способ изготовления liga-шаблона

Формула изобретения

Способ изготовления LIGA-шаблона, включающий в себя процессы формирования из исходной подложки несущей мембраны, ее рабочей поверхности, резистивной маски, рентгенопоглощающего топологического рисунка, отличающийся тем, что исходную подложку выполняют из бериллиевой фольги, на рабочей поверхности подложки создают планаризирующий буферный (защитный) слой из проэкспонированного и задубленного негативного фоторезиста SU-8.

Описание изобретения к патенту

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 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 пучка ЭИ в более жесткую спектральную 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:

- 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.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.

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-аналогом кремниевый LIGA-шаблон характеризуется достаточно сильно натянутой на опорном кольце несущей мембраной (с внутренним напряжением ~5÷7,5·10⁷ Н/м ²). 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 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-прототипа 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 весом.

Способ-прототип 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 рентгенорезиста (толщиной ~30 мкм) и формируют резистивную маску, посредством экспонирования резиста (например, рентгенолучевым генератором изображения путем последовательного облучения рабочей поверхности «световым» пятном, форма которого задается перестраиваемой диафрагмой) 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 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.

В используемом диапазоне ЭИ предлагаемая конструкция LIGA-шаблона обеспечивает высокие уровни его контрастности и его рентгенопрозрачности и представляет собой сравнительно тонкую (толщиной ~120 мкм) рентгенопрозрачную составную несущую мембрану, содержащую выполненную из промышленно выпускаемой бериллиевой фольги подложку, на рабочей поверхности которой расположен тонкий (толщиной ~20 мкм) слой проэкспонированного и задубленного резиста SU-8, выполняющего функции планаризирующего и буферного (при проведении электрохимического осаждения) слоя. Данная конструкция выбрана по причине того, что промышленно выпускаемая бериллиевая фольга толщиной ~100 мкм изготавливается из отожженного в вакууме бериллиевого порошка путем горячего прессования, травления и холодной прокатки и характеризуется большой шероховатостью (~20 мкм), а сам бериллий высокой химической активностью, вследствие чего изготовление качественных LIGA-шаблонов по стандартной технологии формирования рентгенопоглощающего топологического рисунка методом гальванопластики, используя непосредственно подложки из бериллиевой фольги, невозможно поскольку поверхность фольги активно взаимодействует с электролитом. То есть между фольгой и электролитом должен быть сформирован буферный слой из рентгенопрозрачного материала (материала с малым атомным весом), полностью закрывающий ее шероховатую поверхность. Материал должен характеризоваться высокой адгезией к фольге, постоянством своих свойств в широком температурном диапазоне (как минимум от 20°С до 100°С), не взаимодействовать с электролитом и жидкостями, используемыми при формировании резистивной маски. В качестве такого материала был выбран проэкспонированный и задубленный (при температуре 250°С) резист SU-8 (негативный фоторезист SU-8), который удовлетворяет всем вышеизложенным требованиям, и далее по тексту такой сэндвич - подложка из бериллиевой фольги с нанесенным на ее рабочую поверхность проэкспонированным и задубленным резистом SU-8, будет именоваться бериллиевая подложка с буферным слоем из SU-8

Предлагаемый способ изготовления LIGA-шаблона с использованием в качестве несущей мембраны бериллиевой подложки с буферным слоем из SU-8 содержит следующую последовательность основных операций, а именно:

- изготавливают из бериллиевой фольги подложку нужного размера, наносят на ее рабочую поверхность тонкий слой резиста SU-8, экспонируют его и задубливают;

- затем на поверх резиста напыляют тонкий слой металла, обеспечивающего электропроводность рабочей поверхности и требуемый уровень адгезии при проведении электрохимического осаждения рентгенопоглощающего рисунка на одной из последующих операций;

- наносят на рабочую поверхность подложки слой рентгенорезиста и формируют методом рентгенолитографии резистивную маску (толщиной 25 мкм);

- производят гальваническое осаждение топологического рентгенопоглощающего рисунка (толщиной 20 мкм);

- удаляют остаточную резистивную маску.

На фиг.3 схематически представлена конструкция LIGA-шаблонов, изготовленных заявляемым способом.

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.3 приведено схематичное изображение изготовленного заявляемым способом LIGA-шаблона, содержащего составную несущую мембрану 1, представляющую собой бериллиевую подложку 4 с буферным слоем 5 из задубленного резиста SU-8 с напыленным поверх него тонким металлическим адгезивным электропроводящим подслоем 6, на котором сформированы элементы 2 рентгенопоглощающего рисунка.

Далее подробно описывается пример изготовления LIGA-шаблона заявляемым способом, который содержит следующие основные операции:

- из бериллиевой фольги (толщиной ~100 мкм) изготавливают, например, методом электроискровой резки круглые подложки (диаметром ~34 мм), на их рабочую поверхность наносят на центрифуге тонкий (толщиной ~20 мкм) слой рентгенорезиста SU-8, который отжигают до и после проведения экспонирования, экспонируют (например, излучением ртутной лампы высокого давления) и задубливают в печи при температуре Т=250°С;

- на рабочую поверхность подготовленной таким образом составной подложки (бериллиевой подложки с буферным слоем из SU-8) напыляют тонкий ( 0,3 мкм) слой меди (Сu), а затем поверх него с помощью центрифуги наносят слой резиста SU-8 и методом рентгенолитографии формируют резистивную маску (толщиной 25 мкм);

- проводят гальваническое осаждение рентгенопоглощающего топологического рисунка (толщиной 20 мкм) из золота на рабочую поверхность подложки через резистивную маску;

- затем с рабочей поверхности известными способами (например, реактивным плазменным травлением) удаляют остатки резистивной маски, после чего проводят контроль на дефектность и при удовлетворительных результатах LIGA-шаблон готов для дальнейшего использования по своему предназначению.

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 и благодаря использованию более рентгенопрозрачного материала (бериллия), а также проводить все операции по изготовлению, используя промышленно выпускаемую фольгу и стандартное литографическое оборудование.