ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 1, с. 58-67
УДК 539.1.043.06
БЕРИЛЛИЕВЫЕ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКИЕ ШАБЛОНЫ
© 2015 г. А. Н. Генцелев1, *, Б. Г. Гольденберг1, **, А. Г. Зелинский2, А. Г. Лемзяков1
1 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия 2Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, 630128Новосибирск, Россия *Е-шаИ: ang1209@mail.ru, **Е-шаИ: goldenberg@inp.nsk.su Поступила в редакцию 12.05.2014 г.
Описана простая технология производства рентгенолитографических шаблонов с бериллиевыми несущими мембранами толщиной ~50—100 мкм с различными типами маскирующего покрытия: в виде сформированных гальваническим осаждением металлических слоев или в виде толстой (толщиной ~0.13—1.10 мм) резистивной маски, выполненной, в том числе, и из сенсибилизированного рентгенорезиста. Бериллиевые шаблоны характеризуются относительной простотой изготовления, геометрической стабильностью, практически полным отсутствием флуоресцентного излучения, низкой себестоимостью, высокими уровнями механической прочности, радиационной стойкости и рентгенопрозрачности несущей мембраны. Благодаря этому они могут применяться не только в диапазоне ультракоротких (0.5—3.0 А) длин волн рентгеновского излучения, но и в диапазоне 3—7 А. Приведены фотографии первых образцов таких шаблонов и расчетные графики, иллюстрирующие их основные литографические параметры.
Ключевые слова: рентгеновская литография, бериллиевые шаблоны, рентгенорезист. БОТ: 10.7868/80207352815010084
ВВЕДЕНИЕ
Первым этапом широко известной и применяемой для формирования микрорельефа ЛИГА-технологии [1, 2] является глубокая (здесь и далее под этим термином подразумевается получение в рентгенорезисте или ином рентгеночувствитель-ном материале скрытого изображения ("пропечатка") на глубину >50 мкм) рентгеновская литография, реализуемая, как правило, методом трафаретной рентгенолитографии, типичная схема которой приведена на рис. 1.
В подавляющем большинстве случаев в качестве экспонирующего излучения используется синхротронное излучение (СИ) в силу его высокой исходной коллинеарности и большой интенсивности, причем спектр генерируемого СИ, как правило, может варьироваться и подстраиваться под решение конкретной технологической задачи [3, 4]. Если не применяется специальная рентгеновская оптика, формирующая экспонирующий пучок СИ, то он характеризуется спектрально-неоднородным и симметричным относительно медианной плоскости накопителя пространственным распределением интенсивности (близким к гауссовому) [3]. Вследствие этого "запечатывание" большой площади обрабатываемой подложки предполагает реализацию литографического процесса в сканирующем и/или мультиплицирующем режимах.
Используемый в рентгенолитографии диапазон длин волн (0.5—50 А) можно условно разбить на поддиапазоны ультракоротких (0.5—3 А), коротких (3—7 А), средних (7—10 А) и длинных (10— 50 А) волн. Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности, и для целей глубокой рентгеноли-тографии используются первые два. На рис. 2 представлена спектральная зависимость глубины проникновения излучения для бериллия и наиболее распространенных рентгенорезистов, в том числе и сенсибилизированных путем химического введения металлов в состав резиста (например, Си с получением соединения СиМА-МА [5]), или с использованием наночастиц (например, N1 [6], А§ и т.п.). Типичные применяемые для глубокой рентгенолитографии шаблоны [4, 7—9] содержат изготовленный гальванопластикой из тяжелых металлов маскирующий слой, удерживаемый силами адгезии на рабочей поверхности рентгено-прозрачной несущей мембраны.
С "ужесточением" спектра экспонирующего СИ уменьшаются вклад дифракции в искажение топологического рисунка при его литографическом переносе и ослабление интенсивности излучения разделительными окнами канала и несущей мембраной шаблона. Это, соответственно, позволяет увеличивать зазор между рабочими поверхностями шаблона и обрабатываемой подложки и использовать в качестве несущих мембран сравнительно толстые пленки и пластинки из
Ь, см 1
СИ
0.001
0.01 -
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
X, А
Рис. 1. Схема проведения трафаретной рентгенолито-графии: 1 - шаблонодержатель, 2 - опорное кольцо шаблона, 3 - несущая мембрана, 4 - маскирующий рентгенопоглощающий слой, 5 — слой рентгенорези-ста, 6 - обрабатываемая подложка.
рентгенопрозрачных материалов. В результате снимаются проблемы, связанные с контактированием рабочей поверхности шаблона с рези-стом, а также существенно возрастают прочность шаблона и срок его службы (далее рентгенолито-графические шаблоны, применяемые в ультракоротком диапазоне именуются ЛИГА-шаблонами, в коротком диапазоне — рентгеношаблонами. В случае обобщения, относящегося к обоим типам, используется термин шаблон).
Однако уменьшение длины волны СИ приводит к ухудшению литографического разрешения (из-за увеличения кинетической энергии генерируемых в резисте и экспонирующих его вторичных электронов, вследствие чего диапазон ультракоротких длин волн пригоден для формирования ре-зистивных масок с латеральными размерами топологических элементов >1 мкм), к необходимости формирования толстых (до 50 мкм) резистивных масок (для изготовления слоев маскирующего покрытия соответствующей контрастности) и к избирательности при выборе материала обрабатываемой подложки (рис. 3) для ограничения вносимо-
Рис. 2. Спектральные зависимости глубины проникновения (длины ослабления) для следующих материалов: 1 - бериллия, 2 - ПММА, 3 - СиМА-МА (5.2% Си), 4-8Ц-8 + (13.3% N1), 5 - 8Ц-8 + (10% Ая), где в процентах указано весовое содержание металла в резисте.
го флуоресцентным излучением от нее вклада в итоговую экспозиционную дозу.
Тип материала несущей мембраны и ее толщина сильно влияют как на технологию изготовления шаблона, так и на его основные характеристики - контрастность, рентгенопрозрачность и другие, напрямую зависящие от спектра СИ, поскольку несущая мембрана сама как фильтр "вырезает" преимущественно мягкую спектральную составляющую проходящего сквозь нее пучка, наиболее активно участвующую в создании экспозиционной дозы (рис. 4).
В общем случае разработчики шаблонов, изначально ориентируясь на спектральный рабочий диапазон СИ и обеспечивая требуемый уровень рентгенопрозрачности несущих мембран (путем уменьшения их толщины и выполнения преиму-
Длина волны, А
100 ет
Флуоресцентный выход, %
А 100
6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 Атомный номер химического элемента
Рис. 3. Длина волны флуоресцентного излучения (^-линия) (1) и вероятность флуоресцентного выхода в зависимости (2) от атомного номера химического элемента.
5
4
1
2
3
2
1
Рис. 4. Спектральная зависимость рентгенопрозрач-ности фольг и пленок из следующих материалов (в скобках указана толщина в мкм): 1 — бериллия (50), 2 — титана (2.5), 3 — бериллия (100), 4 — кремния (3), 5 — лавсана (100), 6 — стеклоуглерода (450).
щественно из "легких" материалов), должны уделять должное внимание и другим параметрам шаблонов, стремясь добиться их высокой механической прочности, геометрической стабильности, радиационной стойкости, стабильного воспроизведения, простоты изготовления, низкой себестоимости.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В проводившихся в Сибирском центре синхро-тронного и терагерцевого излучения (СЦСТИ) работах по формированию теневой трафаретной синхротронной рентгенолитографией резистив-ных масок толщиной >50 мкм в основном использовались шаблоны с несущими мембранами в виде тонкой (~2—3 мкм) пленки кремния и в виде шлифованных пластинок (~500 мкм) стеклоуглерода [7], причем первые применялись в коротком диапазоне длин волн экспонирующего СИ на станции рентгеновской литографии (спектр поглощаемого СИ ~3—10 А) [8], а вторые — в ультракоротком, на ЛИГА-станции (~0.5-3 А) [3].
Основными недостатками кремниевых рентге-ношаблонов были сложная технология изготовления, высокая себестоимость и хрупкость несущей мембраны. ЛИГА-шаблоны с несущей мембраной из стеклоуглерода (марки СУ-1300, плотностью р ~ ~ 1.5 г/см3) хорошо зарекомендовали себя в силу замечательных свойств данного материала, характеризующегося высокой степенью химической чистоты, низкой флуоресценцией, высокими уровнями химической инертности, рентгенопрозрачно-сти, электропроводности. Однако данный материал имеет и некоторые, ограничивающие его использо-
вание в качестве несущих мембран, недостатки -это его дороговизна и хрупкость (задающая минимальную толщину пластинки на уровне ~450 мкм, вследствие чего шаблоны с такой несущей мембраной могут использоваться только как ЛИГА-шаблоны, рис. 4).
Переход в интервал коротких длин волн (3-7 А) представляет большой интерес, так как позволяет уменьшить (примерно на порядок по сравнению ультракоротким интервалом) толщину маскирующего слоя шаблонов и расширить диапазон материалов (включая никелевые и медные сплавы) обрабатываемых подложек благодаря снижению, в общем случае, уровня флуоресценции от их поверхности при облучении. Рентгенолитографиче-ское освоение данного спектрального диапазона позволит формировать резистивные маски толщиной до 100 мкм и изготавливать ЛИГА-шаблоны при помощи переходных шаблонов. Для этого необходимо наличие производимой простым способом или промышленно выпускаемой рентгено-стойкой, рентгенопрозрачной, недорогой и прочной фольги или пленки (предпочтительно с низкой шероховатостью) для изготовления несущей мембраны, а также разработанной для данного материала технологии создания шаблонов (желательно, чтобы конструкция и технология были универсальными, т.е. подходили и для рент-геношаблонов, и для Л ИГА-шаблонов). Поиску оптимального решения этих вопросов и посвящена данная работа.
КОНСТРУКЦИЯ ШАБЛОНОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЛИГА-шаблоны для ультракороткого спектрального диапазона X « 0.5—3.0 А. Из широко распространенных конструктивных материалов наиболее высоким уровнем рентгенопрозрачности и практически полным отсутствием флуоресценции, обусловленной только наличием примесей, характеризуется неполированная бериллиевая фольга (изготавливаемая
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.