Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Organische Isolationsmaterialien

Organische Isolationsmaterialien kommen zum Einsatz, wenn sich die Materialien durch photolithographische oder röntgenlithographische Prozesse strukturieren lassen. Den breitesten Anwendungsbereich finden organische Isolationsmaterialien bei der Herstellung von dünnfilmtechnischen Schreib-Lese- Köpfen. Romankiv et al. beschreiben die Vorteile des Einsatzes von Photoresist gegenüber der Verwendung anorganischer Isolatoren bei der Herstellung von Dünnfilmköpfen [ROM80].

Der Einsatz von Photoresists verringert die Komplexität der Prozessfolge, da aufwändige Sputter-, Ätz- oder Lift-off-Prozesse zum Beschichten und Strukturieren der anorganischen Isolatoren durch Aufschleudern und photolithographische Strukturierung ersetzt werden können [ABR94, HAN88]. Photoresist wird im Bereich von mikrotechnologischen Prozessen überwiegend durch Aufschleudern auf das Substrat aufgebracht, was Kosten und Zeitaufwand des Prozesses reduziert [BRÜ01]. Church sowie Umesaki et al. beschreiben in ihren Publikationen den Einsatz von gehärtetem Photoresist zur Isolation von Spulen [CHU87, UME91].

Vor dem Belacken auf dem Wafer vorhandene Stufen oder Strukturen werden durch das Aufschleudern des Photoresists weitergehend eingeebnet. Für den Einsatz in der Photolithographie hat dieser Effekt eine große Bedeutung. Bei ebenen

Oberflächen wird beim Aufschleudern eine gleichmäßige Photoresistschicht hergestellt. Eine Überhöhung der Photoresistschicht am Rand des Wafers kann man durch abgerundete Ränder verhindern [WID88].

Bei der Thermobehandlung von Photoresist werden mehrere Temperatur- bereiche unterschieden, die abhängig vom Ablauf unterschiedlicher chemischer Reaktionen sind. Bild 2.22 stellt die Temperaturbereiche für Reaktionsvorgänge einzelner Komponenten eines Photoresists dar. Ein Photoresist enthält grundsätzlich drei Bestandteile: ein Harz (Novolack), eine photoreaktive Komponente (PAK) und ein Lösungsmittel (z.B. Methoxypropylazetat). Der Volumenanteil des Harzes im Photolack liegt bei etwa 20%, der Anteil der photoreaktiven Komponente beträgt ca. 10% und der Lösungsmittetlanteil ca. 70%.
Zersetzung
Novolack
PAK
Lösungsmittel





0 100 ^{200 300 400}


2005 imt 5017-023
Erwärmung [°C]

Bild 2.22: Reaktionsbereiche bei der Erwärmung von Photoresists [BER91]

Im Bereich bis 70°C können thermisch bedingte Reaktionen ausgeschlossen werden [JON84]. Zwischen 70°C und 100°C findet eine Änderung der photoresistiven Komponente statt. Im Bereich von 140°C bis zu 300°C finden bereits Reaktionen im Harzanteil statt. In diesem Bereich vernetzt sich der Lack thermisch nach dem vorhergehenden Verflüssigen. Bei der Verflüssigung nimmt der Photoresist eine thermodynamisch günstigere Form an. In der Regel ist dies eine Kugel, die Schichtstrukturen können diese Form jedoch nur näherungsweise erreichen (Bild 2.23). Das Verhalten im Verflüssigungsprozess wird stark von Zusätzen bestimmt, die zur thermischen Stabilisierung des Photoresists beigefügt sind [BER91].

Bei einer Temperaturerhöhung über 200°C treten weitere chemische Reaktionen im bereits vernetzten und gehärteten Novolack auf. Ab 250°C können in der Sauerstoffatmosphäre Oxidationserscheinungen beobachtet werden, die mit dem leichten Anstieg des Molekulargewichts einhergehen. Bei einer Erwärmung oberhalb 300°C beginnt in der Sauerstoffatmosphäre die vollständige Zersetzung des Novolackharzes mit intensiver Ausgasung. Oberhalb von 600°C werden weitere Stoffe wie Wasser, Kohlendioxid, Phenol und Methan freigesetzt [KNO85, MOR86, CAS93].

2005 imt 5017-024
Bild 2.23: Verflüssigung von Photoresist bei thermischer Behandlung

Zunehmende Verbreitung in der Fertigung von Mikrosystemen finden fotoempfindliche Polymere (Photoresists), welche hohe Aspektverhältnisse bei der Lithographie ermöglichen. Diese Aspektverhältnisse können nicht nur mit DNQ/Novolack, sondern auch mit den Photoresists SU-8 (photoempfindliches Epoxiharz) erzielt werden [OBR01]. Während SU-8 nach der lithographischen Strukturierung nicht mehr entfernbar ist, kann das Novolack mit Lösungsmitteln entfernt werden.

SU-8 dient wegen seiner hohen chemischen und mechanischen Widerstandsfähigkeit auch als Werkstoff für den Aufbau von Mikrosystemen [SHA97, CHU98]. Die mechanischen Eigenschaften lassen sich beim SU-8 durch eine Wärmebehandlung beeinflussen. Die Behandlung erfolgt nach der Entwicklung des SU-8 beim photolithographischen Prozess. Aufgrund seiner elektrischen isolierenden Eigenschaften lässt sich SU-8 als Einbettmaterial einsetzen. Ein weiterer Vorteil von SU-8 besteht in der chemischen Inertheit des SU-8, die bei der Oberflächenbearbeitung einen rein mechanischen Abtrag erlaubt.

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