LIFT-OFF

Während die Strukturierung über Ätzprozesse aus einer ganzflächigen Beschichtung des Substrats durch eine Maskierung partiell Material entfernt, wird beim Lift-off Verfahren nur dort Material direkt auf dem Substrat abgeschieden, wo dieses nicht durch eine Lackmaske geschützt ist. Der nachfolgende Text beschreibt die Anforderungen an die Erzielung, einer für die Beschichtung und den Lift-off geeigneten Lackmaske, Problemstellungen in Hinblick auf deren Beschichtung, sowie das schlussendliche Entfernen der Lackmaske mit dem darauf abgeschiedenen Material.

Grundprinzip des Lift-off Verfahrens

Prozessfolge

Die Abbidung zeigt die grundlegenden Unterschiede in den Prozessfolgen bei der Strukturierung von Schichten via Ätzen (linke Spalte) und Lift-off (rechte Spalte). Während für Ätzprozesse die Fotolackprozessierung auf einer zuvor aufgebrachten Beschichtung erfolgt, wird beim Lift-off Verfahren die Beschichtung auf bereits realisierte Fotolackstrukturen aufgebracht. Der anschließende eigentliche Lift-off entfernt die Lackstrukturen zusammen mit dem darauf abgeschiedenen Material, während das durch die Öffnungen der Lackmaske direkt auf das Substrat aufgebrachte Material an diesen Flächen wie gewünscht verbleibt. Wie das Schema zeigt, muss bei einem Wechsel zwischen einem Ätz- und Lift-off-Prozess die Fotomaske zur Lackprozessierung invertiert, oder zwischen einer Positiv- und Negativprozessierung des Fotolacks gewechselt werden.

Vor- und Nachteile zu Ätzprozessen

Während es beim nasschemischen Ätzen stets zu einem mehr oder weniger stark ausgeprägten Unterätzen der Lackstrukturen kommt, ermöglicht das Lift-off Verfahren prinzipiell sehr genau definierte Strukturen. Dies gilt jedoch in erster Linie für eine durch Aufdampfen erzielte Beschichtung: Isotrope Sputterprozesse beschichten auch die Lackflanken was zu unregelmäßig begrenzten Strukturen führen kann. Bei einigen Materialien wie Gold oder Siliciumnitrid ist ein nasschemisches Ätzen aufgrund der schlechten Haftung darauf aufgebrachter Lackmasken oftmals problematisch und daher Trockenätzen oder Lift-off eine sinnvolle Alternative. Nasschemische Ätzprozesse scheiden auch dann aus, wenn die erforderlichen Chemikalien aus z. B. arbeitssicherheitstechnischen Gründen nicht eingesetzt werden können oder sollen. Wenn es durch den Beschichtungsprozess und dessen Dauer zu einer starken Erwärmung des Substrats kommt sind Lift-off Prozesse u. U. kritisch, da hierbei die bereits vorhandenen Fotolackstrukturen thermisch beeinträchtigt werden was sich in einem thermischen Verrunden oder/und einer thermischen Quervernetzung zeigen kann.

Für Lift-off Prozesse geeignete Fotolacke

Positivlacke

Falls weder die Notwendigkeit einer hohen thermischen Stabilität gegen Verfließen beim Beschichten der Lackstrukturen, noch die Vorgabe unterschnittener Lackprofile besteht, spricht nichts gegen den Einsatz von Positivlacken für Lift-off Prozesse. Zur Minimierung einer ungewollten Beschichtung der Lackflanken empfehlen sich Maßnahmen zur Erzielung möglichst senkrechter Lackprofile. Für bei höheren Temperaturen durchgeführte Beschichtungsprozesse ist der Einsatz thermisch stabiler Fotolacke mit für Positivlacke vergleichsweise hohen Erweichungstemperatuperaturen durchgeführte Beschichtungsprozesse ist der Einsatz thermisch stabiler Fotolacke mit für Positivlacke vergleichsweise hohen Erweichungstemperaturen wie z. B. der AZ^_® 701 MiR oder die AZ^_® ECI 3000 Serie sinnvoll.

Negativlacke

Negativlacke vereinen zwei für Lift-off Prozesse oftmals wichtige Eigenschaften: Je nach verwendetem Fotolack kann einer mehr oder weniger stark ausgeprägter Unterschnitt in den entwickelten Lackprofilen erzielt werden, und die Quervernetzung verhindert ein thermisches Verfließen der Lackstrukturen während der Beschichtung. Falls hierbei die Temperaturen jedoch zu stark ansteigen, kann der Quervernetzungsgrad des Lacks soweit zunehmen, dass der anschließende Lift-off aufgrund der zunehmenden Unlöslichkeit der Lackstrukturen schwierig bis unmöglich wird. Eine für Lift-off Anwendungen optimierte Lackserie sind die Negativlacke der Familie AZ^_® nLOF 2000 mit Lackschichtdicken zwischen ca. 2 und 10 μm.

Umkehrlacke

Umkehrlacke erlauben im Negativmodus ein in Grenzen einstellbar unterschnittenes Lackprofil ohne bei der Prozessierung nennenswert querzuvernetzen. Dadurch bleiben die Lackstrukturen anfällig für ein thermisches Verrunden während der Beschichtung, lassen sich verglichen mit quervernetzenden Negativlacken jedoch tendenziell leichter liften.

Die Beschichtung

Sputtern oder Aufdampfen?

Beim Sputtern erfolgt die Abscheidung des Materials mehr oder weniger isotrop, wodurch die Flanken auch stärker unterschnittener Lackstrukturen ebenfalls mit beschichtet werden. Das Lift-off Medium kann die Lackstrukturen erst dann lösen wenn es die Beschichtung an den Flanken durchdrungen hat, was für reproduzierbare
Lift-off Anwendungen die Dicke gesputterte Schichten in der Praxis auf maximal wenige 100 nm begrenzt. Das Aufdampfen von Schichten erfolgt gerichtet, wodurch selbst positive Lackflanken nur in geringem Ausmaß, die Flanken unterschnittener Lackprofile gar nicht mitbeschichtet werden. Dadurch ist ein sauberer Lift-off auch bei dickeren Schichten meist problemlos möglich.

Thermische Effekte auf die Lackstrukturen

Beim Beschichten von Lackstrukturen via Aufdampfen, Sputtern oder CVD kann das Substrat und damit die Lackstrukturen 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 verwendeten Lacks erhitzt werden. Hierbei verformen und verrunden die Lackstrukturen und werden dadurch vollflächig beschichtet, was den nachfolgenden Lift-off erschwert bzw. unmöglich macht.
Abhilfe gegen ein thermisches Verfließen bieten ein thermisch stabiler Fotolack wie der AZ^_® 701 MiR oder die AZ^_® ECI 3000 Serie

• 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,
• Tief-UV-Härtung oder
• eine verringerte Abscheiderate bzw. eine mehrstufige Beschichtung mit zwischengeschalteten Abkühlpausen.

Stickstoff-Bildung

Die entwickelten Strukturen DNQ-basierter Positivlacke sind noch fotoaktiv und können beim Beschichten durch die hierbei präsente kurzwellige UV-Strahlung der Verdampferquelle bzw. des Plasmas bei Sputteroder CVD-Prozessen ungewollt belichtet werden. Hierbei wird Stickstoff freigesetzt, welche, unter der wachsenden (Metall-) Schicht eingeschlossen, in der bei höheren Temperaturen weicher werden Lackschicht Bläschen bilden können. Die Strukturen sehen nach der Beschichtung dann oftmals „verrissen“ oder wellig aus. Um diese ungewollte Belichtung samt der Freisetzung des Stickstoffs der Beschichtung vorwegzunehmen, dient eine Flutbelichtung der Lackstrukturen nach der Entwicklung ohne Maske mit ausreichend hoher (ca. die zwei- bis dreifache Lichtdosis der Struktur-gebenden Belichtung) Dosis der entwickelten Positivlackstrukturen. Um den dabei gebildeten Stickstoff vor dem folgenden Vakuumprozess ausdiffundieren zu lassen ist eine anschließende Wartezeit wichtig, deren Dauer stark von der Lackschichtdicke abhängt, und typischerweise zwischen einigen Minuten für wenige μm dicke Lackschichten, bis ca. einer Stunde für 10 μm dicke Fotolacke beträgt.
Umkehrlacke im Umkehrmodus benötigen diese Flutbelichtung nicht, da durch den Umkehrprozess die Lackstrukturen nicht mehr fotoempfindlich sind. Für den Lift-off optimierte Negativlacke wie die AZ^_® nLOF 2000 Negativlackserie setzen beim Belichten durch ihre spezielle Fotochemie keinen Stickstoff oder andere Gase frei.

Der Lift-off

Geeignete Lift-off Medien

Grundsätzlich eignen sich nahezu alle organischen Lösemittel als Lift-off Medium, wobei nieder siedende Lösemittel wie Aceton nicht empfehlenswert sind: Zum Einen können diese zur Beschleunigung des Lift-off nicht erwärmt werden, zum Anderen bergen rasch verdunstende Lösemittel die Gefahr der Redeposition gelifteter (Metall-) Flitter auf das Substrat, welche sich danach kaum mehr entfernen lassen. Wir empfehlen für saubere und reproduzierbare Lift-off Prozesse hoch siedende Lösemittelgemische der TechniStrip^_® Reihe (z. B. den NI 555 für die AZ^_® nLOF 2000 Negativlacke), welche bei höheren Lift-off Temperaturen auch quervernetzte Lackstrukturen auflösen können und mit den meisten gängigen Substratmaterialien mit Ausnahme von III/V-Halbleitern hinreichend kompatibel sind.

„Zäune“ nach dem Lift-off

Werden beim Beschichten der Lackstrukturen auch deren Flanken beschichtet, erfolgt beim Lift-off der Abriss an einer mehr oder weniger zufälligen Stelle auf der Lackflanke, wonach aufgestellte zaunartige Strukturen des zu liftenden Materials auf dem Substrat verbleiben.
Als Abhilfe kommen in Frage:

• Thermisch gerichtetes Aufdampfen des Materials anstelle des weitgehend ungerichteten Sputterns, welches stets auch die Lackflanken mitbeschichtet
• Im Falle der Notwendigkeit der Verwendung von Positivlacken bei gerichtetem Aufdampfen die Erzielung möglichst senkrechter Lackflanken
• Bei der Verwendung von Umkehr- oder Negativlacken die Anwendung von Prozessparametern für möglichst ausgeprägt unterschnittene Lackprofile
• Bei nicht-quervernetzten Lacken kein Überschreiten des Erweichungspunktes beim Beschichten über die gelisteten Maßnahmen.

Weitere Informationen: