SE508155C2

SE508155C2 - Anisotropic etching of a conductive layer, especially at small dimensions

Info

Publication number: SE508155C2
Application number: SE9603260A
Authority: SE
Inventors: Lennart Olsson; Babak Heidari
Original assignee: Etchtech Sweden Ab
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-09-07
Also published as: SE9603260D0; SE9603260L

Abstract

Conductive material is etched by immersing the material in a solution in which the etchant concentration is 200mM at most, preferably 100mM at most and more preferably 10mM at most, while applying an electric field. In an embodiment, anisotropic etching is achieved using a dilute solution of the etchant which in normal, concentrated form produces isotropic etching.An etchant solution is claimed in which the etchant concentration is 200mM at most, preferably 100mM at most and especially 20mM at most. Plating method for a conductive substrate comprises immersing the substrate in a solution in which the plating agent concentration is 200mM at most, while applying an electric field. In an embodiment, anisotropic plating is achieved using a plating agent which in normal concentrated form produces isotropic plating.

Description

508 TT-»S 2 10 15 20 25 30 35 Vid mekaniska metoder, såsom jonstràle-etsning, be- skjuts en etsyta av joner med hög energi. Jonerna slår därvid mekaniskt bort atomer från etsytan. Etsningen är alltså anisotrop. 508 TT- »S 2 10 15 20 25 30 35 In mechanical methods, such as ion beam etching, a high energy ion surface is fired. The ions then mechanically repel atoms from the etching surface. The etching is thus anisotropic.

Vid kemiskt verkande, torra etsmetoder, såsom plas- maetsning, styrs joner till en etsyta hos ett etsmaterial m h a ett elektriskt fält. Etsningen sker här främst genom kemiska reaktioner och är därför ej lika anisotrop som rent mekaniska etsmetoder. Viss mekanisk etsning kan också ske vid kemiskt verkande etsning.In chemically active, dry etching methods, such as plasma etching, ions are directed to an etching surface of an etching material using an electric field. The etching here takes place mainly through chemical reactions and is therefore not as anisotropic as purely mechanical etching methods. Some mechanical etching can also occur with chemically active etching.

Vid plasmaetsning påläggs ett elektriskt fält över en gas. Fältet är tillräckligt starkt för att gasen där- vid ska bryta samman och joniseras till bildande av ett reaktivt plasma. Reaktiva joner förs av det elektriska fältet mot en etsyta och reagerar etsande med denna.In plasma etching, an electric field is applied over a gas. The field is strong enough for the gas to break down and ionize to form a reactive plasma. Reactive ions are carried by the electric field towards an etching surface and react etching with it.

Torra etsmetoder används i idag inom elektronikin- dustrin för framställning av elektronikkomponenter, Anisotrop etsning av strukturer i små dimensioner, stor- leksordningen 1 um och mindre, är möjlig att åstadkomma.Dry etching methods are used today in the electronics industry for the production of electronic components, Anisotropic etching of structures in small dimensions, of the order of 1 μm and smaller, is possible to achieve.

En stor nackdel med de torra etsmetoder som används idag är att de är svåra att styra, eftersom ett stort an- tal variabler, som påverkar etsningen mäste hållas inom stränga toleranser. Den tekniska apparaturen blir sålunda komplicerad och dyr. Apparaturkostnaden påverkas även av storleken hos arbetsstycket som ska etsas och stiger kraftigt om apparaturen ska dimensioneras för att hantera stora arbetsstycken.A major disadvantage of the dry etching methods used today is that they are difficult to control, since a large number of variables that affect the etching must be kept within strict tolerances. The technical equipment thus becomes complicated and expensive. The cost of equipment is also affected by the size of the workpiece to be etched and rises sharply if the equipment is to be dimensioned to handle large workpieces.

Vid framställning av elektronikkomponenter, såsom integrerade kretsar och halvledarkomponenter, ställs höga krav på komponenternas renhet. Detta kräver vid torra etsmetoder, i synnerhet vid mekaniskt verkande metoder, noggrann rengöring efter etsning av det material som har etsats, eftersom detta vanligtvis har kontaminerats av restprodukter. Rengöringen medför i sig ett extra steg, vilket förutom att det är tidskrävande även kräver an- vändning av rengöringsmedel som i sin tur har negativ miljöpåverkan. 10 15 20 25 30 35 * 3 :sus 155 För att förhindra etspåverkan på de områden som ej ska etsas är det vid etsning av mycket små strukturer vanligt, och vid mekaniskt verkande etsmetoder nödvän- digt, att dessa områden maskeras med ett etsskyddsskikt, även kallat resist. Vid mekanisk påverkan, t ex genom jonbeskjutning, kommer också etsskyddsskiktet att bearbe- tas vid etsning. Detta medför i sin tur två nackdelar, dels att etsskyddsskiktet måste vara mycket tjockt för att inte helt avverkas under etsförloppet, dels att ets- skyddsskiktets kontur mot etsytan blir ojämn av jonernas avverkande bearbetning, vilket leder till en ojämn ets- kontur. Även vid våta etsmetoder maskeras etsmaterialet.In the manufacture of electronic components, such as integrated circuits and semiconductor components, high demands are placed on the purity of the components. In dry etching methods, especially in mechanical methods, this requires thorough cleaning after etching of the material that has been etched, as this has usually been contaminated by residual products. The cleaning itself entails an extra step, which in addition to being time-consuming also requires the use of cleaning agents which in turn have a negative environmental impact. 10 15 20 25 30 35 * 3: sus 155 In order to prevent the effect of etching on the areas that are not to be etched, it is common in the etching of very small structures, and in the case of mechanically acting etching methods, that these areas are masked with an etch protection layer, also called resist. In the event of mechanical action, for example by ion bombardment, the etching protection layer will also be processed during etching. This in turn entails two disadvantages, partly that the etching protection layer must be very thick so as not to be completely felled during the etching process, and partly that the contour of the etching protection layer towards the etching surface becomes uneven due to the ions' felling, which leads to an uneven etching contour. Even with wet etching methods, the etching material is masked.

Därefter nedsänks det i en etsvätska som innehåller ett etsmedel, vilket i kontakt med etsmaterialet har etsande förmåga.It is then immersed in an etching liquid containing an etchant, which in contact with the etching material has an etching ability.

Vid kemisk etsning utnyttjas en etsvätska omfattande en lösning av ett etsmedel som har förmåga att genom spontan kemisk reaktion etsa ett etsmaterial, dvs etsmed- let etsar direkt när det kommer i kontakt med etsmateria- let. Etsningen sker isotropt. Etshastigheten påverkas av etstid, temperatur och etsmedelskoncentration. Vanligtvis består etsvätskan av ett oxidationsmedel, t ex Br2,H2O¿ HNO3, ett komplexbildande t ex H2SO4, HF, NaOH, ett lösningsmedel, t ex vatten eller metanol. Exempel på ämne, och allmänt använda och rekommenderade sammansättningar av etslösningar för olika metaller beskrivs t ex i ”Handbok i metallmikroskopiering”, Helfrid Modin och Sten Modin (1977, etsmedelskoncentrationer för etsning av små strukturer, Meritförlaget , Johanneshov, Sverige). Typiska mikrostrukturer, ligger för etsning av t ex krom eller koppar i storleksordningen 0,8-1,2 M.In chemical etching, an etching liquid comprising a solution of an etchant which is capable of etching an etchant material by spontaneous chemical reaction is used, ie the etchant etches directly when it comes into contact with the etchant material. The etching is isotropic. The etching rate is affected by etching time, temperature and etchant concentration. Usually the etching liquid consists of an oxidizing agent, eg Br 2, H 2 O 3 HNO 3, a complexing agent eg H 2 SO 4, HF, NaOH, a solvent, eg water or methanol. Examples of substances, and commonly used and recommended compositions of etching solutions for different metals are described, for example, in the "Handbook of metal microscopy", Helfrid Modin and Sten Modin (1977, etchant concentrations for etching small structures, Meritförlaget, Johanneshov, Sweden). Typical microstructures, are for etching of eg chromium or copper in the order of 0.8-1.2 M.

Vissa etsmedel löser ett givet kristallplan i ett etsmaterial snabbare än andra plan t ex i ett halvledar- material, vilket resulterar i en riktningsberoende ets- verkan, dvs anisotrop etsning. 508 v55 4 10 15 20 25 30 35 Vid elektrokemisk etsning omfattar etsvätskan en elektrolyt, måga att genom spontan kemisk reaktion etsa etsmateria- let, med. Genom att en elektrisk spänning påläggs i etsvätskan t ex en saltlösning, vilken i sig ej har för- dvs etsmedlet etsar inte enbart genom kontakt där- mellan etsmaterialet och en i etsvätskan nedsänkt elek- trod startas emellertid en elektrolytisk process vid vilken etsmaterialet utgör den ena polen, vanligtvis ano- den, och elektroden den andra polen. Vid den elektroly- tiska processen flyter en elektrisk ström i etsvätskan och joner i etsvätskan reagerar etsande med etsmateria- let.Some etchants dissolve a given crystal plane in an etch material faster than other planes, for example in a semiconductor material, which results in a direction-dependent etching effect, ie anisotropic etching. 508 v55 4 10 15 20 25 30 35 In electrochemical etching, the etching liquid comprises an electrolyte, capable of etching the etching material by spontaneous chemical reaction. However, by applying an electrical voltage to the etching liquid, for example a saline solution, which in itself does not have the etchant etch not only by contact between the etching material and an electrode immersed in the etching liquid, an electrolytic process is started in which the etching material constitutes one the pole, usually the anode, and the electrode the other pole. In the electrolytic process, an electric current flows in the etching liquid and ions in the etching liquid react etching with the etching material.

Etshastigheten är i huvudsak proportionell mot den elektriska strömstyrkan. Etsningen blir något anisotrop, om än ej i lika hög utsträckning som är möjligt vid torra etsmetoder. Det är t ex möjligt att elektrokemiskt etsa strukturer med djupzbredd-förhållandet 1:2.The corrosion rate is mainly proportional to the electric current. The etching becomes somewhat anisotropic, although not to the same extent as is possible with dry etching methods. It is possible, for example, to electrochemically etch structures with a depth-to-width ratio of 1: 2.

Det är känt ett flertal förfaranden för att vid an- vändning av olika elektrolyter som etsvätska pålägga spänning i pulser för att åstadkomma god etsverkan. bil- das p g a de isotropa etsegenskaperna sk underetsning, Vid våta etsmetoder, främst vid kemisk etsning, dvs bortetsning av material under den yta som är belagd med ett etsskyddsskikt. En konsekvens av detta är att det med ren kemisk etsning ej går att framställa spalter som har större djup än bredd. Ej heller vid elektrokemisk etsning är det möjligt att, vid små dimensioner, etsa spalter vars djup överstiger bredden. Möjligheterna att framställa smala spalter, t ex för att placera ledare nära varandra, är alltså begränsade när våta etsmetoder används. Vidare är det idag ej möjligt att medelst våta etsmetoder åstadkomma jämna strukturer, t ex spalter med raka väggar, vars bredd eller djup understiger l um.A number of methods are known for applying voltage in pulses when using different electrolytes as etching liquid in order to achieve a good etching effect. is formed due to the isotropic etching properties so-called under-etching. In wet etching methods, mainly in chemical etching, ie etching away of material under the surface which is coated with an etch protection layer. One consequence of this is that with pure chemical etching it is not possible to produce gaps that have a greater depth than width. Nor with electrochemical etching is it possible, with small dimensions, to etch gaps whose depth exceeds the width. The possibilities of producing narrow gaps, for example for placing conductors close to each other, are thus limited when wet etching methods are used. Furthermore, today it is not possible to achieve even structures by means of wet etching methods, for example gaps with straight walls, the width or depth of which is less than 1 μm.

Vid våt etsning används idag vanligtvis starkt gif- tiga och miljöfarliga vätskor, vilket i sig är ett miljö- problem. 10 15 20 25 30 35 c 5 ïsos 155 Rent kemisk etsning är vidare en svårstyrd process, eftersom ett flertal parametrar påverkar processhastighe- ten.In wet etching, highly toxic and environmentally hazardous liquids are usually used today, which in itself is an environmental problem. 10 15 20 25 30 35 c 5 ïsos 155 Pure chemical etching is also a difficult process to control, since a number of parameters affect the process speed.

Vid elektrokemisk etsning måste alla ytor som ska etsas under hela etsförloppet vara förbundna med en elek- trisk pol. Vid tillverkning av kretskort löses detta genom att alla ledare är förbundna med varandra i en för- bindningspunkt under etsförloppet. Efter genomförd ets- ning avlägsnas förbindningspunkten mekaniskt i ett sär- skilt tillverkningssteg.In the case of electrochemical etching, all surfaces to be etched during the entire etching process must be connected to an electric pole. When manufacturing circuit boards, this is solved by all conductors being connected to each other at a connection point during the etching process. After etching, the connection point is removed mechanically in a special manufacturing step.

Många försök har gjorts, dock hittills ännu inga riktigt framgångsrika, för att åstadkomma en våt etsmetod som kan användas vid framställning av små elektroniska kretsar, såsom integrerade kretsar. Ändamål med uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att, genom undanröjande av ovannämnda nackdelar hos den kända tekniken, åstadkomma ett nytt och förbättrat förfarande för etsning.Many attempts have been made, though so far not really successful, to provide a wet etching method that can be used in the manufacture of small electronic circuits, such as integrated circuits. OBJECTS OF THE INVENTION An object of the present invention is to, by eliminating the above-mentioned disadvantages of the prior art, provide a new and improved method of etching.

Ett speciellt ändamål är därvid att åstadkomma ett förbättrat förfarande för etsning av små strukturer, i huvudsak strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än 50 um och framförallt strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än 10 um.A special object is thereby to provide an improved method for etching small structures, mainly structures which in one or more directions have a dimension smaller than 50 μm and above all structures which in one or more directions have a dimension smaller than 10 μm.

Ett annat ändamål är att åstadkomma ett förfarande för våt etsning, vilket möjliggör etsning av mindre strukturer än tidigare, i synnerhet strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än l um.Another object is to provide a method for wet etching, which enables etching of smaller structures than before, in particular structures which in one or more directions have a smaller dimension than 1 μm.

Ett särskilt ändamål är att åstadkomma ett förfa- rande för våt etsning, vilket möjliggör anisotrop etsning av små strukturer.A special object is to provide a procedure for wet etching, which enables anisotropic etching of small structures.

Ett speciellt ändamål är därvid att åstadkomma ett enkelt styrbart förfarande för etsning av små strukturer.A special object is to provide a simple controllable method for etching small structures.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av efterföljande beskrivning, uppnås genom uppfinningen medelst ett förfarande som är av det inledningsvis be- sos 155 6 10 15 20 25 30 35 skrivna slaget och som därutöver har de särdrag som anges i den kännetecknande delen av patentkrav l.SUMMARY OF THE INVENTION These and other objects, which will become apparent from the following description, are achieved by the invention by means of a method which is of the type initially described and which in addition has the features stated in the invention. characterizing part of claim 1.

Uppfinningen bygger på den överraskande upptäckten att en etsvätska, som spätts ut till att ha försumbar etsverkan, kan utnyttjas för anisotrop etsning under på- verkan av ett elektriskt fält.The invention is based on the surprising discovery that an etching liquid, which is diluted to have negligible etching action, can be used for anisotropic etching under the influence of an electric field.

Enligt en aspekt av uppfinningen avser den etsning av ett elektriskt ledande etsmaterial medelst ett etsme- del, vilket föreligger i en lösning som är utspädd i så stor utsträckning att den ej är praktiskt användbar för kemisk etsning. Etsmedelskoncentrationen är så låg att det endast sporadiskt sker sådana reaktioner mellan ets- medlet och etsmaterialet som resulterar i avlägsnande av atomer från etsmaterialet. Genom att ett elektriskt fält åstadkommes i etsmedelslösningen mellan en elektrod och ett ytparti av etsmaterialet bildas en lokal koncentra- tion av etsmedel till etsmaterialets ytparti. Därigenom sker en markant höjning av etsmedlets etshastighet, sam- tidigt som etsmedlets etsriktning påverkas.According to one aspect of the invention, it relates to the etching of an electrically conductive etching material by means of an etchant, which is present in a solution which is diluted to such an extent that it is not practically useful for chemical etching. The etchant concentration is so low that there are only sporadic reactions between the etchant and the etchant material which result in the removal of atoms from the etchant material. By providing an electric field in the etchant solution between an electrode and a surface portion of the etchant material, a local concentration of etchant is formed to the surface portion of the etchant material. As a result, there is a marked increase in the etching speed of the etchant, at the same time as the etching direction of the etchant is affected.

Man kan även betrakta uppfinningen som ett sätt att överföra de förhållanden som råder vid torra etsmetoder, till en våt miljö i en etsvätska. På detta sätt har för- delarna hos torra och våta etsmetoder kombinerats samti- digt som nackdelarna hos de respektive metoderna undan- röjts.The invention can also be considered as a way of transferring the conditions prevailing in dry etching methods to a wet environment in an etching liquid. In this way, the advantages of dry and wet etching methods have been combined while the disadvantages of the respective methods have been eliminated.

Uppfinningen avser etsning av elektriskt ledande ma- terial, etsmaterialet. Tester har gjorts med olika metal- ler, såsom Cu, Ni, Ti, Al och Cr, men uppfinningsförfa- randet förväntas fungera på andra ledande material, såsom legeringar, och på halvledare. Etsmaterialets elektriska ledningsförmàga bör vara sådan att ett elektrisk fält kan upprättas i den utspädda lösningen mellan etsmaterialet och en elektrod.The invention relates to etching of electrically conductive material, the etching material. Tests have been performed with various metals, such as Cu, Ni, Ti, Al and Cr, but the inventive process is expected to work on other conductive materials, such as alloys, and on semiconductors. The electrical conductivity of the etching material should be such that an electric field can be established in the diluted solution between the etching material and an electrode.

Etsmaterialets kristallstruktur är ej kritisk, och etsmaterialet kan sålunda var såväl mono- som polykris- tallint. 10 15 20 25 30 35 * 7 isos 155 Etsmedlet ska ha förmåga att i lösning reagera ets- ande med en för etsning avsedd etsyta hos etsmaterialet.The crystal structure of the etching material is not critical, and the etching material can thus be both mono- and polycrystalline. 10 15 20 25 30 35 * 7 isos 155 The etchant must be capable of reacting in solution etching with an etching surface of the etching material intended for etching.

Dessutom förmodas att etsmedlet bör ha sådan natur att det påverkas kinetiskt av ett elektriskt fält, för att möjliggöra lokal koncentration av etsmedlet.In addition, it is believed that the etchant should be of such a nature that it is kinetically affected by an electric field, to enable local concentration of the etchant.

Ett viktigt särdrag hos uppfinningen är att etsmed- let föreligger i lösning med låg koncentration. Mot bak- grund av genomförda experiment synes önskad anisotrop etsverkan vara svår att uppnå vid etsmedelskoncentratio- ner över 200 mM. Ingen nedre koncentrationsgräns för god funktion har dock kunnat bestämmas. Dessutom förmodas att etsmedlet måste ha tillräcklig rörlighet i lösningen för att möjliggöra lokal koncentrering av etsmedel.An important feature of the invention is that the etchant is present in a solution with a low concentration. Based on performed experiments, the desired anisotropic etching effect seems to be difficult to achieve at etchant concentrations above 200 mM. However, no lower concentration limit for good function has been determined. In addition, it is believed that the etchant must have sufficient mobility in the solution to allow local concentration of etchant.

Det elektriska fältet förmodas ha två funktioner, dels att koncentrera etsmedlet lokalt, dels att påskynda etsning, varav den förstnämnda funktion för närvarande förmodas ha störst betydelse.The electric field is assumed to have two functions, partly to concentrate the etchant locally, and partly to accelerate etching, of which the former function is currently assumed to have the greatest significance.

Det förmodas att det elektriska fältet bör vara rik- tat mot den yta av etsmaterialet som ska etsas. För att det ska vara möjligt att lokalt höja koncentrationen av etsmedlet bör det elektriska fältets utbredning vid den yta som ska etsas vara relativt begränsad.It is assumed that the electric field should be directed towards the surface of the etching material to be etched. In order for it to be possible to locally increase the concentration of the etchant, the spread of the electric field at the surface to be etched should be relatively limited.

Det är föredraget att etsmedlet, åtminstone i kon- centrerad lösning, har förmåga att etsa etsmaterialet i avsaknad av elektriskt fält, dvs att etsmedlet har för- måga till spontan kemisk etsning av etsmaterialet. Även om den nya låga etsmedelskoncentrationen enligt uppfin- ningen vid vissa tillämpningar kan förväntas ge fördelar även i samband med elektrokemiskt etsande etsmedel, här- rör de hittills bäst experimentresultaten främst från försök med kemiskt etsande etsmedel.It is preferred that the etchant, at least in concentrated solution, has the ability to etch the etchant in the absence of an electric field, ie that the etchant has the ability to spontaneously chemically etch the etchant. Although the new low etchant concentration according to the invention in certain applications can be expected to provide benefits also in connection with electrochemically etchant etchants, the experimental results so far are mainly derived from experiments with chemically etchants.

Mot bakgrund av det ovanstående kan uppfinningen även betraktas som ett förfarande för anisotrop etsning av en struktur i ett elektriskt ledande etsmaterial medelst ett etsmedel som i koncentrerad lösning är an- vändbart för isotrop etsning av strukturer i etsmateria- let, vilket förfarande kännetecknas av att etsmaterialet 508 1"55 10 15 20 25 30 35 bringas i kontakt med etsmedlet i en så utspädd lösning att den resulterande etshastigheten medför att etsmedlet blir oanvändbart för nämnda isotropa etsning av struktu- rer; och att etsmedlet vid etsmaterialet utsätts för ett elektriskt fält av en sådan styrka att en anisotrop ets- ning av etsmaterialet åstadkommes med en etshastighet som är relevant för åstadkommande av nämnda struktur i etsma- terialet.In view of the above, the invention can also be considered as a method for anisotropic etching of a structure in an electrically conductive etchant material by means of an etchant which in concentrated solution can be used for isotropic etching of structures in the etchant material, which method is characterized in that the etchant material 508 1 "55 10 15 20 25 30 35 is brought into contact with the etchant in such a dilute solution that the resulting etch rate renders the etchant unusable for said isotropic etching of structures; and that the etchant in the etchant material is exposed to an electric field of a such strength that an anisotropic etching of the etching material is effected at an etching rate which is relevant for producing said structure in the etching material.

Uppfinningen är särskilt inriktad på framställning av små strukturer i storleksordningen 50 pm och mindre vad gäller såväl etsbredd som etsdjup. Särskilt fördelak- tig har uppfinningen visat sig vara vid framställning av strukturer vars bredd eller höjd är mindre än 10 pm.The invention is particularly directed to the production of small structures of the order of 50 microns and smaller in terms of both etching width and etching depth. The invention has been found to be particularly advantageous in the manufacture of structures whose width or height is less than 10 [mu] m.

Genom att lösningen har synnerligen låg koncentra- tion av etsmedel och relevant etsprocess sker under pà- verkan av ett elektriskt fält, erhåller etsprocessen väsentligt förbättrad styrbarhet och anisotropi i förhål- lande till tidigare kända, våta metoder. Därigenom möj- liggörs framställning och användning av små etsade struk- turer, dels för kända konstruktioner, dels inom nya tek- nikområden.Because the solution has an extremely low concentration of etchant and a relevant etching process takes place under the influence of an electric field, the etching process obtains significantly improved controllability and anisotropy in relation to previously known, wet methods. This enables the production and use of small etched structures, partly for known constructions and partly in new areas of technology.

En viktig egenskap hos uppfinningen är att man kan etsa spår och spalter som har större djup än bredd. För- hållandet djupzbredd hos en etsad spalt har vid experi- ment uppmätts till 3,5:l vid etsning i en tunn koppar- film.An important feature of the invention is that one can etch grooves and gaps that have greater depth than width. The depth-to-width ratio of an etched gap has in experiments been measured at 3.5: 1 when etching in a thin copper film.

Förfarandet är billigt och kräver endast relativt enkel utrustning. Eftersom de etsvätskor som används har låg koncentration av etsmedel i en lösning, kan etsvät- skorna göras i det närmaste giftfria, vilket leder till miljövinster inom såväl arbetsmiljö som yttre miljö.The procedure is inexpensive and requires only relatively simple equipment. Since the etching liquids used have a low concentration of etchant in a solution, the etching liquids can be made almost non-toxic, which leads to environmental benefits in both the work environment and the external environment.

Vidare uppvisar förfarandet enligt uppfinningen låg känslighet för variationer i temperatur. Goda resultat har t ex àstadkommits vid etsning inom temperaturinter- vallet l5°C - 30°C. dande temperaturpàverkan påvisas, varför det förmodas att Inom detta intervall kunde ingen bety- 10 15 20 25 30 35 * 9 ifsos 155 önskat resultat kan uppnås inom ett betydligt bredare temperaturintervall.Furthermore, the method according to the invention shows low sensitivity to variations in temperature. Good results have, for example, been obtained by etching within the temperature range of 15 ° C - 30 ° C. temperature influence is demonstrated, so it is assumed that within this range no significant result could be achieved within a much wider temperature range.

Förfarandet uppvisar ej heller någon kritisk käns- lighet för koncentrationsvariationer inom ett effektivt koncentrationsintervall. Experiment har visat att man kring ett koncentrationsvärde som ger goda etsresultat för en viss kombination etsmedel-etsvätska kan förändra koncentrationsvärdet en faktor två utan att etsresultatet försämras väsentligt.The method also does not show any critical sensitivity to concentration variations within an effective concentration range. Experiments have shown that around a concentration value that gives good etching results for a certain combination etchant-etchant, the concentration value can be changed by a factor of two without the etching result deteriorating significantly.

Med förfarandet enligt uppfinningen möjliggörs även anisotrop etsning av små strukturer utan användning av något etsskyddsskikt på omgivande områden av etsmateria- let, eftersom praktiskt taget ingen etsning sker vid om- råden utan elfältspåverkan.The method according to the invention also enables anisotropic etching of small structures without the use of any etching protection layer on surrounding areas of the etching material, since practically no etching takes place in areas without electric field influence.

Etsvätskan, i utspädd lösning, föreligger föredraget vid etsning i sådant tillstànd att dess förmåga att etsa spontant, dvs i avsaknad av elektriskt fält, är begränsad till en etshastighet av 5 nm/s. Om etsmedlet etsar spon- tant med en högre hastighet blir processen svårstyrd och relativt isotrop, vilket, vid användning av ett ets- skyddsskikt, För erhållande av en anisotrop etsning är det före- leder till underetsning. draget att etsmedlets spontana etsförmåga begränsats till högst 4 nm/s. Vid försök har det visat sig att ytter- till 3 nm/s främst högre ligare begränsningar av spontan etshastighet, och mindre, leder till ännu bättre resultat, anisotropigrad och möjlighet att etsa mindre strukturer.The etching liquid, in dilute solution, is preferably present in etching in such a state that its ability to etch spontaneously, i.e. in the absence of electric field, is limited to an etching speed of 5 nm / s. If the etchant etches spontaneously at a higher speed, the process becomes difficult to control and relatively isotropic, which, when using an etch protection layer, To obtain an anisotropic etching, it leads to under-etching. the spontaneous etchability of the etchant is limited to a maximum of 4 nm / s. Experiments have shown that external to 3 nm / s mainly higher limitations of spontaneous etching speed, and smaller, lead to even better results, anisotropy degree and the possibility of etching smaller structures.

Hur hög spontan etshastighet som kan tillåtas med bibe- hållen styrbarhet hos etsprocessen beror på etsmateria- lets sammansättning och på storleken av den struktur som ska etsas.How high a spontaneous etching speed can be allowed while maintaining controllability of the etching process depends on the composition of the etching material and on the size of the structure to be etched.

Försök har t ex gjorts med koppar som etsmaterial och en ammoniumpersulfatlösning som etsvätska, vilken har en spontan etshastighet av cza 3 nm/s. Därvid har ett förhållande djupzbredd av 3:1 kunnat uppmätas i spåret.Experiments have been made, for example, with copper as the etching material and an ammonium persulphate solution as the etching liquid, which has a spontaneous etching rate of about 3 nm / s. In this case, a depth-width ratio of 3: 1 has been measured in the groove.

Vid försök med ännu lägre etshastigheter har etsprocessen sos fås 10 10 15 20 25 30 35 blivit ännu mer kontrollerbar och ett bredd:djup-förhål- lande av 3,5:l har uppmätts.In experiments with even lower etching rates, the etching process obtained 10 10 15 20 25 30 35 has become even more controllable and a width: depth ratio of 3.5: 1 has been measured.

Vid andra försök med etsning av krom har synnerligen goda resultat uppnåtts med etslösningar som har en spon- tan etshastighet understigande 0,3 nm/s.In other experiments with etching of chromium, extremely good results have been achieved with etching solutions which have a spontaneous etching speed of less than 0.3 nm / s.

Vid ett föredraget utförande av etsförfarandet bringas etsmedlet, vilket företrädesvis etsar isotropt i avsaknad av elektriskt fält, att medelst det elektriska fältet etsa anisotropt med högre hastighet, företrädesvis med minst den dubbla hastigheten och ännu hellre med tio gånger större hastighet. Ännu bättre resultat kan förvän- tas vid ännu större ökning av etshastigheten, såsom 50 gånger eller 100 gånger. Vid etsning av krom har etshas- tigheten, i den önskade riktningen, ökats från under 0,3 nm/s till över 55 nm/s, alltså i storleksordningen 200 gånger, under inverkan av ett elektriskt fält.In a preferred embodiment of the etching process, the etchant, which preferably etches isotropically in the absence of electric field, is caused by the electric field to etch anisotropically at a higher speed, preferably at least twice the speed and even more preferably at ten times the speed. Even better results can be expected with an even greater increase in the etching rate, such as 50 times or 100 times. When etching chromium, the etching speed, in the desired direction, has been increased from below 0.3 nm / s to above 55 nm / s, i.e. in the order of 200 times, under the influence of an electric field.

Den föredragna koncentrationen av etsmedlet är högst l00 mM, företrädesvis högst 20 mM och ännu hellre högst 10 mM. Generellt kan sägas att etsprocessens styr- barhet, särskilt vid etsning av små strukturer, ökar med minskad etsmedelskoncentration. Därvid har det i vissa sammanhang visat sig vara fördelaktigt med etsmedelskon- och särskilt fördelak- tigt med etsmedelskoncentrationer av 1 mM och därunder. centrationer understigande 2 mM, Etsmedlet enligt föreliggande uppfinning kan före- trädesvis definieras som ett joniskt ämne med förmåga att reagera etsande med etsmaterialet. De koncentrationer som anges i samband med uppfinningen avser koncentrationen av det enligt uppfinningen verksamma etsmedlet.The preferred concentration of the etchant is at most 100 mM, preferably at most 20 mM and more preferably at most 10 mM. In general, it can be said that the controllability of the etching process, especially when etching small structures, increases with reduced etchant concentration. In this context, it has in some contexts been found to be advantageous with etchant concentrates and particularly advantageous with etchant concentrations of 1 mM and below. concentrations less than 2 mM. The etchant of the present invention can be preferably defined as an ionic substance capable of reacting etching with the etchant. The concentrations stated in connection with the invention refer to the concentration of the etchant active according to the invention.

Steget att utsätta etsmedlet för ett elektriskt fält innefattar företrädesvis att en elektrod bringas i kon- takt med etsmedlet och en spänning påläggs mellan elek- troden och etsmaterialet. Därvid är avståndet mellan elektroden och etsmaterialet högst 3 cm och företrädesvis högst 1 cm, och ännu hellre högst 1 mm. Ju närmare elek- troden placeras den yta av etsmaterialet som ska etsas desto högre etshastighet och styrbarhet erhålles i ets- 10 15 20 25 30 35 * 11 * sne 155 processen. Olika ännu kortare avstånd ned till 4 nm har provats med framgång. Generellt kan sägas att när området kring en yta som ska etsas är täckt av ett etsskyddsskikt så ställs ej lika höga krav på elektrodens utformning och avstånd därifrån som när inget etsskyddsskikt är anord- nat. För åstadkommande av anisotrop etsning av små struk- turer, under 50 um, förmodas i det sistnämnda fallet att elektroden bör vara anordnad närmare den yta som ska et- sas än 50 um. Dessutom förmodas elektrodens ytstorlek och ytform spela stor roll för att styra det elektriska fäl- tets utbredning. Viktigt är främst att koncentrera det elektriska fältet till det område som ska etsas.The step of exposing the etchant to an electric field preferably comprises bringing an electrode into contact with the etchant and applying a voltage between the electrode and the etchant material. In this case, the distance between the electrode and the etching material is at most 3 cm and preferably at most 1 cm, and more preferably at most 1 mm. The closer to the electrode, the surface of the etching material to be etched is placed, the higher the etching speed and controllability obtained in the etching process. Various even shorter distances down to 4 nm have been tried successfully. In general, it can be said that when the area around a surface to be etched is covered by an etching protection layer, the requirements for the design of the electrode and the distance therefrom are not as high as when no etching protection layer is provided. In order to achieve anisotropic etching of small structures, below 50 μm, it is assumed in the latter case that the electrode should be arranged closer to the surface to be etched than 50 μm. In addition, the surface size and surface shape of the electrode are believed to play a major role in controlling the spread of the electric field. It is important to concentrate the electric field on the area to be etched.

Eftersom uppfinningsförfarandet är en våt etsmetod kontamineras ej etsmaterialet av bortetsat material, så- som vid torra etsmetoder, utan tvärtom kommer det bort- etsade materialet att samlas vid elektroden.Since the inventive method is a wet etching method, the etch material is not contaminated by etched material, as in dry etching methods, but on the contrary, the etched material will accumulate at the electrode.

Det är föredraget att spänningen mellan elektroden och etsmaterialet är minst 0,5 V, företrädesvis minst l V samt högst 10 V, vis högst 5 V och ännu hellre högst 3 V. Goda resultat och ännu hellre minst 1,5 V, företrädes- har uppnåtts i intervallet 2 V - 2,8 V och synnerligen goda resultat har nåtts i intervallet 2,4 V - 2,6 V. Det är svårt att avgöra någon nedre gräns för den spänning som krävs för etsning och ovannämnda värden avser sådana värden där en praktiskt användbar etshastighet uppnås.It is preferred that the voltage between the electrode and the etching material is at least 0.5 V, preferably at least 1 V and at most 10 V, at most 5 V and even more preferably at most 3 V. Good results and even more preferably at least 1.5 V, preferably achieved in the range 2 V - 2.8 V and extremely good results have been achieved in the range 2.4 V - 2.6 V. It is difficult to determine any lower limit for the voltage required for etching and the above values refer to such values where a practically useful etching rate is achieved.

Viktigt är emellertid att spänningen ej är lika stor som och motriktad den elektrokemiska potentialen mellan ets- material och elektrod, vilket leder till att all etsver- kan upphör. Rent allmänt kan man säga att ju högre spän- ning som påläggs desto snabbare blir etsningen. Vid högre spänningsnivåer övergår etsningen i polering, varvid ef- fektiv etsning ej kan åstadkommas. En ytterligare höjning av spänningen leder till okontrollerade urladdningar i gränsen mellan etslösning och etsmaterial, sk pitting.It is important, however, that the voltage is not as great as and opposite to the electrochemical potential between the etching material and the electrode, which leads to all etching ceasing. In general, it can be said that the higher the voltage applied, the faster the etching. At higher voltage levels, the etching turns into polishing, whereby effective etching cannot be achieved. A further increase in voltage leads to uncontrolled discharges at the boundary between etching solution and etching material, so-called pitting.

Av genomförda experiment kan man dra slutsatsen att det elektriska fältets styrka har betydelse för proces- sen, men att det är svårt att härleda något entydigt sam- 508 “155 10 15 20 25 30 35 12 band för detta. Experiment visar snarare att spännings- nivàn är mer kritisk för åstadkommande av ett gott resul- tat.From experiments carried out, it can be concluded that the strength of the electric field is important for the process, but that it is difficult to deduce any unambiguous connection for this. Experiments rather show that the voltage level is more critical for achieving a good result.

Vid ett föredraget utförande pulsas det elektriska fältet så att etsning sker under ett flertal första tids- perioder. Däremellan ges fältet under ett flertal andra tidsperioder en omvänd riktning. Under dessa andra tids- perioder påläggs företrädesvis en spänning mellan elek- troden och etsmaterialet vilken till sin storlek motsva- rar och är motriktad den elektrokemiska potentialen mellan elektroden och etsmaterialet, i etsmedlet. Sålunda åstadkommes en ”backspänning” vilken stoppar all kemisk etsning.In a preferred embodiment, the electric field is pulsed so that etching takes place for a plurality of first time periods. In between, the field is given a reverse direction for a number of other time periods. During these other time periods, a voltage is preferably applied between the electrode and the etchant material, which in its size corresponds to and is opposite to the electrochemical potential between the electrode and the etchant material, in the etchant. Thus a "back voltage" is created which stops all chemical etching.

Genom en hastig övergång från en första tidsperiod till en efterföljande andra tidsperiod förmodas att fri- görande av residualer från etsningen från den yta som et- sas, säkerställs. Om dessa residualer tillåts täcka en etsyta hos etsmaterialet förhindras vidare etsning av denna yta, varför etsningen kommer att bli mer isotrop.Through a rapid transition from a first time period to a subsequent second time period, it is assumed that the release of residuals from the etching from the surface being etched is ensured. If these residuals are allowed to cover an etching surface of the etching material, etching of this surface is further prevented, so that the etching will become more isotropic.

Företrädesvis är nämnda första tidsperioder lika stora som tidsavståndet dememellan och uppgår till högst 200 ms, företrädesvis minst 50 ms. företrädesvis högst 100 ms, och minst 10 ms, Generellt kan sägas att pulsningen, som har till syfte att frigöra residualpro- dukter, är viktigast vid etsning av strukturer med större etsdjup än etsbredd, eftersom det är vid dessa tillfällen som anisotrop etsverkan är viktigast. Ju större förhål- landet mellan etsdjup och etsbredd är, desto kortare bör tidsperioderna vara.Preferably, said first time periods are equal to the time interval between them and amount to at most 200 ms, preferably at least 50 ms. preferably not more than 100 ms, and at least 10 ms. In general, it can be said that the pulsation, which has the purpose of releasing residual products, is most important in etching structures with a greater etching depth than etching width, since it is in these cases that anisotropic etching action is most important. The greater the ratio between etching depth and etching width, the shorter the time periods should be.

Kort beskrivning av ritningarna I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare med hänvisning till ritningarna vilka i exempli- fierande syfte åskådliggör utföringsformer av uppfin- ningen.Brief Description of the Drawings In the following, the invention will be described in more detail with reference to the drawings which, by way of example, illustrate embodiments of the invention.

Fig l visar schematisk en apparatuppställning för genomförande av uppfinningsförfarandet. 10 15 20 25 30 35 * 13 ï sos 155 Fig 2 visar schematiskt och i sektion en profil av en etsad spalt.Fig. 1 schematically shows an apparatus arrangement for carrying out the method of the invention. Fig. 2 shows diagrammatically and in section a profile of an etched gap.

Fig 3 visar schematiskt och i sektion en utförings- form av uppfinningen med en spetsig elektrod.Fig. 3 shows schematically and in section an embodiment of the invention with a pointed electrode.

Beskrivning av utföringsformer av uppfinningen Nedan kommer en utföringsform av uppfinningen att fig 1. Ett etsmate- rial 6 av elektriskt ledande material är nedsänkt i ett beskrivas närmare med hänvisning till kärl 2 med en etsvätska 4. Etsvätskan 4 omfattar ett ets- medel i en utspädd lösning. Vidare är en elektrod 8 ned- sänkt i etsvätskan 4. Elektroden 8 är placerad på ett av- stånd från en etsyta 7, dvs den yta som ska etsas, hos etsmaterialet 6. En styrenhet 12, som omfattar en spän- ningskälla, är ansluten mellan elektroden 8 och etsmate- rialet 6.Description of embodiments of the invention Hereinafter, an embodiment of the invention will be shown in Fig. 1. An etching material 6 of electrically conductive material is immersed in one described in more detail with reference to vessel 2 with an etching liquid 4. The etching liquid 4 comprises an etchant in a diluted solution. Furthermore, an electrode 8 is immersed in the etching liquid 4. The electrode 8 is placed at a distance from an etching surface 7, i.e. the surface to be etched, of the etching material 6. A control unit 12, which comprises a voltage source, is connected between the electrode 8 and the etching material 6.

Styrenheten 12 är företrädesvis en anordning som har förmåga att reglera ström mellan och spänning över etsma- terialet 6 och elektroden 8.The control unit 12 is preferably a device capable of regulating current between and voltage across the etching material 6 and the electrode 8.

Sådan reglering kan ske t ex med hjälp av ett dator- program. Styrenheten 12 bör ha förmåga att låta ström flyta i båda riktningarna. Dessutom bör man, när ingen ström flyter mellan elektroden och etsmaterialet, kunna avläsa den spänning som uppstår genom elektrokemisk po- tentialskillnad mellan etsmaterialet 6 och elektroden 8.Such regulation can take place, for example, with the aid of a computer program. The control unit 12 should be able to allow current to flow in both directions. In addition, when no current is flowing between the electrode and the etching material, it should be possible to read the voltage which arises due to electrochemical potential difference between the etching material 6 and the electrode 8.

Det senare för avläsning av etsdjup/topografi hos etsma- terialet via nämnda potentialskillnad.The latter for reading the etching depth / topography of the etching material via said potential difference.

Etsvätskan 4 är av kemiskt etsande slag och etsmed- let har förmåga att etsa etsmaterialet 6. Etsmedlet före- ligger i etsvätskan 4 i så utspädd lösning att etsvätskan ej är brukbar för spontan kemisk etsning. Etsvätskan kan 100 av en kommersiellt använd etsvätska, t ex vara framställd genom spädning, 20 gånger, gånger eller mer, vilken vid normalt användning, dvs i koncentrerad form, är användbar för kemisk etsning av etsmaterialet. Etsmed- let reagerar sålunda kemiskt etsande med etsmaterialet. 508 155 10 15 20 25 30 35 14 Etsmedelskoncentrationen i den utspädda lösningen medger endast sporadiska etsaktiviteter som resulterar i avlägsnande av atomer från etsämnet.The etching liquid 4 is of a chemically etching type and the etchant is capable of etching the etching material 6. The etchant is present in the etching liquid 4 in such a dilute solution that the etching liquid is not usable for spontaneous chemical etching. The etching liquid may be 100 of a commercially used etching liquid, for example prepared by dilution, 20 times, times or more, which in normal use, i.e. in concentrated form, is useful for chemical etching of the etching material. The etchant thus reacts chemically etching with the etchant material. 508 155 10 15 20 25 30 35 14 The etchant concentration in the dilute solution allows only sporadic etching activities which result in the removal of atoms from the etchant.

En spänning, typiskt i storleksordningen 1 V - 4 V, påläggs mellan elektroden och etsmaterialet. Sålunda bil- das ett elektriskt fält i etsvätskan 4 mellan elektroden 8 och etsmaterialets 6 etsyta 7.A voltage, typically in the order of 1 V - 4 V, is applied between the electrode and the etching material. Thus, an electric field is formed in the etching liquid 4 between the electrode 8 and the etching surface 7 of the etching material 6.

Det elektriska fältet skapar en lokal etsmedelskon- centration på etsytan 7 och ökar etsmedlets benägenhet att reagera med etsmaterialet, varför etsmedlet under på- verkan från det elektriska fältet kommer att etsa etsytan 7 med väsentligt ökad etshastighet.The electric field creates a local etchant concentration on the etch surface 7 and increases the tendency of the etchant to react with the etch material, so the etchant under the influence of the electric field will etch the etch surface 7 with significantly increased etch rate.

Etsmaterialet 6 är kring etsytan 7 maskerat med ett etsskyddsskikt, ett s k resistskikt, med vilket etsmedlet ej reagerar. Det är vanligt att använda ett fotoresist- skikt, vilket bildas genom ett i sig känt, fotografiskt exponerings- och framkallningsförfarande.The etching material 6 is masked around the etching surface 7 with an etching protection layer, a so-called resist layer, with which the etchant does not react. It is common to use a photoresist layer, which is formed by a per se known photographic exposure and development method.

Nedan beskrivs två olika utföringsexempel med hän- visning till ett arrangemang av ovan beskrivet slag.Two different exemplary embodiments are described below with reference to an arrangement of the type described above.

Exempel 1: Vid detta experiment etsades krom med ett etsmedel i 9,11 mM lösning och experimentet omfattade följande steg: En platta av nickel belades med ett 110 nm tjockt lager krom genom elektrokemisk plätering. Kromytan bela- des med ett etsskyddsskikt i form av ett fotoresistskikt, varefter ett mönster 0,5 um) blottlagda ytor av etsmaterialet. (linjer och punkter med en bredd av exponerades och framkallades för etsning av Etsvätskan framställdes genom att etsmedlet Ce(NH4)2(NO3)6 i en mängd av 2 g blandades i 1 ml CH3COOH (18 MQ-vatten) och filtre- rades i ett 0,2 pm filter. Lösningens kemiska etshastig- och 500 ml avjoniserat vatten het var därefter <0,3 nm/s.Example 1: In this experiment, chromium was etched with an etchant in 9.11 mM solution and the experiment included the following steps: A plate of nickel was coated with a 110 nm thick layer of chromium by electrochemical plating. The chromium surface is coated with an etching protection layer in the form of a photoresist layer, after which a pattern of 0.5 μm) exposed surfaces of the etching material. Lines and dots with a width of were exposed and developed for etching of The etching liquid was prepared by mixing the etchant Ce (NH 4) 2 (NO 3) 6 in an amount of 2 g in 1 ml of CH 3 COOH (18 MQ water) and filtering in a 0.2 .mu.m filter. The chemical etch rate of the solution and 500 ml of deionized water were then <0.3 nm / s.

En plan elektrod av TiN, som användes som katod, och Ni-Cr-plattan, nedsänktes i (kemiskt som användes som referenselektrod för spännings- som användes som anod, etsvätskan tillsammans med en tredje elektrod 10 stabil), lO 15 20 25 30 35 * 15 ísos 155 mätning. Katoden och anoden anbringades planparallellt med och på avståndet 1 mm från varandra.A flat electrode of TiN used as cathode, and the Ni-Cr plate, were immersed in (chemically used as a reference electrode for voltage used as anode, the etching liquid together with a third electrode 10 stable), 10 15 20 25 30 35 * 15 isos 155 measurement. The cathode and anode were placed in parallel with and at a distance of 1 mm from each other.

En anordning för att generera ström i vätskan mellan katod och anod anslöts.A device for generating current in the liquid between cathode and anode was connected.

Anodens potential sattes till +0,7 V och katodens potential sattes till 0 V, vilket ledde till totalt ets- stopp, varefter en puls med längden 100 ms och amplituden + 2,5 V anbringades på katoden. Temperaturen hölls kon- stant vid 25°C.The potential of the anode was set to +0.7 V and the potential of the cathode was set to 0 V, which led to a total etch stop, after which a pulse with a length of 100 ms and an amplitude of + 2.5 V was applied to the cathode. The temperature was kept constant at 25 ° C.

Vid genomförande av experimentet blev kromlagret helt genometsat efter två pulser (alltså efter mindre än 200 ms effektiv etstid). Därefter sattes katodspänningen åter till O V för undvikande av underetsning. Ingen un- deretsning kunde mätas.When carrying out the experiment, the chromium layer was completely etched after two pulses (ie after less than 200 ms effective etching time). Then the cathode voltage was set back to 0 V to avoid under-etching. No underestimation could be measured.

Detta experiment är ett i en serie etsexperiment med etsning av krom. I bifogad tabell I anges några försöks- Etsvätskor med en etsmedelskoncentration av De bästa dvs vinkelräta och jämna kanter utan någon parametrar. upp till 45 mM har testats med gott resultat. resultaten, erhölls med koncentrationer un- 50 ms puls och lOO ms puls medförde liknande resultat. Vid det observerbar underetsning, derstigande 25 mM. Etsning med konstant likström, ovan beskrivna experimentet var etsmedelskoncentrationen lägst och etsresultatet det bästa.This experiment is one in a series of etching experiments with etching of chromium. The attached table I lists some experimental etching liquids with an etchant concentration of the best, ie perpendicular and smooth edges without any parameters. up to 45 mM has been tested with good results. the results, were obtained with concentrations un- 50 ms pulse and 100 ms pulse gave similar results. At the observable undercut, exceeding 25 mM. Etching with constant direct current, the experiment described above, the etchant concentration was the lowest and the etch result the best.

Exempel 2: Vid detta experiment etsades ett 5 um tjockt koppar- skikt på ett kommersiellt laminatkort med en 87,72 mM etsvätska. Experimentet omfattade följande steg: Ett mönster (5 um till 25 um breda linjer) för ets- ning av blottlagda ytor av etsmaterialet skapades pà mot- svarande sätt som vid det ovan beskrivna experimentet med hjälp av ett fotoresistskikt på laminatet.Example 2: In this experiment, a 5 μm thick copper layer was etched on a commercial laminate board with an 87.72 mM etchant. The experiment included the following steps: A pattern (5 μm to 25 μm wide lines) for etching exposed surfaces of the etch material was created in a manner similar to the experiment described above using a photoresist layer on the laminate.

Etsvätskan framställdes genom att 2 g ammoniumper- sulfat blandades med 100 ml avjoniserat vatten. Lösning- ens kemiska etshastighet var därefter <3 hm/s.The etching liquid was prepared by mixing 2 g of ammonium persulfate with 100 ml of deionized water. The chemical etching rate of the solution was then <3 hm / s.

Ett plan elektrod av TiN, som användes som katod, och kopparlaminatkortet, som användes som anod, nedsänk- 508 155 16 10 15 20 25 30 35 tes i etsvätskan tillsammans med en tredje elektrod (kemisk stabil), spänningsmätning. Katoden och anoden anbringades planpa- som användes som referenselektrod för rallellt med och på avståndet 2 mm från varandra.A flat electrode of TiN used as a cathode and the copper laminate board used as an anode are immersed in the etching liquid together with a third electrode (chemically stable), voltage measurement. The cathode and anode were mounted flat - which was used as a reference electrode for rally with and at a distance of 2 mm from each other.

Anodens potential sattes till -0,3 V och katodens potential sattes till 0 V, vilket ledde till totalt ets- stopp, varefter en puls med längden 50 ms och amplituden +3,5 V anbringades till katoden.The potential of the anode was set to -0.3 V and the potential of the cathode was set to 0 V, which led to a total etch stop, after which a pulse with a length of 50 ms and an amplitude of +3.5 V was applied to the cathode.

Ett svagt flöde av etsvätska pulsades över koppar- ytan synkroniserat med katodpulsens nedre värde.A slight flow of etchant was pulsed over the copper surface synchronized with the lower value of the cathode pulse.

Kopparlagret blev helt genometsat efter 180 pulser (alltså efter mindre än 9 s effektiv etstid). Därefter sattes katodspänningen åter till 0 V för undvikande av underetsning. Den totala underetsningen uppmättes till max 1 um.The copper layer was completely etched after 180 pulses (ie after less than 9 s effective etching time). Then the cathode voltage was set back to 0 V to avoid under-etching. The total etching was measured to a maximum of 1 μm.

Motsvarande experiment med etsning av koppar har även genomförts med en motsvarande etsvätska med 22 mM etsmedelskoncentration. Resultatet blev därvid utebliven underetsning. Försöksparametrar anges i bifogad tabell II.Corresponding experiments with etching of copper have also been carried out with a corresponding etching liquid with a concentration of 22 mM etchant. The result was no under-etching. Experimental parameters are given in the attached Table II.

De slutsatser som dragits av de ovan beskrivna expe- rimenten är att: a) Etsvätskor som etsar kemiskt med en hastighet av upp till 3 nm/s och förmodligen även däröver och/eller har en etsmedelskoncentration av upp till 90 mM och förmodligen även däröver är synnerligen användbara för åstadkommande av anisotrop etsning av strukturer i storleksordningen 5 um. b) Ju mindre strukturer som ska etsas, desto lägre måste etsvätskans kemiska etshastighet och etsmedels kon- centration vara för anisotrop etsning.The conclusions drawn from the experiments described above are that: a) Etching liquids which chemically etch at a rate of up to 3 nm / s and probably also above and / or have an etchant concentration of up to 90 mM and probably also above particularly useful for producing anisotropic etching of structures on the order of 5 μm. b) The smaller the structures to be etched, the lower the chemical etching rate of the etching liquid and the concentration of etchant must be for anisotropic etching.

Det har ännu ej varit möjligt att entydigt bestämma vilka lagar som styr etsning enligt uppfinningsförfaran- det. Utan att binda uppfinningen vid någon speciell teori 10 15 20 25 30 35 17 5508 155 så förmodas att uppfinningen fungerar enligt nedanstående modell.It has not yet been possible to unambiguously determine which laws govern etching according to the method of the invention. Without tying the invention to any particular theory, it is believed that the invention operates according to the model below.

Etsvätskan har en så låg koncentration av etsmedlet att de reaktiva jonerna endast sporadiskt får kontakt med etsmaterialet och ger upphov till isotropa etsreaktioner på etsmaterialets yta. Genom att en spänning påläggs i etsvätskan mellan en elektrod och en begränsad yta av etsmaterialet åstadkommes ett elektriskt fält och en lo- Det elektriska fältet accelererar också aktiva joner så att dessa ges en has- kal koncentration av aktiva joner. tighet mot etsmaterialet.The etching liquid has such a low concentration of the etchant that the reactive ions only sporadically come into contact with the etchant material and give rise to isotropic etch reactions on the surface of the etchant material. By applying a voltage in the etching liquid between an electrode and a limited surface of the etching material, an electric field and a local field are created. The electric field also accelerates active ions so that these are given a hazardous concentration of active ions. resistance to the etching material.

Etsvätskan har, i egenskap av jonlösning, elektrisk ledningsförmåga, varför en elektrisk ström flyter mellan elektroden och etsmaterialet vid däremellan pålagd spän- ning. Under påverkan av strömmen ökar de aktiva jonernas förmåga att reagera etsande med etsmaterialet, genom att strömmen påskyndar etsreaktionerna mellan de aktiva jo- nerna och etsmaterialet.The etching liquid, as an ion solution, has electrical conductivity, which is why an electric current flows between the electrode and the etching material at a voltage applied between them. Under the influence of the current, the ability of the active ions to react etching with the etching material increases, as the current accelerates the etching reactions between the active ions and the etching material.

Etsförfarandets anisotropa egenskaper förmodas främst bero på att det elektriska fältet initialt ger de aktiva jonerna en hastighet i fältets riktning. Vid ets- ning av t ex en spalt som redan är etsad till ett visst djup, dvs så att spalten redan har en botten och två väg- gar, krävs för anisotrop etsning att de aktiva joner som förs in i spalten till övervägande del bringas att etsa spaltens botten. Om de aktiva jonerna skulle följa det elektriska fältets fältlinjer så skulle en stor del av jonerna bringas att etsa spaltens väggar. Eftersom detta ej är fallet vid uppfinningsförfarandet förmodas att de aktiva jonernas masströghet i spalten tar överhanden över det elektriska fältets påverkan.The anisotropic properties of the etching process are believed to be mainly due to the fact that the electric field initially gives the active ions a velocity in the direction of the field. When etching, for example, a gap that has already been etched to a certain depth, ie so that the gap already has a bottom and two walls, it is required for anisotropic etching that the active ions introduced into the gap are predominantly brought to etch the bottom of the column. If the active ions were to follow the field lines of the electric field, a large part of the ions would be caused to etch the walls of the gap. Since this is not the case with the inventive process, it is assumed that the mass inertia of the active ions in the gap takes precedence over the influence of the electric field.

Genom att mycket låga koncentrationer används blir processen styrbar. Alltför höga koncentrationer leder till att relevant etsning sker även i frånvaro av elek- triskt fält. trationer ej uppnå god anisotropi vid etsningen, Dessutom kan man med initialt höga koncen- eftersom 508 T55 10 15 20 25 30 35 18 det elektriska fältet därvid åstadkommer en okontroller- bar koncentration av aktiva joner.By using very low concentrations, the process becomes controllable. Excessive concentrations lead to relevant etching even in the absence of an electric field. In addition, with initially high concentrations 508 T55 10 15 20 25 30 35 18 the electric field can thereby achieve an uncontrollable concentration of active ions.

Nedan görs hänvisning till fig 2a-d. Ett problem vid etsning är att residualprodukter som bildas vid de aktiva jonernas etsreaktioner med etsmaterialet efter en tid bildar ett blockerande skikt, vilket förhindrar att fler aktiva joner når kontakt med etsmaterialet. I fig 2a visas hur joner i etsvätskan dras i olika riktningar I fig 2b har ak- tiva joner 14 nått etsmaterialet 6 och påbörjat etsning under påverkan av det elektriska fältet. och bildande av residualprodukter 16. I fig 2c visas hur ett blockerande skikt av residualprodukter 16 har bil- dats. förhindras också anisotrop etsning.Reference is made below to Figs. 2a-d. A problem with etching is that residual products formed in the etching reactions of the active ions with the etching material after a time form a blocking layer, which prevents more active ions from reaching contact with the etching material. Fig. 2a shows how ions in the etching liquid are drawn in different directions. In Fig. 2b, active ions 14 have reached the etching material 6 and started etching under the influence of the electric field. and formation of residual products 16. Fig. 2c shows how a blocking layer of residual products 16 has been formed. anisotropic etching is also prevented.

Genom bildandet av ett sådant blockerande skikt Problemet är särskilt stort vid anisotrop etsning av en bottenyta hos en spalt.Due to the formation of such a blocking layer, the problem is particularly great with anisotropic etching of a bottom surface of a gap.

Lösningen på detta problem är att vända det elektriska så att de aktiva jonerna 14 dras bort Detta Därigenom bryts det blockerande skiktet fältets riktning, från etsmaterialet 6 i riktning mot elektroden 8. visas i fig 2d. och residualprodukterna 16 kan spridas i etsvätskan. Även om man med jämna mellanrum bryter det blockerande skiktet genom att vända det elektriska fältet, så förmodas bort- transporten av residualprodukter 16 vara den begränsande faktorn för anisotropi vid etsning av små spalter med större djup än bredd. För att så långt som möjligt bibe- hålla anisotropi vid etsning av djupa strukturer är det föredraget att låta det elektriska fältet byta riktning genom att pulsa spänningen. Ju djupare strukturen är desto kortare etspulstid krävs.The solution to this problem is to turn the electric so that the active ions 14 are pulled away. This thereby breaks the blocking layer in the direction of the field, from the etching material 6 in the direction of the electrode 8. is shown in Fig. 2d. and the residual products 16 can be dispersed in the etching liquid. Even if the blocking layer is broken at regular intervals by inverting the electric field, the removal of residual products 16 is believed to be the limiting factor for anisotropy when etching small gaps with greater depth than width. In order to maintain anisotropy as far as possible when etching deep structures, it is preferable to allow the electric field to change direction by pulsing the voltage. The deeper the structure, the shorter the etching pulse time is required.

Genom att spänningen förändras i pulser med olika vågform bildas olika etsgeometrier.As the voltage changes into pulses with different waveforms, different etching geometries are formed.

Endast små strömmar krävs för åstadkommande av ett gott etsresultat med en elektriskt ledande etsvätska.Only small currents are required to achieve a good etching result with an electrically conductive etching liquid.

Tack vare detta behöver inte samtliga ytor som ska etsas under hela etsförloppet vara anslutna till en gemensam elektrisk pol. I närvaro av en till den elektriska polen ansluten etsyta hos etsmaterialet har etsvätskan nämligen 10 15 20 25 30 35 * *sus 155 19 förmåga att leda små strömmar till en annan etsyta hos etsmaterialet och sålunda ansluta denna andra etsyta till den elektriska polen.Thanks to this, not all surfaces that are to be etched during the entire etching process need to be connected to a common electrical pole. Namely, in the presence of an etching surface of the etching material connected to the electric pole, the etching liquid is capable of conducting small currents to another etching surface of the etching material and thus connecting this second etching surface to the electric pole.

Denna egenskap är t ex användbar vid framställning av smala spalter i ett elektriskt ledande etsmaterial, vilket föreligger i ett tunt skikt på ett isolerande ma- terial. Hela etslagret står vid etsningens inledande fas i elektrisk förbindelse med samma elektriska pol. När väl spalten är genometsad utmed någon linje mellan spaltens kanter bryts den elektriska förbindelsen mellan spaltens kanter. Vid etsmetoden enligt uppfinningen fortsätter små strömmar att ledas mellan etsmaterialets ytor, t ex mel- lan spaltens båda sidor och eventuellt också ett kvarva- rande mellanliggande parti av etsmaterialet, varför ets- förloppet fortsätter till dess att man väljer att stoppa det, vid färdigt genomförd etsning. Ingen sammankoppling mellan flera fristående kvarvarande materialpartier krävs därför.This property is useful, for example, in the production of narrow gaps in an electrically conductive etching material, which is present in a thin layer on an insulating material. The entire etching layer is in electrical connection with the same electrical pole at the initial phase of etching. Once the gap is etched along any line between the edges of the gap, the electrical connection between the edges of the gap is broken. In the etching method according to the invention, small currents continue to be conducted between the surfaces of the etching material, for example between both sides of the gap and possibly also a remaining intermediate portion of the etching material, so the etching process continues until one chooses to stop it, when completed. etching. No interconnection between several independent remaining batches of material is therefore required.

I det nedanstående beskrivs olika särskilda utfö- ringsformer av uppfinningsförfarandet.In the following, various particular embodiments of the method of the invention are described.

Vid etsning av ett etsmaterial som består av två eller flera över varandra anordnade skikt av ledande ma- terial med olika elektrokemisk potential är det möjligt att på ett enkelt sätt bestämma hur djupt man har etsat.When etching an etching material consisting of two or more superimposed layers of conductive material with different electrochemical potential, it is possible to determine in a simple manner how deeply one has etched.

Detta ástadkommes genom att man i avsaknad av en pàlagd spänning bestämmer den galvaniska spänningen mellan ets- materialet och en referenselektrod. När etsmaterialet om- fattar två olika material som i olika stor utsträckning är i elektriskt ledande kontakt med etsvätskan, bildas olika stor galvanisk spänning i vätskan.This is achieved by determining, in the absence of an applied voltage, the galvanic voltage between the etching material and a reference electrode. When the etching material comprises two different materials which to varying degrees are in electrically conductive contact with the etching liquid, different galvanic voltages are formed in the liquid.

Vid en särskild utföringsform av uppfinningen, vilken visas i fig 3, utformas elektroden 8 med ett mot det elektriskt ledande materialet 6 riktat, avsmalnande parti 18. Elektroden har därvid en spets, vilken är iso- lerad med ett elektriskt isolerande skikt utom vid sin yttersta ände 20. Med en sådan spetsig elektrod 6 är det möjligt att etsa mycket små strukturer anisotropt utan 508 155 20 10 15 20 att något etsskyddsskikt är närvarande. Vid experiment med en sådan spetsig elektrod på ett avstånd av 4 nm från etsmaterialet har man utan etsskyddsskikt lyckats etsa spalter med en bredd av 35 nm.In a particular embodiment of the invention, which is shown in Fig. 3, the electrode 8 is formed with a tapered portion 18 directed towards the electrically conductive material 6. The electrode then has a tip which is insulated with an electrically insulating layer except at its outermost part. end 20. With such a pointed electrode 6 it is possible to etch very small structures anisotropically without any etch protection layer being present. In experiments with such a pointed electrode at a distance of 4 nm from the etching material, it has been possible to etch gaps with a width of 35 nm without an etching protection layer.

Med uppfinningen och olika utföringsformer därav uppnås en stor mängd fördelar. Bland dessa kan nämnas att förfarandet är synnerligen skonsamt, dels eftersom ets- lösningen är starkt utspädd, dels för att endast låga spänningar utnyttjas. Detta leder till att etsskyddsskik- tet ej utsätts för någon nämnvärd påverkan vid etsning.With the invention and various embodiments thereof, a large number of advantages are achieved. Among these, it can be mentioned that the method is extremely gentle, partly because the etching solution is strongly diluted, partly because only low voltages are used. This means that the etching protection layer is not exposed to any significant impact during etching.

Därför kan man använda sig av ett mycket tunt etsskydds- skikt, ned till molekyltjocklek, Dessutom kan man bibehålla jämna etsskyddsskiktskanter av ett isolerande ämne. invid en etsyta under etsning och sålunda etsa jämna kon- turer, även vid mycket små strukturer, ned till nanome- ternivå. Detta har hittills ej varit möjligt med något tidigare känt etsförfarande.Therefore, a very thin etch protection layer can be used, down to molecular thickness. In addition, even etching protection layer edges of an insulating substance can be maintained. next to an etching surface during etching and thus etch even contours, even with very small structures, down to the nanometer level. Until now, this has not been possible with any previously known etching procedure.

Uppfinningsförfarandet är dessutom snabbare än plas- maetsning, och etsapparatur för etsning med hög precision av stora arbetsstycken motsvarar etsapparatur för etsning av mindre arbetsstycken, varför precisionsetsning av stora arbetsstycken nu möjliggjorts till rimlig kostnad.In addition, the invention process is faster than plasma etching, and etching equipment for high precision etching of large workpieces corresponds to etching equipment for etching smaller workpieces, so precision etching of large workpieces has now been made possible at a reasonable cost.

Claims

10 15 20 25 30 35 21: sne 155 PATENTKRAV

A method for etching small structures, in particular in an electrically conductive etching material by means of an etchant which is an ionically separated structures less than 50 μm, a substance capable of reacting etching with the etching material and which in concentrated solution and in the absence of elec trical field is useful for isotropic etching of structures in the etchant, characterized in that the etchant is brought into contact with the etchant in a dilute solution in which the etchant is present in a concentration of not more than 200 mM, the etchant being able to absence of electric field is not more than 5 nm / s; etching the etch material in and out of the diluted solution, an electrode is brought into contact with the etchant and a voltage of not more than 10 V is applied between the electrode and the etchant, the electrode being arranged at a distance of not more than 3 cm from the etch surface and wherein the etchant at the etching material is exposed to an electric field of such a strength that an anisotropic etching of small structures in the etching material is achieved.

A method according to claim 1, wherein the ability of the etchant to, in the diluted solution, etch the etchant material in the absence of an electric field is at most 3 nm / s.

A method of etching according to any one of the preceding claims, wherein the strength of the electric field is such that the etchant, in the diluted solution, is given an increased etching rate which is preferably doubled, and more preferably becomes at least ten times greater than in the absence of it. electric field.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the etchant in the diluted solution is present in a concentration of not more than 100 mM, preferably in a concentration of not more than 50 mM and more preferably in a concentration of less than 10 mM. sos 135 22 10 15 20 25

Method according to any one of the preceding claims, in which the applied voltage between the electrode and the etching material is at least 0.5 V, preferably at least 1 V and more preferably at least 1.5 V, and at most 5 V, preferably at most 3 V.

Method according to one of the preceding claims, in which the electrode has a tapered portion directed towards the electrically conductive material, which is arranged at a distance of at most 10 nm from the etching material.

A method for etching according to any one of the preceding claims, wherein etching takes place during a plurality of first time periods, between which the electric field changes. in which the electric field, between said first time periods,

The etching method according to claim 7, has the reverse direction during other time periods.

A method of etching according to any one of claims 7 or 8, measuring etched depth is performed during third time periods, in which, between said first time periods, no electric field affects the etchant.

A method of etching according to any one of claims 7-9, wherein said first time periods are equal to the time interval between them and amount to at most 200 ms, preferably at most 100 ms, and at least 10 ms, at least 50 ms. fšos 155 22; TABLE I No. CC (NH _) "(NO,) _ CH, COOH H20 Voltage Temp Total time Conc. [G] [ml] [m1] [v] [° C] l [l10nm] [mwLAR] active 16-20 3.5 1000 2 v 25 36-21 17 25 5 1000 DC / (50ms pulse) 2 V 25 45-39 13 * 5 5 500 Dc szv 25 525 18.07 19 * 5 1 400 DC / (SOms pulse) 2 V 25 Q s 22-75 20 * 5 1 1000 DC / (100ms pulse) 2 V 25 šZ s 9-11 * = Gives the best results. It is easy to control the edge shape (Chemically etched <3Å / s) - = Some undercut TABLE II m1 Ammonium persulfate H20 anmerk_ Kom [å] [m1] [mMLAIq 3 2 100 (2 v, sometimes pulse), (1o-15s), s-1ottm cu 81-12 J * 4 0,5 100 (2 V, 15ÛmS pulse ), (105), 5_um Cu H93