научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТОВОЙ ФОЛЬГИ В КАЧЕСТВЕ НЕСУЩЕЙ МЕМБРАНЫ LIGA-ШАБЛОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТОВОЙ ФОЛЬГИ В КАЧЕСТВЕ НЕСУЩЕЙ МЕМБРАНЫ LIGA-ШАБЛОНОВ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 8, с. 19-24

УДК 539.1.043:539.1.06

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТОВОЙ ФОЛЬГИ В КАЧЕСТВЕ НЕСУЩЕЙ МЕМБРАНЫ LIGA-ШАБЛОНОВ

© 2011 г. А. Н. Генцелев1, С. К. Голубцов1, Б. Г. Гольденберг1, В. И. Кондратьев1,

В. Ф. Пиндюрин1, А. Г. Зелинский2

Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия 2Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 18.02.2010 г.

Приведены первые результаты использования промышленно выпускаемой графитовой фольги в качестве материала для несущей мембраны рентгеновских ЬЮА-шаблонов и проведено их сравнение с аналогами.

ВВЕДЕНИЕ

Первой стадией ЬЮА-технологии является облучение рентгеночувствительного материала или рентгенорезиста через трафарет — ЬЮА-шаблон сравнительно жестким рентгеновским излучением с длиной волны ~ 1 А. Типичный ЬЮА-шаблон содержит выполненный из рентгенопоглощающего материала (тяжелого металла) топологический рисунок, крепящийся силами адгезии к несущей мембране, изготовленной из легких химических элементов. Толщина и тип материала несущей мембраны сильно влияют как на основные характеристики ЬЮА-шаблона — рентгенопрозрач-ность, контрастность, долговечность (ресурс рабочего времени), себестоимость и др., так и на выбор технологических операций для его изготовления (способов предоперационной подготовки поверхности, нанесения адгезивных и электропроводящих подслоев, формирование резистивной маски, типов используемых электролитов и пр.).

Внимание разработчиков привлекла промышлен-но выпускаемая графитовая фольга марки ГФ-200-0.22/0.8-400 (толщиной ~0.22 мм и удельной плотностью ~0.8 г/см3), в качестве материала для несущей мембраны ЬЮА-шаблона. Данная фольга характеризуется высокой степенью химической чистоты, инертностью поверхности в среде рабочего помещения, высокой стойкостью в кислотных и щелочных средах (рабочий интервал рН 0—14), высокими уровнями рентгенопрозрачности и электропроводности, сравнительно низкой исходной шероховатостью поверхности, достаточной прочностью, низким уровнем флуоресценции, сравнительно низкой стоимостью (~800 руб/кг, что соответствует ~1.5 коп/см2) и др. Все вышеперечисленные достоинства данной фольги позволяют рассматривать ее в качестве одного из самых перспективных материалов для изготовления несущих мембран ЬЮА-шаблонов.

ПОДГОТОВКА ФОЛЬГИ

Исходная поверхность графитовой фольги, которая в процессе ее изготовления пропускается через прокаточные валки, имеет связанные с этим специфические загрязнения, которые существенно снижают адгезию к фольге гальванически осаждаемых слоев. Эти загрязнения сравнительно легко смываются с поверхности фольги органическими растворителями (ацетоном и изопропиловым спиртом), однако проникновение растворителей внутрь фольги приводит к образованию на некоторых участках поверхности фольги "пузырей", наличие которых в рабочем поле шаблона недопустимо. Процент выхода годных подложек, у которых отсутствуют подобные дефекты на рабочей поверхности, составляет (в зависимости от предъявляемых требований) ~ 10—30% от числа прошедших процедуру промывки. Графитовые подложки диаметром ~34 мм вырезались из фольги на токарном станке, последовательно промывались ацетоном и изопропиловым спиртом, после чего годные подложки фиксировались в специально изготовленной кассете диаметром 40 мм. Оцененная по фотографиям, сделанным на растровом электронном микроскопе (РЭМ), шероховатость подготовленной таким образом поверхности графитовой фольги в среднем составляет ~10 мкм. Фотография подложки с бездефектной поверхностью приведена на рис. 1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МАРШРУТЫ

Было экспериментально опробовано несколько технологических маршрутов, ориентированных на создание ЬЮА-шаблонов и отличающихся режимами подготовки рабочей поверхности исходных подложек (промывка и нанесение подслоев), формирования и удаления резистивной маски, элек-

19

2*

трохимического осаждения слоев рентгенопогло-тителя.

В опробованных технологических маршрутах в качестве рентгенорезиста использовался широко известный и хорошо себя зарекомендовавший негативный резист 8и-8 3025, из которого за один цикл при помощи центрифуги могут быть легко созданы на рабочей поверхности подложек толстые (более 100 мкм) однородные слои [1]. Для отработки технологических маршрутов формирования толстых рентгенопоглощающих слоев из разных металлов с целью обеспечения величины контрастности ЬЮЛ-шаблона >50 [1] были подобраны режимы нанесения резиста 8и-8 толщиной ~35—40 и ~70—80 мкм.

Рентгеновское экспонирование резиста (формирование скрытого изображения) производилось на ЬЮЛ-станции [2] через содержащий топологию простейшего биочипа [3] специально изготовленный для отработки технологических маршрутов тестовый ЬЮЛ-шаблон. Внешние габаритные размеры топологического рисунка тестового шаблона ~6.2 х 7 мм, минимальные поперечные размеры, соответствующие соединительным каналам биочипа, составляют 50 мкм, крупные элементы имеют ширину 1 мм. Величина зазора между рабочей поверхностью тестового ЬЮЛ-шаблона и поверхностью экспонируемой подложки при этом составляла ~1 мм, что обеспечивало размытие проецируемых границ менее 1 мкм. Расчетная контрастность тестового ЬЮЛ-шаблона при типичном режиме работы станции на синхротронном излучении (СИ) из накопителя ВЭПП-3 [2] составляет ~4000. Формирование скрытого изображения в резисте произ-

Рис. 2. Общий вид ЬЮЛ-шаблонов, изготавливаемых по описываемой технологии (внешние габаритные размеры топологического рисунка ~6.2 х 7 мм, ширина соединительных каналов биочипа — 50 мкм, ширина крупных элементов — 1 мм).

водилось методом теневой трафаретной рентгено-литографии с использованием тонкой (толщиной ~3мкм) лавсановой пленки [4], которая, с одной стороны, почти не влияет на величину контрастности шаблона, а с другой — практически полностью предотвращает облучение резиста вторичными электронами, генерируемыми шаблоном при облучении СИ, и минимизирует дефекты, связанные с прилипанием резиста к шаблону.

На рис. 2 приведена фотография ЬЮЛ-шаблона с серебряным рентгенопоглощающим слоем на графитовой фольге, иллюстрирующая общий внешний вид ЬЮЛ-шаблонов, изготавливаемых по описываемой технологии. На рис. 3 и 4 приведены РЭМ-изображения фрагментов сформированной на поверхности графитовой фольги резистивной маски, демонстрирующие качество поверхности фольги, маску и ее толщину, которая составляет ~75 мкм. Это позволяет проводить электрохимическое осаждение слоев рент-генопоглотителя толщиной до ~65 мкм и расширяет ассортимент используемых для их формирования металлов и, соответственно, электролитов, поскольку появляется технологическая возможность выполнять рентгенопоглощающие слои не только из тяжелых металлов — Ли, К, Re, ^ но и более легких — Лё, Сё, Си и др., достигая при этом необходимого уровня контрастности изготавливаемого ЬЮЛ-шаблона. Следует отметить, что наблюдаемые микронеровности рабочей поверхности графитовой фольги не

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТОВОЙ ФОЛЬГИ

21

Рис. 3. РЭМ-изображение, иллюстрирующее качество резистивной маски, сформированной на поверхности графитовой фольги.

Рис. 4. РЭМ-изображение (под углом 45°), демонстрирующее толщину (~75 мкм) резистивной маски до проведения электрохимического осаждения слоев рентгенопоглотителя.

оказывают существенного влияния на литографическое качество изготавливаемого ЬЮА-шаблона (более важным требованием является качество боковых поверхностей резистивной маски, задающих поперечные размеры рентгенопоглощающих элементов).

Для получения рентгенопоглощающего рисунка шаблонов в данной работе проводилось электрохимическое осаждение серебра (А?) и золота (Аи) из цианистых электролитов в режиме постоянной доставки "свежего" (более обогащенного) электролита в рабочую зону при помощи нагнетающего устройства. Наилучшие результаты по изготовлению высококонтрастных ЬЮА-шаблонов, характеризующихся низкой дефектностью резистивной маски и высокой адгезией рентгенопоглощающего топологического рисунка, были получены в отсутствие напыленных подслоев на подложках, по-видимому, из-за более глубокого "внедрения" осаждаемого рентгенопоглотителя в графитовую фольгу, имеющую разветвленную волокнистую структуру.

В то же время волокнистость структуры поверхности фольги привела к известной проблеме удаления резистивной маски, изготовленной из Би-8. Применение для этой цели пиролиза (в вакууме, при Т = 700°С, продолжительностью 4 ч) и разработанного фирмой-изготовителем резиста М1сгоСИет жидкостного метода, дающего хорошие результаты для сплошных пленок резиста на гладких поверхностях, не позволили произвести безостаточное удаление с рабочей поверхности ЬЮА-шаблонов рези-стивной маски. Наличие оставшейся резистивной маски при экспонировании через такой шаблон (по сравнению с шаблоном, не имеющим ее) приводит

к сдвигу спектра прошедшего пучка СИ в более жесткую область и выражается в некотором снижении его контрастности. Это иллюстрируется расчетными графиками, представленными на рис. 5, где графики зависимости контрастности ЬЮА-шаблонов (в отсутствие резистивной маски и при ее наличии) от толщины рентгенопоглощающих слоев (выполненных из трех различных металлов: Аи, А? и Си) выглядят как три пары близко расположенных кривых, верхняя из которых соответствует случаю отсутствия резистивного слоя на графитовой фольге.

350 г

300 250

200

ть

с

о

тно

с а

тр150 он

^ 100 50

0

4 12 20 28 36 44 52 60 Толщина рентгенопоглощающего слоя, мкм

Рис. 5. Графики зависимости контрастности ЬЮА-шаблонов с несущей мембраной из графитовой фольги от толщины рентгенопоглощающих слоев, выполненных из золота, серебра и меди, в отсутствие резистивной маски (маркер ♦) и при ее наличии (маркер —) толщиной 40 мкм для Аи и 80 мкм для А? и Си.

Расчетная контрастность LIGA-шаблонов

Рентгено- Состав несущей мембраны

поглощающий слой ГФ (220 мкм) ГФ (220 мкм) + + SU-8 (80 мкм) Гр-Эп (600 мкм) Гр-Эп (600 мкм) + + SU-8 (80 мкм)

Au (20 мкм) ~400 ~282 ~170 ~145

Ag (50 мкм) ~160 ~110 ~65 ~54

Си (65 мкм) ~116 ~87

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.

Показать целиком