DE19844025A1 - Reaktives Ionen(strahl)ätzen von Oberflächen - Google Patents
Reaktives Ionen(strahl)ätzen von OberflächenInfo
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Abstract
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren für Quarz, Quarzglas und quarzhaltige Gläser zu schaffen, mit dem optische Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne eine nachteilige Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit formbearbeitet oder strukturiert werden können, so daß für Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr minimale und damit technologisch und/oder verfahrensökonomisch akzeptable Ätzzeiten erreicht werden und daß für Oberflächenformgebungen eine lokale Bearbeitung mit einem im Verhältnis zu der zu bearbeitenden Oberfläche kleinem Ionenstrahl oder einer gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls möglich ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß erstens ein reaktiver Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß mit einem oder mehreren der drei Gase CF¶4¶, C¶2¶F¶6¶ oder CHF¶3¶ als Hauptbestandteil des Ätzgases unter Zumischungen von SF¶6¶, XeF¶2¶, NF¶3¶ oder CH¶4¶ und mit Ionenenergien größer 600 eV, zwecks Gewährleistung eines hinreichend hohen Ionensputteranteils am Ätzprozeß, verwendet wird. Zweitens wird eine für den reaktiven Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß adäquat ausgerüstete RIE-Ätzanordnung oder Ionenstrahlquelle eingesetzt, deren Aufbau erfindungsgemäß durch den minimalen Einsatz der Materialien Graphit, Metall und Silizium bzw. Siliziumverbindungen (z. B. SiO¶2¶, Si¶3¶N¶4¶) für Bauteile im Plasmaentladungsraum, des Ionenabsaugsystems und der ggf. einzusetzenden Strahlformungsblenden bzw. Wechselmasken gekennzeichnet ist. ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Ionenätzen und Ionenstrahlätzen von
optischen Quarz, Quarzglas und quarzglashaltigen Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne
Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit.
Trockenätzverfahren werden zunehmend zur Bearbeitung optischer Oberflächen (Formbear
beitung und Politur) und zur Übertragung optischer Strukturelemente (Mikrooptiken, diffrak
tive optische Oberflächenelemente) in optische Materialien verwendet. Die Trockenätzverfah
ren bieten dafür eine Reihe von Vorteilen. Es ist zum einen die Flexibilität dieser Prozesse
hinsichtlich vielfältiger Bearbeitungsmöglichkeiten sowie deren Sauberkeit und zum anderen
die gute Steuerbarkeit der Ätzverfahren. Weiterhin sind die Verfahren in bezug auf ihren
Ätzangriff flächenmäßig skalierbar vom Nanometer- bis in den Meterbereich. Die
Technologien und Ätzanlagen stammen zunächst aus der Mikroelektronik, wo derartige Ver
fahren standardmäßig eingesetzt werden. Sie sind durch Anpassung der Parameter und ggf.
der Anlagen an die Anforderungen beim Ätzen von optischen Bauteilen in die Optikfertigung
übertragbar. Beispiele für eine solche Technik sind optische Strukturen, wie Mikrolinsen oder
Mikrolinsenarrays, die, zunächst hergestellt z. B. in einer Photoresistschicht auf optischen
Quarz oder Silizium, in einem Trockenätzschritt in dieses Material übertragen werden [Ph.
Nussbaum, R. Völkel, H.P. Herzig and R. Dändliker, Micro-Optics for Sensor Applications,
SPIE Vol. 2783 European Symposium on Lasers, Optics and Vision for Productivity in
Manufacturing (1996)] oder in ähnlicher Weise die Übertragung von in Photoresist oder
Elektronenstrahlresist erzeugten diffraktiven optischen Oberflächenelementen (Gitter, Fres
nellinsen, Hologramme) in Quarz, Glas oder Silizium [M.B. Stern, Binary Optics: A VLSI
based microoptics technology, Microelectronic Engineering 32 (1996)]. Verwendet werden in
diesen Fällen reaktive Ionenätzverfahren wie RIE (reactive ion etching) oder RIBE (reactive
ion beam etching). Diese Ätzverfahren werden meist bis zu Bearbeitungstiefen von einigen
Mikrometern erfolgreich in der Fertigung eingesetzt.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für den Einsatz von Trockenätzverfahren in der
optischen Industrie ist die Formfehlerkorrektur von Oberflächen von Hochleistungsoptiken
einschließlich von Röntgenstrahloptiken wie Linsen, Spiegel oder auch Planflächen. In
diesem Fall werden die Abweichungen der mit konventionellen optischen Polierverfahren
erzeugten realen Oberfläche von der berechneten idealen Oberfläche mit einem Ionenstrahl
korrigiert [L.N. Allen and H.W. Romig, Demonstration of an Ion Figuring Process, SPIE
Vol. 1333 Advanced Optical Manufacturing and Testing (1990)]. Hier handelt es sich um eine
lokale Oberflächenbearbeitung. Dabei wird mit einem im Verhältnis zu der zu bearbeitenden
Oberfläche kleinen Ionenstrahl oder mit einer mittels Blenden oder Lochmasken vor der
Ionenquelle (DE 41 08 404 C2) gesteuerten Ausblendung eines breiten Ionenstrahls und/oder
zusätzlich durch eine computergesteuerte Relativbewegung von Werkstück und Ionenstrahl
die Oberfläche lokal abgetragen. Diese Verfahren lassen sich neben der genannten
Formkorrektur auf Sphären- oder Planflächen natürlich auch zur Herstellung von
asphärischen Freiformflächen einsetzen. Die mit diesen Verfahren erreichbaren Genauig
keiten in der Bearbeitungstiefe liegen im unteren Nanometerbereich, selbst für Flächen mit
Abmessungen im Meterbereich. In Einzelfällen erlaubt diese Technologie die Herstellung von
Bauelementen die mit klassischen Schleif und Polierverfahren der Optik nur mit sehr hohem
Aufwand oder auch überhaupt nicht herstellbar sind. Für diese ionenstrahlgestützten ultraprä
zisen Oberflächenkorrektur- oder Oberflächenformgebungsverfahren wird ausschließlich
physikalisches Ionenstrahlätzen (IBE - ion beam etching), auch Ionenstrahlsputtern (IBM -
ion beam milling) genannt, meist mit Argon als Prozeßgas, eingesetzt. Ein wesentlicher
Nachteil dieses Ätzprozesses ist seine relativ geringe Abtragrate von nur einigen 10 nm/min.
die abhängig von dem zu bearbeitendem Material und den Ionenstrahlparametern etwas
variiert. Diese geringe Abtragrate schränkt die Anwendung aus technologischen und Wirt
schaftlichkeitsgründen auf die bereits genannten Formbearbeitungen (Polierfehlerkorrektur,
nanometrische Asphären z. B. zur Wellenfrontkorrektur optischer Systeme) mit Gesamtbear
beitungstiefen im Bereich von einigen zehn bis hundert Nanometern ein. Man spricht hier
auch von einer "Endbearbeitungstechnik" (engl. finishing technology). Ein spezielles
Trockenätzverfahren, wo sehr hohe Ätzraten von bis zu einigen 10 µm/min für spezielle
Materialien erreicht werden, ist PACE (plasma assisted chemical etching) [L.D. Bollinger, G.
Steinberg and C.B. Zarowin, Rapid optical figuring of aspherical surfaces with Plasma
Assisted Chemical Etching (PACE), SPIE Vol. 1618 Large Optics II (1991)], (US 807535).
Bei diesem Hochrateätzverfahren, das sowohl mit Subapertur-Plasmaquellen als auch mit
großflächigen Quellen betrieben wird, wird in einer topfförmigen Plasmaquelle ein Plasma
mit chemisch reaktiven Spezies gezündet. Legt man eine HF-Bias-Spannung an die zu
ätzende Oberfläche an, hat man einen chemisch reaktiv gestützten Ionenätzprozeß. Bei isolie
renden Substraten großer und/oder variabler Dicke (z. B. Glaslinsenkörper) macht die HF-
Bias-Spannung aufgrund der zu geringen und/oder inhomogenen Feldstärkeverteilung auf der
zu ätzenden Oberfläche keinen Sinn. In diesem Fall hat man einen rein chemisch reaktiven
Plasmaätzprozeß, bei dem der den Ätzprozeß unterstützende Ionenbeschuß der Oberfläche
fehlt und nur noch Radikale und angeregte Teilchen ätzen. Das führt materialabhängig meist
zu technologischen Nachteilen hinsichtlich einer geringeren Abtragrate aber auch
materialabhängig zu einer unerwünschten Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Im Fall der
lokalen Formbearbeitung, wird, wie oben für das Ionenstrahlverfahren beschrieben, die
Plasmaquelle computergesteuert über die Oberfläche gefahren oder in umgekehrter Weise das
Werkstück relativ zur Plasmaquelle bewegt oder eine Kombination aus beiden Möglichkeiten
angewendet.
Bei den mikrooptischen Bauelementen ist neben den o. g. Anwendungen mit Bearbeitungstie
fen im Mikrometerbereich auch der Bereich von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Tiefe
technologisch zunehmend erforderlich. Die Applikationen betreffen hier z. B. optische Wel
lenleiterstrukturen aber auch mikromechanische Strukturen, wobei allgemein derartige
Strukturen auch auf dicken Substraten zu erzeugen sind, bei denen eine Bearbeitung mit
bekannten Hochrateätzgeräten aus dem Bereich der Si-Bauelementetechnologie aus geometri
schen Gründen meist nicht möglich ist.
Im Rahmen der Entwicklung neuer optischer Hochleistungsbauelemente werden aus physika
lischen und technologischen Gründen zunehmend optische Oberflächenprofile im Optik
design verwendet, die mit klassischen Schleif und Polierverfahren nur mit großem Aufwand
oder gar nicht herstellbar sind. Das sind vor allem Asphärenflächen wie parabolisch, elliptisch
oder hyperbolisch gekrümmte Flächen mit hoher Asphärizität von einigen zehn bis zu einigen
hundert Mikrometern bezüglich ihrer Abweichung von der bestangepaßten Sphärenfläche
oder von einer Planfläche. Beispiele sind Spiegel und Monochromatoren für weiche und harte
Röntgenstrahlen, Neutronenleiter aber auch Komponenten für Hochleistungsoptiken vom UV-
bis in den IR-Bereich des Lichtes (z. B. Lithographieoptiken für die Halbleitertechnik oder
Hohlspiegel für die optische Kommunikation bei der Satellitendirektverbindung).
Die Abtragtiefen bei der Herstellung dieser Bauelemente von einigen zehn bis einige hundert
Mikrometer sind so groß, daß Haftmasken, wie sie z. B. für die Übertragung von Mikrolinsen
verwendet werden, nicht einsetzbar sind. Die lokalen physikalischen Inertgas-Ionenstrahl-
Oberflächenbearbeitungsverfahren IBE bzw. IBM scheiden aus den o. g. nachteiligen Gründen
auch aus.
Verwendet man für die lokalen Oberflächenbearbeitungsverfahren anstelle des Ionenstrahl
sputterns das reaktive Ionenstrahlätzen erreicht man die notwendigen höheren Ätzraten.
Jedoch kommt es beim Ätzen von Quarz oder quarzhaltigem Glas mit Fluorkohlenwasserstof
fen als Ätzgasen bei großen Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr zu einer
Aufrauhung der Oberfläche. Diese Aufrauhung wird wahrscheinlich durch eine lokale
mikroskopische Abscheidungen von Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff Fluor-Partikeln
verursacht. Derartige Partikel haben gegenüber dem zu ätzenden Quarz oder quarzhaltigen
Material eine bedeutend geringere Ätzrate und wirken dadurch auf der Oberfläche
maskierend. Diese Partikelabscheidung kann in gewissen Grenzen durch Zumischung von
Edelgas zum Ätzgas reduziert werden, was aber zu einer inaktzeptablen Verringerung der
Ätzrate führt.
Das Plasmahochrateätzverfahren PACE unterliegt teilweise merklichen Einschränkungen in
der Anwendbarkeit. So führt die hohe Selektivität des chemischen Ätzabtrages Materialien
die aus verschiedenen chemischen Bestandteilen bestehen, wie z. B. die meisten Gläser, zu
einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Dieser große Nachteil des PACE-Verfahrens wirkt
vor allem beim Ätzen von dicken isolierenden Substraten, wo keine definierte HF-Bias-
Spannung an das Substrat angelegt werden kann und somit nur ein rein chemisches Plasma
ätzen möglich ist. Der fehlende physikalische Sputteranteil führt dann beim Ätzen von Glä
sern, insbesondere mit Metalloxid- oder Alkalioxidanteilen zu einer Aufrauhung der
Oberfläche aufgrund der merklich geringeren chemischen Ätzraten dieser Bestandteile im
Vergleich zum reinen Quarz. Technische Probleme resultieren bei der chemischen
Ätzreaktion unter Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffgasen aus der Tatsache, daß die
Plasmen zur Polymerabscheidung neigen. Inhomogenitäten in der Plasmaentladung können
sowohl die Ätz- als auch die Abscheideraktionen in-situ ablaufen lassen. Die Ablagerung von
Kohlenstoff-Fluor-Polymeren bzw. von Partikeln auf der Oberfläche beim Ätzen unter
verfahrensbedingt hohen Druck und Gasdurchsatz ist die Ursache für Aufrauhungen infolge
Maskierung des Substratmaterials durch derartige Schichten oder Partikel. Ein weiterer
Nachteil beim PACE-Verfahren ist, daß es beim Ätzen über Substratkanten hinweg zu
Änderungen in der Plasmaentladung und damit zu Schwankungen in der Ätzrate kommt.
Nachteile ergeben sich weiterhin, daß aus dem Prinzip der Plasmaanregung heraus die hohe
Abtragrate über die Plasmadichte nur eingeschränkt steuerbar ist, bei HF- oder
Mikrowellenanregung nur über die eingespeiste HF- bzw. Mikrowellenleistung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren für Quarz, Quarzglas und quarzhaltige Gläser
zu entwickeln, mit dem optische Oberflächen mit hoher Ätzrate und ohne eine nachteilige
Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit formbearbeitet oder strukturiert werden können, so
daß für Abtragtiefen von einigen zehn Mikrometern und mehr minimale und damit
technologisch und/oder verfahrensökonomisch akzeptable Ätzzeiten erreicht werden und daß
für Oberflächenformgebungen eine lokale Bearbeitung mit einem im Verhältnis zu der zu
bearbeitenden Oberfläche kleinem Ionenstrahl oder einer gesteuerten Ausblendung eines
breiten Ionenstrahls möglich ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß erstens ein reaktiver Ionen- oder
Ionenstrahlätzprozeß mit einem oder mehreren der drei Gase CF4, C2F6 oder CHF3 als
Hauptbestandteil des Ätzgases unter Zumischungen von SF6, XeF2, NF3 oder CH4 und mit
Ionenenergien größer 600 eV, zwecks Gewährleistung eines hinreichend hohen
Ionensputteranteils am Ätzprozeß, verwendet wird. Zweitens wird eine für den reaktiven
Ionen- oder Ionenstrahlätzprozeß adäquat ausgerüstete RIE-Ätzanordnung oder
Ionenstrahlquelle eingesetzt, deren Aufbau erfindungsgemäß durch den minimalen Einsatz
der Materialien Graphit, Metall und Silizium bzw. Siliziumverbindungen (z. B. SiO2, Si3N4)
für Bauteile im Plasmaentladungsraum, des Ionenabsaugsytems und der ggf. einzusetzenden
Strahlformungsblenden bzw. Wechselmasken gekennzeichnet ist. Vorzugsweise wird dafür
erfindungsgemäß Aluminiumoxidkeramik als Konstruktionswerkstoff eingesetzt.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der Ätzgase werden Voraussetzung für einen nichtaufrau
henden reaktiven Ionenätzprozeß mit Fluorkohlenwasserstoffen durch die Unterdrückung der
Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff-Fluorpolymer-Abscheidung auf der Oberfläche während des
Ätzprozesses geschaffen. Erfindungsgemäß wird das durch eine Verringerung des Kohlen
stoff/Fluor-Verhältnisses im Plasma bzw. im Ionenstrahl erreicht. Bei hohen
Kohlenstoffanteilen kommt es zur Polymerabscheidung, bei hohen Fluoranteilen wird die
Polymerabscheidung unterdrückt. Das Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis wird erfindungsgemäß
mit den genannten Ätzgasgemischen verringert. Durch die kohlenstofffreien fluorhaltigen
Gase Schwefelhexafluorid und/oder Stickstofftrifluorid und/oder Xenondifluorid wird der
Fluoranteil im Plasma bzw. im Ionenstrahl erhöht. Die Aufrauhung der Oberfläche wird
dadurch unterdrückt. Weiterhin wird erfindungsgemäß mit steigendem Fluorgehalt die Ätzrate
von Quarz und quarzhaltigem Glas erhöht. Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit die
Aufrauhung beim reaktiven Ionenstrahlätzen optischer Oberflächen zu minimieren, ist die
Zumischung von Methan. Im diesem Falle entfernen die CHx-Ionen bzw. -Radikale (x = 1-3)
und der in der Plasmaentladung abgespaltene Wasserstoff durch chemische Reaktionen die
abgeschiedenen Kohlenstoff-Fluorpolymere von der Oberfläche bevor es zu einer Aufrauhung
kommen kann.
Als Plasmaanregung im RIE-Reaktor bzw. den Ionenquellen werden die bekannten
Mikrowellen-ECR-Plasmaanregung (ECR - electron cyclotron resonance) oder HF-
Plasmaanregung (13,56 MHz, 27 MHz oder andere Frequenzen) verwendet. Der Plasmaraum
bzw. der Entladungsraum der Ionenquellen wird erfindungsgemäß mit Al2O3-Keramik
ausgekleidet. Die chemische Wechselwirkung des Plasmas mit der Al2O3-Oberfläche im
Entladungsraum (durch Bildung gasförmiger Produkt mit dem Wandmaterial, wie z. B. im
Falle von Graphit, Metall oder Si-Verbindungen) ist vernachlässigbar gering. Damit wird zum
einen ein möglicher Verlust von reaktiven Fluorspezies aus dem Plasma, die dann für den
eigentlichen Ätzprozeß auf dem Werkstück nicht mehr zur Verfügung stehen, verhindert.
Zum anderen wird kein zusätzlicher Kohlenstoff aus dem Wandmaterial in das Plasma
eingebracht, der das Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis im Ionenstrahl vergrößern würde.
Zur Formierung des Ionenstrahls wird, wie bekannt, eine Viellochgitteroptik eingesetzt. Die
flächenmäßige Skalierung des Ionenstrahls wird in ebenfalls bekannter Weise über die
flächenhafte Ausdehnung der Ionenquelle und des Ionenabsauggittersystems in der
Strahlaustrittsebene oder durch den Einsatz von fokussierenden Gittersystemen realisiert.
Weitere Techniken der Strahlformung sind Wechselmasken oder computergesteuerte Blenden
zwischen der Ionenquelle und dem Werkstück.
Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen, mit fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen
betriebenen reaktiven Ionen- bzw. Ionenstrahlätzprozesses mit dafür konfektionierten RIE-
Reaktoren bzw. Ionenstrahlquellen ist, daß extrem glatte optische Oberflächen aus Quarz oder
quarzhaltigen Gläsern formbearbeitet oder strukturiert werden können, ohne daß sich dabei
die Oberflächenrauhigkeit erhöht. Die Ätzrate liegt bei Ionenenergien über 600 eV und
Ionenstromdichten über 0,5 mAcm-2 deutlich über 100 nm/min und kann bei höheren
Ionenstromdichten und -energien mehrere hundert nm/min auch mit Strahlquerschnitten von
einhundert Quadratzentimeter und mehr erreichen. Mit diesen Ätzraten ist es möglich einen
Gesamtabtrag von einigen 10 µm in technologisch und verfahrensökonomisch relevanten
Prozeßzeiten zu realisieren. Der Ätzprozeß ist über die Gaszusammensetzung, den Gasfluß,
den Arbeitsdruck, die Ionenenergie und die Ionenstromdichte gut steuerbar und über mehrere
Stunden langzeitstabil regelbar. Durch die relativ hohe Ionenenergie von größer 600 eV und
dem damit verbundenen Sputteranteil am Ätzprozeß können auch Gläser mit Bestandteilen
die mit den chemisch reaktiven Fluorspezies keine flüchtigen Produkte bilden, wie z. B.
Metalloxide, ohne Aufrauhung der Oberfläche bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß
das reaktive Ionenstrahlätzen durch die Variation des Durchmessers des Ionenstrahls oder
durch eine gesteuerte Ausblendung von Teilen eines breiten Ionenstrahls mittels Blenden oder
Wechselmasken, angeordnet zwischen der Ionenquelle und dem Werkstückoberfläche, für die
lokale Formbearbeitung eingesetzt werden kann. Selbstverständlich kann das beschriebene
Verfahren auch zur Strukturübertragung unter Anwendung von Haft- oder Wechselmasken
z. B. von Mikrooptiken und diffraktiven optischen Oberflächenelementen in Quarz und Glas
eingesetzt werden.
Von Vorteil ist weiterhin, daß konventionelle, kommerziell erhältliche ECR- oder HF-
Breitstrahlionenquellen nachträglich durch die erfindungsgemäßen Änderungen der Bauteil
materialien, die in Kontakt mit dem Plasma bzw. dem Ionenstrahl sind, eingesetzt werden
können. Das üblicherweise im Entladungsraum der Ionenquelle verwendete Metall oder
Quarzglas muß durch Al2O3-Keramik ersetzt werden. Das Gittersystem der Ionenquelle muß
an die entsprechenden Anforderungen angepaßt werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße reaktive Ionenstrahlätzverfahren von extrem glatten
optischen Oberflächen an zwei Beispielen dargestellt. In beiden Fällen wurde eine ECR-
Breitstrahlionenquelle verwendet, deren Plasmaraum mit Al2O3-Keramik ausgekleidet wurde.
In die Ionenquelle wurden als Betriebsgas Gemische aus Tetrafluormethan und Schwefel
hexafluorid und/oder Stickstofftrifluorid eingeleitet. Der Anteil von Schwefelhexafluorid
und/oder Stickstofftrifluorid im Gemisch wurde im Bereich von 20 bis 80% variiert. Als
Betriebsgas kam auch ein Gemisch aus Tetrafluormethan und Methan zum Einsatz. Der An
teil von Methan im Gemisch wurde im Bereich von 20% bis 50% variiert. Der Gesamtfluß
des eingeleiteten Betriebsgases wurde von 5 bis 20 s.c.c./min1 variiert. Die Ionenquelle wurde
vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen etwa 1 × 10-4 und 10 × 10-4 mbar betrieben.
Die Ionenenergie wurde zwischen 500 bis 1000 eV und die Ionenstromdichte am Substrat im
Bereich zwischen 400 und 2000 µA/cm2 variiert. Das Werkstück befand sich in einem
Abstand von 10 bis 30 cm vom Ionenaustrittsgitter der Ionenquelle entfernt. Der Ionenstrahl
wurde während des Ätzvorganges mittels eines vor der Ionenquelle angeordneten Wolfram-
Glühfadens neutralisiert. Die Ätzzeiten ohne Unterbrechung wurden zwischen einer Stunde
und sechs Stunden variiert.
Ein erstes Beispiel betrifft das reaktive Ionenstrahlätzen einer Quarzlinse (Material SQ1,
Durchmesser 33 mm, Dicke 3 mm). Die Ausgangsrauhigkeit der Oberfläche wurde mit einem
mechanischen Tastschnittgerät (Talystep von Taylor-Hobson) und einem Atomkraftmikro
skop (Nanoscope III von Digital Instruments) als mittlere quadratische Rauhigkeit Rq (rms -
root-mean-square) bestimmt. Die Ausgangsrauhigkeit mit dem Tastschnittgerät betrug
(1,8 ± 0,4)nm (Mittelwert aus fünf Messungen) und mit dem Atomkraftmikroskop 0,7 nm.
Der Unterschied ergibt sich aus den zwei verschiedenen, der Größe des Meßfeldes
entsprechenden, erfaßten Ortswellenlängenbereichen. Das Tastschnittgerät mißt einen
Linienscan von 0,8 mm Länge und das Atomkraftmikroskop ein Rasterfeld von
40 µm × 40 µm.
Die Quarzlinse wurde in einer Ionenstrahlätzanlage mit einer ECR-Breitstrahlionenquelle
geätzt. Der Plasmaentladungsraum der Ionenquelle war mit Al2O3-Keramik ausgekleidet. Als
Ionenabsauggitter wurden Graphitgitter verwendet. Die Ionenenergie betrug 800 eV und die
Ionenstromdichte 600 µA/cm2. Das Ätzgas war ein Gemisch aus Tetrafluormethan und
Schwefelhexafluorid (Volumenstromanteil 50%/50%). Der Gesamtfluß war 6 s.c.c./min. bei
einem Arbeitsdruck in der Ätzanlage von 5 × 10-4 mbar. Die Ätzzeit betrug 3 Stunden und der
Ätzabtrag, gemessen mit einem Weißlichtinterferometer (MICROMAP von ATOS) betrug
25,5 µm. Daraus ergibt sich eine Ätzrate von 142 nm/min. Die Rauhigkeit der geätzten Ober
fläche gemessen mit dem Tastschnittgerät, war (2,9 ± 0,8)nm und mit dem Atomkraftmikro
skop 1 nm, unter den gleichen Meßbedingungen wie bei der Messung der Ausgangsrauhigkeit
vor dem Ionenstrahlätzen. Die Oberflächenrauhigkeit hat sich durch den Ätzprozeß nur
geringfügig erhöht.
Ein zweites Beispiel betrifft das reaktive Ionenstrahlätzen einer Quarzplatte (Material SQ1,
Abmessung 50 mm × 50 mm, Dicke 2 mm) Die Quarzplatte wurde während der Ätzung mit
einer Wechselmaske gleicher Größe und 0,5 mm Dicke aus Al2O3 direkt auf der Quarzplatte
liegend abgedeckt. In die Maske waren mittels Laserschneiden folgende Lochstrukturen
eingearbeitet: Linien 30 mm lang, mit Breiten zwischen 0,5 bis 1 mm bei 0,1 mm Differenz
der einzelnen Linienbreiten; kreisförmige Löcher mit Durchmessern von 1 mm bis 5 mm bei
1 mm Differenz der einzelnen Durchmesser. Die Ätzung erfolgte in einer
Ionenstrahlätzanlage mit einer ECR-Breitstrahlionenquelle. Der Plasmaentladungsraum der
Ionenquelle war mit Al2O3-Keramik ausgekleidet. Als Ionenabsauggitter wurden Graphitgitter
verwendet. Die Ionenenergie betrug 800 eV und die Ionenstromdichte 600 µA/cm2. Das
Ätzgas war ein Gemisch aus Tetrafluormethan und Schwefelhexafluorid (Volumenstromanteil
50%/50%). Der Gesamtfluß war 6 s.c.c./min. bei einem Arbeitsdruck in der Ätzanlage von 5
× 10-4 mbar. Die Ätzzeit betrug 6 Stunden und der Ätzabtrag, gemessen mit einem
Weißlichtinterferometer (MICROMAP von ATOS) betrug 50,1 µm. Daraus ergibt sich eine
Ätzrate von 139 nm/min. Die Oberflächen der geätzten Strukturen wurden in einem
Rasterelektronenmikroskop (JEOL JSM-660) und mit einem Weißlichtinterferometer
(MICROMAP von ATOS) untersucht. Eine Erhöhung der Rauhigkeit konnte nicht festgestellt
werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Quarz, Quarzglas und quarzhaltigen Gläsern
mittels Ionenstrahl- oder Ionenätzen hoher Ätzrate und ohne Vergrößerung der
Oberflächenrauhigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein reaktiver Ionenstrahl- oder
Ionenätzprozeß mit wenigstens einem fluorhaltigen Ätzgas und einem weiteren Gas, das
entweder Fluor und oder Wasserstoff oder beide als Bestandteile enthält, verwendet wird,
wobei die Ionen derart gegen die Oberfläche des Quarzes, Quarzglases oder quarzhaltigen
Glases beschleunigt werden, daß neben dem Ätzabtrag durch die chemisch reaktiven
Fluorspezies auch ein wesentlicher Anteil des Abtrages über die physikalische
Zerstäubungswirkung der Ionen erfolgt und daß weiterhin gegenüber den chemisch
reaktiven Fluorspezies inerte Konstruktionswerkstoffe für den Plasmaentladungsraum und
das ionenoptische System der Ionenquelle sowie für ionenstrahlführenden bzw.
-formenden Elemente zwischen der Ionenquelle und der zu bearbeitenden Oberfläche zum
Einsatz kommen, und dadurch zum einen, ein hoher Anteil der in der Plasmaentladung
gebildeten reaktiven Fluorspezies auf die zu ätzende Oberfläche gelangen und damit eine
hohe Ätzrate gewährleisten und zum anderen ein niedriges "Kohlenstoff/Fluor-Verhältnis"
begünstigt wird, wodurch die Polymer- und/oder Partikelbildung auf der Quarz- bzw.
Glasoberfläche, als eine entscheidende Ursache für eine Erhöhung der Rauhigkeit,
unterbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Al2O3-Keramik
ausgekleideter RIE-Reaktor verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Al2O3-Keramik
ausgekleidete Ionenstrahlquelle verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit
einem HF-Feld (13,56 MHz, 27 MHz oder anderer Frequenz) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plasmaanregung mit einer Mikrowelleneinkopplung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzgas mindestens
eines der drei Gase CF4, C2F6 oder CHF3 als Hauptbestandteil und die Zumischung von
mindestens einem der Gase SF6, XeF2, NF3 oder CH4 verwendet werden und daß die
Ionenenergie größer 600 eV gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi
schung neben CF4 eines der Gase SF6 oder NF3 oder XeF2 mit einem Anteil von 10 bis
90% enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi
schung C2F6 und eines der Gase SF6 oder NF3 oder XeF2 mit einem Anteil von 10 bis 90%
enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Gasmi
schung CF4 mit einem Anteil von 10 bis 50% CH4 enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
lokale Formbearbeitung von Oberflächen mit einem verweilzeitgesteuerten Ionenstrahl
erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
lokale Formbearbeitung von Oberflächen mit einer gesteuerten Ausblendung eines breiten
Ionenstrahls mittels bewegter oder feststehender Blenden oder Wechselmasken vor der
Ionenquelle erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für Blenden
und Wechselmasken Aluminiumoxid verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Strukturübertragung mittels Haftmasken erfolgt.
Priority Applications (1)
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DE1998144025 DE19844025A1 (de) | 1998-09-25 | 1998-09-25 | Reaktives Ionen(strahl)ätzen von Oberflächen |
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DE (1) | DE19844025A1 (de) |
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