Das Lift-off-Verfahren () ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik eine Prozessfolge zur Herstellung einer meist metallischen Mikrostruktur. In einem ersten Prozessschritt werden dabei strukturierte dünne Schichten auf der Oberfläche von Substraten wie beispielsweise Wafern erzeugt. Auf diese strukturierte Opferschicht wird dann das Zielmaterial ganzflächig abgeschieden. Jene Bereiche, in denen sich das Zielmaterial auf der Opferschicht befindet, werden anschließend durch einen weiteren Prozessschritt entfernt, und die verbliebenen Strukturen bilden die gewünschte Mikrostruktur. Die Größe der mit dem Lift-off-Verfahren herstellbaren Strukturen reicht von einigen zehn Nanometern bis zu Zentimetern, wobei die typischen Strukturgrößen im Mikrometerbereich liegen. Eingesetzt wird das Verfahren unter anderem zur Herstellung von Leiterbahnebenen oder Kontaktflächen bei der Fertigung von integrierten Schaltungen (ICs) und Mikrosystemen. Im Gegensatz zu diesem additiven bzw. aufbauenden Verfahren stehen die subtraktiven Verfahren, bei denen zuerst ganzflächig eine homogene Schicht des Zielmaterials auf dem Substrat abgeschieden wird und die spätere Struktur durch Ätzen dieser Schicht entsteht.
Prozessbeschreibung hochkant=2|mini|Schematische Darstellung einer Beispielprozessfolge Das Lift-off-Verfahren ist eine relativ einfache und effiziente Folge aus verschiedenen Grundverfahren der Halbleitertechnik. Eine typische Prozessfolge besteht zum Beispiel aus der fotolithografischen Strukturierung, dem Schichtabscheiden und dem Entfernen der Fotolackschicht. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch verschiedene Varianten entwickelt, wobei deren Möglichkeiten sehr von den verwendeten Prozessbedingungen bzw. -einstellungen abhängen. Im Folgenden werden daher nur die grundlegenden Prozessschritte beschrieben.
Der Lift-off-Prozess beginnt mit dem ganzflächigen Abscheiden der späteren Opferschicht (häufig Fotolack) auf einem vorbehandelten Substrat. Die Vorbehandlung umfasst in der Regel das Reinigen des Substrates und falls notwendig eine Planarisierung der Oberfläche (beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren oder den Auftrag einer Haftvermittlerschicht). Anschließend erfolgt die fotolithografische Strukturierung der Opferschicht mit einem inversen Muster der späteren Struktur. Die Parameter der Opferschichtstrukturierung sollten dabei so eingestellt werden, dass sich hochgradig vertikale Seitenwände oder Seitenwände mit leichtem Unterschnitt (negativer Seitenwandwinkel) ergeben.
Nach der Strukturierung der Opferschicht folgt das ganzflächige Abscheiden des Zielmaterials, beispielsweise Aluminium, durch thermisches Verdampfen. Dabei sollte es zu keiner Verbindung zwischen dem abgeschiedenen Zielmaterial auf dem Substrat und dem Zielmaterial auf der Opferschicht kommen, damit zum einen diese Verbindung später nicht nachträglich aufgetrennt werden muss, zum anderen die Seitenflächen der Opferschicht weiterhin unbedeckt sind und somit die Entfernung der Opferschicht im letzten Prozessschritt nicht behindert wird. Eine Verbindung der beiden Bereiche kann durch zwei Rahmenbedingungen vermieden werden:
Die Schichtdicke des Opfermaterials sollte mindestens dreimal so groß sein wie die des Zielmaterials, denn andernfalls wird die Opferschichtstruktur zu sehr gefüllt und blockiert spätere Prozessschritte. Der Beschichtungsprozess sollte eine schlechte Kanten- bzw. Seitenwandbedeckung aufweisen, so dass an der Seitenwand der Opferschicht möglichst kein Material abgeschieden wird. Hierfür eignen sich beispielsweise das thermische Verdampfen oder bestimmte Varianten der Sputterdeposition.
Beim Abscheiden des Zielmaterials ist weiterhin darauf zu achten, dass die Opferschicht diesen Arbeitsschritt unbeschadet übersteht. Für den Einsatz von Fotolack als Opferschicht bedeutet dies, dass die Prozesstemperatur die Glastemperatur des Fotolacks nicht überschreiten darf. Aus diesem Grund wird die Zielschicht meist bei Raumtemperatur abgeschieden und ist daher häufig amorph oder polykristallin.
Im letzten Prozessschritt wird die Opferschicht nasschemisch entfernt. Dazu kann beispielsweise der Fotolack in einem Lösungsmittel (z. B. Aceton) aufgelöst werden, gegebenenfalls mit Ultraschallunterstützung. Die Opferschicht wird dabei von den Seitenwänden (Flanken) her aufgelöst. Das Zielmaterial auf der Oberseite der Opferschicht wird mit abgehoben () und weggewaschen. Danach verbleibt das Zielmaterial nur mehr in solchen Regionen, wo es einen direkten Kontakt mit dem Substrat hatte.
Typische Prozessfehler mini|hochkant=2|Schematische Darstellung typischer Fehler
Die fertige Struktur kann nach dem Auflösen der Opferschicht drei prozessbedingte typische Fehler aufweisen:
Zurückbleibendes Material: Dabei handelt es sich in der Regel um nicht aufgelöstes Opferschichtmaterial und das darauf befindliche Zielmaterial. Dieses Problem tritt auf, wenn das Opfermaterial von Zielmaterial umschlossen wurde und vom Lösungsmittel daher nur schlecht oder gar nicht angreifbar war. Wiederabscheidung: Darunter versteht man die Anlagerung von abgelöstem Material, welches sich wieder an der Oberfläche anlagert. Diese Partikel sind nach dem Prozess nur schwer bis überhaupt nicht entfernbar, vor allem nach dem Trocknen des Wafers. Grate: Dabei handelt es sich um Zielmaterial, das an den Seitenwänden der Opferschicht abgeschieden wurde und nach dem Entfernen der Opferschicht stehen bleibt. Solche Grate haben negative Auswirkungen auf nachfolgende Herstellungsschritte, denn sie erzeugen zum einen eine unerwünschte Topografie auf dem Wafer, die beispielsweise eine gleichmäßige Abscheidung einer weiteren Schicht behindert. Zum anderen können sie auch „umfallen“ und so einen elektrischen Kurzschluss erzeugen.
Die drei Fehlerbilder sind mehr oder weniger stark die Folge einer Seitenwandbedeckung der strukturierten Opferschicht durch Zielmaterial. Daraus folgt, dass eine gute Strukturqualität entscheidend vom Profil der Opferschicht und der „Kantenbedeckung“ des Beschichtungsverfahrens abhängt. Günstig sind hierbei eine Kombination aus unterschnittenen (negativen) Flanken oder Opferschichtsystemen, bei denen die unterste Schicht zurückgeätzt wurde, und einem Beschichtungsverfahren mit schlechter Kantenbedeckung.
Prozessvarianten mini|Prozessvarianten mit unterschiedlichen Opferschichten nach einer Abscheidung des Zielmaterials (schwarze Bereiche). Schematisch dargestellt sind:A) ein Einschichtsystem mit negativem Flankenwinkel, z. B. Fotolack mit BildumkehrschrittB) ein Zweischichtsystem, bei dem die untere Schicht nach der Strukturierung zurückgeätzt wurde.
Das Lift-off-Prinzip zur Herstellung von Metallstrukturen wurde bereits in den 1940er-Jahren vor den Anfängen der Mikroelektronik beschrieben. Seitdem wurden in der Literatur zahlreiche Varianten entwickelt, die sich im Hinblick auf die abgeschiedene Schicht, die Opferschicht und die eingesetzte Chemie sowie zahlreiche Prozessparameter und die Anwendungsbereiche voneinander unterscheiden. Wie bereits erwähnt, nutzen einfache Verfahren eine Schicht aus Fotolack oder einem Polymer wie Polymethylmethacrylat (PMMA), wobei diese Opferschicht mittels konventioneller Fotolithografie strukturiert werden kann – erstmals 1969 durch Hatzakis für die Herstellung von Leiterbahnen und Source/Drain-Kontakten aus Aluminium vorgestellt. Es wurden aber auch Prozessvarianten beschrieben, die Elektronenstrahl- oder Imprintlithografie nutzen. Weiter entwickelte Varianten nutzen mehr oder weniger komplexe Schichtstapel als Opferschicht, beispielsweise Fotolack/Aluminium/Fotolack-, Polyimid/Molybdän- oder Polyimid/Polysulfon/Siliziumdioxid-Stapel etc. Der Einsatz eines zusätzlichen Ätzschrittsvgl. u. a. , mit dem die Seitenkante der untersten Opferschicht zurückgeätzt wird, wirkt hierbei wie ein unterschnittenes Kantenprofil und verhindert die Ausbildung einer geschlossenen Schicht an den Seitenwänden.
Neben Prozessvarianten mit unterschiedlichen Opferschichten bzw. -schichtsystemen wurden auch Verfahren beschrieben, bei denen der Lift-off-Effekt nicht durch chemische Auflösung erfolgt, sondern durch Abheben der beschichteten Opferschicht mithilfe eines Klebebandes () oder durch eingebrachte Spannungen im Material (vgl. Carbon-Dioxide-Snow-Technik).
Im Folgenden werden einige Prozessvarianten beispielhaft beschrieben.
Fotolithografie mit Bildumkehrschritt mini|hochkant=2|Prozessschritte für die Herstellung einer Fotolack-Opferschicht mit hinterschnittenem Profil mithilfe eines Umkehrheizschrittes und einem speziellen Positivfotolack (direkter Prozess) Bei der Verwendung einer Fotolackopferschicht wird häufig ein sogenannter Umkehrschritt (engl. ) genutzt, mit dessen Hilfe ein unterschnittenes Kantenprofil erzeugt werden kann. Dies ist mit einer einfachen fotolithografischen Strukturierung nur schwer möglich, da in den oberen Bereichen der Lackschicht Licht stets stärker absorbiert wird und sich so nach der Entwicklung ein Profil mit steilen Flanken oder Überschnitt ergibt, vgl. Schritt 2. in der nebenstehenden Abbildung. Umkehrfotolacke (engl. ) bieten die Möglichkeit der Bildumkehr (engl. ) der Maske. Je nach eingesetztem Umkehrfotolack wird zwischen einem direkten (sauer-katalytischen) und einem indirekten (basischen) Umkehrprozess unterschieden, sie ergeben je nach Prozessführung ein negatives oder ein positives Abbild der Maske.
Bei sauer-katalytischen Umkehrfotolacken, beispielsweise einem Diazonaphtoquinon (DNQ)/Novolak-Fotolack in Kombination mit einem beigemischten säureaktivierbaren Polymerisator (z. B. Hexamethoxymethylmelamin, HMMM), entspricht die Prozessführung bis zur Belichtung weitgehend einer normalen fotolithografischen Strukturierung (Lackauftrag, etc.). Eine Entwicklung des Fotolacks (Positivlack) unmittelbar nach dieser Belichtung würde daher ein positives Abbild der Maskenstruktur ergeben. Durch einen zusätzlichen Umkehrprozess vor der Entwicklung werden die Löslichkeitsverhältnisse jedoch umgekehrt. Das heißt, nach der Belichtung werden unlösliche Bereiche löslich und umgekehrt. Erreicht wird dies im Wesentlichen durch zwei Teilschritte. Zunächst folgt auf die Belichtung ein sogenanntes Umkehrausheizen (engl. ). Durch die Temperatureinwirkung werden in den belichteten Bereichen des Fotolacks Quervernetzungsreaktionen bewirkt und nach einer Ruhephase, in der eine ausreichende Rehydrierung sichergestellt wird (eine längere Lagerung an Luft ist dafür ausreichend), folgt der zweite Zusatzschritt. Eine Flutbelichtung des gesamten Wafers bewirkt in den noch unbelichteten Bereichen die Bildung von 3-Indencarbonsäure und macht diese Bereiche löslich gegenüber dem alkalischen Entwickler. Nach der Entwicklung entsteht so ein Negativbild der Maskenstruktur mit einem unterschnittenen Flankenprofil.
Bei basischen Umkehrfotolacken wird die Fotolackschicht nach der Belichtung zunächst einem Amin-Dampf oder einer Ammoniak-Lösung ausgesetzt. Dabei diffundiert ein basischer Katalysator in die Schicht, der beim anschließenden Umkehrheizen zur Zersetzung der in den belichteten Bereichen gebildeten 3-Indencarbonsäure führt. Die so entstandenen Inden-Derivate sind sehr wirksame Löslichkeitshemmer. Vor der Entwicklung des Lacks erfolgt wie beim direkten Prozess eine Flutbelichtung, bei der die zunächst unbelichteten Bereiche belichtet und somit löslich werden.