DE4401590A1 - Verfahren zur Herstellung strukturierter Metallisierungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung strukturierter Metallisierungen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung von strukturierten Lackschichten mit überhängenden Kan­ ten zur Herstellung entsprechend strukturierter Metallisie­ rungen, z. B. Leiterbahnen, auf Oberflächen von Halbleiter­ bauelementen.
Bei einem Verfahren, das die Herstellung von bis zu 1 µm dic­ ken Metallstrukturen auf planaren Oberflächen in Abhebetech­ nik ermöglicht, findet ein ca. 1 µm dicker Fotolack Verwen­ dung, an dessen Oberfläche durch Tränken mit Chlorbenzol überhängende Kanten erzeugt werden. Nach dem Aufdampfen der Metallisierung auf eine derart strukturierte Lackschicht wird das Metall im Bereich der Lackkanten in einem Naßätzschritt stärker angegriffen, so daß an diesen Stellen das Lösungsmit­ tel für den Lack angreifen und den Lack mit dem darauf be­ findlichen Anteil von Metall entfernen kann (Lift-off). Ein Verfahren zur Herstellung dafür geeigneter Lackstrukturen mit überhängenden Kanten ist z. B. beschrieben in M. Hatzakis, B. J. Canavello, J. M. Shaw "Single-Step Optical Lift-Off Pro­ cess" in IBM J. Res. Develop., Vol. 24, No. 4, pp. 452-460, 1980 und in G. G. Collins, C. W. Halsted "Process Control of the Chlorobenzene Single-Step Lift-Off Process with a Diazo- Type Resist" in IBM J. Res. Develop., Vol. 26, No. 5, pp. 596 -604, 1982. Mit der Verwendung von Chlorbenzol kann ein auf­ wendigeres Herstellungsverfahren, das zwei durch eine Zwi­ schenschicht getrennte Fotolackschichten verwendet und z. B. in der Einleitung der zweiten genannten Veröffentlichung er­ wähnt ist, ersetzt werden.
Um auf Halbleiterbauelementen Metallisierungen einer Dicke von 3 µm auch auf unstrukturierten Oberflächen mit Hilfe des Abhebeverfahrens (Lift-off) herstellen zu können, sind derart aufwendige Mehrlagenprozesse erforderlich. Einen hohen Auf­ wand erfordert es auch, dünne, z. B. bis ca. 0,5 µm dicke Me­ tallbahnen über ca. 1 bis 3 µm hohe Stufen auf der Oberfläche eines Bauelementes durch die Verwendung einer solchen Technik zu strukturieren. Bei der dann erforderlichen Mehrlagen-Foto­ technik wird ein erster Fotolack dick ganzflächig aufgebracht und ganzflächig belichtet, darauf eine Zwischenschicht (z. B. eine transparente, dielektrische Schicht wie z. B. SiNx, SiO₂, Al₂O₃ oder ein Metall wie z. B. Gold, Titan oder Chrom) aufgebracht und darauf ein zweiter, dünner Fotolack abge­ schieden. Es ist auch möglich, unter Verzicht auf die Zwi­ schenschicht die Oberfläche der unteren Lackschicht durch Einwirken eines CF₄-Plasmas oder durch hochenergetischen Io­ nenbeschuß in geeigneter Weise zu modifizieren. Bei der ge­ samten die Zwischenschicht betreffenden Prozeßführung muß da­ für Sorge getragen werden, daß die Löslichkeit des unteren Fotolacks im Entwickler erhalten bleibt. Nach dem lokalen Be­ lichten und Entwickeln des oberen Lackes wird durch dessen Öffnungen die Zwischenschicht z. B. mit RIE, RIBE, Rücksput­ tern oder naßchemisch strukturiert. Anschließend wird der un­ tere Fotolack durch Einwirken des Entwicklers herausgelöst und eine Überhangstruktur an den Kanten hergestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung relativ dicker Metallstrukturen auf Halbleiterbauelementen anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung von Lackstrukturen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltun­ gen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für die Anwendung eines Lift-off-Verfahrens relativ dicke Fotolackstrukturen mit überhängenden Kanten unter Verwendung von Fotolackschich­ ten und Chlorbenzol hergestellt. Derart strukturierte Lack­ schichten eignen sich zur Herstellung von 3 µm dicken Metal­ lisierungen auf planaren Oberflächen oder auch zur Struktu­ rierung von Leiterbahnen über bis zu 3 µm hohe Stufen auf der Oberfläche eines Bauelementes. Bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren wird eine erste Fotolackschicht zunächst ganzflächig relativ dick aufgebracht. Nach dem Ausheizen der Fotolack­ schicht wird deren Oberfläche in Chlorbenzol getränkt und an­ schließend wieder durch Ausheizen getrocknet. Die Fotolack­ schicht wird dann ganzflächig belichtet. Anschließend wird eine dünne Schicht aus einem anderen Fotolack ganzflächig aufgebracht. Die Fotolacke werden zweckmäßig so gewählt, daß die belichteten Anteile der beiden Schichten mit demselben Entwickler herausgelöst werden können. Die dünne zweite Foto­ lackschicht wird dann an den Stellen belichtet, die für die strukturierte Metallisierung vorgesehen sind. Mit einem ge­ eigneten Entwickler werden dann die belichteten Stellen der oberen Fotolackschicht herausgelöst und in demselben Arbeits­ gang die darunter befindlichen Bereiche der dicken unteren Fotolackschicht ebenfalls herausgelöst. Dabei erhält man überhängende Kanten, wobei der Grad des Überhanges davon ab­ hängt, wie lange der Entwickler auf die untere Fotolack­ schicht einwirkt. Die damit erhaltene Lackstruktur wird aus­ geheizt und kann dann für ein Lift-off-Verfahren zur Herstel­ lung der Metallstruktur verwendet werden. Nach dem Aufdampfen des Metalles genügt es, die Lackstruktur in Aceton zu legen, um den Fotolack mit den darauf befindlichen Anteilen der Me­ tallisierung von der Oberfläche abzulösen. Das restliche Me­ tall bleibt als strukturierte Metallisierung, z. B. Leiter­ bahnen, auf der Oberfläche zurück. Weitere Maßnahmen sind nicht erforderlich.
In der beigefügten Figur sind im Querschnitt das Halbleiter­ bauelement 1, der dick aufgebrachte erste Fotolack 2, der dünn aufgebrachte zweite Fotolack 3 und das aufgedampfte Me­ tall 4 dargestellt. Die mit dem zweiten Fotolack 3 bedeckte Oberseite des ersten Fotolackes 2 ist durch die Einwirkung des Chlorbenzols modifiziert. Das Aufbringen einer Zwischen­ schicht oder andere Maßnahmen sind nicht erforderlich.
Im folgenden wird ein typisches Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dabei wird als erster Fotolack 2 ein Positivlack, z. B. Typ AZ 4533 der Firma Hoechst, verwendet. Dieser erste Fotolack wird mit z. B. 4000 rpm auf die mit der Struktur zu versehende Oberfläche aufge­ schleudert. Der Fotolack bildet dann eine Schicht mit einer Dicke von etwa 3,3 µm. Wesentlich ist hier, daß der erste Fo­ tolack in etwa der für die Metallstruktur vorgesehenen Dicke oder dicker aufgebracht wird. Dieser erste Fotolack wird dann durch Ausheizen getrocknet (z. B. etwa eine Minute z. B. bei etwa 90°C im Ofen). Dann läßt man Chlorbenzol auf diesen Fo­ tolack z. B. etwa 1 Minute lang einwirken, wodurch dessen Oberfläche von dem Chlorbenzol durchtränkt und chemisch und physikalisch modifiziert wird. Nachfolgend wird der Fotolack erneut ausgeheizt, was z. B. wieder etwa 1 Minute lang z. B. bei etwa 90°C erfolgen kann.
Der aufgebrachte Fotolack wird dann ganzflächig belichtet (Flutbelichtung) z. B. etwa 2 Minuten lang, wodurch erreicht wird, daß der Fotolack vollständig in einem geeigneten Ent­ wickler löslich ist. Anschließend wird relativ dünn eine Schicht aus einem zweiten Fotolack aufgebracht. Dieser zweite Fotolack wird vorteilhaft von dem ersten Fotolack verschieden gewählt, aber so, daß sich beide Fotolacke nach dem Belichten in demselben Entwickler lösen lassen. Als zweiter Fotolack kann in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel z. B. der Image-Reversal-Lack AZ 5214 E der Firma Hoechst verwendet werden. Wegen der dünnflüssigeren Konsistenz dieses Lackes kann damit eine bessere Auflösung (Feinheit) der zu erzeugen­ den Strukturen erreicht werden. Dieser Lack wird z. B. mit etwa 8000 rpm aufgeschleudert, so daß er eine Schicht mit einer Dicke von etwa 1 µm bildet. Ein Anlösen und Vermischen mit dem darunter befindlichen ersten Fotolack wird durch die vorangegangene Behandlung mit Chlorbenzol stark unterbunden. Nach dem Ausheizen der beiden Lackschichten z. B. bei etwa 70°C z. B. etwa 25 Minuten lang wird der zweite Fotolack strukturiert belichtet. Für die Belichtung kommen grundsätz­ lich sowohl der Einsatz von Projektionslithographie als auch die Verwendung des Kontaktbelichtungsverfahrens in Frage. Für das Kontaktbelichtungsverfahren wurde in Verbindung mit Fotomasken aus Quarzglas je nach Feinheit der zu erzeugenden Struktur eine Belichtungszeit von 25 bis 30 Sekunden ermit­ telt. Für andere Fotomasken, Belichtungsanlagen oder Belich­ tungswellenlängen können diese Zeiten jedoch variieren. Der zweite Fotolack wird dabei ebenfalls als Positivlack verwen­ det, d. h. es werden diejenigen Bereiche des zweiten Foto­ lackes belichtet, an denen der Fotolack entfernt und die Me­ tallisierung auf die Oberfläche des Bauelementes aufgebracht werden soll.
Nach dem Belichten des zweiten Fotolackes erfolgt das Struk­ turieren der beiden Fotolackschichten unter Verwendung eines Entwicklers. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann z. B. im Verhältnis 1 : 1 mit H₂O verdünnter Entwickler vom Typ AZ 312 MIF Developer der Firma Hoechst verwendet werden. Dabei werden die belichteten Bereiche des zweiten Fotolackes zuerst herausgelöst. Durch die sich ergebenden Öffnungen werden dann unter Verwendung desselben Entwicklers die darunterliegenden Bereiche der ersten Fotolackschicht ebenfalls gelöst und her­ ausgespült. Je nach der Dauer, während der der Entwickler auf den ersten Fotolack einwirkt, erhält man einen kleineren oder größeren Überhang des zweiten Fotolackes über die Schicht des ersten Fotolackes. Die in der Figur erkennbare Kante, die der zweite Fotolack 3 über den ersten Fotolack 2 hinausragend bildet, kann daher dem jeweiligen Anwendungszweck entspre­ chend hergestellt werden. Bei dem beschriebenen Ausführungs­ beispiel wurde eine Entwicklungszeit von 70 Sekunden gewählt, was bereits zu einem erheblichen Überhang der oberen Kante führte. Abschließend wird diese Lackstruktur noch z. B. etwa 1 Stunde lang bei mindestens etwa 70°C ausgeheizt.
Unter Verwendung dieser Lackstruktur mit überhängenden Kanten wird dann das für die Metallisierungen vorgesehene Metall ganzflächig aufgedampft. Der Fotolack wird dann z. B. durch Einwirken von geeignetem Lösungsmittel abgelöst. Es genügt hierzu, die bedampfte Oberfläche lediglich in z. B. Aceton zu legen. Bereits nach wenigen Minuten Einwirkung dieses Lö­ sungsmittels auf den auf der Oberfläche verbliebenen Fotolack wird der Fotolack mit der darauf befindlichen Metallschicht problemlos und vollständig abgehoben.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde für verschiedene Bauele­ mente erfolgreich eingesetzt, wobei sowohl 2,5 µm dicke planare Metallisierungen als auch Leiterbahnen über 2 µm hohe Stufen ohne Schwierigkeiten strukturiert werden konnten. Unterstützende Maßnahmen wie Naßätzprozesse oder Ultraschall sind dabei nicht erforderlich. Probleme, die sich beim Auf­ bringen und Strukturieren einer Zwischenschicht ergeben, wer­ den vermieden. Durch Verwendung von Chlorbenzol wird zwar das Vermischen der beiden Fotolacke stark unterbunden, die Löslichkeit des ersten Fotolacks im Entwickler wird aber nicht nachteilig beeinflußt. Bei Verwendung von Fotolacken, für die derselbe Entwickler geeignet ist, kann das Struktu­ rieren des oben aufgebrachten zweiten Fotolacks und das Her­ auslösen der darunter befindlichen Anteile des ersten Foto­ lacks in einem einzigen Schritt erfolgen, so daß das Verfah­ ren wesentlich vereinfacht ist. Eine Unterbrechung des Ent­ wicklungsvorgangs zur Strukturierung einer Zwischenschicht ist dabei nicht erforderlich. Das beschriebene Ausführungs­ beispiel sollte der Veranschaulichung dienen. Die dabei an­ gegebenen Prozeßschritte können allerdings den jeweiligen Anwendungsbedingungen entsprechend modifiziert werden. Insbe­ sondere die Zeitdauern und Temperaturen für die Ausheiz­ schritte können in Abhängigkeit von den verwendeten Foto­ lacken und den verwendeten Schichtdicken variieren. Wesent­ lich für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Metallisierungen mit relativ großen vertikalen Abmessungen ist das Verfahren zur Herstellung der Lackstrukturen mit ausreichend überhängenden Kanten. Bei Verwendung dieser Lackstrukturen zur Herstellung strukturierter Metallisierun­ gen ist die Verwendung von Aceton als Lösungsmittel für den Lift-off-Vorgang besonders vorteilhaft.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Lackstrukturen mit überhän­ genden Kanten, bei dem auf eine mit einer Lackstruktur zu versehende Oberfläche
in einem ersten Schritt ein erster Fotolack (2) ganzflächig aufgebracht wird,
in einem zweiten Schritt dieser Fotolack ausgeheizt wird,
in einem dritten Schritt die Oberfläche des Fotolackes mit Chlorbenzol getränkt wird,
in einem vierten Schritt der Fotolack ausgeheizt wird,
in einem fünften Schritt der Fotolack ganzflächig belichtet wird,
in einem sechsten Schritt ein zweiter Fotolack (3) ganzflä­ chig auf den ersten Fotolack aufgebracht wird,
in einem siebten Schritt dieser zweite Fotolack ausgeheizt wird,
in einem achten Schritt der zweite Fotolack entsprechend der vorgesehenen Lackstruktur belichtet wird,
in einem neunten Schritt der erste Fotolack und der zweite Fotolack bis zur Ausbildung der überhängenden Kanten ent­ wickelt werden und
in einem zehnten Schritt der erste und der zweite Fotolack ausgeheizt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem ersten Schritt und in dem sechsten Schritt Fotolacke verwendet werden, die in dem neunten Schritt mit demselben Entwickler entwickelt werden können.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
in dem ersten Schritt und in dem sechsten Schritt Fotolacke als Positivlacke verwendet werden und
in dem achten Schritt diejenigen Anteile des zweiten Foto­ lackes, die bei der vorgesehenen Lackstruktur entfernt werden müssen, belichtet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
der zweite Schritt, der dritte Schritt und der vierte Schritt etwa 1 Minute lang ausgeführt werden,
der fünfte Schritt etwa 2 Minuten lang ausgeführt wird,
der siebte Schritt etwa 25 Minuten lang ausgeführt wird,
der achte Schritt etwa 25 bis 30 Sekunden lang ausgeführt wird und
der zehnte Schritt etwa 1 Stunde lang ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen, bei dem
in dem ersten Schritt der erste Fotolack für die Struktur dieser herzustellenden Metallisierungen ausreichend hoch auf­ gebracht wird,
in einem elften Schritt eine Metallschicht ganzflächig in für die herzustellenden Metallisierungen ausreichender Höhe auf­ gedampft wird und
in einem zwölften Schritt der Fotolack mit darauf befindli­ chen Anteilen dieser Metallschicht abgehoben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der zwölfte Schritt ausgeführt wird, indem der Foto­ lack in Aceton gelegt wird.
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