DE4127701C2 - Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Dünnschicht aus einem Hochtemperatursupraleiter und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstel­ len einer strukturierten Dünnschicht aus einem Hochtempe­ ratursupraleiter (HTSL) auf einem Substrat durch Trocken­ ätzen, bei dem die Dicke der geätzten HTSL-Dünnschicht optisch gemessen wird.

Zum Strukturieren von Schichten aus Hochtemperatursupra­ leitern (HTSL) mit im allgemeinen geringer Strukturbreite, beispielsweise weniger als 2 µm, werden Trockenätzverfahren eingesetzt. Dünnfilme aus einem Hoch­ temperatursupraleiter, beispielsweise YBa₂Cu₃O_{7- δ}, der im allgemeinen als YBCO bezeichnet wird, oder auch Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_{8+ δ} sowie Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_{10+ δ}, werden auf einem Substrat angeordnet, das beispielsweise aus SrTiO₃ beste­ hen kann, und mit einer Ätzmaske abgedeckt, die beispiels­ weise aus Aluminiumoxid Al₂O₃ bestehen kann. Die freie Oberfläche wird mit einem Photoresist versehen, der in bekannter Weise entsprechend der herzustellenden Struktu­ rierung belichtet wird. Das belichtete Material mit den darunter befindlichen Teilen der Maske wird entfernt und die Dünnschicht durch reaktives Ionenätzen RIE (reactive ion etching) mit einem Reaktivgas, beispielsweise HCl oder Cl₂, strukturiert.

Ein solches Verfahren ist im einzelnen in der EP-PS 0 324 996 beschrieben.

Aufgrund der geringen Flüchtigkeit der bekannten Halogen­ verbindungen in den Konstituenten der Hochtemperatursupra­ leiter, beispielsweise des YBCO, muß der Abtrag bei den verwendeten Trockenätzverfahren zum wesentlichen Teil durch eine physikalische Komponente, beispielsweise Ionenbeschuß (Ionenstrahlätzen, Sputterätzen), bestimmt sein. Andererseits bewirkt gerade dieser physikalische Anteil eine geringe Selektivität. So ist beispielsweise für senkrechten Ioneneinfall und eine Ionenenergie von 700 eV das Verhältnis der Ätzraten von Photolack zu YBaCuO und LaAlO₃ 1,5/1,0/0,95. Das Material der Dünnschicht muß aber auf dem Substrat in den nicht benötigten Bereichen vollständig entfernt werden, da es sonst die Funktions­ bereiche kurzschließt. Andererseits ist häufig ein tiefes Hineinätzen in das Material, auf dem die Dünnschicht auf­ gebracht ist, ebenfalls nicht erwünscht.

Aus der JP 57-155733 A ist es bekannt, auf Halbleiter­ wafer aufgedampfte Aluminiumfilme in flüssigen Behältern zu ätzen, wobei Infrarotstrahlung von der Rückseite des Wafers durch das Halbleitermaterial gestrahlt und vom Aluminiumfilm unterbrochen wird. Erst beim Erreichen einer entsprechenden Ätztiefe wird mit einem Detektor eine Lichtintensität empfangen, die ein Signal für die Beendi­ gung des Ätzvorganges ist. Ganz entsprechend wird in der JP 59-229823 A mit einem optischen Reflexionsverfahren gearbeitet, bei dem die reflektierte Strahlung über eine Optik auf einen Signalwandler gegeben wird.

Die Überwachung eines Plasmaätzverfahrens einer Dünn­ schicht auf einem Substrat wird mittels eines optischen Reflexionsverfahrens in der US-PS 4 208 240 beschrieben. Dabei interferiert die an den verschiedenen Partien der Schicht bzw. des Substrates reflektierte Strahlung, woraus sich im einzelnen schichtspezifische Intensitätsverläufe ergeben. Insbesondere bei der Aufeinanderfolge von zwei Metallen läßt sich in einfacher Weise eine Aussage über den Ätzzustand ableiten. Weiterhin ist aus der DE-OS 39 01 017 ein Photometer zur Überwachung des Schichtab­ trages bei einem Trockenätzprozeß bekannt, wobei die Signale des Photometers von einem elektrischen Schaltkreis verstärkt und insbesondere mittels einer Fouriertransfor­ mation aufbereitet werden. Schließlich ist aus der US-PS 5 032 217 ein Reflexionsverfahren zur Überwachung eines Ätzvorganges bei einem Wafer bekannt. Dort wird auch ein Verfahren erwähnt, bei dem mittels Transmission gearbeitet werden kann und ein Lichtstrahl in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl aufgespalten wird, wobei die Signale vor der Auswertung miteinander interferieren.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind allerdings zur Überwachung der Trockenätzung von HTSL-Schichten auf Sub­ straten, insbesondere zur Bestimmung der Beendigung des Ätzprozesses, nicht geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem der Zeitpunkt der vollständigen Entfernung einer HTSL-Dünnschicht auf einem transparenten Substrat genau bestimmt werden kann. Dieser Zeitpunkt kann den Ätzvorganges definiert beenden, da dann alles nicht benötigte Material entfernt ist.

Bei der Anwendung des Trockenätzens auf Halbleiter wird bekanntlich mit einer starken chemischen Komponente geätzt. Dadurch entstehen leicht flüchtige Verbindungen der zu entfernenden Materialien. Die Konzentration dieser Verbindung im Plasma ist so groß, daß sie entweder direkt durch spektroskopische Methoden, beispielsweise plasma­ induzierte Emissionsspektroskopie, laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und Absorptionsspektroskopie sowie Massenspektrometrie, oder im abgepumpten Gas oder durch ihre Wirkung auf andere Plasmaeigenschaften, bei­ spielsweise optogalvanische Spektroskopie, Messung des Totaldrucks oder der Selbstvorspannung (dc-self-bias) der Elektroden gegen Masse und der Plasmaimpedanz nachgewiesen werden können. Wird das Ätzende, d. h. die vollständige Entfernung eines Materials, erreicht, so ändert sich plötzlich die Zusammensetzung des Plasmas, und diese Änderung wird in einer Änderung der aus den genannten Meßmethoden resultierenden Meßgrößen wahrgenommen. Diese Methode ist jedoch für die Herstellung von Hochtempera­ tursupraleitern nicht anwendbar, weil keine Prozesse bekannt sind, die flüchtige Produkte erzeugen. Statt dessen wirkt eine chemische Komponente höchstens auf die Erhöhung der Sputterrate durch Erniedrigen der Bindungs­ energie. Die Ätzraten liegen deshalb um eine bis zwei Größenordnungen unter denen von Halbleiterverbindungen. Entsprechend geringer ist auch die Konzentration von abgesputterten Teilchen im Plasma. Ferner werden zum Herstellen von Hochtemperatursupraleitern im allgemeinen Proben mit einem Durchmesser bearbeitet, der 2,5 cm (1 Zoll) nicht wesentlich überschreitet. Wenn man, wie auch in der Halbleitertechnik bevorzugt, nur ein Substrat auf einmal prozessiert, ist die Konzentration aufgrund der geringen Fläche ebenfalls gering.

Obige Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Änderung der Transmission der HTSL-Dünnschicht während der Ätzung gemessen wird, wozu die Transmission des Substrats und zu entfernenden Teile der HTSL-Dünnschicht als Funktion der Zeit erfaßt werden, daß die Ableitung der Transmission nach der Zeit ermittelt wird, wobei die Zunahme des Differenzenquotienten (T(t_n) - T(t_n-1))|Δt in vorbestimmten Meßintervallen als Maß für die Ätzung herangezogen wird, und daß geätzt wird, solange T(t_n) β·T(t_n-1) ist, wobei β und t_n = t_n-1 + Δt ist mit α_f als Absorp­ tionskoeffizient der HTSL-Schicht und r als Ätzrate. Als Bedingung für die Beendigung des Ätzprozesses ergibt sich damit T(t_n) < β·T(t_n-1). Zugehörige Anordnungen zur Durch­ führung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 16 angegeben.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 und 2 das Verfahren jeweils anhand eines Diagramms veranschaulicht ist. In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt und in den Fig. 4 und 5 ist jeweils eine Anordnung zur Strukturierung durch Plasma­ ätzen veranschaulicht. In den Fig. 6 und 7 ist jeweils eine Ausführungsform eines Reaktors für das Ionenstrahl­ ätzen und in den Fig. 8 und 9 jeweils ein Reaktor für photonenunterstütztes Ätzen dargestellt. Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer mehrfachen Durchstrahlung der Dünn­ schicht.

Im Diagramm der Fig. 1 ist die Transmission T = I(d)/I_o des Dünnfilms in relativem Maßstab über der Filmdicke d in nm auf­ getragen. Die Transmission T stellt die Lichtintensität nach der Durchstrahlung einer Dünnschicht mit der Dicke d dar, be­ zogen auf die in die Dünnschicht eindringende Intensität I_o. Die dargestellten Werte gelten für eine Dünnschicht eines Hochtemperatursupraleiters aus YBCO.

Man erhält beim Ionenstrahlätzen eine etwa konstante Ätzrate von etwa 10 bis 20 nm/min. Das Verfahren gemäß der Er­ findung benutzt die geringe Transmission der abzutragenden Dünnschicht im sichtbaren Bereich der Strahlung, während das Substrat eine verhältnismäßig hohe Transmission aufweist. Die Meßwerte im Diagramm der Fig. 1 entsprechen dem Abschwä­ chungsfaktor im dünnen Film mit der auf der Projektion angegebenen Dicke d. Die Werte sind gemessen bei der Wellen­ länge des roten HeNe-Lasers von 633 nm. Eine Anpassung ergibt eine mittlere Eindringtiefe der Laserstrahlung mit der angegebenen Wellenlänge α_f ^-1 ≈ 100 nm. Es hat zur Folge, daß auch Dünn­ filme von etwa 200 nm Dicke noch schwarz aussehen. Diese Dünn­ filme werden auf einem Substrat mit verhältnismäßig hoher Transparenz angeordnet, so daß auch Substrate mit einer Dicke d von beispielsweise 0,5 bis 1 mm noch durchsichtig sind.

Aus dem Diagramm der Fig. 2, in dem die Transmission T über der Ätzzeit t in Minuten aufgetragen ist, läßt sich entnehmen, daß die Transmission der Dünnschicht vom Beginn t₀ des Ätzvor­ ganges zunimmt bis zum Zeitpunkt t₁, in dem die gesamte Dünn­ schicht entfernt ist und nur noch das Substrat durchstrahlt wird. Zu diesem Zeitpunkt tritt eine Unstetigkeit in der er­ sten Ableitung der Transmission T nach der Zeit t auf, die das Ende des Ätzvorganges anzeigt und bedingt ist durch die unter­ schiedlichen Absorptionskoeffizienten α_f und α_s von Film und Substrat sowie durch das plötzliche Ausbleiben der Reflexion an der Filmoberfläche. Das Verfahren gemäß der Erfindung mißt während des Ätzvorganges in-situ die Transmission T in einem Teil der zu entfernenden Dünnschicht. Solange in der Dünn­ schicht geätzt wird, nimmt die Transmission T exponentiell mit der Zeit t zu. Sobald das Substrat angeätzt wird, erwartet man nur noch ein sehr langsames Steigen der Transmission. Wenn der Verlauf der Transmission T über der Zeit t verfolgt wird, kann das Ende des Ätzvorganges exakt erfaßt werden als der Punkt, an dem sich zur Zeit t₁ die erste Ableitung der Transmission T nach der Zeit t unstetig ändert.

Mit Hilfe eines Rechners kann der Endpunkt des Ätzvorganges zur Zeit t₁ genau erfaßt werden. Es kann in kurzen Meß-Inter­ vallen Δt der Differenzenquotient (T(t_n) - T(t_n-1))/Δt berech­ net werden. Solange im Film geätzt wird, nimmt der Differen­ zenquotient zu. Sobald eine Abnahme beobachtet wird, ist die Dünnschicht entfernt und der Ätzprozeß wird beendet. Ferner kann die Zunahme der Transmission selbst abgefragt werden. Beim Ätzen des Dünnfilms sollte sie im Intervall Δt um den Faktor zunehmen, wobei r die Ätzrate ist. Man kann nun nachprüfen, ob T(t_n) β·T(t_n-1) ist, wobei β ≲ und t_n = t_n-1 + Δt gewählt wird. Ist das Kriterium für T(t_n) nicht erfüllt, so ist das Ätzende erreicht.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 3 ist eine zu strukturierende Dünn­ schicht 2 auf einem Substrat 4 angeordnet und auf seiner obe­ ren Flachseite mit einer Prozeßmaske 6 versehen. Das Substrat 4 mit der Dünnschicht 2 ist auf einem Probenhalter 8 befe­ stigt, der mit einem lichtdurchlässigen Bereich versehen ist, der eine Öffnung 9 sein kann. Der Lichtstrahl 12 einer Strah­ lungsquelle 10 wird mit in der Figur nicht näherdargestellten Mitteln zur Strahlungsführung durch die Öffnungen der Prozeß­ maske 6 der Dünnschicht 2 zugeführt. Das transmittierte Licht wird über eine nicht näher dargestellte Optik 13 auf einen Detektor 20 konzentriert. Die dargestellten Bauteile mit der zu strukturierenden Dünnschicht 2 sind in einem Reaktor 22 angeordnet.

Der als Strahlungsempfänger für die elektromagnetische Strah­ lung der Strahlungsquelle 10 vorgesehene Detektor 20 dient zum quantitativen Nachweis der empfangenen Strahlung und zur Um­ setzung in ein entsprechendes elektrisches Signal. Als Detek­ tor kann eine Vidikon, vorzugsweise ein Photo­ multiplier, oder auch eine Photodiode, insbesondere ein Photo­ diodenarray, vorgesehen sein. Das vom Detektor 20 gelieferte elektrische Signal kann von einem Schreiber oder Multimeter mit Rechnerschnittstelle oder auch von einem Rechner mit AD-Wandlerkarte erfaßt und weiterverarbeitet werden.

Als Lichtquelle 10 kann eine Lampe, vorzugs­ weise eine Lumineszenzdiode oder Infrarotdiode und insbeson­ dere ein Laser, vorgesehen sein. Geeignet sind HeNe-Laser, Ar⁺-Laser sowie Dioden-Laser oder auch UV- Laser. Dem Lichtstrahl 12 können in der Figur nicht darge­ stellte Mittel zur Strahlungsführung, beispielsweise wenig­ stens eine Linsenoptik oder auch ein Spiegel, zugeordnet sein; vorzugsweise kann zur Strahlungsführung eine Lichtleitfaser vorgesehen sein. Die Optik 13 kann die gleichen Mittel zur Strahlungsführung enthalten.

Beim Trockenätzen des Dünnfilms 2 wird während des Ätzvorgangs die Transparenz des zu entfernenden Materials zum Zwecke der Endpunkterkennung gemessen und zwar nahezu unabhängig von der Ausführungsform des Ätzreaktors und den verschiedenen Möglichkeiten des Trockenätzens. Eine elektromagnetische Strahlung wird ausgesandt und durchdringt diese Dünnschicht teilweise, und die aus der Öffnung 9 austre­ tende transmittierte Strahlung wird vom Detektor 20 nachgewie­ sen.

Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 3 kann die Strah­ lungsquelle 10 auch unterhalb der Öffnung 9 des Probenhalters 8 angeordnet sein und die transmittierte Strahlung einem De­ tektor 20 zugeführt werden, der oberhalb der Dünnschicht 2 angeordnet ist.

In der Ausführungsform eines Reaktors 22 als sogenannter Parallelplattenreaktor gemäß Fig. 4 wird die Dünnschicht 2 durch Plasmaätzen abgetragen, bei dem als Strahlungsquelle das Eigenleuchten eines Prozeßplasmas 24 vorgesehen ist, in dem Ionen erzeugt werden, welche durch die nicht näher bezeichne­ ten Öffnungen der Prozeßmaske 6 in Kontakt treten mit den abzutragenden Teilen der Dünnschicht 2. Das Prozeßplasma 24 bildet oberhalb der Dünnschicht 2 eine Randschicht mit einem Potentialgefälle, in welcher die Ionen beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf die freien Oberflächenbereiche der Dünnschicht 2 auftreffen. Das Prozeßplasma 24 wird gebil­ det zwischen dem Probenhalter 8, der als Elektrode dient, und einer weiteren Elektrode 26, die im Reaktor 22 oberhalb der Dünnschicht 2 parallel zum Probenhalter 8 angeordnet ist. Der Reaktor 22 ist mit einem Gaseinlaß 27 für ein Arbeitsgas 30, im Ausführungsbeispiel ein Reaktivgas oder ein Edelgas oder auch eine Gasmischung, versehen, das in der Figur lediglich als Pfeil angedeutet ist. An einem Gasauslaß 28 kann das Reaktionsgas austreten. Die transmittierte Strahlung wird über Mittel zur Strahlungsführung, im Ausführungsbeispiel eine Lichtleitfaser 14, dem Detektor 20 zugeführt.

In der dargestellten Ausführungsform mit der als Anode ge­ schalteten Elektrode 26, die an Masse liegt, und dem als Kathode geschalteten Probenhalter 8, der mit einem Generator 34 verbunden ist, kann die Dünnschicht 2 sowohl durch Sputter­ ätzen mit Argon als Arbeitsgas als auch durch reaktives Ionenätzen RIE (reactive ion etching) mit einem Re­ aktivgas bearbeitet werden. Der Generator 34 kann sowohl mit Niederfrequenz als auch mit Mittelfrequenz oder mit Hochfre­ quenz, beispielsweise mit 13,56 MHz, betrieben werden. Als Arbeitsgas zum reaktiven Ionenätzen kann HCl- Gas oder Cl₂-Gas verwendet werden.

In einer anderen Ausführungsform dieses Reaktors 22 mit einem an der Elektrode 26 angeschlossenen Generator kann der Reaktor 22 auch zum Plasmaätzen (plasma etching) verwendet werden.

In der Ausführungsform des Reaktors 22 für Triodenätzen wird an die obere Elektrode 26 ein weiterer, in der Figur nicht dargestellter Generator angeschlossen. Für ein MERIE-Ätzen (magnetically enhanced RIE) wird zusätzlich zur Anordnung nach Fig. 4 das Prozeßplasma 24 von einem in der Figur nicht dar­ gestellten Magnetfeld durchsetzt.

Eine weitere Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 5 un­ terscheidet sich von der Fig. 4 lediglich dadurch, daß noch eine besondere externe Lichtquelle 16 vorgesehen ist, die auch ein Laser, beispielsweise ein HeNe-Laser, sein kann. Ein Licht­ strahl 18 tritt durch ein Fenster 36 in den Reaktor 22 ein und gelangt durch einen lichtdurchlässigen Bereich 38 in der Elektrode 26 und durch das Prozeßplasma 24 zur Dünnschicht 2.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 6, die zum Ionenstrahlätzen verwendet werden kann, ist der Reaktor 22 mit einer äußeren Ionenquelle versehen, die in einem Gasraum 44, dem ein Arbeitsgas 30, im Ausführungs­ beispiel ein Edelgas, zugeführt wird, ein Quellenplasma 46 bildet, das in Sichtkontakt zur Dünnschicht 2 steht. Zum Zünden des Plas­ mas in der Ionenquelle kann eine Glühemissions­ kathode 42 vorgesehen sein, der eine Gleichspannungsquelle 48 zugeordnet ist und die als Kathode über eine weitere Gleich­ spannungsquelle 49 gegen eine Anode 43 geschaltet ist. Die im Plasma erzeugten Ionen werden durch ein Extraktionsgitter 40 als Ionenstrahl 50 in den Reaktorraum geführt und dort durch eine in der Figur nicht dargestellte Spannungsquelle 52 in Richtung auf die Oberfläche der Dünnschicht 2 beschleunigt.

Zum reaktiven Ionenstrahlätzen RIBE (reactive ion beam etching) wird dem Ionenquellenraum zusätzlich ein Reaktivgas zugeführt. In der besonderen Ausführungsform des chemisch unterstützten Ionenstrahlätzens CAIBE (chemically assisted ion beam etching) ist die Zuführung eines Reaktivgases 32 als "Gasdusche" vorgesehen. Diese Gaszuführung ist so gestaltet, daß die Oberfläche der Dünnschicht 2 von dem Reaktivgas 32 beströmt wird. In dieser Ausführungsform kann die Gasdusche als Molekularstrahlquelle wirken.

Während in der Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 6 das Eigenleuchten des Quellenplasmas 46 zur Mischung der Trans­ mission der Dünnschicht 2 verwendet wird, ist in der Ausfüh­ rungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 7 zusätzlich noch die Lichtquelle 16, vorzugsweise ein HeNe-Laser, vorgesehen, deren Lichtstrahl 18 durch das Fenster 36 in den Reaktor 22 ein­ tritt, das Quellenplasma 46 durchsetzt und durch das Extrak­ tionsgitter 40 zur Dünnschicht 2 gelangt. In dieser Ausfüh­ rungsform dienen sowohl das Eigenleuchten des Quellenplasmas 46 als auch der Lichtstrahl 18 der Lichtquelle 16 zur Messung der Transmission der Dünnschicht 2.

In einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 8 für laserchemisches Ätzen LCE (laser chemical etching) mit dem Reaktivgas 32 wird dem Reaktor 22 durch das Fenster 36 ein Bearbeitungslaserstrahl 54 zugeführt, dessen Ausdehnung wenigstens annähernd so groß ist wie die zu bearbeitende Ober­ fläche der Dünnschicht 2. Dieser Bearbeitungslaserstrahl 54 kann von einem in der Figur nicht dargestellten Excimerlaser geliefert werden, dem eine Aufweitungsoptik zuge­ ordnet ist. Dieser Bearbeitungslaserstrahl 54 regt das Reak­ tivgas 32 an, crackt die Moleküle und bildet damit Radikale, die zu den freien Oberflächenteilen der Dünnschicht 2 wandern und die Oberfläche abtragen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser An­ ordnung kann zusätzlich noch die Lichtquelle 16, im Ausführungsbeispiel ein HeNe-Laser, vorgesehen sein, dessen fokussierter Laser­ strahl über die freien Oberflächenteile der Dünnschicht 2 geführt wird und dessen transmittierte Strahlung vom Detektor 20 aufgenommen wird. In diesem Fall ist es möglich, daß der Bearbeitungslaserstrahl gebündelt ist und in einer schreiben­ den Bewegung über die Dünnschicht 2 geführt wird.

Ebenfalls für laserchemisches Ätzen LCE geeignet ist eine Aus­ führungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 9. In dieser Ausfüh­ rungsform erhält der Reaktionsraum ebenfalls ein Reaktivgas 32, jedoch erfolgt die Zuführung des breit gefächerten Bear­ beitungslaserstrahls 54 durch ein Fenster 36, das in einer nicht näher bezeichneten Seitenwand des Reaktors 22 angeordnet ist. Die Strahlrichtung des Bearbeitungslasers 54 verläuft somit wenigstens annähernd parallel zu den Flachseiten der zu bearbeitenden Dünnschicht 2. Als Lichtquelle für die Transpa­ renzmessung durch den Detektor 20 dient die laserinduzierte oder reaktionsinduzierte Fluoreszenzstrahlung bzw. Streustrah­ lung 56, die auch in Richtung auf die Oberfläche der Dünn­ schicht 2 ausgesandt wird. Durch den Bearbeitungslaser 54 wird das Reaktivgas 32 dissoziiert; es werden somit Moleküle dieses Gases zerschlagen und Radikale gebildet, welche die Oberfläche der Dünnschicht 2 angreifen und abtragen.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform der Anordnung zum Herstellen einer strukturierten Dünnschicht 2 gemäß den Fig. 8 und 9 kann anstelle des aufgefächerten Bearbeitungs­ laserstrahles 54 auch eine nicht kohärente UV-Strahlung vorge­ sehen sein, die ausreicht, das Reaktivgas 32 zu dissoziieren. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann der Probenhalter 8 mit mehreren Öffnungen versehen sein, von denen die transmittierte Strahlung jeweils über eine Optik zu einem Detektor geführt wird. Diese Detektoren, beispielsweise Dioden, können ein Diodenarray bilden. Auf diese Weise ist es mög­ lich, die Ätzhomogenität ortsaufgelöst an mehreren Stellen der Dünnschicht 2 zu messen.

In der Ausführungsform des Reaktors 22 gemäß Fig. 10 sind so­ wohl die Strahlungsquelle 10 als auch der Detektor 20 ober­ halb der Dünnschicht 2 außerhalb des Reaktors 22 angeordnet. In dieser Ausführungsform tritt der Lichtstrahl 12 der Strah­ lungsquelle 10 durch das Fenster 36 in den Reaktionsraum ein, durchsetzt die Dünnschicht 2 und das Substrat 4 und wird von der Oberfläche des Probenhalters 8 reflektiert, die zu diesem Zweck poliert sein oder auch mit einer besonderen Reflexionsschicht versehen sein kann. Der Lichtstrahl 12 tritt nach mehrfacher Reflexion an der Ober­ fläche des Probenhalters 8 und an einem im Reaktionsraum oder außerhalb desselben angeordneten Spiegel 58 durch das Fenster 36 wieder aus und gelangt zum Detektor 20, der nach Umsetzung der Strahlung in ein entsprechendes elektrisches Signal das Ende des Ätzvorganges anzeigt. Da der Lichtstrahl 12 die Dünn­ schicht 2 mehrfach durchläuft, wird ein erhöhtes Signal-zu- Rausch-Verhältnis erreicht.

Die thermische Belastung der Dünnschicht 2 während des Ätz­ vorganges muß möglichst niedrig gehalten werden. In einer be­ sonderen Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann deshalb das Substrat 4 auf dem Substrathalter 8 mit einem in den Figuren nicht darge­ stellten Kleber befestigt werden, der im Bereich der Wellen­ länge, bei der die Messung der Transparenz der Dünnschicht 2 durchgeführt wird, eine hohe Transparenz aufweist. Mit diesem Kleber erhält man einen guten Wärmeübergang und somit einen geringen Wärmewiderstand zwischen dem Substrat 4 und dem Sub­ strathalter 8, für den im allgemeinen eine besondere, in den Figuren nicht dargestellte Kühlung vorgesehen ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens kann eine modulierte Strahlungsquelle 10 vorgesehen sein, beispielsweise ein modu­ lierter Laserstrahl, um die Transparenz der Dünnschicht 2 zu messen. Damit läßt sich die Höhe des aktiven Signals am Detek­ tor 20 genauer ermitteln. Der Nachweis kann außerdem in einem Lock-in-Verstärker erfolgen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Dünnschicht aus einem Hochtemperatursupraleiter (HTSL) auf einem Substrat durch Trockenätzen, bei dem die Dicke der geätzten HTSL- Dünnschicht optisch gemessen wird, gekennzeich­ net durch die Kombination folgender Merkmale:

• - Es wird Änderung der Transmission der HTSL-Dünnschicht während der Ätzung gemessen, wozu die Transmission des Substrats und zu entfernender Teile der HTSL-Dünnschicht als Funktion der Zeit erfaßt werden,
• - es wird die Ableitung der Transmission nach der Zeit ermittelt, wobei die Zunahme des Differenzenquotienten (T(t_n) - T(t_n-1))/Δt in vorbestimmten Meßintervallen als Maß für die Ätzung herangezogen wird,
• - es wird geätzt, solange T(t_n) β·T(t_n-1) ist, wobei β < und t_n = t_n-1 + Δt ist mit α_f als Absorptions­ koeffizient der HTSL-Schicht und r als Ätzrate.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich für die Beendigung des Ätzpro­ zesses als Bedingung T(t_n) < βT(t_n-1) ergibt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einer Strahlungsquelle und einem Detektor für optische Strahlung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (4), das mit der HTSL-Dünnschicht (2) versehen ist, in einem Reaktor (22) auf einem Probenhalter (8) angeordnet ist, der unter dem Substrat (4) mit einer Öffnung (9) versehen ist, und daß unter der Öffnung (9) die Strahlungsquelle (10) bzw. der Detektor (20) und über dem Substrat (4) der Detektor (20) bzw. die Strah­ lungsquelle (10) vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die HTSL-Dünnschicht (2) mit einer Prozeßmaske (6) versehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Optik (13) zur Konzentration der Strahlung auf dem Detektor (20) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lichtleitfasern (14).

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Probenhalter (8) mit mehreren Öffnungen versehen ist, denen jeweils eine Optik zur Konzen­ tration der Strahlung auf jeweils einem Empfänger eines Detektorarrays zugeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Reaktor (22) in der Ausführung als Parallelplattenreaktor vorgesehen ist und daß als Strahlungsquelle das Eigenleuchten eines Prozeßplasmas (24) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laser (16) als zusätzliche Licht­ quelle vorgesehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den Reaktor (22) eine äußere Ionenquelle vorgesehen ist, die in einem Gasraum (44) ange­ ordnet ist, der mit einem Arbeitsgas (30) ein Quellenplasma (46) bildet, und daß der Gasraum (44) vom Reaktorraum durch ein Extraktionsgitter (40) getrennt ist, aus dem ein Ionen­ strahl (50) austritt, der durch eine Spannungsquelle (52) zwischen Glühemissionskathode (42) und Probenhalter (8) auf die Dünnschicht (2) beschleunigt wird.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gasraum (44) ein Edelgas (30) und der Reaktionsraum ein Reaktivgas (32) enthält.

12. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reaktionsraum ein Reak­ tivgas (32) enthält, das von einem aufgeweiteten Bearbei­ tungslaserstrahl (54) durchsetzt ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zusätzliche Lichtquelle (16) vorgesehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen gebündelten Bearbeitungslaserstrahl.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bearbeitungslaserstrahl (54) durch eine Seitenwand des Reaktors (22) zugeführt ist und wenigstens annähernd parallel zu den Flachseiten der Dünn­ schicht (2) verläuft.

16. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einer Strahlungsquelle und einem Detek­ tor für optische Strahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Strahlungsquelle (10) und ein Detektor (20) gegenüber der gleichen Flachseite der HTSL- Dünnschicht (2) angeordnet sind, daß durch eine mehrfache Spiegelung des Lichtstrahls (12) an der Oberfläche des Pro­ benhalters (8) und an einem zusätzlich angebrachten Spiegel (58) die Transmissionsmessung erfolgt.