Silizium SiN ARC
6.6 Öffnungen von Lacken
Die selektive Öffnung von dielektrischen Schichten für Metallisierungsanwendungen hat viele Vorteile, angefangen von der Möglichkeit zur Bearbeitung verschiedener Oberflächen und Schichten bis hin zu sehr kleinen erreichbaren Strukturgrößen. Allerdings ist die darauf folgende Metallisierung darauf angewiesen, selektiv deponierbar zu sein. Dies kann, wie bereits erwähnt, mit Hilfe von selektiven Abscheidungen aus einem Galvanikbad oder aber auch durch direkt schreibende Verfahren wie zum Beispiel dem Ink-Jet oder Aerosolspritzen erfolgen, zumindest solange mit diesen Verfahren leitfähige Schichten abgeschieden werden
können. In den beiden letzten Fällen ist man dann allerdings auf eine hohe Genauigkeit der Positioniersysteme angewiesen, um die Metallisierung mit der davor erzeugten Öffnung in der dielektrischen Schicht in Deckung zu bekommen.
Wenn man ganzflächige Metallisierungsverfahren wie zum Beispiel Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben verwenden will, muss man sich des sogenannten „Lift-Off“ Verfahrens behelfen.36 Hierbei wird eine maskierende Schicht entweder ganzflächig auf den Wafer aufgebracht und anschließend strukturiert (dies entspricht der klassischen Photolithographie) oder aber bereits in einer definierten Struktur abgeschieden. Letzteres kann wie im oben erwähnten positiven Verfahren hier auch negativ erreicht werden, d.h. statt eine Linie zu drucken wird eine Linie ausgespart. Anschließend wird auf diese Maske die Metallisierungsschicht ganzflächig abgeschieden. An den Öffnungen kommt die Metallschicht in direkten Kontakt mit dem Wafer und bleibt dort haften. An den übrigen Stellen liegt die Metallschicht auf der maskierenden Schicht. Durch Tauchbaden in einem selektiv auf die Bestandteile dieser maskierenden Schicht wirkenden Lösungsmittel kann diese nun abgehoben werden, wobei gleichzeitig die darüber liegende Metallschicht ebenfalls abgenommen wird. Die führt zum Freilegen der überschüssig metallisierten Fläche.
Als Maske wird üblicherweise eine organische Verbindung verwendet. Dieser Lack muss verschiedene Anforderungen erfüllen: im Fall der Photolithographie muss er bei spezieller Beleuchtung seine chemischen Eigenschaften so verändern, dass er selektiv herausgeätzt werden kann. Diese Eigenschaft der sogenannten Photolacke macht sie sehr teuer. Im Falle des Tintenstrahldruckens muss der Lack zumindest eine Konsistenz aufweisen, welche ihn gut druckbar macht. Auch dies kann die Anzahl der verwendbaren Lacke einschränken.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Öffnungskonzept für organische Lacke entwickelt. Hierbei wird ein kostengünstiger und organischer, aber ansonsten beliebiger Lack ganzflächig in einer dünnen Schicht (möglichst ≤ 15 µm) auf den Wafer aufgebracht. Die Aufbringungsmethode spielt hierbei eine eher untergeordnete Rolle, solange sie eine homogene dünne Schicht erzeugen kann. So kann die Schicht beispielsweise gesprüht, gedruckt, geschleudert oder im Tauchbad aufgebracht werden. Anschließend werden mit Hilfe eines Lasers die gewünschten Strukturen im Lack durch selektive Ablation erzeugt.
Hierzu wird ein CO2-Laser verwendet, welcher aufgrund der hohen Absorption der Wellenlänge von ~ 10 µm in Wasser bzw. organischen Stoffen (siehe Abbildung 6-29 links) hervorragend vom Lack absorbiert wird, durch die geringe Absorption im Silizium (siehe Abbildung 6-29 rechts) und den eventuell vorhandenen dielektrischen Schichten (siehe Kapitel 6.1.1 und 6.2.1) diese jedoch ohne Interaktion durchdringt. Der verwendete Laser ist in Kapitel 3.5.3 beschrieben.
In Abbildung 6-30 ist links beispielhaft eine Ablationsstruktur zu sehen. Hierzu wurde ein Wafer verwendet, welcher mit siebgedrucktem Lack der Dicke d ≈ 15 µm beschichtet war.
Beim Siebdruck wurde bereits eine Struktur im Lack erzeugt, welche als breiter Bogen im Mikroskopbild zu sehen ist. Die im Mikroskopbild sichtbare schmale Linie hingegen wurde mit dem Laser erzeugt. Sie hat eine Breite von ~ 50-60 µm und ist vollständig geöffnet. Das darunter liegende, mit ca. 200 nm SiO2 beschichtete Silizium ist noch unbeschädigt.
36 Dieser Prozess des gemeinsamen Abhebens von Opfermaske und darüber liegender Schicht wird – wie gemeinhin üblich – mit dem Anglizismus „Lift-Off“ bezeichnet.
0 5 10 15 20 25 30 10-4
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105
H2O
optische Eindringtiefe XL [cm]
Wellenlänge λ [µm] 0 5 10 15 20 25 30
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105
Silizium
optische Eindringtiefe XL [cm]
Wellenlänge λ [µm]
Abbildung 6-29: Optische Eindringtiefe XL von Wasser [128] (links) sowie von Silizium [173]
(rechts) im Wellenlängenbereich 0 µm < λ < 30 µm. Gegenüber beispielsweise den klassischen Nd:YAG-Wellenlängen ist im infraroten Bereich für Wasser eine deutlich höhere Absorption zu sehen, während die Absorption von Silizium gering ist.
Abbildung 6-30 (rechts) zeigt die Rückseite eines Wafers, welcher eigentlich auf der Vorderseite bearbeitet werden sollte. Die geringe Absorption im Silizium lässt die Transmission der Laserstrahlung beinahe ungehindert zu. Obwohl die Absorption von Metallen im infraroten Spektralbereich (λ ~ 10 µm) ebenfalls niedrig ist, so reicht sie dennoch aus, das Metall des unter der Probe befindlichen Probentischs zu schmelzen und dieses auf dem darauf liegenden Wafer abzuscheiden.
Abbildung 6-30: Mit einem CO2-Laser ablatierter Siebdrucklack (links). Während der breite Bogen beim Siebdrucken ausgespart wurde, ist die schmale Linie mit dem Laser ablatiert.
Rechts ist eine Metallabscheidung auf der Rückseite eines mit SiO2 beschichteten Wafers aufgrund durch den Wafer transmittierter Laserstrahlung zu sehen. Die Strahlung wurde vom Bearbeitungstisch absorbiert, sodass sich das dort ablatierte Metall auf der Probenoberfläche abgeschieden hat.
Mit Hilfe von Lebensdauerteststrukturen kann Aufschluss über die laserinduzierte Schädigung des CO2-Lasers auf den Siliziumwafer erhalten werden. Die Lebensdauerteststruktur besteht aus einem 1 Ω cm p-Typ FZ Wafer, auf welchen beidseitig 105 nm SiO2 thermisch aufgewachsen wurde. Der Wafer ist in vier 30 × 30 mm2 große Felder
aufgeteilt (siehe Abbildung 6-31 links). Eines dient als Referenz und wird nicht bearbeitet.
Die übrigen Felder sind ganzflächig mit einem zu Abbildung 6-30 identischen Parameter (1000 mm/s Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf der Probe, fP = 100 kHz, maximale Leistung und 0.2 mm Linienabstand) bearbeitet worden, wobei diese Struktur 1 – 3 mal auf den unterschiedlichen Feldern abgefahren wurde.
Abbildung 6-31: Grafische Darstellung der Feldpositionen auf der Lebensdauerstruktur (links). Die Felder wurden ganzflächig mit Laserlinien unterschiedlicher Wiederholungen bearbeitet. Ergebnis der Lebensdauermessung durch MW-PCD (rechts).
Rechts in Abbildung 6-31 ist das Ergebnis der ortsaufgelösten Lebensdauermessung mit Hilfe des mikrowellendetektierten Photoleitfähigkeitsabklingens MW-PCD [114, 129] zu sehen. Hier lässt sich kein Anzeichen der mit dem Laser abgerasterten Felder entdecken, weswegen davon ausgegangen werden kann, dass die davor durchgeführte Bestrahlung keine Schädigung im Material erzeugt hat. Die Lebensdauermessungen implizieren, dass es möglich ist, auf Siliziumsubstraten mit Hilfe von Lackablation durch CO2-Laserstrahlung beliebige Strukturen in der Lackschutzschicht zu erzeugen. Dies ermöglicht den Transfer von klassischen, auf Lift-Off Technologien basierende Photolithographieverfahren in die industrielle Fertigung.