Lift-off Prozesse mit Fotolacken

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1 Lift-off Prozesse mit Fotolacken Version: Quelle: Grundsätzliche Fragestellungen zum Lift-off Prozess Die wesentlichen Kriterien für die Auswahl eines für eine bestimmten Lift-off Prozess am besten geeigneten Fotolack sind: Die Schichtdicke des aufgebrachten Materials Die Beschichtungstechnologie (Aufdampfen, Sputtern, CVD,...) und dabei maximal auftretende Temperaturen Die erforderliche laterale Auflösung Bereits vorhandene Fotomasken (positiv oder negativ?) Die Belichtungswellenlänge (g-, h- oder i-line?) Nach Beantwortung dieser Fragestellungen kann die Auswahl eines für den jeweiligen Lift-off Prozess optimal geeigneten Fotolack getroffen werden, wie im folgenden Abschnitt beschrieben. Welcher Fotolack für Lift-off? Positivlacke sind aus zweierlei Gründen für Lift-off Prozesse nur bedingt geeignet: Zum einen quervernetzen Positivlacke bei ihrer Prozessierung nicht, wodurch sie einen bei ca C liegenden Erweichungspunkt besitzen. Da diese Temperaturen bei vielen Beschichtungsprozessen auftreten können, besteht die Gefahr einer Verrundung der Lackprofile. Auch ohne thermisches Verrunden weisen Positivlacke positive (im besten Fall senkrechte) Profile auf, wodurch die Lackflanken beschichtet werden was den späteren Lift-off erschwert bzw. unmöglich macht. Sollen aus Gründen des vorhandenen Masken-Designs dennoch Positivlacke für den Lift-off verwendet werden, empfiehlt sich die Verwendung von Lacken mit i) hoher thermischen Stabilität und ii) möglichst senkrechten Lackflanken, wie sie die AZ 6600-Serie (Lackschichtdicken von ca. 1-4 µm) oder der AZ MiR 701 (< 1 µm Lackschichtdicke) bieten. Negativlacke sind für die meisten Lift-off Prozesse am besten geeignet: Zum einen lassen sich damit reproduzierbar unterschnittene Lackprofile erzielen. Zum anderen verhindert die Quervernetzung des Harzes ein thermisches Verrunden beim Beschichten. Dadurch bleibt der Unterschnitt auch bei hohen Temperaturen erhalten und die Lackflanken werden somit nicht bzw. in geringerem Ausmaß beschichtet, was den späteren Lift-off vereinfacht. Für stabile Lift-off Prozesse auch im sub-µm Bereich optimiert ist die AZ nlof 2000 Serie mit prozessierbaren Lackschichtdicken von ca µm. Links: 300 nm lines and spaces mit dem AZ nlof 2020 Negativlack mit 2.0 µm Lackschichtdicke. Rechts: Progressiver Unterschnitt mit einem 22 µm dicken AZ nlof 2070 (negativ). Die Quervernetzung beschränkt sich wegen der Eindringtiefe des Lichts auf die oberen ca. 8 µm der Lackschicht. Ein AZ MiR 701 Steg, nach dem Entwickeln bei 130 C gebacken.

2 UV Maske Fotolack belichtet noch aktiv inert belichtet Substrat 1. Die Bereiche, welche später NICHT entwickelt werden sollen, werden belichtet. 2. Beim Umkehrbackschritt verlieren die belichteten Bereiche die Entwickelbarkeit. 3. Die Flutbelichtung macht alle bislang unbelichteten Bereiche entwickelbar. Nach der Belichtung könnte der Umkehrlack wie ein Positivlack entwickelt werden. 4. Die Entwicklung lässt ein unterschnittenes Lackprofil zurück. Umkehrlacke lassen sich positiv als auch negativ prozessieren (s. Schema oben). Eine Prozessierung im Negativmodus erfordert bezogen auf die Positivlackprozessierung einen zusätzlichen Umkehrbackschritt nach dem Belichten, sowie eine anschließende Flutbelichtung ohne Maske. Damit lassen sich unterschnittene Lackflanken erzielen welche beim Beschichten nicht bzw. weniger stark beschichtet werden was den späteren Lift-off vereinfacht. Umkehrlacke quervernetzen jedoch nicht, so dass - je nach Lack - ab ca. 130 C die Lackprofile verrunden und der Unterschnitt verloren geht. Je nach erforderlicher Lackschichtdicke empfehlen sich für Lift-off Prozesse die Umkehrlacke AZ 5214E (1-2 µm) oder der TI 35ES (3-5 µm). Das Dokument Fotolacke, Entwickler und Remover gibt einen detaillierten Überblick zur Prozessierung der angesprochenen Fotolacke sowie deren typischer Einsatzbereiche. Besonderheiten zur Prozessierung von Positivlacken für Lift-off Senkrechte Lackprofile vermindern die ungewollte Beschichtung der Lackflanken was den Lift-off erschweren würde. Um möglichst steile Lackflanken zu erzielen empfehlen sich folgende Punkte: die Verwendung von für steile Kanten optimierten Lacke wie der AZ MiR 701 (< 1 µm Lackschichtdicke), die AZ 6600-Serie (1-4 µm), oder dem Dicklack AZ 9260 (> 5µm) die Verwendung von Lacken mit hohem Erweichungspunkt (AZ MiR 701 oder die AZ 6600-Serie Einen echten Kontakt zwischen Photomaske und Lackschicht (kein Proximity Gap) Optimierte Softbakeparameter (ca. 100 C Hotplate für 1 Minute je µm Lackschichtdicke) Eine ausreichende Rehydrierung (Details siehe Dokument Rehydrierung von Fotolacken) Eine mittels Belichtungsreihe optimierte Belichtungsdosis Ein ausreichend selektiver Entwickler (AZ 400K oder 351B in 1 : 4 Verdünnung, oder der AZ 326 oder 726 MIF unverdünnt) -2-

3 Besonderheiten zur Prozessierung von Umkehrlacken für Lift-off Die erste Belichtungsdosis Die erste (die Struktur definierende) Belichtung erfolgt durch eine Maske, welche jene Lackbereiche abschattet, die später wegentwickelt werden sollen. Die Fotomaske ist demnach, verglichen mit Masken für Positivlacke, invertiert. Die Belichtungsdosis hat großen Einfluss auf das erzielte Lackprofil. Bei geringen Lichtdosen bleiben die substratnahen Bereiche unbelichtet und damit später im Entwickler löslich, was einen stärker ausgeprägten Unterschnitt des Lackprofils zur Folge hat. Hohe Belichtungsdosen belichten die Lackschicht nahezu homogen bis zum Substrat, entsprechend gering fällt der Unterschnitt aus. Eine zu geringe Belichtungsdosis verhindert beim folgenden Umkehrbackschritt eine ausreichende Umwandlung des Lacks, so dass mit einem hohen Abtrag der belichteten Lackbereiche zu rechnen ist. Eine zu große Belichtungsdosis bewirkt über Beugung, Streuung und Reflexion auch die Belichtung nominell dunkler Lackbereiche, so dass die nach dem Entwickeln verbliebenen Strukturen deutlich größer ausfallen als erwünscht. Im Extremfall können schmale Bereiche nicht mehr frei entwickelt werden. Der Umkehrbackschritt Beim Umkehrbackschritt wird das Substrat nach der Belichtung für einige Zeit geheizt. Hierbei verlieren die belichteten Bereiche des Fotolacks ihre Entwickelbarkeit, während die unbelichteten Bereiche möglichst weitgehend aktiv bleiben. Die optimalen Backparameter hängen vom Lack und dem gewünschten Lackprofil ab und betragen typischerweise C für einige Minuten. Geringe Backtemperaturen (oder/und -zeiten) führen zu einer Umwandlung lediglich der stärker belichteten (oberflächennahen) Lackbereiche, entsprechend progressiv ist der beim Entwickeln erzielte Unterschnitt. Hohe Backtemperaturen (-zeiten) wandeln auch die schwächer belichteten (substratnahen) Lackbereiche um, weswegen das erzielte Lackprofil einen schwachen Unterschnitt aufweist. Zu geringe Backtemperaturen (-zeiten) wandeln selbst die oberflächennahen Lackbereiche nur unvollständig um und führen so zu einem relativ starken Abtrag auch der belichteten Bereiche im Entwickler. Zu hohe Backtemperaturen (- zeiten) zerstören einen Großteil des Fotoinitiators im bislang unbelichteten Lack, welcher sich demnach später nur sehr langsam entwickeln lässt. Da bei der ersten Belichtung im Lack N 2 frei gesetzt wird ist darauf zu achten, dass dieser vor dem Umkehrbackschritt ausreichend aus der Lackschicht ausdiffundiert ist. Die hierzu notwendige Maske Lack Substrat rel. Konz. von verbliebenem DNQ (%) UV Geringe Lichtdosis starker Unterschnitt 140 C Große Lichtdosis wenig Unterschnitt 130 C 110 C 120 C 100 C Backzeit (Minuten) Beim Umkehrbackschritt wird ein von der Backtemperatur und -zeit abhängiger Teil des Fotoinitiators zerstört. -3-

4 Wartezeit hängt vom verwendeten Lack und stark von dessen Schichtdicke ab: 1-2 µm dicke Lackschichten benötigen eine Wartezeit von wenigen Minuten, bei 10 µm Lackschichtdicke kann eine Stunde notwendig sein. Bei zu kurzer Wartezeit führt der N 2 -Druck im beim Backen erweichenden Lack zu Bläschenbildung bis hin zum großflächigen Aufschäumen der Lackschicht. Die Flutbelichtung Hierbei werden die bislang noch nicht belichteten Lackbereiche ohne Maske belichtet. Die Lichtdosis sollte auch die substratnahen Lackbereiche vollständig belichten, eine Überbelichtung schadet dem Prozess also nicht. Deshalb empfiehlt sich eine Dosis, welche mindestens doppelt so groß ist wie die Dosis, die notwendig wäre, den Lack positiv zu prozessieren. Da nach dem Umkehrbackschritt der Lack wasserfrei ist, jedoch - wie die Belichtung von DNQ-basierten Lacken generell - eine Mindestdosis Wasser benötigt, gilt auch hier die Notwendigkeit der Rehydrierung vor der Flutbelichtung. Details hierzu finden sich im Dokument Rehydrierung von Fotolacken. Die Entwicklung Die Entwicklungsrate hängt neben dem verwendeten Lack von den Umkehrbackparametern ab. Je heißer und länger dieser erfolgte, desto größer der Anteil des dabei zerstörten Fotoinitiators. Der Grad der Überentwicklung - also die Entwicklungsdauer nach dem Frei-entwickeln der Strukturen, bezogen auf die gesamte Entwicklungsdauer - bestimmt maßgeblich die Ausprägung des Unterschnitts. Wie die Querbruch- Aufnahmenserie rechts zeigt, werden die substratnahen Bereiche des Unterschnitts erst dann zunehmend deutlich herausentwickelt, wenn das Substrat bereits freigelegt ist. Eine 30%ige Überentwicklung ist ein guter Anhaltspunkt für eigene Optimierungen. Bei dicken Lackschichten und schmalen Lackstrukturen sollte darauf geachtet werden, dass der beidseitige Unterschnitt die Lackstege nicht überbrückt und diese so vom Substrat liften. 3s 4 s 5 s 7 s 9 s 11 s Diese Serie an Querbruchaufnahmen in verschiedenen Entwicklungsstadien zeigt, wie sich der Unterschnitt erst nach der Durchentwicklung herausarbeitet. Die Zeitangaben beziehen sich auf den Start der Entwicklung. Besonderheiten zur Prozessierung von Negativlacken für Lift-off Die Belichtungsdosis Grundsätzlich gilt für die Auswirkung der Belichtungsdosis das gleiche wie für Umkehrlacke beschriebene: Je geringer die Belichtungsdosis, desto mehr beschränkt sich der später quervernetzte und nicht entwickelbare Lackbereich auf die Schicht nahe der Lackoberfläche, und desto progressiver ist der später entwickelbare Unterschnitt. Größere Belichtungsdosen machen die Kanten steiler und die späteren Lackstege breiter s 22 s 25 s 29 s 37 s 46 s

5 Der Post Exposure Bake Bei diesem Backschritt (PEB) quervernetzen die belichteten Lackbereiche und werden dabei im Entwickler unlöslich. Ist die Temperatur des PEB zu gering, bleibt die Quervernetzung schwach ausgeprägt, und der Abtrag der belichteten Lackbereiche im Entwickler ist vergleichsweise groß. Hohe PEB-Temperaturen quervernetzen auch schwach belichtete Bereiche im Lack, so dass die erzielten Lackstrukturen breiter werden. Zudem sinkt bei hohen PEB-Temperaturen auch die Entwicklungsrate, da dabei auch im nicht belichteten Lack eine thermische Quervernetzung statt findet. Die Entwicklung Wie im gleichnamigen Abschnitt unter Besonderheiten zur Prozessierung von Umkehrlacken für Lift-off beschrieben, wird der Unterschnitt erst gegen Ende der Entwicklung herausgearbeitet. Entsprechend gilt auch für Negativlacke die Empfehlung einer Über-Entwicklung von einigen 10%. Anders als bei nicht-quervernetzenden Umkehrlacken können zur Entwicklung quervernetzender Negativlacke auch organische Lösemittel wie z. B. PGMEA verwendet werden was bei alkalische empfindlichen Substraten eine gute Alternative zu KOH-, NaOH- oder TMAHbasierten Entwicklern darstellt. Beschichten der Lackmaske: Häufige Problemstellungen Manchmal zeigen belackte Substrate nach dem Sputtern oder Aufdampfen ein unregelmäßiges Erscheinungsbild. Das kann folgende Ursachen haben: Thermisches Verfließen von Positiv- oder Umkehrlacken Beim Bedampfen, Sputtern oder PECVD belackter Substrate kann die Lackschicht über eine Substratheizung, die Strahlung der Verdampferquelle, die Kondenswärme des wachsenden Films oder die kinetische Energie der Ionen aus dem Plasma über die Erweichungstemperatur des nicht-quervernetzten Lacks (typ C) erhitzt werden. Abhilfe gegen ein thermisches Verfließen bieten eine optimierte Wärmekopplung des Substrats an dessen Halterung (z. B. etwas Turbopumpenöl für gute Wärmeabfuhr verspannter, gekrümmter Substrate), ein ausreichender Wärmepuffer (massive Konstruktion des Substrathalters) oder eine Wärmeabfuhr (z. B. schwarz eloxiertes Aluminium als rückseitiger Wärmeabstrahler) des Substrathalters, DUV-Härtung (abwechselnde Belichtung mit Wellenlängen < 250 nm und Backen bei zunehmend höheren Temperaturen, starten unterhalb der Erweichungspunkts) oder eine verringerte Abscheiderate bzw. mehrstufige Beschichtung mit Abkühlpausen dazwischen, ein thermisch stabiler Fotolack (z. B. AZ 701 MiR oder die AZ 6600-Serie wenn ein Positivlack verwendet werden muss, oder TI 35ES im Umkehrmodus bei dem sich die Erweichungstemperatur eine hohe Umkehrbacktemperatur weiter steigern lässt. Verdampfen von Lösemittel oder Wasser Ein unzureichender Softbake kann zum Verdampfen von Restlösemittel in der unter dem wachsenden Film eingeschlossenen Lackschicht und so zu Blasenbildung führen. Möglich ist auch das Verdampfen von Wasser, welches beim Entwickeln in die Lackschicht eingedrungen ist und bei einem erneuten Backen nach dem Entwickeln bei z. B. 100 C (unter dem Erweichungspunktes des Fotolacks!) verdampft werden kann. -5- Oberhalb des Erweichungspunktes des Lacks beginnen ehemals unterschnittene Lackflanken zu verrunden (Temperatur nimmt von oben nach unten zu).

6 N 2 -Bildung bei Positivlacken Ein weiterer möglicher Grund für eine Blasenbildung in der Lackschicht kann N 2 als Nebenprodukt der Fotoreaktion sein, welcher bei der (unbeabsichtigten) Belichtung der Lackschicht bei deren Beschichtung durch die UV-Strahlung der Verdampferquelle oder aus dem Plasma beim Sputtern oder der CVD freigesetzt wird. In diesem Fall empfiehlt sich eine ausreichende Flutbelichtung gefolgt von einer Wartezeit nach dem Entwickeln, um die Stickstoffquelle (Fotoinitiator) wie auch den bereits gebildeten N 2 aus der Lackschicht soweit möglich zu entfernen. Lift-off: Häufige Problemstellungen Zäune nach dem Lift-off Werden beim Beschichten der Lackstrukturen auch die Lackflanken beschichtet, erfolgt der Abriss an einer mehr oder weniger zufälligen Stelle, wobei aufgestellte zaunartige Strukturen des zu liftenden Materials auf dem Substrat verbleiben. In diesem Fall schaffen folgende Punkte Abhilfe: Thermisch gerichtetes Aufdampfen des Materials anstelle des weitgehend ungerichteten Sputterns Bei der Verwendung von Positivlacken auf S. 2 gelisteten Empfehlungen zum Erzielen und Beibehalten senkrechter Lackprofile Bei der Verwendung von Umkehr- oder Negativlacken möglichst ausgeprägt unterschnittene Lackprofile (geringe Belichtungsdosis, ausreichende Lackschichtdicke, ausreichende Überentwicklung) Bei nicht-quervernetzten Lacken kein Überschreiten des Erweichungspunktes beim Beschichten über eine verringerte Abscheiderate bzw. mehrstufige Beschichtung mit Abkühlpausen dazwischen bzw. eine verbesserte thermische Kopplung des Substrats an den Substrathalter Redeposition von geliftetem Material Beim Lift-off mit dem rasch verdunstenden Lösemitteln wie Aceton setzen sich oft Flitter bereits gelifteten Materials auf dem Substrat ab und lassen sich nur sehr schwer wieder entfernen. Besser geeignet sind höher siedende Lösemittel wie NMP oder DMSO (beides von uns vertrieben), welches aufgrund seines sehr geringen Dampfdrucks zudem auf 80 C erhitzt werden kann. Eine zusätzliche Ultraschallbehandlung kann den Lift-off beschleunigen. Lift-off funktioniert schlecht oder gar nicht Falls die Lackschicht lückenlos dick (> einige 100 nm) beschichtet wurde wird ein Lift-off schwierig bis unmöglich. Um eine durchgehende Beschichtung zu vermeiden empfehlen sich die im oberen Abschnitt Zäune nach dem Lift-off gelisteten Maßnahmen. Eine zu starke Quervernetzung der Lackschicht macht sie in Lift-off Medien schwer löslich. Bei Positiv- und Umkehrlacken lacken beginnt die thermische Quervernetzung ab ca. 150 C, bei Negativlacken steigt das Ausmaß der Quervernetzung ebenfalls mit der Temperatur. In beiden Fällen hilft es, die beim Beschichten auftretende Maximaltemperatur über eine verringerte Abscheiderate bzw. mehrstufige Beschichtung mit Abkühlpausen dazwischen bzw. eine verbesserte thermische Kopplung des Substrats an den Substrathalter zu verringern. Gewährleistung Alle in dieser Broschüre enthaltenen Informationen, Prozessbeschreibungen, Rezepturen etc. sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammengestellt. Dennoch können wir keine Garantie für die Korrektheit der Angaben übernehmen. Grundsätzlich ist jeder Mitarbeiter dazu angehalten, sich im Zweifelsfall in geeigneter Fachliteratur über die angedachten Prozesse vorab ausreichend zu informieren, um Schäden an Personen und Equipment auszuschließen. AZ und das AZ Logo sind eingetragene Markenzeichen der AZ Electronic Materials (Germany) GmbH. -6-