DE102024119902A1

DE102024119902A1 - Verfahren und Vorrichtung zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102024119902A1
Application number: DE102024119902.4A
Authority: DE
Inventors: Noah Maximilian Brechmann; Marvin Daniel Michel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2024-07-12
Filing date: 2024-07-12
Publication date: 2026-01-29

Abstract

Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen (20) auf einem Substrat (30) mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske (50) beschrieben, wobei das Verfahren (100) umfasst: Bereitstellen der Maske (50), welche eine erste Ebene (51) mit mindestens einem Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen (51, 52) umfasst, wobei die erste Ebene (51) mindestens einen Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, und eine zweite Ebene (52) umfasst, welche die erste Ebene (51) in Form einer perforierten Membran (70) überspannt; Anordnen der Maske (50) oberhalb eines zu beschichtenden Substrates (30); Anordnen der Maske (50) mit dem zu beschichtenden Substrat (30) in einer lonenstrahlätzanlage (40) ; anschließendes Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage (40), um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal (60) eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial (62) auf das Substrat (30) trifft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen auf einem Substrat.
Auf dem Gebiet der Halbleitertechnik/Mikrosystemtechnik stellt die Herstellung einer strukturierten Schicht eines definierten Materials auf einem Substrat eine wiederkehrende Aufgabe mit materialabhängig teils hoher Komplexität dar. Die üblicherweise verwendeten Methoden umfassen komplexe Prozessreihenfolgen, die jeweils spezifische Techniken und Geräte erfordern.
Neben speziellen Sonderfällen, in welchen aufgrund chemischer Kompatibilitäten zwischen Substrat und abzuscheidendem Material eine selektive Abscheidung möglich ist, wird allgemein zur Herstellung einer strukturierten Schicht ein nicht-selektives Abscheideverfahren in Kombination mit einem Lithographie-Schritt angewendet. Die Abscheidung kann durch verschiedene Verfahren wie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), der Atomlagenabscheidung (ALD) oder der physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) erfolgen. Jedoch lässt sich nicht allgemein jedes Material mit den gleichen der voran genannten Abscheideverfahren auf einem Substrat aufbringen, sodass je nach Materialeigenschaften individuelle Prozessparameter und Abscheideverfahren entwickelt werden bzw. entwickelt worden sind.
Die Vorbereitung einer Strukturierung erfolgt mittels Lithographie. Dabei wird eine strukturierte Maske auf der Oberfläche des Materials erstellt, die als Vorlage für die nachfolgenden Verarbeitungsschritte dient. Beispielsweise bei sogenannten Lift-Off-Prozessen erfolgt die Abscheidung eines Materials auf einer per Lithographie strukturierten Maske aus Fotolack; in den meisten Fällen wird jedoch eine Maske aus Fotolack erst im Anschluss eines Abscheideprozesses aufgebracht, um als Maskierung in einem nachfolgenden Ätzschritt zu fungieren.
Nach der Lithographie wird die Struktur der Maske aus Fotolack durch einen Ätzprozess auf das abgeschiedene Material übertragen. Bei diesem Schritt wird das Material in den vom Fotolack unmaskierten Bereichen selektiv entfernt, sodass die gewünschte Strukturierung entsteht. Die eingesetzten Ätzverfahren sind jedoch nicht universell und variieren je nach verwendetem Material (beispielsweise Cl-Chemie für Metalle und F-Chemie für Oxide).
Wenn dreidimensionale Strukturen aus verschiedenen Materialien herzustellen sind, muss der gesamte Prozess bestehend aus Abscheidung, Lithographie und Ätzen mehrfach wiederholt werden. Dieser sich wiederholende Zyklus erhöht die Komplexität, den Zeitaufwand und die Kosten des Herstellungsprozesses erheblich, da für jedes Material eine eigene Reihe von Abscheidungs- und Ätzverfahren erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Herstellung von Freiformkörpern mit diesen herkömmlichen Methoden eine äußerst schwierige Aufgabe. Selbst bei der Verarbeitung mehrerer aufeinanderfolgender Schichten bleibt die Herstellung komplexer und unregelmäßiger Formen eine große Hürde. Die Kanten und Flankenwinkel der strukturierten Materialien werden maßgeblich aus dem Zusammenspiel des Kantenwinkels des Fotolacks sowie der Selektivität zwischen zu strukturierendem Material und Fotolack während des Ätzprozesses definiert. Ferner werden die Kanten des Fotolacks an der Grenze zur zu strukturierenden Schicht in diese Schicht übertragen, sodass die Herstellung stetiger, glatter Übergänge von Materialien, die als Freiformkörper in einem mikroelektronischen Bauteil fungieren sollen, in der Regel nicht möglich ist.
Aus genannten technologischen Hürden bei der Herstellung von Freiformkörpern mit glatten Strukturübergängen zum darunterliegenden Substrat ist ein Bedarf an innovativen Herstellungsverfahren gegeben. Die angeführten Anforderungen ergeben sich beispielsweise bei der Herstellung von Mikrolinsen und anderen optischen Bauelementen.
Die Schablonenlithographie (engl. stencil lithography) bzw. die Abscheidung durch eine Schattenmaske bietet potenzielle Lösungen für einige der Herausforderungen, die bei den herkömmlichen Methoden der Mikrosystemtechnik zur Herstellung strukturierter Schichten auftreten.
Bei der Schablonenlithographie wird eine Schattenmaske mit strukturierten Öffnungen zwischen der Abscheidungsquelle und dem Substrat angebracht. Das Material wird dann durch die Öffnungen hindurch abgeschieden, so dass das gewünschte Muster auf dem Substrat entsteht. So kann in einem einzigen Prozessschritt eine präzise Struktur erzielt werden, ohne dass der beschriebene Zyklus bestehend aus Deposition, Lithographie und Ätzen erforderlich ist. Dadurch werden mehrere Prozessschritte inklusive Anlagen und Know-how überflüssig und die Gesamtkomplexität und -kosten des Herstellungsprozesses verringert. Weiterhin können die Schablonen bzw. Schattenmasken mehrfach und für unterschiedliche Materialien verwendet werden. Individuelle Abscheidetechniken für jedes gewünschte Material bleiben hingegen erforderlich. Weiterhin kann sich das abzuscheidende Material auch auf den Masken selbst ablagern. Während der Abscheidungen können die Öffnungen der Maske folglich verengen oder sogar verstopfen, was eine ungleichmäßige oder unvollständige Deposition auf dem Substrat zur Folge hat.
Area-selective deposition (ASD) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) fasst ebenfalls die Deposition und Strukturierung einer Schicht in einem Schritt zusammen. Allerdings wird für dieses Verfahren meist eine vordefinierte Struktur auf dem Substrat benötigt, sodass vor der ASD wiederum mehrere Prozessierungsschritte erforderlich sind.
Beide genannten Methoden (Schablonenlithographie und ASD) stellen jedoch keine universellen Abscheideverfahren dar, eignen sich pauschal nicht für alle Materialien und erfordern eigens konstruierte Reaktortypen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welchem/welcher ähnlich der Schablonenlithographie beliebige Materialien in einer Halbleiterfertigungsanlage während nur eines Prozessschrittes in-situ strukturiert abgeschieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorgeschlagen ist ein Verfahren zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen auf einem Substrat mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Maske, welche eine erste Ebene mit mindestens einem Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen umfasst, wobei die erste Ebene mindestens einen Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist, und eine zweite Ebene umfasst, welche die erste Ebene in Form einer perforierten Membran überspannt. Die zweite Ebene ist durch die perforierte Membran gegeben. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst ein Anordnen der Maske oberhalb eines zu beschichtenden Substrates. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen der Maske mit dem Substrat in einer lonenstrahlätzanlage. Anschließend erfolgt ein Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial (62) auf das Substrat trifft. Das Erzeugen des Vakuums erfolgt mit einem Betreiben der lonenstrahlätzanlage. Dabei gelangt der Ionenstrahl in die Maske, um abzutragendes Material der ersten Ebene abzutragen und dann auf dem Substrat abscheiden zu lassen. Einige Ionen passieren nur einen Teil des Kanals, da die Ionen im Kanal auf die Seitenwand der Maske und das abzuscheidende Material treffen.
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt eine lonenstrahlätzanlage und eine spezielle Maske, um selektiv und lokal dünne Schichten oder dreidimensionale Mikro-/Nanostrukturen eines beliebigen Materials in nur einem Prozessschritt auf einem Substrat aufzubringen.
Die Abscheidung definierter Geometrien geschieht bei dem vorgeschlagenen Verfahren in nur einem Prozessschritt an nur einer Anlage. Sputtertarget und Maske, insbesondere Schattenmaske, sind in nur einer Vorrichtung vereint und es wird nur ein Prozess (Ionenstrahlätzen) bzw. nur eine Anlage sowohl für verschiedene Materialien als auch für verschiedene Geometrien benötigt. Folglich sind das für die Anwendung des Verfahrens benötigte Know-how und Equipment bei vorhandener Maske deutlich reduziert im Vergleich zu bestehenden Methoden.
Diese Art der selektiven Abscheidung kann in einer klassischen lonenstrahlätzanlage ohne konstruktive Veränderungen erfolgen, wenn die Maske temporär an das Substrat gebondet bzw. angebracht wird. Alternativ sind auch prozesstechnisch besser definierbare Abscheidungen möglich, wenn sich Maske und Substratwafer in zwei voneinander getrennten Halterungen befinden, deren Abstand zueinander als Prozessparameter frei eingestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Maske, welche dazu ausgebildet ist, zur in-situ Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen auf einem Substrat mittels Ionenstrahlätzen genutzt zu werden, wobei die Maske umfasst: eine erste Ebene mit mindestens einem Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist oder mindestens zwei Ebenen, wobei die erste Ebene mindestens einen Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene, welche die erste Ebene in Form einer perforierten Membran überspannt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen auf einem Substrat mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Maske, welche eine erste Ebene mit mindestens einem Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen umfasst, wobei die erste Ebene mindestens einen Kanal, in dem abzutragendes Material angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene, welche die erste Ebene in Form einer perforierten Membran überspannt. Die Maske ist auf oder vor einem zu beschichtenden Substrat angebracht, wobei eine Ionenquelle einer lonenstrahlätzanlage beabstandet zu der Maske angeordnet ist. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, mit einem Betreiben der lonenstrahlätzanlage einen Ionenstrahl in die Maske zu führen, um abzutragendes Material der ersten Ebene abzutragen und auf dem Substrat abscheiden zu lassen. Die Vorrichtung ist folglich dazu ausgebildet, ein Vakuums in der lonenstrahlätzanlage zu erzeugen, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial auf das Substrat trifft.
Die Maske dient dabei sowohl als Sputtertarget als auch als Schattenmaske und besteht aus zwei Ebenen: Die erste Ebene enthält Hohlräume bzw. Kanäle, die von einer perforierten Membran - der zweiten Ebene - überspannt sind. Die Seitenwände der Hohlräume der ersten Ebene sind mit dem abzuscheidenden Material beschichtet. Diese Maske wird nun auf dem zu beschichtenden Substrat befestigt und der Verbund wird in einer lonenstrahlätzanlage prozessiert.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und Nutzung der vorgeschlagenen Vorrichtung trifft unter Vakuum der Ionenstrahl auf die Maske und trägt physikalisch Material von den Seitenwänden ab. Das in der Gasphase vorliegende Beschichtungsmaterial lagert sich anschließend auf dem darunterliegenden Substrat ab und bildet in-situ dreidimensionale Mikro- und/oder Nanostrukturen auf dem Substrat.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Lehre werden nachfolgend im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Ausführungsformen den Umfang der hierin beschriebenen Lehre nicht limitieren. Es zeigen:

1a,b,c eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung in drei Variationen: a) eine perforierte Membran ist dem zu beschichtenden Substrat abgewandt, b) eine perforierte Membran ist dem zu beschichtenden Substrat zugewandt; und c) eine perforierte Membran ist dem zu beschichtenden Substrat zugewandt und abgewandt;
2a, b, c Schematische Darstellung möglicher lonentrajektorien in 2a sowie schematische Darstellung des Einflusses des Abstands zwischen Maske und Substrat auf die Geometrie der abgeschiedenen Struktur in 2b und 2c;
3a, b Mikroskopiebilder von Strukturen, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugt wurden. 3a: Lichtmikroskopische Draufsicht. 3b: Rasterelektronenmikroskopische Schrägansicht;
4 4a: Lichtmikroskopische Draufsicht einer Struktur, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren abgeschieden wurde. 4b: Lichtmikroskopische Draufsicht der dafür verwendeten Kanalstruktur;
5 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung, wobei die Maske nicht vertikale Seitenwände umfasst (5a und 5b);
6 eine schematische Ansicht vier weiterer Phänomene bei Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens; unter anderem Verkippung des Substrates (6a und 6b) oder Veränderung des Abstandes zwischen Ionenquellen und Maske (6c); und
7 ein Ablaufschema des vorgeschlagenen Verfahrens.

Das Prinzip der hierin offenbarten Lehre wird anhand möglicher Ausführungsbeispiele nachfolgend näher verdeutlicht, wobei die ausführliche Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele keine Beschränkung der hierin beschriebenen Lehre darstellt.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass alle Figs. vereinfachte Darstellungen sind und zusammen ein Gesamtbild der vorgeschlagenen technischen Lehre ergeben. In jeder Fig. ist/sind möglichst nur ein oder zwei Effekte dargestellt, um sie simpel und leicht verständlich zu halten. Die Figs. sind nicht maßstabsgetreu. Weder die Darstellung des Ionenstrahls als parallele Pfeile, noch die Darstellung der Ionenquelle als Punkt sind vollständig korrekt, werden jedoch der Einfachheit halber vorliegend wie sonst üblich genutzt. In ihrer Zusammenschau ergeben die beigefügten Figs. ein Bild, welches die vorgeschlagene technische Lehre realitätsnah abbildet.
Einzelne Aspekte der hierin beschriebenen Erfindung sind nachfolgend in den 1, 2, 3, 4, 5, 6 bis 7 beschrieben. In der vorliegenden Anmeldung betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente, wobei nicht alle Bezugszeichen in allen Zeichnungen, sofern sie sich wiederholen, erneut dargelegt sein müssen.
Zu beachten ist, dass der Ionenstrahl und die Ionenquelle 42 in den Figuren auf zwei unterschiedliche Arten dargestellt sind. In der Praxis verlaufen die Ionenstrahlen nahezu parallel und stammen nicht aus einer Punktquelle. Trotzdem ist in 6 c) die Ionenquelle als Punkt dargestellt. In der Praxis verläuft der Ionenstrahl nämlich nicht perfekt parallel, sondern zeigt eine leichte Strahldivergenz, sodass er etwas auffächert. Zur Veranschaulichung ist dies in den nicht maßstabgetreuen Figuren überspitzt dargestellt.
1 zeigt schematische Darstellungen des vorgeschlagenen Verfahrens unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung in drei Variationen. 1a) zeigt eine perforierte Membran 70, die dem zu beschichtenden Substrat 30 abgewandt ist, sodass ein Ionenstrahl moduliert wird, bevor der Ionenstrahl auf das Beschichtungsmaterial 62 und anschließend auf das Substrat 30 trifft. 1b zeigt eine perforierte Membran 70, die dem zu beschichtenden Substrat 30 zugewandt ist, sodass das Beschichtungsmaterial 62 durch den Ionenstrahl zunächst von den Seitenwänden 61 des Kanals 60 abgetragen und der Materialstrom, welcher auf das zu beschichtende Substrat 30 trifft, erst anschließend moduliert wird. Bei einer Anordnung, wie in 1b gezeigt, wird die Abscheidung auch durch die Form der Öffnungen 72a in der Membran 70 beeinflusst. Bei einer Anordnung wie in 1a gezeigt, kann die Form der Öffnungen 72a in der Membran 70 ebenfalls einen Einfluss auf die Abscheidung haben. In beiden Fällen ist die Größe der Öffnung, also der Öffnungsquerschnitt, ein wichtiger Faktor in Bezug auf die Abscheidung.
1c zeigt eine Kombination der Varianten aus 1a und 1b, d.h. 1c zeigt zwei perforierte Membranen 70, wobei eine perforierte Membran 70 dem zu beschichtenden Substrat 30 zugewandt ist und die andere perforierte Membran dem zu beschichtenden Substrat 30 abgewandt ist. Hergestellt werden kann eine in 1c gezeigte Maske 50 beispielsweise durch Verbinden zweier einzelner Masken 50, welche jeweils nur eine perforierte Membran 70 aufweisen. Die perforierten Membranen 70 aus 1c können Perforierungen haben, welche zueinander versetzt sind (wie in 1c gezeigt). Es ist ebenfalls denkbar, dass die Perforierungen der Membranen 70 nicht zueinander versetzt sind (nicht gezeigt).
Der mindestens eine Kanal 60 kann auch als Hohlraum ausgebildet sein. Der Kanal 60 kann also auch erst durch den Ionenstrahl geschaffen werden, indem der Ionenstrahl Material aus dem Hohlraum abträgt. Beispielsweise könnten die Kanäle 60 der ersten Ebene und die Öffnungen 72a der zweiten Ebene 52 durch eine dünne Schicht voneinander getrennt sein. Diese Schicht könnte dann im eigentlichen Prozess durch den Ionenstrahl geätzt werden, sodass die Kanäle 60 der ersten und zweiten Ebene 51, 52 verbunden werden. Ferner ist denkbar, dass innerhalb des Kanals 60 eine/mehrere Säulen parallel zur Seitenwand 61 des Kanal 60 stehen, deren Oberfläche auch abzutragendes Material 62 bereitstellt.
Die 1a bis 1c, 2a bis 2c, 5a und 5b, 6a bis 6c, zeigen schematisch das vorgeschlagene Verfahren 100, wobei 7 ein Flussdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens 100 zeigt. Das vorgeschlagene Verfahren 100 ist zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 auf einem Substrat 30 mittels lonenstrahlätzen durch eine Maske 50 geeignet, wobei nur ein einziger Prozessschritt notwendig ist. Das vorgeschlagene Verfahren 100 umfasst in Schritt 120 zunächst ein Bereitstellen der Maske 50. Die Maske 50 umfasst eine erste Ebene 51 mit mindestens einem Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist. In den 1a und 1b sind jeweils zwei Kanäle 60 dargestellt, während in den 1c, 2a bis 2c, 5a und 5b, 6a bis 6c jeweils nur ein Kanal 60 dargestellt ist. Mit mindestens einem Kanal 60 können ein Kanal 60 oder zwei oder mehr als zwei Kanäle 60 gemeint sein. Die Maske 50 kann nur die erste Ebene 51 umfassen, was in den Figs. nicht gezeigt ist. Alternativ umfasst die Maske 50 mindestens zwei Ebenen 51, 52, wobei die erste Ebene 51 mindestens einen Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist, und eine zweite Ebene 52 umfasst, welche die erste Ebene 51 in Form einer perforierten Membran 70 überspannt. Die zweite Ebene ist als die perforierte Membran 70 ausgebildet. 1a, 1b, 2a bis 2c, 5a und 5b, 6a bis 6c zeigen jeweils eine Maske 50 mit zwei Ebenen 51, 52. 1c zeigt eine Maske mit drei Ebenen (51, 52), wobei die Maske aus 1c eine Ebene 51 und zwei Ebenen 52 in Form von perforierten Membranen 70 umfasst. Es ist denkbar, dass die Maske 50 neben zwei zweiten Ebenen 52 auch zwei erste Ebenen 51 umfasst. Hergestellt werden kann eine in 1c gezeigte Maske 50 beispielsweise durch Verbinden zweier einzelner Masken 50, welche jeweils nur eine erste Ebene 51 und eine zweite Ebene 52 aufweisen. Ferner ist es denkbar, dass eine perforierte Membran 70 nicht an einem äußeren Ende der Maske 50 angeordnet ist, sondern mittig zwischen den zwei ersten Ebenen 51 (nicht gezeigt in den Figs.). In Schritt 130 umfasst das Verfahren 100 ein Anordnen der Maske 50 oberhalb eines zu beschichtenden Substrates 30, insbesondere auf dem in-situ dreidimensionale Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 mittels der Maske 50 abgeschieden werden sollen. In Schritt 140 umfasst das Verfahren 100 ein Anordnen der Maske 50 mit dem zu beschichtenden Substrat 30 in einer lonenstrahlätzanlage 40 . Die Schritte 130 und 140 werden hintereinander ausgeführt . Schließlich wird der eine Prozessschritt ausgeführt, welcher zur in-situ Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 führt. In Schritt 150 erfolgt daher ein Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage 40, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal 60 eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial 62 auf das Substrat 30 trifft. In Schritt 150 erfolgt daher ein Bewirken, dass mit einem Betreiben der lonenstrahlätzanlage 40 ein Ionenstrahl in die Maske 50 gelangt, um abzutragendes Material 62 der ersten Ebene 51 abzutragen und dann auf dem Substrat 30 als Beschichtungsmaterial 62 abscheiden zu lassen.
Mit anderen Worten, die Seitenwände 61 der Hohlräume bzw. Kanäle 61 der ersten Ebene 51 sind mit dem abzuscheidenden Material 62 beschichtet. Diese Maske 50 wird auf dem zu beschichtenden Substrat 30 befestigt und der Verbund aus Maske 50 und Substrat 30 wird in einer lonenstrahlätzanlage 40 prozessiert. Unter Vakuum trifft der lonenstrahl auf die Maske 50 und trägt physikalisch Material von den Seitenwänden 61 ab. Das in der Gasphase vorliegende Beschichtungsmaterial 62 lagert sich anschließend auf dem darunterliegenden Substrat 20 ab (siehe beispielsweise 2b und 2c). Die Öffnungen 72, 72a in den beiden Ebenen 51, 52 modulieren dabei den Ionen- und Beschichtungsmaterialstrom, um die gewünschte Struktur 20 auf dem Wafer 30 zu generieren.
Das Verfahren 100 umfasst ein Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage 40, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal 60 eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material 62 auf das Substrat 30 trifft. In den 1a bis 1c ist die Ionenstrahlanlage 40 angedeutet. Ein Fachmann versteht jedoch, dass die Maske 50 und das zu beschichtende Substrat 30 in der Ionenstrahlanlage 40 angeordnet werden, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal 60 eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material 62 auf das Substrat 30 trifft.
Nach Abtragen in der Gasphase des Beschichtungsmaterials 62 erfolgt ein Ablagern des Beschichtungsmaterials 62 auf dem Substrat 30 in Form von dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostrukturen 20, wie beispielsweise in 2b und 2c zu sehen ist. 3 zeigt Mikroskopiebilder von dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostrukturen 20, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren abgeschieden wurden. 3a zeigt eine Lichtmikroskopische Draufsicht der dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostrukturen 20. 3b zeigt eine Rasterelektronenmikroskopische Schrägansicht der dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostrukturen 20. Die Nanostruktur 20 aus 3b weist einen Durchmesser von etwas mehr als 25 µm auf. Die Nanostruktur 20 aus 3b weist ferner die Form einer dreidimensionalen Gaußverteilung auf. Die Öffnungen 72a in der Membran 70 waren kreisförmig ausgebildet und befanden sich oberhalb eines Kanals 60. Mit anderen Worten, die Maske 50 war wie in 1a gezeigt angeordnet.
4a zeigt eine lichtmikroskopische Draufsicht auf eine Struktur 20, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren 100 abgeschieden wurde. 4b zeigt eine lichtmikroskopische Draufsicht der dafür verwendeten Kanalstruktur, d.h. der Kanäle 60. Die Kanäle 60 waren mit kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, sodass die Kanäle zylindrisch ausgebildet waren.
Die genaue Form der Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 kann durch ein Modulieren eines Ionenstromes des Ionenstrahls und/oder durch ein Modulieren eines Beschichtungsmaterialstromes des abgetragenen Beschichtungsmaterials 62 mittels eines Öffnungsquerschnitts 72 einer Öffnung 71 des mindestens einen Kanals 60 und/oder der Anzahl der Öffnungen 71 des mindestens einen Kanals (60) und/oder des Öffnungsquerschnitts 72a der Öffnungen 71a in der perforierten Membran 70 und/oder der Anzahl der Öffnungen 71a in der perforierten Membran 70 eingestellt werden. Durch die Anzahl Öffnungen 71, 71a sowohl in der ersten Ebene 51 als auch in der zweiten Ebene 52 und/oder durch die Größe der Öffnungsquerschnitte 72, 72a in der ersten und/oder der zweiten Ebene 51, 52 kann die Intensität des Ionenstromes beeinflusst werden, wodurch wiederum die deponierte Schicht auf dem Substrat 30 beeinflusst wird, insbesondere hinsichtlich ihrer Form und Größe. 2b und 2c zeigen zwei unterschiedliche Formen der deponierten dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostruktur 20 auf dem Substrat 30.
Das Verfahren 100 umfasst ein Anpassen einer Anzahl und/oder eines Abstandes und/oder einer Form und/oder von Abmessungen des mindestens einen Kanals 60 in der ersten Ebene 51, um mindestens eine dreidimensionale Struktur 20 auf dem Substrat 30 abzuscheiden. Durch das Anpassen der Anzahl und/oder des Abstandes und/oder der Form und/oder von Abmessungen des mindestens einen Kanals 60 in der ersten Ebene 51 kann der Materialstrom des abgetragenen Beschichtungsmateriales 62 beeinflusst bzw. moduliert werden. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren 100 ein Beeinflussen einer Intensität des Ionenstromes. Die Intensität des Ionenstromes kann beispielsweise auf Basis der Anzahl der Öffnungen 71a in der perforierten Membran 70 oder in den perforierten Membranen 70 und/oder auf Basis der Öffnungsquerschnitte 72a in der perforierten Membran 70 oder in den perforierten Membranen 70 erfolgen. Mit anderen Worten: Die Anzahl, der Abstand, die Form und Abmessungen der Hohlräume bzw. der Kanäle 61 der Maskenebenen 51, 52 können gezielt angepasst werden, um dreidimensionale Strukturen 20 auf dem Substrat 30 zu erzeugen. Anzahl und Größe der Membranöffnungen 72a, d.h. der Öffnungsquerschnitte 72a in der perforierten Membran 70, beeinflussen die Intensität des Ionenstroms durch den Kanal 61 bzw. durch die Maske 50 und somit die deponierte Materialmenge. Über die Größe und Anordnung der Kanäle 61 können Positionen und Abmaße der deponierten Schicht des Beschichtungsmaterials 62 auf dem zu beschichtenden Substrat 30 eingestellt werden. Mittels des Abstands zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 kann als weiterer Freiheitsgrad die Kontur bzw. das Oberflächenprofil der abgeschiedenen Schicht des Beschichtungsmaterials 62 beeinflusst werden.
An dieser Stelle sei noch bemerkt, dass der Ionenstrom auch durch die lonenstrahlätzanlage (in Bezug zur Plasmaleistung, zur Beschleunigungsspannung etc.) moduliert werden kann, bevor dieser auf die Maske 50 trifft. Das bedeutet, dass der Ionenstrom für die selektive Deposition nicht ausschließlich durch das beschriebene Verfahren beeinflusst werden kann, sondern auch durch die Einstellungsparameter an der lonenstrahlätzanlage selbst. Dass man die Intensität und die Energie des Ionenstroms auch über Prozessparameter an der lonenstrahlätzanlage selbst beeinflussen kann, ist einem Fachmann jedoch hinreichend bekannt, weshalb hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Wie in 1c gezeigt ist, kann das Verfahren ein Hinzufügen mindestens einer weiteren Ebene 51, 52 zur Maske 50 umfassen, welche mindestens einen Kanal 60 wie die erste Ebene 51 umfasst oder in Form einer perforierten Membran 70 wie die zweite Ebene 52 ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass mehrere erste Ebenen 51 und/oder mehre zweite Ebenen 52 die Maske 50 bilden. Hierbei können die ersten Ebenen 51 und die zweiten Ebenen 52 in beliebiger Reihenfolge zueinander gestapelt sein. Es ist denkbar, dass die Kanäle 60 zweier erster Ebenen 51 zueinander mindestens teilweise versetzt angeordnet sind. Je nach zu erzeugender Struktur 20 kann die zweite Ebene 52 weggelassen oder die Maske 50 um weitere Ebenen 51, 52 ergänzt werden. Die Reihenfolge der Ebenen 51, 52 kann zusätzlich variiert werden, um weitere Designfreiheit zu erzielen. Das abzuscheidende Material 62 oder auch Beschichtungsmaterial 62 hierin genannt kann ebenfalls variiert werden.
Das Verfahren 100 kann ein Variieren einer Reihenfolge der Ebenen 51, 52 beim Ionenstrahlätzen umfassen, um Designfreiheit zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren 100 ein Variieren des abzuscheidenden Materials 62 in der einen ersten oder einen zweiten Ebene 51, 52 oder in den verschiedenen ersten Ebenen 51, d.h., die wie die erste Ebene 51 ausgebildet sind, umfassen, um Designfreiheit zu erzielen.
Das Verfahren 100 kann ein mehrschichtiges Abscheiden verschiedener Beschichtungsmaterialen 62 während eines einzigen Abscheidungsprozesses auf dem Substrat 30 bei Beschichtung des mindestens einen Kanals 60 entlang des Kanals 60 in umgekehrter Reinfolge (siehe zum Beispiel 2a bis 2c), und/oder bei Beschichtung verschiedener Abschnitte des mindestens einen Kanals 60 mit den verschiedenen Beschichtungsmaterialien 62 (siehe 6a, 6b) umfassen. Hierzu könnte beispielsweise der Eintreffwinkel des Ionenstrahls auf eine Seitenwand 61 variiert werden, indem beispielsweise die Maske 50 verkippt wird, wie in 6a und 6b gezeigt ist, oder indem ein Abstand der Ionenquelle zu der Maske 50 variiert wird, wie in 6c gezeigt ist, oder indem die perforierte Membran 70, durch welche der Ionenstrahl in die Kanäle 60 eindringt, Geometrien aufweist, welche dazu führen, dass der Ionenstrahl abgelenkt wird, wie dies in 2a gezeigt ist.
Das Verfahren 100 kann ein Herstellen der Maske mittels Mikrosystemtechnik beispielsweise aus Si-Wafern umfassen. Die Maske 50 lässt sich mit etablierten Verfahren der Mikrosystemtechnik herstellen. Diese Methodiken sind in einem anderen technischen Kontext bereits publiziert [1], können bei der vorgeschlagenen technischen Lehre jedoch zur Herstellung der Maske 50 dienen. Da dies dem Fachmann bekannt ist, wird hierauf nicht weiter eingegangen werden.
Das Verfahren 100 kann ein Anordnen der Maske 50 mittels temporären Waferbondes oder mittels einer Maskenhalterung an oder vor dem Substrat 30 umfassen. Um die Maske 50 mit dem zu beschichtenden Substrat 30 derart zu positionieren, dass die dreidimensionalen Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 auf dem Substrat 30 mittels Ionenstrahlätzen ohne Verrutschen der Maske 50 relativ zum Substrat 30 deponiert werden können, kann ein temporäres Waferbonden oder eine mechanische Maskenhalterung genutzt werden, in welcher die Maske 50 relativ zum Substrat 30 befestigt werden kann.
Wie in 2a zu sehen ist, kann das Verfahren 100 ein Ablenken des Ionenstrahls durch Unebenheiten oder durch eine geometrische Struktur 73 in der perforierten Membran 70 in Richtung einer Seitenwand 61 des mindestens einen Kanals 60 umfassen. Wie in 2a zu sehen ist, ist die geometrische Struktur 73 als eine Neigung in der perforierten Membran 70 ausgebildet. Ein Öffnungsquerschnitt 72a in der perforierten Membran 70 auf einer der ersten Ebene 51 abgewandten Seite ist dabei größer als auf der der ersten Ebene 51 zugewandten Seite. Die geometrische Struktur 73 kann jede Form aufweisen, die dazu geeignet ist, den Ionenstrahl in Richtung einer Seitenwand 61 des mindestens einen Kanals 60 abzulenken.
In den 1a bis 1c, 2a bis 2c, 5a und 5b ist zu sehen, dass an den Seitenwänden 61 der Kanäle 60 entlang der Erstreckung der Seitenwände 61 jeweils Beschichtungsmaterial 62 aufgebracht ist. Dieses Beschichtungsmaterial kann mittels Ionenstrahlätzen abgetragen werden. Gemäß den 6a bis 6c hingegen, bildet ein Teil des Beschichtungsmaterials 62 einen Teil der Seitenwand 61. Auch die Seitenwände 61 als solche können als Beschichtungsmaterial 62 dienen.
Das Verfahren 100 kann ein Beeinflussen eines Oberflächenprofils des abgeschiedenen Beschichtungsmaterials 62 mittels Einstellen des Abstandes zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 umfassen. Insbesondere mit Hilfe der Maskenhalterung kann der Abstand zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 mechanisch eingestellt werden. 2b und 2c zeigen den Einfluss des Abstandes zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30. In 2b ist der Abstand zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 geringer als in 2c. Als Endergebnis weist die auf dem Substrat 30 abgeschiedene dreidimensionale Mikro- und /oder Nano-Struktur 20 bei einem größeren Abstand zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 eine zur Maske zugewandten Richtung flachere und breitere Geometrie auf (siehe 2c) als bei einem geringeren Abstand zwischen der Maske 50 und dem Substrat 30 (vgl. mit der dreidimensionalen Mikro- und /oder Nano-Struktur 20 aus 2b).
Das Verfahren 100 kann ein Einstellen einer Abscheiderate des Beschichtungsmaterial 62 auf dem Substrat 30 durch Einstellen eines Eintreffwinkels des Ionenstrahls auf eine Seitenwand 61 des mindestens einen Kanals 60 umfassen, wobei der Eintreffwinkel ein Winkel β zwischen einer Vorzugsrichtung 41 des Ionenstrahls und der Seitenwand 61 ist. Wie beispielsweise in 5a und 5b zu sehen ist, können die Kanäle konisch ausgebildet sein. Durch den Winkel der Seitenwände 61 des konisch geformten Kanals 60 kann der Materialabtrag von dem Kanal 60 und somit die Abscheiderate auf dem zu beschichtenden Substrat 30 gezielt erhöht oder verringert werden. Ein solches konisches Loch kann u.a. in einer Silizium Maske durch nasschemisches Ätzen erzeugt werden. In 5b ist der Kanal 60 beispielsweise in Bezug auf die Vorzugsrichtung 41 des Ionenstrahls trichterförmig ausgerichtet. Wie beispielsweise in 2a zu sehen ist, kann der Ionenstrahl in Bezug auf die Maske 50 geneigt sein, so dass der Ionenstrahl in seiner Vorzugsrichtung 41 unter dem Eintreffwinkel β auf die Seitenwand 61 treffen kann, auf welcher Beschichtungsmaterial 62 angeordnet sein kann, welches durch den Ionenstrahl abgetragen werden kann. Die vorliegende technische Lehre nutzt die Wirkung teilelastischer Stöße. Dies bedeutet, dass das einfallende Ion anteilig seine kinetische Energie an die Atome/Moleküle des Wandmaterials abgibt, welche dann unter einem Winkel herausgestoßen werden. Dieser (Ausfalls-)Winkel ist nahe dem Einfallswinkel, allerdings nicht zwingend identisch. Das einfallende Ion hingegen wird in beliebige Richtung (gemäß Impulserhaltung) gestreut. Trifft der Ionenstrahl unter seiner Vorzugsrichtung 41 auf das Beschichtungsmaterial, so wird der Ionenstrahl in eine beliebige Richtung gestreut. Wie 6a und 6b zu entnehmen ist, kann das Einstellen des Eintreffwinkels des Ionenstrahls alternativ oder zusätzlich mittels Verkippung des Substrates 30 erfolgen. Das Substrat 30 inklusive der Maske 50 können unter unterschiedlichen Winkeln α1, α2 verkippt werden, sodass die Vorzugsrichtung 41 des Ionenstrahls unter unterschiedlichen Eintreffwinkeln β1, β2 auf das Beschichtungsmaterial 62 ausgerichtet werden kann.
Es sei bemerkt, dass die Membran 70 durch den Ionenstrahl ebenfalls leicht geätzt wird. Das Material, das von der Oberseite der Membran 70 abgetragen wird, bewegt sich aber aufgrund des kinematischen Anteils des Ionenstroms eher vom Substrat, insbesondere reflektionsartig, weg. Trotzdem kann das Material der Membran 70, insbesondere von den Seitenwänden der Perforationen bzw. Öffnungen 72a, ebenfalls einen Beitrag zur Abscheidung leisten.
Die Abscheiderate bei einer konischen Ausführung des Kanals 60 wie in 5a kann geringer sein als bei einer zylindrischen Ausführung des Kanals 60. Bei einer konischen Ausführung des Kanals 60 wie in 5b gezeigt kann die Abscheiderate höher sein als bei einer zylindrischen Ausführung des Kanals 60 (wie beispielsweise in 1a gezeigt). Wenn die Seitenwände 61 parallel zur Vorzugsrichtung 41 des Ionenstrahls verlaufen (siehe 1a), treffen nur wenige, durch die Stahldivergenz nicht parallel verlaufende Ionen auf die Seitenwand 61. Wird die Seitenwand 61 nun in die Vorzugsrichtung 41 des lonenstrahls gekippt (siehe 5b), können auch die sich in der Überzahl befindlichen parallel verlaufenden Ionen auf die Seitenwand 61 treffen und Material 62 abtragen. Im Fall, wie in 5a gezeigt treffen nur noch stark von der Vorzugsrichtung 41 abweichende lonen oder durch die perforierte Membran 70 (bzw. die darin enthaltenen Unebenheiten oder geometrischen Strukturen) abgelenkte Ionen die Seitenwand 61.
6 illustriert vier weitere Phänomene. 6a bis 6c kann entnommen werden, dass das abzuscheidende Material 62 nicht nur durch eine Beschichtung der Seitenwände 61 definiert werden kann, sondern auch durch das Maskensubstrat selbst. Außerdem kann den 6a bis 6c entnommen werden, dass durch ein mehrschichtiges Maskensubstrat verschiedene Materialien in definierter Reihenfolge abgeschieden werden können. Welches der Materialien eines mehrschichtigen Maskensubstrats zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeschieden wird, kann durch eine Verkippung des Substrats 30 definiert werden. Dies ist in 6a und 6b veranschaulicht, wobei α1 > α2. Durch Veränderung des Abstands zwischen Maske 50 und Ionenquelle 42 kann ebenfalls eingestellt werden, welches Material zu welchem Zeitpunkt abgeschieden wird.
Wie in 6c gezeigt ist, kann das Verfahren 100 ein Verändern eines Abstandes zwischen der Maske 50 und der Ionenquelle 42 der lonenstrahlätzanlage 40 beinhalten, um, insbesondere während des lonenstrahlätzens, einzustellen zu welchem Zeitpunkt welches Beschichtungsmaterial 62 an der Seitenwand 61 des mindestens einen Kanals 60 abgeschieden wird. In 6c ist zu sehen, dass unterschiedliche Beschichtungsmaterialen 62 an unterschiedlichen Positionen an der Seitenwand 61 angebracht sind. Wird nun der Abstand der Ionenquelle 42 zu der Maske 50 verändert, kann die Eintreffposition des Ionenstrahls auf dem Beschichtungsmaterial verändert werden, wodurch die Art des Beschichtungsmaterial 62 wählbar ist. Wird der Abstand zwischen der Maske 50 und der Ionenquelle 42 während des Ionenstrahlätzens verändert, kann während des Ionenstrahlätzens der Zeitpunkt festgelegt werden, wann ein bestimmtes Beschichtungsmaterial zunächst abgetragen und anschließend auf dem Substrat 30 deponiert wird.
Das vorgeschlagene Verfahren 100 ist sowohl für CMOS als auch post-CMOS-Fertigung geeignet, da die Maske 50 aus CMOS-kompatiblen Materialien gefertigt werden kann. Zudem treten während des Abscheideprozesses keine Temperaturen auf, die einer Verwendung in post-CMOS-Prozessschritten entgegenstünden.
Die Maske 50 dient sowohl als Sputtertarget als auch als Schattenmaske. Mit anderen Worten, das Material, aus welcher die Maske 50 besteht kann bereits als Beschichtungsmaterial genutzt werden. Wie hierin beschrieben, können aber auch unterschiedliche Beschichtungsmaterialien 62 in die Kanäle 60 der Maske 50 eingebracht werden. Insbsondere besteht die Maske 50 aus zwei Ebenen: Die erste Ebene 51 enthält Hohlräume bzw. Kanäle 61, die von einer perforierten Membran 70 - der zweiten Ebene 52 - überspannt sind.
Beim vorgeschlagenen Verfahren 100 kann das Abtragen des Beschichtungsmaterials 62 durch Ionenstrahlätzen durch Verdampfen mittels Elektronenstrahl oder durch Laserablation oder durch thermisches Erhitzen oder durch Verwenden von elektrischen Stromes ersetzt werden. Mit anderen Worten, alternativ zum Ionenstrahlätzen kann das abzuscheidende Material 62 mit einem anderen Verfahren von der Maske abgetragen werden. Es ist auch denkbar, die genutzte Maske 50 zu modifizieren, sodass diese als resistives Element selbst geheizt werden kann, um das Oberflächenmaterial zu verdampfen. Bei diesen Verfahren ist es jedoch nachteilig, dass sich das von der Maske abgelöste Material per Diffusion in alle Richtungen verteilt und über einen Diffusionsgradienten zum Substrat geführt werden müsste. Der Vorteil des gerichteten kinematischen Anteils der Atome/Moleküle ist nur in Kombination mit einem Ionenstrahl gegeben. Bevorzugt ist daher das Ionenstrahlätzen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Maske, welche dazu ausgebildet ist, zur in-situ Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 auf einem Substrat 30 mittels Ionenstrahlätzen genutzt zu werden, wobei die Maske 50 umfasst: eine erste Ebene 51 mit mindestens einem Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist, oder mindestens zwei Ebenen 51, 52, wobei die erste Ebene 51 mindestens einen Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene 52, welche die erste Ebene 51 in Form einer perforierten Membran 70 überspannt. Das Maskensubstrat bildet mit den Kanälen 61, der darüber und/oder darunter befindlichen perforierten Membran 70 mit dem abzuscheidenden Material 62 an den Kanalwänden 61, d.h. den Seitenwänden 62, die vorab beschriebene Maske 50.
Die hierin beschriebene Maske 50 moduliert nicht nur den Materialstrom zum Substrat, sondern stellt gleichzeitig auch das Beschichtungsmaterial 62 bereit. Die Maske 50 stellt ein „strukturiertes Target“ dar.
Die Beschaffenheit der Maske 50 ermöglicht es, das abzuscheidende Material 62 bereits strukturiert auf dem Substrat 30 abzuscheiden, sodass eine nachträgliche Strukturierung mittels materialspezifischer Ätzverfahren lediglich optionaler Natur ist. Die strukturierte Schicht kann je nach Anwendungsfall direkt als eigenständige, funktionale Ebene im Rahmen eines Halbleiterfertigungsprozesses fungieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung 10 zur in-situ Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen 20 auf einem Substrat 30 mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske 50. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Maske 50, welche eine erste Ebene 51 mit mindestens einem Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen 51, 52 umfasst, wobei die erste Ebene 51 mindestens einen Kanal 60, in dem abzutragendes Material 62 angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene 52, welche die erste Ebene 51 in Form einer perforierten Membran 70 überspannt. Die Maske 50 ist auf oder vor einem zu beschichtenden Substrat 30 angebracht. Eine Ionenquelle 42 ist beabstandet zu der Maske anordenbar oder angeordnet. Die Vorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, mit einem Betreiben der Ionenstrahlätzanlage 40 ein Vakuum in der lonenstrahlätzanlage 40 zu erzeugen, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal 60 eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial 62 auf das Substrat 30 trifft. Mit anderen Worten, die Die Vorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, mit einem Betreiben der lonenstrahlätzanlage 40 einen Ionenstrahl in die Maske 50 zu führen, um abzutragendes Material 62 der ersten Ebene 51 abzutragen und auf dem Substrat 30 abscheiden zu lassen.
Die erste Ebene 51 umfasst eine Mehrzahl an Kanälen 60, welche im Wesentlichen geradlinig vertikal durch die erste Ebene 51 bis zum Substrat 30 verlaufen und/oder welche entlang ihrer Erstreckung durch die erste Ebene 51 nicht vertikale Seitenwände 61 aufweisen. Die Kanäle 60 können konisch, insbesondere trichterförmig, oder im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein. Es wird Bezug auf die vorangegangenen Beschreibung der Ausgestaltung der Maske genommen und wird nachfolgend nicht wiederholt.
Das Beschichtungsmaterial 62 ist durch mindestens eine Beschichtung der Seitenwand 61 des mindestens einen Kanals 60 gegeben und/oder durch mindestens eine Beschichtung der Seitenwand 61 in der perforierten Membran 70 und/oder durch das Maskensubstrat der ersten oder zweiten Ebene 51, 52 selbst gegeben. Mit der vorgeschlagenen Maske 50 bzw. mit der vorgeschlagenen Vorrichtung 10 kann mittels Ionenstrahlätzen eine dreidimensionale Mikro- und/oder Nanostruktur 20 auf dem Substrat 30 deponiert werden. Hierzu ist es möglich, verschiedene Beschichtungsmaterialen in der Maske 50 in umgekehrter Reihenfolge anzuordnen, damit während des Ionenstrahlätzens die verschiedenen Beschichtungsmaterialen 62 in richtiger Reihenfolge auf dem Substrat 30 deponiert werden können. Die verschiedenen Beschichtungsmaterialien 62 können alternativ oder zusätzlich auch an verschiedenen Positionen in dem mindestens einen Kanal 61 angebracht werden. Mit anderen Worten, mehrschichtige Abscheidungen verschiedener Materialien auf dem Substrat sind möglich, wenn die Hohlräume bzw. Kanäle 61 der Maske 50 in umgekehrter Reihenfolge beschichtet sind. Damit bietet das Verfahren 100 die Möglichkeit einer Freiformstrukturierung von nahezu beliebigen Materialien und deren Kombinationen.
Die Vorrichtung 10 ist dazu ausgebildet ist, ein hierin beschriebenes Verfahren 100 auszuführen.
Die Abscheidung definierter Geometrien geschieht bei der hierin beschriebenen technischen Lehre in nur einem Prozessschritt an nur einer Anlage. Sputtertarget und Schattenmaske sind in nur einer Vorrichtung vereint und es wird nur ein Prozess (Ionenstrahlätzen) bzw. nur eine Anlage sowohl für verschiedene Materialien als auch für verschiedene Geometrien benötigt. Folglich sind das für die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens 100 benötigte Know-How und Equipment bei vorhandener Maske 50 deutlich reduziert im Vergleich zu bestehenden Verfahren aus dem Stand der Technik.
Diese Art der selektiven Abscheidung kann in einer klassischen lonenstrahlätzanlage ohne konstruktive Veränderungen erfolgen, wenn die Maske 50 temporär an das Substrat gebondet wird. Alternativ sind auch prozesstechnisch besser definierbare Abscheidungen möglich, wenn sich Maske und Substratwafer in zwei voneinander getrennten Halterungen befinden, deren Abstand zueinander als Prozessparameter frei eingestellt werden kann.
Des Weiteren ermöglichen die verschiedenen Ebenen 51, 52 in der Maske 50 neuartige Gestaltungsfreiheit bezüglich der Geometrie der abzuscheidenden Strukturen 20. Wenn lediglich die Anzahl der Löcher in der Membranebene variiert wird, können beispielsweise Strukturen 20 unterschiedlicher Höhe, aber gleicher Breite direkt nebeneinander im gleichen Prozess abgeschieden werden. Bei herkömmlicher Stencil Lithography ist dies zwar ebenfalls möglich (siehe Dynamic Stencil Deposition), erfordert aber wiederum zusätzliches Equipment zur Bewegung der Maske während der Deposition. Zusätzlich können definierte, dreidimensionale, stufenlose Freiformflächen, d.h. Mikro und/oder Nanostrukturen 20 gezielt in einem Schritt hergestellt werden.
Die hierin beschriebene technische Lehre bietet neuartige Gestaltungsfreiheit bezüglich des Materials der abzuscheidenden Strukturen. Der eingesetzte Ionenstrahl (i. d. R. Ar-Ionen) kann nahezu alle Materialien ätzen, wobei lediglich die Ätzrate variiert. Folglich ist die Auswahl des abzuscheidenden Materials beinahe uneingeschränkt, solange das Material auf den Seitenwänden 61 der Kanäle 60 der Maske 50 aufgebracht werden kann. Das Aufbringen des abzuscheidenden Materials 62 auf die Seitenwände 61 der Maske 50 kann beispielsweise aber nicht ausschließlich durch Atomlagenabscheidung (ALD) oder eine galvanische Abscheidung erfolgen. Ferner ist es möglich, direkt ein Maskensubstrat zu verwenden, welches aus dem zu deponierenden Material 62 gefertigt ist oder auch das Maskensubstrat vor der Beschichtung thermisch zu oxidieren.
In nur einem Prozessschritt können mehrere Materialien abgeschieden werden. Eine mehrlagige Beschichtung der Maskenhohlräume bzw. der Kanäle 61 führt zu einer sequenziellen Abscheidung, wohingegen unterschiedliche Beschichtungen mehrerer Kanäle 61 zu einer parallelen Abscheidung verschiedener Materialien führt.
Anders als bei herkömmlicher Stencil Lithography ist ein Verstopfen der Maske ausgeschlossen, da der Ionenstrahl etwaige Depositionen in den Öffnungen kontinuierlich wieder entfernt.
Insgesamt kann das vorgeschlagene Verfahren Kosten und Komplexität reduzieren bei gleichzeitig erhöhter Flexibilität im Hinblick auf abscheidbare Materialien sowie deren Geometrie auf dem Substrat.
Die hierin beschriebene technische Lehre im Bereich der Beschichtungstechnik im Kontext der Halbleiter- und Mikrosystemtechnikfertigung als Anlehnung an das etablierte Schablonenlithographieverfahren bietet in mehreren Schlüsselbereichen erhebliche Vorteile, die zu einer Reihe von Erleichterungen und neuen Möglichkeiten führen.
Die bemerkenswerteste Möglichkeit, welche die hier vorgestellte Art einer selektiven Gasphasenabscheidung eröffnet, ist die Fähigkeit, dreidimensionale Freiformflächen aus einer großen Bandbreite an Materialien zu erzeugen. Herkömmliche Verfahren haben oft Schwierigkeiten, komplexe und unregelmäßige Formen zu erzeugen, insbesondere wenn mehrere Schichten beteiligt sind. Diese vorgeschlagene Form der selektiven Gasphasenabscheidung hingegen ermöglicht die präzise und kontrollierte Abscheidung dreidimensionaler Strukturen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Entwurf und die Herstellung von Mikrosystemen mit komplizierten Geometrien mit flachen Konturen und ermöglicht Anwendungen, die ein hohes Maß an Individualisierung und Funktionalität erfordern.
Das vorgeschlagene Verfahren bietet im Vergleich zu herkömmlichen Methoden außerdem eine leichter zugängliche Technologie. Da nur eine Maschine statt mehrerer Spezialgeräte benötigt wird, wird die Einstiegshürde für die Nutzung dieser Technologie deutlich niedriger. Diese bessere Zugänglichkeit ermöglicht es einem breiteren Spektrum von Einzelpersonen und Unternehmen, einschließlich kleinerer Betriebe und Forschungseinrichtungen, diese Form der selektiven Gasphasenabscheidung zu nutzen und zu Fortschritten in der Mikrosystemtechnik beizutragen. Der Endanwender dieses Verfahrens benötigt lediglich eine lonenstrahlätzanlage, da die Herstellung der Masken flexibel über einen Zulieferer erfolgen kann.
Ein vielversprechendes Anwendungsgebiet ist u.a. die Optik und Photonik. Die optimierte Schablonen-Lithographie bzw. das vorgeschlagene Verfahren kann hier für die Herstellung von optischen Komponenten, photonischen Bauteilen oder diffraktiven Elementen eingesetzt werden. Beispielsweise Mikrolinsen mit dreidimensionalen, glatten, stufenlosen Oberflächen können in einem einzigen Prozessschritt hergestellt werden.
Weitere potentielle Anwendungsfelder lassen sich neben optischen Bauteilen auch im Bereich der elektrischen und mechanischen Interfaces erkennen. Die glatten, dreidimensionalen Geometrien können als 3D-Elektrode Vorteile in der Kontaktierung biologischer und/oder fluidischer Systeme bewirken. In einem weiteren Beispiel könnten sich glatte, stetige Wellenkämme oder fluidische Barrieren auf Substraten zur Herstellung von Mikrofluidiken abscheiden lassen. Glatte Kanten können in fluidischen Systemen beispielsweise Verwirbelungen, Druckverluste oder Erosion verringern. Weitere Anwendungsbeispiele lassen sich allgemein im Bereich der MEMS-Herstellung erahnen, da stetige und glatte Materialübergänge gegenüber den klassisch scharf gefertigten Materialkanten lokale Spitzen mechanischer Spannung vermeiden können und so neue designtechnische Freiheitsgrade eröffnen.
Dies sind nur einige Beispiele für die möglichen Anwendungen eines verbesserten Schab-Ionen-Lithographieverfahrens bzw. der hier vorgestellten selektiven Gasphasenabscheidung. Die Vielseitigkeit der Technik macht sie für ein breites Spektrum von Industrie- und Forschungsbereichen einsetzbar, in denen eine präzise und effiziente Strukturierung von Materialien erforderlich ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung einer entsprechenden Vorrichtung darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement der Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Auf eine vollständige Darstellung der vorliegenden Erfindung in Form von Vorrichtungsmerkmalen wird vorliegend aus Redundanzgründen abgesehen.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Literatur
[1] [Brechmann et al.: CMOS-Compatible Hollow Nanoneedles With Fluidic Connection. Journal of Microelectromechanical Systems 2024. DOI 10.1109/JMEMS.2024.3376991 und Brechmann et al.: Fabrication and characterization of CMOS-compatible perforated micromembranes for biomedical applications. Current Directions in Biomedical Engineering 2023. DOI 10.1515/cdbme-2023-1110].
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brechmann et al.: CMOS-Compatible Hollow Nanoneedles With Fluidic Connection. Journal of Microelectromechanical Systems 2024. DOI 10.1109/JMEMS.2024.3376991 [0077]
Brechmann et al.: Fabrication and characterization of CMOS-compatible perforated micromembranes for biomedical applications. Current Directions in Biomedical Engineering 2023. DOI 10.1515/cdbme-2023-1110 [0077]

Claims

Verfahren (100) zur in-situ-strukturierten Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen (20) auf einem Substrat (30) mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske (50), wobei das Verfahren (100) umfasst: Bereitstellen der Maske (50), welche eine erste Ebene (51) mit mindestens einem Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen (51, 52) umfasst, wobei die erste Ebene (51) mindestens einen Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, und eine zweite Ebene (52) umfasst, welche die erste Ebene (51) in Form einer perforierten Membran (70) überspannt; Anordnen der Maske (50) oberhalb eines zu beschichtenden Substrates (30); Anordnen der Maske (50) mit dem zu beschichtenden Substrat (30) in einer Ionenstrahlätzanlage (40) ; anschließendes Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage (40), um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal (60) eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial (62) auf das Substrat (30) trifft.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (100) umfasst: Erzeugen eines Vakuums in der lonenstrahlätzanlage (40), um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal (60) eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material (62) auf das Substrat (30) trifft.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Ablagern des nach Abtragen in der Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials (62) auf dem Substrat (30).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Modulieren eines Ionenstromes des Ionenstrahls und eines Beschichtungsmaterialstromes des abgetragenen Beschichtungsmaterials(62) mittels eines Öffnungsquerschnitts (72) einer Öffnung (71) des mindestens einen Kanals (60) und/oder der Anzahl der Öffnungen (71) des mindestens einen Kanals (60) und/oder der Öffnungsquerschnitt (72) der Öffnungen (71) in der perforierten Membran (70) und/oder der Anzahl der Öffnungen (71) in der perforierten Membran (70).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Anpassen einer Anzahl und/oder eines Abstandes und/oder einer Form und/oder von Abmessungen des mindestens einen Kanals (60) in der ersten Ebene (51), um mindestens eine dreidimensionale Struktur (20) auf dem Substrat (30) abzuscheiden; und/oder Beeinflussen einer Intensität des Ionenstromes.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Hinzufügen mindestens einer weiteren Ebene (51, 52) zur Maske (50), welche mindestens einen Kanal (60) wie die erste Ebene (51) umfasst oder in Form einer perforierten Membran (70) wie die zweite Ebene (52) ausgebildet ist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Variieren einer Reihenfolge der Ebenen (51, 52) beim Ionenstrahlätzen, um Designfreiheit zu erzielen; und/oder Variieren des abzuscheidenden Materials (62) in der einen Ebene (51, 52) oder in den verschiedenen Ebenen (51, 52), die wie die erste Ebene (51) ausgebildet sind, um Designfreiheit zu erzielen.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Mehrschichtiges Abscheiden verschiedener Beschichtungsmaterialen (62) während eines einzigen Abscheidungsprozesses auf dem Substrat (30) bei Beschichtung des mindestens einen Kanals (60) entlang des Kanals (60) in umgekehrter Reinfolge, und/oder bei Beschichtung verschiedener Abschnitte des mindestens einen Kanals (60) mit den verschiedenen Beschichtungsmaterialen (62).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Anordnen der Maske (50) mittels temporären Waferbond oder mittels einer Maskenhalterung an oder vor dem Substrat (30).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Ablenken des Ionenstrahls durch Unebenheiten oder einer geometrischen Struktur (73) in der perforierten Membran (70) in Richtung einer Seitenwand (61) des mindestens einen Kanals (60).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Beeinflussen eines Oberfächenprofils des abgeschiedenen Beschichtungsmaterials (62) mittels Einstellen des Abstandes zwischen der Maske (50) und dem Substrat (30).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Einstellen einer Abscheiderate des Beschichtungsmaterial (62) auf dem Substrat (30) durch Einstellen eines Eintreffwinkels des Ionenstrahls auf eine Seitenwand (61) des mindestens einen Kanals (60), wobei der Eintreffwinkel ein Winkel zwischen einer Vorzugsrichtung (41) des Ionenstrahls und der Seitenwand (61) ist
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) umfasst: Verändern eines Abstandes zwischen der Maske (50) und einer Ionenquelle (42) der lonenstrahlätzanlage (40), um, insbesondere während des lonenstrahlätzens, einzustellen zu welchem Zeitpunkt welches Beschichtungsmaterial (62) an der Seitenwand (61) des mindestens einen Kanals (60) abgeschieden wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) sowohl für CMOS als auch POST-CMOS-Fertigung geeignet ist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Maske (50) als Sputtertarget und als Schattenmaske dient.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtragen des Beschichtungsmaterials (62) durch Ionenstrahlätzen durch Verdampfen mittels Elektronenstrahl oder durch Laserablation oder durch thermisches Erhitzen oder durch Verwenden von elektrischen Stromes ersetzt wird.
Maske (50), welche dazu ausgebildet ist, zur in-situ Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen (20) auf einem Substrat (30) mittels Ionenstrahlätzen genutzt zu werden, wobei die Maske (50) umfasst: eine erste Ebene (51) mit mindestens einem Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, oder mindestens zwei Ebenen (51, 52), wobei die erste Ebene (51) mindestens einen Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene (52), welche die erste Ebene (51) in Form einer perforierten Membran (70) überspannt.
Vorrichtung (10) zur Abscheidung dreidimensionaler Mikro- und/oder Nanostrukturen (20) auf einem Substrat (30) mittels Ionenstrahlätzen durch eine Maske (50), wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Maske (50), welche eine erste Ebene (51) mit mindestens einem Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, umfasst, oder mindestens zwei Ebenen (51, 52) umfasst, wobei die erste Ebene (51) mindestens einen Kanal (60), in dem abzutragendes Material (62) angeordnet ist, umfasst und eine zweite Ebene (52), welche die erste Ebene (51) in Form einer perforierten Membran (70) überspannt; wobei die Maske (50) auf oder vor ein zu beschichtendes Substrat (30) angebracht ist, wobei eine Ionenquelle (42) einer lonenstrahlätzanlage (40) beabstandet zu der Maske anordenbar oder angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, mit einem Betreiben der lonenstrahlätzanlage (40) ein Vakuums in der Ionenstrahlätzanlage (40) zu erzeugen, um zu bewirken, dass der Ionenstrahl unter Vakuum in den mindestens einen Kanal (60) eindringt und durch den lonenenstrahl physikalisch abgetragenes Material als Beschichtungsmaterial (62) auf das Substrat (30) trifft.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die erste Ebene (51) eine Mehrzahl an Kanälen (60) umfasst, welche im Wesentlichen geradlinig vertikal durch die erste Ebene (51) bis zum Substrat (30) verlaufen und/oder welche entlang ihrer Erstreckung durch die erste Ebene (51) nicht vertikale Seitenwände (61) aufweisen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 19, wobei das Beschichtungsmaterial (62) durch mindestens eine Beschichtung der Seitenwand (61) des mindestens einen Kanals (60) gegeben ist und/oder durch mindestens eine Beschichtung der Seitenwand (61) in der perforierten Membran (70) und/oder durch das Maskensubstrat der ersten oder zweiten Ebene (51, 52) selbst gegeben ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.