Способ изготовления кремниевого рентгеношаблона
METHOD OF MAKING A SILICON X-RAY IMAGE

Предполагаемое изобретение относится к способу изготовления кремниевого рентгеношаблона (рентгенолитографического шаблона, маски для рентгеновской литографии, рентгенолитографической маски, рентгеновского шаблона), применяемого для формирования резистивной маски или скрытого изображения в рентгеночувствительных материалах способом трафаретной рентгеновской литографии.
В качестве аналога выбран способ изготовления рентгеношаблона с полимерной мембраной [описанный в работах: [1] 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; [2] Feder R., Romankiw L.T., Spiller E., Topalian J.C. Polyimide substrates for X-ray lithography // IBM Technical Disc. Bull., 1978, v. 20, №11B; [3] Grispell P.I., Garbarino P.L., Zielinski L.B. Polyimide process for fabrication X-ray marks // IBM Technical Disc. Bull., 1978, v. 20, №10]. Механическая прочность многих полимерных пленок такова, что позволяет, в частности из майлара, изготавливать несущую мембрану рентгеношаблона толщиной около 1 мкм. Рентгеношаблоны с такими мембранами, обладая достаточно высокой механической прочность, имеют низкое поглощение рентгеновского излучения и оптически прозрачны. Был предложен способ формирования тонких, с идеальной рабочей поверхностью бездефектных полимерных пленок, выполняющих функцию несущей мембраны рентгеношаблона. Согласно описаниям в вышеприведенных работах [1-3], пленки формируют непосредственно в процессе изготовления рентгеношаблона, для чего на подложку из стекла, сапфира, кварца или другого материала, способного выдержать температуру 400°C и имеющего гладкую, отполированную поверхность, наносят тонкий слой полимера и производят полимеризацию. Затем поверх этого слоя наносят (напыляют) рентгенопоглощающий слой «тяжелого» металла, в котором литографическим способом с последующим травлением создают топологический рентгенопоглощающий рисунок. Спецификой данного процесса является тот факт, что полимерная мембрана находится в контакте с подложкой в течение всего времени формирования рентгенопоглощающего рисунка и лишь после его создания подложка стравливается, а мембрана остается прикрепленной к опорному кольцу. Опорное кольцо из стали, алюминия или другого материала прикрепляется к мембране перед стравливанием подложки [1], или перед отделением мембраны от подложки [2], или опорное кольцо изготавливается из самого материала подложки [3].
Таким образом, последовательность основных операций, характеризующих способ изготовления, может быть, согласно работе [1], записана следующим образом:
1. наносят на поверхность подложки тонкий слой полимера и формируют полиимидную пленку, толщиной ~ 1 мкм;
2. формируют известным литографическим способом на поверхности полиимидной пленки рентгенопоглощающий рисунок из золота, толщиной 0,03÷0,5 мкм;
3. изготавливают опорное кольцо и приклеивают его к полиимидной пленке;
4. удаляют (стравливают) подложку;
На Фиг. 1 схематично изображена конструкция рентгеношаблона, изготавливаемого способом-аналогом, где к опорному кольцу 1, прикреплена играющая роль несущей мембраны полимерная (полиимидная) пленка 2, на поверхности которой сформированы элементы 3 маскирующего слоя (рентгенопоглощающего рисунка).
К недостаткам шаблонов данной конструкции можно отнести следующие моменты:
- крепления опорного кольца к мембране вносит в нее дополнительные напряжения, что может привести к некоторым геометрическим деформациям топологического рисунка, поэтому операция крепления кольца должна проводиться очень аккуратно и тщательно;
- полимерные пленки взаимодействуют с атмосферной влагой и меняют свои физические свойства в зависимости от степени влажности окружающей среды, поэтому их эксплуатация и хранение должны проводиться в стабильных по данному параметру условиях;
- в полимерных пленках под действием рентгеновского излучения происходят многочисленные акты «разрывов» и «сшивки» высокоатомных молекулярных цепей, в результате чего свойства полимерной несущей мембраны изменяются в процессе эксплуатации рентгеношаблона, т.е. имеет место процесс деградации мембраны и связанные с ним геометрические искажения рентгенопоглощающего топологического рисунка шаблона.
В качестве прототипа выбран способ изготовления кремниевых рентгенолитографических шаблонов [описанный в работах: [4] Артамонова Л.Д., Глускин Е.С., Красноперова А.А., Кулипанов Г.Н., Назьмов В.П., Пиндюрин В.Ф., Скринский А.Н., Черков Г.А., Чесноков В.В., Шелюхин Ю.Г. Эксперименты по рентгеновской литографии с использованием синхротронного излучения накопителя ВЭПП-2М // В сб. докладов: Всесоюзное совещание по использованию синхротронного излучения СИ-82. Новосибирск, 1982, С. 260-277 и [5] 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 гг. Ин-т ядерной физики им. Будкера СО РАН // Новосибирск, 1993, С. 229-231], рентгенопоглощающий топологический рисунок которых сформирован на несущей мембране, представляющей собой тонкую (толщиной ~ 2 мкм) пленку легированного бором кремния.
19
20
-3
На фиг. 2 приведено схематическое изображение кремниевого рентгенолитографического шаблона. Суть технологии его изготовления, в общих чертах, сводится к следующим основным операциям. Кремниевую подложку с обеих сторон легируют методом термической диффузии бором (до объемной концентрации примеси бора ~10÷10 см) на глубину ~ 2 мкм, в результате чего на рабочей поверхности образуется легированный слой, который в последующем будет выполнять роль несущей мембраны 4 рентгенолитографического шаблона. Затем на рабочую поверхность напыляют металлические адгезивные подслои титана и никеля толщиной несколько сотен ангстрем (на схеме не отражены), а поверх них формируют резистивную маску, в окнах которой методом электролиза выращивают маскирующий слой (рентгенопоглощающий рисунок) 3 из золота. На последних этапах удаляют резистивную маску и центральную часть подложки, путем жидкостного селективного травления подложки с ее тыльной стороны, формируя кремниевую несущую мембрану 4 шаблона и соответственно его опорное кольцо 5 (или иными словами формируя в шаблоне рентгенопрозрачное окно).
Вышеизложенный способ изготовления рентгеношаблона содержит следующие основные операции:
1. предварительно формируют границы кремниевой несущей мембраны, путем создания стоп-слоя для селективного травления, что достигается путем термического легирования кремниевой пластины с обеих сторон бором на глубину ~ 2 мкм;
2. наносят на рабочую поверхность кремниевой пластины адгезивные электропроводящие подслои из сравнительно легких (с малым атомным весом) металлов: титана (Ti) и никеля (Ni);
3. формируют любым известным литографическим способом на рабочей поверхности кремниевой пластины резистивную маску;
4. проводят гальваническое осаждение золотого маскирующего слоя (рентгенопоглощающего рисунка) через окна в резистивной маске;
5. удаляют остатки резистивной маски;
6. наносят защитные слои (полностью на рабочую поверхность пластины и в виде кольца на ее тыльную поверхность) для последующего селективного жидкостного травления кремния;
7. формируют несущую мембрану и опорное кольцо шаблона, путем удаления центральной части кремниевой пластины селективным жидкостным травлением с тыльной стороны до стоп-слоя (легированного бором слоя кремния);
8. удаляют защитные слои с кремниевой пластины.
Основными достоинствами кремниевых шаблонов являются высокая химическая и радиационная стойкость несущей мембраны, ее высокая рентгенопрозрачность, а также универсальность технологии их изготовления, поскольку она в основном содержит хорошо известные процессы, используемые в полупроводниковом производстве. Их недостатками являлись высокая себестоимость, хрупкость несущей мембраны и также сложность многооперационной технология изготовления. В частности, несущую мембрану формируют на одном из последних этапов изготовления рентгеношаблона путем удаления центральной части пластины посредством жидкостного селективного травления с тыльной стороны до стоп-слоя, что требует создания нескольких защитных слоев (для топологического рисунка, расположенного на рабочей поверхности шаблона, а также в виде кольца на тыльной стороне пластины) и последующего их удаления после формирования несущей мембраны. Это существенно усложняет технологию изготовления шаблона, увеличивает его себестоимость и нередко приводит к необратимым изменениям (порывам) несущей мембраны, вследствие ее сравнительно малой прочности.
Предлагаемый способ существенно упрощает технологию изготовления рентгеношаблона, снижает его себестоимость, позволяет изготавливать рентгеношаблон с произвольной наперед заданной (заранее определенной) толщиной несущей мембраны (≥1,8 мкм в зависимости от предназначения рентгеношаблона и условий его эксплуатации), что приводит к существенному увеличению прочности несущей мембраны.
Данный способ содержит следующие основные операции:
1. производят предварительный отбор плоскопараллельных кремниевых пластин,
2. последовательно наносят на рабочую поверхность кремниевой пластины посредством магнетронного напыления тонкий (толщиной ~ 30-40 нм) адгезионный подслой из титана (Ti) или хрома (Cr), а затем подслой никеля (Ni) (толщиной ~ 20 нм);
3. формируют известным литографическим способом на рабочей поверхности кремниевой пластины резистивную маску;
4. проводят гальваническое осаждение через резистивную маску рентгенопоглощающего маскирующего слоя (из золота, платины или другого тяжелого металла);
5. удаляют остатки резистивной маски,
6. формируют несущую мембрану и опорное кольцо шаблона, путем удаления центральной части кремниевой пластины посредством ее плазмохимического травления с тыльной стороны на определенную заранее заданную глубину.
На Фиг. 3 приведено схематическое изображение рентгеношаблона, изготавливаемого заявляемым способом (пропорции для наглядности не соблюдены), где топологический рентгенопоглощающий рисунок из золота 3, расположен на поверхности многослойной несущей мембраны, крепящейся своими краями к опорному кольцу 5. Несущая мембрана содержит напыленные подслои титана 6 и никеля 7. На последнем этапе изготовления шаблона путем плазменного травления кремниевой пластины с тыльной стороны частично удалена ее центральная часть и оставлен тонкий слой кремния 8.
Далее описан пример изготовления рентгеношаблона с достаточно толстым маскирующим слоем (рентгенопоглощающим топологическим рисунком), толщиной ~30 мкм, выполненным из золота. Данный шаблон предназначен для проведения экспонирования синхротронным излучением жесткого спектрального диапазона . В качестве исходной заготовки использовалась кремниевая пластина (ориентации (100), ∅76 мм).
Рентгеношаблон изготавливается путем проведения следующей последовательности операций:
1. Последовательное магнетронное напыление на рабочую поверхность кремниевой плоскопараллельной пластины адгезивных проводящих подслоев титана (Ti, ~ 40 нм) и никеля (Ni, ~ 20 нм).
2. Формирование из негативного резиста SU-8 посредством рентгенолитографии с применением переходного рентгеношаблона резистивной маски толщиной ~50 мкм.
3. Гальваническое осаждение маскирующего слоя золота (средней толщиной ~30 мкм) на рабочую поверхность пластины через резистивную маску.
6
3
3
4. Удаление центральной части (~∅50 мм) кремниевой пластины путем плазмохимического ее травления с тыльной стороны через дюралюминиевый трафарет с остановкой травления, не доходя ~30 мкм до поверхности пластины (см. Фиг. 3). Эта операция может быть произведена на установке плазмохимического травления Plasmalab 80 Plus с источником индуктивно-связанной плазмы (ICP) при давлении р=30 mTorr, со скоростями подачи газов: SF - 50 см/мин, Ar - 5 см/мин, подводимые мощности составляли: RF=70 Вт; ICP=500 Вт. Травление рекомендуется проводить а режиме многократного (~160 раз) повторения двух стадий: травление ~ 48 секунд и охлаждение ~ 2 мин.
3
Процесс травления иллюстрируется схемой, приведенной на Фиг. 4, где кремниевая пластина 9 (с подслоями 6, 7 и сформированным рентгенопоглощающим слоем 3) располагается на охлаждаемом столике 10. Травление производится через дюралюминиевый трафарет 11, задающий геометрию удаляемой области кремниевой пластины 9 потоком ионов плазмы 12. Материалом для трафарета может служить дюралюминий, нержавеющая сталь и иные материалы, скорость плазмохимического травления которых в вышеописанной плазме по сравнению со скоростью травления кремния незначительна (меньше в 10 и более раз). Поскольку во время травления к образцу подводится значительная мощность (~ 500 Вт), то он греется и соответственно поднимается температура столика, которая затем снижается на стадии охлаждения до ~ Т=5°C. Отведение тепла от кремниевой пластины 9 (т.е. ее охлаждение) происходило двумя путями: через теплоотвод к охлаждаемому столику 10 (с которым пластина имеет механический контакт) и посредством теплопереноса в среде газа аргона (на стадии охлаждения поток активных газов перекрывается и существенно (в 10 раз) увеличивается поток аргона до 50 см/мин). Температура столика контролируется датчиком и исходная температура старта цикла ~ Т=5°C.
Установка, на которой производилась отработка режимов формирования несущей мембраны шаблона, не оснащена интерферометрическим датчиком, позволяющим отслеживать процесс травления в режиме «in-situ», но такая опция для данного типа установок существует и в этом случае процесс может контролироваться по показаниям такого датчика. Экспериментально измеренная скорость травления кремния ~2 мкм/цикл (т.е. толщина слоя, удаляемого за один цикл). Поскольку исходная толщина пластины и скорость ее травления известны, а процесс может быть оставлен в любой момент (ориентируясь на расчеты), то это позволяет получать заданную толщину несущей мембраны без стоп-слоя с точностью ± 0,1 мкм, при условии предварительного отбора плоскопараллельных пластин.
Преимущество данной технологии по сравнению с прототипом в том, что в ней исключены операции легирования кремния бором, жидкостного травления кремния, формирования и удаления защитных слоев и пр., а также в том, что заявляемый способ позволяет получать несущие мембраны произвольной заранее определенной толщины (в зависимости от целевых приложений рентгеношаблона), что существенно увеличивает их прочность, а следовательно снижает необратимые потери при изготовлении шаблонов, обусловленные порывами несущих мембран.
В итоге был получен образец шаблона с толщиной несущей мембраны ~ 30 мкм. Следует отметить, что при формировании таким способом несущей мембраны шаблона, а соответственно и его опорного кольца величина подтрава не имела для нас принципиального значения, но она не превышала толщины кремниевой пластины, т.е. была не более 0,35 мм. Однако, в случае если стоит задача формирования окон с точными габаритными размерами, то необходимо перейти с плазмохимического травления на ионно-лучевое и формировать защитную алюминиевую маску (выполняющую роль трафарета при травлении) любым литографическим способом непосредственно на тыльной стороне кремниевой пластины. Защитная маска из алюминия толщина маски ~ 1 мкм обеспечит травление кремниевой пластины на глубину ~500 мкм.
На Фиг. 1 схематично изображена конструкция рентгеношаблона, изготавливаемого способом-аналогом, где к опорному кольцу 1 прикреплена играющая роль несущей мембраны полимерная (полиимидная) пленка 2, на поверхности которой сформированы элементы 3 маскирующего слоя (рентгенопоглощающего рисунка).
На Фиг. 2 приведено схематическое изображение кремниевого рентгеношаблона, изготовленного способом-прототипом, где маскирующий рентгенопоглощающий слой 3, расположен на поверхности несущей мембраны, представляющей собой пленку легированного бором кремния 4, крепящуюся своими краями к опорному кольцу 5.
На Фиг. 3 приведено схематическое изображение рентгеношаблона, изготовленного заявляемым способом, где маскирующий рентгенопоглощающий слой 3 из золота, расположен на поверхности несущей мембраны, крепящейся своими краями к опорному кольцу 5. Несущая мембрана содержит напыленные подслои титана 6 и никеля 7 и тонкий слой кремния 8, который сформирован на последнем этапе изготовления шаблона путем плазменного травления кремниевой пластины с тыльной стороны.
На Фиг. 4 приведена схема, иллюстрирующая процесс формирования несущей мембраны шаблона и его опорного кольца посредством плазмохимического травления, где кремниевая пластина 9 с напыленными подслоями 6, 7 и сформированным маскирующим рентгенопоглощающим слоем 3 располагается на охлаждаемом столике 10 в посадочном месте дюралюминиевого трафарета 11 и подвергается воздействию потока ионов 12 с ее тыльной стороны.