DE69503693T2

DE69503693T2 - Verfahren zur Bearbeitung von oxidischen Materialien mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE69503693T2
Application number: DE69503693T
Authority: DE
Inventors: Frank Dk-2100 Copenhagen O Christensen; Matthias Dk-2800 Lyngby Muellenborn
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Spectrum Control Inc
Priority date: 1994-05-03
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2015-05-04
Also published as: DK121994A; EP0680804A1; ATE168913T1; DE69503693D1; EP0680804B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Körpern aus oxidischen Materialien mittels eines von dem Material absorbierten Dauerstrichlaserstrahls.
Das Verfahren soll zur Schaffung von scharf umrissenen, dreidimensionalen Gebilden in oxidischen Materialien dienen. Zu den zu bearbeitenden Materialien zählt LiNbO&sub3;. Handelsübliches LiNbO&sub3; ist piezoelektrisch bei komplexer Kristallstruktur, da unter anderem das Verhältnis zwischen Li und Nb meistens von dem stöchiometrischen Verhältnis von 1 : 1 abweicht. Das Material ist ein Isolator mit einem Bandabstand von etwa 3,7 eV bei 300ºK. Die Bandstruktur ist in Einzelheiten aber nicht bekannt. Für das Material kommen verschiedene Anwendungszwecke in Frage, da eine Nutzung nicht nur der optischen, sondern auch der piezoelektrischen Eigenschaften möglich ist. Da es sich bisher als äußerst schwierig erwiesen hat, dieses Material zu bearbeiten (d. h. das Material selektiv von einem scharf umrissenen Bereich einer Substratoberfläche zu entfernen), könnten neue Verfahren mit erheblich höheren Abtragungsraten von großer Bedeutung sein.
Tabelle 1 zeigt die Abtragungsraten bei einigen der bekannten Bearbeitungstechniken. Tabelle 1
Die Abtragungsraten bei diesen Techniken liegen offenbar unter 50 Å/sec. Die Bearbeitung des Materials mit einer dieser Techniken ist daher sehr zeitraubend. Die vorstehend angeführten Techniken können jedoch zur Parallelbearbeitung, nämlich der gleichzeitigen Bearbeitung eines ganzen Wafers eingesetzt werden.
Ferner sind auf der Anwendung von UV-Laserlicht, Laserabtragung sowie laserinduziertem Ätzen beruhende Bearbeitungstechniken bekannt.
In Tabelle 2 sind mit diesen Techniken bisher erzielte Ergebnisse angegeben. Tabelle 2
Offensichtlich ist die Ätzrate beim Dauerstrichlaser um viele Größenordnungen geringer als bei den Impulslasern. Das liegt daran, daß die Impulslaser einen erheblich größeren Bereich freilegen, woraus sich jedoch eine erheblich schlechtere Auflösung ergibt. Die Kombination einer hohen Ätzrate und einer hohen Auflösung ist daher unter Verwendung der in Tabelle 2 angegebenen Techniken nicht möglich. Bei allen drei in Tabelle 2 angegebenen Techniken ist es schwierig, die erforderliche Gesamtleistung/Energie für den Dauerstrichlaser bzw. den Impulslaser zu erzielen. Diese Schwierigkeit läßt sich damit erklären, daß nach allgemein vertretener Ansicht der Einsatz von Lasern mit einer Photonenenergie, die höher liegt als der Bandabstand von LiNbO&sub3;, erforderlich ist, um hinreichend hohe Absorption zu erzielen. Hohe Leistungen bei niedrigen Wellenlängen (unter 330 nm) zu erzielen, wo überdies die Optik immer größere Probleme aufwirft, ist jedoch sehr schwierig. Die höchste erzielbare Laserleistung eines Dauerstrichlasers mit einer Photonenenergie, die größer ist als der Bandabstand, erzielt man mit einem frequenzverdoppelten Ar-Ionenlaser (257 nm), der eine Ausgangsleistung von etwa 300 mW liefert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbeitung von Körpern aus oxidischen Materialien mittels eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, mit dem genaueres Ätzen und eine höhere Ätzrate als bisher bekannt möglich ist.
Ein Verfahren des vorstehenden Typs ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Laserstrahl eine solche Wellenlänge aufweist, daß die entsprechende Quantenenergie geringer ist als der Bandabstand des Materials, wobei eine vorgegebene Anfangsausgangsleistung zum Ingangbringen der Bearbeitung und dann eine Mindest- Daueringanghalteleistung je Flächeneinheit erforderlich ist. Von vornherein könnte man annehmen, daß keine Absorption auftritt. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß unterschiedliche Energieniveaus in der Energielücke genutzt werden können. Diese Energieniveaus gehen anscheinend auf mehrere Arten von Strukturfehlern und Störstellen im Kristall zurück. Diese Fehler und Störstellen führen jeweils zu unterschiedlichen Energieniveaus in der Energielücke des Materials, von denen manche eine Absorption von Photonen ermöglichen, deren Energie geringer ist als der Bandabstand. Nach Anregung durch die Photonen unterliegen die Elektronen rascher Relaxation, wobei sie Energie an das Kristallgitter liefern. Dadurch wird der Kristall erwärmt. Ist der Absorptionskoeffizient temperaturempfindlich, so kann der Bandabstand geringer werden als die Photonenenergie. Daraufhin werden die Photonen ohne Schwierigkeiten absorbiert, und eine Abtragung oder ein Ätzprozeß kann dann gezielt in Gang gesetzt werden. Überdies kann infolge der niedrigeren Photonenenergie ein Laser mit höherer Leistung zum Einsatz kommen.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 3 718 323 ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von oxidischen Materialien mittels eines Laserstrahls bekannt. Laut dieser Veröffentlichung hat die Quantenenergie über einem vorgegebenen Wert zu liegen. Angegeben wird ein Schwellwert von 3 eV, entsprechend dem Bandabstand von Bariumtitanat, das eines der in der Veröffentlichung erwähnten Materialien darstellt.
Nachstehend sei die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen noch ausführlicher erläutert. Dabei
veranschaulicht Abb. 1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Körpern aus oxidischen Materialien mittels eines Laserstrahlen, und
veranschaulichen Abb. 2-6 die Ergebnisse der Bearbeitung.
Erfindungsgemäß erfolgt die Bearbeitung eines Körpers aus einem oxidischen Material, beispielsweise als piezoelektrisches Material vorliegend, mittels UV-Laserlichts mit einer Photonenenergie, die geringer ist als der Bandabstand des Materials, womit der Einsatz eines gewöhnlichen handelsüblichen Ar-Ionenlasers oder eines Kr-Ionenlasers möglich ist. Dadurch können die bei diesen Wellenlängen verfügbaren, wesentlich höheren Dauerstrichlaserleistungen (> 1 W) genutzt werden. Überdies läßt sich hohe Genauigkeit mit einer beträchtlich höheren Rastergeschwindigkeit als die bisher bekannte verknüpfen. Alles in allem erhält man wesentlich höhere Abtragungsraten als früher, da sich mittels der Erfindung die Abtragungsgeschwindigkeiten von über 100.000 um³/sec zusammen mit passabler Auflösung erzielen lassen. Es ist eine gezielte Bearbeitung des Materials mit Hilfe von Laserlicht von 351, aber auch 364 nm möglich. Zur Inganghaltung des Prozesses ist eine Mindestausgangsleistung je Flächeneinheit von etwa 150 kW/cm² erforderlich. Bei 488 nm läßt sich der Prozeß jedoch infolge der hohen zur Inganghaltung des Prozesses nach Ingangbringen desselben erforderlichen Laserleistungen nicht steuern.
Als Material kann beispielsweise LiNbO&sub3; eingesetzt werden, das einem sich von 1 unterscheidenden Li: Nb-Verhältnis entspricht. Der Kristall weist vermutlich mehrere Arten von Strukturfehlern auf. Diese Fehler führen jeweils zu unterschiedlichen Energieniveaus in der Energielücke des Materials, von denen manche eine Absorption von Photonen ermöglichen, deren Energie geringer ist als der Bandabstand. Die Photonenabsorption und der darauffolgende Relaxationsprozeß geben Energie und Impuls an das Kristallgitter ab. Infolgedessen wird der Kristall erwärmt; sein Absorptionskoeffizient hängt von der Temperatur ab. Dadurch kann der Energieabstand geringer werden als die eingesetzte Photonenenergie. Danach werden die Photonen ohne Schwierigkeiten absorbiert, worauf ein Abtragungs- oder Ätzprozeß in Gang gebracht und der Prozeß auf gezielte Weise durchgeführt werden kann.
Wird dem Laserprozeß ein Lithiumniobatsubstrat unterzogen, so kommt es zu Wiederablagerungen auf der Substratoberfläche um den vom Laser freigelegten Bereich herum. Das wiederabgelagerte Material ist von dem freigelegten Bereich weg abgetragen oder verdampft worden. Veranschaulicht wird dies in Abb. 2, die eine REM-Aufnahme einer Probe nach dem Laserabtragungsprozeß zeigt. Das wiederabgelagerte Material läßt sich leicht mit Ethanol entfernen, wie aus Abb. 3 ersichtlich. Abb. 4 zeigt, daß noch eine größere Materialzone vorhanden ist, wobei dieses Material eine andere Struktur aufweist, vermutlich eine amorphe, als das unbehandelte Substrat. Wird die Probe dann mit einer gegebenenfalls erwärmten, starken Säure (etwa HF) oder einer Base (etwa KOH oder NaOH) behandelt, gegebenenfalls kombiniert mit Ultraschall, so kann diese Zone vollständig entfernt werden, worauf das reine Substrat Rest ist. Das geht aus den Abb. 4 bis 6 hervor, denen auch zu entnehmen ist, daß sich mittels dieses Prozesses Abtragungsraten von über 10 · 16&sup6;um³/sec. erzielen lassen. Bei dieser Berechnung wurde die Nachbearbeitungszeit nicht berücksichtigt, teils weil diese noch keineswegs optimiert ist, und teils weil diese eine Parallelbearbeitung ermöglicht.
Ein Vergleich mit dem Ergebnis der typischen Abtragungsgeschwindigkeit von etwa 100 Å/min. bei den Techniken der Tabelle 1, es zeigt sich, daß folgendes für einen 4"-Wafer gilt, wenn eine 7 um dicke Schicht von der Oberfläche abgetragen werden soll (ein 4"-Wafer hat eine Nutzfläche von etwa 70 cm²): Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt, daß mit abnehmender bearbeiteter Fläche das Laserverfahren im Vergleich mit einem üblichen Verfahren umso schneller ist.
Laserunterstütztes Ätzen kann vermutlich mit einer Reihe von verschiedenen Gasen wie Chlor und Fluor, mit höchster Aggressivität, Fluiden HF, KOH usw. und Feststoff wie etwa KF erfolgen.
Da der Bandabstand von LinbO&sub3; stark temperaturempfindlich ist, können die erforderlichen freien Elektronen durch Belichtung des Materials mit einer schwachen UV-Lichtquelle einer Photonenenergie, die höher ist als der Bandabstand, erzeugt werden oder einfach durch Erwärmung des Materials mittels einer Heizplatte und nachfolgender Bearbeitung desselben mit einem entsprechend starken Laserstrahl unterhalb des Bandabstands.
Die gesamte Anordnung wird auf einen optischen Tisch des Typs Newport research series plus gestellt. Die Anordnung enthält einen Argon-Ionenlaser 1 des Typs Coherent Innova 400-20. Der Laser 1 kann bei den Wellenlängen 514,5 nm, 488 nm, 457,9 nm, 364 nm und 351 nm betrieben werden. Diese Wellenlängen entsprechen einer Photonenenergie, die geringer ist als der Bandabstand von Lithiumniobat bei 300ºK. Um einen reproduzierbaren, auf die Oberfläche der Probe zu fokussierenden Laserstrahl zu erhalten, sind nach dem Laser 1 mehrere optische Bauelemente angeordnet.
Das erste Bauelement ist ein Spiegel des Typs optics for Research MYU-25-UV7, gefolgt von einem Strahlaufweiter 4 mit zwei Linsen in vorgegebenem Abstand. Die erste Linse ist vom Typ LLU-25-63 N-A4, die zweite dagegen vom Typ LLU-25-190-A3. Dann kommen zwei hintereinander auf einem schwingungsgedämpften Stab gehalterte Spiegel, wodurch eine Erhöhung der Auflösung während eines laserunterstützten Ätzvorgangs bei z. B. Si möglich ist. Die Spiegel sind vom Typ MYU-25-UV7. Darauf folgt eine Linse 6, Optics for Research LLU-25-80-A1, die auf die Probe fokussiert. Die mittels dieser Linse erzielbare Brennfleckmindestgröße beträgt ca. 8 um, jedoch entspricht die erwärmte Fläche einer Brennfleckgröße von ca. 20 um.
Eine Brennfleckgröße auf 1/2-1 um (bei 351 nm) läßt sich dadurch erzielen, daß die Linse durch ein Mikroskopobjektiv des Typs Ealing Electro-optics 25-0522 ersetzt wird.
Die Probe wird in eine vakuumdichte, mit einem 1,5 mm starken Quarzfenster versehene Kammer 8 aus rostfreiem Stahl eingebracht. Der Abstand zwischen der Probe und dem Fenster beträgt etwa 3 mm.
Zur optimalen Fokussierung des Strahls auf die Oberfläche der Probe ist die fokussierende Linse 6 auf einem Z-Tisch in der Form eines Minitischs des Typs PM500 von Newport befestigt. Dieser Z-Tisch wiederum ist auf einer Anordnung von stoßdämgfenden Stäben und dergleichen befestigt. Der Z-Tisch kann mit einer Genauigkeit von 25 nm eingestellt werden und verfügt über einen maximalen Bewegungsbereich von 1 Zoll.
Die Prozeßkammer 8 ist an einem X-Y-Tisch von Newport des Typs PM500 regular befestigt, der gleichfalls mit einer Genauigkeit von 25 nm einstellbar ist und über einen maximalen Bewegungsbereich von 4 Zoll verfügt. Dieser X-Y-Tisch kann mit einer Geschwindigkeit von 0,1 um/sec. bis 100 mm/sec. bewegt werden, und der Z-Tisch und X-Y-Tisch können rechnergesteuert sein.
Die Prozeßkammer 8 ist mit einer Stickstoffquelle 9 und einer Chlorquelle 10 verbunden. Die Kammer 8 kann während der Bearbeitung je nach Wunsch geschlossen sein oder von einem Gas durchströmt werden. Der maximale Gasfluß beträgt 10 Ncm³. Da das Quarzfenster durch den Atmosphärendruck festgehalten wird, beträgt der maximale Chlorgasdruck ca. 750 mbar. Ein derartiger Chlorgasdruck ist jedoch ungünstig, da das Gas einen Teil des Laserlichts bei Wellenlängen um 351 nm absorbiert. Ein so hoher Druck ist zur Erzielung von hohen Abtragungsraten nicht erforderlich.
Als weitere oxidische Materialien, die gleichfalls mittels eine Photonenenergie, die geringer ist als der Bandabstand, aufweisenden Dauerstrichlaserlichts bearbeitet werden können, sind zu nennen:
Im allgemeinen kann die Bearbeitung des Materials ABO&sub3;, in dem A ein Alkali- oder Erdalkalimetall und B ein Übergangsmetall darstellt, mittels eines Dauerstrichlaserlichts mit einer Photonenenergie, die geringer ist als der Bandabstand, erfolgen.
In der Regel wird ein Ar-Ionenlaser bei 351/364 nm oder ein Kr-Ionenlaser (330 nm) eingesetzt.
Die mit einem * bezeichneten Verbindungen können beispielsweise in Oberflächenwellenvorrichtungen eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bearbeitung von Körpern aus oxidischen Materialien mittels eines von dem Material absorbierten Dauerstrichlaserstrahls, bei dem der eingesetzte Laserstrahl eine solche Wellenlänge aufweist, daß die entsprechende Quantenenergie geringer ist als der Bandabstand des Materials, und wobei eine vorgegebene Anfangsausgangsleistung zum Ingangbringen der Bearbeitung und dann eine Mindest-Daueringanghalteleistung je Flächeneinheit erforderlich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindest-Inganghalteleistung je Flächeneinheit etwa 150 kW/cm² beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem eingesetzten oxidischen Material um ein piezoelektrisches Material mit perowskitartiger Struktur oder Spinellstruktur handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem eingesetzten piezoelektrischen Material um in nichtstöchiometrischer Form vorliegendes und möglicherweise inhomogenes LiNbO&sub3; handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte piezoelektrische oxidische Material die Formel ABO&sub3; aufweist, in der A ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall und B ein Übergangsmetall darstellt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Laserstrahl eine Wellenlänge von mindestens 330 nm aufweist.