ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 9, с. 1351-1353
УДК 539.1.043:539.1.06
РЕНТГЕНОШАБЛОНЫ С ТИТАНОВОЙ И ПОЛИМЕРНОЙ НЕСУЩИМИ МЕМБРАНАМИ
© 2013 г. А. Н. Генцелев1, Б. Г. Гольденберг1, А. Г. Зелинский2, А. Г. Лемзяков1, В. И. Кондратьев1
E-mail: A.N.Gentselev@inp.nsk.su
В работе рассмотрены конструкции и технологии изготовления рентгеновских шаблонов для реализации мягкой (в области длин волн X « 2—9 А) трафаретной синхротронной рентгенолитографии. В качестве несущих мембран рентгеношаблонов использовались тонкие как неорганические (титановые), так и органические (каптоновые и полиэфирэфиркетоновые) пленки. Представлены фотографии первых полученных образцов рентгеношаблонов и их расчетные рентгенолитографические параметры.
DOI: 10.7868/S0367676513090135
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Трафаретная синхротронная рентгенолитогра-фия — способ создания скрытого изображения в объеме рентгеночувствительного материала (как правило, углеводородного полимера, далее по тексту именуемого резистом) посредством пучка син-хротронного излучения (СИ) рентгеновского диапазона, прошедшего через трафарет — рентгено-шаблон. Типичный рентгеношаблон содержит выполненный из тяжелых металлов маскирующий слой, удерживаемый силами адгезии на рабочей поверхности несущей мембраны. Толщина и тип материала, из которого она изготовлена, сильно влияют как на технологию изготовления шаблона, так и на его основные характеристики: рентгенопрозрач-ность, контрастность и др., напрямую зависящие от спектра экспонирующего СИ. Шаблоны с рентге-нопрозрачными в спектральном диапазоне X ~ 2— 9 А несущими мембранами могут быть использованы на установке рентгенолитографии [1] на ВЭПП-4М (работающем на энергии Е ~ 2 ГэВ) (см. рис. 1). Работа в этом спектре по сравнению с ЛИГА-станцией [2] позволяет уменьшить обусловленное пробегом в резисте вторичных электронов размытие края формируемого скрытого изображения, снизить толщину маскирующего слоя (что упрощает изготовление шаблона) и расширить диапазон материалов, используемых для обрабатываемых подложек (благодаря снижению, в общем случае, уровня флуоресценции с их поверхности).
В проводившихся в Сибирском центре синхро-тронного и терагерцевого излучений (СЦСТИ) ра-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), Новосибирск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН), Новосибирск.
ботах по получению трафаретной синхротронной рентгенолитографией резистивных масок с использованием СИ спектрального диапазона X ~ 2—9 А в основном использовались шаблоны с несущей мембраной в виде тонкой (толщиной ~2.5 мкм) пленки из кремния [3], позже были изготовлены шаблоны с несущими мембранами из графитовой фольги (~220 мкм) [4] и из эпоксидографита (~50— 100 мкм) [4, 5]. В данной работе описываются опробованные нами конструкции и технологии изготовления шаблонов с несущими мембранами из пленок титана (~2.5 мкм), полиэфирэфиркетона (ПЭЭК ~8 мкм) и каптона (~12.7 мкм). Выбор данных пленок обусловлен сочетанием их химических
мВт/см2/А/мА
Рис. 1. Графики спектра СИ и спектральных зависимостей коэффициентов рентгенопрозрачности несущих мембран: кривая 1 — нормированное (соответствует току накопителя I я 13.2 мА) спектральное распределение интенсивности СИ в рабочей плоскости (при реализации сканирования) установки рентгенолитографии на ВЭПП-4М, кривые рентгенопрозрачности пленок: 2 — ПЭЭК (8 мкм), 3 — титана (2.5 мкм), 4 — кремния (2.5 мкм), 5 — эпоксидографита (50 мкм, плотностью р я 1.5 г • см-3), 6 — графитовой фольги (220 мкм, р я 0.8 г • см-3). Видно, что органические и титановая пленки высоко рентгенопро-зрачны в спектральном диапазоне X я 2—9 А.
1352
ГЕНЦЕЛЕВ и др.
3
/V-»
Рис. 2. Схемы, иллюстрирующие конструкции шаблонов: а — титанового и б — полимерного, где 1 — опорное кольцо, 2 — несущая мембрана, 3 — маскирующий слой.
Рис. 3. Фото внешнего вида титанового шаблона: а — с тыльной стороны до операции "утонения", б — после "золочения" (осаждения золотого маскирующего слоя), видна резистивная маска, сформированная в виде узкой вертикальной полоски.
3
а
1
1
б
2
Рис. 4. СЭМ-фотография (под углом 45°) фрагмента топологии резистивной маски, сформированной методом рентгенолучевой литографии на поверхности подложки — заготовки титанового шаблона. Длина перекрещивающихся резистивных линий ~500 мкм, ширина ~25 мкм, высота ~15 мкм.
Рис. 5. Фото внешнего вида полимерного шаблона с резистивной маской в виде квадрата (7 х 7 мм2), содержащего массив элементов, сформированных рентгеновским лучом.
и физических характеристик: стойкостью как в кислотных, так и щелочных средах, высокими прочностью, рентгеностойкостью и рентгенопрозрачно-стью (см. рис. 1), а также тем обстоятельством, что температуры их фазовых переходов значительно превышают температуры отжига (~100°С), постоянно используемых нами резистов: ПММА и 8и-8 (для справки температуры стеклования: Т& (ПЭЭК) ~ ~ 143°С, Т (каптона) ~ 360-410°С, температура плавления титана ~1670°С).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Титановые шаблоны (см. рис. 2а, рис. 3) изготавливались по следующей технологии: из сплава Д-16Т изготавливалась цельнометаллическая подложка в виде шайбы переменного сечения, содержащей толстое (~8 мм) опорное кольцо и тонкую (~0.5 мм) мембрану. Рабочая поверхность подложки полировалась и затем на нее после соответствующей подготовки последовательно напыляли слой титана (~2.5 мкм) и подслой меди (<0.1 мкм), а поверх них методом рентгенолучевой
литографии формировали резистивную маску (см. рис. 4), через которую проводили гальваническое осаждение маскирующего золотого слоя (~2 мкм). На последних стадиях изготовления шаблона удалялись резистивная маска и тонкая мембрана -центральная часть подложки (путем ее локализованного травления в щелочном растворе).
Полимерные шаблоны (см. рис. 2б и рис. 5) изготавливались следующим способом: полимерная пленка крепилась в представляющем собой фиксирующиеся пяльца составном опорном кольце, на рабочую поверхность пленки проводили напыление электропроводящего подслоя (медного толщиной ~100 нм или золотого ~10—25 нм), поверх него формировали резистивную маску, через которую производили гальваническое осаждение маскирующего золотого слоя (~2 мкм, см. рис. 6).
В описываемых выше экспериментах для формирования резистивных масок использовался ре-зист 8и-8, экспонирование которого проводилось на ЛИГА-станции, работавшей в режимах как рентгенолучевого генератора изображения [6], так и трафаретной сканирующей рентгенолитографии.
РЕНТГЕНОШАБЛОНЫ С ТИТАНОВОЙ И ПОЛИМЕРНОЙ НЕСУЩИМИ МЕМБРАНАМИ
1353
Контрастности рентгеношаблонов (с адгезивным подслоем и без него) на поверхности резиста ПММА и на глубине 50 мкм, а также отношение экспозиционных доз (D0/Dl) на этих уровнях
Материал и толщина несущей мембраны С подслоем Без подслоя
0 мкм 50 мкм Do/D1 0 мкм 50 мкм Do/D1
Титан (2.5 мкм) 128 100 4 133 102 4.4
Пленка из ПЭЭК (8 мкм) 157 96 6.3 176 99 7.5
Пленка каптоновая (12.7 мкм) 140 94 5.3 152 96 6
В будущем предполагается, что резистивная маска толщиной до 2.5 мкм будет создаваться при помощи электронно-лучевого литографа, что позволит формировать ее с субмикронной точностью. Такой подход решит проблему создания переходных шаблонов, применяемых для изготовления ЛИГА-шаблонов, характеризующихся толстым (>20 мкм) выполненным из тяжелых металлов маскирующим слоем [6].
В таблице для спектра СИ установки рентгено-литографии на накопителе ВЭПП-4М (на энергии Е = 2 ГэВ) [1] последовательно приведены расчетные (для резиста ПММА) величины контрастности описываемых шаблонов на глубинах 0 и 50 мкм, а также отношение экспозиционных доз на этих глубинах, как в случае сохранения адгезивного подслоя (слой меди ~100 нм), так и при его удалении. Существенный перепад доз (отношение ~7.5), когда в качестве несущей мембраны используется пленка ПЭЭК без подслоя, возникает из-за того, что она пропускает значительную часть мягкого спектра пучка СИ, которая поглощается преимущественно в верхних слоях резиста.
В [1] обсуждены основные проблемы, приводящие к геометрическим искажениям топологического рисунка при его переносе с помощью указанной выше установки методом синхротронной сканиру-
ющей рентгенолитографии, где показано, что реализация этого способа с должным учетом и минимизацией негативных факторов (особенно связанных с изменением температуры шаблона) способна обеспечить воспроизводимый перенос топологии на уровне 0.1 мкм при величине рабочего поля ~ 30 мм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Продемонстрированы возможности изготовления высоко рентгенопрозрачных в спектральном диапазоне X ~ 2—9 А рентгеношаблонов с тонкими и достаточно прочными несущими мембранами из титана (~2.5 мкм) и из полимерных пленок (~10 мкм), характеризующихся высокой стойкостью к воздействию как рентгеновского излучения, так и химически агрессивных сред. Данные шаблоны при сравнительно малой толщине маскирующего покрытия (золото ~2 мкм) имеют высокую контрастность (>90) и могут использоваться для проведения литографии на глубину до 50 мкм, в том числе и при изготовлении ЛИГА-шаблонов, характеризующихся толстым (>20 мкм) выполненным из тяжелых металлов маскирующим слоем.
Работа выполнена при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ и финансовой поддержке Минобрнауки России.
Рис. 6. СЭМ-фотография (под углом 45°) фрагмента топологии полимерного шаблона: черные элементы — столбики из резиста 8Ц-8, светлое поле — золотой маскирующий слой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Генцелев А.Н., Гольденберг Б.Г., Николенко А.Д. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтр. исслед. 2013. № 7. С. 96.
2. Генцелев А.Н., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтр. исслед. 2002. № 9. С. 30.
3. Артамонова Л.Д., Гаврюшкина Н.И., Гаштольд В.Н. и др. // Отчет Сибирского международного центра синхротронного излучения за 1991 — 1
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.