DE2151200A1

DE2151200A1 - Verfahren zur Herstellung eines Musters aus Vertiefungen in der Oberflaeche eines festen Koerpers

Info

Publication number: DE2151200A1
Application number: DE19712151200
Authority: DE
Inventors: Spencer Edward Guerrant; Schmidt Paul Herman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-10-19
Filing date: 1971-10-14
Publication date: 1972-04-20
Also published as: NL170646C; BE773998A; FR2111511A5; JPS5540665B1; NL7114349A; GB1364735A; US3860783A; IT942719B; KR780000438B1; SE383280B; DE2151200B2; CA926523A

Description

Western Electric Company Incorporated Schmidt 4-14 New York

Verfahren zur Herstellung eines Musters aus Vertiefungen in der Oberfläche eines festen Körpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Musters aus Vertiefungen in der Oberfläche eines festen Körpers, bei dem ein Teil der Oberfläche mit einer Mustermaske abgedeckt und mittels eines Abtragemittels Material vom freibleibenden Teil der Oberfläche abgetragen wird. Solche Muster werden beispielsweise in die Oberflächen von magnetischen Speichereinheiten hoher Dichte und anderen miniaturisierten elektromagnetischen Signalverarbeitungsvorrichtungen eingearbeitet.

Das Xtzen von Mustern in feste Oberflächen ist auf dem Gebiet der miniaturisierten elektromagnetischen Signalverarbeitungsvorrichtungen von tragender Bedeutung geworden. Auf dom Gebiet der integrierten Schaltungen müssen mit hoher Genauigkeit Muster in abgeechiedene Schichten aus Isoliermaterialien und metallischen Materialien eingeätzt werden. Dies geschieht hauptsächlich durch Verwendung von fotolithographisch hergestellten Masken und chemischen Ätzmitteln. Wenn die gewünschte

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Packungsdichte der Schaltungselemente 5.mmer größer wird, zeigen sich die dieser Verfahrensweise anhaftenden Schwierigkeiten. Chemische Ätzmittel haben das Bestreben die fotolithographischen Masken zu hinterschneiden, so daß die Abmessungen unbestimmt werden und irreguläre Kanten entstehen. Wenn die Breitenabmessungen der hergestellten Muster so dünn wie die Schichtdicke werden, begrenzen diese Schwierigkeiten eine weitere Miniaturisierung. Zusätzlich zu diesen mechanischen Erwägungen treten bei chemischen Ätzmitteln Probleme bezüglich der chemischen Verträglichkeit mit den verschiedenen vorhandenen Materialien und der Entfernung der Reaktionspx'odukte auf.

Ein Teil der chemischen Probleme kann durch sin verschiedentlich als Zerstäubungsätzung und Ruckserstäubung bekanntes Verfahren vermieden werden. Bei diesem Verfahren wird der zu ätzende Bauteil in eine ein Gas, z.B. Argon, niedrigen Drucks enthaltende Kammer eingesetzt. In der Kammer wird ein Plasma erzeugt und positive Ionen aus dem Plasma werden zum Auftreffen auf die Bauteiloberfläche veranlaßt; wodurch physikalisch das gewünschte Material abgetragen wird. Wenn die Vorrichtung ein Leiter ist, wird das Plasma dadurch erzeugt, daß zunächst eine Spannung von einigen tausen Volt zwischen dem Bauteil und einer Anodenelektrode angelegt wird. Dann wird ein Elektronenstrahlerzeuger zur Ionisierung eines Teils der Gasatome und zur Auslösung einer Plasmaentladung verwendet. Wenn der Bauteil ein Isolator ist, wird das Plasma durch ein starkes in der Kammer

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erzeugtes Hochfrequenzfeld erzeugt. Bei diesem Verfahren, das keine chemischen Schwierik^geiten macht, werden die dem Abtragoder Xtzvorgang ausgesetzten Bauteile erwärmt. Diese Erwärmung ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die auftreffenden Ionen ein breites Energiespektrum haben. Die niederenergetischen Ionen erwärmen den Bauteil ohne Material abzutragen. Hinzu kommt, daß die Ionen im Plasma mehrfach gestreut werden, bevor sie auf die Oberfläche auftreffen, so daß sie unter einer großen Anzahl verschiedener Winkel auf die Oberfläche auftreffen, wodurch die Genauigkeit der Erzeugung des Ätzmusters begrenzt wird.

Es wurde gefunden, daß Dünnschichtmuster hoher Qualität in extrem kleinem Maßstab durch die Verwendung eines in seiner Energie gesteuerten Strahles von auf - 5 Grad parallel gehaltenen Ionen in Verbindung mit bekannten Maskierverfahren erzeugt werden können. Muster mit Streifen von Breiten weniger als 1 um konnten auf diese Weise zuverlSssig und reproduzierbar hergestellt werden. Ein solcher kleiner Maßstab erlaubt beispielsweise die Herstellung von (einwandige) magnetische Domänen verwendenden Speichervorrichtungen und von logischen

6 2 Vorrichtungen mit einer bit-Dichte von 1,55 χ 10 bits/cm ·

Bei diesem Verfahren wird ein bis auf - 5 Grad paralleler Strahl von Ionen in einer Ionenkanone erzeugt, in der die Ionen durch eine starke Gleichspannung beschleunigt werden. Die Größe dieser Spannung kann unter Berücksichtigung des

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speziellen zu bearbeitenden Materials auf die gewünschte Materialabtraggröße eingestellt werden. Der austretende Ionenstrahl ist im wesentlichen frei von niederenergetischen Ionen, welche das Bestreben haben den Bauteil ohne Abtragung von Material zu erwärmen· Die Ionen niedrigster Energie besitzen dabei Energien die etwa gleich der Beschleunigungsspannung sind, während mei|hfach ionisierte Ionen ein Mehrfaches dieser Energie besitzen.

Der Ionenstrahl wird auf dem zu ätzenden Bauteil innerhalb einer Vakuumkammer zum Auftreffen gebracht. Der Druck in der

_2 Kammer wird hinreichend niedrig gehalten (niedriger als 10 Torr), so daß Ionenstreuung nur in minimalem Ausmaß auftritt, und die Ionen unter dem vorbestimmten Winkel auf der Oberfläche auftreffen. Der Bauteil kann dabei auf einer Tragvorrichtung aufgesetzt werden, die relativ zum einfallenden Ionenstrahl gedreht, verschoben und in der Winkelstellung eingestellt werden kann. Dieses Verfahren ist im wesentlichen unabhängig ψ von der Zusammensetzung des zu ätzenden Bauteils, obwohl die Beschleunigungsspannung und der Auftreffwinkel auf die gewünschte Abtragungsrate und Musterschärfe eingestellt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Leiter, Isolierkörper oder zusammengesetzte Körper bearbeitet werden, die aus dünnen leitenden oder nichtleitenden, auf leitenden oder nichtleitenden Substraten abgeschiedenen Schichten bestehen. Das gewünschte Muster kann durch fotolithograph!sehe Maskierverfahren oder durch abnehmbare Masken begrenzt werden.

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Die Zeichnung zeigt eine Schnittansicht eines Bauteils, der durch Ionenbeschuß geätzt wird, wobei er auf einer drehbaren Tragvorrichtung aufgesetzt ist.

lonenstrahlbeschuß

Die Zeichnungsfigur zeigt einen Bauteil, während er geätzt wird. Der Ionenstrahl 11 trifft auf den Bauteil 12 und die Mustermaske 15 unter dem vorgewählten Winkel 10 auf. Der Bauteil ist auf einer Tragvorrichtung 13 aufgesetzt, die verschiebbar und um eine senkrecht zur Bauteiloberfläche an der Auftreffstelle des Ionenstrahls verlaufende Achse 14 drehbar ausgebildet ist. Der Bauteil 12 ist zu Erläuterungszwecken als auf einem keramischen Substrat 17 aufgebrachte metallische Schicht 16 dargestellt. Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann jedoch auch bei einstückigen festen Körpern beliebiger Zusammensetzung oder bei Zusammengesetzen festen Körpern jeder beliebigen Zusammensetzungskombination verwendet werden. Das Substrat 17 kann als vorübergehende Trägerplatte für einen abziehbaren schichtförmigen Bauteil 16 dienen.

Die Schnelligkeit der M_aterialabfcragung durch die Ionen des Ionenstrahls verändert sich in Abhängigkeit einer Reihe von Paktoren. Da die Materialabtragung hauptsächlich durch Übertragung des Impulses von den Ionen auf die Atome der Oberfläche und nicht durch Erwärmung der Oberfläche über die Verdampfung stemperatur erfolgt, muß die Beschleunigungsspannung

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der Ionenkanone hinreichend groß sein, damit jedes Ion die Bindungsenergie des getroffenen Atoms überwindet. Bei Erhöhung der Beschleunigungsspannung wird die mittlere Anzahl von durch auftreffende Ionen verdrängten Oberflächenatomen vergrößert. Übermäßig hohe Beschleunigungspotentiale können zu kristallinen Beschädigungen unterhalb der Oberfläche führen, welche die Leistung bestimmter Typen von Bauteilen verschlechtern. Die speziellen Spannungen, die als zu niedrig oder zu hoch anzu-. sehen sind, hängen natürlich von dem speziellen zu ätzenden Material ab. Unter Berücksichtigung des im vorstehenden Ausgeführten sind Spannungen unterhalb von 1000 Volt oder oberhalb von 75 ooo Volt üblicherweise nicht brauchbar. Die beste Eignung und Steuerung der Materialabtragungsrate wird üblicherweise bei Verwendung von Beschleunigungsspannungen zwischen 2500 und 15 000 Volt erzielt.

Der (in der Figur mit 10 bezeichnete) Auftreffwinkel beeinflußt ebenfalls den Verdrängungskoeffizienten. Winkel zwischen r 10 und 45 Grad führen üblicherweise zu größeren Verdrängungskoeffizienten und zu geringeren unter der Oberfläche gelegenen Beschädigungen als Winkel die näher an 90 Grad liegen. Einen Auftreffwinkel von 90 Grad hat jedoch üblicherweise bessere Kantenbegrenzungen zur Folge.

Ein weiterer den Verdrängungskoeffizienten beeinflussender Faktor ist die verwendete Ionenart. Da der Verdrängungsprozeß hauptsächlich auf Impulsübertragung beruht, haben Ionen größerer Masse im allgemeinen größere Verdrängungskoeffizienten als

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Ionen geringerer Masse der gleichen Energie, Bei Raumtemperatur in Gasform vorliegende lonenarten sind für die Verwendung besonders geeignet, obgleich die Verwendung anderer lonenarten, welche die Verwendung von dampferzeugenden Heizvorrichtungen erfordern, für besondere Zwecke ebenfalls denkbar sind. Von den in Gasform vorliegenden Arten sind die Edelgase He, Ne, Ar, Kr und Xe besonders vorteilhaft, weil sie keine chemische Reaktion mit dem zu ätzenden Bauteil eingehen und nach dem Auftreffen leicht aus dem System wieder entfernt werden können. Dabei findet Argon bevorzugt Verwendung. Dabei ist es jedoch auch eindeutig möglich reagierende Gase bei diesem Verfahren zu verwenden. Mit Vorteil wurde zum Beispiel die Verwendung von Sauerstoff erprobt.

Maskierung

Das im größten Umfang verwendete Maskierverfahren auf dem Gebiet der Mikrominiaturbauteile ist das fotolithographische Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die zu ätzende Oberfläche mit einer Polymerschicht abgedeckt. Teile der Schicht werden durch Belichtung mit Licht zur Vernetzung gebracht, und die unvernetzten Abschnitte werden anschließend während des Entwicklung sSchrittes abgewaschen. Ein zusätzlicher Schritt, der bisweilen in der Foto1ithographie in Verbindung mit chemischen Ätzmitteln angewandt wird, der jedoch in Verbindung mit dem vorliegenden Ionenstrahlverfahren von besonderem Vorteil ist, ist ein Vorbrennvorgang. Bei diesem Vorbrennvorgang wird die Polymerschicht erwärmt, um sie auszuhärten, indem beispiels-

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weise jedes nach dem Entwicklungsschritt noch vorhandene Wasser ausgetrieben wird. Bei der Wahl der Dicke des zu verwendenden fotolithographischen Polymers muß berücksichtigt werden, daß während des Ionenbeschusses das Maskiermaterial in etwa der gleichen Menge wie das Mat erial der freiliegenden Oberfläche entfernt wird. DepFachmann wird eine solche Dicke der Polymerschicht wählen, daß das Polymer nicht verschwunden ist, bevor die Oberfläche auf die gewünschte Tiefe geätzt ist.

Für den Fachmann ist weiter ersichtiübh, daß die Bearbeitung bestimmter Arten von Bauteilen die Verwendung von abnehmbaren Masken, z.B. Masken aus Metallfolien, erfordert. Dies kann beispielsweise notwendig sein, wenn die Oberfläche mit den fotolithographischen Chemikalien nicht verträglich ist. Die Verwendung von abnehmbaren Masken führt zu einem vollständig trockenen Verfahren mit einem Minimum an Handhabungsaufwand.

Beispiele

Das beschriebene Verfahren ist nahezu universell anwendbar. So kann es bei jedem Material, welches durch die Größe des in der Beschußkammer erforderlichen Vakuums nicht verschlechtert wird, verwendet werden. Das Verfahren kann zum Einätzen von Vertiefungen in kristallinen oder amorphen Isolierkörpern, Halbleitern oder Metalle oder zur Herstellung von durchgehenden Öffnungen oder Löchern in dünnen Körpern aus diesen Materialien verwendet werden. Muster aus solchen Vertiefungen in

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Isolierkörpern oder Halbleitern sind beispielsweise für die nachfolgende Metal!abscheidung bei Vorrichtungen mit "versenkten Leitern" erforderlich. Gegenwärtig findet das Verfahren die größte Anwendung zum Einarbeiten von Mustern in dünne abgeschiedene Schichten. Diese Muster auf halbleitenden Substraten werden in großem Umfang bei monolitischen Mikrominiaturschaltungen verwendet. Muster aus Halbleitern und magnetischen Metallen auf Substraten aus Isoliermaterial werden beispielsweise bei (einwandige) magnetische Domänen verwendenden Speichervorrichtungen und SignalVerarbeitungsvorrichtungen verwendet. Tantal-Dünnfilme auf Glas und keramischen Substraten werden in integrierten Schaltungen verwendet,

Für die Verwendung in magnetischen Speichern wurden Muster aus Permalloy auf Glassubstraten als Deckschichten für Schieberegister von mit magnetischen Domänen arbeitenden Speichervorrichtungen erzeugt. Ein solches Schieberegister-Muster hat eine Periodizität von 7,5 um und besteht im Prinzip aus Streifen von 0,8 um Breite, die aus einer Schicht von 0,6 um Dicke hergestellt sind. Ein 1000-bit-Schieberegister wurde hergestellt, dessen Gesamtabmessungen 2,5 χ 10 cm im Quadrat betragen. Die bit-Dichte dieses Schieberegisters liegt bei 1,55 χ 10 bit/cm . Dies wurde bei Verwendung fotolithographischer Maskierung einschließlich des Vorbrennschritts erreicht. Der Ionenbeschuß wurde unter einem Winkel von 30 Grad bei einem Beschleunigungspotential von 7000 Volt vorgenommen.

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Claims

Patentansprüche :

Verfahren zur Herstellung eines aus Vertiefungen bestehenden Musters in der Oberfläche eines festen Körpers, bei dem ein Teil der Oberfläche mit einer Mustermaske abgedeckt und mittels eines Abtragungsmittels Material vom freibleibenden Teil der Oberfläche abgetragen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch eineryStrahl von Ionen mit Energien von mehr als 1000eV abgetragen wird, wobei die Ionen innerhalb eines Bereiches - 5 Grad parallel zueinander gehalten werden, und daß gemessen von der Oberfläche zum Strahl ein Auftreffwinkel des Strahls auf die Oberfläche eingestellt wird, bei dem die gewünschte Menge von Oberflächenmaterial abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffwinkel auf einen Wert von 10 Grad bis 45 Grad eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffwinkel auf einen Wert von im wesentlichen 90 Grad eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der feste Körper um eine Achse gedreht wird, die senkrecht zu seiner Oberfläche an der Stelle steht, an der der Ionenstrahl auftrifft.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionen Argon-, Helium-, Neon- oder Kryptonionen oder Gemische dieser Ionen gewählt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Ionen des Ionenstrahls eine Energie zwischen 1000 eV und 75 000 eV erteilt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung des Materials auf den freibleibenden Stellen einer Oberflächenschicht des festen Körpers durchgeführt wird, wobei dieser wenigstens aus einem Substrat und einer Oberflächenschicht besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Körper verwendet wird, dessen Oberflächenschicht aus Metall und dessen Substrat aus einem Isolierstoff besteht«
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Körper verwendet wird, dessen Metallschicht aus einem ferromagnetischen Metall und dessen isolierendes Substrat aus einem nichtmetallischen magnetischen Material besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Körper verwendet wird, dessen Oberflächenschicht aus halbleitendem Material besteht.

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11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustermaske mittels eines fotolithographischen Verfahrens, welches ggf. einen Wärmebehandlungsschritt einschließt, direkt auf der Oberfläche des Körpers abgeschieden wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mustermaske eine getrennte und abnehmbare Maske verwendet wird.
13. Starrer Körper mit einem Muster aus Vertiefungen, welches mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.

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