DE2333787C3 - Für weiche Röntgenstrahlen durchlässiges Substrat für eine Maske aus einer weiche Röntgenstrahlen absorbierenden Schicht - Google Patents
Für weiche Röntgenstrahlen durchlässiges Substrat für eine Maske aus einer weiche Röntgenstrahlen absorbierenden SchichtInfo
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Description
ίο durchlässiges Substrat für eine Maske aus einer weiche
Röntgenstrahlen absorbierenden Schicht
Ein Substrat und dessen Verwendung mit diesen Merkmalen allein sollen vom Patentschutz nicht erfaßt
werden.
is Die Lithographie mit weichen Röntgenstrahlen ergibt
ein Auflösungsvermögen, das größer ist als das der bekannten üblichen Photolithographie und mit dem der
hervorragenden ElekVronenrastermikroskopie vergleichbar
ist Die Einfachheit und die niedrigen Kosten
ίο der Lithographie mit weichen Röntgenstrahlen zeigen,
daß diese bei der Hersteilung von Einrichtungen ultrahoher Auflösung Bedeutung erlangen kann. Jedoch
wird eine weitverbreitete Anwendung der Lithographie mit weichen Röntgenstrahlen, insbesondere in industriellen
Herstellungsverfahren, teilweise von der Leichtigkeit abhängig, mit der großflächige Masken
hergestellt und mit der zu belichtenden Platte ausgerichtet werden können. Wegen des hohen
Absorptionskoeffizienten aller Feststoffe gegenüber weichen Röntgenstrahlen muß das Substrat der Maske
sehr dünn sein, damit eine ausreichende Transparenz erzielt wird.
Beryllium, der Feststoff, der weiche Röntgenstrahlen
am besten durchläßt, ist für das Substrat der Maske als sehr geeignet anzusehen, jedoch hatte die im Handel
erhältliche dünnste Berylliumfolie eine Dicke von etwa 12μπτ. Die Oberfläche dieser Folie war unregelmäßig
und wies zahlreiche Vertiefungen von Ιμτη auf. Sie war
als Substrat, auf die Maske mit dem submikronen Muster mit hoher Auflösung aus einer absorbierenden
Schicht aufgebaut werden muß, nicht geeignet Zusätzlich wird Beryllium von den meisten Säuren (schwachen
sowie starken) und alkalischen Lösungen angegriffen, so daß dieser Feststoff hinsichtlich Korrosion und chemischer
Verträglichkeit problematisch ist Außerdem ist Berylliumstaub sehr giftig, was sorgfältige Sicherheitsvorkehrungen notwendig macht, wenn das Beryllium-Material
zugeschnitten und maschinell bearbeitet wird. Die bei Beriyllium auftretenden Probleme legen es
nahe, nach einem verfügbaren besseren Material zu suchen. Jedoch ist jedes andere Material für weiche
Röntgenstrahlen weniger durchlässig und müßte als wesentlich dünnere Schicht vorliegen, welche aber auf
Grund ihres eigenen Gewichtes durchhängen würde.
Deshalb benötigt man einen Träger, der diese dünnere Membran hält
Bei ersten, der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen zur Herstellung eines Trägers wurde eine
Aluminiumfolie über eine Metallscheibe geklebt Dann wurde Aluminium auf Silizium aufgedampft, und in das
Silizium wurde hinauf bis zum Aluminium ein Loch eingsätzt
In allen Fällen wurden keine flachen Membranen erzielt, sondern es trat ein hoher Verbiegungsgrad ein.
Das Ausmaß des Durchhängens war aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Aluminium
und dem Trägerrahmen von der Temperatur abhängig. Das Aluminium wurde außerdem von einigen der
Chemikalien angegriffen, die bei späteren Behandlungsschritten eingesetzt wurden.
Bei einem anderen Versuch wurde ein mit Phosphor angereichertes Silizhimplättchen verwendet, auf dem
eine epitaktische Schicht aus reinem Süizium aufgebracht wurde. Das mit Phosphor angereicherte Siliziumplättchen
wurde teilweise bis zur epüektischen Schicht weggeätzt Diese Membranstruktur war chemisch
resistent, ganz fest und gegenüber Temperaturveränderungen
stabil. Jedoch wies die Membran schlechte Vertiefungen auf. Spannungen in der epitaktischen
Schicht wurden aufgehoben, wenn das mit Phosphor angereicherte Silizium abgeätzt wurde, so daß sich ein
konkaver oder konvexer Aufbau ergab. In einigen Fällen wies die Membran eine Vertiefung von mehr als
10 μπτ auf. Dies war für eine Maske für hohe Auflösung
nicht günstig.
Zum Herstellen von einer dünnen Siliziummembran ist es aus »The Journal of the Electrochemical Society«
Bd. 116 (1969) Nr. 9 (Sept) Seiten 1325/1326 bekannt, in
einer Siliziumscheibe mit einer N-Schicht und einer P-Schicht mit Hilfe einer eine öffnung enthaltenden
Siliziumdioxidschicht die N-Schicht teilweise wegzuätzen derart, daß im Bereich der öffnung eine Membran
aus einem Stück der dünnen P-Schicht erhalten wird. Wird diese Membran so dünn gemacht, daß sie für
weiche Röntgenstrahlen durchlässig ist, dann hängt sie jedoch durch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für weiche Röntgenstrahlen durchlässiges Substrat für eine
Maske aus einer weiche Röntgenstrahlen absorbierenden Schicht zu schaffen, bei dem gewährleistet ist, daß
die Membran des Substrats nicht durchhängt, vielmehr gespannt ist und starr bleibt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß das Substrat aus einem Siliziumplättchen besteht und einen dicken Trägerteil sowie einen oder mehrere
dünne, für weiche Röntgenstrahlen durchlässige, von dem Trägerteil umfaßte und getragene, sowie in dem
Trägerteil straff gespannte Membranteile aufweist, und daß entweder der bzw. die Membranteile mit einem
Zusatzstoff versehen sind, dessen Atome einen kleineren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome
haben und dadurch eine Schrumpfung bewirken, oder der Trägerteil mit einem Zusatzstoff versehen ist,
dessen Atome einen größeren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome haben und dadurch eine
Dehnung bewirken, und daß die weiche Röntgenstrahlen absorbierende Schicht in einem Muster auf dem bzw.
den Membranteilen innerhalb des Trägerteils angeordnet ist
Einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Substrats anzugebea
Das Verfahren, das nach einer Weiterbildung der Erfindung diese Aufgabe löst besteht darin, daß in ein
Siliziumplättchen an einer ersten Oberfläche Bor oder Phosphor als Zusatzstoff bis in eine kleine Tiefe
eingebracht wird, daß auf die zweite Oberfläche des Siliziumplättchens eine ätzfeste Abdeckschicht aufgebracht
wird, die einen Bereich unbedeckt läßt, der dem
an der ersten Oberflache zu bildenden dünnen Membranteile gegenüberliegt, daß der von der ätzfesten
Abdeckschicht unbedeckte Bereich des Siliziumplättchens mit einem Ätzmittel geätzt wird, das das nicht mit
Bor bzw. Phosphor versehene Silizium, aber nicht die dünne mit Bor bzw. Phosphor versehene Siliziumschicht
und nicht die ätzfeste Abdeck^chicht angreift so daß in dem Siliziumplättchen ein Fenster entsteht, das durch
die dünne mit Bor bzw. Phosphor versehene, einen straff gespannten Membranteil bildende Siliziumschicht verschlossen
ist
s Bei diesem Verfahren wird im Siliziummembranteil eine Spannung erzeugt welche es straff hält und eine
derartige Spannung wird in einem Siliziummembranteil hergestellt das von einem dickeren Siliziumträgerteil
getragen wird, indem das Siliziummembranteil mit Bor
ίο oder Phosphor angereichert wird, dessen Atome einen
geringeren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome haben, was dazu führt daß das Membranteil aus
mit Bor oder Phosphor versehenem Silizium gegenüber dem es umgebenden Trägerteil aus nicht mit Bor oder
Phosphor versehenen Silizium schrumpft Eine derartige Spannung kann aber auch in einer dünnen
Siliziummembran hergestellt werden, die von einem dickeren Siliziumträgerteil getragen wird, welches mit
Arsen, Gallium, Antimon oder Aluminium versehen ist dessen Atome je einen größeren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome aufweisen, was dazu führt,
daß sich das Siliziumträgerteil aus mit Arsen, Gallium, Antimon oder Aluminium versehenen Silizium gegenüber
dem Siliziummembranteil aus nicht mit Arsen, Gallium, Antimon oder Aluminium versehenen Silizium
ausdehnt und das Siliziummembranteil spannt
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Substrats nach der Erfindung und Herstellungsverfahren hierfür werden
im folgenden an den Zeichnungen näher erläutert
F i g. 1 bis 3 zeigen in einer schematischen Seitenansicht drei aufeinanderfolgende Schritte in der Herstellung
eines ersten Beispiels für ein Substrat nach der Erfindung.
F i g. 4 ist eine der F i g. 3 gleichartige Seitenansicht eines fertigen, die Maske tragenden Substrats.
F i g. 4 ist eine der F i g. 3 gleichartige Seitenansicht eines fertigen, die Maske tragenden Substrats.
F i g. 5 bis 7 zeigen wie die F i g. 1 bis 3 aufeinanderfolgende Schritte in der Herstellung eines zweiten
Beispiels für ein Substrat nach der Erfindung.
F i g. 8 ist eine Seitenansicht des fertigen, die Maske tragenden Substrats.
F i g. 8 ist eine Seitenansicht des fertigen, die Maske tragenden Substrats.
Fig.9 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schematisch ein Substrat mit einer Vielzahl von
Membranteilen.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel kann ein Substrat 6 für eine Maske für weiche Röntgenstrahlen hergestellt werden, indem (F i g. 1) ein einziges Siliziumplättchen 10 vom N-Leitungstyp oiler schwachem P-Leitungstyp verwendet wird, weiches eine Dicke von etwa 200 μηι hat Das Siliziumplättchen 10 wird durch Eindiffusion von Bor stark mit Bor durchsetzt so daß eine Bordiffusionsschicht 12 mit einer Konzentration von etwa 3 · 1019 cm~3 bis in eine Tiefe von 3 μπι von der Oberfläche aus entsteht
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel kann ein Substrat 6 für eine Maske für weiche Röntgenstrahlen hergestellt werden, indem (F i g. 1) ein einziges Siliziumplättchen 10 vom N-Leitungstyp oiler schwachem P-Leitungstyp verwendet wird, weiches eine Dicke von etwa 200 μηι hat Das Siliziumplättchen 10 wird durch Eindiffusion von Bor stark mit Bor durchsetzt so daß eine Bordiffusionsschicht 12 mit einer Konzentration von etwa 3 · 1019 cm~3 bis in eine Tiefe von 3 μπι von der Oberfläche aus entsteht
(F i g. 2), die jeweils etwa 0,1 μπι dick sind, auf der oberen
und unteren Oberfläche des Siliziumplättchens 10 aufgebracht Diese Siliziumdioxidschichten 14 und 16
dienen dazu, eine Schutzschicht zu bilden, um einen unerwünschten Angriff auf das Silizium zu verhindern.
Anschließend wird die Maske mit cleir, gewünschten
Muster (F i g. 3) für weiche Röntgenstrahlen in einem Bereich der Siliziumdioxidschicht 16 hergestellt, wozu
bekannte Verfahren, wie die Elektronenstrahl- oder photolithographische Verfahren eingesetzt werden. Die
Maske kann aus Gold oder irgendeinem anderen, weiche Röntgenstrahlen gut absorbierenden Material
hergestellt sein. Im Beispiel der Fig.3 wird eine Goldschicht 20 mit einer Stärke von OJ um verwendet
und es wird eine Zwischenschicht 22 aus Chrom mit einer Dicke von 0,03 um Stärke angewendet, um die
Haftung zwischen der Goldschicht 20 und der Siliziumdioxidschicht 16 zu verbessern. Gegenüber dem
Bereich, in dem sich das Maskenmuster befindet, wird ein Bereich 24 in die Siliziumdioxidschicht 14 eingeätzt,
wozu eine Ätzlösung, wie gepufferte Fluorwasserstoffsäure verwendet wird, welche die Siliziumdioxidschicht
14, nicht jedoch das Silizium des Siliziumplättchens 10 angreift Anschließend wird das Siliziumplättchen 10 in
eine warme Lösung von 115° C aus 68 ml Äthylendiamin,
12 g Pyrokatechol und 32 ml Wasser für etwa 1 1/2 Stunden eingetaucht Die Lösung ätzt das Silizium
unterhalb des Bereiches 24 in der Siliziumdioxidschicht 14 weg und erzeugt im Siliziumplättchen 10 ein Fenster
26 (Fig.4), welches dem Maskenmuster 18 im Bereich
entspricht, das auf der anderen Seite des Siliziumplättchens
10 in der weiche Röntgenstrahlen absorbierenden Goldschicht 20 erzeugt wurde. Die Ätzlösung ist nur in
dem Silizium über der Bordiffusionsschicht 12, aber nicht in dieser wirksam. Außerdem greift die Ätzlösung
nicht die Chrom- oder Goldschichten an. Durch diese Ätzung wird eine Membran 28 aus demjenigen Teil der
Bordiffusionsschicht 12 gebildet, welcher sich über das Fenster 26 erstreckt Das Membranteil 28 ist relativ
dünn, d.h. etwa 3 μπι dick, und entspricht in seiner
Stärke der Bordiffusionsschicht 12. Demzufolge ist das Membranteil 28 für weiche Röntgenstrahlen völlig
durchlässig, welche dazu dienen, die Maske 18 abzubilden.
Mit diesem Herstellungsverfahren wird durch die Wirkung der Bordotierung im Silizium auch eine
Straffheit des Membranteils 28 herbeigeführt Eine Spannung entsteht wegen der geringfügigen Verringerung
der Gitterkonstante, die durch die Boranreicherung entsteht, weil die Boratome einen kleineren
kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome haben. Demzufolge schrumpft das Siliziummembranteil 28 und
wird gegenüber dem übrigen Teil, dem Trägerteil des Siliziumsubstrats, der nicht mit Bor angereichert ist,
straff. Wegen dieser Spannung bildet das Siliziummembranteil 28 einen sehr flachen, starren Träger für
die Goidschicht 20 und deren Zwischenschicht 22. Ein
zusätzlicher Vorteil dieses Herstellungsverfahrens besteht darin, daß die eingesetzte Ätzlösung sehr viel
schneller in der Kristallrichtung <100> als in der
Richtung <111> ätzt so daß bei Verwendung eines
Siliziumplättchens 10 auf einer (100)-Oberfläche der Ätzvorgang viel schneller in der Richtung von der
Siliziumdioxidschicht 14 weg zur Bordiffusionsschicht 12 hin, als in der hierzu senkrechten Richtung vor sich
geht, was dazu führt daß das Fenster 26 in einem Bereich unterhalb der öffnung 24 ohne jede ernsthafte
Unterschneidung an den Seiten des Fensters 26 unter den übrigen Teilen der Siliziumdioxidschicht 14
hergestellt wird. Es werden mit diesem Ätzverfahren tatsächlich schräge Wände 32 und 34 hergestellt, die im
Fenster 26 nach innen laufen. Ein Substrat von etwa 6,45 cm2 mit 49 Membranteilen von 5 um Stärke und
jeweils 60 um2 wurde ohne Durchhängen des Membranteils hergestellt
Die Maske 18 kann jede Art Muster einer Mikro-Miniaturschaltung oder einer elektronischen
Schaltang sein. Das Substrat 6 weist zahlreiche Vortefle
auf, denn Silizium ist sehr korrosionsbeständig und, da
die Siliziumherstellung hochentwickelt ist, so sind Siliziumplättchen hoher Qualität, die Präzisionsanfordeningen
erfüllen, leicht erhältlich. Da außerdem das gesamte Substrat 6 einschließlich des Trägerteils 30 und
des Membranteils 28 aus demselben Siliziumkristall hergestellt sind, besteht kein Haftproplem und Temperaturänderungen
werden das Membranteil 28 nicht zerstören.
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel kann ein Substrat 6' als Träger für eine Maske für weiche
Röntgenstrahlen hergestellt werden (F i g. 5), indem ein Siliziumplättchen 10' von etwa 200 μη) Dicke verwendet
wird. Das Siliziumplättchen W wird stark mit Arsen bis zu einer Konzentration von etwa 1019 Atomen/cm3
durchsetzt
Eine epitaktische Schicht 40 von 3 μπι (Fi g. 6) aus
reinem Silizium wird auf einer Oberfläche aufgebracht, und Siliziumnitridschichten 14' und 16' von einer Stärke
von etwa 1/10 μπι werden auf beiden Oberflächen vorgesehen. Die Siliziumnitridschichten 14' und 16'
bilden eine Schutzschicht, die einen unerwünschten chemischen Angriff auf das Silizium verhindern.
Anschließend wird die gewünschte Maske 18' (F i g. 7) für weiche Röntgenstrahlen in einem Bereich der
Siliziumnitridschicht 16' hergestellt wozu die bekannten Verfahren der Elektronstrahllithographie oder Photolithographic
angewendet werden. Das Maskenmuster 18' kann aus Gold oder einem anderen, Röntgenstrahlen
gut absorbierenden Material hergestellt werden. Im Beispiel der Fig.7 wird eine Goldschicht 20' von
3/10 μπι Stärke angewendet Gegenüber dem das Maskenmuster 18' aufweisenden Bereich wird eine
öffnung 24' in die Siliziumnitridschicht 14' eingeätzt, wozu eine Ätzlösung wie konzentrierte Fluorwasserstoffsäure
verwendet wird, welche die Siliziumnitridschicht 14', aber nicht das Silizium des Siliziumplättchens
10' angreift
Anschließend wird das Siliziumplättchen 10' in eine Ätzlösung aus einem Teil Fluorwasserstoffsäure, drei
Teilen Salpetersäure und zehn Teilen Essigsäure für etwa anderthalb Stunden eingetaucht Diese Ätzlösung
ätzt das mit Arsen angereicherte Silizium unter der Öffnung 24' in der Siliziumnitridschicht 14' weg und
erzeugt ein Fenster 26' (F i g. 8) im Siliziumplättchen 10', welches in seiner Ausdehnung dem Maskenmuster 18'
entspricht das auf der anderen Seite des Siliziumplättchens 10' in der weiche Röntgenstrahlen absorbierenden
Goldschicht 20' hergestellt worden ist Diese Ätzlösung greift die Goldschicht 20', die Siliziumnitridschichten
14', 16' und die Siliziumschicht 40 nicht an. Somit verbleibt bei dem Ätzverfahren ein Membranteil
28', welches aus der Siliziumschicht 40 gebildet wird, die
sich über das Fenster 26' erstreckt Das Membranteil 28' ist relativ dünn; es hat eine Stärke von etwa 3 μπι, was
der Stärke der Siliziumschicht 40 entspricht Folglich ist das Membranteil 28' für die weichen Röntgenstrahlen,
die eingesetzt werden, um die Maske 18' abzubilden, völlig durchlässig.
Dieses Herstellungsverfohren fuhrt aufgrund der Arsenanreicherung des Siliziums auch zu einer Straffheit
des Membranteils 28*, denn wegen der leichten Erhöhung der durch die Arsenanreicherung hervorgerufenen
Gitterkonstante entsteht eine Spannung, weil die Arsenatome einen größeren kovalenten Bindungsradius
als die Siliziumatome haben. Demzufolge dehnt sich das Trägerteil 30" des Substrats 6' gegenüber der Siliziumschicht
40, die nicht mit Arsen angereichert ist, aus, wodurch das Membranteil TK gestrafft wird. Aufgrund
dieser Spannung bildet das Membranteil 28' einen sehr flachen, starren Träger für die absorbierende Goldschicht
20'.
Vorzugsweise sind auf einem Substrat mehr als ein Maskenmuster und eine entsprechende Zahl Membranteile
vorgesehen. So kann gemäß F i g. 9 das Substrat 6" von etwa 6,45 cm2 vierzig Membranteile 28" (vierzig
Fenster 26") enthalten, von denen jedes etwa 65 μΐη2
groß ist.
Claims (4)
1. Für weiche Röntgenstrahlen durchlässiges Substrat für eine Maske aus einer weiche Röntgenstrahlen
absorbierenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Siliziumplättchen
(10) besteht und einen dicken Trägerteil (30) sowie einen oder mehrere dünne, für weiche
Röntgenstrahlen durchlässige, von dem Trägerteil (30) umfaßte und getragene, sowie in dem Trägerteil
(30) stiaff gespannte Membranteile (28) aufweist,
und daß entweder der bzw. die Membranteile (28) mit einem Zusatzstoff versehen sind, dessen Atome
einen kleineren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatcme haben und dadurch eine Schrumpfung
bewirken, oder der Trägerteil (30) mit einem Zusatzstoff versehen ist, dersen Atome einen
größeren kovalenten Bindungsradius als die Siliziumatome haben und dadurch eine Dehnung
bewirken, und daß die weiche Röntgenstrahlen absorbierende Schicht (20) in einem Muster (18) auf
dem bzw. den Membranteilen (28) innerhalb des Trägerteils (30) angeordnet ist
2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Membranteile (28) mit Bor
oder Phosphor als Zusatzstoff versehen sind, oder daß der Trägerteil (30) mit Antimon, Gallium, Arsen
oder Aluminium als Zusatzstoff versehen ist
3. Verfahren zum Herstellen eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ein
Siliziumplättchen (10) an einer ersten Oberfläche (12) Bor oder Phosphor als Zusatzstoff bis in eine
kleine Tiefe eingebracht wird, daß auf die zweite Oberfläche des Siliziumplättchens (10) eine ätzfeste
Abdeckschicht (14) aufgebracht wird, die einen Bereich (24) unbedeckt läßt, der dem an der ersten
Oberfläche (12) zu bildenden dünnen Membranteil (28) gegenüberliegt, daß der von der ätzfesten
Abdeckschicht (14) unbedeckte Bereich (24) des Siliziumplättchens (10) mit einem Ätzmittel geätzt
wird, das das nicht mit Bor bzw. Phosphor versehene Silizium, aber nicht die dünne mit Bor bzw. Phosphor
versehene Siliziumschicht (12) und nicht die ätzfeste Abdeckschicht (14) angreift, so daß in dem
Siliziumplättchen (10) ein Fenster (26) entsteht, das durch die dünne mit Bor bzw. Phosphor versehene,
einen straff gespannten Membranteil (28) bildende Siliziumschicht (12) verschlossen ist
4. Verfahren zum Herstellen eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Siliziumplättchen (10) mit Antimon, Gallium, Arsen oder Aluminium als Zusatzstoff versehen wird, daß
auf einer ersten Oberfläche des Siliziumplättchens eine dünne Siliziumschicht (40) abgelagert wird, daß
auf die zweite Oberfläche des Siliziumplättchens (10) eine ätzfeste Abdeckschicht (14') aufgebracht wird,
die einen Bereich (24') unbedeckt läßt, der dem an der ersten Oberfläche zu bildenden dünnen Membranteil
(28') gegenüberliegt, daß der von der ätzfesten Abdeckschicht (14') unbedeckte Bereich
des Siliziumplättchens (10) mit einem Ätzmittel geätzt wird, das das mit Antimon, Gallium, Arsen
bzw. Aluminium versehene Siliziumplättchen (W), aber nicht die abgelagerte dünne Siliziumschicht (40)
und nicht die ätzfeste Abdeckschicht (14') angreift, so daß in dem Siliziumplättchen (Iu') ein Fenster
(26') entsteht, das durch die dünne abgelagerte, einen straff gespannten Membranteil (28') bildende Siliziumschicht
(40) verschlossen ist
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