Lift-off Prozesse mitFotolacken

Version: 2013-11-07 Quelle:www.microchemicals.com/de/downloads/anwendungshinweise.html

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Grundsätzliche Fragestellungen zum Lift-off ProzessDie wesentlichen Kriterien für die Auswahl eines für eine bestimmten Lift-off Prozess ambesten geeigneten Fotolack sind:

Die Schichtdicke des aufgebrachten MaterialsDie Beschichtungstechnologie (Aufdampfen, Sputtern, CVD, ...) und dabei maximal auf-tretende TemperaturenDie erforderliche laterale AuflösungBereits vorhandene Fotomasken (positiv oder negativ?)Die Belichtungswellenlänge (g-, h- oder i-line?)

Nach Beantwortung dieser Fragestellungen kann die Auswahl eines für den jeweiligen Lift-offProzess optimal geeigneten Fotolack getroffen werden, wie im folgenden Abschnitt beschrie-ben.

Welcher Fotolack für Lift-off?Positivlacke sind aus zweierlei Gründen für Lift-off Prozessenur bedingt geeignet: Zum einen quervernetzen Positivlackebei ihrer Prozessierung nicht, wodurch sie einen bei ca. 110-130°C liegenden Erweichungspunkt besitzen. Da diese Tempe-raturen bei vielen Beschichtungsprozessen auftreten können,besteht die Gefahr einer Verrundung der Lackprofile. Auchohne thermisches Verrunden weisen Positivlacke positive (imbesten Fall senkrechte) Profile auf, wodurch die Lackflankenbeschichtet werden was den späteren Lift-off erschwert bzw.unmöglich macht. Sollen aus Gründen des vorhandenen Mas-ken-Designs dennoch Positivlacke für den Lift-off verwendetwerden, empfiehlt sich die Verwendung von Lacken mit i) ho-her thermischen Stabilität und ii) möglichst senkrechten Lack-flanken, wie sie die AZ® 6600-Serie (Lackschichtdicken von ca. 1-4 µm) oder der AZ® MiR701 (< 1 µm Lackschichtdicke) bieten.Negativlacke sind für die meisten Lift-off Prozesse am besten geeignet: Zum einen lassensich damit reproduzierbar unterschnittene Lackprofile erzielen. Zum anderen verhindert dieQuervernetzung des Harzes ein thermisches Verrunden beim Beschichten. Dadurch bleibtder Unterschnitt auch bei hohen Temperaturen erhalten und die Lackflanken werden somitnicht bzw. in geringerem Ausmaß beschichtet, was den späteren Lift-off vereinfacht. Für sta-bile Lift-off Prozesse auch im sub-µm Bereich optimiert ist die AZ nLOF 2000 Serie mitprozessierbaren Lackschichtdicken von ca. 1-20 µm.

Ein AZ® MiR 701 Steg, nachdem Entwickeln bei 130°Cgebacken.

Links: 300 nm ‚lines and spaces‘mit dem AZ® nLOF 2020 Negativ-lack mit 2.0 µm Lackschichtdicke.Rechts: Progressiver Unterschnittmit einem 22 µm dicken AZ® nLOF2070 (negativ). Die Quervernet-zung beschränkt sich wegen derEindringtiefe des Lichts auf die obe-ren ca. 8 µm der Lackschicht.

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Umkehrlacke lassen sich positiv als auch negativ prozessieren (s. Schema oben). Eine Pro-zessierung im Negativmodus erfordert bezogen auf die Positivlackprozessierung einen zu-sätzlichen Umkehrbackschritt nach dem Belichten, sowie eine anschließende Flutbelichtungohne Maske. Damit lassen sich unterschnittene Lackflanken erzielen welche beim Beschich-ten nicht bzw. weniger stark beschichtet werden was den späteren Lift-off vereinfacht. Um-kehrlacke quervernetzen jedoch nicht, so dass - je nach Lack - ab ca. 130°C die Lackprofileverrunden und der Unterschnitt verloren geht. Je nach erforderlicher Lackschichtdicke emp-fehlen sich für Lift-off Prozesse die Umkehrlacke AZ® 5214E (1-2 µm) oder der TI 35ES (3-5µm).Das Dokument Fotolacke, Entwickler und Remover gibt einen detaillierten Überblick zur Pro-zessierung der angesprochenen Fotolacke sowie deren typischer Einsatzbereiche.

Besonderheiten zur Prozessierung von Positivlacken für Lift-offSenkrechte Lackprofile vermindern die ungewollte Beschichtung der Lackflanken was denLift-off erschweren würde. Um möglichst steile Lackflanken zu erzielen empfehlen sich fol-gende Punkte:

die Verwendung von für steile Kanten optimierten Lacke wie der AZ® MiR 701 (< 1 µmLackschichtdicke), 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-SerieEinen 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 BelichtungsdosisEin ausreichend selektiver Entwickler (AZ® 400K oder 351B in 1 : 4 Verdünnung, oderder AZ® 326 oder 726 MIF unverdünnt)

Nach der Belichtung könnteder Umkehrlack wie einPositivlack entwickelt wer-den.

4. Die Entwicklung lässt einunterschnittenes Lackprofilzurück.

UV

Maske

Foto-lack

Substrat

1. Die Bereiche, welche spä-ter NICHT entwickelt werdensollen, werden belichtet.

belichtet

2. Beim Umkehrbackschrittverlieren die belichteten Be-reiche die Entwickelbarkeit.

inertnochaktiv

3. Die Flutbelichtung machtalle bislang unbelichteten Be-reiche entwickelbar.

belichtet

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Besonderheiten zur Prozessierung von Umkehrlacken für Lift-offDie erste BelichtungsdosisDie erste (die Struktur definierende)Belichtung erfolgt durch eine Maske,welche jene Lackbereiche abschattet,die später wegentwickelt werden sol-len. Die Fotomaske ist demnach, ver-glichen mit Masken für Positivlacke,invertiert.Die Belichtungsdosis hat großen Ein-fluss auf das erzielte Lackprofil.Bei geringen Lichtdosen bleiben diesubstratnahen Bereiche unbelichtetund damit später im Entwickler löslich,was einen stärker ausgeprägten Un-terschnitt des Lackprofils zur Folgehat. Hohe Belichtungsdosen belichtendie Lackschicht nahezu homogen biszum Substrat, entsprechend geringfällt der Unterschnitt aus.Eine zu geringe Belichtungsdosis verhindert beim folgenden Umkehrbackschritt eine ausrei-chende Umwandlung des Lacks, so dass mit einem hohen Abtrag der belichteten Lack-bereiche zu rechnen ist. Eine zu große Belichtungsdosis bewirkt über Beugung, Streuungund Reflexion auch die Belichtung nominell dunkler Lackbereiche, so dass die nach dem Ent-wickeln verbliebenen Strukturen deutlich größer ausfallen als erwünscht. Im Extremfall kön-nen schmale Bereiche nicht mehr frei entwickelt werden.Der UmkehrbackschrittBeim Umkehrbackschritt wird das Substrat nach der Belichtung für einige Zeit geheizt.Hierbei verlieren die belichteten Bereiche des Fotolacks ihre Entwickelbarkeit, während dieunbelichteten Bereiche möglichst weitgehend aktiv bleiben. Die optimalen Backparameterhängen vom Lack und dem gewünschten Lackprofil ab und betragen typischerweise 110 -130°C für einige Minuten.Geringe Backtemperaturen (oder/und -zeiten) führen zu einer Umwandlung lediglich derstärker belichteten (oberflächennahen) Lackbereiche, entsprechend progressiv ist der beimEntwickeln erzielte Unterschnitt. Hohe Backtemperaturen (-zeiten) wandeln auch die schwä-cher belichteten (substratnahen) Lack-bereiche um, weswegen das erzielteLackprofil einen schwachen Unterschnittaufweist.Zu geringe Backtemperaturen (-zeiten)wandeln selbst die oberflächennahenLackbereiche nur unvollständig um undführen so zu einem relativ starken Abtragauch der belichteten Bereiche im Ent-wickler. Zu hohe Backtemperaturen (-zeiten) zerstören einen Großteil des Foto-initiators im bislang unbelichteten Lack,welcher sich demnach später nur sehrlangsam entwickeln lässt.Da bei der ersten Belichtung im Lack N2

frei gesetzt wird ist darauf zu achten,dass dieser vor dem Umkehrbackschrittausreichend aus der Lackschicht aus-diffundiert ist. Die hierzu notwendige

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

140°C

130°C

120°C

110°C

100°C

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%)

Backzeit (Minuten)Beim Umkehrbackschritt wird ein von der Back-temperatur und -zeit abhängiger Teil des Foto-initiators zerstört.

UV

Maske

Lack

Substrat

Geringe Lichtdosis ...

... starker Unterschnitt

Große Lichtdosis ...

... wenig Unterschnitt

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Wartezeit hängt vom verwendeten Lack und stark von dessen Schichtdicke ab: 1-2 µm dickeLackschichten benötigen eine Wartezeit von wenigen Minuten, bei 10 µm Lackschichtdickekann eine Stunde notwendig sein. Bei zu kurzer Wartezeit führt der N2-Druck im beim Ba-cken erweichenden Lack zu Bläschenbildung bis hin zum großflächigen Aufschäumen derLackschicht.Die FlutbelichtungHierbei werden die bislang noch nicht belichteten Lackbereiche ohne Maske belichtet. DieLichtdosis sollte auch die substratnahen Lackbereiche vollständig belichten, eine Überbelich-tung schadet dem Prozess also nicht. Deshalb empfiehlt sich eine Dosis, welche mindestensdoppelt 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 vonDNQ-basierten Lacken generell -eine Mindestdosis Wasser benö-tigt, gilt auch hier die Notwendig-keit der Rehydrierung vor derFlutbelichtung. Details hierzu fin-den sich im Dokument Rehydrie-rung von Fotolacken.Die EntwicklungDie Entwicklungsrate hängt nebendem verwendeten Lack von denUmkehrbackparametern ab. Jeheißer und länger dieser erfolgte,desto größer der Anteil des dabeizerstörten Fotoinitiators.Der Grad der Überentwicklung -also die Entwicklungsdauer nachdem Frei-entwickeln der Struktu-ren, bezogen auf die gesamteEntwicklungsdauer - bestimmtmaßgeblich die Ausprägung desUnterschnitts. Wie die Querbruch-Aufnahmenserie rechts zeigt, wer-den die substratnahen Bereichedes Unterschnitts erst dann zu-nehmend deutlich heraus-entwickelt, wenn das Substratbereits freigelegt ist.Eine 30%ige Überentwicklung istein guter Anhaltspunkt für eigeneOptimierungen. Bei dicken Lack-schichten und schmalen Lack-strukturen sollte darauf geachtetwerden, dass der beidseitige Un-terschnitt die Lackstege nichtüberbrückt und diese so vom Sub-strat liften.

Besonderheiten zur Prozessierung von Negativlacken für Lift-offDie BelichtungsdosisGrundsätzlich gilt für die Auswirkung der Belichtungsdosis das gleiche wie für Umkehrlackebeschriebene: Je geringer die Belichtungsdosis, desto mehr beschränkt sich der später quer-vernetzte und nicht entwickelbare Lackbereich auf die Schicht nahe der Lackoberfläche, unddesto progressiver ist der später entwickelbare Unterschnitt. Größere Belichtungsdosen ma-chen die Kanten steiler und die späteren Lackstege breiter.

Diese Serie an Querbruchaufnahmen in verschiedenenEntwicklungsstadien zeigt, wie sich der Unterschnitt erst nachder Durchentwicklung herausarbeitet. Die Zeitangaben bezie-hen sich auf den Start der Entwicklung.

3s 19 s

4 s

22 s

5 s

25 s

7 s

29 s

9 s

37 s

11 s

46 s

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Der Post Exposure BakeBei diesem Backschritt (PEB) quervernetzen die belichteten Lackbereiche und werden dabeiim Entwickler unlöslich. Ist die Temperatur des PEB zu gering, bleibt die Quervernetzungschwach ausgeprägt, und der Abtrag der belichteten Lackbereiche im Entwickler istvergleichsweise groß. Hohe PEB-Temperaturen quervernetzen auch schwach belichtete Be-reiche im Lack, so dass die erzielten Lackstrukturen breiter werden. Zudem sinkt bei hohenPEB-Temperaturen auch die Entwicklungsrate, da dabei auch im nicht belichteten Lack einethermische Quervernetzung statt findet.Die EntwicklungWie im gleichnamigen Abschnitt unter „Besonderheiten zur Prozessierung von Umkehrlackenfür Lift-off“ beschrieben, wird der Unterschnitt erst gegen Ende der Entwicklung herausgear-beitet. Entsprechend gilt auch für Negativlacke die Empfehlung einer Über-Entwicklung voneinigen 10%.Anders als bei nicht-quervernetzenden Umkehrlacken können zur Entwicklung querver-netzender Negativlacke auch organische Lösemittel wie z. B. PGMEA verwendet werden wasbei alkalische empfindlichen Substraten eine gute Alternative zu KOH-, NaOH- oder TMAH-basierten Entwicklern darstellt.

Beschichten der Lackmaske: Häufige ProblemstellungenManchmal zeigen belackte Substrate nach dem Sputtern oder Aufdampfen ein unregelmäßi-ges Erscheinungsbild. Das kann folgende Ursachen haben:Thermisches Verfließen von Positiv- oder UmkehrlackenBeim Bedampfen, Sputtern oder PECVD belackterSubstrate kann die Lackschicht über eine Substrat-heizung, die Strahlung der Verdampferquelle, dieKondenswärme des wachsenden Films oder die kine-tische Energie der Ionen aus dem Plasma über dieErweichungstemperatur des nicht-quervernetztenLacks (typ. 110 - 130 °C) erhitzt werden.Abhilfe gegen ein thermisches Verfließen bieten

eine optimierte Wärmekopplung des Substrats andessen Halterung (z. B. etwas Turbopumpenöl fürgute Wärmeabfuhr verspannter, gekrümmter Sub-strate),ein ausreichender Wärmepuffer (massive Kon-struktion des Substrathalters) odereine Wärmeabfuhr (z. B. schwarz eloxiertes Alumi-nium als rückseitiger Wärmeabstrahler) desSubstrathalters,DUV-Härtung (abwechselnde Belichtung mit Wel-lenlängen < 250 nm und Backen bei zunehmendhöheren Temperaturen, starten unterhalb derErweichungspunkts) odereine verringerte Abscheiderate bzw. mehrstufigeBeschichtung mit Abkühlpausen dazwischen,ein thermisch stabiler Fotolack (z. B. AZ® 701 MiR oder die AZ® 6600-Serie wenn einPositivlack verwendet werden muss, oder TI 35ES im Umkehrmodus bei dem sich dieErweichungstemperatur eine hohe Umkehrbacktemperatur weiter steigern lässt.

Verdampfen von Lösemittel oder WasserEin unzureichender Softbake kann zum Verdampfen von Restlösemittel in der unter demwachsenden Film eingeschlossenen Lackschicht und so zu Blasenbildung führen. Möglich istauch das Verdampfen von Wasser, welches beim Entwickeln in die Lackschicht eingedrungenist und bei einem erneuten Backen nach dem Entwickeln bei z. B. 100°C (unter demErweichungspunktes des Fotolacks!) verdampft werden kann.

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N2-Bildung bei PositivlackenEin weiterer möglicher Grund für eine Blasenbildung in der Lackschicht kann N2 als Neben-produkt der Fotoreaktion sein, welcher bei der (unbeabsichtigten) Belichtung der Lackschichtbei deren Beschichtung durch die UV-Strahlung der Verdampferquelle oder aus dem Plasmabeim Sputtern oder der CVD freigesetzt wird.In diesem Fall empfiehlt sich eine ausreichende Flutbelichtung gefolgt von einer Wartezeitnach dem Entwickeln, um die Stickstoffquelle (Fotoinitiator) wie auch den bereits gebildetenN2 aus der Lackschicht soweit möglich zu entfernen.

Lift-off: Häufige Problemstellungen„Zäune“ nach dem Lift-offWerden beim Beschichten der Lackstrukturen auch die Lackflanken beschichtet, erfolgt derAbriss an einer mehr oder weniger zufälligen Stelle, wobei aufgestellte zaunartige Struktu-ren des zu liftenden Materials auf dem Substrat verbleiben.In diesem Fall schaffen folgende Punkte Abhilfe:

Thermisch gerichtetes Aufdampfen des Materials anstelle des weitgehend ungerichtetenSputternsBei der Verwendung von Positivlacken auf S. 2 gelisteten Empfehlungen zum Erzielen undBeibehalten senkrechter LackprofileBei der Verwendung von Umkehr- oder Negativlacken möglichst ausgeprägt unterschnitte-ne Lackprofile (geringe Belichtungsdosis, ausreichende Lackschichtdicke, ausreichendeÜberentwicklung)Bei nicht-quervernetzten Lacken kein Überschreiten des Erweichungspunktes beim Be-schichten über eine verringerte Abscheiderate bzw. mehrstufige Beschichtung mit Abkühl-pausen dazwischen bzw. eine verbesserte thermische Kopplung des Substrats an denSubstrathalter

Redeposition von geliftetem MaterialBeim Lift-off mit dem rasch verdunstenden Lösemitteln wie Aceton setzen sich oft Flitterbereits gelifteten Materials auf dem Substrat ab und lassen sich nur sehr schwer wieder ent-fernen.Besser geeignet sind höher siedende Lösemittel wie NMP oder DMSO (beides von uns ver-trieben), welches aufgrund seines sehr geringen Dampfdrucks zudem auf 80°C erhitzt wer-den kann. Eine zusätzliche Ultraschallbehandlung kann den Lift-off beschleunigen.Lift-off funktioniert schlecht oder gar nichtFalls die Lackschicht lückenlos dick (> einige 100 nm) beschichtet wurde wird ein Lift-offschwierig bis unmöglich. Um eine durchgehende Beschichtung zu vermeiden empfehlen sichdie 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. Inbeiden Fällen hilft es, die beim Beschichten auftretende Maximaltemperatur über eine verrin-gerte Abscheiderate bzw. mehrstufige Beschichtung mit Abkühlpausen dazwischen bzw. eineverbesserte thermische Kopplung des Substrats an den Substrathalter zu verringern.

GewährleistungAlle in dieser Broschüre enthaltenen Informationen, Prozessbeschreibungen, Rezepturen etc.sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammengestellt. Dennoch können wir keine Ga-rantie für die Korrektheit der Angaben übernehmen. Grundsätzlich ist jeder Mitarbeiter dazuangehalten, sich im Zweifelsfall in geeigneter Fachliteratur über die angedachten Prozessevorab ausreichend zu informieren, um Schäden an Personen und Equipment auszuschließen.

AZ® und das AZ Logo sind eingetragene Markenzeichen der AZ Electronic Materials (Germany) GmbH.