РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКИЙ ШАБЛОН И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
X-RAY LITHOGRAPHIC TEMPLATE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к LIGA-технологии, а точнее к конструкции и способу изготовления рентгенолитографических шаблонов, включая переходные рентгеношаблоны и LIGA-шаблоны (ЛИГА-шаблоны), имеющих периодическую сеточную структуру, которые могут быть использованы для получения, в частности, широко известных металлических сеточных структур (МСС), применяемых для частотной и пространственной селекции электромагнитного излучения.
В общих чертах изготовление МСС с применением двух основных стадий LIGA-технологии выглядит следующим образом:
- формируют сравнительно толстую (толщиной 5÷500 мкм) резистивную маску на поверхности электропроводящей (или содержащей электропроводящие слои) исходной подложки посредством рентгеновской литографии (путем экспонирования рентгенорезистивного слоя через LIGA-шаблон),
- проводят электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки металлической сетки через резистивную маску,
- производят «освобождение» рабочей зоны металлической сетки от исходной подложки и удаляют остатки резиста.
Дальнейшее описание изобретения будет проводиться на примере LIGA-шаблона, поскольку для предлагаемого случая его отличие от переходного шаблона (применяемого в ряде технологий для изготовления LIGA-шаблона) или рентгеношаблона, применяемого исключительно для проведения литографических операций с использованием мягкого спектра рентгеновского излучения, будет только в толщине рентгенопоглощающего слоя: для LIGA-шаблонов он существенно больше и, следовательно, если предлагаемая технология обеспечивает изготовление LIGA-шаблонов, то тем более она обеспечит изготовление рентгенолитографических шаблонов с меньшим по толщине рентгенопоглощающим слоем.
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. Такая конструкция LIGA-шаблона предполагает поглощение значительной части экспонирующего излучения (ЭИ) (главным образом его мягкой составляющей) в несущей мембране, что приводит к сдвигу максимума интенсивности пучка ЭИ в более жесткую спектральную область, следствием чего являются снижение контрастности LIGA-шаблона и увеличение времени экспозиции.
В качестве аналога выбраны конструкция и способ изготовления стеклоуглеродного LIGA-шаблона [описанные 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. Конструкция-аналог стеклоуглеродного LIGA-шаблона схематически изображена на фиг.1, 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 весом.
Способ-аналог содержит следующую последовательность операций:
- изготавливают несущую мембрану (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) наносят слой ренгенорезиста (толщиной ~30 мкм) и формируют резистивную маску, посредством экспонирования резиста и проведения операций проявления резиста и его термической обработки;
- производят электрохимическое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (через резистивную маску осаждают на рабочую поверхность стеклоуглеродной пластинки слой «тяжелого» металла (золота, рения, вольфрама и т.п.) толщиной ~20 мкм);
- удаляют резистивную маску (производится удаление с рабочей поверхности стеклоуглеродной пластинки остатков резиста).
Недостатком конструкции-аналога является достаточно большая толщина стеклоуглеродной несущей пластинки, 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 и 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 изготовления специализированных приспособлений и оснастки.
В качестве прототипа выбраны конструкция и способ изготовления LIGA-шаблона [описанные 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].
Конструкция-прототип (схематическое изображение которой приведено на фиг.2) содержит следующие основные элементы: 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.
Способ-прототип изготовления LIGA-шаблона содержит следующие операции:
- проводят предварительное формирование границы кремниевой несущей мембраны путем создания стоп-слоя для селективного травления, например, методом термического легирования кремниевой пластины со стороны ее рабочей поверхности бором на глубину около 3 мкм (толщина будущей несущей мембраны);
- 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 золотого рентгенопоглощающего рисунка (толщиной до 8 мкм);
- удаляют остаточную резистивную маску и формируют (методом стравливания кремниевой пластины до «стоп-слоя», которым является легированный бором кремний) несущую мембрану.
На фиг.2 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.2. Кроме того, толщина рентгенопоглощающих элементов, изготавливаемых способом-прототипом, 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.
Предлагаемая конструкция LIGA-шаблона обеспечивает максимально возможные уровни его рентгенопрозрачности и контрастности (при заданных материале и толщине маскирующего слоя) и представляет собой металлический слой рентгепоглотителя, крепящийся своими краями к опорному кольцу, что проиллюстрировано на фиг.3.
Предлагаемый способ изготовления LIGA-шаблона содержит следующую последовательность основных операций, а именно:
- изготавливают комбинированную подложку, включающую в свой состав две детали: опорное кольцо и запрессованный в него диск, выполненные из различных металлов (позволяющих производить селективное травление диска с целью его полного удаления на одном из последних этапов формирования LIGA-шаблона) и их рабочие поверхности «выведены» процессом шлифовки в одну плоскость;
- формируют на рабочей поверхности комбинированной подложки резистивную маску (наносят резист, его экспонируют и травят в проявителе);
- проводят электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлического рентгенопоглощающего слоя;
- удаляют центральный металлический диск и резистивную маску.
В предлагаемом способе не уточняется, каким именно литографическим способом производится формирование резистивной маски, которая может формироваться в том числе и при помощи рентгенолитографии с применением переходного рентгеношаблона, имеющего аналогичную с заявляемой конструкцию, изготовленную заявляемым способом (основным отличием, в данном случае, переходного рентгеношаблона от LIGA-шаблона является толщина рентгенопоглощающего слоя).
На фиг.1 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.2 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, к которому крепится несущая мембрана 1.
На фиг.3 приведено схематичное изображение LIGA-шаблона заявляемой конструкции, содержащей металлический слой 2 рентгенопоглотителя, крепящийся своими краями к опорному кольцу 3.
Пример конкретного исполнения. Для реализации LIGA-шаблона предлагаемой конструкции заявляемым способом было выточено латунное (материал ЛС-59) кольцо (размерами: толщина 6 мм, внешний диаметр 40 мм, внутренний диаметр 34 мм), в которое был запрессован дюралевый (материал Д-16) диск (толщиной 3 мм, диаметром 35 мм). На следующем этапе производилась планаризация исходной комбинированной подложки методом шлифовки (рабочие поверхности кольца и диска «выводятся» в одну плоскость). Затем на рабочей поверхности комбинированной подложки формируются тонкий (защитный при проведении гальваники) слой меди (толщиной менее 1 мкм, производится методом магнетронного напыления) и поверх него резистивная маска (нанесение резиста SU-8 (толщиной ~90 мкм), его экспонирование синхротронным излучением через рентгеношаблон, с последующим травлением в растворителе). «Выращивание» рентгенопоглощающего слоя, представляющего собой сеточную структуру, производилось путем электрохимического осаждения меди на рабочую поверхность подложки через резистивную маску. Был выращен медный слой толщиной ~80 мкм, который имел прочное сцепление с краями опорного латунного кольца. На последних стадиях методом химического травления в щелочи (5% NaOH при температуре Т ≈60°) удалялся диск из материала Д-16 (в основном состоящий из алюминия), а затем резист SU-8 (по технологии рекомендуемой фирмой-производителем). В результате был получен высококонтрастный LIGA-шаблон с рабочим полем ~34 мм с самоподдерживающимся рентгенопоглощающим медным слоем толщиной ~80 мкм.
В отдельных случаях, с целью обеспечить более высокую контрастность LIGA-шаблона при заданной и меньшей, чем в описанном примере, толщиной резистивной маски, рентгенопоглощающий слой изготавливаемых шаблонов может быть выполнен комбинированным с использованием металла с большим атомным весом (или полностью из последнего).
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая конструкция LIGA-шаблона позволяет существенно повысить как его контрастность, так и рентгенопрозрачность путем исключения из состава шаблона несущей мембраны, что приводит не только к существенному уменьшению времени экспонирования через такой шаблон, но и позволяет, в ряде случаев, организовать литографические схемы с использованием источников «мягкого» рентгеновского излучения (которое при наличии несущей мембраны почти полностью поглощалось бы в ней), расширяя тем самым ряд («линейку») технологического оборудования, используемого для реализации рентгенолитографии и LIGA-технологии.