剥离工艺

剥离工艺（lift-off technique）是半导体技术与微系统技术中用于制造（通常为金属）微结构的一种工艺序列。其第一步是在诸如晶圆等基底（Substrate）表面生成结构化的薄层。在此结构化的牺牲层上全貌沉积目标材料。随后通过进一步的工艺步骤移除牺牲层上的目标材料区域，剩余结构即构成所需的微结构。剥离工艺可制造的结构尺寸从数十纳米到厘米量级，典型结构尺寸处于微米范围。该工艺应用于制造集成电路（IC）和微系统的布线层或接触面等。与这种“增材”或构建式工艺相反的是“减材”工艺，后者先在基底上全貌沉积均匀的目标材料薄层，随后通过蚀刻该层形成最终结构。

## 工艺描述

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剥离工艺是半导体技术各种基本工艺的一种相对简单且高效的组合。典型的工艺序列由光刻结构化、薄膜沉积（Schichtabscheiden）和移除光刻胶层组成。随时间推移，该工艺已衍生出多种变体，其应用可能性很大程度上取决于所采用的工艺条件或设置。下文仅描述基本工艺步骤。

剥离过程始于在预处理后的基底上全貌沉积后续的牺牲层（通常为光刻胶）上。预处理通常包括基底清洗，必要时还包括表面平坦化（例如通过化学机械平坦化或涂布粘接促进剂层）。随后对牺牲层进行光刻结构化，形成后续结构的反转图案。牺牲层结构化的参数应设定为能够产生高度垂直的侧壁，或带有轻微倒坡（负侧壁角）的侧壁。

牺牲层结构化后，接着通过热蒸发等方式全貌沉积目标材料（例如铝）。在此过程中，应避免基底上的目标材料与牺牲层上的目标材料相连，这一方面是为了避免后续需要额外分离连接处，另一方面是为了保持牺牲层的侧面不被覆盖，从而不阻碍最后一步中牺牲层的移除。可以通过两个边界条件避免这两个区域的连接：

- 牺牲层材料的厚度应至少是目标材料厚度的三倍，否则牺牲层结构会被过度填充，阻碍后续工艺步骤。
- 沉积工艺应具有较差的台阶或侧壁覆盖率，使得牺牲层的侧壁上尽可能不沉积材料。为此，热蒸发或特定的溅射沉积变体较为适用。

在沉积靶材时，还需注意确保牺牲层能够无损地承受该操作。对于使用光刻胶作为牺牲层的情况，这意味着工艺温度不得超过光刻胶的玻璃化转变温度（Tg）。因此，目标层通常在室温下沉积，且往往是非晶态或多晶态。

在最后的工艺步骤中，采用湿法化学方法移除牺牲层。为此，可以将光刻胶溶解在溶剂（例如丙酮）中，必要时辅以超声波。牺牲层会从侧壁（边缘）开始溶解。牺牲层顶部的目标材料会随之剥离（lift off）并被冲走。此后，目标材料仅残留在与基底直接接触的区域。

## 典型工艺缺陷

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牺牲层溶解后，成品结构可能会呈现三种工艺相关的典型缺陷：

- 材料残留：通常指未溶解的牺牲层材料及其上方的目标材料。当牺牲层被目标材料包裹，导致溶剂难以或无法侵蚀时，就会出现此问题。
- 再沉积: 指已剥离的材料重新附着在表面。这些颗粒在工艺完成后极难甚至无法移除，尤其是在晶圆干燥后。
- 毛刺: 指沉积在牺牲层侧壁上、在移除牺牲层后依然挺立的目标材料。此类毛刺对后续制造步骤有负面影响，一方面它们在晶圆上产生了不希望出现的形貌，阻碍了后续层均匀沉积；另一方面它们可能“倒塌”并产生电短路。

这三种缺陷在不同程度上都是目标材料覆盖结构化牺牲层侧壁的结果。由此可见，良好的结构质量关键取决于牺牲层的剖面以及沉积工艺的“台阶覆盖率”。倒坡（负向）侧边或底层被回刻的牺牲层系统，结合低侧壁覆盖率的沉积工艺，是较为理想的选择。

## 工艺变体

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用于制造金属结构的剥离原理早在1940年代微电子学诞生前就已被描述。自那时起，文献中开发了无数变体，它们在沉积层、牺牲层、所用化学品以及众多工艺参数和应用领域上各不相同。如前所述，简单工艺使用光刻胶层或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物层，此类牺牲层可通过传统光刻进行结构化——1969年由Hatzakis首次提出用于制造导线和源/漏接触。此外也有使用电子束光刻或纳米压印光刻的工艺变体。更先进的变体使用或多或少复杂的叠层作为牺牲层，例如光刻胶/铝/光刻胶、聚酰亚胺/钼或聚酰亚胺/聚砜/二氧化硅叠层等。引入额外的刻蚀步骤来回刻底层牺牲层的侧缘，其效果类似于倒坡剖面，能防止在侧壁形成连续层。

除了不同牺牲层系统的变体外，还有研究描述了不通过化学溶解，而是利用胶带辅助剥离或通过材料内应力（二氧化碳雪技术）来实现剥离效果的方法。

以下示例性描述几种工艺变体。

### 图像反转光刻

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在使用光刻胶牺牲层时，经常使用所谓的图像反转工艺（image reversal process），借此可产生倒坡剖面。仅凭简单的光刻结构化很难实现这一点，因为光刻胶层上部区域总是吸收更多光线，导致显影后形成陡峭侧壁或正坡度剖面。反转光刻胶（image-reversal resists）提供了掩模图像反转（image reversal）的可能性。根据所用反转胶的不同，可分为直接（酸催化）和间接（碱性）反转工艺，根据工艺控制的不同，它们可产生掩模的负像或正像。

对于酸催化反转光刻胶，例如重氮萘醌（DNQ）/酚醛树脂（Novolak）光刻胶与添加的酸活化聚合物（例如六甲氧基甲基三聚氰胺，HMMM）组合，其直至曝光前的工艺控制在很大程度上等同于普通光刻结构化。曝光后若立即显影（正胶）将产生掩模结构的正像。然而，通过显影前的额外反转过程，溶解关系将发生逆转。也就是说，曝光后原本不溶的区域变得可溶，反之亦然。这主要通过两个子步骤实现。首先是曝光后的所谓反转烘烤（image reversal bake）。通过热作用，光刻胶曝光区域会发生交联反应；在经过确保充分再水合的静置期后，进行第二个额外步骤。对整个晶圆进行漫曝光会导致尚未曝光的区域形成3-茚羧酸，使这些区域相对于碱性显影剂变得可溶。显影后即产生具有倒坡侧壁剖面的掩模结构负像。

对于碱性反转光刻胶，光刻胶层在曝光后首先暴露于胺蒸气或氨溶液中。此时碱性催化剂扩散进入胶层，在随后的反转烘烤中导致曝光区域形成的3-茚羧酸分解。由此产生的茚衍生物是非常有效的溶解抑制剂。在显影之前，与直接工艺一样进行漫曝光，使最初未曝光的区域被曝光从而变得可溶。

在这两种工艺变体中，第一次曝光时的曝光时间变化会影响光刻胶剖面的侧边角。如前所述，这是由于光线的深度依赖性吸收行为以及由此导致的反转烘烤后交联度决定的。高曝光剂量导致陡峭侧边，而低曝光剂量导致强烈的倒坡侧边。利用这种剖面，可以避免剥离工艺中侧壁出现不确定的断裂边缘。此外，生成的牺牲层具有高达200°C的增强热稳定性。

### 电子束光刻

制造倒坡光刻胶剖面的另一种可能性是通过电子束光刻对牺牲层进行结构化。在这种工艺变体中，利用了电子的散射行为及其在光刻胶层中的能量分布。根据初始能量的不同，会产生或多或少拉长的梨形能量分布。为了制造倒坡剖面，可以利用该分布的上部区域。此处分布横截面也随深度增加而增大。然而，要在仅几百纳米厚的牺牲层中实现这种剖面，需要相对较低的能量，这反过来会对分辨率产生负面影响，尤其是在密集结构中。对于线宽在100nm以下的密集结构制造，尽管实现必要的剖面倒坡变得更加困难，仍需采用高能量。

使用双层光刻胶系统可以解决此问题。此时底层具有比顶层高得多（例如高50倍）的灵敏度，即使在高束流能量下也能实现剖面倒坡。此类系统常用的材料组合是顶层为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA；高摩尔质量且电子灵敏度较低），底层为其共聚物（例如P(MMA-MAA)；低摩尔质量且电子灵敏度较高）。这种材料组合的优点是两层可以用同一种溶液显影。

### 二氧化碳雪技术

一种较新的剥离变体利用冷冻的二氧化碳颗粒（carbon dioxide snow）来移除光刻胶牺牲层上的金属层（目标材料）。固体二氧化碳在低于-60°C的温度下形成，远低于典型的沉积工艺温度。在金属层和光刻胶层冷却时，由于热膨胀系数不同，两种材料的界面会产生机械应力，导致金属薄膜破碎或脱离。脱离的金属随后被速度高达40m/s的二氧化碳射流带走。通常在此过程中，基底背面会被加热到+60°C，这进一步增加了界面的机械应力，同时减少了基底上所需金属结构之间的机械应力。金属层从牺牲层脱离后，牺牲层可轻易通过湿法化学或等离子体灰化移除。该方法的优点是金属颗粒被立即带走，样品表面能更好地防止再沉积。

## 应用

剥离工艺是一种非常通用的制造方法，原则上可以对所有金属及其合金以及多层膜进行结构化。由于与通过刻蚀进行的减材结构化不同，它不需要针对待刻蚀材料调整刻蚀工艺或化学品，因此几乎总是可以使用类似的剥离工艺。只需确保靶材的沉积方式相似即可。

该工艺在以下情况下具有优势：

- 没有现成的针对已沉积材料具有足够高选择性的直接刻蚀方案。
- 对于多层膜，先逐层沉积各单层，随后进行统一结构化。
- 对于铝铜合金等材料，若通过干法刻蚀结构化，会形成难以移除的残留物。

此外，倾斜的侧壁有利于后续工艺层中的薄膜沉积，例如IC金属化中更高层的导线。因为与干法蚀刻中典型的陡峭侧壁不同，剥离工艺结构化材料的侧面可以用更广泛的工艺进行涂布。同时，表面在形貌上表现出明显较少的突变，使得通过旋转涂覆制造的层（如后续工艺的光刻胶层）能涂布得更加均匀。因此，该工艺主要用于金属层的结构化。它能够制造微米量级的导线结构，用于生产分立器件，以及（按今日标准）具有多达四层导线层的相对简单的集成电路。

尽管有上述优点，剥离工艺在集成电路布线层的制造中并未能战胜干法蚀刻结构化；目前在该领域，大马士革和双大马士革工艺被更广泛地采用。原因包括分辨率相对较低，以及结构化牺牲层的制造较为复杂，因为必须注意沉积和溶解过程中牺牲层与目标层的化学及物理性质兼容性。

与制造导线类似，剥离工艺也可用于制造凸点。这些是用于直接安装芯片的金属（通常为铅锡合金）接触元件，例如用于载带自动键合或倒装芯片安装。此处也有多种工艺变体，可能包括利用剥离工艺制造的具有扩散阻障层的铜接触面。更多信息请参阅相关文献。

如今，剥离工艺是纳米级器件（如单电子晶体管或微型超导量子干涉仪）制造中的常用方法。此时通常将电子束光刻与正性光刻胶（通常为聚甲基丙烯酸甲酯）结合使用。该工艺主要受限于光刻结构化的分辨率以及沉积材料的晶粒尺寸。例如，当晶粒尺寸达到线宽量级时，线条结构可能会发生断裂。