РЕНТГЕНОШАБЛОН И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
X-RAY TEMPLATE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к способу изготовления рентгеношаблонов, преимущественно для «мягкой» рентгенолитографии (где основная часть применяемого экспонирующего излучения характеризуется квантами с длинами волн - λ≥5Å).
Известны различные конструкции используемых в вышеуказанном спектральном диапазоне рентгеношаблонов, содержащих, как правило, выполненную из тяжелых металлов рентгенопоглощающую структуру, крепящуюся силами адгезии к тонкой несущей мембране (в виде органической или неорганической пленки), фиксирующейся на опорном кольце, различающихся как материалами, из которых выполнены три вышеперечисленные основные элемента шаблона, так и видами связей между ними.
В качестве аналога выбраны конструкция и способ изготовления рентгеношаблона, описанные в работе Артамонова Л.Д., Гаврюшкина Н.И., Гаштольд В.Н. и др. - Рентгеновские шаблоны для рентгенолитографии и LIGA-технологии // Отчет Сибирского международного центра синхротронного излучения за 1991-1992 г. / Ин-т ядерной физики им.Будкера СО РАН. - Новосибирск, 1993, с.229-231.
Конструкция-аналог, схематическое изображение которой приведено на фиг.1, содержит следующие основные элементы: несущую мембрану 1 в виде тонкой пленки легированного бором кремния; выполненные из золота элементы 2 рентгенопоглощающей структуры; кремниевое опорное кольцо 3.
Способ-аналог изготовления рентгеношаблона содержит следующие операции:
- формируют границу несущей мембраны путем создания стоп-слоя (например, методом термического легирования кремниевой пластины со стороны ее рабочей поверхности бором на глубину ~2÷3 мкм) для селективного травления;
- напыляют на кремниевую пластину адгезивные электропроводящие подслои;
- наносят на рабочую поверхность пластины толстый (≥10 мкм) слой рентгенорезиста и формируют методом рентгеновской литографии резистивную маску;
- производят гальваническое осаждение золотой рентгенопоглощающей структуры;
- удаляют остаточную резистивную маску и формируют (стравливая центральную часть кремниевой пластины до «стоп-слоя») несущую мембрану.
Выбранная в качестве аналога конструкция рентгеношаблона характеризуется низкой прочностью несущей мембраны, требует очень аккуратного обращения и наличия некоторого зазора между шаблоном и подложкой в процессе экспонирования (теневая печать), что приводит к деформациям рисунка при его переносе вследствие дифракционных эффектов. Кроме того, реализуемое на последнем этапе изготовления шаблона формирование несущей мембраны приводит к перераспределению его внутренних напряжений и к искажению геометрии рентгенопоглощающей структуры.
Способ-аналог характеризуется большим количеством высокотехнологичных операций и низким процентом выхода годных изделий, что, в конечном результате, приводит к значительной себестоимости изготавливаемых рентгеношаблонов.
В качестве прототипа выбраны конструкция и способ, описанные в работе Flanders D.C., Smith H.I. Polyimide membrane X-ray lithography masks fabrication and distortion measurements. - J. Vac. Sci. Technol., 1978, V.15, №3. - P.995.
Конструкция-прототип, схематически изображенная на фиг.2, содержит следующие основные элементы: несущую мембрану 1 в виде тонкой (толщиной 0,5÷1 мкм) пленки майлара (лавсана, полиэтилентерефталата), элементы 2 рентгенопоглощающей структуры (топологического рисунка шаблона); металлическое опорное кольцо 3.
Способ-прототип изготовления рентгеношаблона содержит следующие операции:
- наносят тонкий слой полимера (полиэтилентерефталата) на подложку из стекла (сапфира, кварца или другого материала, способного выдержать температуру 400°C и имеющего хорошо подготовленную поверхность);
- производят высокотемпературную (при температуре 400°C) полимеризацию слоя;
- наносят рентгенопоглощающий слой «тяжелого» металла поверх полимерного слоя,
- формируют защитную резистивную маску методами литографии;
- формируют рентгенопоглощающую структуру (топологический рисунок) шаблона путем травления «тяжелого» металла через резистивную маску;
- удаляют остаточную резистивную маску;
- прикрепляет (приклеивают) к полимерной мембране опорное кольцо (из стали, алюминия или другого материала);
- удаляют подложку (проводят селективное травление подложки).
Выбранная в качестве прототипа конструкция рентгеношаблона характеризуется высокой прочностью несущей мембраны, вследствие чего она может находиться в непосредственном контакте с резистивным слоем, нанесенным на рабочую поверхность обрабатываемой подложки. В результате влияние дифракции экспонирующего излучения на разрешающую способность рентгенолитографического процесса может быть сведено к минимуму, поскольку зазор между рабочими поверхностями шаблона и подложки может быть установлен практически равным нулю. Однако производимое уже после формирования топологии рентгенопоглощающей структуры крепление (приклеивание) опорного кольца к мембране вносит дополнительные внутренние напряжения, что приводит к деформациям геометрии структуры.
Способ-прототип характеризуется большим количеством высокотехнологичных операций, что ведет к значительной себестоимости изготавливаемых рентгеношаблонов.
Предлагаемым конструкции и способу изготовления рентгеношаблона не свойственны недостатки, присущие прототипу.
С целью минимизации геометрических искажений рентгенопоглощающей структуры шаблона и уменьшения себестоимости его изготовления предлагается формировать рентгенопоглощающую структуру на уже зафиксированной в металлических пяльцах (играющих роль опорного кольца) промышленно-выпускаемой полимерной пленке, выполняющей функцию несущей мембраны, а в качестве одной из частей рентгенопоглощающей структуры (которая может быть сложносоставной) используется толстая резистивная маска, что схематически проиллюстрировано на фиг.3.
Предлагаемый способ изготовления рентгеношаблона характеризуется простотой и выглядит следующим образом:
1) фиксируют в специальных пяльцах (играющих роль опорного кольца) промышленно-выпускаемую полимерную пленку (выполняющую функцию несущей мембраны);
2) на рабочую поверхность полимерной пленки наносят толстый (обеспечивающий требуемую контрастность при дальнейшей эксплуатации готового шаблона) слой резиста и формируют методами литографии резистивную маску.
Предлагаемая конструкция рентгеношаблона, схематически изображенная на фиг.3, содержит следующие основные элементы: несущую мембрану 1 в виде тонкой полимерной пленки; выполненные из резиста элементы 2 рентгенопоглощающей структуры; составное опорное кольцо в виде пялец из двух колец 3а и 3б.
Конструкция пялец для реализации равномерного и регулируемого натяжения полимерной пленки может быть более сложной и состоять из более чем двух колец. Для снятия внутренних напряжений в пленке может проводиться ее высокотемпературный отжиг в сборе с пяльцами (на первом этапе до нанесения не нее каких-либо слоев).
Предлагаемые конструкция и способ изготовления рентгеношаблона с применением составного в виде пялец опорного кольца, а в качестве рентгенопоглощающей структуры резистивной маски достаточно просты и легко реализуемы, причем рентгенопоглощающая структура создается на уже «сформированной» несущей мембране (на уже зафиксированной в пяльцах полимерной пленке), что исключает внесение дополнительных деформаций геометрии рентгенопоглощающей структуры, связанных с фиксацией (приклейкой) мембраны к кольцу, как это имеет место в прототипе. Для использования в качестве несущей мембраны может быть выбрана промышленно-выпускаемая радиационно-стойкая полимерная пленка (например, из материала ПЭЭК - полиэфирэфиркетона), что позволит увеличить срок эксплуатации изготовленного таким образом рентгеношаблона.
С целью повышения контрастности рентгеношаблона предлагаемой конструкции могут быть дополнительно произведены следующие действия (операции):
- рентгенопоглощающая топологическая структура может быть сформирована
- с предварительным нанесением (напылением) на рабочую поверхность пленки тонкого слоя тяжелого металла и последующим (на финальных стадиях) его травлением через сформированную резистивную маску;
- с обеих сторон несущей мембраны (т.е. двусторонний рентгеношаблон);
- из сенсибилизированного металлами (входящими в его химическую формулу и/или добавленными в виде наночастиц) резиста;
- (в тех случаях, когда позволяет топология рентгенопоглощающей структуры) полимерная пленка может быть удалена на рентгенопрозрачных участках рентгеношаблона (т.е. шаблон выполняется в «перфорированном» варианте).
Пример конкретного исполнения. Для реализации предлагаемых конструкции рентгеношаблона и способа его изготовления, в наиболее сложном варианте исполнения: «перфорированный» двусторонний шаблон с металлическими подслоями с резистивной маской из сенсибилизированного резиста (например, из позитивного рентгенорезиста CuMA-MA - сополимера метакриловой кислоты и медной соли метакриловой кислоты, характеризующийся содержанием меди ~5,2% [описанный в работе Александров Ю.М., Валиев К.А., Беликов Л.В. и др. Механизм плазмохимического травления полимеров // Микроэлектроника. - 1983. - Т.12, вып.1. - С.10]), изготавливают пяльца, содержащие три кольца из органического стекла и две прокладки из силиконовой резины (толщина пялец в сборе ~10 мм, внутренний диаметр меньшего кольца ~40 мм), с помощью которых зажимается лавсановая пленка толщиной ~2,5 мкм, причем ее натяжение может регулироваться путем стягивания крайних колец между собой посредством фиксирующих винтов.
На фиг.4 схематически изображены следующие основные элементы рентгеношаблона предлагаемой конструкции: несущая мембрана 1 в виде тонкой лавсановой пленки толщиной ~2,5 мкм; элементы 2 рентгенопоглощающей структуры; опорное кольцо в виде пялец с обеспечивающим регулируемое натяжение несущей мембраны механизмом, содержащее кольца 3а, 3б, 3в (где 3а - внутреннее кольцо, 3б и 3в - крайние кольца, крепящиеся к внутреннему через резиновые прокладки); резиновые прокладки 4; фиксирующие винты 5.
Проводят отжиг внутренних напряжений лавсановой пленки (1 час при температуре ~70°C), с последующим напылением на обе ее стороны тонких (толщиной ~0,2 мкм) слоев серебра, поверх которых наносят (на центрифуге с помощью специальных приспособлений или другим способом) толстые (≥50 мкм) слои вышеуказанного резиста. Затем при помощи рентгенолучевого генератора изображений [описанного в работе Петрова Е.В., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И. и др. Создание рентгеношаблонов на толстой подложке для глубокой рентгеновской литографии // Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2007. - №6. - С.14-19]), используя пучок сравнительно жесткого синхротронного излучения (λ≈1Å), формируют в обоих слоях резиста скрытое изображение (производят экспонирование резиста по заданной программе). После чего, проявляя резист, формируют резистивную маску и через нее травят (в водном растворе азотной кислоты) серебряные подслои, в результате получается сформированная на полимерной пленке рентгенопоглощающая структура, содержащая расположенные с разных сторон несущей мембраны идентичные слои из серебра 2а и рентгенорезиста 2б, что схематично представлено на фиг.4.
Контрастность такого шаблона при экспонировании монохроматическим излучением с длиной волны λ=5Å составит ≥45 и будет возрастать по мере ее увеличения. Для увеличения контрастности шаблона следует увеличивать толщину элементов рентгенопоглощающей структуры, а также, если позволяет ее топология, можно удалять полимерную пленку с рентгенопрозрачных участков шаблона, что достигается путем экспонирования шаблона рентгеновским излучением, до набора пленкой на открытых участках требуемой экспозиционной дозы и травления ее в водном растворе щелочи (гидроксида натрия).