DE10197137B4

DE10197137B4 - Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE10197137B4
Application number: DE10197137T
Authority: DE
Inventors: Markus Schmidt
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2001-01-08
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: AU2002234603A1; US6946390B2; JP3506248B2; WO2002054458A3; DE10197137T1; JP2002303992A; US20040132290A1; CN100418011C; WO2002054458A2; CN1527960A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen (32, 44, 58), welches den Schritt der fotolithografischen Erzeugung von Gräben (34) in einem Fotolack umfasst, wobei das Verfahren die Schritte der Bildung von Polymerbürsten (28) mittels Polymerpfropfverfahren an der Innenfläche der Gräben (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürsten (28) direkt an die vertikalen Flächen eines in dem fotolithografischen Schritt verwendeten Fotolacks (10) gebunden werden und dass die Bildung der Polymerbürsten (28) die folgenden Schritte umfasst:
a) Adsorbieren eines Polymerisationsstarters an den Innenflächen; und
b) Starten des Polymerisationsprozesses bis zur geeigneten Länge der Polymerketten (28).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein fotolithografische Prozesse. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung metallischer Strukturen, welches den Schritt der fotolithografischen Herstellung von Gräben in einem Substrat umfasst.
Hintergrund der Erfindung
In der Halbleitertechnologie und in der Mikroelektronik schrumpfen die Strukturdimensionen immer mehr. In der modernen Speicherproduktion werden mittels optischer Lithografie in Verbindung mit der Maskentechnik z. B. Strukturen mit einer Breite von weniger als 400 nm hergestellt. Fotolithografische Prozesse stellen bei der Herstellung von z. B. Halbleiterbauelementen wesentliche Schritte dar. Bei einem fotolithografischen Prozess wird eine Belichtungsstrahlung, und zwar üblicherweise ultraviolettes Licht (UV) verwendet, um durch eine Maske (im Folgenden als Fotomaske bezeichnet) einen mit einem Fotolack beschichteten Halbleiterwafer zu belichten. Die Aufgabe des fotolithografischen Prozesses besteht darin, eine Anzahl von Mustern auf den Wafer zu übertragen, die für die Schaltung repräsentativ sind. Die Muster auf der Fotomaske definieren auf dem Wafer Positionen, Formen und Dimensionen verschiedener Schaltkreisbauelemente wie beispielsweise Diffusionsbereiche, Metallkontakte und Metallisierungsschichten.
Infolge von Beugungseffekten ist bei der optischen Lithografie eine Auflösungsgrenze von ungefähr 150 nm zu erwarten. Für neue Anwendungen wie beispielsweise Ein-Elektron-Transistoren oder molekulare elektronische Komponenten werden Strukturen mit noch kleineren Dimensionen benötigt. Im Fall der VHF-Schaltkreise (Very High Frequency) gilt dies auch für die herkömmliche Elektronik. Es besteht auch ein Bedarf, z. B. die Lese- und Schreibdimensionen in Dünnschicht-Magnetköpfen zu verkleinern. Außerdem werden Mikrostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis von 5 bis 30 und größer benötigt.
Gegenwärtige fotolithografische Verfahren sind noch durch die Wellenlängen der verwendeten Belichtungsstrahlung beschränkt, um bis zu möglichst kleinen kritischen Dimensionen zu gelangen. Bisher wurde die Verkleinerung der kritischen Dimensionen meist durch die Verringerung der Strahlungswellenlänge, d. h. von der UV-Belichtung über die DUV-Belichtung bis hin zu Elektronen- und Röntgenstrahlen, erreicht. Mittels der Röntgen-Lithografie können z. B. Dimensionen kleiner als 100 nm abgebildet werden. Bei der Elektronenstrahl- und Ionenstrahl-Lithografie können mittels hochenergetischer Teilchen Strukturen von nur 10 nm erzeugt werden. Hierfür sind jedoch aufwändige Vakuumsysteme und Strahlführungssysteme erforderlich. Außerdem können sich bei empfindlichen Komponenten infolge von Strahlenschäden im Substrat Probleme ergeben, da die hochenergetischen Teilchen die für die Ätzprozesse erforderlichen Fotolackschichten durchdringen können.
In US 5,837,426 A wird ein fotolithografischer Prozess offengelegt, der verringerte Leitungsbreiten oder verringerte Leitungsabstände zwischen den Bauelementen des Schaltkreises auf einem IC-Chip bereitstellt, wodurch der IC-Chip einen höheren Integrationsgrad erreichen kann. Dieser fotolithografische Prozess beinhaltet einen Doppelbelichtungsprozess auf demselben Wafer, der sich dadurch auszeichnet, dass entweder dieselbe Fotomaske an zwei unterschiedlichen Positionen angeordnet wird oder dass zwei Fotomasken verwendet werden.
In US 6,042,993 A wird ein Prozess zur Herstellung fotolithografischer Strukturen kleiner als 200 nm offengelegt, bei dem eine Schicht von amorphen Wasserstoff enthaltendem Kohlenstoff mit einer optischen Energiebandlücke von < 1 eV oder eine Schicht von gesputtertem amorphem Kohlenstoff als Grund-Fotolackschicht auf ein Substrat aufgebracht wird; auf die Grund-Fotolackschicht wird als Deck-Fotolackschicht eine Schicht eines elektronenstrahlempfindlichen siliciumhaltigen oder silylierbaren Fotolacks aufgebracht; die Deck-Fotolackschicht wird dann mittels Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy, STM) oder Rasterkraftmikroskopie (Scanning Force Microscopy, SFM) mit Elektronen mit einer Energie von 80 eV strukturiert; die Struktur wird dann durch Ätzen in einem anisotropen Sauerstoffplasma auf die Grund-Fotolackschicht und anschließend durch Plasmaätzen auf das Substrat übertragen.
In US 5 895 740 A wird ein Verfahren zur Bildung von Hohlräumen in einer nichtleitenden Schicht auf einer Halbleiterbaugruppe offengelegt, bei dem zunächst ein vorbehandeltes Halbleiterträger mit einer nichtleitenden Schicht und einer lichtundurchlässigen Platinenlackschicht bereitgestellt wird; auf die nichtleitende Schicht und die lichtundurchlässige Platinenlackschicht wird dann konform eine polymere Materialschicht aufgebracht; die polymere Materialschicht wird dann angeätzt, um polymere Seitenwand-Abstandshalter auf der lichtundurchlässigen Platinenlackschicht zu bilden; in die nichtleitende Schicht werden dann Hohlräume eingeätzt, um den Halbleiterträger freizulegen.
In JP 02-257624 A , Patent Abstracts of Japan, 1990, 02-257624 , sowie der zugehörigen japanischen Offenlegungsschrift wird ein Verfahren zur Bildung von Widerstandsrastern offengelegt, bei dem eine Nitrocellulose-Dünnschicht auf der Oberfläche eines Siliziumträgers gebildet wird; die Dünnschicht wird mit einem Argonfluorid-Excimer-Laser bestrahlt; Nitrocellulose in einem vom Laser bestrahlten Bereich wird zersetzt und entfernt; ein Raster der Nitrocellulose-Dünnschicht wird gebildet; der Träger wird mit einer Elektronenkanone bestrahlt; ein aktives Radikal wird auf dem Raster gebildet, mit Luftsauerstoff verbunden und in ein Hydroperoxid und ein Diperoxid umgewandelt, die bei Raumtemperatur vergleichsweise stabil sind; ein monomeres Styrolgas wird eingesetzt und erhitzt; eine Pfropfpolymerisationsreaktion wird ausgelöst; eine Pfropfpolymerschicht aus Styrol wird auf dem Raster gebildet.
Es besteht jedoch noch ein Bedarf, Schichtdicken von einigen Nanometern bis zum Mikrometerbereich zu erzeugen.
Überblick über die Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Verringerung der Breiten von fotolithografisch erzeugten Grabenstrukturen unterhalb der Beugungsgrenze bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Strukturen mit einem sehr großen Aspektverhältnis bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren bereitzustellen, das leicht in die vorhandenen fotolithografischen Verfahren integriert werden kann.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren erreicht.
In den beiliegenden Unteransprüchen werden vorteilhafte Ausführungsarten der Erfindung beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A bis 1I stellt schematisch die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer Ausführungsart der Erfindung dar;
2A bis 2O zeigt schematisch die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer zweiten Ausführungsart der Erfindung;
3A bis 3O stellt schematisch die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer dritten Ausführungsart der Erfindung dar;
4A bis 4E stellt schematisch die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer vierten Ausführungsart der Erfindung dar;
5 zeigt schematisch die verringerte Breite eines gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Grabens.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsart
Lithografische Prozesse werden üblicherweise in der Halbleiterproduktion eingesetzt, um zum Beispiel gemäß verschiedenen funktionellen und/oder konstruktiven Vorgaben zur Herstellung eines gewünschten Halbleiterbauelements eine Maske auf einer zu strukturierenden Schicht zu bilden.
Bei einem typischen lithografischen Prozess wird auf der zu strukturierenden Schicht ein Fotolack abgeschieden und durch eine Maske mit ultravioletter Strahlung belichtet, welche das im Fotolack zu bildende Muster definiert. Dann wird der Fotolack entwickelt, um auf der darunter liegenden zu strukturierenden Schicht eine strukturierte Fotolackschicht zu bilden. Die nicht durch den Fotolack bedeckten Teile der darunter liegenden Schicht können dann mittels geeigneter Ätzverfahren und chemischer Verfahren geätzt werden. Das Muster im Fotolack wird somit in die darunter liegende Schicht übertragen.
Bei typischen lithografischen Prozessen sind jedoch Größe und Packungsdichte der hergestellten Halbleiterbauelemente begrenzt. Zum Beispiel wird durch die maximale Auflösung des lithografischen Prozesses der kleinstmögliche seitliche Abstand bestimmt, in dem Merkmale einer strukturierten Schicht angeordnet werden können. Die maximale lithografische Auflösung eines Strukturierungsprozesses kann zum Beispiel von dem zur Belichtung des Fotolacks mit der Strahlung durch die Maske verwendeten Objektiv abhängen.
Die vorliegende Erfindung bedient sich des Konzepts des Polymerpfropfens, um die Breite fotolithografisch erzeugter Gräben unter die Abbildungsgrenze zu verringern und das Aspektverhältnis solcher Gräben und darin wiederum erzeugter metallischer Strukturen zu vergrößern. Mit dem Begriff Polymerpfropfen werden Polymerisationen bezeichnet, bei denen Pfropfpolymere gebildet werden. Bei „grafting-to-Verfahren („Aufpfropfen") wird ein zuvor erzeugtes Polymer an der Oberfläche fixiert, während bei „grafting-from"-Verfahren („Startpfropfen") eine Polymerisationsreaktion von der Oberfläche aus gestartet und das Polymer an Ort und Stelle gebildet wird. Im Folgenden werden nur „grafting-from"-Verfahren beschrieben. Aufpfropfen ist zwar auch möglich, jedoch ist es durch das Diffusionsverhalten der zuvor gebildeten Polymerketten der Adsorbensketten beschränkt. In diesem Fall wird die vorgebildete Fotolackstruktur (siehe unten) durch ein Polymer mit einer terminalen funktionellen Gruppe beschichtet, die mit der Oberfläche kompatibel ist. Der Adsorptionsprozess findet statt und hinterlässt die Fotolackoberfläche mit dem chemisch daran gebundenen Polymer und verringert die vorgebildeten kritischen Dimensionen der Fotolackstruktur beträchtlich.
Die Polymerisation lässt sich so steuern, dass Schichten mit einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu Mikrometern aufgebracht werden können. Somit besteht bezüglich der erzeugten inneren Breite keine untere Grenze bzw. bezüglich des erreichbaren Aspektverhältnisses keine obere Grenze.
Durch Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es möglich, mittels niedrig auflösender fotolithografischer Geräte Strukturen zu erzeugen, die man normalerweise nur mit Geräten der nächsten Generation erreichen kann.
Das beschriebene Verfahren eignet sich zwar besonders für die Herstellung von Dünnschichtköpfen, ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann in allen Verfahren eingesetzt werden, bei denen Mikrostrukturen mit großem Aspektverhältnis hergestellt werden sollen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann leicht in herkömmliche lithografische Prozesse einbezogen werden. Zusätzlich zur Standard-Fotolithografie kommen der Schritt der Adsorption eines Polymerisationsstarters an den vertikalen Flächen der Grabenstruktur und der Startschritt des Polymerisationsprozesses zur Erreichung der beabsichtigten Dicke der Polymerschicht, der so genannten Polymerbürsten.
Im Folgenden werden vier verschiedene Prozesse unter Verwendung von Verfahrensschritten gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verringerung der Breite in einem Fotolack fotolithografisch hergestellter Grabenstrukturen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt, da ein Fachmann unter Verwendung der vorliegenden Erfindung auch andere Prozessabläufe entwickeln kann.
Verfahren 1
1A bis 1I stellt schematisch die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer Ausführungsart der Erfindung dar, die davon ausgeht, dass der verwendete Fotolack und das für die Herstellung der Polymerbürsten erforderliche niedermolekulare Material (Startermolekül) kompatible chemische Eigenschaften aufweisen, sodass das niedermolekulare Material chemisch an den Fotolack gebunden werden kann.
In einem ersten Schritt wird unter Verwendung einer Standard Fotostruktur, z. B. auf Basis von Poly(tert-butoxycarbonyl)(P(t-BOC)Styrol), ein Graben erzeugt. Auf eine Keimschicht 12 auf einem Substrat 14 wird ein Fotolack 10 aufgebracht, anschließend wird der Fotolack 10 mit der Strahlung 16 unter Verwendung einer Maske 18 belichtet und getempert (1A). Nach dem Temperprozess wird der Fotolack 10 entwickelt (1B).
Damit die funktionellen Gruppen des Startermoleküls in der Lage sind, sich mit den vertikalen Flächen des so gebildeten Fotolacks chemisch zu verbinden, müssen an diesen Flächen oder Wänden ausreichend viele Verankerungspunkte vorhanden sein. Als Startermolekül kann jede Verbindung verwendet werden, die in der Lage ist, eine radikalische Polymerisation auszulösen. Die Kondensationspolymerisation stellt jedoch auch einen möglichen Reaktionsweg dar. Als funktionelle Gruppen können alle Gruppen dienen, die chemisch gebunden werden oder eine ausreichend hohe Bindungsenergie aufweisen, um einen Verankerungspunkt zu bilden. Beispiele hierfür sind a) Silane/oxidische Oberflächen, b) Thiole/Gold oder c) Copolymere, die in die Fotolackoberfläche eingebunden werden und den Starter enthalten.
So muss bei Verwendung von Azomonochlorsilan (AMCS) als Startermolekül eine ausreichend große Anzahl OH-Gruppen vorhanden sein. Das ist z. B. bei einigen im tiefen UV verwendeten Fotolacken der Fall. Nach der Belichtung solcher Fotolacke mit Strahlung im tiefen UV steht an den vertikalen Flächen des Fotolacks 10 ein Bereich 20 mit einer erhöhten Anzahl OH-Gruppen zur Verfügung.
Als Nächstes wird die so erzeugte Struktur in einem Spülschritt mit dem Startermolekül AMCS in Berührung gebracht. An den OH-Gruppen 20 wird unter Bildung von Silanolverbindungen das Startermolekül chemisorbiert, wodurch eine Monoschicht 22 aufgebaut wird (1C). Die Reaktion findet bei Raumtemperatur statt.
Nach der Beschichtung mit dem Startermolekül wird ein geeignetes Monomer 24, wie z. B. Polystyrol (PS), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), aufgebracht (1D), und die Struktur anschließend in einen (nicht gezeigten) Polymerisationsreaktor gebracht, in dem eine radikalische Polymerisation durchgeführt werden kann. Der Reaktor ist erforderlich, um saubere Bedingungen zu gewährleisten und den Gasen aus der Umgebung, die Sauerstoff enthalten können, den Zutritt zu verwehren. Für die Polymerisation können Standardverfahren eingesetzt werden.
Wenn die Polymerisation durch Erwärmung auf etwa 60°C oder durch Belichtung der Struktur mit UV-Strahlung ausgelöst wird, werden an den erzeugten vertikalen Seitenwänden freie Polymerketten 26 sowie Polymerketten 28 gebunden. Die freien Polymerketten 26 bilden sich in der Nähe des Startermoleküls und verflechten sich mit den gebundenen Ketten 28. Oberhalb der Struktur (1E) verbleibt eine Schicht 30 mit freiem Monomer, da hier kein Starter in der Nähe ist, mit dem eine Reaktion eingegangen werden kann.
Der Polymerisationsgrad kann durch die Zerfallseigenschaften des Startermoleküls gesteuert werden. Die Fotochemie des AMCS unterliegt statistischen Gesetzmäßigkeiten. In Abhängigkeit von Photonenstrom und Belichtungszeit zerfällt eine bestimmte Anzahl AMCS-Moleküle und startet eine Polymerkette. Die Anzahl der Plätze mit zerfallenen StartermolekÜlen wird in die Anlagerung des gebundenen Polymers und dann in eine bestimmte Schichtdicke umgesetzt, die der Anzahl der Plätze mit zerfallenen Startermolekülen entspricht. Auf diese Weise kann die Schichtdicke des zugefügten Polymers bestimmt werden.
Nach Beendigung der Polymerisation muss das freie Polymer, d. h. das nicht an den vertikalen Seitenwänden der Struktur gebundene Polymer, mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt werden, d. h. mittels eines Lösungsmittels, das nur die freien Polymerketten 26 entfernt und die an die vertikalen Seitenwände gebundenen intakten Polymerketten 28 zurücklässt, sodass Polymerbürsten gebildet werden, die die Oberflächenrauigkeit verringern. Dadurch wird, wie man in 4 sieht, die Breite d_l der in der Fotolackschicht erzeugten Grabenstruktur um die Dicke der Polymerbürsten an den vertikalen Seitenwänden des Fotolacks auf den Wert d_z verringert.
Anschließend wird die Herstellung der metallischen Mikrostruktur durch bekannte Prozessschritte wie Galvanisieren, Ionenimplantation usw. fortgesetzt. Das Entfernen der Fotolackstruktur erfolgt mittels eines herkömmlichen Standard-Ablöseprozesses, z. B. unter Verwendung von N-Methylpyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel. Nach Entfernen der Keimschicht 12 verbleibt die metallische Mikrostruktur 32, die infolge der verringerten Breite d₂ des Grabens ein größeres Aspektverhältnis aufweist als eine ähnliche ohne die Bildung der Polymerbürsten 28 gebildete Struktur.
Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Herstellung metallischer Mikrostrukturen beschränkt ist, sondern z. B. auch bei der Bildung von Durchgangslöchern und Ähnlichem in der Halbleiterindustrie verwendet werden kann.
Verfahren 2
In den 2A bis 2O sind die Prozessschritte eines Prozesses gemäß einer zweiten Ausführungsart der Erfindung gezeigt.
Dieser Prozess ist wegen des weiteren Schrittes des Aufbringens einer zusätzlichen Oxidschicht, die mit der Chemie des Startermoleküls kompatibel ist, von den Eigenschaften des verwendeten Fotolacks unabhängig. Dies hat den Vorteil, dass der Prozess von dem verwendeten Fotolack völlig unabhängig ist. Wenn nicht ganz klar ist, ob der Prozess mit dem ausgewählten Fotolackmaterial realisiert werden kann, kann dieses Verfahren interessant sein.
Ein Graben 34 wird, wie aus 2A und 2B zu ersehen, im Fotolack 36 erzeugt, indem der Fotolack 36 auf ein Substrat 38 mit einer Keimschicht 40 aufgebracht, die Struktur mit einer Strahlung belichtet, getempert und der Fotolack entwickelt wird. Der einzige Unterschied zu dem in 1A gezeigten Prozess besteht darin, dass anstelle einer Struktur auf Basis von P(t-BOC)Styrol eine Standardfotostruktur auf Basis von Diazonaphthochinon(DNQ)-Novolak als Beispiel verwendet wird.
Demzufolge ist es erforderlich, eine zusätzliche Schicht 42 aus einem oxidischen Material wie z. B. SiO_x oder Al₂O₃ aufzubringen, dessen chemische Eigenschaften mit denen des Startermoleküls kompatibel sind. Je nach der gewünschten Funktionalität kann es auch ein dünner Goldfilm mit Thiolbindung sein. Diese zusätzliche Schicht 42 wird durch bekannte Verfahren wie z. B. Sputtern (2C) sowohl auf die vertikalen als auch auf die horizontalen Flächen der Struktur aufgebracht.
Im nächsten Schritt (2D) wird diese zusätzliche Schicht durch anisotropes Ätzen, wie z. B. reaktives Ionenätzen (Reactive Ion Etching, RIE) mittels z. B. CF₄ als Ätzmittel, von den horizontalen Flächen der Struktur entfernt, sodass die oxidische Schicht 42 lediglich an den vertikalen Flächen der Struktur zurückbleibt, an die das Polymer gebunden werden soll.
Die nächsten Prozessschritte, d. h. das Aufbringen von Polymerbürsten, Galvanisieren, Ionenimplantation usw. (2E bis 2I) sind mit den in Verfahren 1 durchgeführten und in 1C bis 1G gezeigten Schritten identisch.
Nach dem Galvanisierungsschritt (2I) wird der Fotolack 36 durch einen herkömmlichen Ablöseprozess mittels NMP entfernt. Durch diesen NMP-Ablöseprozess kann die zusätzliche Oxidschicht 42 jedoch nicht entfernt werden. In diesem Fall werden die Reste, z. B. durch Magnetronätzen oder einen Snowclean-Prozess, bei dem CO₂ auf die Struktur geleitet wird, entfernt (2L).
Nach dem Entfernen der Keimschicht 40 (2M) bleibt die Mikrostruktur 44 zurück, die aufgrund der verringerten Breite d₂ des Grabens ein größeres Aspektverhältnis als eine ähnliche Struktur hat, die ohne Bildung der Polymerbürsten hergestellt wird.
Verfahren 3
In 3A bis 3O werden die Prozessschritte eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsart der Erfindung gezeigt.
Dieser Prozess beschreibt den so genannten Bildübertragungsprozess, d. h. ein Verfahren zum Übertragen einer Fotostruktur von einer dünnen Fotoschicht auf eine Ätzmaske und die nachfolgende Übertragung dieser Struktur auf eine zugrunde liegende Fotolackschicht mittels RIE.
Zuerst wird auf dem Substrat 46 eine Dreischichtstruktur gebildet (3A), die aus einer auf einer Keimschicht 50 gebildeten Fotolackschicht 48 (Grund-Fotolackschicht), einer aus Metall oder Metalloxid bestehenden Hartmaske 52 und einer aus einer darüber liegenden lichtempfindlichen Deck-Fotolackschicht bestehenden Abbildungsschicht 54 besteht.
Nach Belichtung des Fotolacks mit einer Strahlung und seiner Entwicklung wird die Struktur der Abbildungsschicht 54 auf die Hartmaske 52 und anschließend durch RIE auf die Fotolackschicht 48 übertragen (3B bis 3D).
Als Nächstes wird, wie oben in Verfahren 2 beschrieben, eine oxidische Schicht 56 auf die vertikalen und horizontalen Flächen der Struktur aufgebracht (3E).
Diese Schicht wird anschließend mittels RIE von den horizontalen Flächen der Struktur entfernt.
An das Entfernen der oxidischen Schicht 56 schließt sich die Bildung der Polymerbürsten gemäß den oben beschriebenen Schritten der Verfahren 1 und 2 (3G bis 3I) an.
Anschließend wird das freie Polymer durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt und die Abbildungsschicht 54 abgelöst (3K).
Die Bildung der fertigen Struktur erfolgt, wie in den Verfahren 1 und 2 beschrieben, mittels Galvanisieren und Ionenimplantation usw. (3L).
In den nächsten Schritten werden die Hartmaske 52 und die Grund-Fotolackschicht 48 entweder in einem einzigen Schritt oder in zwei Einzelschritten mittels RIE entfernt (3M).
Abschließend werden die oxidischen Materialreste und die Keimschicht durch Ionenbeschuss entfernt, wodurch die metallische Mikrostruktur 58 zurückbleibt, die aufgrund der verringerten Breite d₂ des Grabens ein größeres Aspektverhältnis hat als eine ähnliche Struktur, die ohne Bildung der Polymerbürsten gebildet wird.
Verfahren 4
In 4A bis 4E sind die Prozessschritte eines Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsart der Erfindung gezeigt.
Dieser Prozess beschreibt eine Breitenverringerung in der Abbildungsschicht unter Verwendung von Polymerbürsten gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem Bildübertragungsprozess von Verfahren 3.
Zuerst wird auf dem Substrat 60 eine Dreischichtstruktur gebildet, die aus einer auf einer Keimschicht 64 gebildeten Fotolackschicht 62 (Grund-Fotolackschicht), einer aus Metall oder Metalloxid bestehenden Hartmaske 66 und einer aus einem darüber liegenden lichtempfindlichen Fotolack bestehenden Abbildungsschicht 68 besteht (4A).
Als Nächstes wird das Startermolekül aufgebracht, durch das die Anzahl der OH-Gruppen an den Seitenwänden erhöht und eine Monoschicht 70 gebildet wird (4B).
Im nächsten Schritt wird ein geeignetes Monomer 72 aufgebracht (4C) und die Polymerisation ausgelöst (4D).
Nach dem Abwaschen des freien Polymers mit einem geeigneten Lösungsmittel bleibt der Fotolack der Abbildungsschicht 68 zurück (4E).
Die folgenden Prozessschritte sind Standard-Bildübertragungsschritte, d. h. das Entfernen der Hartmaske mittels RIE, Galvanisieren, Entfernen der Grund-Fotolackschicht und Entfernen der Keimschicht durch Sputterätzen.
Durch den zusätzlichen Schritt der „grafting-from"-Polymerisation können bei dem fotolithografischen Prozess die kritischen Dimensionen auf beliebige Abmessungen bis auf null verringert werden. Das bedeutet, dass die Fotolithografie bei Wellenlängen durchgeführt werden kann, die minimale Prozesskosten erfordern. Das Verfahren kann ganz allgemein bei Prozessen eingesetzt werden, bei denen eine kritische Dimension fotolithografisch definiert werden soll. Unmittelbare Anwendungen sind die Verringerung der Lese- und Schreibdimensionen von Dünnschicht-Magnetköpfen, jedoch kann die Erfindung in jedem Verfahren eingesetzt werden, bei dem Mikrostrukturen mit großem Aspektverhältnis hergestellt werden sollen.

10: Fotolack
12: Keimschicht
14: Substrat
16: Strahlung
18: Maske
20: OH-Gruppen-Bereich
24: Monomer
26: freie Polymerkette
28: gebundene Polymerkette
30: Schicht aus freiem Polymer
32: metallische Struktur
34: Graben
36: Fotolack
38: Substrat
40: Keimschicht
42: zusätzliche Schicht
44: metallische Struktur
46: Substrat
48: Fotolackschicht
50: Keimschicht
52: Hartmaske
54: Abbildungsschicht
56: oxidische Schicht
58: metallische Schicht
60: Substrat
62: Fotolack
64: Keimschicht
66: Hartmaske
68: Abbildungsschicht
70: Monoschicht
72: Monomer

Claims

Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen (32, 44, 58), welches den Schritt der fotolithografischen Erzeugung von Gräben (34) in einem Fotolack umfasst, wobei das Verfahren die Schritte der Bildung von Polymerbürsten (28) mittels Polymerpfropfverfahren an der Innenfläche der Gräben (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürsten (28) direkt an die vertikalen Flächen eines in dem fotolithografischen Schritt verwendeten Fotolacks (10) gebunden werden und dass die Bildung der Polymerbürsten (28) die folgenden Schritte umfasst: a) Adsorbieren eines Polymerisationsstarters an den Innenflächen; und b) Starten des Polymerisationsprozesses bis zur geeigneten Länge der Polymerketten (28).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürsten (28) durch ein „grafting-to"-Verfahren gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürsten (28) durch ein „grafting-from"-Verfahren gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsstarter in der Lage ist, funktionelle OH-Gruppen zu binden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsstarter ein Azomonochlorsilan ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürsten (28) an eine oxidische Schicht (42, 56) gebunden werden, welche an die vertikalen Flächen eines bei dem fotolithografischen Schritt verwendeten Fotolacks (36, 48) gebunden ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur ein Aspektverhältnis von 5 und größer aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsstarter aufgebracht wird, indem die vertikalen Wände der Grabenstruktur mit dem Starter beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: c) Aufbringen einer Schicht eines geeigneten Monomers; d) Starten eines Polymerisationsprozesses dieses Monomers, wodurch an die vertikalen Wände der Grabenstruktur gebundene Polymerbürsten sowie freie Polymerbürsten erzeugt werden, die nicht an die vertikalen Wände gebunden sind; e) Entfernen der nicht an die vertikalen Wände gebundenen freien Polymerbürsten; f) Bilden einer metallischen Struktur in der Grabenstruktur; und g) Entfernen des verbleibenden Fotolacks.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsstarter in einem Spülschritt aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotolack ein Fotolack auf Basis von P(t-BOC)Styrol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der zurückbleibenden Fotolackstruktur unter Verwendung von NMP als Ablösemittel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: a1) Aufbringen einer oxidischen Schicht (42) auf die vertikalen Wände der Grabenstruktur vor Schritt b); und a2) Entfernen der oxidischen Schicht (42) zusammen mit dem verbleibenden Fotolack (36) in Schritt g).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotolack ein Fotolack auf Basis von Diazonaphthochinon-Novolak ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Schicht (42, 56) aus der Gruppe SiO, und Al₂O₃ ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des verbleibenden Fotolacks durch reaktives Ionenätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur ein Aspektverhältnis von 5 oder größer aufweist.