利用LIFT-OFF工艺制作金属电极

在材料、微电子等研究课题中,制作高品质的电极是准确反映材料或者器件本身性能的前提条件,为此我们需要制作一个高品质的电极。在此,光刻中剥离(lift-off)工艺是我们制作电极的基础手段。

概述:

剥离工艺(lift-off),在衬底上用光刻工艺获得图案化的光刻胶结构或者金属等掩膜(shadow mask),利用镀膜工艺在掩膜上镀上目标涂层,再利用去胶液(又称剥离液)溶解光刻胶或者机械去除金属硬掩膜的方式获得与图案一致的目标图形结构,我们称之为剥离工艺。与其他图形转移手段相比,lift-off工艺更加简单易行。如下图所示,相同的结构可以通过不同的图形化工艺获得。这里我们重点介绍lift-off工艺,关于刻蚀(湿法以及干法刻蚀)、金属微结构或者模板的加工,待我们介绍LIGA再进行详细描述。

图1 两种常见图案化方式:左图 刻蚀工艺 ,右图 lift-off工艺

影响lift-off工艺的因素:

通过上面的描述,不难理解lift-off工艺的实现过程,但是这里面有一些细节,决定这lift-off工艺的成败与否。

1. 光刻胶的厚度

由上述定义可以看出,光刻胶在lift-off工艺中起到形成图案,以及让光刻胶上的薄膜层以及衬底上的沉积的薄膜层断开,从而实现光刻胶在去胶液中溶解过程中,上层金属飘落下来。所以,这里光刻胶的厚度值是很关键的参数,通常我们会有一个经验值:光刻胶厚度/被剥离金属厚度≥3,但是需要注意,光刻胶的厚度会影响其分辨率,所以lift-off工艺不适用于特别厚的金属剥离。

2. 光刻胶种类

lift-off工艺在紫外光刻和电子束光刻中都是很常见的工艺,但是两者在光刻胶的选择上却有着较大的差异。这里我们先引入一个名词:底切(under cut)和顶切(top cut),其对应的光刻胶的形态见下图所示。由图我们也能看出光刻胶的形态对于lift-off成功与否有着直接关系。所以我们需要under cut结构。对于紫外光刻(含激光直写),由于其机理决定了,负胶(例如AR-N 4340)相比于正胶更容易获得under cut形态,图形反转胶(AR-U 4000)的负胶工艺能帮我们获得完美的under cut结构。而对于电子束胶来说,由于电子与光刻胶作用过程中的散射,正胶(如PMMA)相比于负胶更容易获得under cut结构。当然,我们也可以通过工艺手段控制形成undercut结构(见下面双层胶工艺);

图2 底切与顶切在金属化过程中对lift-off工艺的影响

3. 双层剥离方案

上面介绍了光刻胶形态对lift-off工艺的影响,因此,我们也可以通过双层胶体系来获得under cut结构,这里紫外胶和电子束胶的原理和方案上有一些区别:①紫外胶,我们需要将不含光敏的剥离胶LOL,LOR,如AR-BR 5400)置于紫外正胶或者负胶底层,利用上层胶的光刻胶经曝光显影后开出窗口,底层胶在显影液中继续腐蚀,并产生横向拓展,形成under cut结构,横向拓展的深度与显影液的碱当量以及显影时间呈正相关。②对于电子束胶,通常选择两种不同灵敏度的正胶,将高灵敏度的胶置于底层,低灵敏度的胶置于上层,在曝光过程显影过程中高灵敏度胶相比于地灵敏度胶显影结构会更宽,从而获得under cut结构。当然,也可将LOR胶置于电子束胶下层,利用两次显影工艺获得under cut结构,如下图所示,双层胶体系中要求,底层胶的厚度至少是被剥离金属层厚度的1.25倍以上,上层胶来控制线宽,另外,横向拓展深度不易过深,否则容易在定影后的干燥环节由于液体表面张力的存在导致胶体坍塌。

图3 紫外胶及电子束胶 双层胶lift-off体系

4. 镀膜方式

我们做电极最常用的镀膜方式有蒸发和溅射两种,这里我们仅以这两种镀膜方式为例子进行说明。蒸发(包括电子束蒸发和热蒸发)方式其金属以类似辐射的方式由源材料沉积到衬底上,方向性好。而溅射工艺,金属粒子能量大,弥散在整个真空腔室中,没有很好的方向性。这种方向性决定了金属化过程中金属膜对光刻胶侧壁的包覆性。溅射镀膜会将整个光刻胶断面包覆起来,轻度的将导致剥离困难,或者形成的电极边缘不光滑、有毛刺,重度的将导致任你选用何种剥离液,是否辅以超声或者加热,都无法实现剥离。所以,这里我们首选蒸发镀膜的方式。

5. 温度

这里我们介绍两个工艺过程的温度对lift-off工艺的影响。①坚膜(hard bake),我们在光刻胶的产品资料中常常会见到坚膜步骤会标注为选做步骤,那么对于lift-off工艺来说,我们一般建议不做坚膜,因为坚膜会使光刻胶的稳定性得到提高,也就会对后续的剥离步骤带来困难;②镀膜过程中的温度,镀膜过程中我们一定要控制好温度,因为温度过高(超过光刻胶的玻璃态转化温度)则会导致光刻胶软化,图案变形。另外,有些胶在这个温度下会加剧交联化,导致后续使用去胶液很难去除光刻胶。③利用蒸发镀膜的膜厚胶厚的情况下一定要注意温度,因为较厚的镀膜往往需要较长的镀膜时间,光刻胶不可避免的被加热,由于镀膜过程中受热可能导致光刻胶变形、光刻胶与衬底以及薄膜的热膨胀系数不同,会导致薄膜层褶皱边缘翘起等现象。必要的时候可以选择间歇镀膜来改善这种热效应。

6. 剥离过程

通常我们每款光刻胶都会有推荐的去胶液,在正常工艺下,使用配套的去胶液是能够很好的实现lift-off工艺的,如果遇到剥离困难,也可考虑使用超声辅助,或者将部分剥离液升高温度至50~80℃来加速剥离过程(注意部分有机溶剂加热会有危险,需正确谨慎的操作)。这里请尽可能不要使用去胶机(如alpha plasma Q 235)来做lift-off工艺,因为完全依赖光刻胶很小的开口使光刻胶灰化不仅效果达不到效果,反而去胶机的氧等离子体有可能使金属电极发生氧化。当然去胶机在lift-off工艺中可以实现打底胶工艺(下面介绍)。

综上所述,我们通过规范的操作就能获得一个形态完美的金属电极了,但是他未必是一个高品质的电极。因此,我们通常还得注意一下细节。

  1. 接触电阻:在绝大多数情况下,我们无需担心接触电阻的问题,但是当我们做完电极后发现其品质较差,那我们就得排除是否由于光刻胶显影后的残胶导致的接触电阻过大,我们可以通过在镀膜前利用去胶机的氧等离子稍微打一下,我们称之为打底胶工艺,从而去除残胶。打底胶过程不易过长,否则光刻胶的整体厚度会减小很多。推荐使用微波等离子体去胶机(如alpha plasma Q系列),相比于射频去胶机来说,对衬底没有物理轰击损伤;
  2. 对于纳米线或者纳米带结构:这种结构在垂直方向有一定的厚度,在边缘处如果比较陡直的话,我们需要要注意金属电极的厚度,不能太薄了(常规电极厚度80nm左右即可),否则容易导致金属电极在材料边缘断线。
  3. 金属与衬底的粘附性:在做电极时,我们要特别注意金属电极层与衬底的粘附性,如果粘附性不好需要做一些处理,如Au在Si衬底上的粘附性就不是很好,所以我们通常需要做Ti/Ni/Au。避免在做lift-off的工艺时金属漂落。

至此,我们就介绍完了利用光刻Lift-off工艺做金属电极的一些细节,如果大家对我们的介绍感兴趣,请持续关注我们网站信息,我们将不定期更新一些光刻过程中常见的话题和热门的研究方向。欢迎大家评论和给我留言!

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14 Comments

  1. steven

    剥离的时候在金断开的地方有残留的金丝,这个怎么解决?

    1. 管理员

      您说的现象,我理解的是毛刺现象,导致这种现象的根本原因还是光刻胶的厚度比例不足,轮廓形态不太好(不是undercut结构),或者镀膜方式不合适。分别来说:
      1.光刻胶厚度比例:光刻胶厚度:金属厚度>=3:1的关系,如果不满足很难满足剥离,或者剥离后形态不好,出现毛刺。可以增加光刻胶的厚度(前提是该厚度下分辨率能满足要求);
      2.光刻胶轮廓形态不好:可以选择有利于获得undercut结构的胶:紫外胶选择负胶或者图形反转胶,电子束胶使用正胶,适当过曝点有利于获得undercut结构,对于没法选择光刻胶种类的情况下,建议使用双层胶系统;
      3.镀膜方式一定要使用蒸发,溅射的膜很难剥离。

    1. 管理员

      您好!感谢留言!
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  2. yarui

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    麻烦看到消息请尽快回复,谢谢
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    1. 管理员

      感谢您对我们的关注和支持!
      可以对文章进行转载,但请勿修改内容。并注明出处!期待共同推动光刻微纳加工的发展。谢谢!

  4. H

    请教一下 我用负胶做出了5μm的厚度,形状是圆坑,也确认有undercut后去热蒸镀,蒸镀3μm的膜为什么经常是剥离失败甚至剥离后无残留蒸镀金属的存在,已确认过是可以附着的材料

    1. 管理员

      lift-off一般要满足胶厚是金属厚度3倍以上的关系,这条似乎不满足。其次,3um金属的蒸发镀膜产生的热效应应该是不能忽视的,大部分紫外胶在150度以上温度下胶一般就会变形,导致胶形不好,之前的under-cut形态也会丧失的。两个因素综合的结果决定了最后剥离的效果

  5. C

    您好 想请教下我在做电极时选择了溅射方式,这会对剥离产生很大影响吗?在剥离时几乎没有电极脱落,期待您的回复

    1. 管理员

      您好!感谢您的关注!是的因为溅射方向性问题,影响还是挺大的,当然当我们薄膜很薄或者胶厚:薄膜厚度比值较大的时候有时候能剥离掉。您说的电极几乎没有脱落是指金属电极图案没有呈现出来是吧?

  6. 博主写得真好,受益匪浅。我是做集成光学的,公众号opticalnote,求转载。

    1. 管理员

      感谢关注!可以转载,请注明出处等信息,谢谢配合

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