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    • 专利摘要:
    Verfahren zum likalen Ätzen eines Substrats, das eine obere, insbesondere metallische Leiterschicht und eine darunter befindliche isolierende Schicht aufweist, in einer reaktiven Gasatmosphäre, bei welchem Verfahren gleichzeitig beim Ätzen bei einer unterhalb einer Schwellenwert-Temperatur liegenden Temperatur Leitermaterial aus der Leiterschicht in die Gasatmosphäre überführt und aus der Gasatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb der Schwellenwert-Temperatur ein dem Leitermaterial der Leiterschicht entsprechendes Leitermaterial örtlich im Ätzbereich auf dem Substrat abgeschieden wird, wozu ein Energiestrahl auf das Substrat gerichtet wird, dessen Leistung so bemessen wird, dass die Temperatur des Substrats in einem inneren Kernbereich für den Abscheidevorgang oberhalb der Schwellenwert-Temperatur und in einer diesen Kernbereich umgebenden Ringzone für den Ätzvorgang unterhalb der Schwellenwert-Temperatur liegt; beim Ätzen wird nach dem ringförmigen Wegätzen der Leiterschicht auch die isolierende Schicht unter Erhitzen geätzt, und durch das Ätzen der isolierenden Schicht wird eine Vertiefung in der isolierenden Schicht gebildet, auf deren Boden das abgeschiedene Leitermaterial gehalten wird, und deren Tiefe durch die Dauer der Zuführung des Laserstrahls festgelegt wird.
    公开号:DE102004008334A1
    申请号:DE200410008334
    申请日:2004-02-20
    公开日:2004-09-16
    发明作者:Dieter Dr. Bäuerle；Klaus Dipl.-Ing. Piglmayer；Zsolt Dr. Toth
    申请人:Innovationsagentur GmbH；
    IPC主号:B23K26-12
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahrenzum lokalen Ätzeneines Substrats, das zumindest eine obere, insbesondere metallischeLeiterschicht und eine darunter befindliche isolierende Schichtaufweist, in einer reaktiven Gasatmosphäre, bei welchem Verfahren gleichzeitigbeim Ätzenbei einer unterhalb einer Schwellenwert-Temperatur, z.B. ca. 2200K, liegenden Temperatur Leitermaterial aus der Leiterschicht indie Gasatmosphäre überführt undaus der Gasatmosphärebei einer Temperatur oberhalb der Schwellenwert-Temperatur ein demLeitermaterial der Leiterschicht entsprechendes Leitermaterial örtlich im Ätzbereichauf dem Substrat abgeschieden wird, wobei ein Energiestrahl, insbesondereLaserstrahl, zur Zuführungvon Wärmeenergiefür dasgleichzeitige Ätzenund Abscheiden auf das Substrat gerichtet wird, dessen Leistungso bemessen wird, dass die Temperatur des Substrats in einem innerenKernbereich fürden Abscheidevorgang oberhalb der Schwellenwert-Temperatur liegt,wogegen in einer diesen Kernbereich umgebenden Ringzone die Temperaturdes Substrats fürden Ätzvorgangunterhalb der Schwellenwert-Temperatur liegt.
    [0002] Weiters bezieht sich die Erfindungauf eine Vorrichtung zur Durchführungdieses Verfahrens.
    [0003] Ein Verfahren wie vorstehend angegeben kannbeispielsweise zur Herstellung von Elektronenemitteranordnungenverwendet werden, wie sie fürBildwiedergabeeinrichtungen benötigtwerden. Derartige Elektronenemitteranordnungen haben in einer Isolierschichteingebettete leitende Partikel, die bei entsprechender Vorspannunggegenübereiner Basiselektrode – beispielsweiseder leitenden Schicht des vorerwähntenSubstrats – Elektronen emittieren.Dabei waren früheraufwendige mehrstufige Ätz-und Abscheideverfahren einschließlich fotochemischer Maskierungs-Zwischenschritteerforderlich, um leitende Partikel innerhalb von Öffnungenin der leitenden Schicht des Substrats anzubringen. Um hier eineVereinfachung zu erzielen, wurde auch bereits vorgeschlagen, leitendePartikel zusammen mit einer isolierenden Matrix im Druckverfahrenauf einem Substrat aufzubringen und danach die erhaltene Struktureiner Hitzebehandlung zu unterziehen, um die isolierende Matrixzu reduzieren. Auch diese Vor gangsweise ist jedoch zeit- und kostenaufwendig,so dass ein Bedarf an einer Verbesserung derartiger Technologiengegeben ist.
    [0004] Aus Z. Tóth et al., „Laser-inducedlocal CVD and simultaneous etching of tungsten", Applied Surface Science (Elsevier)ISSN: 0169-4332, Bd. 186, Nr. 1-4 (28. Jänner 2002), S. 184-189und Z. Tóthet al., „Laser-inducedetching of tungsten and fused silica in WF6", Applied SufaceScience (Elsevier), ISSN: 0169-4332,Bd. 208-209, S. 205-209 (http://www.sciencedirect.com) ist fernerbereits allgemein ein gleichzeitiges Ätzen und Abscheiden von Wolfram aufeinem Substrat bekannt, wobei eine Gasatmosphäre mit Wolframhexafluorid undWasserstoff verwendet wird. Die Energie zum Erhitzen im Ätz- und Abscheidebereicherfolgt mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei durch Abscheiden vonWolfram und durch ÄtzenStrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich erzielt werden. Dabeisind jedoch nur oberflächliche Materialbearbeitungenbeschrieben.
    [0005] Es ist nun Aufgabe der Erfindung,ein Verfahren der eingangs angeführtenArt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben,um auf einfache, kostengünstigeund zeitsparende Weise Partikel aus leitendem Material in einer isolierendenSchicht an geätztenStellen anbringen zu können.
    [0006] Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Artist dadurch gekennzeichnet, dass beim Ätzen nach dem ringförmigen Wegätzen derLeiterschicht auch die isolierende Schicht unter Erhitzen geätzt wird,und dass durch das Ätzender isolierenden Schicht eine Vertiefung in der isolierenden Schichtgebildet wird, auf deren Boden das abgeschiedene Leitermaterialgehalten wird, und deren Tiefe durch die Dauer der Zuführung desLaserstrahls festgelegt wird.
    [0007] Bei der vorliegenden Technik wirdsomit in an sich bekannter Weise am zu bearbeitenden Substrat gleichzeitiggeätztund aus der Gasatmosphäreein weiteres Material abgeschieden und niedergeschlagen, wobei derWärmeeintragbei der Durchführung diesesthermisch aktivierten chemischen Prozesses mit Hilfe eines Energiestrahls,insbesondere Laserstrahls, erfolgt, dessen Strahlquerschnitt unddessen Leistung so bemessen werden, dass – je nach den gegebenen Materialien,nämlichder Leiterschicht, der isolierenden Schicht sowie der Zusammensetzungder Gasatmosphäre – die gewünschte örtliche Temperaturkurve – mit demheißenKern oberhalb der Schwellentemperatur und der den Kern umgebenden Ringzoneunterhalb der Schwellentemperatur – erzielt wird. Die Schwellentemperaturhängt dabeivon den eingesetzten Materialien ab und beträgt beispielsweise im Falleeiner reaktiven Gasatmosphäre mitWolframhexafluorid (WF6), mit Wolfram (W)als leitendem Material fürdie leitende Schicht des Substrats und mit Quarz (SiO2 amorph)als Material fürdie isolierende Schicht des Substrats, ca. 2200 K (im Fall von Wolframhexachlorid(WCl6) ca. 1400 K). Demgemäß liegtdie Temperatur in der Kernzone innerhalb der erwähnten Ringzone, d.h. die imMaterial induzierte Temperatur, im Fall von WF6 beiWerten zwischen 2200 K und 2700 K, mit dem Maximum im Zentrum, wogegenin der diese Kernzone umgebenden Ringzone, wo geätzt wird, eine Temperatur imBereich von beispielsweise 700 K bis 1000 K vorliegt. Diese lokaleTemperaturverteilung wird mit Hilfe eines Energiestrahls, insbesondereLaserstrahls, erzielt, auch wenn dabei die Abmessungen im Bereich vonbloß 1 μm oder einigen μm liegen.Durch dieses örtlichnebeneinander erfolgende Ätzenund Abscheiden ergibt sich im Ergebnis, dass im genannten Beispielmit Wolframhexafluorid und Wolfram bzw. Quarz, Wolfram aus der Atmosphäre abgeschieden undim Kernbereich niedergeschlagen wird, wobei Fluor in der Gasatmosphäre freigesetztwird, und so Fluor-Radikale beim Ätzvorgang das Ätzen der Quarzschichtunterstützen.Gemäß der Erfindung wirdaber nicht nur die obere Leiterschicht, sondern auch das darunterbefindliche Material, also die isolierende Schicht, unter Erhitzengeätzt,wobei im Fall von Quarz (Glas) dieses Wegätzen durch die Erhitzung bzw.das dabei erzielte Erweichen oder Verflüssigen des Quarzmaterials unterstützt wird.Insgesamt kann das Verfahren mit Hilfe des Energiestrahls problemlosso gesteuert werden, dass durch das Ätzen der isolierenden Schichteine Vertiefung in dieser gebildet wird, wobei auf dem Boden derVertiefung das abgeschiedene Leitermaterial vorliegt, und wobeidie Tiefe der Vertiefung durch die Dauer der Zuführung des Energiestrahls festgelegtwird. Es ergibt sich somit eine indirekte "Bohrer"-Wirkung, wobei die Vertiefung mit derdarin befindlichen Metall-Ablagerung umso tiefer ausgebildet wird,je längerder Energiestrahl auf das Substrat gerichtet wird. Dabei können Vertiefungenmit glatten, steilen Ätzwänden herbeigeführt werden,und diese Vertiefungen können überdiesextrem kleine Querschnitte aufweisen. Mit der Erfindung können dadurch,dass Metallkerne am Boden der jeweiligen Vertiefung herbeigeführt werden, inden verschiedenen Gebieten der Technik besondere Anwendungen ermöglicht werden,wie etwa die Herstellung der bereits eingangs erwähnten Elektronen-Emitter,aber auch das direkte Herstellen von VIA-Bohrungen mit Einbettungenvon Metall, und es ist überdiesmöglich,eine Vervielfachung der Einzelprozesse durch Aufsplitten des zugeführten Energiestrahlszu erzielen.
    [0008] Im Hinblick auf die Bildung der vorerwähnten Elektronenemitterist es dabei dann weiters günstig, wennals Substrat ein solches mit zumindest zwei weiteren Schichten unterder isolierenden Schicht, nämlicheiner unteren leitenden Schicht und einer isolierenden Basisschicht,verwendet wird, und wenn die Vertiefung bis zur unteren leitendenSchicht gebildet wird, auf der das abgeschiedene Leitermaterial abgesetztwird. Überdie untere leitende Schicht kann somit eine elektrische Spannungan die leitenden Ablagerungen oder Partikel gelegt werden (bezogenauf die obere Leiterschicht), so dass durch diese elektrische Spannungzwischen der oberen Leiterschicht und den abgelagerten Partikelneine Emission von Elektronen aus den leitenden Partikeln bewirktwird.
    [0009] Um den Energieeintrag mit Hilfe desLaserstrahls je nach Fall entsprechend einstellen zu können, istbei der erfindungsgemäßen Vorrichtungder Lasereinrichtung eine Leistungs-Einstelleinrichtung zugeordnet.
    [0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhandvon bevorzugten Ausführungsbeispielen,auf die sie jedoch nicht beschränktsein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Inder Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen:
    [0011] 1 einSchema zur prinzipiellen Veranschaulichung der Vorgänge an einemSubstrat beim kombinierten Abscheiden und Ätzen unter Zuführung vonWärmeenergiemit einem Energiestrahl, insbesondere Laserstrahl;
    [0012] 2 ineinem vergleichbaren Schema den Temperaturverlauf und Materialverlaufam Ort der Zuführungeines Energiestrahls;
    [0013] 3 ineinem Diagramm die Reaktionsrate über der Temperatur, wobei ersichtlichist, dass über einerSchwellenwert-Temperatur eine Abscheidung und unterhalb dieser Schwellenwert-Temperatur ein Ätzen erfolgt;
    [0014] 4 ineinem Schema ähnlichjenem von 1 das erfindungsgemäße Abscheidenund Ätzen ineinem fortgeschrittenen Verfahrensstadium;
    [0015] 5 dieWiedergabe eine Elektronenmikroskopaufnahme des Ergebnisses einesan einem Substrat praktisch durchgeführten kombinierten Ätz- undAbscheidungsvorganges gemäß der Erfindung;
    [0016] 6 eineschematische Darstellung eines Teils eines Substrats mit bereitsgeätzterVertiefung und darin abgelagertem Leitermaterial, zur Veranschaulichungdes Erzeugens einer solchen Vertiefung mit Metallablagerung in derArt einer "Bohrung";
    [0017] 7 schematischeinen Schnitt durch ein Substrat mit einer oberen Leiterschichtund einer zweiten, innerhalb des Substrats vorgesehenen, unterenleitenden Schicht, bis zu der hin die Vertiefung durch Ätzen angebrachtwurde, um so die Ablagerung aus leitendem Material direkt auf dieserzweiten, leitenden Schicht aufsitzen zu lassen;
    [0018] 8 ineiner vergleichbaren schematischen Schnittdarstellung bzw. Ansichtdas gleichzeitige Anbringen mehrerer solcher Metallablagerungen inbis zu einer unteren leitenden Schicht angebrachten Vertiefungenmit Hilfe von mehreren kugelförmigenLinsenelementen;
    [0019] 9 schematischeine bevorzugte Vorrichtung mit einer Lasereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen kombinierten Ätz- undAbscheideverfahrens; und
    [0020] 10 ineiner ganz schematischen Draufsicht ein sogenanntes Array von solchenAblagerungen in einem Substrat, zur Bildung eines "Pixel"-Elements einer Elektronenemitteranordnung.
    [0021] In 1 istschematisch ein Ausschnitt eines Substrats 1 gezeigt, beidem oberhalb einer isolierenden Schicht 2 eine metallischeLeiterschicht 3 angebracht ist. Auf dieses Substrat 1 wirdein schematisch veranschaulichter gebündelter Energiestrahl, insbesondereein Laserstrahl 4, gerichtet, der in seinem Auftreffbereich 5 dasSubstrat 1 erhitzt. Dieses Erhitzen mit Hilfe des Laserstrahls 4 erfolgtin einer kontrollierten reaktiven Gasatmosphäre, die in 1 nur schematisch mit 6 angedeutet ist.In einem bevorzugten Beispiel wird als reaktive Gasatmosphäre eine Wolframhexafluorid(WF6)-Gasatmosphäre eingesetzt. Durch das Erhitzendes Substrats 1, d.h. genauer von dessen Leiterschicht 3 sowieauch von dessen isolierender Schicht 2, wird einerseitsein Ätzenzunächstder Leiterschicht 3 in einer mehr oder weniger ringförmigen Zone7 um einen Kernbereich 8 herum begünstigt; in diesem Kernbereich 8,wo aufgrund des Auftreffens des Laserstrahls 4 eine stärkere Erhitzungals in der Ringzone 7 erfolgt, kommt es hingegen zu einemAbscheiden von Leitermaterial (Metall), insbesondere Wolfram, ausder reaktiven Gasatmosphäre,wobei das abgeschiedene Leitermaterial 9 eine ungefähr kegeligebzw. kegelstumpfförmigeGestalt einnimmt. Mit den Pfeilen 10 bzw. 11 sindin 1 die angeführten Prozessedes Ätzens undAbscheidens bzw. die damit verbundenen Teilchenströme schematischangedeutet.
    [0022] Mehr im Detail wird im Fall einerWF6-Leiterschicht 3 beim Ätzen einStrom 10 von Wolframpartikeln in die Gasatmosphäre 6 abgegeben,und umgekehrt wird Wolfram gemäß dem Strom 11 ausder Gasatmosphäre 6 aufdem Substrat 1 abgeschieden, vergleiche das niedergeschlageneLeitermaterial 9 in 1.Die dabei ablaufenden chemischen Prozesse können grob wie folgt beschriebenwerden: 1. Ätzen:5WF6 + W → 6WF5 2. Abscheiden: WF5 → W + 5F
    [0023] Die bei diesen Prozessen, insbesondere beimAbscheiden von Wolfram (in fester Form), erhaltenen freien (Fluor)-Radikalebegünstigenauch das Ätzender isolierenden Schicht 2 des Substrats 1, welchebeispielsweise aus amorphem Quarzglas (SiO2)besteht. Diese isolierende Schicht 2, vorzugsweise Quarzschicht,wird durch die mit Hilfe des Laserstrahls 4 (Leitermaterial 9)eingetragene Wärmeenergieebenfalls erhitzt, wobei sie in einem dem Auftreffbereich 5 benachbartenBereich 12 modifiziert wird, d.h. erweicht, gegebenenfallssogar verflüssigt undteilweise verdampft wird. Durch diese Modifizierung des Materialsder isolierenden Schicht 2 wird auch deren Ätzen entsprechendder Ringzone 7 begünstigt,wenn die Metall-Leiterschicht 3 über die gesamte Dicke hindurchgeätztworden ist (vergleiche auch die nachfolgend noch näher zu beschreibene 4).
    [0024] Die Leiterschicht 3 bestehtwie erwähntaus einem Metall, wie insbesondere Wolfram, und sie kann beispielsweiseeine Dicke in der Größenordnungvon ungefähr100 nm oder einigen wenigen 100 nm aufweisen. Bei entsprechend vergrößertem Laserstrahldurchmesserund entsprechend erhöhter Leistungkann die Dimension der Schicht bzw. der Gesamtstruktur entsprechenderhöhtwerden.
    [0025] Die reaktive Gasatmosphäre kannanstatt aus Wolframhexafluorid auch beispielsweise aus Wolframhexachlorid(WCl6) bestehen, wobei sich vergleichbarethermodynamische Charakteristika in Verbindung mit Wolfram als Leitermaterialfür dieLeiterschicht 3 ergeben, wie sie nachfolgend an Hand der 2 und 3 noch näher erläutert werden. Ganz allgemeinkönnenfür diereaktive Gasatmosphärebevorzugt Metall-Halogenide verwendet werden, wobei außer Fluorauch Chlor und Brom sehr ätzreaktiv,insbesondere auch fürQuarz als Material fürdie isolierende Schicht 2, ist.
    [0026] In 2 istschematisch in einem Diagramm einerseits der Temperaturverlauf – KurveT – imAuftreffbereich 5 des Energiestrahls, d.h. Laserstrahls 4, undandererseits der Verlauf der Materialveränderungen – Kurve 13 – veranschaulicht.Wie dabei ersichtlich ist, liegt die Temperatur T, die durch denLaserstrahl 4 im Material der Leiterschicht 3,schließlich auchder isolierenden Schicht 2 induziert wird, im Kernbereich 8 oberhalbeiner Schwellenwert-Temperatur Tth. Rundum diesen höhererhitzten Kernbereich 8 liegt die Temperatur T, die imMaterial induziert wird, unterhalb der Schwellenwert-Temperatur Tth, wobei wie erwähnt in der den Kernbereich 8 umgebendenRingzone 7 – dieselbstverständlichnicht exakt kreisringförmigsein muss, jedoch in der Regel – beikreisförmigemLaserstrahlquerschnitt – eineungefähreKreisringform aufweisen wird – ein Ätzen erfolgenkann, siehe auch den unteren Teil von 2, woausgehend vom ursprünglichen,ebenen Materialverlauf 13' eineKurve 13 fürden Materialverlauf erhalten wird, gemäß der im Kernbereich 8 eineMetall-Abscheidung 9 erhalten wird, wogegen um diesen Kernbereich8 herum durch den Ätzvorgangeine Vertiefung – inder Ringzone 7 – herbeigeführt wird.
    [0027] In 3 istzur zusätzlichenVeranschaulichung die Reaktionsrate R über der Temperatur T des Materialsveranschaulicht, wobei bei Temperaturen unterhalb der Schwellenwert-Temperatur Tth wie erwähnt ein Ätzen erfolgt (Bereich 14 imDiagramm von 3), wogegenoberhalb dieser Schwellenwert-Temperatur Tth (Bereich 15 in 3) Metall (Wolfram) ausder Gasatmosphäreauf dem Substrat 1 niedergeschlagen wird.
    [0028] Bei dem vorstehend bereits angeführten Beispielmit Wolfram als Metall fürdie Leiterschicht 3 ebenso wie für das Metall in der reaktivenGasatmosphäreund mit Wolframhexafluorid ergibt sich für die Schwellenwert-TemperaturTth ein Wert von ungefähr 2200 K (im Fall von Wolframhexachloridca. 1400 K). Die im Mate rial induzierte Temperatur im Bereich der Ringzone 7,für den Ätzvorgang,liegt beispielsweise zwischen 700 K und 1000 K, und im Kernbereich 8 liegtder Spitzenwert der Temperatur T bei ca. 2700 K.
    [0029] Wie bereits in Zusammenhang mit 1 erwähnt, wird nach dem Durchätzen derLeiterschicht 3 in der Ringzone 7, wenn der gebündelte Energie- bzw.Laserstrahl 4 weiterhin auf das Substrat 1 gerichtetwird, auch die isolierende Schicht 2 des Substrats 1 indem Bereich der Ringzone 7 geätzt, vgl. 4, und im Kernbereich 8 wirddie Reaktionstemperatur T oberhalb der Schwellenwert-TemperaturTth durch die Absorption von Energie inder Abscheidung 9 aufrecht erhalten. Das Ätzen desisolierenden, insbesondere des transparenten (Quarz) Materials der isolierendenSchicht 2 durch die Produkte der Abscheidereaktion (imangegebenen Beispiel Fluor oder Chlor) wird durch die zumindestteilweise sich ergebende Verflüssigungdes Materials der isolierenden Schicht 2 im Bereich 12 oderaber durch direktes teilweises Verdampfen dieses Isoliermaterialsunterstützt.Auf diese Weise wird je nach Zeitdauer der Aufrechterhaltung desEnergiestrahls 4 eine mehr oder weniger tiefe Vertiefung 16 erhalten,und innerhalb der Vertiefung 16 liegt der durch das Abscheiden erhalteneMetall"kern" 9 vor,der mit zunehmender Eintiefung der Vertiefung 16 absinkt.Dieser Vorgang ist auch aus 6 ersichtlich,in der nur ein Ausschnitt des Substrats 1 zusammen miteinem am Boden der hergestellten Vertiefung 16 vorliegendenMetallkern 9, der durch Abscheiden erhalten wurde, gezeigtist. Je längerder Laserstrahl 4 auf das Substrat 1 gerichtetwird, desto tiefer wird die Vertiefung 16; hierbei isteine Wirkung des kombinierten Ätzvorgangesund der hoch absorbierenden Abscheidung ähnlich einem "Bohrer" gegeben, wobei vergleichsweise kleineLöcherals Vertiefungen (je nach Strahlquerschnitt des Laserstrahls 4 miteinem Durchmesser in der Größenordnungvon 1 μmoder einigen wenigen μm;mit ultrahohem Aspektverhältnisim transparenten Isoliermaterial der Isolierschicht 2)erhalten werden.
    [0030] In 5 istdie zeichnerische Wiedergabe einer Elektronenmikroskopaufnahme einerso hergestellten Ablagerung 9 in Form eines Wolframkernsin einer Vertiefung in einem Substrat 1 ersichtlich. Konkrethandelte es sich dabei um ein Substrat mit einer isolierenden Schicht 2 ausamorphem SiO2, auf der eine un gefähr 200 nmdicke Wolframschicht als Leiterschicht 3 angebracht war.Die reaktive Gasatmosphäreumfasste Wolframhexafluorid, und die zum Erhitzen des Substratmaterialserforderliche Energie wurde mit Hilfe eines Laserstrahls, unterVerwendung eines Argonionen-Lasers mit einer Wellenlänge von514 nm und einer Leistung von 205 mW, eingebracht. Die Zeitdauerdes Laserpulses, d.h. die Bestrahlungszeit, betrug 15 bis 20 ms,und der Durchmesser der Bestrahlungsfläche war ca. 1 μm.
    [0031] In 7 isteine gegenüber 1, 4 und 6 modifizierteAusführungsformveranschaulicht, bei der ein Substrat 1 eingesetzt wird,das unterhalb der mit der Leiterschicht 3 bedeckten isolierenden Schicht 2 eineim Substrat 1 eingebettete weitere leitende Schicht 17 oberhalbeiner isolierenden Basisschicht 18 aufweist. Wiederum wurdemit Hilfe eines Energiestrahls, d.h. Laserstrahls 4 (siehe 1 und 4), im oberen Bereich des Substrats 1 eineVertiefung 16 hergestellt, in der ein Metallkern 9 alsabgeschiedenes Leitermaterial vorliegt. Im Einzelnen wurde dieseVertiefung 16 so weit in das Substrat 1 "gebohrt", bis die untereleitende Schicht 17 erreicht wurde, und der Metallkern 9 sitztnun am Boden der Vertiefung 16 auf dieser leitenden Schicht 17.Dadurch ergibt sich eine leitende Verbindung des Metallkerns 9 mitder leitenden Schicht 17, und durch Anlegen einer Spannungzwischen der leitenden Schicht 17 und der Leiterschicht 3 ander Oberseite des Substrats 1 kann ein Elektronenemissionseffekterzielt werden, welcher durch die kleine Oberfläche des Metallkerns 9,insbesondere wenn der Metallkern 9 wie gezeigt eine etwasspitze, ungefährkegelige Form hat, unterstütztwird. Diese Elektronenemission ist in 7 ganzschematisch mit einem Pfeil 19 angedeutet. Auf diese Weisekann eine Elektronenemitteranordnung erhalten werden, die für Anzeigeeinrichtungen(Displays) verwendet werden kann, wobei Arrays von mehreren Vertiefungen 16,je mit Metallkernen 9, pro Pixel (Bildpunkt) verwendetund gemeinsam elektrisch angesteuert werden.
    [0032] Aus 8 istersichtlich, dass bei Verwendung geeigneter Linsenelemente 20 unmittelbarnebeneinander, die mehrere Laserstrahlen 4 nebeneinanderauf das Substrat 1 fokussieren, gleichzeitig mehrere Vertiefungen 16 mitMetallkernen 9 darin erzeugt werden können, wobei die Vertiefungen 16 entsprechendder Darstellung von 7 biszu einer unteren leitenden Schicht 17 oberhalb einer isolierendenBasisschicht 18 reichen. Die reaktive Gasatmosphäre 6 wirddabei innerhalb einer in 8 nurganz schematisch veranschaulichten Umhausung, innerhalb einer geschlossenenKammer 21, aufrechterhalten.
    [0033] In 9 isteine entsprechende Vorrichtung 22 zur Durchführung einessolchen Verfahrens wie vorstehend beschrieben veranschaulicht, wobeidiese Vorrichtung im Prinzip jener Vorrichtung entsprechen kann,wie sie in der älteren,nicht vorveröffentlichtenAnmeldung PCT/AT/02/00354 (bzw. der dieser entsprechenden AnmeldungAT A 2019/2001) beschrieben wird, und deren Offenbarung hier durch Bezugnahmemit eingeschlossen sein soll.
    [0034] Im Einzelnen ist bei der gezeigtenVorrichtung 22 das Substrat 1 innerhalb einergeschlossenen Kammer 21 mit einer vorgegebenen reaktiven Gasatmosphäre (z.B.wie erwähntWF6) auf einem nur schematisch veranschaulichtenHalter oder Träger 23 angeordnet.Die in den erwähntenAuftreffbereichen 5 auf dem Substrat 1 auftreffendenLaserstrahlen 4 werden mit Hilfe einer Lasereinrichtung 24 erhalten,deren allgemeiner Laserstrahl 25 durch die bereits erwähnten, insbesonderekugelförmigenLinsenelemente 20 auf mehrere Laserstrahlen 4 aufgesplittetwird, welche in den genannten Auftreffbereichen 5 auf demSubstrat 1 fokussiert werden. Die von der Lasereinrichtung 24 abgegebeneStrahlung 25 kann überihren Querschnitt (Durchmesser D) eine inhomogene Intensität aufweisen,wie in 9 in einer Detailzeichnungbei 26 gezeigt ist, und um eine homogene Strahlungsintensität für die Bearbeitung derOberflächedes Substrats 1 zu erzielen, ist ein Homogenisator 27 vorgesehen,der ein an sich bekanntes Bauelement bildet, und der über Reflexionen anseiner Innenwandung zu einer homogenen Intensitätsverteilung im Strahlungsbündel 25 führt, wiein 9 in der Detailzeichnung 28 für den DurchmesserD' dargestellt ist.Selbstverständlichkann der Durchmesser D' gleichdem Strahlungsbündel-DurchmesserD sein.
    [0035] Die homogenisierte Strahlung trittdann durch ein nur schematisch gezeigtes Fenster 29 in dieKammer 21 ein und trifft dort auf einen Einzellinsenelement-Träger 30 inForm einer planparallelen, fürdie Bestrahlung durchlässigenPlatte 31 aus Glas, insbesondere Quarzglas, auf. DiesePlatte 31 ist an ihrer dem Substrat 1 zugewandtenSeite mit einer Vielzahl von Ein zellinsenelementen 20 versehen,die in einer der jeweiligen Bearbeitung des Substrats 1 angepasstenAnordnung an der Platte 31 durch natürliche Adhäsion haften. Bevorzugt wirdeine maximal dichte Anordnung von kugelförmigen oder aber in Draufsichtkreisförmigen,ellipsoidförmigenEinzellinsenelementen 20 angewendet. Diese Einzellinsenelemente 20 führen zuden gebündeltenTeilstrahlen 4, deren Fokuspunkte (Auftreffbereiche) 5 ander Oberflächedes Substrats 1 liegen.
    [0036] Um die Anordnung der Einzellinsenelemente 20 ineinem definierten Abstand vom Substrat 1 festzulegen, sindAbstandshalter 32 am Träger 30 vorgesehen, über dieder Träger 30,also die Platte 31, an der Substratoberfläche abgestützt ist.Ein solcher genau definierter Abstand ist für die Durchführung des Verfahrensin der bestimmten chemischen Atmosphäre von Vorteil, insbesonderewenn eine ultrahohe Miniaturisierung gewünscht wird. Im Idealfall istwie erwähntdie Fokustiefe gleich dem Abstand der Einzellinsenelemente 20 vomSubstrat 1, wobei bei Fortdauer des Prozesses, bei Herstellungder Vertiefungen 16, die Fokustiefe auch nachgestellt (z.B.mit Piezoelementen, s. unten) werden kann, so dass die Strahlen 4 aufStellen etwas innerhalb des Substrats 1 fokussiert werden.
    [0037] Die Abstandshalter 32 können ineinfacher Weise durch Aufdampfen von dünnen lokalen Metallschichten,aber auch durch Sputter-Deposition, oder aber mit Hilfe von Piezoelementenrealisiert werden. Im letzteren Fall kann, abgesehen von einer in 9 nicht näher veranschaulichtenMessanordnung für dieErmittlung des gegebenen Abstands, auch eine Spannungsquelle 33zum Anlegen einer Spannung UP an die Piezoelement-Abstandshalter 32,zwecks Einstellung des jeweils optimalen Abstandes, insbesondereauch zur Erzielung einer exakten Parallelität des Linsenarrays und derSubstrat-Oberfläche,angelegt werden.
    [0038] Der Träger 30 mit den Einzellinsenelementen 20 kannam ehesten mit einer speziellen Maskeneinrichtung verglichen werden,mit der die Strahlung 27 zu mehr oder weniger punktförmigen Stellenin großerAnzahl – denFokusbereichen 5 – gebündelt wird.Die Einzellinsenelemente 20 sind dabei in einer einzelnenSchicht, in einer Monolage, wie schematisch in 8 und 9 gezeigt,auf der Platte 31 angebracht, an der sie durch natürliche adhäsive Kräfte haften.Selbstverständlichsind die Einzellinsenelemente 20 für die verwendete Strahlung 25 imWesent lichen transparent, und sie bestehen wie ebenfalls bereitserwähntbeispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas. Im Fall von Kügelchenoder Ellipsoiden haben diese kleinen Körper Querschnittabmessungen,d.h. einen Durchmesser in der Größenordnungvon 100 nm (oder darunter) bis zu einigen μm. Durch die bündelndeWirkung dieser Einzellinsenelemente 20 bezüglich dereinfallenden Strahlung 25 wird ein paralleler Vielfach-Fokussiereffektmit einer praktisch beliebig hohen Zahl von Fokuspunkten 5 erzielt.Wenn das Substrat 1 mit seiner Oberfläche entsprechend nahe den Einzellinsenelementen 20 angebrachtist, kann dieser Vielfach-Fokussiereffekt zur beschriebenen Modifizierungdes Substrats 1 in Form der kombinierten Metallabscheidungund Ätzungverwendet werden. Wenn weiters das Substrat 1 auf dem Halter 23 inder Zeichenebene gemäß 9 hin und her und senkrechtzur Zeichenebene hin und her, siehe den Pfeil 34 und denKreis mit Punkt 35 in 9 linksunten, bewegt wird, können entsprechendeElektronenemitter – Arraysan den gewünschtenexakten Stellen im Substrat 1 angebracht werden. Auf dieseWeise ergibt sich der Vorteil einer Kombination von hoher parallelerDurchsatzrate mit den universellen Eigenschaften des Einzelschritt-Bearbeitungsverfahrens.
    [0039] Fürbestimmte Muster von Vertiefungen 16 und Metallablagerungen 9 kannes erwünschtsein, nicht überalle Einzellinsenelemente 20 eine Fokussierung herbeizuführen, sondernbestimmte Bereiche auszublenden bzw. abzuschalten; hierfür kann eine in 9 mit strichlierten Linienveranschaulichte Maske 36 vor der Platte 31 angeordnetwerden.
    [0040] Als Einzellinsenelemente 20 können beispielsweiseGlaskügelchenverwendet werden, wie sie im Handel in destilliertem Wasser oderin Lösungen,wie Isopropanol, erhältlichsind. Diese Kügelchenwerden mit einer Mikropipette auf die hochreine planparallele Platte 31 inTropfenform aufgebracht. Das standardmäßig erhältliche 40%ige Konzentrat von5 μm-Kügelchenerlaubt im Bereich von Aufbringungen von 0,1 bis 0,3 μl ein direktesKondensieren von breiten Monolagen in dichtester Anordnung. Modifizierungender Anordnungen könnendurch leichtes Kippen der Oberflächebeim Kondensieren des Tröpfchenserzielt werden. Die Herstellung dichtester Monolagen über große Bereichewurde bereits im Speziellen fürdie Beschichtung von Substraten untersucht, vgl. z.B. F. Burmeisteret al., "Colloidmonolayer lithography. A flexible approach for monostructuring ofsurfaces", Appl.Surface Science 144-145 (1999) 461-466. Etwaige Lösungsmittelrestesind ebenfalls hochtransparent und stören nicht den Durchtritt derStrahlung durch die Anordnung.
    [0041] Strukturierungsabstände können durch Ändern derKügelchendurchmesservariiert werden. Lose Anordnungen (Einzel-, Doppel- und Dreifachstrukturen)werden durch Aufspinnen der Lösungerreicht.
    [0042] Die Haftung der Kügelchen kann durch äußere Kräfte, z.B.durch Anlegen einer (Gleich-)Spannung U zwischen der Platte 31 unddem Substrat 1, verstärktwerden. Hierzu ist in 9 eineSpannungsquelle 37 dargestellt.
    [0043] Die Fokussierwirkung kann bei Kügelchendurchmessernvon kleiner 5 μmim Bereich der verwendeten Strahlungswellenlängen liegen und damit sehrhoch sein. FürKügelchendurchmesserkleiner als ca. 1 μmwürde dieFokusebene an eine Stelle innerhalb des Kügelchens rücken. Hier kann eine plastischeVerformung zu linsenähnlichen,dünneren Strukturen,wie sie sich mitunter überlängereZeiten von selbst ergibt, oder die Verwendung kleinerer Kügelchendie Fokusebene wieder nach außenlegen.
    [0044] Der Abstand zum Substrat 1 mussder Anwendung entsprechend eingestellt werden. Die Distanz des Fokusbeträgtunter Umständennur einen Bruchteil des Kugeldurchmessers; bei 5 μm-Kugeln kann die Distanzz.B. ca. 1 μmbetragen.
    [0045] In 9 istdie Anordnung des Substrats 1 in der geschlossenen Kammer 21 gezeigt,die das transparente Eintrittsfenster 29 für die Strahlung 25, insbesondereLaser-Strahlung, aufweist, welche entsprechend großflächig, wieauch in 1 gezeigt, aufder Platte 31 auftrifft, um sodann mit Hilfe der Einzellinsenelemente 20 indie gebündeltenTeilstrahlen 4, zu den Einzel-Fokuspunkten 5,unterteilt zu werden. Dabei ist die reaktive Gasphase wiederum ganz schematischbei 6 angedeutet. Zur Herbeiführung der entsprechenden Gasatmosphäre in derKammer 21 sind ein Evakuierungs-Auslass 38 undein Gaseinlass 39 an der Kammer 21 vorgesehen,wobei der Auslass 38 mit einer nicht näher gezeigten Vakuumpumpe undder Einlass 39 mit einer ebenfalls nicht näher gezeigtenGasquelle – selbstverständlich jeweils über einVentil oder dergleichen – verbunden ist.Die Gasversorgung kann durch optional angepasste Bohrungen in derMatrix 30/31 oder im Substrat 1 optimiert werden.
    [0046] In 10 istschließlich,wie bereits erwähnt, schematischein Array 40 von an einem Substrat 1 hergestelltenVertiefungen mit Metallablagerungen 9 hergestellt, wobeidas gesamte Array 40 einem Bildpunkt oder Pixel in einer Display-Anordnungentsprechen kann. Zufolge der besonders kleinen Abmessungen derMetallkerne 9 (im Bereich von beispielsweise 1 μm) und derentsprechenden Anzahl von solchen Metallkernen 9 pro Array 40 istdie exakte Anordnung der Metallkerne 9 in einem regelmäßigen Musterim Array 40 nicht wirklich von Bedeutung, da das gesamteArray 40 von Metallkernen 9 wie erwähnt einenBildpunkt definiert.
    [0047] Um die Leistung des Laserstrahls 25 (bzw. 4) jenach Anwendungsfall einstellen zu können, ist eine in 9 nur schematisch gezeigte,an sich herkömmlicheLeistungs-Einstelleinrichtung 41 vorgesehen. Eine Fokussier(einstell-)einrichtung 42 wird – abgesehenvon den Linsenelementen 20 – durch die Vorspannungseinrichtung 33 unddie Piezoelemente 32 erhalten.
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Verfahren zum lokalen Ätzen eines Substrats, das zumindesteine obere, insbesondere metallische Leiterschicht und eine darunterbefindliche isolierende Schicht aufweist, in einer reaktiven Gasatmosphäre, beiwelchem Verfahren gleichzeitig beim Ätzen bei einer unterhalb einerSchwellenwert-Temperatur, z.B. ca. 2200 K, liegenden TemperaturLeitermaterial aus der Leiterschicht in die Gasatmosphäre überführt und ausder Gasatmosphärebei einer Temperatur oberhalb der Schwellenwert-Temperatur ein demLeitermaterial der Leiterschicht entsprechendes Leitermaterial örtlich im Ätzbereichauf dem Substrat abgeschieden wird, wobei ein Energiestrahl, insbesondereLaserstrahl, zur Zuführungvon Wärmeenergiefür dasgleichzeitige Ätzenund Abscheiden auf das Substrat gerichtet wird, dessen Leistungso bemessen wird, dass die Temperatur des Substrats in einem innerenKernbereich fürden Abscheidevorgang oberhalb der Schwellenwert-Temperatur liegt, wogegen in einer diesenKernbereich umgebenden Ringzone die Temperatur des Substrats für den Ätzvorgangunterhalb der Schwellenwert-Temperatur liegt, dadurch gekennzeichnet,dass beim Ätzennach dem ringförmigenWegätzender Leiterschicht auch die isolierende Schicht unter Erhitzen geätzt wird,und dass durch das Ätzender isolierenden Schicht eine Vertiefung in der isolierenden Schichtgebildet wird, auf deren Boden das abgeschiedene Leitermaterialgehalten wird, und deren Tiefe durch die Dauer der Zuführung des Laserstrahlsfestgelegt wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass als Substrat ein solches mit zumindest zwei weiteren Schichtenunter der isolierenden Schicht, nämlich einer unteren leitendenSchicht und einer isolierenden Basisschicht, verwendet wird, und dieVertiefung bis zur unteren leitenden Schicht gebildet wird, aufder das abgeschiedene Leitermaterial abgesetzt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das Material der isolierenden Schicht beim Erhitzen zumindesterweicht, vorzugsweise verflüssigt,wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet,dass ein Substrat mit einer Leiterschicht aus Wolfram, wie an sichbekannt, verwendet wird sowie als reaktive Gasatmosphäre in an sichbekannter Weise eine WF6-Atmosphäre eingesetztwird, und dass mit dem Laserstrahl im inneren Kernbereich eine Temperaturvon ca. 2700 K und in der Ringzone eine Temperatur von 700 K bis1000 K herbeigeführtwird.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass als reaktive Gasatmosphäreeine WCl6-Gasatmosphäre verwendet wird.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass ein Substrat mit einer transparenten isolierenden Schicht,insbesondere aus Quarz, wie an sich bekannt, verwendet wird.
    [7] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einemder Ansprüche1 bis 6, mit einer geschlossenen Kammer (21) mit zumindesteinem Anschluss (38, 39) zum Herbeiführen einervorgegebenen Gasatmosphärezu der Kammer (21), mit einem Substrat-Träger(23) und mit einer Lasereinrichtung (24) zum Richteneines Laserstrahls, vorzugsweise durch ein Fenster (29)der Kammer (21), auf das Substrat (1), dadurchgekennzeichnet, dass der Lasereinrichtung (24) eine Leistungs-Einstelleinrichtung(41) zugeordnet ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    ATA3362003A|2004-04-15|
    AT412205B|2004-11-25|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-12-14| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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