DD298870A5 - Anordnung zur erzeugung lateraler strukturen mit gestuftem tiefenprofil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil. Die Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil unter Verwendung eines Excimerlasers dient vor allem der dreidimensionalen Mikrostrukturierung von Kunststoffen im Rahmen der Fertigung mikroelektronischer, -mechanischer und -optischer Bauelemente und Baugruppen. Erfindungsgemaesz wird in den Strahlengang eines Excimerlasers eine Maske angeordnet, die lateral Bereiche mit verschiedenen Reflexionsgraden und/oder mit verschiedenen Absorptionsgraden und/oder mit verschiedenen Streufaktoren besitzt.{gestuftes Tiefenprofil; Excimerlaser; dreidimensionale Mikrostrukturierung; mikroelektronisches Bauteil; mikromechanisches Bauteil; mikrooptisches Bauteil; Mikrostrukturierung von Kunststoffen}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Γ, zeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung zur dreidimensionalen Mikrostrukturierung von Kunststoffen im Rahmen der Fertigung mikroelektronischer, -mechanischer und -optischer Bauelemente und Baugruppen anzuwenden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Ein fertigungstechnischer Schwerpunkt im Rahmen der Mikroteohnik ist die Realisierung strukturierter Abtragsprozesse, wobei die Abmessungen der zu erzeugenden Strukturen häufig nur wenige Mikrometer betragen. Neben den Anforderungen, die sich aus den geringen Strukturbreiten ergeben, hat auch die Vielzahl verschiedener Materialien, die zu bearbeiten sind, zur Entwicklung zahlreicher Strukturierungsveifahren nach dem Substraktivprinzip geführt. Bekannte technologische Verfahren zur substraktiven Mikrostrukturierung sind:

- naßchemisches Ätzen,

- Trockenätzen (Plasmaätzen),

- Strukturierung mittels Laserstrahlen.

Beim naßchemischen Ätzen wird durch Anwendung spezieller flüssiger Reagenzien Material von der Substratoberfläche abgetragen. Um einen strukturierten Abtrag zu erreichen, wird die Substratoberfläche entsprechend dem vorgesehenen Layout partiell mit einem ätzresistenten Mittel, beispielsweise Siebdrucklack oder Fotoresist, ab gedeckt.

Das Verfahren, welches vorrangig im Rahmen der Leiterplattenfertigung genutzt wird, ist u.a. in Hanke, H.-J., Fabian, H.:

Technologie elektronischer Baugruppen, VEB Verlag Technik Berlin 1977, S.259-272 beschrieben.

Wie z. B. in Lessig, H.: Ein Beitrag zur Herstellung von vorgefertigten Montageelementen für integrierte Schaltkreise, Dissertation A, TU Dresden 1983, S. 15-16 dargestellt, läßt sich bei geeigneter Auswahl der Reagenzien das naßchemische Ätzen auch zur Strukturierung von Kunststoffen verwenden.

Von den bekannten Trockenätzverfahren, wie Plasma- oder lonenstrahlätzen, ist aufgrund der erreichbaren hohen Abtragsraten insbesondere das Plasmaätzen für Strukturierungsprozesse von Interesse.

Das Prinzip des Plasmaätzens besteht darin, daß durch Einwirkung eines in einer Gasentladung zwischen 50... 250°C im Druckbereich 0,1 ...1,5 χ 10²Pa von der Oberfläche des zu ätzenden Substrates Teilchen abgetragen werden (siehe Paul, R.:

Mikroelektronik-eine Übersicht, VEB Verlag Technik Berlin 1981, S.81-82).

Durch Anbringen einer Haftmaske kann in ähnlicher Weise wie beim naßchemischen Ätzen eine Strukturierung der Oberfläche erreicht werden. Das Plasmaätzen läßt sich besonders wirksam zur Strukturierung von Kunststoffen einsetzen.

Beim Strukturieren mittels Laserstrahlen kann durch Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen der Strahlung eine Vielfalt von Materialien bearbeitet worden.

Dabei wird entweder das Prinzip des „Direct Writing" oder das Maskenabbildungsverfahren angewendet.

Beim „Direct Writing" wird bei feststehendem Substrat o.r Laserstrahl programmgesteuert über die zu bearbeitende Oberfläche geführt und so die gewünschte Struktur geschrieben.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Werkstück mittels des Bearbeitungstisches programmgesteuert unter dem Laserstrahl zu bewegen (siehe Grünwald, F.: Fertigungsverfahren in der Gerätetechnik, VEB Verlag Technik Berlin 1985,

Beim Maskenabbildungsverfahren wird in den Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle und dem Substrat eine Maske eingesetzt. Diese Maske ist lateral mit Bereichen, die den Laserstrahl nahezu ungehindert passieren lassen und anderen Bereichen, die für den Laserstrahl undurchlässig sind, versehen. Die Anordnung der Teilbereiche korrespondiert dabei mit der auf dem Substrat zu erzeugenden Struktur. Der Laserstrahl wird entweder strichförmig fokussiert und über die Maske geführt (siehe Sowada, U., u.a.: Excimerlaser für die Materialbearbeitung, Laser und Optoelektronik Nr.2/1988, S.96-101) oder fiächenförmig aufgeweitet, so daß die gesamte Maskenoberfläche gleichzeitig mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird (siahe Poprawe, R., u.a.: Excimerlaser für die Mikrobearbeitung, Feinwerktechnik & Meßtechnik 97 [1989] 8-9, S.353-362). Das Verfahren der Maskenabbildung mit flächig geformten Laserstrahl wird in der Literatur auch als Excimerlaser-Projektionsverfahron bezeichnet. Die Anwendung des indirekten Maskenabbildungsverfahrens, eines Verfahrens, bei dem die Maske und das Substrat, wie vorstehend beschrieben, lokal voneinander getrennt sind, erfolgt vorrangig in Verbindung mit der Nutzung von Excimerlasern.

Bei der Arbeit mit direkten Masken wird entweder eine entsprechend strukturierte Metallschablone auf beispielsweise eine ,.

Kunststoff-Folie gelegt und mit einem Laser bestrahlt, so daß in den freiliegenden Flächen Material abgetragen wird (siehe IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 29, No.4 September 1986, S. 1862-1864) oder es wird, wie in DD-PS 147437 dargestellt, eine dünne Metallschicht fest mit der Oberfläche des Substrates, üblicherweise aus Kunststoff, verbunden, anschließend naßchemisch strukturiert, so daß Öffnungen in der Metallschicht entstehen. Bei der folgenden Laserbestrahlung wird das Substrat in den nicht von der Metallschicht bedeckten Bereichen abgetragen.

Nach der Bearbeitung kann die Metallmaske, sofern erforderlich, naßchemisch vollständig entfernt werden.

Nachteilig bei all den vorstehend genannten Verfahren ist, daß damit nur laterale Strukturen mit über der gesamten Anordnung einheitlichen Abtragstiefen erreicht werden können (von verfahrenstechnischen Tolorunzen abgesehen).

Bei der Fertigung mikroelektronischer, -mechanischer und -optischer Bauelemente und Baugruppen steht jedoch häufig die Aufgabe, laterale Strukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken, d. h. mit unterschiedlichen Abtragstiefen, zu realisieren.

Bisher wurden derartige Strukturen in der Weise hergestellt, daß man ausgehend von den bekannten Strukturierungsverfahren den Abtragsprozeß mehrstufig unter Anwendung unterschiedlicher Masken durchführte, d.h. bei Strukturen mit drei unterschiedlichen Abtragstiefen mußten drei Maskierungs- und Abtragsschritte vollzogen werden.

Der wesentliche Nachteil dieser Verfahrensweise ist, daß der Fertigungsaufwand mit den zusätzlichen Arbeitsschritten zunimmt und, das gilt vor allem für Strukturen im pm-Bereich, ein sehr hoher Aufwand zum genauen Positionieren der einzelnen nacheinander eingesetzten Fotoschablonen oder Masken erforderlich ist, um die zulässigen Toleranzen einhalten zu können.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine wirtschaftlichere Erzeugung von lateralen Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil im Rahmen der Fertigung mikromechanisrher, -elektronischer und -optischer Bauelemente und Baugruppen zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der-Erfindung ist es, laterale Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil in einem Bearbeitungsschritt herzustellen.

.Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in den Strahlengang eines Excimerlasers eine Maske eingefügt wird, die lateral für die jeweilige Wellenlänge des Lasers ein vorgegebenes, unterschiedliches Reflexions-, Absorptions- oder Streuvermögen aufweist. Die Energiedichte auf der Strahlenaustrittsseftc der Maske kann dabei Werte zwischen Null und dem Betrag der Energiedichte an der Strahleintrittsseite der Maske einnehmen.

Damit werden bei gleichverteilter Energiedichte am Strahleneingang der Maske definiert unterschiedliche Energiedichten an der Strahlaustrittsseite und somit auch an der Fokussieroptik und dem dahinter angeordneten Substrat erreicht.

Die Maske besteht dabei aus einem einheitlichen Material unterschiedlicher Schichtdicke, aus unterschiedlichen Werkstoffen bzw. aus mehrschichtigen Strukturen unterschiedlicher Werkstoffe.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt _N

Fig. 1: Anordnung zum Bearbeiten mit hohen Energiedichten

Fig.2: Maske i'

Fig. 3: Draufsicht auf einen mit der Anordnung bearbeiteten Kunststoffilm

Fig.4: Schnittdarstellung A-A der Figur 3

Fig. 5: Anordnung zum Bearbeiten mit geringen Energiedichten.

1. Entsprechend Figur 1 wird der aus einem Excimerlaser 1 austretende Strahl 2 mittels einer Linse 3 aufgeweitet und der Feldlinse 4 geformt. Nach der Feldlinse 4 ist die Maske 5 angeordnet; sie ist erfindungsgemäß lateral mit Bereichen versehen, die die Energiedichte des Laserstrahls so beeinflussen, daß an der Strahlaustrittsseite lateral unterschiedliche Energiedichten auftreten. Der derart modifizierte Laserstrahl wird mittels Bildlinse 6 fokussiert und trifft auf das Substrat 7, wo es zum Maierialabtrag kommt.

Eine Variante des Aufbaus der erfindungsgemäßen Maske wird in Figur 2 dargestellt. Auf einem für die verwendete Wellenlänge der Laserstrahlung transparenten Substrat 8, vorzugsweise aus Quarzglas, werden wechselweise dünne Schichten aufgebracht, die aus optisch hochbrechendem Material 9, z.B. ZrO₂ bzw. aus optisch niedrigbrechendem Material 10 z. B. SiO₂ bestehen. Durch eine lateral unterschiedliche Anzahl der Schichten entstehen Bereiche 11, die die Strahlung vollkommen reflektieren, Bereiche 12, die einen Teil der Strahlung reflektieren und Bereiche 13, die einen sehr geringen Reflexionsgrad bei der genutzten Wellenlänge aufweisen.

In Figur 3 ist ein mittels der in Figur 2 dargestellten Maskenstruktur bearbeiteter Kunststoffilm 14 in der Draufsicht dargestellt. Die Felder 15 und 16 gehen konform mit den Teilbereichen 12 und 13 der Maske 5.

Figur 4 verdeutlicht in der Schr.iUdarstellung eine Variante der unterschiedlichen Abtragstiefen, die mit der Maske 5 erreicht werden können.

Eine vereinfachte erfindungsgemäße Anordnung kann entsprechend Figur 5 dann verwendet werden, wenn, bezugnehmend auf die Strahlungsfestigkeit der Maske, mit geringen Energiedichten gearbeitet werden kann und/oder die erzeugenden Strukturabmessungen keine zusätzliche Fokussierung zur Erreichung der notwendigen Genauigkeit erfordern. Der vom Excimerlaser 1 austretende Laserstrahl 2 wird mit einer Linse 3 aufgeweitet und mit der Feldlinse 4 geformt. Die Laserstrahlen durchlaufen, in ei findungsgemäßer Weise beeinflußt, die Maske 5 und treffen direkt auf das dahinter angeordnete Substrat 7 auf, wo es zum Materialabtrag kommt.

Claims (4)

1. Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil unter Verwendung eines Excimerlasers sowie optischen Bauteilen zur Laserstrahlführung und Laserstrahlformung, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den optischen Bauteilen (4) und (6) bzw. zwischen dem optischen Bauteil (4) und einem zu bearbeitenden Substrat (7) eine Maske (5) angeordnet ist, die lateral vorgegebene Bereiche mit verschiedenen Reflexionsgraden und/oder mit verschiedenen Absorptionsgraden und/oder mit verschiedenen Sti eufaktoren für die eingesetzte Laserwellenlänge besitzt.

2. Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Maske (5) zur Einstellung verschiedener Reflexionsgrade aus einem für die eingesetzte Laserwellenlänge transparenter Träger und lateral vorgegebenen verschiedenen Mehrschichtstrukturen besteht.

3. Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Maske (5) zur Einstellung verschiedener Streufaktoren aus einem für die eingesetzte Laserwellenlänge transparenten Material besteht und ihre Oberfläche lateral vorgegebene unterschiedliche Rauhigkeitswerte aufweist.

4. Anordnung zur Erzeugung lateraler Strukturen mit gestuftem Tiefenprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Maske (5) aus einem Material besteht, dessen Absorptionskoeffizient für die eingesetzte Laserwellenlänge im Bereich von 10³ bis 10⁴ m~¹ liegt und daß die Maske zur Einstellung verschiedener Absorptionsgrade lateral vorgegebene Bereiche mit unterschiedlicher Materialdicke aufweist.