научная статья по теме ПРЯМОЕ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГЛУБОКИХ МИКРОСТРУКТУР Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЯМОЕ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГЛУБОКИХ МИКРОСТРУКТУР»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 12, с. 11-15

УДК 539.1.044/1.06:535-34

ПРЯМОЕ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГЛУБОКИХ МИКРОСТРУКТУР

© 2014 г. Б. Г. Гольденберг1, А. Г. Лемзяков1, А. Г. Зелинский2, В. Ф. Пиндюрин1

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия 2Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, 630128Новосибирск, Россия

E-mail: goldenberg@inp.nsk.su Поступила в редакцию 12.05.2014 г.

Рассмотрены разрабатываемые в ИЯФ СО РАН аппаратура и технологические приемы для изготовления методом глубокой рентгеновской литографии "высокоаспектных" микроструктур с произвольно заданным топологическим рисунком. Новизна представленного подхода заключается в использовании прямого формирования глубоких LIGA-структур в негативном резисте SU-8 диафрагмированным микропучком СИ с возможностью смены диафрагм в процессе экспонирования.

DOI: 10.7868/S0207352814120099

ВВЕДЕНИЕ

Глубокая рентгенолитография с использованием синхротронного излучения (СИ) позволяет формировать "высокоаспектные" (с большим отношением высоты к ширине) микроструктуры с уникальными параметрами. Синхротронное излучение используется в глубокой рентгенолито-графии для трафаретного переноса топологического рисунка микроструктуры с рентгеношаблона в толстый слой рентгенорезиста с минимальными дифракционными искажениями, рассеянием и поглощением в полимерных резистах. Ключевым этапом литографии является изготовление рентге-ношаблона — многостадийный, дорогостоящий технологический процесс [1]. На первом этапе посредством электронной литографии создается заготовка промежуточного рентгеношаблона — микроструктура в слое резиста ПММА толщиной 1—2 мкм на рентгенопрозрачной электропроводящей подложке. После гальванического осаждения золота такой рентгеношаблон используется в процессе мягкой рентгенолитографии с использованием мягкого СИ в диапазоне длин волн 4— 10 А для переноса рисунка в слой резиста толщиной 30—60 мкм на рентгенопрозрачной, электропроводящей подложке — заготовку рабочего рентгеношаблона. На последнем этапе гальванически в полученной полимерной микроструктуре формируется слой золота толщиной 20—50 мкм. Такой рентгеношаблон обладает высоким контрастом в спектре жесткого СИ в диапазоне длин волн 1—3 А и может использоваться для экспонирования слоев полимерных резистов толщиной до нескольких миллиметров.

ПРОТОТИП МИКРОПУЧКОВОГО РЕНТГЕНОЛИТОГРАФА НА ВЭПП-3

Ранее в [2, 3] был предложен метод прямого формирования микроструктур в глубоких слоях рентгенорезиста посредством векторного рисования произвольно заданной топологии микропучком СИ без использования рентгеношаблонов с топологическим рисунком структуры. К настоящему времени разработано специальное программное обеспечение для прецизионного перемещения подложки с резистом относительно рентгеношаб-лона — диафрагмы с контролем набора дозы. Схема реализации устройства, названного микропучковым рентгенолитографом, представлена на рис. 1. Реализована возможность формирования микроструктур, состоящих из непрерывных ломаных прямых линий, а также дуг окружностей. Формирование произвольно заданной топологии структуры осуществляется векторным способом. В настоящей работе представлены результаты развития предложенного метода — реализация возможности формирования микроструктур с использованием изменяемого размера микропучка СИ. Возможность варьирования в процессе экспонирования размера пучка СИ позволяет существенно сократить время получения конечной структуры по сравнению с использованием пучка фиксированного размера, как в предыдущей работе. Для этого, используя первоначальную конструкцию микропучкового рентгенолитографа, изготовили рентге-ношаблон на стеклоуглеродной подложке с поглощающим слоем золота толщиной 33 мкм, содержащий набор из пяти диафрагм размером от 22 до 118 мкм (рис. 2, 3). Также было разработано программное обеспечение рентгенолитографа для фор-

12

ГОЛЬДЕНБЕРГ и др.

Рис. 1. Схема работы прототипа микропучкового рентгенолитографа.

Рис. 2. Заготовка рентгеношаблона микродиафрагм — структуры из резиста 8Ц-8 высотой 56 мкм на стекло-углеродной подложке.

Рис. 3. Рабочий рентгеношаблон формирующих микродиафрагм с гальванически осажденным золотым покрытием толщиной 33 мкм.

мирования микроструктур, содержащих не только прямые фрагменты, но и дуги, окружности.

В процессе экспонирования пучок СИ ограничивается на входе в станцию предварительной диафрагмой диаметром 500 мкм, изготовленной из листа тантала толщиной 1 мм. Рентгеношаблон с набором формирующих диафрагм, установленный на независимом автоматизированном XYZ-пози-ционере, перемещается в плоскости, перпендикулярной входящему пучку СИ. Микродиафрагма необходимого размера совмещается с предварительной диафрагмой, формируя микропучок СИ для рисования структуры в слое резиста на подложке, установленной на втором независимом Х^-позиционере.

Описанное устройство в настоящее время успешно используется в Сибирском центре син-хротронного и терагерцевого излучения как основной инструмент изготовления рентгеношаблонов для последующего изготовления методом глубокой рентгеновской литографии "высокоаспект-ных" микроструктур. Микропучковый рентгено-литограф может быть использован для прямого формирования "высокоаспектных" микроструктур в слоях резиста толщиной более 500 мкм при изготовлении штучных изделий без создания специального рентгеношаблона. На рис. 4—8 представлены изготовленные с помощью микропучкового рентгенолитографа образцы заготовок рентгено-шаблонов и полученных глубоких микроструктур.

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА

Оценки и экспериментальные данные показывают, что к контрасту формирующих диафрагм для микропучкового рентгенолитографа предъ-

ПРЯМОЕ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ 13

Рис. 4. Микрофотография заготовки рентгеношаблона микрофлюидного модуля. Структура высотой 50 мкм из резиста 8Ц-8 на стеклоуглеродной подложке.

Рис. 5. Микрофлюидный модуль, изготовленный из ПММА (листовое оргстекло марки ТОСП) методом глубокой рентгенолитографии с использованием шаблона, созданного в результате осаждения на заготовку слоя золота толщиной 30 мкм, глубина каналов в ПММА 50 мкм.

Рис. 6. "Высокоаспектные" микроламели, "нарисованные" рентгеновским микропучком в толстом слое резиста SU-8, минимальная ширина ламелей 23 мкм, высота структуры 330 мкм.

Рис. 7. Изготовленная с помощью микропучкового рентгенолитографа микрорешетка из резиста SU-8 на стеклоуглеродной подложке с гальванически осажденным золотым покрытием толщиной около 50 мкм. Период структуры 130 мкм, ширина линий 65 мкм, общее поле решетки 1 х 1 см.

являются существенно более высокие требования, чем к обычным рентгеношаблонам для глубокой рентгеновской литографии. Выполнены оценки влияния контраста формирующих микродиафрагм в сочетании с требуемой плотностью элементов топологического рисунка на качество формируемых микроструктур. В работе использовался высокочувствительный негативный рентге-норезист 8и-8 [4, 5]. Установлено, что при формировании структуры с "плотным" рисунком,

например решеток с шириной линий 20 мкм и периодом 40 мкм, в результате многократного экспонирования через слой золота в областях геометрической тени на рисунке возможно накопление дозы, достаточной для сшивки резиста 8и-8 (0.15—1.0 Дж/см3 в зависимости от типа используемого резиста). Поэтому необходимо использовать шаблон микродиафрагмы с увеличенной толщиной золотого покрытия как минимум до 60 мкм для компенсации ослабления контраста. Другое

14

ГОЛЬДЕНБЕРГ и др.

Рис. 8. Фрагмент тестовой микроструктуры из рези-

ста 8Ц-8 с дуговыми элементами. Ширина линий 52 ±

± 2 мкм, высота структуры около 60 мкм.

решение — использовать метод мультиплицирования предварительно изготовленного шаблона с элементарным фрагментом микроструктуры. Такие плотные микроструктуры с поперечными размерами до нескольких микрометров и глубиной до 100—200 мкм становятся все более актуальными для создания новых элементов рентгеновской оптики [6, 7]. Поэтому изготовление улучшенных микродиафрагм с поперечными размерами до нескольких микрометров и с толщиной слоя золота до 100 мкм является предметом дальнейшей работы.

Согласно выполненным расчетам в условиях экспонирования на ЬЮЛ-станции ВЭПП-3 [2] для обеспечения дозы, достаточной для формирования микроструктуры, при использовании диафрагмы размером 20 мкм скорость движения подложки с резистом относительно микродиафрагмы должна составлять 10—20 мкм/с в зависимости от конкретных условий (например, используемых спектральных фильтров). С изменением размера диафрагмы скорость перемещения должна пропорционально изменяться.

Таким образом, смена диафрагм в процессе рисования не очень плотных структур, но содержащих как высокоточные элементы с размерами около 20 мкм, так и вспомогательные протяженные элементы с поперечными размерами порядка 100 мкм, позволяет выигрывать во времени экспонирования один—два порядка и снизить паразитное облучение резиста в областях геометрической тени, имеющее место при заполнении широких элементов микропучком СИ в результате многократного облучения близких участков

ослабленным пучком СИ через слой золота шаблона с микродиафрагмами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанный прототип микропучкового рент-генолитографа является уникальной установкой для прямого формирования "высокоаспектных" микроструктур с минимальными поперечными размерами от 20 мкм и высотой до нескольких сотен микрон с гладкими вертикальными стенками без использования дорогостоящей, многостадийной технологии изготовления и использования промежуточных рентгеношаблонов. В настоящее время микропучковый рентгенолитограф имеет ряд технических ограничений в возможности изготовления произвольных структур и не является универсальным устройством для построения любых структур. Прежде всего, минимальные размеры структур определяются имеющимися в наличии высококонтрастными формирующими диафрагмами. Эффективный контраст шаблона-диафрагмы может значительно (до 100 раз) снижаться при попытке формирования плотных структур, наприм

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