DE2302116C3 - Vorrichtung zur Herstellung einer maskierenden Schicht auf einem Träger mit Hilfe von weichen Röntgenstrahlen - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung einer maskierenden Schicht auf einem Träger mit Hilfe von weichen RöntgenstrahlenInfo
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Description
Entfernen der genannten Teile aus der empfindlichen Schicht behandelt. Ein derartiges Verfahren eignet sich
nicht für die Herstellung von Mustern von submikromefrischer
Unienbreite in der Halbleitertechnik, wo ein besonders feines Auflösungsvermögen erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer für die Herstellung von Halbleiterbauelementen und
elektronischen Mikrominiaturstrornkreisen sowie -bauelementen
geeigneten verbesserten Muster-Vervielfältigungstechnik, die eine submikronische Auflösung
ermöglicht, billig durchführbar, einfach, sehr genau und zuverlässig ist und einen ausreichenden Abstand
zwischen der Maske und dem Aufzeichnungsmaterial zuläßt, um einen Verschleiß der Maske und Beschädigung
des Aufnahmematerials zu verhüten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Herstellung von Mustern mit
submikrometrischer Linienbreite in der Halbleitertechnik die Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung von
Röntgenstrahlen geeignet ist, die eine Wellenlänge aufweisen, welche zwischen dem Ultraviolett
(iOO—1000 A) und dem gewöhnlichen Röiugensirahlen-Sirahlungsband
(0,5 - 2 Ä) des elektromagnetischen Spektrums liegt, daß die durchlässige Schicht der Maske
mindestens 5 μΐπ und die absorbierende Schicht der Maske weniger als 0,5 μιη dick ist, und daß der Träger
mit der für weiche Röntgenstrahlen emfpindlichen Schicht die Maske in einem vorgegebenen Abstand
mittels einer Abstandsschicht trägt, welche ihrerseits einen Teil der Maske bildet.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit weichen Röntgenstrahlen arbeitenden Vorrichtung zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen und elektronischen Mikrominiaturstromkreisen sowie -bauelementen,
Fig.2 eint.i vergrößert dargestellten Querschnitt
eines Teils der Maske und des Wiedergabeteils nach Fig. 1,
Fig.3 eine Gruppe charakteristischer Kurven der
Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Fig.4 eine charakteristische Kurve der Auger- und
Photoeleklronenreichweite in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Fig.5 eine schematische Darstellung eines ersten
Schritts bei dem Verfahren,
Fig.6 eine schematische Darstellung ähnlich der in
F i g. 5, die den Wiedergabeteil nach der Belichtung veranschaulicht, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung ähnlich der in Fig.5 und 6, die den Wiedergabeteil nach dem
Entwickeln veranschaulicht.
Die Vorrichtung hat gemäß Feg. 1 eine Quelle 10 weicher Röntgenstrahlen mit einer Elektronenkanone
12 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 14, der auf einen Fleck 16 auf der Antikathode 18 auftrifft. Weiche
Röntgenstrahlen 20, die von der Antikathode 18 ausgesandt werden, verlassen die Röhre 22 durch ein
Fenster 24, das für sie durchlässig ist. Sie treffen auf die Maske 26, die eine durchlässige Schicht 28 umfaßt,
welche eine zur Begrenzung des Maskenmusiers dienende absorbierende Schicht 30 trägt. Das von den
weichen Röntgenstrahlen erzeugte, von der Maske 26 geformte Bild wird auf di'j für weiche Röntgenstrahlen
empfindliche Schicht 32 projiziert, die von dem Träger 33 des Wiedergabeteils 34 getragen wird, welch
letzterer die Maske 26 in einem Abstand mittels der Abstandsschicht 36 trägt, welche ihrerseits einen Teil
der Maske 26 bildet. Um die Wirksamkeit der Vorrichtung zu erhöhen, kann das Fenster 24 entfernt
werden, damit die Dämpfung der weichen Röntgenstrahlen 20 vermindert wird, dann muß aber eine
Vakuumkammer 38 verwendet werden. Wenn die durchlässige Schicht 28 der Maske 26 sehr dünn ist, kann
ein geringeres Vakuum auf der anderen Seite der Maske 26 angewandt werden, um ihre Wellung oder ihr
Verwerfen zu verhindern.
Der Elektronenstrahl 14 bildet den Fleck 16, dessen Durchmesser dim typischen Fall eine Fläche von einem
Quadratmillimeter bildet, was bei einer Elektronenstromdichte von angenähert 5 A/cm2 bie 5 kV zu einem
Strom von 50 mA führt. Unter diesen Bedingungen werden bei einer Aluminium-Antikathode und einem
Abstand D von 25,4 mm zwischen dem Elektronenstrahl 14 und der Maske 26 etwa 10 min I" ·.jötigt. um eine
angemessene Belichtung einer für weiche Röntgenstrahlen
empfindlichen, von einem Silizium-Träger 33 getragenen Schicht 32 aus Polymethylmethacrylat zu
bewirken.
Die Maske 26 besteht aus einer 5μηι dicken
durchlässigen Schicht 28 aus Silizium und einer 0.5 μηι
dicken absorbierenden Schicht 30 aus Gold. Eine Dicke von 5 μπι der durchlässigen Schicht 28 wird deswegen
gewählt, weil dies ein selbsttragendes Gebilde ergibt,
und die 0,5 μπι Dicke der absorbierenden Schicht 30
wird zur Erzielung des erforderlichen Kontrastes gewählt. Eine dickere absorbierende Schicht 30 könnte
einen stärkeren Kontrast erbringen, jedoch könnte eine
3) Schichtdicke, die erheblich größer ist als die Breite der
Schlitze und Löcher in der Schicht, zu rauhen, ungenau begrenzten Seitenwänden und entsprechend schlechter
Wiedergabe führen. Es ist also eine Schicht, deren Dicke nicht größer ist als die Breite der kleinsten Löcher oder
Schlitze, wünschenswert und sie läßt sich durch Elektronen-Lithographie erreichen.
Im typischen Fall kann das Fenster 24 aus einer 0,0254 mm dicken Berylliumfolie bestehen. Wenn das
Fenster nicht benutzt wird, würde ein Vakuum von IO-9 ata in der Kammer 38 angemessen sein, jedoch kann ein
zusätzliches Vakuum von 1O-2 ata auf der anderen Seite der Maske 26 erforderlich sein, um ihr Verwerfen oder
Wellen zu verhüten.
Die Antikathode 18 kann aus Aluminium bestehen, um weiche Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge von
8,34 Ä zu erzeugen. Abweichend können Antikathoden aus Kupfer, die weiche Röntgenstrahlen von 13.4Ä
erzeugen, oder aus Molybdän, die weiche Röntgenstrahlen von 5,4 Ä erzeugen, verwendet werden.
hin wichtiger Vorteil der Benutzung weicher Röntgenstrahlen ist der, daß eine wesentliche Trennung
zwischen der Maske und der für weiche Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht zulässig wird. Bei den
Wellenlängen weicher Röntgenstrahlen sind Beugungs-
bo erscheinungen im t.ügemeinen vernachlässigbar. Eine
Halbschattenverzerrung, wie in F i g. 2 ersichtlich, stellt einen bei der Anordnung der Maske 26 und des
Wiedergabeteils 34 zu berücksichtigenden Faktor dar. Die Beziehungen zwischen dem Abstand D, dem
ΐ'Ί Durchmesser ddes Brennflecks 16, dem Spreizwinkel Θ,
der Spreizung <5 und dem gegebenen Abstand 5, der durch die Abstandsschicht 36 vorgesehen wird, läßt sich
zu θ = dlD = 6 = SdID angeben. Das Unterschneiden
oder Spreizen Λ läßt sich also durch Vergrößern von D
vermindern, aber dies erhöht stark die Belichtungszeit, weil die Intensität der weichen Röntgenstrahlen sich
umgekehrt mit dem Quadrat von Dändert.
Die mit diesem weiche Röntgenstrahlen anwendenden Verfahren erzielbare Möglichkeit, ciie Maske 26 und
die empfindliche Schicht 32 voneinander zu trennen, stellt einen bedeutenden Vorteil dar, weil sie Verschleiß
an der Maske und Beschädigung des Trägers 33, die von dem früher verwendeten Kontaktverfahren herrühren,
beseitigt; eine vergrößerte Lebensdauer der Maske
wird hierdurch erreicht. Praktisch kann der gegebene Abstand S bis zum Zehnfachen der minimalen
Strichstärke des Druckmusters betragen, ohne ein nennenswertes Uniersehneiden in der empfindlichen
Schicht 32 zu verursachen.
Alle bisherigen Bemühungen, die Tiefenschärfe-Begrenzung
der konventionellen Photolithographie zu üuei winden, ι iuhiemi siui auf riujckic. die die
Verwendung von Elektronen als belichtende Strahlung bedingten. Weiche Röntgenstrahlen, die bei der
Vorrichtung nach der Erfindung die belichtende Strahlung bilden, iiegcn zwischen dem Ultraviolett·
(10- 1000 A) und dem gewöhnlichen Röntgenstrahlen-(0.5
—2 Ä) Strahlungsband des elektromagnetischen Spektrums. Das gewöhnliche Röntgenstrahlenband ist
während der letzten Jahrzehnte Gegenstand ausgedehnter wissenschaftlicher Forschung und kommerzieller
Anwendung gewesen. In ausgesprochenem Gegensatz hierzu waren weiche Röntgenstrahlen, die von dem
Austrittsfenster aller gewöhnlichen Röntgenröhren stark absorbiert werden, verhältnismäßig wenig Gegenstand
wissenschaftlicher Untersuchungen. Die Feststellung der Möglicheit. weiche Röntgenstrahlen für die
Vervielfältigung von Mustern mit submikronischen Strichstärken zu verwenden, schloß sich an die in den
letzten Jahren erfolgte erfolgreiche Entwicklung der Dünnfilm-Niederschlagstechnik an. Die Entwicklung
dieser Technik veranlaßte die Untersuchung des weiche Röntgenstrahlen benutzenden Lösungsweges für die
Vervielfältigung und das Verlassen des Weges derjeni gen. die eine Verbesserung der eingeführten, aber
komplizierteren und kostspieligen obenerwähnten Elektronenprojektions-Technik erstrebten.
Die Änderungen des Absorptionskoeffizienten von Werkstoff zu Werkstoff im Bereich der weichen
Röntgenstrahlen ist nicht groß. Es gibt jedoch Werkstoffe, die ausreichend als absorbierende und
durchlässige Schichten für weiche Röntgenstrahlung unterscheidbar sind. Typische Absorptionscharakteristiken
sind in F i g. Z für den Bereich der weichen Röntgenstrahlen von zwei oder drei Angström bis
zwanzig oder fünfundzwanzig Angström für durchlässige
Schichten von 5 μίτι Dicke, wie z. B. Beryllium 50,
Magnesium 52. Silizium 54 und Mylar 56. und für absorbierende Schichten von 0,5 μπι Dicke, wie z. B.
Kupfer 58. Silber 60. Gold 62 und Uran 64 dargestellt. Beryllium 50, Magnesium 52, Silizium 54 und Mylar 56
sind auf Teilen 66, 68, 70 und 72 ihrer entsprechenden Kurven ausreichend transparent, um diese Stoffe zu
ausgezeichneten Beispielen für die Zusammensetzung der durchlässigen Schicht zu machen. Auch Kupfer 58.
Silber 60. Gold 62 und Uran 64 auf Teilen 74, 76, 78 und
80 ihrer entsprechenden Kurven nähern sich Absorptionsmaxima. Bei etwa 10-12 A sind Kupfer, Gold
Uran und Silber über 95% absorbierend, während
■5 Magnesium etwa 40% und Beryllium etwa 25 absorbierend sind und einen Kontrast von etwa 20 zu I
ergeben, bei mehr als 60% Durchlässigkeit durch die durchlässige Schicht 28. Bei 8 Ä sind Gold, Uran und
Kupfer etwa 90% absorbierend und geben einen
ίο Kontrast von 10 zu t. während Mylar und Silizium nur
etwa 40% absorbieren. Platin und Iridium haben Charakteristiken, die nahezu mit denen für Gold
übereinstimmen, abgesehen von einer geringen Änderung
in der Lage der scharfen senkrechten Sptitze bei
ι·> 5.6 A für Gold. In ähnlicher Weise dienen Aluminium
und Polymerfilme als gute durchlässige Schichten.
Lin weiterer Vorteil der Verwendung weicher Röntgenstrahlen ist der. daß die Reichweite der Augeruitu rrruiucicfui'uMCn, uiO vY/ii üCTi wCidrCn i\üüigCi'i-
strahlen in der empfindlichen Schicht 32 erzeugt werden, ganz kurz — 0.5 μιη oder weniger wie aus
F i g. 4 ersichtlich — ist. Da diese Elektronen zur Belichtung der empfindlichen Schicht 32 dienen, wird
die Wirkung ihrer Reichweite auf die mit dem Verfahren
2) erzeilbare Auflösung durch die Verwendung weicher
Röntgenstrahlen minimisiert.
Beim Betrieb der Vorrichtung bestrahlt eine Quelle 10' (F i g. 5,-weicher Röntgenstrahlen eine empfindliche
Schicht 32' aus Polymethylmetaerylat durch eine Maske 26' mit einer 5 μπι dicken durchlässigen Schicht 28' aus
Silizium, die mit einer 0.5 μιη dicken absorbierenden
Schicht 30' aus Gold und einer Abstandsschicht 36 gemustert ist. Die empfindliche Schicht 32' wird von
einem Träger 33'. wie z. B. einer Siliziumfolie. getragen
)■. Weiche Röntgenstrahlen 20' gehen durch Schlitze oder Löcher 100 in der absorbierenden Schicht 30' und
treffen auf Teile 102 der empfindlichen Schicht 32'. die dadurch belichtet wird, wie aus F i g. 6 ersichtlich. Die
nicht getroffenen Teile 104 sind unbelichtet. Eine
4ü Energiedosis von etwa 5 χ 10*- Joule/cm3 genügt für
die völlige Belichtung des Musters. Beim nächsten Schritt (Fig. 7). wenn das Wiedergabeteil 34' unter
Verwendung einer Lösung von 40% Methylisobutylketon und 60% Isopropylalkohol entwickelt ist. sind die
Ji belichteten Teile 102 entfernt und hinterlassen eine
genauso wie die Maske 26' gemusterte Oberfläche.
Wenn erst einmal ein Muster in dem Polymerfilm definiert ist. gibt es eine Anzahl von Verfahren, um ein
Muster auf dem Träger zu erzeugen. Wenn ein
>n Überzugsmuster aus einem dünnen Filmmaterial gewünscht
wird, so kann es durch übliche Techniken in „ie Zwischenräume des Polymermusters aufgedampft werden,
und das unerwünschte Material läßt sich durch Auflösen des Polymers entfernen, so daß ein dünner
ü Film auf dem Träger in einem Muster erhalten wird, das
das Negativ zu dem in dem Polymer erzeugten bildet Abweichend kann dieses niedergeschlagene Material als
eine Maske für die chemische oder Spritz-Ätzung einer Reliefstruktur auf dem Träger benutzt werden. Ebensc
>-'i kann das gemusterte Polymer in ähnlicher Weise als
chemische oder Spritz-Ätzmaske benutzt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
- Patentansprüche:J. Vorrichtung zur Herstellung einer maskierenden Schicht auf einem Träger mit Hilfe von weichen Röntgenstrahlen, die durch eine Maske hindurch eine für Röntgenstrahlen empfindliche, entwickelbare, auf dem Träger angeordnete Schicht belichten, bestehend aus einer Röntgenstrahlenquelle mit dem Durchmesser d und einem Abstand D von der Maske, wobei das Verhältnis DIdgrößer als fünf ist, sowie aus einer mit Abstand von der für weiche Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht angeordneten Maske, die aus einer für Röntgenstrahlen überwiegend durchlässigen und aus einer für Röntgenstrahlen überwiegend absorbierenden Schicht, welche das Maskenmuster aufweist, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Mustern mit submikrometrischer Linienbreite in der Halbleitertechnik die Röntgenstrahlenquelle (10) jtjr Erzeugung von Röntgenstrahlen geeignet ist, die eine Wellenlänge aufweisen, welche zwischen dem Ultraviolett (100-lOOOÄ) und dem gewöhnlichen Röntgenstrahlen-Strahlungsband (0,5 — 2 Ä) des elektromagnetischen Spektrums liegt, daß die durchlässige Schicht (28) der Maske (26) mindestens 5 μιη und die absorbierende Schicht (30) der Maske (26) weniger als 0,5 μπι dick ist, und daß der Träger (33) mit der für weiche Röntgenstrahlen empfindlichen Schicht (32) die Maske (26) in einem vorgegebenen Abstand (S) mittels einer Abstandsschicht (36) trSgi, welche ihrerseits einen Teil der Maske (26) bildet.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlenquelle (10) mit einer Wellenlänge von 2 bis 20 Ä t.nittiert.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlenquelle (10) eine aus Aluminium bestehende Antikathode (18) umfaßt.
- 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Schicht (28) der Maske (26) aus einem solchen Material besteht, daß sie mindestens 25% der weichen Röntgenstrahlen durchläßt.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Schicht (28) der Maske (26) aus Silizium besteht.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Schicht (30) der Maske (26) aus einem solchen Material besteht, daß sie mindestens 60% der weichen Röntgenstrahlen absorbiert.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Schicht (30) der Maske (26) aus Gold besteht.
- 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für weiche Röntgenstrahlen empfindliche Schicht (32) aus Polymethylmetacrylat besteht.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entwickler für die weiche Röntgenstrahlen empfindliche Schicht (32) aus 40% Methylisobutylketon und 60% Isopropylalkohol besteht.Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer maskierenden Schicht auf einem Träger mit Hilfe von weichen Röntgenstrahlen, die durch eine Maske hindurch eine für Röntgenstrahlen empfindliche, entwickelbare, auf dem Träger angeordnete Schicht belichten, bestehend aus einer Röntgenstrahlenquelle mit dem Durchmesser duna einem Abstand D von der Maske, wobei das Verhältnis DId größer als fünf ist, sowie aus einer mit Abstand von der für weicheίο Röntgenstrahlen emfpindüchen Schicht angeoreneten Maske, die aus einer für Röntgenstrahlen überv/iegend durchlässigen und einer für Röntgenstrahlen überwiegend absorbierenden Schicht, welche das Maskenmuster aufweist, bestehtEine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 23 82 674 bekanntAus der DE-PS 11 92 749 ist es bei einer Aufdampfvorncntung bekannt, daß die zu behandelnde Schicht die Maske in einem vorgegebenen Abstand mittels einer Abstandsschicht trägt, we'che ihrerseits einen Teil der Maske bildetEin konventionelles Druckmuster-Wiedergabeverfahren verwendet einen photolithographischen Prozeß, bei dem ultraviolettes Licht durch eine das Druckmuster enthaltende Maske zur Einwirkung auf einen lichtempfindlichen Film gebracht wird. Nach der Belichtung wird der Film einem Entwickler ausgesetzt, der entweder die belichteten oder die anbelichteten Flächen des Films entfernt, um das Masken-Muster oder sein Negativ wiederzugeben. Dieses Verfahren wurde bei der Herstellung von mikrominiaturisierten elektronischen Schaltungen und Bauteilen weitgehend angewandt, weil es billig, zuverlässig und für die Massenfertigung geeignet ist. Es arbeitete aber dort nicht befriedigend, wo die Breite des kleinsten diskreten Musterelements kleiner als etwa zwei Mikron ist. Das beruht darauf, daß eine innige Maske-Träger-Berührung erforderlich ist, um Beugungseffekte zu vermeiden. Eine solche Berührung ist schwer herbeizuführen und führt zu•to Beschädigungen sowohl der Maste als auch des Trägers. Unterhalb von 1 μπι ist ein photolithographischer Kontaktdruck praktisch nicht durchführbar. Bemühungen, diese Beschränkung durch Verwendung von Licht kürzerer Wellenlänge zu überwinden, wurden■f5 nicht für praktisch durchführbar gehalten, weil Strahlung kürzerer Wellenlänge, das sog. Vakuum-Ultraviolett, sich nicht mit angemessener Intensität erzeugen läßt. Dieser offensichtliche Irrweg lenkte die Suche nach Vervielfältigungstechniken mit höherer Auflösung in andere Richtungen. So läßt sich z. B. eine Elektronen-Bildröhre zur berührungslosen Wiedergabe verwenden. Jedoch ist die Auflösungsverbesserung gegenüber der Photolithographie gering. Submikronische Auflösungs-Lithographie läßt sich leicht mit dem Abtast-Elektronenmikroskop erzielen, aber dieses Verfahren stellt kein Vervielfältigungsverfahren dar; die benötigte Ausrüstung ist kompliziert und kostspieleig, und jedes Druckmuster muß gelrennt für sich entsprechend den von einer äußeren automatischen Programmiervorrichtung enthaltenen Befehlen abgetastet werden.Bei der aus der US-PS 2 38 267 bekannten Vorrichtung wird ein Aufnahmematerial, das einen Träger und eine weichröntgenstrahlenempfindliche Schicht umfaßt, mit dem Bild des Musters exponiert, so daß ein Teil derhi empfindlichen Schicht entsprechend den absorbierenden Teilen der Maske der Strahlung weniger exponiert ist als die anderen Teile; dann wird die weichröntgenstrahlenemDfindliche Schicht mit einem Entwickler zum
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