ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 6, с. 14-19
УДК 539.1.044
СОЗДАНИЕ РЕНТГЕНОШАБЛОНОВ НА ТОЛСТОЙ ПОДЛОЖКЕ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ЛИТОГРАФИИ
© 2007 г. Е. В. Петрова, Б. Г. Гольденберг, В. И. Кондратьев, Л. А. Мезенцева, В. Ф. Пиндюрин, А. Н. Генцелев, В. С. Елисеев, В. В. Лях
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 14.03.2006 г.
Рассматривается метод изготовления рентгеновских LIGA-шаблонов, основанный на прямом создании глубокой топологии рисунка шаблона непосредственно рентгеновским микропучком. При таком способе исключается необходимость промежуточного шаблона, что сильно упрощает процесс изготовления, снижает трудоемкость и стоимость создаваемых LIGA-шаблонов. Описываются основные технологические этапы изготовления (подготовка подложки, нанесение резиста, создание скрытого изображения, травление резиста, гальванические операции), преимущества и недостатки таких рентгеношаблонов. Приводятся примеры образцов созданных прототипов медных LЮA-шаблонов на стеклоуглеродных подложках, а также бесподложечных самоподдерживающихся шаблонов.
ВВЕДЕНИЕ
Глубокая рентгеновская литография в рези-стивных слоях толщиной от десятков микрон до миллиметра и более является первым этапом ЬЮА-технологии, нацеленной на массовое и дешевое изготовление широкого круга микроизделий. Экспонирование под рентгеновским пучком таких толстых слоев резистов с обеспечением достаточной однородности поглощенной дозы по глубине требует использования относительно "жесткого" излучения с энергией фотонов >10 кэВ. Это предъявляет специфические требования к рентгеновским ЬЮА-шаблонам (маскам), через которые осуществляется облучение толстых слоев резистов. Для обеспечения достаточного контраста топологические рисунки таких шаблонов должны формироваться из относительно толстого рентгенопоглощающего материала (как правило, 10-30 мкм золота или другого тяжелого элемента). В то же время, "рентгенопрозрачные" подложки таких шаблонов могут быть сделаны относительно толстыми, чтобы обеспечить необходимую прочность шаблонов.
Традиционные методы изготовления рентгеношаблонов для ЬЮА-технологии основаны на использовании промежуточной рентгеновской маски с тонким рентгенопоглощающим рисунком (слой толщиной ~1 мкм тяжелого элемента) на тонкой рентгенопрозрачной подложке (кремний или алмаз, слой толщиной порядка нескольких микрон) [1-3]. Такая промежуточная маска используется далее для создания ЬЮА-шаблона методом экспонирования через нее достаточно толстых резистивных слоев (10-30 мкм) в относительно "мягком" рентгеновском диапазоне спектра
(1-2 кэВ). Топологический рисунок промежуточной маски формируется, как правило, с помощью электронной литографии. Этот процесс создания ЬЮА-шаблона с использованием промежуточной маски, схематично показанный на рис. 1, является многоступенчатым и трудоемким, а изготовленные ЬЮА-шаблоны получаются дорогими, что сильно сдерживает широкое внедрение ЬЮА-тех-нологии для массового изготовления различных микроизделий и микроустройств в самых разных областях применения.
В Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск) в настоящее время отрабатывается технология прямого изготовления ЬЮА-шабло-нов (без промежуточной маски) для последующего создания глубоких (до 1 мм) микроструктур с минимальными поперечными размерами элементов >10 мкм. Глубокие микроструктуры (десятки или сотни микрон) с такими поперечными размерами будут востребованы, в частности, для создания рентгеновских коллиматоров, поляризаторов и фильтров терагерцевого излучения, микростри-повых структур, элементов микрооптики оптического диапазона и др. Как правило, такие микроструктуры с высоким аспектным отношением невозможно создать другими методами.
В настоящей работе представлены первые тестовые результаты разрабатываемой альтернативной технологии изготовления рентгеновских ЬЮА-шаблонов, основанной на создании глубокой топологии рисунка шаблона на относительно толстой подложке методом прямого экспонирования под рентгеновским микропучком. При таком способе исключается необходимость промежуточного шаблона, что сильно упрощает про-
Один из стандартных методов создания LIGA-шаблонов
к
cd У
О
г
СИ (1-2 кэВ)
IHIII
г
Создание LIGA-шаблона методом прямой рентгенолитографии
Электронный резист (0.3-0.5 мкм) Золото (0.3-1.0 мкм) Кремний (B) (2-3 мкм) Щ"— Кремний (200-300 мкм)
Электронная литография
Химическое травление проэкспонированного резиста
Ионное травление золота
Химическое травление подложки
Рентгеновское экспонирование через промежуточный шаблон
Золото (0.3-1.0 мкм) Кремний (B) (2-3 мкм) Кремний (200-300 мкм)
Негативный резист (10-50 мкм)
Травление непроэкспони-рованного резиста
Поглотитель (Au, W, Re, 10-50 мкм) Гальваническое нанесение поглотителя
Удаление оставшегося резиста
СИ
Коллиматор
ХУ-перемещение подложки
\
Подложка
СИ (4-40 кэВ)
Негативный резист Подложка
Травление непроэкспони-рованного резиста
Поглотитель (Au, W, Re, 10-50 мкм) Гальваническое осаждение
Удаление оставшегося резиста
Рис. 1. Схемы изготовления ЬЮА-шаблонов традиционным методом и методом прямой рентгенолитографии.
цесс изготовления, снижает трудоемкость и стоимость создаваемых ЬЮА-шаблонов. На рис. 1 схематически сравниваются технологические циклы изготовления ЬЮА-шаблонов традиционным методом и методом прямой рентгенолитографии.
МЕТОД ПРЯМОГО СОЗДАНИЯ LIGA-ШАБЛОНОВ. ЭТАПЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Для исключения из процесса создания LIGA-шаблонов промежуточной маски использовано прямое формирование топологического рисунка шаблона методом управляемого глубокого экспонирования толстых (десятки микрон) резистив-ных слоев, нанесенных на относительно толстую рентгенопрозрачную подложку. Такое экспонирование выполнялось на пучке синхротронного излучения через рентгеновский коллиматор на станции "LIGA" накопителя ВЭПП-3 [4]. Для этого образцы с нанесенным толстым слоем резиста перемещались относительно сформированного рентгеновского микропучка по двум координатам с помощью двухкоординатного сканера, управляемого компьютером (рис. 2).
(а) Динамическая рентгенолитография
СИ Коллиматор
ХУ-перемещение подложки
\
Подложка
(б) Жидкостное травление
Микроструктура резиста
(в) Гальваническое нанесение поглотителя и жидкостное травление структуры из SU-8
Рентгеношаблон
Рис. 2. Схема изготовления LIGA-шаблонов методом прямой динамической рентгенолитографии.
Спектральный диапазон синхротронного излучения (СИ) на станции "LIGA" определяется параметрами источника излучения - накопителя ВЭПП-3 (E = 2 ГэВ, Низл = 20 кГс) и установленными в канале СИ для вакуумной безопасности бе-риллиевыми фольгами с общей толщиной 500 мкм. Дополнительно на станции устанавливался алюминиевый фильтр толщиной 100 мкм, а для защиты резистивных слоев от повреждения между технологическими процессами экспонируемые образцы закрывались алюминиевой фольгой толщиной 10 мкм. В этих условиях для полимерных рези-стов типа ПММА или SU-8 спектр поглощенной дозы находится в диапазоне 4-40 кэВ с максимумом в районе 6-11 кэВ. При этом неоднородность поглощенной дозы в резисте по глубине до 200 мкм не превышает 11%.
Образцы с нанесенным резистом толщиной 30-50 мкм облучались методом динамической рент-генолитографии за счет их поперечного перемещения относительно сколлимированного рентгеновского микропучка СИ с размерами 180 х 180 мкм [5]. Перемещение образцов обеспечивалось двухко-ординатным сканером и выполнялось со скоростью 50 мкм/с и с точностью 1 мкм. В процессе многопроходного рисования сформированный иглоподоб-ный пучок рентгеновского излучения создавал скрытое изображение требуемой микроструктуры шаблона непосредственно в толстом слое ре-зиста. Типичные поглощенные дозы при экспонировании образцов составляли 40-60 Дж/см3.
В качестве резиста использовался коммерчески доступный негативный фоторезист SU-8, позволяющий за один цикл наносить слои толщиной от 1 до 200 и более микрон, обладающие хорошей механической, химической и температурной стойкостью. Нанесение резистивных слоев производилось на центрифуге при скорости вращения 2000 об./мин и комнатной температуре. Для испарения растворителя и повышения плотности полученный резистивный слой после нанесения подвергался мягкому отжигу в вакуумном сушильном шкафу при температуре 95°C в течение 16 мин. После облучения образцы отжигались в вакуумном сушильном шкафу при 95°C в течение 4 мин для поперечной сшивки экспонированных участков резистивного слоя и минимизации внутренних напряжений. Дальнейшее химическое травление резиста производилось в растворителе PGMEA (пропилен гликоль монометиловый эфир-ацетат) фирмы MicroChem Corp. (США) при комнатной температуре в течение 4 мин с последующей промывкой в изопропиловом спирте в течение 1 мин.
В качестве материала подложек для изготовления LIGA-шаблонов был выбран стеклоугле-род марки СУ-900 производства НИИграфит, г. Москва. По информации изготовителя этот ма-
териал состоит на 99.9% из углерода, обладает прочностными характеристиками, близкими к характеристикам стекла, хорошо полируется, химически и коррозионно стоек, электропроводен, имеет достаточно низкое поглощение в используемом диапазоне спектра. Низкое поглощение рентгеновского излучения позволяет делать из стеклоуглерода подложки большой площади (до 10 х 10 см2 и более) толщиной 500-700 мкм с высокими прочностными характеристиками. Однако стеклоуглерод обладает и существенными недостатками, которые могут ограничить его использование без дополнительной обработки в качестве подложек рентгеношаблонов. В толще материала имеются стохастически расположенные микропоры, после полировки на его поверхности могут оставаться микрокаверны, что может затруднить создание на его основе бездефектных шаблонов с микронными поперечными размерами структур.
В выполненном цикле тестовых экспериментов использовались шлифованные неполированные пластины стеклоуглерода толщиной 700 мкм. Для обеспечения хорошей адгезии резистивного слоя поверхность стеклоуглеродных подложек подверга
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.