DE2944576C2 - Verfahren zur Herstellung einer Lochblende - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer LochblendeInfo
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Description
25
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lochblende nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtungen, insbesondere solche mit variabler Einstellung der Querschnittsabmessungen
der Elektronenstrahlen, benötigen eine Lochblende mit hoher Maßgenauigkeit. Eine solche
Blende wurde bisher durch Ätzen, z. B. eines Molybdänplättchens zur Ausbildung einer Bohrung in diesem
hergestellt. Die Maßgenauigkeit einer auf diese Weise geformten Bohrung ist allerdings sehr gering, und sie
kann einer Maßabweichung einer Größe entsprechend der Dicke des Plättchens oder Bleches unterworfen sein, ίο
Im JA-Gbm 1977/130 679 ist ein Verfahren zur
Herstellung einer Lochblende durch anisotropes Ätzen eines Siliziumeinkristall-Plättchens oder Substrates
beschrieben. Die nach dieser Veröffentlichung hergestellte Lochblende ist jedoch mit verschiedenen
Mängeln behaftet. Insbesondere ist das Material auf einen Einkristall beschränkt, und die Form der
Blendenöffnung wird durch die Kristallstruktur und das anisotrope Ätzen bestimmt. Außerdem treten dabei
Maßfehler entsprechend Toleranzen in der Größenordnung der Dicke des Einkristall-Substrates auf.
Aus der DE-OS 25 07 102 ist eine Matrize zum Herstellen von Mehrfachkopien bekannt, die aus einem
Metall, nämlich Nickel oder Kupfer bestehen kann. Diese Matrize wird in der folgenden Weise hergestellt:
Auf eine Siliziumschicht wird eine Siliziumdioxydschicht aufgetragen, die mittels einer Fotoresistschicht
durch Ätzen strukturiert wird, so daß bestimmte Bereiche der Siliziumciioxydschicht zurückbleiben, die
voneinander durch öffnungen getrennt sind, die bis zur
Siliziumschicht reichen. Das Ätzen kommt dabei an der Oberfläche der Siliziumschicht zum Stehen.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer
Lochblende der angegebenen Art, mit dem ohne &5
weiteres die gewünschte Blendenöffnungsform mit Wahlmöglichkeit unter verschiedenen Werkstoffen und
mit hoher Genauigkeit realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß
durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst
Das einkristalline Silizium ist in bestimmter Weise ausgerichtet, so daß ein anisotropes Ätzen mit einem
Ätzmittel möglich wird, wodurch besonders genau festgelegte öffnungen in der Blendenschicht ausgeführt
werden können. Dies beruht auch darauf, daß ein hochschmelzendes Metall für diese Blendenschicht
verwendet wird. Ein weiterer Vorteil dieses hochschmelzenden Metalles liegt darin, daß die daraus
hergestellte Blendenschicht thermisch stabil ist, wenn sie mit einem Elektronenstrahl hoher Energie abgetastet
wird. Nicht zuletzt verhindert auch ein Metall mit gi'oßem Atomgewicht, daß ein Elektronenstrahl durch
das Metall verlaufen kann.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es
zeigen
F i g. IA bis ID schematische Schnittdarstellungen zu
einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Lochblende,
Fig. 2A und 2B schematische Schnittdarstellungen
eines anderen Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der Erfindung,
F i g. 3A bis 3C schematische Schnittdarstellungen noch e;nes anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig.4A bis 4D schematische Schnittdarstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
F i g. 5 eine schematische Schnittdarstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Gemäß Fig. IA wird zunächst ein Siliziumeinkristall-Plättchen
bzw. eine -Scheibe 1, dessen bzw. deren Hauptfläche durch die Index-f 100]-Fläche gebildet wird,
vorgesehen, und das gesamte Plättchen 1 wird nach dem an sich bekannten thermischen Oxydationsverfahren
beidseitig mit Siliziumdioxid-Schichten 2 überzogen. Sodann wird auf der Siliziumdioxid-Schicht 2 auf der
Hauptfläche des Plättchens 1 ein Widerstandsmaterialbzw. Photoresistmuster 3 einer vorbestimmten Form
und Größe vorgesehen (Fig. IA), das bei diesem Ausführungsbeispiel etwa durch Elektronenstrahlbe-Iichtung
in genauer Quadratform mit einer Kantenlänge von etwa 100 μίτι ausgebildet wird. Danach wird die
oberseitige Siliziumdioxid-Schicht 2 unter Benutzung des Resistmusters 3 als Maske selektiv weggeätzt,
worauf das Plättchen 1 unter Benutzung des zurückbleibenden Teils der Siliziumdioxid-Schicht 2 als Maske
gemäß Fig. IB einem anisotropen Ätzvorgang unterworfen
wird, der z. B. in einer wäßrigen Lösung (von 6O0C) aus Kaliumhydroxid und Isopropylalkohol durchgeführt
werden kann. Durch dieses anisotrope Ätzen wird ein rechteckiger Vorsprung mit rechteckig-trapezoidem
Querschnitt, dessen Seitenflächen durch die Index-[111]-Fläche gebildet werden, mit hoher Maßgenauigkeit
geformt. Sodann wird gemäß Fig. IC durch Galvanisieren eine Blendenschicht 5 aus einem elektrisch
gut leitenden Werkstoff, wie Au, Ag oder Cu, auf der Oberseite des Plättchens 1 vorgesehen, worauf der
verbliebene Teil der Siliziumdioxid-Schicht 2 mittels einer Ammoniumfluoridlösung abgetragen und sodann
das Plättchen 1 durch Plasmaätzen oder in alkalischer Lösung entfernt wird, so daß eine Lochblende gemäß
Fig. ID erhalten wird. Wenn im Arbeitsgang gemäß
Fig. IC die Blendenschicht 5 dick ausgebildet wird,
entsteht ein vorstehender Abschnitt 6 um die Öffnung herum, welcher die hergestellte Blende jedoch in keiner
Weise beeinträchtigt- Erforderlichenfalls kann dieser Abschnitt 6 jedoch z. B. weggeschliffen werden.
Die auf die beschriebene Weise hergestellte Lochblende
besitzt eine Öffnung mit dem Maß A, welches dem durch das anisotrope Ätzen bestimmten Querschnittsmaß
entspricht, so daß die Öffnung eine sehr hohe Maßgenauigkeit aufweisen kann. Im Gegensatz
zum bisherigen Verfahren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Umkehrung der Bestimmung der
Maskenöffnungsdimension anhand des Blendenöffnungsmaßes und des Materials erforderlich, so daß
kaum ein nennenswerter Fehler eingeführt wird, Außerdem treten keine auf Änderungen der Dicke des
Blendenmaterials beruhenden Maßfehler oder -abweichungen auf. Weiterhin wird die Fertigung vereinfacht,
weil nur die Querschnittsmaße des Vorsprungabschnitts 4, speziell die Maskenmaße der Siliziumdioxid-Schicht 2,
mit hoher Genauigkeit bestimmt zu wenlen brauchen. Schließlich kann das Lochbiendenmaterial in Abhängigkeit
vom vorgesehenen Verwendungszweck gewählt werden.
Nachstehend ist anhand der F i g. 2A und 2B ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben.
Wie im Fall von Fig. IA werden Siliziumdioxid-Schichten
2 auf beiden Seiten einer [100]-Fläche eines Einkristall-Plättchens 1 geformt. Sodann wird eine
Siliziumnitrid-Schicht 7 als eine das Anätzen verhindernde Maske auf der oberen Schicht 2 vorgesehen, und
auf der Schicht 7 wird wiederum ein Photoresistmuster 5 mit vorbestimmten Abmessungen ausgebildet (vgl.
F i g. 2A). Hierauf wird die Siliziumnitrid-Schicht 7 unter Benutzung des Resistmusters 5 als Maske durch
Plasmaätzen selektiv abgetragen, wobei der unter dem Resistmuster 5 befindliche Abschnitt unverändert
erhalten bleibt. Danach wird unter Benutzung des verbliebenen Teils der Siliziumnitrid-Schicht 7 als
Maske die Siliziumdioxid-Schicht 2 selektiv weggeätzt. Dieses Ätzen kann ohne weiteres mittels einer wäßrigen
Ammoniumfluoridlösung erfolgen. Sodann wird nach einer. Bestätigung, daß die Schicht 2, mit Ausnahme des
unter der Siliziumnitrid-Schicht 7 befindlichen Teils, vollständig entfernt worden ist, weitergeätzt. Die Dauer
dieses Ätzvorgangs beträgt vorzugsweise 10 min bis zu einem Mehrfachen davon, wenn durch thermische
Oxydation erzeugtes Siliziumdioxid mittels e«ner wäßrigen Ammoniumiluoridlösung bei 250C geätzt wird, und
einige min bis zu 10 min, wenn nach dem chemischen Aufdampf- bzw. CVD-Verfahren geformtes Siliziumdioxid
geätzt wird. Sodann wird das Silizium-Plättchen 1 einem anisotropen Ätzen zur Bildung eines Vorsprungs
4 mit vorbestimmter Form unterworfen. In diesem Fall kann die auf dem Vorsprung 4 zurückbleibende
Siliziumnitrid-Schicht 7 Abmessungen besitzen, die um einige hundert nm bis zu einigen μιη größer sind als die
Abmessungen der Oberseile des Vorsprungs 4. Dieser Maßunterschied kann jedoch auf einige hundertstel μιη
begrenzt werden. Anschließend wird die Oberseite des Plättchens 1 mit den auf diesem vorgesehenen
Schichten 2 und 7 durch Ionenplattieren bzw. -galvanisieren, chemisches Aufdampfen, Vakuumaufdampfen
oder Aufsprühen mit einem Metall hohen Schmelzpunkts, wie Mo, W, Ta und Ti, oder einem Metall wie Au
und Ag beschichtet, so daß gemäß Fig.2B eine Blendenschicht 9 hergestellt wird.
Hierauf kann erforderlichenfalls zur Ausbildung eines
Musters mit hohem Genauigkeitsgrad Metall aufgalvanisiert werden. Wenn dann das Plättchen 1 durch Ätzen
entfernt wird, werden die Siliziumdioxid-Schicht 2, die Siliziumnitrid-Schicht 7 und der darauf befindliche Teil
der Metallschicht 9 gleichzeitig abgelöst, so daß eine nui
aus der Blendenschicht 9 bestehende Lochblende erhalten wird.
In den Fig.3A bis 3C ist noch ein anderes Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Auf einem Saphir-Substrat 11 wird durch epitaxiales Aufwachsen eine Siliziumschicht 12 geformt, und auf
dieser wird durch thermische Oxydation oder durch chemisches Aufdampfen eine Siliziumdioxid-Schicht 13
ausgebildet, so daß gemäß F i g. 3A ein Plättchen mit »SOS«- bzw. Silizium-auf-Saphir-Konstruktion erhalten
wird. Die Siliziumdioxid-Schicht 13 wird nach dem üblichen Photoätzverfahren in eine vorbestimmte Form
gebracht, worauf die Siliziumschicht 12 gemäß F i g. 3B unter Benutzung der entsprechend geformten Siliziumdioxid-Schicht
13 als Maske einem anisotropen Ätzen unterworfen wird. Wenn die Siliziumschicht 12 entsprechend
stark geätzt bzw. »überätzt« wird, bleibt gemäß Fig.3B die Schicht 12 in Form einer Insel mit nach
unten abgeschrägten Seiten als Vorsprung 12 stehen. Die auf diesem Inselbereich befindliche Siliziumdioxid-Schicht
13 besitzt größere Abmessungen als die Oberseite der Insel 12, d.h. die Schicht 13 ragt in
waagerechter Richtung über den Inselbereich hinaus. Das Saphir-Substrat 11 wird durch Aufdampfen oder
Aufsprühen mit einem Metall 14 als Blendenwerkstoff überzogen, wodurch gemäß F i g. 3C eine Blendenöffnung
festgelegt wird. Hierauf wird die Blendenschicht auf nicht dargestellte Weise mit dem gleichen oder
einem anderen Metall plattiert bzw. galvanisiert, und die verbliebene Siliziumschicht 12 wird weggeätzt, wobei
die Siliziumdioxid-Schicht 13 auf der Schicht 12 sowie der darüber befindliche Teil der Blendenschicht 14
gleichzeitig entfernt werden. Im Anschluß hieran wird das Saphir-Substrat 11 durch Phosphorsäure o. dgl.
entfernt, so daß eine Metall-Lochblende erhalten wird. Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den F i g. 4A bis 4D veranschaulicht.
Dabei wird auf die in Verbindung mit Fig. IB beschriebene Weise ein Vorsprung 4 mit der gewünschten
Form der Oberseite auf einem Siliziumeinkristall-Substrat oder -Plättchen 1 geformt. Danach werden die
Oberseite des Vorsprungs 4 und die Unterseile des Substrates 1 jeweils mit einer Siliziumdioxid-Schicht 2
überzogen, während auf der Oberseite des Substrats 1 durch z. B. Galvanisieren selektiv eine Metallschicht 16
geformt wird (vgl. F i g. 4A). Anschließend wird gemäß Fig.4B auf dem Substrat 1 unter Einschluß der
Siliziumdioxid-Schicht 2 und der Metallsrhicht 16 eine Blendenschicht 17 ausgebildet, die je nach dem
verwendeten Grundmaterial aus polykristallinem Si, SiN4, BP, BN, U, Au oder W durch chemisches
Aufdampfen, Ionenplattieren oder -galvanisieren, lonenaufsprühen o. dgl. hergestellt werden kann. Die
Herstellung der Blendenschicht kann auch nach Abtragung der Siiiziumdioxki-Schicht 2 erfolgen.
Nachdem die Siliziumdioxid-Schicht 2 und das Silizium-Substrat 1 auf die in Fig.4C gezeigte Weise entfernt
worden sind, wird die Blendenschicht 16 von der Seite der Metallschicht 16 her und unter Heranziehung der
letzteren als Maske selektiv geätzt. Durch Wegätzen der Metallschicht 16 wird eine Lochblende mit der
gewünschten Form und den vorgesehenen Abmessun-
gen entsprechend dem Vorsprung 4 erhalten (vgl. F i g. 4D). Wenn für das Ätzen der Blendenschicht 17
von der Rückseite her ein Verfahren angewandt wird, bei dem die Schicht 17 auch von anderen Seiten als von
der Rückseite her geätzt wird, muß vorher eine ätzfeste Schicht auf der Oberseite der Blendenschicht 17
vorgesehen werden.
Die beschriebenen Verfahren eignen sich sämtlich für
die Herstellung einer Lochblende mit rechteckiger Blendenöffnung. Dabei werden die jeweiligen Vor- ι ο
Sprünge mit rechteckigem Querschnitt jeweils mit Hilfe von Masken einer diesen Vorsprüngen entsprechenden
Form ausgebildet. Zur Verbesserung der Rechtwinkligkeit des Vorsprungquerschnitts werden vorzugsweise
im wesentlichen quadratisch vorspringende Bereiche an den vier Ecken der Maske vorgesehen, um den geringen
Unterschied zwischen der Ätzgröße an den Ecken und an den Seiten auszugleichen.
F i g. 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Lochblende mit kreisförmiger öffnung.
Auf beiden Flächen eines Substrats 21 aus Siliziumeinkristall werden Schichten 22 aus Siliziumdioxid oder
Siliziumnitrid als ätzfeste Masken geformt. Danach wird die obere Schicht 22 auf beschriebene Weise durch
selektives Ätzen derart abgetragen, daß ein kreisförmiger Bereich mit einem Radius R stehenbleibt und der
außerhalb des verbliebenen Teils der Schicht 22 befindliche Bereich des Substrats 21 freigelegt ist.
Sodann wird der freigelegte Bereich des Substrats 21 unter Heranziehung des kreisförmigen Bereichs 22 als
Maske mit einer alkalischen Esterlösung geätzt. Dabei entsteht ein säulenartig vorspringender Teil 23 mit einer
Höhe d und einem Radius R — d Geätzt wird nach einem isotropen Ätzverfahren, das in üblicher Weise mit
einer Toleranz in der Größenordnung von einigen Zehntel nm genau gesteuert werden kann. Wie bei den
vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Substrat 21 anschließend mit Metall überzogen, so daß
eine Lochblende entsteht, deren Öffnung denselben Durchmesser besitzt wie der vorspringende Teil 23. Da
letzterer eine sanft bzw. gleichmäßig gekrümmte Umfangsfläche besitzt, die sich allmählich nach unten
erweitert, verengt sich die Öffnung der hergestellten Lochblende über deren Dicke hinweg gleichmäßig. Eine
solche Lochblende ist daher auch vorteilhaft als Düse für Strömungsmittel verwendbar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Abmessungen der öffnung einer Lochblende also mit
hoher Genauigkeit steuern. Außerdem können die Werkstoffe für die Lochblende je nach dem jeweiligen
Verwendungszweck gewählt werden, wobei auch die Fertigung vergleichsweise einfach ist. Zudem sind auch
keine speziellen Arbeitsgänge für eine Steuerung der Abmessungen erforderlich. Es läßt sich somit in äußerst
vorteilhafter Weise eine Lochblende mit hoher Maßgenauigkeii einfach und mit niedrigen Kosten aus einem
für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten Werkstoff und ohne Einschränkung bezüglich der Form
bzw. des Profils der Blendenöffnung herstellen.
Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise
können als Substrat andere geeignete Werkstoffe als Silizium verwendet werden, etwa ein
mehrlagiges Substrat aus einer Kombination von Siliziumeinkristall mit einem Ionenkristall oder einem
anderen geeigneten Werkstoff. Das Anwendungsgebiet der Lochblende umfaßt Strömungsmitteldüsen für
Tintenstrahlschreiber, optische Lochblenden für Lasersysteme sowie Lochblenden für Korpuskularstrahlvorrichtungen.
Dabei lassen sich Dicke und andere Einzelheiten der Lochblende ohne weiteres nach
Belieben und Bedarf steuern.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung einer Lochblende aus elektrisch gut leitendem Metall, bei dem zur
Maskenbildung auf der Oberfläche eines einkristallinen Sifiziumsubstrates (1) ganzflächig eine SiCh-Schicht
(2) und darauf ein Fotolackmuster (3) aufgebracht, anschließend selektiv geätzt, in den
dabei entstandenen Vertiefungen Metall abgeschieden und vom Substrat abgetrennt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß beim selektiven Ätzen außer der SiO2-Schicht (2) auch die die Oberfläche
bildende [100]-Fläche des einkristallinen Substrates (1), und zwar anisotrop geätzt und für die
Blendenschicht (5) ein hochschmelzendes Metall verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Maskierung auf der SiO2-Schic!it
(2) noch eine Siliziumnitridschicht (7) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das hochschmelzende
Metall Mo oder W oder Ta oder Ti verwendet wird.
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