DE3706127C2

DE3706127C2 -

Info

Publication number: DE3706127C2
Application number: DE3706127A
Authority: DE
Inventors: Takuo Sugano; Hideharu Tokio/Tokyo Jp Miyake
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 1986-04-28
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1989-01-19
Also published as: JPS62253785A; JPS641555B2; DE3706127A1; US4790903A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Verkleinerung technischer Vorrichtungen besteht die Notwendigkeit Vertiefungen in der Submikrongröße in Schichten von Halbleitern etc. auszubilden. Insbesondere ist es häufig bei der Herstellung von Vorrichtungen zur Durchführung höherer logischer Funktionen, wie einer Josephson-Einrichtung (Schalteinrichtung mit einer Schaltverzögerung im Bereich von 10^-12 s, die aus 2 superleitenden Elektroden, die über eine dünne dielektrische Schicht verbunden sind, aufgebaut ist, oder dergleichen, unbedingt erforderlich, extrem feine Kerben von etwa 0,1 µm Breite zu ätzen.

Bei der Ausbildung einer Vertiefung oder einer Kerbe mit einer derart außerordentlich feinen Größe ist ein Verhältnis von Tiefe zu Breite der Vertiefung erforderlich, das so groß wie möglich ist, wobei die Seitenwand der Vertiefung so vertikal wie möglich ausgebildet werden soll. Aber selbst in einem Fall, bei dem man solche sehr feine Vertiefungen unter Anwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens (RIE), bei dem man im allgemeinen ein anisotropes Ätzen anwendet, bei dem die Ätzrate in der Normalrichtung wesentlich größer ist als in der Lateralrichtung, besteht die Schwierigkeit, daß die Ätzrate im Vergleich zu einem Ätzen von Vertiefungen mit einer breiteren Oberflächenöffnung außerordentlich niedrig ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß je kleiner die Breite der Vertiefung und je größer das Verhältnis von Tiefe zu Breite ist, es umso schwieriger wird, die gasförmigen Reaktionsprodukte, welche durch das Ätzen gebildet werden und die beim Fortschreiten des Ätzens stören, aus der Vertiefung zu entfernen.

Bei einem reaktiven Ionenätzverfahren, bei dem das Ätzen anisotrop mittels positiv geladener Ionen, die durch Gleichspannung (vollautomatische Gitterspannung) zwischen Elektroden beschleunigt werden und senkrecht zu der Schicht auftreffen, durchgeführt wird, ist es erforderlich, die vollautomatische Gitterspannung zu erhöhen, um das anisotrope Ätzen zu steigern. Bei einem reaktiven Ionenätzverfahren macht jedoch die Erhöhung der vollautomatischen Gitterspannung es erforderlich, die Hochfrequenzspannung zu erhöhen und dies ist von einer Erhöhung der Substrattemperatur begleitet. Organische Resiste, die als Maskierungsmaterial gegen das Ätzen verwendet werden, werden im allgemeinen bei erheblich erhöhten Temperaturen zerstört, so daß in dem Fall, in dem lange Ätzzeiten erforderlich sind um die Tiefe der Vertiefung zu erhöhen, die vollautomatische Gitterspannung nicht in dem Maße erhöht werden kann, weil man eine Temperaturerhöhung unterdrücken muß und ein verbessertes anisotropes Ätzen infolgedessen nicht erzielt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Ausbildung von Vertiefungen mit außerordentlich kleinen Öffnungsbreiten und einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Dadurch kann man eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen verhindern und die nachfolgende reaktive Ionenätzstufe erleichtern.

Hierbei wird die Ätzstufe von kurzer Dauer von vorzugsweise etwa 20 bis 60 Sekunden und noch bevorzugter von etwa 30 Sekunden, absatzweise wiederholt und in den Intervallen werden gasförmige Reaktionsprodukte, die in der Vertiefung durch das Ätzen ausgebildet werden, durch eine Vakuumbehandlung von vorzugsweise 1 bis 3 Minuten Dauer und noch bevorzugter von etwa 2 Minuten, entfernt und dadurch wird eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen vermieden. Außerordentlich enge Vertiefungen oder Kerben in einer gewünschten Tiefe kann man durch eine mehrfache intermittierende Wiederholung der reaktiven Ionenätzstufe erhalten. Infolgedessen kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Ätzen ohne Schwierigkeiten und ohne daß durch eine Erhöhung des Gasdruckes in den Vertiefungen das Fortschreiten des Ätzens behindert wird, durchführen. Da weiterhin die Dauer der einzelnen Ätzstufen verhältnismäßig kurz ist, kann man die Temperaturerhöhung des Substrates durch das Ableiten von gasförmigen Produkten während der Ätzstufe minimieren und weiterhin kann man die Substrattemperatur während der Vakuumbehandlung erniedrigen, wodurch die Hochfrequenzspannung bei dem reaktiven Ionenätzen erhöht werden kann und infolgedessen auch die vollautomatische Gitterspannung erhöht werden kann, was zur Verbesserung der Ätzanisotropie beiträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die Öffnung der feinen Vertiefung eine Tiefe von ungefähr 0,1 bis 0,15 µm.

Eine vorteilhafte Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Vertiefung in einer Reihe von Schichten auszubilden, die eine dünne Niobschicht umfaßt, die mit einem dreischichtigen Resist aus einer dicken organischen Grundschicht, einer dünnen, amorphen Siliziumschicht und einer obersten organischen Polymerschicht, die den Elektronenstrahlen ausgesetzt werden soll, überzogen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar,

Fig. 2 und 3 sind jeweils Mikrofotografien von Ätzlinien in Niob gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 4 zeigt die Verfahrensfolge beim Ausbilden eines Verdrahtungsmusters,

Fig. 5 ist eine Mikrofotografie einer schwachen Verbindungsregion einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Brücke, und

Fig. 6 und 7 sind jeweils Diagramme von I-V-Charakteristika bei einer Josephson-Vorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Zunächst wird das Herstellungsverfahren und die erzielten Ergebnisse beim Ätzbearbeiten von sehr kleinen Kerben in einer Niob(Nb)-Schicht, die die vorerwähnte Josephson-Vorrichtung ausmachen, beschrieben, wobei man das diskontinuierliche Ätzverfahren der vorliegenden Erfindung anwendet.

Um sehr feine Kerben in dem gewünschten Muster und der gewünschten Größe in der Nb-Schicht durch reaktives Ionenätzen auszubilden, werden drei Resistschichten nacheinander auf der Nb-Schicht abgeschieden und dann durch Aussetzen gegen Elektronenstrahlen partiell entfernt, unter Verbleib einer Maske mit einem Negativmuster. Der Grund, warum man eine Dreiresistschicht-Technik anwendet, besteht darin, soweit wie möglich einen Nachbarschaftseffekt, der durch Elektronenstreuen in dem Resist und durch eine Rückstreuung aus der Nb-Schicht während des Aussetzens gegenüber Elektronenströmen induziert wird, zu reduzieren und die effektive Region der Elektronenstrahlaussetzung so klein wie möglich zu machen. Die Bodenschicht des organischen Resists ist vorzugsweise etwa 0,3 bis 0,6 µm dick, weil die Notwendigkeit besteht, eine ausreichende Dicke als Maske gegen das Ätzen bei einem Material mit einer verhältnismäßig geringen Ätzrate, wie Nb, zur Verfügung zu stellen. Wenn daher Rillen von etwa 0,1 µm Öffnungsbreite geätzt werden, die für ultraschnelle Josephson-Einrichtung geeignet sind, erzielt man ein Verhältnis von Tiefe zu Breite von im äußersten Falle etwa 6. Auf der organischen Resistschicht und der Nb-Schicht wurde ein Ätzen gemäß dem diskontinuierlichen Ätzverfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt, wobei Rillen (Kerben) von etwa 0,1 µm Öffnungsbreite leicht ausgebildet wurden.

Unterwarf man die Nb-Schicht einem intermittierenden reaktiven Ionenätzen, dann betrug die Dauer der Gasentladung durch Anwendung des Radiofrequenzfeldes in der einzelnen reaktiven Ionenätzstufe vorzugsweise etwa 30 Sekunden. Nachdem man die elektrische Entladung abgebrochen hatte, wurde lediglich die Vakuumbehandlung während 2 Minuten fortgeführt und dann wurde die elektrische Entladung wieder vorgenommen. Die reaktive Ionenätzstufe wurde dreimal in einem solchen alternierenden Verfahren wiederholt, wobei man das gewünschte Verhältnis von Tiefe zu Breite erzielte. Die Ätzrate der Nb-Schicht war in diesem Fall erheblich größer als bei einem üblichen kontinuierlichen reaktiven Ionenätzverfahren und es wurde gezeigt, daß das intermittierende Ätzverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung außerordentlich wirksam ist, um eine Ätzbearbeitung von sehr kleinen Kerben mit kleiner Breite und einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite zu erzielen.

Die vorerwähnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ausführlicher erläutert.

Josephson-Brückenschalteinrichtungen haben eine kleine Größe, so daß deren Kapazität vernachlässigbar ist und sind für Anwendungen für digitale Hochgeschwindigkeits- Recheneinrichtungen geeignet und weisen eine plane Struktur für eine Integration auf. Um jedoch eine Brückeneinrichtung mit günstigen Eigenschaften zu erhalten, ist es erforderlich, sehr feine Kerben mit einer Breite, das Mehrfache der Kohärenzlänge des Materials ausmacht, nämlich von etwa 0,1 µm in der Schwach-Bindungsregion, auszubilden.

Als Verfahren, das für eine solche, sehr feine Bearbeitung geeignet ist, benötigt man ein solches, welches die Einrichtung auf einem Isolatorsubstrat ausbildet, um dadurch eine hochdichte Integration zu bewirken, wobei man eine superleitfähige Grundplatte verwendet. Aus den vorhergehenden Gesichtspunkten haben die Erfinder lediglich einmal Nb als die Schwach-Bindungsregion auf einem Isolatorsubstrat durch Vakuum abgeschieden und unter Ausbildung von Kerben von etwa 0,1 µm Breite unter Anwendung einer Elektronenstrahl-Lithographietechnik bearbeitet und auf diese Weise Josephson-Einrichtungen mit unterschiedlicher Dicke, wie nachfolgend beschrieben wird, hergestellt.

Bei einem Verfahren zur Ausbildung von Kerben von etwa 0,1 µm Breite hat man bisher Dampfabscheidungsmethoden, Freilegungsmethoden etc., angewendet. Da diese jedoch nicht für die Bearbeitung von Nb geeignet waren, nämlich für ein superleitfähiges Metall mit einer hohen Schmelztemperatur, wurde das gewünschte, sehr feine Bearbeiten mittels reaktivem Ionenätzen durchgeführt, indem man eine Resistmaske, die auf der Nb-Schicht auf einem Isolatorsubstrat abgeschieden war, anwandte und auf die ein Muster mittels Elektronenstrahlaussetzung aufgezeichnet wurde.

Die Elektronenstrahl-Aussetzungsvorrichtung (JEOL-Modell JBX-5DS), die bei der Herstellung der Maske gegen reaktives Ionenätzen verwendet wurde, hat eine Elektronenstrahl- Beschleunigungsspannung von 25 kV und kann den Elektronenstrahldurchmesser bis zu 10 nm verengen, während die herstellbare kleinste Breite der Kerbe durch den Nachbarschaftseffekt des Elektronenstrahls limitiert ist, der basiert auf:

(a) Elektronenrückstreuung aus dem zu ätzenden Material, und
(b) Elektronenstreuung in dem Resist.

Für eine sehr feine Bearbeitung durch Elektronenstrahlbestrahlung muß man den Nachbarschaftseffekt vermindern. Um die Auswirkung gemäß (a) zu verringern, nämlich die Elektronenrückstreuung aus dem zu ätzenden Material, ist es sinnvoll, die zu ätzende Schicht außerordentlich dünn zu machen, wobei man jedoch die Nb-Schicht für eine Josephson-Einrichtung wegen der Notwendigkeit, eine Dicke von wenigstens 0,1 µm zu erreichen, nicht verdünnen kann, während eine Verminderung gemäß (b), nämlich der Elektronenstreuung in dem Widerstand, erzielt werden kann, unter der Bedingung einer konstanten Elektronenstrahl-Beschleunigungsspannung, indem man die Resistschicht so dünn wie möglich macht. Tatsächlich ist es für die Resistschicht, damit diese eine ausreichende Plasmabeständigkeit als Maske für die Verwendung bei einem reaktiven Ionenätzen in einer Nb-Schicht aufweist, daß diese wenigstens eine Dicke von 0,1 µm hat. Resiste für Elektronenstrahlen weisen gewöhnlich eine hohe Ätzrate bei reaktivem Ionenätzen auf und insbesondere zeigt ein PMMA-Resist, das zur Erzielung einer hohen Auflösung von etwa 0,1 µm verwendet wird, eine äußerst gute Auflösungskraft und ergibt eine Ätzrate von 300 bis 400 nm/Minute und muß deshalb bei einer Nb-Schicht, die einer RIE-Schicht unterworfen wird, in einer erheblichen Dicke als Maske verwendet werden, so daß die vorerwähnte (b), nämlich die Elektronenstreuung in dem Resist, unvermeidbar wird.

Bei einer Ausführungsform des Ätzverfahrens der vorliegenden Erfindung, bei welcher man Kerben von 0,1 µm mittels reaktivem Ionenätzen in einer Nb-Schicht für eine Josephson-Einrichtung ausbildet, wurde ein Herstellungsverfahren unter Anwendung eines dreischichtigen Resists, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, angewendet.

Da in dem in Fig. 1 gezeigten, dreischichtigen Resist eine organische Polymermembran, d. h. eine Grundschicht, als Maske auf der Nb-Schicht, die dem reaktiven Ionenätzen unterworfen wird, verwendet wird, kann man die PMMA-Resistmembran, d. h. die oberste Schicht, die dem Elektronenstrahl ausgesetzt ist, sehr dünn machen, so daß bei Verwendung eines dreischichtigen Resists (a) die Elektronenrückstreuung aus dem zu ätzenden Material vermindert werden kann, indem man die organische Polymergrundschicht ausreichend dick macht, während (b) die Elektronenstreuung in dem Resist vermindert werden kann, indem man die oberste PMMA-Resistschicht ausreichend dünn macht.

Weiterhin wendet man für das Resist in der obersten Schicht vorzugsweise ein elektronenstrahlbeständiges PMMA (OEBR 1000) mit einer äußerst guten Auflösungsfähigkeit an und andererseits müssen für das organische Polymerresist in der Grundschicht die folgenden drei Bedingungen erfüllt sein:

(1) eine ausreichende Plasmabeständigkeit muß bei der Maske auf der Nb-Schicht, die dem reaktiven Ionenätzen unterworfen wird, vorliegen,
(2) die Auflösungskraft muß ausreichend groß sein, wenn man mit einem O₂-Plasma ein reaktives Ionenätzen durchführt und
(3) muß die Abblätterung leicht erfolgen.

Hinsichtlich der Plasmabeständigkeit sind Fotoresists im allgemeinen Elektronenstrahlresists überlegen und umgekehrt sind Elektronenstrahlresists hinsichtlich der Auflösungskraft erheblich überlegen. Das organische Polymerresist (OEBR-1030) der Grundschicht, welches ein Elektronenstrahlresist vom Positivtyp ist, zeigt eine ausgezeichnete Plasmabeständigkeit und auch eine ausgezeichnete Auflösungskraft im Vergleich z. B. dem Fotoresist (MP-1400J), so daß man es mittels reaktivem Ionenätzen ganz fein bearbeiten kann.

Außerdem wurde, wie schon erwähnt, in dem dreischichtigen Resist die oberste Resistschicht so dünn wie möglich für die Elektronenstrahlaussetzung ausgeführt und gleichzeitig wurde jede Schicht ebenfalls so dünn wie möglich in dem Maße hergestellt, daß sie als Maskierung für die dem reaktiven Ionenätzen zu unterwerfenden unteren Schicht wirksam dient. Die bevorzugten Dicken solcher Schichten sind in Tabelle 1 gezeigt.
ResistschichtDicke

oberste Schicht: OEBR
(verdünnt mit Trichlorethylen)-200 nm mittlere Schicht: amorphes
Silicium (gedopt mit P)-40 nm Bodenschicht: OEBR-1030-600 nm

Das amorphe Silicium (alpha-Silicium) wurde mittels Plasma-CVD bevorzugt in einem P-gedopten Zustand, um eine Elektrifizierung zu vermeiden, abgeschieden. Die Abscheidungsbedingungen waren derart, daß die Abscheidungstemperatur 150°C und die Entladungskraft 10 W so ausgewählt wurden, daß die organische Resist-Bodenschicht während der Abscheidung nicht beschädigt wurde. Als mittlere Schicht wurde alpha-Si verwendet und zwar aufgrund seines leicht erhältlichen niedrigen Widerstandes, um eine Elektrifizierung zu vermeiden, der Leichtigkeit des reaktiven Ionenätzens und der Möglichkeit der Abscheidung wegen, ohne daß die organische Resist-Bodenschicht beschädigt wird. Die Dosismenge der Elektronenstrahl-Belichtung betrug 1 nC/cm. Als Entwickler wurde eine Lösung von MIBK : IPA = 1 : 3 verwendet.

In der Verarbeitungssequenz, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird, werden die reaktiven Ionenätzbedingungen für alpha-Si, für den organischen Resist (OEBR-1030) und die Nb-Schichten in Tabellen 2, 3 und 4 gezeigt.
GasCF₄ + O₂ Rf-Kraft250 W Gasdruck3 Pa Gasfließrate30 sccm vollautomatische Gitterspannung800 V Ätzrate:
alpha-Si-100 nm/min. OEBR-1000-300 nm/min. GasO₂ Rf-Kraft200 W Gasdruck3 Pa Gasfließrate30 sccm vollautomatische Gitterspannung700 V Ätzrate:
alpha-Si< 10 nm/min. OEBR-1030-200 nm/min. GasCF₄ + O₂ RF-Kraft250 W Gasdruck3 Pa Gasfließrate30 sccm vollautomatische Gitterspannung800 V Ätzrate:
Nb-80 nm/min. OEBR-1030< 200 nm/min.

Bei jeder dieser Bedingungen wurde der zugelassene Gasdruck so niedrig wie möglich gemacht und die vollautomatische Gitterspannung wurde so hoch wie möglich eingestellt, um ein feines Ätzmuster zu ätzen. Weiterhin zeigen alle diese Tabellen die Ätzrate in dem Fall, bei dem eine Vertiefung mit einer großen Öffnungsfläche geätzt wird. Wird bereits vorher erläutert, gilt, daß wenn man ein sehr feines Muster, wie eine feine Kerbe, ätzt, je kleiner die Breite der Kerbe und je größer das Verhältnis von Tiefe zu Breite ist, es umso schwieriger wird, Ätzreaktionsprodukte (z. B. CO₂, H₂O, etc., die vom Ätzen des organischen Resists OEBR-1030 stammen) aus der Kerbe zu entfernen, wobei diese Gase mit dem Fortschreiten der Ätzung interferieren, so daß die tatsächliche Ätzrate wesentlich kleiner ist als die in den Tabellen gezeigte.

Fig. 1 stellt eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In Fig. 1 werden eine Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Schicht und eine Niob (Nb)-Schicht nacheinander auf einem Substrat abgeschieden und dann wird auf der Nb-Schicht ein dreischichtiges Resist, bestehend aus PMMA (OEBR-1000), alpha-Si und Polymer (OEBR-1030) abgeschieden. Dann werden die Elektronenstrahlbelichtung und die Entwicklung ausgeführt unter Ausbildung eines entfernten Teils mit einer Öffnung in der gewünschten Form und Größe in der obersten Schicht, worauf man anschließend reaktives Ionenätzen unter Anwendung eines CF₄+O₂-Gasplasmas durchführt, unter Ausbildung eines entfernten Teils mit einer Öffnung von identischer Form in dem mittleren Resist (alpha-Si), Entfernung des oberen Resists, einem weiteren reaktiven Ionenätzen unter Verwendung eines O₂-Gasplasmas unter Ausbildung eines entfernten Teils mit einer Öffnung von identischer Größe in der Polymerresist-Bodenschicht, Entfernung des mittleren Resists (alpha-Si) und schließlich einem letzten reaktiven Ionenätzen unter Anwendung eines CF₄+O₂-Gasplasmas unter Ausbildung eines entfernten Teils mit einer Öffnung in der gewünschten Form und Größe.

Um das vorerwähnte Problem, nämlich die Erniedrigung der Ätzrate bei der Ausbildung einer Vertiefung mittels reaktivem Ionenätzen mit einer sehr kleinen Öffnung und mit einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite, zu lösen, werden gasförmige Reaktionsprodukte, die sich während des Ätzens entwickelt haben, z. B. des Polymerresists (OEBR-1030) und der Nb-Schicht und die sich in den vertieften Teilen bei dem Herstellungsverfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, ausgebildet haben, im Vakuum entfernt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses Ätzen mit Unterbrechung durchgeführt, indem man alternierend die Gasentladungsstufen bei dem reaktiven Ionenätzen mit einer Vakuumbehandlung unter Aufrechterhaltung eines Drucks von etwa 3 × 10^-3 Pa in einem hermetisch abgeschlossenen Reaktionsgefäß durchführt und auf diese Weise die gasförmigen Reaktionsprodukte aus den geätzten Vertiefungen entfernt.

Dieses intermittierende Ätzen bewirkt, daß die aufgegebene Hochfrequenzenergie und somit auch die vollautomatische Gitterspannung äquivalent mit der Unterdrückung der Temperaturerhöhung bei dem reaktiven Ionenätzen erhöht werden kann und daß eine Zerstörung des Resists bei hohen Temperaturen vermieden wird.

Fig. 2 und 3 zeigen SEM-Mikrofotografien eines feinsten Musters, das in eine Nb-Schicht nach der vorerwähnten erfindungsgemäßen Ätzmethode geätzt worden ist. Die feinen Linien in Fig. 2 wurden mit von links nach rechts allmählich abnehmenden Dosismengen geätzt und zwar um 10% bei jeder Linie, und dies zeigt, daß es möglich ist, eine Vertiefung mit einer Öffnung von etwa 0,1 µm Breite in einer Niobschicht einzuarbeiten.

Da die vorliegende Erfindung letztendlich bezweckt, eine logische Schaltung herzustellen, unter Verwendung von Josephson-Einrichtungen vom Brückentyp mittels eines Verfahrens, welches für eine hochdichte Integration geeignet ist, soll die minimale Breite der Linien 1 µm sein, so daß man die besetzte Fläche pro Gitter so klein wie möglich machen kann. Infolgedessen wird das Elektrodenverdrahtungsmuster einer Josephson-Einrichtung vom Brückentyp auch durch Elektronenstrahl-Behandlung durchgeführt, um so die Übereinanderlagerungs-Genauigkeit bei der Herstellung von logischen Schaltungen zu verbessern.

Wie schon erwähnt, haben Elektronenstrahlresiste im allgemeinen einen schlechten Plasmawiderstand und insbesondere benötigt ein Resist vom Negativtyp, PGMA (OEBR-100) eine extrem lange Ätzrate bei RIE, so daß ein Herstellungsverfahren, bei dem man von einem dreischichtigen Resist Gebrauch macht, wie dies in Fig. 4 gezeigt wird, auch im Falle der Herstellung einer Josephson-Einrichtung angewendet wird. In dem dreischichtigen Resist, wie es in Fig. 4 gezeigt wird, wird MP-1400J als organisches Resist in der Grundschicht verwendet und zwar wegen des ausgezeichneten Plasmawiderstandes und der nicht vorhandenen Notwendigkeit einer eigenen Auflösungskraft, zum Unterschied von dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1. Da der PGMA-Resist eine niedrige Brenntemperatur aufweist, wird der MP-1400J-Resist während der Herstellung des dreischichtigen Resists nicht zerstört. MP-1400J wurde mit einem Verdünner so verdünnt, daß die Dichte der Membran 600 µm betragen kann. Ähnlich zu dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1 wird das alpha-Si mittels Plasma-CVD mit einer Abscheidungstemperatur von 100°C abgeschieden, weil die Brenntemperatur von 1400J nur 130°C beträgt. Weiterhin wird bei dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 4 das gleiche Gas, das bei dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1 verwendet wurde, angewendet und der Gasdruck wird auf 5 Pa erhöht, so daß sich organische Substanzen kaum während des Ätzens niederschlagen, während die Hochfrequenzkraft für die Entladung und infolgedessen die vollautomatische Gitterspannung abnehmen und zwar hauptsächlich um die Temperaturerhöhung während des reaktiven Ionenätzens zu minimieren.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Einrichtung vom Brückentyp, bei welchem von dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren Gebrauch gemacht wird, wird nachfolgend kurz beschrieben:

(1) Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Schicht mit einer Dicke von 100 nm wird auf ein Siliciumsubstrat mittels Plasma-CVD abgeschieden.
(2) Niob(Nb)-Schicht, 120 nm Dicke, wird mittels Elektronenstrahl-VD abgeschieden.
(3) Die Musterausbildung für Elektroden und Anschlußstücke bei der Einrichtung wird gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Verfahren vorgenommen.
(4) Die Musterausbildung der Brückenteile wird gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren vorgenommen.

Da man eine Josephson-Einrichtung vom Brückentyp lediglich mittels einer Nb-VD-Stufe durchführen kann, ist das vorerwähnte Verfahren für eine Integration geeignet.

Eine SEM-Mikrofotografie einer Josephson-Einrichtung vom Brückentyp, die nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt wurde, wird in Fig. 5 gezeigt. Die Brückenlänge von 0,1 bis 0,15 µm wurde mit guter Reproduzierbarkeit erhalten.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Strom-Spannung (I-V)- Charakteristik bei 4,2°K einer Josephson-Brückeneinrichtung, die nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt wurde. Bisher erhältliche Brückenelemente mit variabler Dicke (VTB) haben kritische Strom (Ic)-Werte im Bereich von 0,05 bis 0,5 mA und IcRn-Produkte im Bereich von 0,05 bis 0,3 mV. Weiterhin wird ein Beispiel einer I-V-Charakteristik mit Mikrowellenbestrahlung bei etwa 10 GHz in Fig. 7 gezeigt. Die charakteristische Kurve in Fig. 7 zeigt, daß Stufen von bis zu etwa 0,1 mV auftraten. Weiterhin wird als eine wesentliche Eigenschaft der Einrichtung, wenn man VTB-Elemente nach dem vorerwähnten Verfahren herstellt, die Dicke der Nb-Schicht an den Brückenteilen und die Zerstörungen durch reaktives Ionenätzen angesehen. Denn wenn die Öffnungsbreite der Kerben nicht mehr als 0,1 µm beträgt, dann läßt sich die Dicke der Nb-Schicht, die an den Brückenteilen zurückbleibt, aus der Beobachtung mittels SEM der Querschnittskonfigurationen nur schwer beurteilen, wobei jedoch angenommen wird, daß diese Dicke einige Hundert Ångström beträgt und man nimmt an, daß die Veränderungen in den Eigenschaften dieser Elemente aufgrund einer nicht ausreichenden Kontrolle der Dicke der Membran zurückzuführen ist.

Es wurde festgestellt, daß die Bedingungen des reaktiven Ionenätzens von Nb erheblich die vollautomatische Gitterspannung erhöhen, so daß man ein feinstes Muster ätzen kann. In diesem Fall wurde ein merkliches physikalisches Aufsprühen gleichzeitig durchgeführt, so daß die vollautomatische Gitterspannung vorzugsweise im Bereich zwischen 800 und 700 V variiert wurde. Innerhalb dieses Bereiches wurden keine merklichen Unterschiede in den Charakteristika der Elemente festgestellt.

Die Dicke der Nb-Schicht hängt von den Ätzbedingungen ab. Obwohl es schwierig ist, die Einflüsse, die nur auf die Ätzbedingungen zurückzuführen sind, genau zu umschreiben, kann man annehmen, daß die Verminderung der vollautomatischen Gitterspannung auch eine Erniedrigung von Zerstörungen durch reaktives Ionenätzen ermöglicht und dadurch die Charakteristika der Elemente verbessert werden.

Aus der vorhergehenden Erklärung geht hervor, daß als wesentlicher prominenter Effekt der vorliegenden Erfindung tiefe Vertiefungen mit kleinen Öffnungen, wie Brückenteile bei Nb etc., und die eine Josephson-Einrichtung darstellen, mittels reaktivem Ionenätzen ausgearbeitet werden können, bei denen die Ätzrate bisher sehr niedrig war im Vergleich zum Ätzen einer Vertiefung mit einer breiten Öffnung und man eine erhebliche Verbesserung der Ätzrate erzielen kann und feinste Elemente mit ausgezeichneten Charakteristika leicht hergestellt werden kann.

Claims

1. Ätzverfahren zur Ausbildung einer feinen Vertiefung mit einer kleinen Öffnung und einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite in einer Reihe von Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß man reaktive Ionenätzstufen von kurzer Dauer, durch Beenden und Wiederaufnehmen der elektrischen Entladung, alternierend mit einer alleinigen Vakuumbehandlung zum Evakuieren der gasförmigen Reaktionsprodukte durchführt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Vertiefung eine Breite von etwa 0,1 bis 0,15 µm aufweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feine Vertiefung in einer Reihe von Schichten gebildet wird, die eine dünne Niobschicht umfaßt, die mit einem dreischichtigen Resist aus einer dicken organischen Grundschicht, einer dünnen amorphen Silicium-Mittelschicht und einer obersten Schicht aus einem organischen Polymer, die Elektronenstrahlen ausgesetzt werden soll, überzogen ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Grundschicht etwa 0,3 bis 0,6 µm beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer einer einzelnen reaktiven Ionenätzstufe etwa 20 bis 60 Sekunden und die der Vakuumstufe etwa 1 bis 3 Minuten betragen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die feine Vertiefung in einem Werkstück ausgebildet ist, das eine dünne Niobschicht umfaßt, die mit einem dreischichtigen Resist aus einer obersten Schicht aus Polymethylmethacrylat, einer amorphen Silicium-Mittelschicht und einer organischen Grundschicht, die als Elektronenstrahl-Resist eine Schicht vom Positiv-Typ ist, überzogen ist, und daß man hintereinander von CF₄ + O₂-Gasplasma, O₂-Gasplasma und CF₄ + O₂-Gasplasma Gebrauch macht, um die feine Vertiefung schrittweise durch die mittlere Schicht, die Grundschicht und die feine Niobschicht zu bilden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine Dicke von 0,3 µm bis 0,6 µm aufweist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium-Schicht mit Phosphor dotiert ist und eine Dicke bis zu 40 nm aufweist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht mit Trichlorethylen verdünnt ist und eine Dicke bis zu 0,2 µm besitzt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Ionenätzen mit einer vollautomatischen Gitterspannung im Bereich von 700 bis 800 Volt durchgeführt wird.