рентгенолитографический шаблон и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Рентгенолитографический шаблон, содержащий опорное кольцо и металлический рентгенопоглощающий слой с топологическим рисунком, отличающийся тем, что не содержит несущей мембраны, а металлический рентгенопоглощающий слой крепится своими краями непосредственно к опорному кольцу.

2. Рентгенолитографический шаблон по п.1, отличающийся тем, что его металлический рентгенопоглощающий слой выполнен в виде чередующихся пленок (слоев) различных металлов.

3. Способ изготовления рентгенолитографического шаблона, включающий в себя процессы формирования резистивной маски на рабочей поверхности исходной электропроводящей (или содержащей электропроводящие слои) подложки, процессы электроосаждения металлического рентгенопоглощающего слоя, отличающийся тем, что исходную подложку выполняют состоящей из двух деталей, выполненных из разных материалов: опорного кольца и внутреннего диска, который полностью удаляется селективным травлением на последних этапах изготовления шаблона.

Описание изобретения к патенту

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.

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÷7,5·10⁷ 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.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 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.