СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ LIGA-ШАБЛОНА
METHOD OF MAKING LIGA TEMPLATE

Предлагаемое изобретение относится к LIGA-технологии, а точнее к способу изготовления LIGA-шаблона (ЛИГА-шаблона), используемого для проведения первой стадии LIGA-технологии - глубокой рентгеновской литографии, т.е. для формирования резистивных масок в толстых (до нескольких миллиметров) слоях рентгенорезистов или рентгеночувствительных материалов через создание в них скрытого изображения посредством экспонирования сравнительно «жестким» (с длиной волны λ≈4÷1 Å) рентгеновским излучением (РИ). Типичный LIGA-шаблон содержит закрепленную на опорном кольце или рамке несущую мембрану в виде пленки или пластинки, на рабочей поверхности которой силами адгезии удерживается сформированный методами гальванопластики рентгенопоглощающий рисунок.
Первая стадия LIGA-технологии - рентгеновская литография - во многом схожа с известным методом теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии, однако имеет ряд существенных технических отличий, а именно:
- поскольку экспонирование LIGA-шаблона проводится сравнительно «жестким» РИ, то он в обеспечение требуемой контрастности должен содержать толстые слои рентгенопоглощающего металла, что, в свою очередь, предполагает наличие прочной и, следовательно, достаточно толстой (10÷500 мкм) несущей мембраны из материала (или материалов в случае ее комбинированного исполнения) с низким атомным весом;
- в тоже время слишком толстые (толщиной несколько сотен микрометров) несущие мембраны сильно поглощают экспонирующее излучение (ЭИ), что приводит к сдвигу максимума интенсивности рабочего пучка ЭИ в более жесткую область, следствием чего являются снижение контрастности LIGA-шаблона и увеличение времени экспозиции.
В качестве аналога выбран способ изготовления LIGA-шаблона, описанный в работе Артамонова Л.Д., Гаврюшкина Н.И., Гаштольд В.Н., Глуздакова Г.В., Дейс Г.А., Домахина A.M., Коломеец А.Н., Коломеец Т.М., Прокопенко B.C., Черков Г.А. - 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. Указанный способ изготовления LIGA-шаблона (схематическое изображение его реализации приведено на фиг.1) содержит следующие операции:
- предварительное формирование границы кремниевой несущей мембраны путем создания для селективного травления стоп-слоя, например, методом термического легирования кремниевой пластины со стороны ее рабочей поверхности бором на глубину около 3 мкм (толщина будущей несущей мембраны);
- нанесение на кремниевую пластину адгезивных электропроводящих подслоев;
- нанесение на рабочую поверхность кремниевой пластины слоя рентгенорезиста и формирование методом рентгеновской литографии резистивной маски;
- гальваническое осаждение золотого рентгенопоглощающего рисунка (толщиной от 0,3 до 8 мкм);
- удаление остаточной резистивной маски и формирование (методом стравливания кремниевой пластины до «стоп-слоя», которым является легированный бором кремний) несущей мембраны.
На фиг.1 схематически изображен изготовленный вышеописанным способом кремниевый LIGA-шаблон, который содержит несущую мембрану 1 в виде тонкой пленки легированного бором кремния; выполненные из золота толщиной ~ 8 мкм элементы 2 рентгенопоглощающего топологического рисунка; кремниевое опорное кольцо 3.
7
2
В соответствии с законами кристаллографии постоянная кристаллической решетки легированного бором кремния имеет меньший размер по сравнению с постоянной исходного нелегированного кремния. Вследствие этого изготовленный способом-прототипом кремниевый LIGA-шаблон характеризуется достаточно сильно натянутой на опорном кольце несущей мембраной (с внутренним напряжением ~ 5÷7,5·10 Н/м). Формирование такой сильно натянутой мембраны методом «утонения» центральной части кремниевой пластины, уже после того как на ней сформирован топологический рентгенопоглощающий рисунок, приводит к деформациям как самого рисунка, так и опорного кольца, края которого начинают выступать за планарную поверхность, что схематично показано на фиг.1. Кроме того, толщина рентгенопоглощающих элементов, изготавливаемых способом-аналогом, находится в пределах до 8 мкм, что явно недостаточно для достижения требуемой величины контрастности в случае проведения экспонирования жестким РИ с длиной волны λ≈1 Å.
Для проведения рентгенолитографии с применением РИ вышеуказанного спектрального диапазона требуется [как показано в работе Петрова Е.В., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И., Мезенцева Л.А., Пиндюрин В.Ф., Генцелев А.Н., Елисеев B.C., Лях В.В. Создание рентгеношаблона на толстой подложке для глубокой рентгеновской литографии. - Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007 г., №6, с.1-6], чтобы величина усредненной контрастности LIGA-шаблона была ≥50, что предполагает формирование из тяжелых металлов (типа золота, вольфрама, рения и т.п.) рентгенопоглощающих элементов толщиной ≥20 мкм на толстой (толщиной несколько сотен микрометров) несущей мембране (или пластинке), состоящей в основном из «легких» атомов.
В качестве прототипа выбран способ изготовления стеклоуглеродного LIGA-шаблона, описанный в работе Петрова Е.В., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И., Мезенцева Л.А., Пиндюрин В.Ф., Генцелев А.Н., Елисеев B.C., Лях В.В. Создание рентгеношаблона на толстой подложке для глубокой рентгеновской литографии. - Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007 г., №6, с.1-6, где в качестве несущей мембраны используется пластинка стеклоуглерода толщиной 500÷700 мкм. Прочность такой пластинки достаточна для прохождения ею всех технологических операций без дополнительной технологической оснастки, и поэтому она не имеет опорного кольца, а по окончании изготовления крепится к рамке шаблонодержателя. Получаемый при использовании способа-аналога LIGA-шаблон схематически изображен на фиг.2, где на рабочей поверхности несущей мембраны 1, в качестве которой используется стеклоуглеродная пластинка, силами адгезии удерживаются элементы 2 рентгенопоглощающего рисунка, выполненные из металла с большим атомным номером.
Способ-прототип содержит следующую последовательность операций:
- изготавливается несущая мембрана (из исходной стеклоуглеродной пластинки толщиной около 2 мм изготавливается методами шлифовки и полировки тонкая (толщиной ~ 500 мкм) плоскопараллельная пластинка);
- на рабочую поверхность плоскопараллельной стеклоуглеродной пластинки (с возможно нанесенными адгезивными электропроводящими подслоями) наносится слой ренгенорезиста (толщиной ~ 30 мкм) и формируется резистивная маска посредством экспонирования резиста, например, рентгенолучевым генератором изображения путем последовательного облучения рабочей поверхности «световым» пятном, форма которого задается перестраиваемой диафрагмой, а также проведения операций проявления резиста и его термических обработок;
- производится электрохимическое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (через резистивную маску проводят гальваническое осаждение на рабочую поверхность стеклоуглеродной пластинки рентгенопоглотителя - «тяжелого» металла (золота, рения, вольфрама и т.п.) толщиной ~ 20 мкм);
- удаляется резистивная маска (производится удаление с рабочей поверхности стеклоуглеродной пластинки остатков резиста).
Недостатком прототипа является достаточно большая толщина стеклоуглеродной несущей пластинки по сравнению с LIGA-шаблонами, имеющими пленочные несущие мембраны, что приводит к значительному поглощению в ней потока ЭИ и выражается в смещении спектра проходящего пучка ЭИ в более «жесткую» область, в снижении контрастности шаблона, а также в увеличении времени экспонирования.
Использование более тонкой несущей пластинки приводит к проблемам при проведении ее по технологическому маршруту с применением стандартно выпускаемого оборудования, возникающим вследствие ее недостаточной механической прочности, для решения которых требуется разработка и изготовление специализированных приспособлений и оснастки.
Предлагаемая конструкция LIGA-шаблона представляет собой сравнительно тонкую (толщиной ~ 50÷150 мкм) рентгенопрозрачную несущую мембрану, выполненную из формуемого композитного материала (например, из материала, состоящего из гранул спектрально чистого графита (фракция 10÷20 мкм), скрепленных между собой клеем на основе эпоксидной смолы, и далее по тексту именуемого эпоксидографит), к рабочей поверхности которой силами адгезии крепится выполненный из тяжелых металлов рентгенопоглощающий топологический рисунок (толщиной ≥20 мкм). В используемом диапазоне ЭИ данная конструкция LIGA-шаблона одновременно обеспечивает высокие уровни как его контрастности, так и его рентгенопрозрачности.
Предлагаемый способ изготовления LIGA-шаблона из формуемого композитного материала содержит следующую последовательность основных операций, а именно:
- изготовление методом формования из исходного рентгенопрозрачного композитного материала составной подложки с запрессованной в центре нее шайбой, в первом варианте из более рентгенопрозрачного материала, чем композитный, например бериллия (Be); во втором варианте из любого материала, обеспечивающего его селективное удаление на последнем этапе изготовления LIGA-шаблона, например из алюминия (Аl);
- доведение составной подложки методами шлифовки и полировки ее рабочей поверхности до заданной толщины и требуемых уровней плоскопараллельности и шероховатости, нанесение на рабочую поверхность составной подложки адгезивных электропроводящих подслоев;
- нанесение на рабочую поверхность составной подложки слоя рентгенорезиста и формирование методом рентгенолитографии резистивной маски (толщиной ≥25 мкм);
- гальваническое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (толщиной ≥20 мкм);
- удаление остаточной резистивной маски и запрессованной центральной шайбы (при использовании второго варианта) путем ее химического селективного травления.
На фиг.3 схематически представлены конструкции LIGA-шаблонов, изготовленных по первому (фиг.3а и фиг.3б) и второму (фиг.3в) вариантам заявляемого способа.
Шайбы из более рентгенопрозрачных материалов, чем исходный композитный, могут быть запрессованы в него так, что он (композитный материал) будет окружать их со всех сторон (см. фиг.3б), блокируя тем самым их взаимодействие с окружающей средой, например с атмосферной влагой.
На фиг.1 приведено схематичное изображение изготовленного способом-аналогом кремниевого LIGA-шаблона, который содержит несущую мембрану 1 в виде тонкой пленки кремния, легированного бором; выполненные из золота элементы 2 рентгенопоглощающего рисунка; кремниевое опорное кольцо 3.
На фиг.2 приведено схематичное изображение изготовленного способом-прототипом стеклоуглеродного LIGA-шаблона, который содержит несущую мембрану 1 в виде стеклоуглеродной пластинки, на рабочей поверхности которой силами адгезии удерживаются элементы 2 рентгенопоглощающего рисунка.
На фиг.3а и на фиг.3б приведено схематичное изображение изготовленного заявляемым способом (вариант 1) LIGA-шаблона, содержащего составную несущую мембрану 1, состоящую из диска, выполненного из исходного рентгенопрозрачного композитного материала, и запрессованной в него по центру шайбы 4 из более рентгенопрозрачного, чем композитный, материала; сформированные на рабочей поверхности мембраны элементы 2 топологического рентгенопоглощающего рисунка, крепящиеся непосредственно к предварительно напыленному на рабочую поверхность адгезивному электропроводящему подслою 5.
На фиг.3в приведено схематичное изображение изготовленного заявляемым способом (вариант 2) LIGA-шаблона, содержащего несущую мембрану 1 в виде тонкого (толщиной 50÷100 мкм) слоя исходного рентгенопрозрачного композитного материала; сформированные на ее поверхности элементы 2 топологического рентгенопоглощающего рисунка; выполненное из исходного композитного материала опорное кольцо 3; напыленный на рабочую поверхность мембраны адгезивный электропроводящий подслой 5.
Далее подробно описываются примеры предлагаемого способа изготовления LIGA-шаблона, по первому и второму вариантам, которые отличаются только материалами запрессованных шайб и последними этапами, поэтому описание этих вариантов вплоть до последней операции полностью совпадают.
Изготовление LIGA-шаблона производится следующим способом, поясняемым схематичными чертежами, приведенными на фиг.3а и 3б, и содержащим следующие основные операции:
- изготавливают методом формования под давлением (Р≈200 атм) и последующего спекания составные подложки начальной толщиной ~600 мкм, основным материалом которой является эпоксидографит, с запрессованными в них шайбами (толщиной ~400 мкм), в первом варианте из более рентгенопрозрачных, чем эпоксидографит, материалов, например бериллия (Be), а во втором - из алюминия (Аl);
- методами шлифовки и полировки рабочих поверхностей составных подложек они доводятся до заданной толщины (~ 450÷500 мкм) и требуемых уровней плоскопараллельности (клиновидность ≥0,5 мрад) и шероховатости (≥5 мкм);
- на рабочую поверхность составных подложек напыляется тонкий (≈0,3 мкм) слой меди (Сu), а затем поверх него с помощью центрифуги наносится слой рентгенорезиста SU-8 и методом рентгенолитографии формируется резистивная маска (толщиной ≥25 мкм);
- проводится гальваническое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (толщиной ≥20 мкм) из золота на рабочую поверхность подложек через резистивную маску;
- затем с рабочей поверхности известными способами (например, реактивным плазменным травлением) удаляют остатки резистивной маски, после чего проводится контроль на дефектность и при удовлетворительных результатах LIGA-шаблон в первом варианте готов для дальнейшего использования по предназначению;
- во втором варианте алюминиевая шайба удаляется путем ее химического селективного травления, например, в щелочном растворе (5% водный раствор гидроксида натрия при температуре Т≈50°С), в результате чего получается LIGA-шаблон, схематично изображенный на фиг.3б, имеющий несущую мембрану из эпоксидографита толщиной (~50÷100 мкм) и опорное кольцо из того же материала толщиной (~450÷500 мкм).
Таким образом, предлагаемый способ изготовления LIGA-шаблонов позволяет существенно повысить по сравнению со способом-прототипом как их контрастность, так и рентгенопрозрачность путем существенного уменьшения толщины несущей мембраны шаблона или эквивалентной толщины (для первого варианта) вследствие того, что используются более рентгенопрозрачные, чем эпоксидографит, материалы, например бериллий.
Толщина несущей мембраны для LIGA-шаблона, изготовленного по второму варианту, составляющая ~50÷100 мкм, меньше по сравнению с толщиной мембраны шаблона, изготовленного способом-прототипом, более чем в 5 раз.