Bei jedem einzelnen Ätzschritt kann das Plasma erneut gezündet werden oder aber eingeschaltet bleiben.
Der oben dargestellte Ätzprozess weist die Variation eines Ätzparameter, nämlich der Ätzgaszusammensetzung zwischen den einzelnen Schwellwerten auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Ätzschritte dargestellt, wobei der erste Ätzschritt a) eine hohe Selektivität zum Ätzen des Substrates, der zweite Ätzschritt b) eine geringere Selektivität zum Ätzen des Siliziumsubstrates und der dritte Ätzschritt c) gar keine signifikante Selektivität zwischen Substrat und implantierten Bereichen mehr darstellt. Auf diese Weise kann mit einer definierten Implantationsdosis ein je nach Ätzparameter unterschiedliches geometrisches Resultat erzielt werden.
In der Fig. 3A ist die durch den Ätzprozess erhaltene linsenartige Struktur 13 gezeigt, wobei in dem Diagramm gemäß Fig. 3B das Ätzprofil in dem Substrat 10 entlang der Linie B-B aus Fig. 3A dargestellt ist. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass der erste Ätzschritt 14 eine hohe Flankensteilheit des Ätzprofils zur Folge hat, die in den beiden nachfolgenden Ätzschritten 15, 16 abflacht. In Fig. 4 ist eine Rasterkraftmikroskop-Aufnahme der nach dem Beispiel 1 erhaltenen Struktur 13 gezeigt.
Auf diese Weise wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine linsenartige Struktur 13 erhalten, deren Profil durch Veränderung der unterschiedlichen Parameter des Ätzprozesses variiert werden kann.
Beispiel 2 : Herstellung einer weiteren linsenartigen Struktur
1. Verfahrensschritt: Implantation
Dieser Schritt ist jenem aus Beispiel 1 gleich.
2. Verfahrensschritt: Ätzprozess
Das Ätzen der Siliziumoberfläche 10 erfolgt in einem Parallelplattenreaktor mit den folgenden Prozessparametern : a) 1. Ätzschritt:
Temperatur: 44°C
Arbeitsdruck: 13 pbar Prozessgase : 5 sccm
25 sccm
RF-Leistung : 50 W b) 2. Ätzschritt:
Der Gesamtfluss der Ätzgase wird sukzessive nach Erreichen 120 des vorgegeben Schwellwertes, im vorliegenden Fall eine vorgegebene Ätztiefe nach dem ersten Ätzschritt, durch Argon ersetzt. Dadurch wird die Ätzselektivität zwischen implantierten und nicht-implantierten Bereichen des Substrates 10 verändert. In der Fig. 5 ist der Durchfluss der Ätzgase SF6, N2 und Ar dargestellt. Der Übergang 120 zwischen erstem Ätzschritt 114 und zweitem Ätzschritt 115 ist hierbei fließend bzw. kontinuierlich.
Das mit diesem Prozess erhaltene Ätzprofil der linsenartigen Struktur 113 kann der Fig. 6 entnommen werden. Durch die kontinuierliche Änderung der Ätzgaszusammensetzung während des Ätzschrittes werden abgerundetere und glattere Strukturen im Vergleich zu der Struktur 13 (Fig. 3B) aus Beispiel 1 erhalten. Ein ähnlicher Effekt wird auch bei der Verwendung von Sauerstoff anstatt von Stickstoff erzielt.
Beispiel 3 : Herstellung einer unregelmäßigen Oberflächenstruktur
Bei der Implantation von Galliumionen wird bei dieser Ausführung der Erfindung alternativ zu dem im Beispiel 1 beschriebenen Implantationsverfahren ein dreidimensionales Pixel- oder Vektorbild, das den Implantationsstrahl führt, eingesetzt (Fig. 7). Der Implantationsstrahl wird zudem nur einmal über die Siliziumoberfläche 10 gerastert, wobei er auf jedem Pixel solange verbleibt, bis die gewünschte Implantationsdosis erreicht wird. Dies erlaubt eine zeitliche Verkürzung des Implantationsschrittes, und es werden kontinuierliche Dotierprofile 212 erhalten.
Durch ein anschließendes Trockenätzen nach dem RIE-Verfahren mit zwei unterschiedlichen Ätzschritten 214, 215, bei welchen wiederum die Ätzgaszusammensetzung geändert wurde, wird eine Struktur 213 gemäß Fig. 8 erhalten, das im wesentlichen dem Implantationsprofil 212 der Fig. 7 entspricht.
Beispiel 4: Herstellung einer unregelmäßigen Oberflächenstruktur mit reduzierter Oberflächenrauhigkeit Λ r
- 16 -
Beschichtunqsschritt:
Auf einem Silizium-Wafer als Substrat 10 (Oberflächenrauhigkeit < 0,3 nm RMS) wurde durch Sputtern mit 25-100 W (insbesondere 50 W) bei einem Argon Prozessgasdruck von 8xl0"3 mbar von einem Vanadium-Target (Reinheit > 99,9%) ein Vanadiumfilm in der Dicke von 100 nm abgeschieden. Selbstverständlich kann die Dicke der zusätzlichen Beschichtung vorzugsweise zwischen 5 nm und 150 nm variieren.
1. Verfahrensschritt: Implantation
Dieser Schritt ist jenem aus Beispiel 1 im Prinzip gleich. Das zu ätzende Muster wurde durch Implantation von Gallium-Ionen mittels FIB in das vanadiumbeschichtete Silizium implantiert. Die Implantation erfolgte mit einer Dosis von 1 mC/cm2. Es wurde ein 10 pA Gallium-Ionenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV verwendet. In der Fig. 10 ist eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus des Substrates 10 nach erfolgter Implantation gezeigt. In der Vanadiumschicht 20 sind mit Gallium dotierte inselartige Bereiche 21 vorgesehen, die die Dicke der Vanadiumschicht 20 unterschreiten.
2. Verfahrensschritt: Ätzprozess
Das Ätzen der Siliziumoberfläche 10 erfolgt in einem Parallelplattenreaktor mit den folgenden Prozessparametern : a) 1. Ätzschritt:
Temperatur: 60°C
Arbeitsdruck: 13 pbar
Prozessgase: Ar: 5 sccm
SF6: 25 sccm
RF-Leistung : 50 W b) 2. Ätzschritt:
Die Gesamtzusammensetzung des Ätzgases wird sukzessive nach Erreichen des vorgegeben Schwellwertes, im vorliegenden Fall einer vorgegebene Ätztiefe nach dem ersten Ätzschritt, durch eine Steigerung des Argonflusses unter gleichzeitiger Absenkung des SF6-Ätzgasflusses verändert. Durch die geänderte Ätzgaszusammensetzung ändert sich die Ätzselektivität zwischen implantierten und nicht-implantierten Bereichen des Substrates 10. Die mit diesem Prozess erhaltene Oberflächenstruktur weist im Vergleich zu Beispiel 3 eine geringere Oberflächenrauhigkeit auf.
Die oben angeführten Beispiele sind in nicht-einschränkender Weise zu verstehen. So können auch mehr als drei unterschiedliche Ätzschritte vorgesehen sein, wobei sich beispielsweise in jedem Ätzschritt 314, 315, 316, 317, 318 die Zusammensetzung der Ätzgase 20, 21, 22 (Fig. 9) ändert.
Unabhängig von der Gaszusammensetzung können die Änderungen in den einzelnen Ätzschritten ebenso Temperatur, Arbeitsdruck, RF-Leistung des RIE-Pro- zesses oder die Gesamtdurchflussmenge an Gasen betreffen, wobei sich diese Variationen auf einen einzelnen oder mehrere Parameter beziehen können.
In der Fig. 11 ist schematisch ein Kontrollsystem 400 zur Überwachung und Steuerung der Ätzparameter, insbesondere der entsprechenden Schwellwerte dargestellt. Es wird in bevorzugterweise dazu eingesetzt, um Abweichungen oder Ungenauigkeiten des Ätzprozesses durch Anpassung der Ätzparameter auszugleichen. Hierfür ist bei dieser Ausführung des Kontrollsystems 400 ein in sich geschlossenen Regelkreis 401, 402 vorgesehen, der mit einem Sensorsystem 403 ausgestattet ist, dessen Sensoren Messdaten an eine Auswerte/Steuerungseinheiten 404, 405 liefern. Besonders geeignet sind hierbei Sensoren, die den Ätzfortschritt auf dem zu ätzenden Substrates 10 in dem Reaktor 500 erfassen. Dazu zählen insbesondere Sensoren, welche eine ortsaufgelöste Überwachung des Ätzfortschrittes erlauben. Bevorzugt werden optischen, elektronenoptischen oder mechanischen Abtast verfahren oder einer Kombination daraus eingesetzt. Anstatt des Ätzsubstrates 10 kann auch die Überwachung eines Referenzobjektes vorgesehen sein, aus dessen Daten entsprechende Daten zum Substrat abgeleitet werden können.
In dieser Ausführungsform des Kontrollsystems erfolgt die Überwachung des Ätzfortschrittes durch die Analyse der Substratoberfläche 10, wobei diese in bevorzugterweise als rückgekoppelter Input 406, 407 für die Verfahrensparameter des nachfolgenden weiteren Ätzschritt dient.
In der in der Fig. 12 dargestellten Variante der Erfindung erfolgt die Überwachung des Ätzfortschrittes durch optisches Abtasten 410, 411 einer vorzugsweise speziell dazu ausgebildeten Zone 110 des Substrats 10, welche nach einem geeigneten Muster dotiert wurde. Dieses Muster verfügt über Bereiche 111, 112, 113, 114, 115, 116 mit unterschiedlichen Dotierungsdosen, deren Anzahl zwischen 2 und 20 betragen kann. Die durch die Abtastung 410, 411 erhaltenen Messwerte erlauben direkte Rückschlüsse auf den Ätzfortschritt auf dem gesamten Substrat 10. Beispiel 5 : Herstellung von unterschiedlichen Strukturen auf einer Substratoberfläche
In Figs. 13A bis 13B sind die Fortschritte bei der Herstellung von Strukturen auf einer Oberfläche 10 nach jedem Ätzschritt dargestellt. In Fig. 13A ist der Implantationsschritt schematisch dargestellt, wobei mittels Ionenstrahl 600 Strukturen 601, 602, 603 mit unterschiedlichen lokalen Implantationsdosen in eine Substratoberfläche 10 nach einem der oben dargestellten Implantationsverfahren generiert werden. Nach einem ersten Ätzschritt 614 (Fig. 13B) werden die ersten Bereiche mit höherer Implantationsdosis freigelegt, während nach erreichter gewünschter Ätztiefe gemäß Fig. 13C nach dem zweiten Ätzschritt die Strukturen 611, 612, 613 in ihren gewünschten unterschiedlichen Höhen gemäß der im ersten Verfahrensschritt implantierten Ionenkonzentration auf der Substratoberfläche 10 angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zur Herstellung verschiedenster Strukturen einsetzen. So zeigt die Fig. 14 ein Substrat 100, in das auf die vorbeschrieben Weise ein Mikro-Fluidkanal 101 geätzt wurde.
Eine komplexere Struktur ist in der Fig. 15 gezeigt, bei welcher in eine Substratoberfläche 100 eine sich regelmäßig wiederholende dreidimensionale Struktur 102 geätzt wurde ("Gräting"). Die Herstellung von sich wiederholenden Strukturen ist insbesondere für Erzeugung von NIL-Stempeln interessant, die walzenförmig aufgebaut sind und dadurch in der Lage sind, auf großflächigen Substraten gleichmäßige Strukturen einzuprägen.
Die Fig. 16 zeigt einen Lichtwellenleiter, der ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei in dem Substrat 100 ein Wellenleiter 150 mit einem Filterelement 151 angeordnet ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben angeführten Ausführungsformen beschränkt ist. Durch geeignete Kombination von entsprechenden Implantations- und Ätzschritten kann eine Vielzahl von unterschiedlichsten Strukturen auf Substratoberflächen aus unterschiedlichstem Material erzeugt werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen (13, 113, 213, 611, 612, 613) auf einem Substrat (10, 100), wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch lokale Implantation, bevorzugt Ionenimplantation, insbesondere durch Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl (600), eine Schicht mit bevorzugten Abtragseigenschaften in Hinblick auf zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt hergestellt wird, und anschließend in dem zumindest einen nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt das durch den ersten Verfahrensschritt vorstrukturierte Substrat (10, 100) geätzt wird, wobei der im zweiten Verfahrensschritt erzielbare Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Konzentration der implantierten Ionen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verfahrensschritt einen ersten Ätzschritt (14, 114, 214, 314) mit einer vorgebbaren ersten Ätzdauer und vorgebbaren ersten Prozessparametern aufweist, an den zumindest ein zweiter Ätzschritt (15, 115, 215, 315) mit einer vorgebbaren zweiten Ätzdauer und vorgebbaren zweiten Prozessparametern anschließt, wobei die Verfahrensbedingungen des zweiten Ätzschrittes (15, 115, 215, 315) unterschiedlich von den Verfahrensbedingungen des ersten Ätzschrittes (14, 114, 214, 314) sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Verfahrensschritt die Implantation mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen zur Erzeugung von Implantationsstrukturen (111, 112, 113, 114, 115, 116) mit unterschiedlichen Schichtdicken durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Verfahrensschritt die Erzeugung der Schicht (111, 112, 113, 114, 115, 116) mit bevorzugten Abtragseigenschaften unter Verwendung einer zusätzlichen, entfernbaren Oberflächenbeschichtung erfolgt, wobei durch Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) Atome aus der Oberflächenbeschichtung durch atomare Stoßeinwirkung in das Substrat (10, 100) hineinimplantiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrstrahl-Ionenstrahlsystems für den ersten Verfahrensschritt zum Einsatz kommt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dem ersten Verfahrensschritt der lokalen Implantation vorangestellter zusätzlicher Beschichtungsschritt vorgesehen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzliche Beschichtungsschritt das Aufbringen einer ätzbaren Schicht umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzliche Beschichtungsschritt das Aufsputtern, Aufdampfen, epitaktisches Beschichten, chemische Gasphasenabscheidung, atomic layer deposition, galvanisches Abscheiden, elektrodenloses elektrochemisches Abscheiden, Kristallisieren aus der Flüssigphase, Auffolieren, Aufpressen von Metallschichten, Belacken, Schleuderbeschichten, Tauchbeschichten oder verwandte Verfahren von Metallen oder Metalllegierungen umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzliche Beschichtungsschritt das Aufbringen von Metallen oder Metalllegierungen umfasst, die bevorzugterweise aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere Vanadium und/oder Wolfram, gewählt sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der zu implantierenden Ionen mittels der Beschleunigungsspannung angepasst wird, wobei die Dicke der implantierten Zonen derart gewählt wird, dass die Dicke der zusätzlichen Beschichtungsschicht überschritten oder unterschritten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt zumindest ein Ätzschritt (14, 114, 214, 314), vorzugsweise alle Ätzschritte (14, 114, 214, 314, 15, 115, 215, 315, 16, 316, 317, 318) als Trockenätzprozess ausgeführt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein vorgebbarer Schwellwert vorgesehen ist, der den Übergang (120) von dem ersten Ätzschritt (14, 114, 214, 314) zu dem zweiten Ätzschritt (15, 115, 215, 315) kennzeichnet.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des zumindest einen Schwellwertes eine Änderung der Ätzparameter, insbesondere der Zusammensetzung und/oder der Konzentration des Ätzmediums und/oder der Durchflussmenge des Ätzmediums und/oder der Temperatur und/oder des Drucks und/oder des Energieeintrags während des zweiten Verfahrensschrittes erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Ätzparameter kontinuierlich oder diskontinuierlich, insbesondere stufenweise, gepulst oder periodisch erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert mittels eines prozessbegleitenden Kontrollsystems (400) detektiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsystem auf einer optischen Methode, insbesondere Interferometrie oder Re- flektometrie, oder einer elektronenoptischen Methode, insbesondere der Rasterelektronenmikroskopie, oder auf einer Rastersondentechnik, insbesondere AFM, beruht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die während des ersten Verfahrensschrittes in das Substrat (10, 100) implantierten Ionen aus der Gruppe der Nicht-Edelgase, insbesondere aus der Gruppe der Metallionen aus der II, III, IV, V und VI Hauptgruppe, bevorzugterweise Ionen aus jener Gruppe, die Gallium, Indium, Silizium, Arsen oder Selen umfasst, gewählt sind.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die während des ersten Verfahrensschrittes in das Substrat (10, 100) implantierten Ionen aus der Gruppe der Nebengruppenmetalle, der Lantha- noiden oder Actinoiden, insbesondere Gold, Platin oder andere Edelmetalle gewählt sind.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die während des ersten Verfahrensschrittes in das Substrat (10, 100) implantierten Ionen aus Elementen, die keine Reaktionen mit Halogenen zeigen, bestehen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass während des Implantationsprozesses eine einzige Ionenart, oder eine sequentielle Anfolge unterschiedlicher Ionen, oder aber auch Mischungen unterschiedlicher Ionen verwendet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzmedium zumindest ein fluorhältiges Gas, insbesondere F2, XeF2, SF6, CF4, C2F6, C3F8, CHF3, HF oder SiF4 oder eine Mischung aus zumindest zwei der vorgenannten Gasen eingesetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzmedium zumindest ein chlorhaltiges Gas, insbesondere Cl2, SOCI2, CCI4, CH3CI, CH2CI2, CHCI3, C2CI6, C3CI8, HCl, oder SiCI4 oder eine Mischung aus zumindest zwei der vorgenannten Gasen eingesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem fluorhältigen oder chlorhaltigen Gas ein weiteres nicht-flu- orhältiges Gas, insbesondere ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise N20 oder reiner Sauerstoff, oder ein stickstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise N H3 oder reiner Stickstoffstoff, und/oder ein Edelgas, insbesonders He, Ar, Xe, oder aber ein hydrierendes Gas, insbesondere H2 oder N2H4 eingesetzt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats (10, 100) planar oder nicht-planar, insbesondere gekrümmt ausgebildet ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10, 100) vor Durchführung des Verfahrens auf zumindest einer Oberfläche eine dreidimensionale Struktur (13, 113, 213) aufweist.
25. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24 für die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen (13, 113, 213) mit Dimensionen < 10 μηι .
26. Verwendung nach Anspruch 25 zur Herstellung von Master-Stempeln für die dreidimensionale Nanoprägelithographie (3D-NIL).
27. Verwendung nach Anspruch 25 zur Herstellung von Mikrolinsen.
28. Verwendung nach Anspruch 25 zur Herstellung von Mikrofluidikstrukturen.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8937019B2 (en) * 2012-04-03 2015-01-20 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Techniques for generating three dimensional structures
CN119833378B (zh) * 2025-03-14 2025-08-12 中国人民解放军国防科技大学 一种基于离散点迭代分析轮廓演变的三维微结构刻蚀方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1516687A (en) * 1974-10-17 1978-07-05 Energy Conversion Devices Inc Imaging method
US4138262A (en) * 1976-09-20 1979-02-06 Energy Conversion Devices, Inc. Imaging film comprising bismuth image-forming layer
US8603381B2 (en) * 2005-10-03 2013-12-10 Massachusetts Insitute Of Technology Nanotemplate arbitrary-imprint lithography
US20080261384A1 (en) * 2007-04-18 2008-10-23 United Microelectronics Corp. Method of removing photoresist layer and method of fabricating semiconductor device using the same
US20090230594A1 (en) * 2008-03-12 2009-09-17 Hiroshi Deguchi Imprint method and mold
EP2144117A1 (de) * 2008-07-11 2010-01-13 The Provost, Fellows and Scholars of the College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin Verfahren und System zur Herstellung von Strukturen auf einer Oberfläche
US8557612B2 (en) * 2009-06-26 2013-10-15 California Institute Of Technology Method for fabricating micro and nanostructures in a material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012140210A1 *

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