СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ МАСКИ ДЛЯ LIGA-ТЕХНОЛОГИИ Российский патент 2009 года по МПК G03F7/00 

Предлагаемое изобретение относится к LIGA-технологии, а точнее к способу изготовления литографической маски (маски для рентгеновской литографии, рентгенолитографической маски, рентгеновского шаблона, рентгеношаблона), используемой для проведения первой стадии LIGA-технологии - глубокой рентгеновской литографии, т.е. для проведения экспонирования толстых (до нескольких миллиметров) слоев рентгенорезиста или рентгеночувствительного материала.

Типичная литографическая маска, применяемая в LIGA-технологии, содержит несущую мембрану в виде пленки или пластинки, на рабочей поверхности которой силами адгезии удерживается сформированный методами гальванопластики топологический рентгенопоглощающий рисунок, закрепленную на опорном кольце или, если позволяет ее механическая прочность, непосредственно на маскодержателе (опорной рамке). Основным требованием, предъявляемым к литографической маске, применяемой в LIGA-технологии, является то, что геометрические отклонения ее топологического рентгенопоглощающего рисунка, возникающие в процессе его изготовления, должны находиться в определенных допусках (топологических нормах), величины которых уменьшаются по мере уменьшения минимальных размеров элементов топологии.

Первая стадия LIGA-технологии - теневая трафаретная рентгеновская литография характеризуется использованием жесткого экспонирующего излучения (ЭИ) с длиной волны около λ≈1Å и предполагает изготовление топологического рентгенопоглощающего рисунка в виде металлической пленки сравнительно большой (в несколько десятков микрометров) толщины, что требуется для обеспечения необходимой величины контрастности литографической маски. Гальваническое выращивание топологического рисунка столь большой толщины, в свою очередь, предполагает формирование резистивной маски, толщина которой заметно превосходит толщину рентгенопоглощающего слоя.

Формирование толстой резистивной маски, имеющей минимальные геометрические отклонения топологического рисунка, представляет собой некоторую техническую проблему, решение которой является целью предлагаемого изобретения.

В качестве способа-аналога выбран [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] способ изготовления литографической маски для LIGA-технологии, содержащий следующие этапы:

1. изготавливают кремниевый переходной рентгеношаблон, содержащий требуемый топологический рентгенопоглощающий рисунок необходимой контрастности для проведения экспонирования с использованием пучков сравнительно мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с пиком интенсивности рентгеновских квантов, приходящимся на энергию Е≈3 кэВ, что соответствует длине волны около λ≈4Å;

2. наносят адгезивные электропроводящие подслои на кремниевую пластину, легированную со стороны рабочей поверхности бором на глубину около 3 мкм;

3. наносят на рабочую поверхность кремниевой пластины слой рентгенорезиста и формируют резистивную маску методом теневой трафаретной рентгеновской литографии с использованием переходного рентгеношаблона и пучков МРИ;

4. проводят гальваническое осаждение золотого рентгенопоглощающего рисунка (толщиной до 8 мкм) и удаляют резистивную маску;

5. формируют несущую мембрану и производят контроль и устранение дефектов.

Кремниевый переходной рентгеношаблон, используемый в вышеописанном способе изготовления литографической маски, имеет такую же конструкцию, что и литографическая маска, и изготавливается аналогичным способом, отличается лишь толщиной и методом формирования (например, посредством фото- или электронной литографии) резистивной маски, требующейся для гальванического осаждения рентгенопоглощающего рисунка, а также и его толщиной.

На фиг.1 приведено схематическое изображение переходного рентгеношаблона, применяемого в LIGA-технологии для создания литографической маски, изготовленного вышеописанным способом и содержащего: кремниевое опорное кольцо 1; несущую мембрану 2 в виде тонкой пленки кремния, легированного бором; рентгенопоглощающий топологический рисунок 3, выполненный из золота.

В соответствии с законами кристаллографии постоянная кристаллической решетки легированного бором кремния имеет меньший размер по сравнению с постоянной исходного нелегированного кремния. Вследствие этого рентгенолитографический шаблон, изготовленный по ранее описанной технологии, характеризуется достаточно сильно натянутой на опорном кольце несущей мембраной (с внутренним напряжением около 5÷7,5·10⁷ Н/м²). Формирование такой сильно натянутой мембраны методом «утонения» центральной части кремниевой пластины, уже после того как топологический рисунок был на ней сформирован, приводит к деформации самого рентгенопоглощающего рисунка и к деформации опорного кольца, края которого начинают выступать за планарную поверхность, как схематично показано на фиг.1. В результате чего возникает прогиб рабочих поверхностей, изготовленных по данной технологии как переходного рентгено-шаблона, так и литографической маски для LIGA-технологии, и их неплоскостность существенно возрастает.

Недостатками способа-аналога помимо тех, которые присущи также и способу-прототипу и будут перечислены в соответствующем разделе заявки, является то, что и переходной рентгеношаблон, и литографическая маска для LIGA-технологии содержат сильно напряженную несущую мембрану, представляющую собой тонкую пленку (толщиной ˜3 мкм) легированного бором кремния, формируемую после создания топологического рентгенопоглощающего рисунка, что влечет за собой существенные деформации как самой формы изделия (края опорного кольца выступают за плоскость, задаваемую рабочей поверхностью несущей мембраны), так и рентгенопоглощающего топологического рисунка.

Данные негативные моменты снижают качество изготавливаемой литографической маски для LIGA-технологии, поскольку:

- не позволяют сделать зазор между рабочими поверхностями переходного рентгеношаблона и кремниевой пластины (являющейся заготовкой изготавливаемой литографической маски) меньше величины неплоскостности переходного рентгеношаблона, что приводит к заметному проявлению дифракционных эффектов при проведении теневой трафаретной рентгеновской литографии с применением ЭИ «мягкого» рентгеновского диапазона;

- способствуют «накоплению» геометрических деформаций ее топологического рисунка, обусловленных внутренними напряжениями несущих мембран как литографической маски, так и переходного рентгеношаблона.

В качестве способа-прототипа выбран [описанный в работе E.W.Becker, W.Ehrfeld, P.Hagman, A.Maner, D.Munchmeyer. Fabrication of microstructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography galvanoforming and plastic moulding (LIGA-process). // Microelectronic Engineering, 4, 1 (1986) 35-56] способ изготовления бериллиевой литографической маски для LIGA-технологии (схематическое изображение которой приведено на фиг.2), содержащий следующие этапы:

1. изготовливают полиимидный переходной рентгеношаблон, содержащий требуемый топологический рентгенопоглощающий рисунок необходимой контрастности для проведения экспонирования с использованием пучков МРИ, следующим способом:

- на стеклянную подложку напыляют металлический адгезивный подслой и наносят слой резиста;

- формируют методом фотолитографии резистивную маску;

- проводят гальваническое осаждение золотого рентгенопоглощающего рисунка и удаляют резистивную маску;

- на стеклянную подложку поверх золотого рисунка наносят центрифугированием слой полиимида и производят его термополимеризацию;

- в стеклянной подложке путем вытравливания центральной части создают рентгенопрозрачное окно;

2. напыляют на бериллиевую фольгу толщиной 25 мкм с двух сторон золотой подслой толщиной 300 Å и фиксируют ее на опорном кольце;

3. наносят на рабочую поверхность бериллиевой фольги слоя рентгенорезиста толщиной более 20 мкм и формируют методом теневой трафаретной рентгеновской литографии резистивную маску с использованием полиимидного переходного рентгеношаблона и пучков МРИ;

4. формируют рентгенопоглощающий рисунок (суммарной толщиной 18 мкм) путем гальванического осаждения на бериллиевую фольгу через резистивную маску сначала меди (Cu) толщиной 8 мкм, а затем золота (Au) толщиной 10 мкм;

5. удаляют резистивную маску и производят контроль и устранение дефектов.

На фиг.2 приведено схематическое изображение изготовленного в соответствие со способом-прототипом и применяемого в LIGA-технологии переходного рентгеношаблона, который содержит: стеклянное опорное кольцо 1; несущую мембрану 2 в виде тонкой пленки полиимида; рентгенопоглощающий топологический рисунок 3, выполненный из золота.

Недостатком способа-прототипа является использование полиимидного переходного рентгеношаблона для формирования резистивной маски методом теневой трафаретной синхротронной сканирующей рентгеновской литографии при изготовлении литографической маски для LIGA-технологии, поскольку использование переходного рентгеношаблона в теневой рентгенолитографии неизбежно приводит к дополнительным геометрическим деформациям формируемого топологического рентгенопоглощающего рисунка. Дополнительные геометрические деформации возникают как на стадии изготовления переходного рентгеношаблона вследствие возникновения и проявления внутренних напряжений, в частности при проведении операций электроосаждения рентгенопоглощающего металла и термополимеризации полиимида, так и на стадии переноса изображения в слой рентгенорезиста вследствие наличия существенного зазора между рабочими поверхностями переходного рентгеношаблона и слоем рентгенорезиста, нанесенного на несущую бериллиевую мембрану изготавливаемой литографической маски для LIGA-технологии, что приводит к усилению влияния дифракционных эффектов, образованию полутеневого размытия (из-за пространственной протяженности источника ЭИ) и увеличению размеров теневой проекции (из-за использования расходящегося пучка ЭИ). Влияние всех перечисленных эффектов прямо пропорционально величине зазора при проведении экспонирования, что поясняется схемой проведения теневой трафаретной рентгеновской литографии, приведенной на фиг.3. Таким образом, влияние вышеперечисленных нежелательных эффектов будет минимальным при реализации нулевого зазора между рабочей поверхностью переходного рентгеношаблона и слоем рентгенорезиста при формировании в нем скрытого изображения.

На фиг.3 приведена широко известная схема проведения теневой трафаретной рентгеновской литографии. Рентгеновское излучение 1 от источника 2, проходя через рентгенопрозрачные участки 3 рентгеношаблона 4, содержащего маскирующий топологический рисунок 5, элементы которого выполнены из рентгенопоглощающего материала, экспонирует резист 6, нанесенный на подложку 7.

Предлагаемый способ, в котором резистивную маску при изготовлении литографической маски для LIGA-технологии формируют без использования переходного рентгеношаблона, свободен от вышеуказанного недостатка.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение геометрических деформаций топологического рентгенопоглощающего рисунка литографической маски для LIGA-технологии.

Поставленная цель достигается путем нанесения двухслойного резиста на рабочую поверхность обрабатываемой подложки, являющейся заготовкой изготавливаемой литографической маски для LIGA-технологии, причем слой, непосредственно контактирующий с подложкой, выполнен из рентгенорезиста и имеет толщину, превышающую высоту ее топологического рентгенопоглощающего рисунка, а верхний слой выполнен из фото- или высокочувствительного электронного резиста и имеет толщину, превышающую толщину формируемого рентгенопоглощающего слоя, обеспечивающую требуемую величину контрастности при проведении экспонирования потоком МРИ. При помощи резистивной маски, сформированной в верхнем слое, создают маскирующее покрытие, служащее трафаретом для проведения рентгеновской литографии с использованием пучков МРИ.

На фиг.1 приведено схематическое изображение изготовленного в соответствие со способом-аналогом кремниевого переходного рентгеношаблона, содержащего: кремниевое опорное кольцо 1; несущую мембрану 2 в виде тонкой пленки кремния, легированного бором; рентгенопоглощающий топологический рисунок 3, выполненный из золота.

На фиг.2 приведено схематическое изображение изготовленного в соответствие со способом-прототипом и применяемого в LIGA-технологии переходного рентгеношаблона, который содержит: стеклянное опорное кольцо 1; несущую мембрану 2 в виде тонкой пленки полиимида; рентгенопоглощающий топологический рисунок 3, выполненный из золота.

На фиг.3 приведена широко известная схема проведения теневой трафаретной рентгеновской литографии. Рентгеновское излучение 4 от источника 5, проходя через рентгенопрозрачные участки рентгеношаблона 6, содержащего маскирующий топологический рисунок 3, экспонирует нанесенный на подложку 7 толстый слой 8 рентгенорезиста.

На фиг.4 приведено схематическое изображение литографической маски для LIGA-технологии, изготавливаемой без использования переходного рентгеношаблона и прошедшей несколько начальных этапов технологической цепочки, включающих в себя нанесение на рабочую поверхность обрабатываемой подложки 7 толстого слоя 8 рентгенорезиста и тонкого слоя 9 фото- или высокочувствительного электронного резиста и формирование в последнем резистивной маски.

На фиг.5 приведено схематическое изображение литографической маски для LIGA-технологии, изготавливаемой без использования переходного рентгеношаблона и прошедшей этап формирования методом обратной (взрывной, lift-off) литографии маскирующего слоя 10 из материала с большим атомным весом на поверхности толстого слоя 8 рентгенорезиста.

На фиг.6 приведено схематическое изображение литографической маски для LIGA-технологии еще до удаления с рабочей поверхности подложки 7 резистивного слоя 8 и прошедшей этап формирования методом гальванопластики топологического рентгенопоглощающего рисунка 11.

На фиг.7 приведено схематическое изображение готовой литографической маски для LIGA-технологии после удаления остатков резиста, содержащей подложку 7, на рабочей поверхности которой силами адгезии удерживается топологический рентгенопоглощающий рисунок 11.

На фиг.8 приведен график зависимости рентгенопрозрачности слоя вольфрама толщиной 0,9 мкм для рентгеновских квантов, находящихся в энергетическом интервале E≈1,8÷3,4 кэВ, что соответствует спектральному диапазону λ≈6,8÷3,6Å.

На фиг.9 приведен график зависимости рентгенопрозрачности слоя ПММА толщиной 20 мкм для рентгеновских квантов, находящихся в энергетическом интервале Е≈1,8÷3,4 кэВ, что соответствует спектральному диапазону λ≈6,8÷3,6Å.

На фиг.10 приведен график зависимости рентгенопрозрачности слоя урана (U²³⁸) толщиной 15 мкм для рентгеновских квантов, находящихся в энергетическом интервале E≈1÷12 кэВ, что соответствует спектральному диапазону λ≈12÷1Å.

Далее подробно описывается пример использования предлагаемого способа изготовления литографической маски конкретной конструкции.

В данном конкретном случае литографическая маска для LIGA-технологии имеет конструкцию, которая схематично изображена на фиг.7. Литографическая маска содержит исходную обрабатываемую подложку 7 (несущую мембрану), выполненную из стеклоуглерода и представляющую собой пластинку толщиной 500 мкм и размерами 80×80 мм², и расположенный на ее рабочей поверхности топологический рентгенопоглощающий рисунок 11, полученный методом электроосаждения металла с большим атомным весом (типа золота, платины, рения, вольфрама, урана и т.п.). Прочность обрабатываемой подложки с указанными параметрами приблизительно такая же, как и у кремниевой пластины аналогичной толщины, и она (подложка) в состоянии выдерживать механические напряжения, возникающие при проведении типичных технологических операций и в ходе ее эксплуатации, поэтому ей не требуется опорное кольцо, как это имело в случаях, приведенных при описании способа-аналога и способа-прототипа, хотя это не является принципиальным отличием.

В соответствии с предлагаемым способом изготовление рентгенопоглощающего рисунка такой литографической маски проводят в два этапа. Результатом проведения первого этапа является получение маскирующего покрытия на поверхности толстого слоя рентгенорезиста, результатом второго этапа - электроосаждение топологического рентгенопоглощающего рисунка на рабочую поверхность обрабатываемой подложки через сформированную в слое рентгенорезиста маску.

Можно сказать, что второй этап включает аналогичные операции, которые входят и в способ-аналог, и в способ-прототип вплоть до блока операций, предназначенных для формирования рентгенопрозрачного окна в исходной подложке, что не требуется в предлагаемом способе в силу наличия уже в достаточной степени рентгенопрозрачной стеклоуглеродной пластинки в спектральном диапазоне, применяемом для реализации литографического процесса непосредственно в LIGA-технологии. То есть основные и принципиальные отличия заявляемого способа от способа-аналога и способа-прототипа заключены в первом этапе.

Последовательность основных технологических операций, обеспечивающих изготовление топологического рентгенопоглощающего рисунка, расположенного на рабочей поверхности стеклоуглеродной пластинки, отображены в порядке их производства на фиг.4, 5, 6 и 7.

Вначале на рабочую поверхность стеклоуглеродной пластинки наносят толстый (около 20 мкм) слой 8 низкочувствительного рентгенорезиста типа ПММА, а затем поверх него сравнительно тонкий слой 9 (толщиной ˜1,5 мкм) высокочувствительного электронного резиста или фоторезиста. В верхнем резистивном слое создают скрытое негативное изображение требуемого топологического рисунка и формируют резистивную маску, причем таким образом, чтобы слой 8 при этом не получил никакой или очень малую (например, ≤1%) экспозиционную дозу. Получаемая в результате проведения вышеперечисленных операций обрабатываемая подложка схематично изображена на фиг.4. Затем по сформированной резистивной маске проводят обратную (взрывную, lift-off) литографию, т.е. напыляют поверх резистивной маски слой металла с большим атомным весом, например, вольфрама толщиной около 0,9 мкм и затем смывают соответствующим растворителем верхний резистивный слой. На этом заканчивается первый этап, и получаемая в результате обрабатываемая подложка, содержащая толстый слой рентгенорезиста, на поверхности которого находится маскирующее покрытие 10, представляющее собой негативное изображение формируемого топологического рентгенопоглощающего рисунка, схематично изображена на фиг.5.

Далее изготовление литографической маски для LIGA-технологии идет по широко известному технологическому маршруту. Проводится рентгеновская литография, т.е. обрабатываемая подложка со стороны маскирующего покрытия облучается потоком МРИ, интенсивность которого сосредоточена в спектральном диапазоне λ≈6,8÷3,6Å, то есть энергия экспонирующих рентгенорезист квантов находится в интервале Е≈1,8÷3,4 кэВ. На фиг.8 и 9 приведены соответственно графики зависимости рентгенопрозрачности слоев вольфрама толщиной 0,9 мкм и ПММА толщиной 20 мкм для рентгеновских квантов, находящихся в указанном спектральному диапазоне. График, приведенный на фиг.8, свидетельствует о том, что слой маскирующего покрытия достаточно контрастен для проведения рентгеновской литографии в спектральном диапазоне λ≈6,8÷3,6Å, а график на фиг.9 иллюстрирует то, что правильным подбором спектрального диапазона ЭИ можно легко добиться ситуации, когда слой ПММА будет проэкспонирован достаточно однородно по всей толщине (т.е. отношение величин экспозиционных доз на разных поверхностях рентгенорезиста не будет превышать 5). Облученный рентгенорезист проявляют и образовавшиеся в резисте окна заполняют металлом с большим атомньм весом (типа золота, платины, рения, вольфрама, урана и пр.), используя метод электроосаждения. Толщина осаждаемого металла ограничена толщиной резистивной маски (около 20 мкм) и равна, например, 15 мкм. Такой толщины рентгенопоглощающего слоя вполне достаточно, чтобы изготавливаемая литографическая маска для LIGA-технологии имела значительную величину контрастности (около 100 и более) в спектральном диапазоне ЭИ вплоть до длины волны λ≈1Å, что и иллюстрирует график, приведенный на фиг.10. Затем удаляют остатки рентгенорезиста вместе с находящимся на его поверхности маскирующим покрытием, в результате чего на стеклоуглеродной пластине остается сформированный электроосаждением топологический рентгенопоглощающий рисунок, что схематично отображено на фиг.7. На этом процесс изготовления литографической маски для LIGA-технологии заканчивается и он не содержит операции - теневой трафаретной рентгеновской литографии с использованием переходного рентгеношаблона, применение которого, как было ранее указано, влечет за собой различные геометрические искажения формируемого топологического рисунка. И хотя в предлагаемом способе резистивная маска для электроосаждения металла формируется с применением рентгеновской литографии, однако, благодаря тому, что маскирующее покрытие находится непосредственно на поверхности слоя рентгенорезиста, величины многих искажений, вклады которых, как это имеет место в способе-прототипе, прямо пропорциональны величине зазора между рабочими поверхностями переходного рентгеношаблона и обрабатываемой подложки, существенно снижаются, поскольку в предлагаемом способе величина зазора между маскирующим покрытием и слоем резиста равна нулю.

В вышеописанный способ могут быть включены операции по созданию методом напыления на рабочей поверхности обрабатываемой подложки (несущей мембраны) тонких (толщиной 100-300 Å) адгезивных электропроводящих подслоев (например, из металлов Ag, Ni, Cr, Ti или их комбинаций) с последующим их удалением, используя при этом в качестве маски для селективного травления сформированный рентгенопоглощающий рисунок, или без их удаления. Однако наличие или отсутствие этих операций не является принципиальным и не меняет сути заявляемого способа изготовления. Кроме того, маскирующий рисунок, находящийся на поверхности толстого слоя рентгенорезиста, может формироваться не только посредством обратной (взрывной) литографии, но и гальваническим способом через предварительное напыление токопроводящей пленки на поверхность рентгенорезиста, однако это тоже не имеет принципиального значения.

Использование: для изготовления литографической маски. Сущность заключается в том, что осуществляют формирование посредством рентгеновской литографии резистивной маски на рабочей поверхности несущей мембраны или обрабатываемой подложки, являющихся заготовками литографической маски и выполненных из материалов с низким атомным весом, и процессы электроосаждения через сформированную резистивную маску металлов с большим атомным весом, при этом на рабочую поверхность несущей мембраны или обрабатываемой подложки наносят сначала толстый слой рентгенорезиста, а затем тонкий слой либо фото- либо высокочувствительного электронного резиста, в последнем формируют резистивную маску и с ее помощью маскирующее покрытие, служащее трафаретом для проведения литографии рентгеновским излучением соответствующего спектрального диапазона для создания резистивной маски в слое рентгенорезиста. Технический результат: уменьшение геометрических деформаций топологического рентгенопоглощающего рисунка литографической маски. 10 ил.

Способ изготовления литографической маски для LIGA-технологии, включающий в себя процессы формирования посредством рентгеновской литографии резистивной маски на рабочей поверхности несущей мембраны или обрабатываемой подложки, являющихся заготовками литографической маски и выполненных из материалов с низким атомным весом, и процессы электроосаждения через сформированную резистивную маску металлов с большим атомным весом, отличающийся тем, что на рабочую поверхность несущей мембраны или обрабатываемой подложки наносят сначала толстый слой рентгенорезиста, а затем тонкий слой либо фото, либо высокочувствительного электронного резиста, в последнем формируют резистивную маску и с ее помощью маскирующее покрытие, служащее трафаретом для проведения литографии рентгеновским излучением соответствующего спектрального диапазона для создания резистивной маски в слое рентгенорезиста.