DE19955969A1 - Verwendung von Polyimid für Haftschichten und lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen - Google Patents

Verwendung von Polyimid für Haftschichten und lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen

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Abstract

Es wird ein lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen mit Bauteilstrukturen im Sub-Millimeterbereich beschrieben, bei dem auf eine metallische Schicht eine strukturierbare Haftschicht und auf die Haftschicht eine Schicht aus photostrukturierbarem Epoxyharz aufgebracht wird. Das Epoxyharz wird mittels selektiver Belichtung und Herauslösen der unbelichteten Bereiche strukturiert und nach dem Entfernen der Haftschicht werden aus den Zwischenräumen zwischen den Harzstrukturen die Zwischenräume mittels eines galvanischen Verfahrens mit Metall aufgefüllt. Es wurde eine Haftschicht gesucht, die für photostrukturierbare Epoxyharze, insbesondere für SU-8-Resistmaterial, geeignet ist und ein Ablösen des Resistmaterials verhindert. Erfindungsgemäß besteht die Haftschicht aus Polyimid oder einer Polyimidmischung.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Polyimid sowie ein lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen mit Bauteilstrukturen im sub-Millinieterbereich, bei dem auf eine metallische Schicht eine strukturierbare Haftschicht und auf die Haftschicht eine Schicht aus photostrukturierbarem Epoxyharz aufgebracht wird, das Epoxyharz mittels selektiver Belichtung und Herauslösen der unbelichteten Bereiche strukturiert wird und nach dem Entfernen der Haftschicht aus den Zwischenräumen zwischen den Harzstrukturen die Zwischenräume mittels eines galvanischen Verfahrens mit Metall aufgefüllt werden.
Bei lithographischen Verfahren werden unterschiedliche. Polymere als Resistmaterialien verwendet, wobei unter Resistmaterialien solche verstanden werden, die mittels Belichtung strukrurierbar sind.
PMMA als Resistmaterial ist zwar am weitesten verbreitet, hat aber den Nachteil, daß zur Herstellung von Mikrostrukturen mit Aspektverhältnis <10 für die Belichtung Synchrotronstrahlung eingesetzt werden muß, was einerseits sehr zeitaufwendig und andererseits mit hohen Kosten verbunden ist.
Es wurde daher versucht, auf photostrukturierbare Resistmaterialien überzugehen, die beispielsweise mittels UV-Licht strukturierbar sind. Diese Materialien haben jedoch in der Regel den Nachteil, daß keine großen Aspektverhältnisse erzielt werden können.
Ein Resistmaterial, das sowohl große Aspektverhältnisse von beispielsweise 15 und darüber ermöglicht als auch mittels UV-Licht strukturiert werden kann, ist Epoxyharz, insbesondere ein Epoxyderivat eines Bis-Phenol-A-Novolacs, das bisher bereits in der Halbleitertechnik verwendet wurde. Dieses Resistmaterial wird als SU-8-Resistmaterial (Handelsname der Shell Chemical) verwendet, das beispielsweise in J. Micromechanics, Microengineering 7 (1997) S. 121-124 beschrieben wird. Große Aspektverhältnisse können dadurch hergestellt werden, daß aufgrund der Vernetzung bei der Belichtung eine Veränderung des Brechungsindex dieses Materials erzeugt wird, so daß aus dem Resistmaterial Strukturen mit Wellenleitereigenschaften hergestellt werden können. Man erhält dadurch bei der Belichtung mittels Masken letztendlich senkrechte Wände, die beim Herausätzen der unbelichteten Bereiche erhalten bleiben.
SU-8-Material hat jedoch den Nachteil, daß es nicht auf allen Metallen bzw. Siliziuni haftet, die üblicherweise als Startschichten für galvanische Abscheidungsverfabren bzw. als Trägermaterialien verwendet werden.
Während SU-8 auf Aluminium gut haftet, hängt die Haftung auf Gold bzw. Nickel von der Größe der Mikrostruktur, d. h. von den lateralen Abmessungen des Mikrobauteils, ab.
Bei Kupfer, Silber und Chrom ist die Haftung weniger gut, so daß eine Haftschicht zwischen dem Metall und dem SU-8-Resistmaterial erforderlich ist.
Aus Proc. SPIE Vol. 3680B-65 Paris, France, 30. März bis 1. April 1999 "Micromachining and Microfabrication" mit dem Titel "Design and realization of a penny-shaped micromotor" von M. Nienihaus et al. ist es bekannt, zwischen der Kupferstartschicht und dem SU-8-Material ein Haftvermittler (Bonding agent), beispielsweise Hexamethyldisilazan (HMDS), vorzusehen, was jedoch den Nachteil hat, daß der Haftvermittler besonders dünn ist und hierdurch die Haftung nicht in allen Fällen zufriedenstellend ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Haftschicht zu finden, die für photostrukturierbare Epoxyharze, insbesondere für SU-8-Resistmaterial, geeignet ist und ein Ablösen des Resistmaterials verhindert. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen bereitzustellen, bei dem keine Haftungsprobleme bezüglich des Resistmaterials auftreten.
Es hat sich überraschend herausgestellt, daß Polyimid oder Polyimidmischungen als Haftschicht zwischen photostrukturierbarem Epoxyharz und Metallen bzw. Silizium hervorragend geeignet ist.
Die Haftung ist auch bei Mikrobauteilen mit lateralen Abmessungen im mm- und cm-Bereich gut. Die Polyimid-Haftschicht läßt sich mit geringer Dicke von unter 1 µm mit bekannten Verfahren, wie z. B. spin coating, aufbringen.
Hierzu werden auf die Metallschicht sogenannte Precurser-Materialien aufgebracht, die anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen werden, wodurch sich die gewünschten Polyimide ausbilden.
Als Polyimide bzw. photostrukturierbare Polyimide kommen solche in Frage, die in TRIP Vol. 3, Nr. 8, August 1995, S. 262-271, "The Synthesis of Soluble Polyimides" von Samual J. Huang und Andrea E. Hoyt sowie in SPIE Vol. 1925, S. 507-515 "Base-Catalyzed Photosensitive Polyimide" von Dennis R. McKean et al. beschrieben werden. Mischungen dieser Polyimide sind ebenfalls als Haftschicht geeignet.
Das lithographische Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen sieht vor, daß eine Haftschicht aus Polyimid oder eine Mischung von Polyimiden, gegebenenfalls mit Zusätzen von Haftzusätzen oder Photoinitiatoren, verwendet wird. Da die Metallschicht, auf der das Epoxyharz über die Haftschicht aufgebracht wird, gleichzeitig die Startschicht für den nachfolgenden galvanischen Abscheideprozeß darstellt, müssen diejenigen Bereiche, wo Metalle abgeschieden werden sollen, freigelegt werden. Hierzu gibt es zwei bevorzugte Ausführungsformen.
Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform werden nach der Strukturierung des Epoxyharzes die freiliegenden Bereiche der Haftschicht zur Freilegung der metallischen Startschicht mittels Plasmaätzen entfernt.
Gemäß der zweiten Ausfiührungsform wird als Polyimid ein photostrukturierbares Polyimid verwendet.
Weitere bevorzugte Verfahrensschritte sehen vor, daß die Haftschicht aus photostrukturierbarem Polyimid vor dem Aufbringen des Epoxyharzes selektiv belichtet wird und die unbelichteten Bereiche entfernt werden, daß anschließend das Epoxyharz vollflächig auf die Haftschicht aufgebracht wird, daß im wesentlichen diejenigen Bereiche des Epoxyharzes belichtet werden, unter denen sich die Haftschicht befindet, und daß anschließend die unbelichteten Bereiche des Epoxyharzes zur Freilegung der Metallschicht entfernt werden.
Dies setzt voraus, daß die Belichtungen sowohl der Haftschicht als auch der Resistschicht aus dem Epoxyharz an denselben Stellen durchgeführt werden.
Hierzu wird für die beiden Belichtungsprozesse vorzugsweise mit derselben Maske gearbeitet.
Es besteht auch die Möglichkeit, sogenannte Laserdirektschreiber zu verwenden, deren Laserstrahl über das zu belichtende Objekt geführt wird. Bei der Verwendung solcher Laserdirektschreiber werden die Belichtungen der Haftschicht und der Epoxyharzschicht jeweils mit derselben Linienführung des Laserstrahls durchgeführt.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a-1e schematisch die Herstellung eines Mikrobauteils mittels eines lithographischen Verfahrens unter Verwendung von Polyimid- Haftschichten gemäß einer ersten Ausführungsform und die
Fig. 2a-2f ein lithographisches Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In den Fig. 1a bis 1e ist das Herstellungsverfahren eines Mikrobauteils mit metallischen Bauteilstrukturen gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Auf ein Substrat 1 aus Silizium wird zunächst eine Titanhaftschicht 2 der Dicke 100 nm aufgetragen. Auf diese Titanhaftschicht 2 wird die Kupferstartschicht 3 mit einer Dicke von 1 µm aufgebracht.
In der Fig. 1b ist in einem weiteren Verfahrensschritt die Haftschicht 4 aus Polyimid oder einer Polyimidmischung vollflächig aufgetragen.
In der Fig. 1c ist eine Resistschicht 5 aus SU-8-Resistmaterial aufgetragen, die bereits mittels UV-Licht belichtet wurde, wobei die unbelichteten Bereiche entfernt wurden. In der Fig. 1c sind daher bereits freigelegte Strukturen 6a, b und c zu sehen. Am Grund dieser Strukturen 6a, b, c befindet sich aufgrund der zuvor durchgeführten vollflächigen Auftragung noch die Polyimid-Haftschicht 4, so daß die darunterliegende Kupferstartschicht 3 nicht zugänglich ist.
Um die Kupferstartschicht 3 freizulegen, wird in einem weiteren Verfahrensschritt, der in der Fig. 1d dargestellt ist, mittels einer Plasmabehandlung (Plasma 7) die Schicht 3 im Bereich der Strukturen 6a, b und c gezielt entfernt. Die Kupferstartschicht steht anschließend zur Verfügung, so daß die Strukturen 6a, b, c mit Metall zur Bildung eines Mikrobauteils mit metallischen Bauteilstrukturen galvanisch aufgefüllt werden können.
Der Prozeßablauf für die Herstellung der Haftschicht 4 ist wie folgt:
Substrat 1: 5"-Si-Wafer mit aufgedampfer 100 nm Ti-Haftschicht und darauf 500 nm Cu-Startschicht
Dehydrieren: Im Vakuumofen bei 250°C 30 min
Spincoaten: Bei 6250 U/min mit 2 ml "Probimide 7000" (Warenzeichen der Arch Chemical, USA) mit 24% Gewichtsanteil in NMP (n-Methyl-Pyrrolidon) gelöst
Trocknung: 1 min bei 90°C und 3 min bei 110°C auf geheizter Platte zur Verbesserung der Vernetzung
Belichtung: Flutbelichtung ohne Maske mit 100 mJ/cm3Gegebenenfalls thermische Behandlung (post exposure bake): bei 100°C bis 110°C
Entwickeln: mit Butyl-Acetat
Imidisierung: unter N2-Atmosphäre bei 380°C 60 min
Resultierende Schichtdicke: ca. 800 nm
In den Fig. 2a bis 2f ist eine weitere Ausführungsform zur Herstellung metallischer Mikrobauteile schematisch dargestellt. Die Fig. 2a und 2b zeigen dieselben Verfahrensschritte wie die Fig. 1a und 16 mit der Ausnahme, daß anstatt einer Cu-Startschicht eine Au-Startschicht 3 aufgetragen wurde.
Gemäß der Fig. 2c wird eine Belichtung der Polyimidschicht 4 mittels UV- Licht 10 (200 mJ/cm3) und einer Maske 9 durchgeführt. Es entstehen dadurch unbelichtete Bereiche 11a, 11b, 11c in der Polyimidschicht, die in einem nachfolgenden Schritt, der in der Fig. 2d gezeigt ist, entfernt werden. Durch die so geschaffenen Polyimidstrukturen 12a, b, c werden die Flächen der Startschicht 3 freigelegt, wo die galavanische Abscheidung stattfinden soll.
Im nachfolgenden Schritt, der in der Fig. 2e gezeigt ist, wird eine Schicht 5 aus SU-8-Material aufgebracht, wobei mittels derselben Maske 9 eine Belichtung mit UV-Licht durchgeführt wird. Die unbelichteten Bereiche der Schicht 5 werden ebenfalls entfernt, so daß die Strukturen 6a, b, c freigelegt werden. Da mit derselben Maske 9 gearbeitet wurde, liegen die Strukturen 12a, b, c und 6a, b, c übereinander. Es kann somit unmittelbar der galvanische Abscheideprozeß angeschlossen werden, der zum Auffüllen dieser Strukturen mit Metall führt, wie dies in der Fig. 2f dargestellt ist.
Bezugszeichen
1
Substrat
2
Titanhaftschicht
3
Kupferstartschicht
4
Polyimidschicht
5
Resistschicht
6
a, b, c freigelegte Struktur
7
Plasma
8
Metall
9
Maske
10
UV-Licht
11
a, b, c unbelichtete Bereiche der Polyimidschicht
12
a, b, c freigelegte Polyimidstruktur

Claims (8)

1. Verwendung von Polyimid oder Polyimidmischungen für eine Haftschicht zwischen photostrukturierbaren Epoxyharzen und Metall oder Silizium.
2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei photostrukturierbares Polyimid verwendet wird.
3. Lithographisches Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen mit Bauteilstrukturen im sub-Millimeterbereich, bei dem auf eine metallische Schicht eine strukturierbare Haftschicht und auf die Haftschicht eine Schicht aus photostrukturierbarem Epoxyharz aufgebracht wird, das Epoxyharz mittels selektiver Belichtung und Herauslösen der unbelichteten Bereiche strukturiert wird und nach dem Entfernen der Haftschicht aus den Zwischenräumen zwischen den Harzstrukturen die Zwischenräume mittels eines galvanischen Verfahrens mit Metall aufgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Haftschicht aus Polyimid oder eine Polyimidmischung verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Strukturierung des Epoxyharzes die freiliegende Haftschicht zum Freilegen der Metallschicht mittels Plasmaätzen entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyimid ein photostrukturierbares Polyimid verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Haftschicht vor dem Aufbringen des Epoxyharzes selektiv belichtet wird und die unbelichteten Bereiche entfernt werden,
  • - daß anschließend das Epoxyharz vollflächig auf die Haftschicht aufgebracht wird,
  • - daß im wesentlichen diejenigen Bereiche des Epoxyharzes belichtet werden, unter denen sich die Haftschicht befindet, und
  • - daß anschließend die unbelichteten Bereiche des Epoxyharzes zur Freilegung der Metallschicht entfernt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungen der Haftschicht und der Epoxyharzschicht mit derselben Maske durchgeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungen der Haftschicht und der Epoxyharzschicht mit Laserdirektschreiberverfahren durchgeführt werden.
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