SE508155C2 - Förfarande för etsning av små strukturer - Google Patents

Description

508 TT-»S 2 10 15 20 25 30 35 Vid mekaniska metoder, såsom jonstràle-etsning, be- skjuts en etsyta av joner med hög energi. Jonerna slår därvid mekaniskt bort atomer från etsytan. Etsningen är alltså anisotrop.

Vid kemiskt verkande, torra etsmetoder, såsom plas- maetsning, styrs joner till en etsyta hos ett etsmaterial m h a ett elektriskt fält. Etsningen sker här främst genom kemiska reaktioner och är därför ej lika anisotrop som rent mekaniska etsmetoder. Viss mekanisk etsning kan också ske vid kemiskt verkande etsning.

Vid plasmaetsning påläggs ett elektriskt fält över en gas. Fältet är tillräckligt starkt för att gasen där- vid ska bryta samman och joniseras till bildande av ett reaktivt plasma. Reaktiva joner förs av det elektriska fältet mot en etsyta och reagerar etsande med denna.

Torra etsmetoder används i idag inom elektronikin- dustrin för framställning av elektronikkomponenter, Anisotrop etsning av strukturer i små dimensioner, stor- leksordningen 1 um och mindre, är möjlig att åstadkomma.

En stor nackdel med de torra etsmetoder som används idag är att de är svåra att styra, eftersom ett stort an- tal variabler, som påverkar etsningen mäste hållas inom stränga toleranser. Den tekniska apparaturen blir sålunda komplicerad och dyr. Apparaturkostnaden påverkas även av storleken hos arbetsstycket som ska etsas och stiger kraftigt om apparaturen ska dimensioneras för att hantera stora arbetsstycken.

Vid framställning av elektronikkomponenter, såsom integrerade kretsar och halvledarkomponenter, ställs höga krav på komponenternas renhet. Detta kräver vid torra etsmetoder, i synnerhet vid mekaniskt verkande metoder, noggrann rengöring efter etsning av det material som har etsats, eftersom detta vanligtvis har kontaminerats av restprodukter. Rengöringen medför i sig ett extra steg, vilket förutom att det är tidskrävande även kräver an- vändning av rengöringsmedel som i sin tur har negativ miljöpåverkan. 10 15 20 25 30 35 * 3 :sus 155 För att förhindra etspåverkan på de områden som ej ska etsas är det vid etsning av mycket små strukturer vanligt, och vid mekaniskt verkande etsmetoder nödvän- digt, att dessa områden maskeras med ett etsskyddsskikt, även kallat resist. Vid mekanisk påverkan, t ex genom jonbeskjutning, kommer också etsskyddsskiktet att bearbe- tas vid etsning. Detta medför i sin tur två nackdelar, dels att etsskyddsskiktet måste vara mycket tjockt för att inte helt avverkas under etsförloppet, dels att ets- skyddsskiktets kontur mot etsytan blir ojämn av jonernas avverkande bearbetning, vilket leder till en ojämn ets- kontur. Även vid våta etsmetoder maskeras etsmaterialet.

Därefter nedsänks det i en etsvätska som innehåller ett etsmedel, vilket i kontakt med etsmaterialet har etsande förmåga.

Vid kemisk etsning utnyttjas en etsvätska omfattande en lösning av ett etsmedel som har förmåga att genom spontan kemisk reaktion etsa ett etsmaterial, dvs etsmed- let etsar direkt när det kommer i kontakt med etsmateria- let. Etsningen sker isotropt. Etshastigheten påverkas av etstid, temperatur och etsmedelskoncentration. Vanligtvis består etsvätskan av ett oxidationsmedel, t ex Br2,H2O¿ HNO3, ett komplexbildande t ex H2SO4, HF, NaOH, ett lösningsmedel, t ex vatten eller metanol. Exempel på ämne, och allmänt använda och rekommenderade sammansättningar av etslösningar för olika metaller beskrivs t ex i ”Handbok i metallmikroskopiering”, Helfrid Modin och Sten Modin (1977, etsmedelskoncentrationer för etsning av små strukturer, Meritförlaget , Johanneshov, Sverige). Typiska mikrostrukturer, ligger för etsning av t ex krom eller koppar i storleksordningen 0,8-1,2 M.

Vissa etsmedel löser ett givet kristallplan i ett etsmaterial snabbare än andra plan t ex i ett halvledar- material, vilket resulterar i en riktningsberoende ets- verkan, dvs anisotrop etsning. 508 v55 4 10 15 20 25 30 35 Vid elektrokemisk etsning omfattar etsvätskan en elektrolyt, måga att genom spontan kemisk reaktion etsa etsmateria- let, med. Genom att en elektrisk spänning påläggs i etsvätskan t ex en saltlösning, vilken i sig ej har för- dvs etsmedlet etsar inte enbart genom kontakt där- mellan etsmaterialet och en i etsvätskan nedsänkt elek- trod startas emellertid en elektrolytisk process vid vilken etsmaterialet utgör den ena polen, vanligtvis ano- den, och elektroden den andra polen. Vid den elektroly- tiska processen flyter en elektrisk ström i etsvätskan och joner i etsvätskan reagerar etsande med etsmateria- let.

Etshastigheten är i huvudsak proportionell mot den elektriska strömstyrkan. Etsningen blir något anisotrop, om än ej i lika hög utsträckning som är möjligt vid torra etsmetoder. Det är t ex möjligt att elektrokemiskt etsa strukturer med djupzbredd-förhållandet 1:2.

Det är känt ett flertal förfaranden för att vid an- vändning av olika elektrolyter som etsvätska pålägga spänning i pulser för att åstadkomma god etsverkan. bil- das p g a de isotropa etsegenskaperna sk underetsning, Vid våta etsmetoder, främst vid kemisk etsning, dvs bortetsning av material under den yta som är belagd med ett etsskyddsskikt. En konsekvens av detta är att det med ren kemisk etsning ej går att framställa spalter som har större djup än bredd. Ej heller vid elektrokemisk etsning är det möjligt att, vid små dimensioner, etsa spalter vars djup överstiger bredden. Möjligheterna att framställa smala spalter, t ex för att placera ledare nära varandra, är alltså begränsade när våta etsmetoder används. Vidare är det idag ej möjligt att medelst våta etsmetoder åstadkomma jämna strukturer, t ex spalter med raka väggar, vars bredd eller djup understiger l um.

Vid våt etsning används idag vanligtvis starkt gif- tiga och miljöfarliga vätskor, vilket i sig är ett miljö- problem. 10 15 20 25 30 35 c 5 ïsos 155 Rent kemisk etsning är vidare en svårstyrd process, eftersom ett flertal parametrar påverkar processhastighe- ten.

Vid elektrokemisk etsning måste alla ytor som ska etsas under hela etsförloppet vara förbundna med en elek- trisk pol. Vid tillverkning av kretskort löses detta genom att alla ledare är förbundna med varandra i en för- bindningspunkt under etsförloppet. Efter genomförd ets- ning avlägsnas förbindningspunkten mekaniskt i ett sär- skilt tillverkningssteg.

Många försök har gjorts, dock hittills ännu inga riktigt framgångsrika, för att åstadkomma en våt etsmetod som kan användas vid framställning av små elektroniska kretsar, såsom integrerade kretsar. Ändamål med uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att, genom undanröjande av ovannämnda nackdelar hos den kända tekniken, åstadkomma ett nytt och förbättrat förfarande för etsning.

Ett speciellt ändamål är därvid att åstadkomma ett förbättrat förfarande för etsning av små strukturer, i huvudsak strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än 50 um och framförallt strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än 10 um.

Ett annat ändamål är att åstadkomma ett förfarande för våt etsning, vilket möjliggör etsning av mindre strukturer än tidigare, i synnerhet strukturer som i en eller fler riktningar har mindre dimension än l um.

Ett särskilt ändamål är att åstadkomma ett förfa- rande för våt etsning, vilket möjliggör anisotrop etsning av små strukturer.

Ett speciellt ändamål är därvid att åstadkomma ett enkelt styrbart förfarande för etsning av små strukturer.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av efterföljande beskrivning, uppnås genom uppfinningen medelst ett förfarande som är av det inledningsvis be- sos 155 6 10 15 20 25 30 35 skrivna slaget och som därutöver har de särdrag som anges i den kännetecknande delen av patentkrav l.

Uppfinningen bygger på den överraskande upptäckten att en etsvätska, som spätts ut till att ha försumbar etsverkan, kan utnyttjas för anisotrop etsning under på- verkan av ett elektriskt fält.

Enligt en aspekt av uppfinningen avser den etsning av ett elektriskt ledande etsmaterial medelst ett etsme- del, vilket föreligger i en lösning som är utspädd i så stor utsträckning att den ej är praktiskt användbar för kemisk etsning. Etsmedelskoncentrationen är så låg att det endast sporadiskt sker sådana reaktioner mellan ets- medlet och etsmaterialet som resulterar i avlägsnande av atomer från etsmaterialet. Genom att ett elektriskt fält åstadkommes i etsmedelslösningen mellan en elektrod och ett ytparti av etsmaterialet bildas en lokal koncentra- tion av etsmedel till etsmaterialets ytparti. Därigenom sker en markant höjning av etsmedlets etshastighet, sam- tidigt som etsmedlets etsriktning påverkas.

Man kan även betrakta uppfinningen som ett sätt att överföra de förhållanden som råder vid torra etsmetoder, till en våt miljö i en etsvätska. På detta sätt har för- delarna hos torra och våta etsmetoder kombinerats samti- digt som nackdelarna hos de respektive metoderna undan- röjts.

Uppfinningen avser etsning av elektriskt ledande ma- terial, etsmaterialet. Tester har gjorts med olika metal- ler, såsom Cu, Ni, Ti, Al och Cr, men uppfinningsförfa- randet förväntas fungera på andra ledande material, såsom legeringar, och på halvledare. Etsmaterialets elektriska ledningsförmàga bör vara sådan att ett elektrisk fält kan upprättas i den utspädda lösningen mellan etsmaterialet och en elektrod.

Etsmaterialets kristallstruktur är ej kritisk, och etsmaterialet kan sålunda var såväl mono- som polykris- tallint. 10 15 20 25 30 35 * 7 isos 155 Etsmedlet ska ha förmåga att i lösning reagera ets- ande med en för etsning avsedd etsyta hos etsmaterialet.

Dessutom förmodas att etsmedlet bör ha sådan natur att det påverkas kinetiskt av ett elektriskt fält, för att möjliggöra lokal koncentration av etsmedlet.

Ett viktigt särdrag hos uppfinningen är att etsmed- let föreligger i lösning med låg koncentration. Mot bak- grund av genomförda experiment synes önskad anisotrop etsverkan vara svår att uppnå vid etsmedelskoncentratio- ner över 200 mM. Ingen nedre koncentrationsgräns för god funktion har dock kunnat bestämmas. Dessutom förmodas att etsmedlet måste ha tillräcklig rörlighet i lösningen för att möjliggöra lokal koncentrering av etsmedel.

Det elektriska fältet förmodas ha två funktioner, dels att koncentrera etsmedlet lokalt, dels att påskynda etsning, varav den förstnämnda funktion för närvarande förmodas ha störst betydelse.

Det förmodas att det elektriska fältet bör vara rik- tat mot den yta av etsmaterialet som ska etsas. För att det ska vara möjligt att lokalt höja koncentrationen av etsmedlet bör det elektriska fältets utbredning vid den yta som ska etsas vara relativt begränsad.

Det är föredraget att etsmedlet, åtminstone i kon- centrerad lösning, har förmåga att etsa etsmaterialet i avsaknad av elektriskt fält, dvs att etsmedlet har för- måga till spontan kemisk etsning av etsmaterialet. Även om den nya låga etsmedelskoncentrationen enligt uppfin- ningen vid vissa tillämpningar kan förväntas ge fördelar även i samband med elektrokemiskt etsande etsmedel, här- rör de hittills bäst experimentresultaten främst från försök med kemiskt etsande etsmedel.

Mot bakgrund av det ovanstående kan uppfinningen även betraktas som ett förfarande för anisotrop etsning av en struktur i ett elektriskt ledande etsmaterial medelst ett etsmedel som i koncentrerad lösning är an- vändbart för isotrop etsning av strukturer i etsmateria- let, vilket förfarande kännetecknas av att etsmaterialet 508 1"55 10 15 20 25 30 35 bringas i kontakt med etsmedlet i en så utspädd lösning att den resulterande etshastigheten medför att etsmedlet blir oanvändbart för nämnda isotropa etsning av struktu- rer; och att etsmedlet vid etsmaterialet utsätts för ett elektriskt fält av en sådan styrka att en anisotrop ets- ning av etsmaterialet åstadkommes med en etshastighet som är relevant för åstadkommande av nämnda struktur i etsma- terialet.

Uppfinningen är särskilt inriktad på framställning av små strukturer i storleksordningen 50 pm och mindre vad gäller såväl etsbredd som etsdjup. Särskilt fördelak- tig har uppfinningen visat sig vara vid framställning av strukturer vars bredd eller höjd är mindre än 10 pm.

Genom att lösningen har synnerligen låg koncentra- tion av etsmedel och relevant etsprocess sker under pà- verkan av ett elektriskt fält, erhåller etsprocessen väsentligt förbättrad styrbarhet och anisotropi i förhål- lande till tidigare kända, våta metoder. Därigenom möj- liggörs framställning och användning av små etsade struk- turer, dels för kända konstruktioner, dels inom nya tek- nikområden.

En viktig egenskap hos uppfinningen är att man kan etsa spår och spalter som har större djup än bredd. För- hållandet djupzbredd hos en etsad spalt har vid experi- ment uppmätts till 3,5:l vid etsning i en tunn koppar- film.

Förfarandet är billigt och kräver endast relativt enkel utrustning. Eftersom de etsvätskor som används har låg koncentration av etsmedel i en lösning, kan etsvät- skorna göras i det närmaste giftfria, vilket leder till miljövinster inom såväl arbetsmiljö som yttre miljö.

Vidare uppvisar förfarandet enligt uppfinningen låg känslighet för variationer i temperatur. Goda resultat har t ex àstadkommits vid etsning inom temperaturinter- vallet l5°C - 30°C. dande temperaturpàverkan påvisas, varför det förmodas att Inom detta intervall kunde ingen bety- 10 15 20 25 30 35 * 9 ifsos 155 önskat resultat kan uppnås inom ett betydligt bredare temperaturintervall.

Förfarandet uppvisar ej heller någon kritisk käns- lighet för koncentrationsvariationer inom ett effektivt koncentrationsintervall. Experiment har visat att man kring ett koncentrationsvärde som ger goda etsresultat för en viss kombination etsmedel-etsvätska kan förändra koncentrationsvärdet en faktor två utan att etsresultatet försämras väsentligt.

Med förfarandet enligt uppfinningen möjliggörs även anisotrop etsning av små strukturer utan användning av något etsskyddsskikt på omgivande områden av etsmateria- let, eftersom praktiskt taget ingen etsning sker vid om- råden utan elfältspåverkan.

Etsvätskan, i utspädd lösning, föreligger föredraget vid etsning i sådant tillstànd att dess förmåga att etsa spontant, dvs i avsaknad av elektriskt fält, är begränsad till en etshastighet av 5 nm/s. Om etsmedlet etsar spon- tant med en högre hastighet blir processen svårstyrd och relativt isotrop, vilket, vid användning av ett ets- skyddsskikt, För erhållande av en anisotrop etsning är det före- leder till underetsning. draget att etsmedlets spontana etsförmåga begränsats till högst 4 nm/s. Vid försök har det visat sig att ytter- till 3 nm/s främst högre ligare begränsningar av spontan etshastighet, och mindre, leder till ännu bättre resultat, anisotropigrad och möjlighet att etsa mindre strukturer.

Hur hög spontan etshastighet som kan tillåtas med bibe- hållen styrbarhet hos etsprocessen beror på etsmateria- lets sammansättning och på storleken av den struktur som ska etsas.

Försök har t ex gjorts med koppar som etsmaterial och en ammoniumpersulfatlösning som etsvätska, vilken har en spontan etshastighet av cza 3 nm/s. Därvid har ett förhållande djupzbredd av 3:1 kunnat uppmätas i spåret.

Vid försök med ännu lägre etshastigheter har etsprocessen sos fås 10 10 15 20 25 30 35 blivit ännu mer kontrollerbar och ett bredd:djup-förhål- lande av 3,5:l har uppmätts.

Vid andra försök med etsning av krom har synnerligen goda resultat uppnåtts med etslösningar som har en spon- tan etshastighet understigande 0,3 nm/s.

Vid ett föredraget utförande av etsförfarandet bringas etsmedlet, vilket företrädesvis etsar isotropt i avsaknad av elektriskt fält, att medelst det elektriska fältet etsa anisotropt med högre hastighet, företrädesvis med minst den dubbla hastigheten och ännu hellre med tio gånger större hastighet. Ännu bättre resultat kan förvän- tas vid ännu större ökning av etshastigheten, såsom 50 gånger eller 100 gånger. Vid etsning av krom har etshas- tigheten, i den önskade riktningen, ökats från under 0,3 nm/s till över 55 nm/s, alltså i storleksordningen 200 gånger, under inverkan av ett elektriskt fält.

Den föredragna koncentrationen av etsmedlet är högst l00 mM, företrädesvis högst 20 mM och ännu hellre högst 10 mM. Generellt kan sägas att etsprocessens styr- barhet, särskilt vid etsning av små strukturer, ökar med minskad etsmedelskoncentration. Därvid har det i vissa sammanhang visat sig vara fördelaktigt med etsmedelskon- och särskilt fördelak- tigt med etsmedelskoncentrationer av 1 mM och därunder. centrationer understigande 2 mM, Etsmedlet enligt föreliggande uppfinning kan före- trädesvis definieras som ett joniskt ämne med förmåga att reagera etsande med etsmaterialet. De koncentrationer som anges i samband med uppfinningen avser koncentrationen av det enligt uppfinningen verksamma etsmedlet.

Steget att utsätta etsmedlet för ett elektriskt fält innefattar företrädesvis att en elektrod bringas i kon- takt med etsmedlet och en spänning påläggs mellan elek- troden och etsmaterialet. Därvid är avståndet mellan elektroden och etsmaterialet högst 3 cm och företrädesvis högst 1 cm, och ännu hellre högst 1 mm. Ju närmare elek- troden placeras den yta av etsmaterialet som ska etsas desto högre etshastighet och styrbarhet erhålles i ets- 10 15 20 25 30 35 * 11 * sne 155 processen. Olika ännu kortare avstånd ned till 4 nm har provats med framgång. Generellt kan sägas att när området kring en yta som ska etsas är täckt av ett etsskyddsskikt så ställs ej lika höga krav på elektrodens utformning och avstånd därifrån som när inget etsskyddsskikt är anord- nat. För åstadkommande av anisotrop etsning av små struk- turer, under 50 um, förmodas i det sistnämnda fallet att elektroden bör vara anordnad närmare den yta som ska et- sas än 50 um. Dessutom förmodas elektrodens ytstorlek och ytform spela stor roll för att styra det elektriska fäl- tets utbredning. Viktigt är främst att koncentrera det elektriska fältet till det område som ska etsas.

Eftersom uppfinningsförfarandet är en våt etsmetod kontamineras ej etsmaterialet av bortetsat material, så- som vid torra etsmetoder, utan tvärtom kommer det bort- etsade materialet att samlas vid elektroden.

Det är föredraget att spänningen mellan elektroden och etsmaterialet är minst 0,5 V, företrädesvis minst l V samt högst 10 V, vis högst 5 V och ännu hellre högst 3 V. Goda resultat och ännu hellre minst 1,5 V, företrädes- har uppnåtts i intervallet 2 V - 2,8 V och synnerligen goda resultat har nåtts i intervallet 2,4 V - 2,6 V. Det är svårt att avgöra någon nedre gräns för den spänning som krävs för etsning och ovannämnda värden avser sådana värden där en praktiskt användbar etshastighet uppnås.

Viktigt är emellertid att spänningen ej är lika stor som och motriktad den elektrokemiska potentialen mellan ets- material och elektrod, vilket leder till att all etsver- kan upphör. Rent allmänt kan man säga att ju högre spän- ning som påläggs desto snabbare blir etsningen. Vid högre spänningsnivåer övergår etsningen i polering, varvid ef- fektiv etsning ej kan åstadkommas. En ytterligare höjning av spänningen leder till okontrollerade urladdningar i gränsen mellan etslösning och etsmaterial, sk pitting.

Av genomförda experiment kan man dra slutsatsen att det elektriska fältets styrka har betydelse för proces- sen, men att det är svårt att härleda något entydigt sam- 508 “155 10 15 20 25 30 35 12 band för detta. Experiment visar snarare att spännings- nivàn är mer kritisk för åstadkommande av ett gott resul- tat.

Vid ett föredraget utförande pulsas det elektriska fältet så att etsning sker under ett flertal första tids- perioder. Däremellan ges fältet under ett flertal andra tidsperioder en omvänd riktning. Under dessa andra tids- perioder påläggs företrädesvis en spänning mellan elek- troden och etsmaterialet vilken till sin storlek motsva- rar och är motriktad den elektrokemiska potentialen mellan elektroden och etsmaterialet, i etsmedlet. Sålunda åstadkommes en ”backspänning” vilken stoppar all kemisk etsning.

Genom en hastig övergång från en första tidsperiod till en efterföljande andra tidsperiod förmodas att fri- görande av residualer från etsningen från den yta som et- sas, säkerställs. Om dessa residualer tillåts täcka en etsyta hos etsmaterialet förhindras vidare etsning av denna yta, varför etsningen kommer att bli mer isotrop.

Företrädesvis är nämnda första tidsperioder lika stora som tidsavståndet dememellan och uppgår till högst 200 ms, företrädesvis minst 50 ms. företrädesvis högst 100 ms, och minst 10 ms, Generellt kan sägas att pulsningen, som har till syfte att frigöra residualpro- dukter, är viktigast vid etsning av strukturer med större etsdjup än etsbredd, eftersom det är vid dessa tillfällen som anisotrop etsverkan är viktigast. Ju större förhål- landet mellan etsdjup och etsbredd är, desto kortare bör tidsperioderna vara.

Kort beskrivning av ritningarna I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare med hänvisning till ritningarna vilka i exempli- fierande syfte åskådliggör utföringsformer av uppfin- ningen.

Fig l visar schematisk en apparatuppställning för genomförande av uppfinningsförfarandet. 10 15 20 25 30 35 * 13 ï sos 155 Fig 2 visar schematiskt och i sektion en profil av en etsad spalt.

Fig 3 visar schematiskt och i sektion en utförings- form av uppfinningen med en spetsig elektrod.

Beskrivning av utföringsformer av uppfinningen Nedan kommer en utföringsform av uppfinningen att fig 1. Ett etsmate- rial 6 av elektriskt ledande material är nedsänkt i ett beskrivas närmare med hänvisning till kärl 2 med en etsvätska 4. Etsvätskan 4 omfattar ett ets- medel i en utspädd lösning. Vidare är en elektrod 8 ned- sänkt i etsvätskan 4. Elektroden 8 är placerad på ett av- stånd från en etsyta 7, dvs den yta som ska etsas, hos etsmaterialet 6. En styrenhet 12, som omfattar en spän- ningskälla, är ansluten mellan elektroden 8 och etsmate- rialet 6.

Styrenheten 12 är företrädesvis en anordning som har förmåga att reglera ström mellan och spänning över etsma- terialet 6 och elektroden 8.

Sådan reglering kan ske t ex med hjälp av ett dator- program. Styrenheten 12 bör ha förmåga att låta ström flyta i båda riktningarna. Dessutom bör man, när ingen ström flyter mellan elektroden och etsmaterialet, kunna avläsa den spänning som uppstår genom elektrokemisk po- tentialskillnad mellan etsmaterialet 6 och elektroden 8.

Det senare för avläsning av etsdjup/topografi hos etsma- terialet via nämnda potentialskillnad.

Etsvätskan 4 är av kemiskt etsande slag och etsmed- let har förmåga att etsa etsmaterialet 6. Etsmedlet före- ligger i etsvätskan 4 i så utspädd lösning att etsvätskan ej är brukbar för spontan kemisk etsning. Etsvätskan kan 100 av en kommersiellt använd etsvätska, t ex vara framställd genom spädning, 20 gånger, gånger eller mer, vilken vid normalt användning, dvs i koncentrerad form, är användbar för kemisk etsning av etsmaterialet. Etsmed- let reagerar sålunda kemiskt etsande med etsmaterialet. 508 155 10 15 20 25 30 35 14 Etsmedelskoncentrationen i den utspädda lösningen medger endast sporadiska etsaktiviteter som resulterar i avlägsnande av atomer från etsämnet.

En spänning, typiskt i storleksordningen 1 V - 4 V, påläggs mellan elektroden och etsmaterialet. Sålunda bil- das ett elektriskt fält i etsvätskan 4 mellan elektroden 8 och etsmaterialets 6 etsyta 7.

Det elektriska fältet skapar en lokal etsmedelskon- centration på etsytan 7 och ökar etsmedlets benägenhet att reagera med etsmaterialet, varför etsmedlet under på- verkan från det elektriska fältet kommer att etsa etsytan 7 med väsentligt ökad etshastighet.

Etsmaterialet 6 är kring etsytan 7 maskerat med ett etsskyddsskikt, ett s k resistskikt, med vilket etsmedlet ej reagerar. Det är vanligt att använda ett fotoresist- skikt, vilket bildas genom ett i sig känt, fotografiskt exponerings- och framkallningsförfarande.

Nedan beskrivs två olika utföringsexempel med hän- visning till ett arrangemang av ovan beskrivet slag.

Exempel 1: Vid detta experiment etsades krom med ett etsmedel i 9,11 mM lösning och experimentet omfattade följande steg: En platta av nickel belades med ett 110 nm tjockt lager krom genom elektrokemisk plätering. Kromytan bela- des med ett etsskyddsskikt i form av ett fotoresistskikt, varefter ett mönster 0,5 um) blottlagda ytor av etsmaterialet. (linjer och punkter med en bredd av exponerades och framkallades för etsning av Etsvätskan framställdes genom att etsmedlet Ce(NH4)2(NO3)6 i en mängd av 2 g blandades i 1 ml CH3COOH (18 MQ-vatten) och filtre- rades i ett 0,2 pm filter. Lösningens kemiska etshastig- och 500 ml avjoniserat vatten het var därefter <0,3 nm/s.

En plan elektrod av TiN, som användes som katod, och Ni-Cr-plattan, nedsänktes i (kemiskt som användes som referenselektrod för spännings- som användes som anod, etsvätskan tillsammans med en tredje elektrod 10 stabil), lO 15 20 25 30 35 * 15 ísos 155 mätning. Katoden och anoden anbringades planparallellt med och på avståndet 1 mm från varandra.

En anordning för att generera ström i vätskan mellan katod och anod anslöts.

Anodens potential sattes till +0,7 V och katodens potential sattes till 0 V, vilket ledde till totalt ets- stopp, varefter en puls med längden 100 ms och amplituden + 2,5 V anbringades på katoden. Temperaturen hölls kon- stant vid 25°C.

Vid genomförande av experimentet blev kromlagret helt genometsat efter två pulser (alltså efter mindre än 200 ms effektiv etstid). Därefter sattes katodspänningen åter till O V för undvikande av underetsning. Ingen un- deretsning kunde mätas.

Detta experiment är ett i en serie etsexperiment med etsning av krom. I bifogad tabell I anges några försöks- Etsvätskor med en etsmedelskoncentration av De bästa dvs vinkelräta och jämna kanter utan någon parametrar. upp till 45 mM har testats med gott resultat. resultaten, erhölls med koncentrationer un- 50 ms puls och lOO ms puls medförde liknande resultat. Vid det observerbar underetsning, derstigande 25 mM. Etsning med konstant likström, ovan beskrivna experimentet var etsmedelskoncentrationen lägst och etsresultatet det bästa.

Exempel 2: Vid detta experiment etsades ett 5 um tjockt koppar- skikt på ett kommersiellt laminatkort med en 87,72 mM etsvätska. Experimentet omfattade följande steg: Ett mönster (5 um till 25 um breda linjer) för ets- ning av blottlagda ytor av etsmaterialet skapades pà mot- svarande sätt som vid det ovan beskrivna experimentet med hjälp av ett fotoresistskikt på laminatet.

Etsvätskan framställdes genom att 2 g ammoniumper- sulfat blandades med 100 ml avjoniserat vatten. Lösning- ens kemiska etshastighet var därefter <3 hm/s.

Ett plan elektrod av TiN, som användes som katod, och kopparlaminatkortet, som användes som anod, nedsänk- 508 155 16 10 15 20 25 30 35 tes i etsvätskan tillsammans med en tredje elektrod (kemisk stabil), spänningsmätning. Katoden och anoden anbringades planpa- som användes som referenselektrod för rallellt med och på avståndet 2 mm från varandra.

En anordning för att generera ström i vätskan mellan katod och anod anslöts.

Anodens potential sattes till -0,3 V och katodens potential sattes till 0 V, vilket ledde till totalt ets- stopp, varefter en puls med längden 50 ms och amplituden +3,5 V anbringades till katoden.

Ett svagt flöde av etsvätska pulsades över koppar- ytan synkroniserat med katodpulsens nedre värde.

Kopparlagret blev helt genometsat efter 180 pulser (alltså efter mindre än 9 s effektiv etstid). Därefter sattes katodspänningen åter till 0 V för undvikande av underetsning. Den totala underetsningen uppmättes till max 1 um.

Motsvarande experiment med etsning av koppar har även genomförts med en motsvarande etsvätska med 22 mM etsmedelskoncentration. Resultatet blev därvid utebliven underetsning. Försöksparametrar anges i bifogad tabell II.

De slutsatser som dragits av de ovan beskrivna expe- rimenten är att: a) Etsvätskor som etsar kemiskt med en hastighet av upp till 3 nm/s och förmodligen även däröver och/eller har en etsmedelskoncentration av upp till 90 mM och förmodligen även däröver är synnerligen användbara för åstadkommande av anisotrop etsning av strukturer i storleksordningen 5 um. b) Ju mindre strukturer som ska etsas, desto lägre måste etsvätskans kemiska etshastighet och etsmedels kon- centration vara för anisotrop etsning.

Det har ännu ej varit möjligt att entydigt bestämma vilka lagar som styr etsning enligt uppfinningsförfaran- det. Utan att binda uppfinningen vid någon speciell teori 10 15 20 25 30 35 17 5508 155 så förmodas att uppfinningen fungerar enligt nedanstående modell.

Etsvätskan har en så låg koncentration av etsmedlet att de reaktiva jonerna endast sporadiskt får kontakt med etsmaterialet och ger upphov till isotropa etsreaktioner på etsmaterialets yta. Genom att en spänning påläggs i etsvätskan mellan en elektrod och en begränsad yta av etsmaterialet åstadkommes ett elektriskt fält och en lo- Det elektriska fältet accelererar också aktiva joner så att dessa ges en has- kal koncentration av aktiva joner. tighet mot etsmaterialet.

Etsvätskan har, i egenskap av jonlösning, elektrisk ledningsförmåga, varför en elektrisk ström flyter mellan elektroden och etsmaterialet vid däremellan pålagd spän- ning. Under påverkan av strömmen ökar de aktiva jonernas förmåga att reagera etsande med etsmaterialet, genom att strömmen påskyndar etsreaktionerna mellan de aktiva jo- nerna och etsmaterialet.

Etsförfarandets anisotropa egenskaper förmodas främst bero på att det elektriska fältet initialt ger de aktiva jonerna en hastighet i fältets riktning. Vid ets- ning av t ex en spalt som redan är etsad till ett visst djup, dvs så att spalten redan har en botten och två väg- gar, krävs för anisotrop etsning att de aktiva joner som förs in i spalten till övervägande del bringas att etsa spaltens botten. Om de aktiva jonerna skulle följa det elektriska fältets fältlinjer så skulle en stor del av jonerna bringas att etsa spaltens väggar. Eftersom detta ej är fallet vid uppfinningsförfarandet förmodas att de aktiva jonernas masströghet i spalten tar överhanden över det elektriska fältets påverkan.

Genom att mycket låga koncentrationer används blir processen styrbar. Alltför höga koncentrationer leder till att relevant etsning sker även i frånvaro av elek- triskt fält. trationer ej uppnå god anisotropi vid etsningen, Dessutom kan man med initialt höga koncen- eftersom 508 T55 10 15 20 25 30 35 18 det elektriska fältet därvid åstadkommer en okontroller- bar koncentration av aktiva joner.

Nedan görs hänvisning till fig 2a-d. Ett problem vid etsning är att residualprodukter som bildas vid de aktiva jonernas etsreaktioner med etsmaterialet efter en tid bildar ett blockerande skikt, vilket förhindrar att fler aktiva joner når kontakt med etsmaterialet. I fig 2a visas hur joner i etsvätskan dras i olika riktningar I fig 2b har ak- tiva joner 14 nått etsmaterialet 6 och påbörjat etsning under påverkan av det elektriska fältet. och bildande av residualprodukter 16. I fig 2c visas hur ett blockerande skikt av residualprodukter 16 har bil- dats. förhindras också anisotrop etsning.

Genom bildandet av ett sådant blockerande skikt Problemet är särskilt stort vid anisotrop etsning av en bottenyta hos en spalt.

Lösningen på detta problem är att vända det elektriska så att de aktiva jonerna 14 dras bort Detta Därigenom bryts det blockerande skiktet fältets riktning, från etsmaterialet 6 i riktning mot elektroden 8. visas i fig 2d. och residualprodukterna 16 kan spridas i etsvätskan. Även om man med jämna mellanrum bryter det blockerande skiktet genom att vända det elektriska fältet, så förmodas bort- transporten av residualprodukter 16 vara den begränsande faktorn för anisotropi vid etsning av små spalter med större djup än bredd. För att så långt som möjligt bibe- hålla anisotropi vid etsning av djupa strukturer är det föredraget att låta det elektriska fältet byta riktning genom att pulsa spänningen. Ju djupare strukturen är desto kortare etspulstid krävs.

Genom att spänningen förändras i pulser med olika vågform bildas olika etsgeometrier.

Endast små strömmar krävs för åstadkommande av ett gott etsresultat med en elektriskt ledande etsvätska.

Tack vare detta behöver inte samtliga ytor som ska etsas under hela etsförloppet vara anslutna till en gemensam elektrisk pol. I närvaro av en till den elektriska polen ansluten etsyta hos etsmaterialet har etsvätskan nämligen 10 15 20 25 30 35 * *sus 155 19 förmåga att leda små strömmar till en annan etsyta hos etsmaterialet och sålunda ansluta denna andra etsyta till den elektriska polen.

Denna egenskap är t ex användbar vid framställning av smala spalter i ett elektriskt ledande etsmaterial, vilket föreligger i ett tunt skikt på ett isolerande ma- terial. Hela etslagret står vid etsningens inledande fas i elektrisk förbindelse med samma elektriska pol. När väl spalten är genometsad utmed någon linje mellan spaltens kanter bryts den elektriska förbindelsen mellan spaltens kanter. Vid etsmetoden enligt uppfinningen fortsätter små strömmar att ledas mellan etsmaterialets ytor, t ex mel- lan spaltens båda sidor och eventuellt också ett kvarva- rande mellanliggande parti av etsmaterialet, varför ets- förloppet fortsätter till dess att man väljer att stoppa det, vid färdigt genomförd etsning. Ingen sammankoppling mellan flera fristående kvarvarande materialpartier krävs därför.

I det nedanstående beskrivs olika särskilda utfö- ringsformer av uppfinningsförfarandet.

Vid etsning av ett etsmaterial som består av två eller flera över varandra anordnade skikt av ledande ma- terial med olika elektrokemisk potential är det möjligt att på ett enkelt sätt bestämma hur djupt man har etsat.

Detta ástadkommes genom att man i avsaknad av en pàlagd spänning bestämmer den galvaniska spänningen mellan ets- materialet och en referenselektrod. När etsmaterialet om- fattar två olika material som i olika stor utsträckning är i elektriskt ledande kontakt med etsvätskan, bildas olika stor galvanisk spänning i vätskan.

Vid en särskild utföringsform av uppfinningen, vilken visas i fig 3, utformas elektroden 8 med ett mot det elektriskt ledande materialet 6 riktat, avsmalnande parti 18. Elektroden har därvid en spets, vilken är iso- lerad med ett elektriskt isolerande skikt utom vid sin yttersta ände 20. Med en sådan spetsig elektrod 6 är det möjligt att etsa mycket små strukturer anisotropt utan 508 155 20 10 15 20 att något etsskyddsskikt är närvarande. Vid experiment med en sådan spetsig elektrod på ett avstånd av 4 nm från etsmaterialet har man utan etsskyddsskikt lyckats etsa spalter med en bredd av 35 nm.

Med uppfinningen och olika utföringsformer därav uppnås en stor mängd fördelar. Bland dessa kan nämnas att förfarandet är synnerligen skonsamt, dels eftersom ets- lösningen är starkt utspädd, dels för att endast låga spänningar utnyttjas. Detta leder till att etsskyddsskik- tet ej utsätts för någon nämnvärd påverkan vid etsning.

Därför kan man använda sig av ett mycket tunt etsskydds- skikt, ned till molekyltjocklek, Dessutom kan man bibehålla jämna etsskyddsskiktskanter av ett isolerande ämne. invid en etsyta under etsning och sålunda etsa jämna kon- turer, även vid mycket små strukturer, ned till nanome- ternivå. Detta har hittills ej varit möjligt med något tidigare känt etsförfarande.

Uppfinningsförfarandet är dessutom snabbare än plas- maetsning, och etsapparatur för etsning med hög precision av stora arbetsstycken motsvarar etsapparatur för etsning av mindre arbetsstycken, varför precisionsetsning av stora arbetsstycken nu möjliggjorts till rimlig kostnad.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 21 :sne 155 PATENTKRAV

1. Förfarande för etsning av små strukturer, sär- i ett elektriskt ledan- de etsmaterial medelst ett etsmedel som är ett joniskt skilt strukturer mindre än 50 um, ämne med förmåga att reagera etsande med etsmaterialet och som i koncentrerad lösning och i avsaknad av elek- triskt fält är användbart för isotrop etsning av struktu- rer i etsmaterialet, k ä n n e t e c k n a t av att etsmaterialet bringas i kontakt med etsmedlet i en utspädd lösning, i vilken etsmedlet föreligger i en kon- centration av högst 200 mM, varvid etsmedlets förmåga att, saknad av elektriskt fält är högst 5 nm/s; etsa etsmaterialet i av- och att i den utspädda lösningen, en elektrod bringas i kontakt med etsmedlet och en spänning av högst 10 V påläggs mellan elektroden och ets- materialet, varvid elektroden anordnas på ett avstånd av högst 3 cm från etsytan och varvid etsmedlet vid etsmate- rialet utsätts för ett elektriskt fält av en sådan styrka att en anisotrop etsning av små strukturer i etsmateria- let àstadkommes.

2. Förfarande enligt krav 1, vid vilket etsmedlets förmåga att, i den utspädda lösningen, etsa etsmaterialet i avsaknad av ett elektriskt fält är högst 3 nm/s.

3. Förfarande för etsning enligt något av föregående krav, vid vilket det elektriska fältets styrka är sådan att etsmedlet, i den utspädda lösningen, ges en ökad ets- hastighet vilken företrädesvis fördubblas, och ännu hellre blir minst tio gånger större än i avsaknad av det elektriska fältet.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, vid vilket etsmedlet i den utspädda lösningen föreligger i en koncentration av högst 100 mM, företrädesvis i en kon- centration av högst 50 mM och ännu hellre i en koncentra- tion understigande 10 mM. sos 135 22 10 15 20 25

5. Förfarande enligt något av föregående krav, vid vilket den pålagda spänningen mellan elektroden och ets- materialet är minst 0,5 V, företrädesvis minst l V och ännu hellre minst 1,5 V, samt högst 5 V, företrädesvis högst 3 V.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, vid vilket elektroden har ett mot det elektriskt ledande ma- terialet riktat avsmalnande parti, vilket anordnas på ett avstånd av högst 10 nm från etsmaterialet.

7. Förfarande för etsning enligt något av föregående krav, vid vilket etsning sker under ett flertal första tidsperioder, mellan vilka det elektriska fältet föränd- ras. vid vilket det elektriska fältet, mellan nämnda första tidsperioder,

8. Förfarande för etsning enligt krav 7, har omvänd riktning under andra tidsperioder.

9. Förfarande för etsning enligt något av krav 7 eller 8, mätning av etsat djup utförs under tredje tidsperioder, vid vilket, mellan nämnda första tidsperioder, varvid inget elektriskt fält påverkar etsmedlet.

10. Förfarande för etsning enligt något av krav 7-9, vid vilket nämnda första tidsperioder är lika stora som tidsavståndet dememellan och uppgår till högst 200 ms, företrädes- företrädesvis högst 100 ms, och minst 10 ms, vis minst 50 ms. fšos 155 22; TABELL I nr CC(NH_)"(NO,)_ CH,COOH H20 Späning Temp Total tid Konc. [g] [ml] [m1] [v] [°C] l[l10nm] [mwLAR] aktiv 16- 20 3.5 1000 2 v 25 36-21 17 25 5 1000 DC/(50ms puls) 2 V 25 45-39 13* 5 5 500 Dc szv 25 525 18.07 19* 5 1 400 DC/(SOms puls) 2 V 25 Q s 22-75 20* 5 1 1000 DC/(100ms puls) 2 V 25 šZ s 9-11 * = Ger bästa resultat. Det går lätt att styra kantforrn. (Etsar kemisk <3Å/s) - = Något underetsning TABELL II m1 Ammonium persulfat H20 anmärk_ Kom [å] [m1] [mMLAIq 3 2 100 (2 v, soms puls), (1o-15s),s-1ottm cu 81-12 J* 4 0,5 100 (2 V, 15ÛmS puls), (105), 5_um Cu H93