Verfahren zur Herstellung eines durch einen Markierungsstoff gebildeten Musters auf einer Unterlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durch einen Markierungsstoff gebildeten Musters auf der Oberfläche einer, insbesondere elektrisch isolier enden Unterlage, sowie eine Vorrichtung zur Durchfür- hung des Verfahrens.
In der Elektronik, beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einer Anzahl auf einer elektrisch isolierenden Unterlage angeordneter aktiver und passiver Halbleiterelemente, ist es häufig erforder lich, dass Stellen oder Flächenbereiche einer im allge meinen ebenen Oberfläche eines Trägers mit einem Halbleitermaterial oder einem Metall beschichtet werden müssen. Die Schichtdicke ist nur gering und die aufge- brahten Inseln aus Beschichtungsmaterial bilden auf der Unterlage ein Muster. Zur Herstellung einer solchen Inselstruktur bzw. eines solchen Musters sind verschiede ne Verfahren bekannt.
Im einfachsten Falle kann das Beschichtungsmaterial durch Blenden, welche den zu beschichtenden Flächenbereichen entsprechende öffnun- gen aufweisen, auf den Träger vorzugsweise im Vakuum aufgedampft werden. Die Kanten der aufgedampften Schichten sind unscharf und die Herstellung freitragen der Blenden ist schwierig und praktisch nicht möglich, wenn die zubedampfenden Flächenbereiche kleinste Masse haben, wie dies in. der Mikroelektronik der Fall ist.
Solche Aufdampfverfahren sind deshalb nur be schränkt anwendbar. Darüberhinaus sind freitragende Blenden nur bei physikalischen Abscheidungsverfahren verwendbar und schliessen Beschichtungsverfahren aus, bei welchen das Beschichtungsmaterial durch eine che mische Reaktion einer gasförmigen Verbindung auf dem Träger niedergeschlagen wird. Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Inselstruktur besteht darin,, dass die Trägeroberfläche zunächst mit einer Schicht aus dem Inselmaterial bedeckt und die zusammenhängende Schicht dann dem gewünschten Muster entsprechend geätzt wird.
Das Ätzen selbst wird praktisch immer über photolithographische Verfahren durchgeführt, wobei die nicht zu ätzenden Flächenbereiche der Schicht mit einem widerstandsfähigen Material abgedeckt oder maskiert werden. Dieses Verfahren wird häufig umgekehrt , d. h. statt erst das Beschichtungsmaterial aufzutragen und dann über eine Maskierung das Material an den unerwünschten Stellen wieder abzutragen, wird erst die Maskierung durchgeführt, dann das Besichtungsmaterial niedergeschlagen und schliesslich die Maskierung abge löst.
Solche Maskierungsverfahren sind sehr aufwendig, da, abgesehen davon, dass auf jeden einzelnen Träger eine Maske hergestellt werden muss, der Fertigungspro- zess, welcher normalerweise in Vakuum stattfindet, unterbrochen werden muss, um die chemische Behand lung durchführen zu können. Bei der Behandlung mit sauren Lösungen können in den Träger und/oder die Schicht Fremdionen eingetragen werden, was zu zusätzli chen Schwierigkeiten z. B. bei der Herstellung von Halbleiterelementen, insbesondere von Feldeffekt-Ele- menten, führt.
Um z. B. in einer Platte aus halbleitendem Material begrenzte Bereiche verschiedener Leitfähigkeit herzustel len, werden nahezu ausschliesslich solche Maskierver- fahren angewendet. Die maskierte Platte wird bei erhöh ter Temperatur einem dampfförmigen Dotierungsmittel ausgesetzt, so dass das Dotierungsmittel in den Halblei ter eindiffundiert. Die eindiffundierten Bereiche bilden auf der Platte ein Muster.
Zur Herstellung von einkristallinen Siliziuminseln auf einer polykristallinen A103 oder amorphen Si02 Unterlage ist beispielsweise ein Verfahren be kannt geworden, bei welchem die Oberfläche der Unter lage an den Stellen, an welchen die Siliziuminseln liegen sollen mit Tantal bedampft wird.
Auf die mit Tantal im gewünschten Muster bedampfte Unterlage wird eine kompakte Siliziumschicht niedergeschlagen und dann eine Temperaturzone, deren Temperatur in der Spitze höher als der Schmelzpunkt von Silizium liegt,
über die Schicht hinweggeführt. Das vorübergehend geschmolze ne Silizium zieht sich hierbei auf die Tantalinseln zurück und erstarrt darauf unter gewissen Bedingungen einkri- stallin. Zur Hersttellung des Tantalmusters ist man auf das herkömmliche Aufdampfen durch Blenden angewie sen, wenn Maskierungen vermieden werden sollen.
Ausser diesen beispielsweise aufgeführten Verfahren sind noch viele andere, z. T. ähnliche Fertigungsprozesse bekannt, bei welchen stets die Notwendigkeit besteht, Flächenbereiche eines Trägers oder einer Unterlage mit einem Material dünn zu belegen oder das Material in die Oberfläche der Unterlage an diesen Stellen einzudiffun- dieren, mit anderen Worten, diese Flächenbereiche mit einem Material zu markieren.
Zweck der Erfindung ist ein einfaches und rationel les Markierungsverfahren, bei welchem keine chemische Behandlung, wie Ätzen, nötig ist, bei dem damit die bei den bekannten Maskierungsverfahren vorhandenen Nachteile und Schwierigkeiten nicht auftreten und wel ches ferner ermöglicht, dass eine im Vakuum erfolgende Fertigung von z. B. Bauteilen der Mikroelektronik in einem Zuge durchgeführt werden kann.
Das erfindungsgemässe Markierungsverfahren ist da durch gekennzeichnet, dass eine den Markierungsstoff an den dem Muster entsprechenden Stellen mit Vorrat aufweisende Matrize auf die zu markierende Oberfläche einer Unterlage gelegt wird und die Matrize und die Unterlage aneinandergedrückt und auf eine Temperatur erwärmt werden, bei welcher Markierungsstoff vom Vorrat in und/oder auf die Oberfläche der Unterlage übergeht.
Die Matrize zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die den Markierungsstoff in Vorrat aufweisende Auflageseite Matrize ein aus Vertiefungen und Erhebung gebildetes Muster trägt und die in einer Ebene liegenden Auflageflächen der Erhe bungen geglättet sind.
Die Matrize kann in zwei verschiedenen Ausbildun gen ausgeführt sein. Einmal kann die ebene Fläche eines Matrizenkörpers den Vorrat an Markierungsstoff in Form von das gewünschte Muster darstellenden Erhe bungen aufweisen, zum anderen kann das gewünschte Muster von den Vertiefungen im Matrizenkörper gebil det und der Markierungsstoff in den Vertiefungen mit Vorrat untergebracht sein.
Nachfolgend werden Ausführungs- und Anwen dungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Darstellung stark vergrös- sert eine Matrize, welche den Vorrat an Markierungs stoff in Form von Erhebungen trägt, Fig. 2 einen Schnitt durch die Matrize der Fig. 1 längs der Linie Il-II, Fig. 3 in perspektivischer Darstellung eine Matrize, bei welcher der Vorrat an Markierungsstoff in Vertie fungen untergebracht ist,
Fig. 4 einen Schnitt durch die Matrize der Fig. 3 längs der Linie IV-IV, Fig. 5, 6 und 7 schematisch drei verschiedene Fertigungsstufen bei der Herstellung einer Matrize ge- mäss Fig. 3, Fig. 8 schematisch einen Markierungsvorgang mit einer Matrize gemäss Fig. 3, Fig. 9 in Aufsicht eine mittels einer Matrize gemäss Fig. 1 oder Fig. 3 markierte Unterlage.
Es sei angenommen, dass bei der Serienfabrikation einer Halbleiteranordnung auf der einen Seite einer plättchenförmigen Unterlage aus amorphem Si02 sechs quadratische Flächenbereiche mit Tantal zu markieren sind. Die Markierung soll hierbei durch Eindiffundieren von Markierungsstoff in die Unterlagenoberfläche erfol gen.
Eine solche Markierung soll mit einer Matrize durchgeführt werden, welche den Markierungsstoff an den dem Muster entsprechenden Stellen mit Vorrat aufweist.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Ausführungsform einer solchen Matrize.
Der Matrizenkörper ist ein ebenes Plättchen aus z. B. Si02 oder A120,3, auf dessen einen, vorzugs weise polierten Seite 2, dem gewünschten Muster aus zu markierenden Flächenbereichen entsprechend sechs qua dratische Tantalinseln 3 aufgebracht sind. Diese Inseln sind ausreichend dick, so dass sie einen Vorrat an Markierungsstoff bilden. Das Aufbringen der Inseln aus Markierungsstoff, in diesem Falle aus Tantal, erfolgt nach irgendeinem bekannten Verfahren,
beispielsweise indem auf die gesamte Fläche 2 der Unterlage 1 zunächst eine dicke Tantalschicht aufgedampft wird und aus dieser dann durch Anwendung eines geeigneten photolithographischen Ätzverfahrens die Inselns heraus gearbeitet werden. Nach einem ausgiebigen Reinigen, Trocknen und eventuell Entgasen im Vakuum ist die Matrize für den serienmässig erfolgenden Markierungs vorgang der vielen Unterlagen, wie er ausführlich an späterer Stelle beschrieben wird, bereit.
In manchen Fällen ist es einfacher, wenn die gesamte Matrize aus dem Markierungsmaterial hergestellt wird.
Eine andere Matrizenart ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform weist die Matrize das gewünschte Markierungsmuster in Form von Vertie fungen auf. Der Matrizenkörper 4 kann hierbei wieder um in Form eines Plättchens mit einer ebenen Fläche 5 ausgebildet sein. Die ebene Fläche 5 enthält die Vertie fungen 6 und dient als Auflagefläche für die zu markier ende Unterlage.
Die Vertiefungen 6 sind alle vorzugswei se, jedoch nicht notwendig, alle gleich und gleichmässig tief, d. h. sie weisen ebene und zur Auflagefläche 5 parallele Bodenflächen 7 auf, wobei die Seitenwände 8 praktisch senkrecht zu diesen Bodenflächen 7 verlaufen. Die Vertiefungen 6 enthalten das Markierungsmaterial 9 mit Vorrat.
Da zur Herstellung der Markierungen, wie bereits eingangs erwähnt und noch ausfürlicher beschrieben wird, Matrize und Unterlage erwärmt werden, ist darauf zu achten, dass beim Markierungsvorgang möglichst kein Matrizenmaterial in die Unterlage eindiffundiert. Zweck- mässig wird man deshalb als Matrizenmaterial das Material der Unterlage selbst verwenden, oder zumindest ein solches Material wählen, das bei den angewendeten Temperaturen praktisch keine Neigung zur Diffusion in die Unterlage zeigt.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel der Markierung von Si02 Unterlagen mit Tantal, käme demnach vorzugsweise als Matrizenmaterial Si02 selbst oder A120,3 in Frage.
Die Herstellung einer Matrize aus Si0.-> in der in Fig. 3 gezeigten Form ist mit üblichen Bearbeitungsme- thoden recht schwierig. Ein bevorzugtes Herstellungsver fahren ist in drei Phasen in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigt.
Eine Platte 10, vorzugsweise aus Graphit, wird auf einer ebenen Oberfläche 11 so graviert, dass sie Erhe bungen 13 aufweist, welche den gewünschten Vertiefun gen 6 in der Matrize entsprechen. Die Vertiefungen 12 in der Graphitplatte entsprechen ihrer Form nach demnach den Erhebungen auf der Matrize. Die Graphit-, platte ist somit ein Negativ der Matrize. Dann wird nach üblichen Verfahren ein Plättchen 14 aus amorphem Si02 in der Grösse der gewünschten Matrize herge stellt. Das Si02 Plättchen 14 wird auf die gravierte Seite der Graphitplatte 10 gelegt und beide Teile werden in eine Presse 15 eingesetzt, welche in einem Ofen 16 angeordnet ist.
Dies ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Die Ofentemperatur wird auf rund 1480 C gebracht und die Temperatur wird 45 Minuten lang gehalten. Bei dieser Temperatur erweicht das Si02 und die in die Graphitplatte 10 eingravierte Form drückt sich in dem Si02 Plättchen 10 ab.
Nach dem Erkalten und nach eventueller Säuberung wird das geformte SiO2 Plätt chen 10 in einer Vakuumglocke 17 aus einem Schiffchen 18 mit Tantal bedampft, Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird die gesamte geformte Oberfläche des Si02 Plättchens ausreichend dick mit Tantal bedampft.
Nach dem Aufdampfen wird, wie in Fig. 7 schema tisch gezeigt ist, das auf den Erhebungen, d. h. auf der Anlagefläche 5 der Matrize 4 befindliche Markierungs material 19 abgetragen, beispielsweise durch Polieren, und man erhält die in Fig. 3 dargestellte Matrize, welche das Markierungsmaterial mit Vorrat in ihren Vertiefun gen enthält. Selbstverständlich sind auch andere Herstel lungsverfahren anwendbar, insbesondere kann das Auf bringen des Markierungsmaterials auch auf chemischem Wege erfolgen.
Zum Markieren der Oberflächenbereiche einer Un terlage wird eine der vorstehend beschriebenen Matrizen auf die zu markierende Oberfläche der Unterlage gelegt und beide Teile werden unter Druck auf eine Tempera tur erwärmt, bei welcher Markierungsstoff vom Vorrat in und/oder auf die Oberfläche der Unterlage übergeht. Dies ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Unter einer Vakuumglocke 23 ist ein Gestell mit einer Trägerplatte 20 angeordnet.
Die Unterlage 19 wird mit der zu markierenden Oberfläche, die zu diesem Zweck mög- lichts bis zur optischen Güte poliert ist, nach oben auf die Trägerplatte 20 gelegt, dann folgt die Matrize mit der das Markierungsmaterial tragenden Fläche nach unten, und darauf eine Platte 21, welche ausreichend schwer sein kann, um den gewünschten Andruck zu erzeugen, oder auf die ein zusätzlicher Druck P ausgeübt wird. Diese Anordnung befindet sich in einer Heizvorrichtung 22, mit welcher sie auf die nötige Temperatur, gegebe nenfalls unter Aufrechterhaltung eines Temperaturgefäl les, gebracht werden kann.
Die Art der Matrize, ob mit erhebenen Stellen aus Markierungsmaterial gemäss Fig. 1 oder mit in Vertie fungen untergebrachtem Markierungsmaterial gemäss Fig. 3, das Matrizenmaterial und das Temperaturpro gramm sind natürlich ausser vom Markierungsmaterial, dem Material und der Beschaffenheit der Unterlage vor allem von der Art der Markierung abhängig, d. h. ob das Markierungsmaterial in die Unterlagenoberfläche eindif fundiert, auf deren Oberfläche sublimiert oder eindiffun diert und sublimiert werden soll. Für einen reinen Diffusionsvorgang sind beide Arten Matrizen brauchbar.
Eine Matrize mit erhabenem Vorrat an Markierungsstoff (Fig. 1) hat den Vorteil leichterer Herstellung und einfacherer Handhabung. Die Anordnung von Matrize und Unterlage (Fig. 8) braucht dann nur auf Diffusions temperatur gebracht und auf dieser während einer von der gewünschten Diffusionstiefe abhängigen Zeit gehal ten werden. Nachteilig ist jedoch, dass es bestimmte Kombinationen von Markierungs- und Substratmaterial gibt, welche Neigung zum Aufeinanderkleben zeigen. Liegt eine solche vor, so kommt es leicht zu unsauberen oder beschädigten Markierungen.
In solchen Fällen wird dann besser anstelle einer Kontaktdiffusion eine Mikro verdampfung des Markierungsmaterials aus einer Matri ze der in Fig. 3 gezeigten Form durchgeführt. Bei dieser Matrize, bei welcher das Markierungsmaterial in Vertie fungen untergebracht ist, kann die Markierung durch ein entsprechendes Temperaturprogramm gesteuert wer den. Im Ergebnis sind alle vorstehend genannten drei Markierungsarten erhältlich, wobei die auf der Unterla genoberfläche aufliegenden erhabenen Matrizenbereiche wie eine Maskierung wirken. Fig. 9 zeigt die mit den Flächenbereichen 24 markierte Oberfläche der Unterla ge 19.
Mit einer Matrize der vorstehend beschriebenen Art können sehr viele Unterlagen markiert werden, vor allem dann, wenn das Markierungsmaterial nur eindif fundiert werden soll. Eine Serienfabrikation wird damit äusserst vereinfacht, wobei die einzelnen Stücke nicht nur formmässig sondern auch in der Qualität praktisch gleich sind. Letzteres ist vor allem dadurch bedingt, dass die Markierung ohne jegliche chemische Behandlung, wie insbesondere Ätzen, erfolgt. Der Wegfall einer solchen chemischen Behandlung wirkt sich besonders bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen aus, indem zu mindest zum grossen Teil die Fertigung derselben, in einem Zuge im Vakuum durchgeführt werden kann.