СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ LIGA-ШАБЛОНА Российский патент 2011 года по МПК G03G15/00 

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 λ≈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 рабочего пучка ЭИ в более жесткую 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:

- предварительное формирование границы кремниевой несущей мембраны путем создания для селективного травления стоп-слоя, например, методом термического легирования кремниевой пластины со стороны ее рабочей поверхности бором на глубину около 3 мкм (толщина будущей несущей мембраны);

- нанесение на кремниевую пластину адгезивных электропроводящих подслоев;

- нанесение на рабочую поверхность кремниевой пластины слоя рентгенорезиста и формирование методом рентгеновской литографии резистивной маски;

- гальваническое осаждение золотого рентгенопоглощающего рисунка (толщиной от 0,3 до 8 мкм);

- удаление остаточной резистивной маски и формирование (методом стравливания кремниевой пластины до «стоп-слоя», которым является легированный бором кремний) несущей мембраны.

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-прототипом кремниевый LIGA-шаблон характеризуется достаточно сильно натянутой на опорном кольце несущей мембраной (с внутренним напряжением ~ 5÷7,5·10⁷ Н/м²). 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 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.

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-аналога 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 номером.

Способ-прототип содержит следующую последовательность операций:

- изготавливается несущая мембрана (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) наносится слой ренгенорезиста (толщиной ~ 30 мкм) и формируется резистивная маска посредством экспонирования резиста, например, рентгенолучевым генератором изображения путем последовательного облучения рабочей поверхности «световым» пятном, форма которого задается перестраиваемой диафрагмой, а также проведения операций проявления резиста и его термических обработок;

- производится электрохимическое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (через резистивную маску проводят гальваническое осаждение на рабочую поверхность стеклоуглеродной пластинки рентгенопоглотителя - «тяжелого» металла (золота, рения, вольфрама и т.п.) толщиной ~ 20 мкм);

- удаляется резистивная маска (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.

Предлагаемая конструкция LIGA-шаблона представляет собой сравнительно тонкую (толщиной ~ 50÷150 мкм) рентгенопрозрачную несущую мембрану, выполненную из формуемого композитного материала (например, из материала, состоящего из гранул спектрально чистого графита (фракция 10÷20 мкм), скрепленных между собой клеем на основе эпоксидной смолы, и далее по тексту именуемого эпоксидографит), к рабочей поверхности которой силами адгезии крепится выполненный из тяжелых металлов рентгенопоглощающий топологический рисунок (толщиной ≥20 мкм). В используемом диапазоне ЭИ данная конструкция LIGA-шаблона одновременно обеспечивает высокие уровни как его контрастности, так и его рентгенопрозрачности.

Предлагаемый способ изготовления LIGA-шаблона из формуемого композитного материала содержит следующую последовательность основных операций, а именно:

- изготовление методом формования из исходного рентгенопрозрачного композитного материала составной подложки с запрессованной в центре нее шайбой, в первом варианте из более рентгенопрозрачного материала, чем композитный, например бериллия (Be); во втором варианте из любого материала, обеспечивающего его селективное удаление на последнем этапе изготовления LIGA-шаблона, например из алюминия (Аl);

- доведение составной подложки методами шлифовки и полировки ее рабочей поверхности до заданной толщины и требуемых уровней плоскопараллельности и шероховатости, нанесение на рабочую поверхность составной подложки адгезивных электропроводящих подслоев;

- нанесение на рабочую поверхность составной подложки слоя рентгенорезиста и формирование методом рентгенолитографии резистивной маски (толщиной ≥25 мкм);

- гальваническое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (толщиной ≥20 мкм);

- удаление остаточной резистивной маски и запрессованной центральной шайбы (при использовании второго варианта) путем ее химического селективного травления.

На фиг.3 схематически представлены конструкции LIGA-шаблонов, изготовленных по первому (фиг.3а и фиг.3б) и второму (фиг.3в) вариантам заявляемого способа.

Шайбы из более рентгенопрозрачных материалов, чем исходный композитный, могут быть запрессованы в него так, что он (композитный материал) будет окружать их со всех сторон (см. фиг.3б), блокируя тем самым их взаимодействие с окружающей средой, например с атмосферной влагой.

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.3а и на фиг.3б приведено схематичное изображение изготовленного заявляемым способом (вариант 1) LIGA-шаблона, содержащего составную несущую мембрану 1, состоящую из диска, выполненного из исходного рентгенопрозрачного композитного материала, и запрессованной в него по центру шайбы 4 из более рентгенопрозрачного, чем композитный, материала; сформированные на рабочей поверхности мембраны элементы 2 топологического рентгенопоглощающего рисунка, крепящиеся непосредственно к предварительно напыленному на рабочую поверхность адгезивному электропроводящему подслою 5.

На фиг.3в приведено схематичное изображение изготовленного заявляемым способом (вариант 2) LIGA-шаблона, содержащего несущую мембрану 1 в виде тонкого (толщиной 50÷100 мкм) слоя исходного рентгенопрозрачного композитного материала; сформированные на ее поверхности элементы 2 топологического рентгенопоглощающего рисунка; выполненное из исходного композитного материала опорное кольцо 3; напыленный на рабочую поверхность мембраны адгезивный электропроводящий подслой 5.

Далее подробно описываются примеры предлагаемого способа изготовления LIGA-шаблона, по первому и второму вариантам, которые отличаются только материалами запрессованных шайб и последними этапами, поэтому описание этих вариантов вплоть до последней операции полностью совпадают.

Изготовление LIGA-шаблона производится следующим способом, поясняемым схематичными чертежами, приведенными на фиг.3а и 3б, и содержащим следующие основные операции:

- изготавливают методом формования под давлением (Р≈200 атм) и последующего спекания составные подложки начальной толщиной ~600 мкм, основным материалом которой является эпоксидографит, с запрессованными в них шайбами (толщиной ~400 мкм), в первом варианте из более рентгенопрозрачных, чем эпоксидографит, материалов, например бериллия (Be), а во втором - из алюминия (Аl);

- методами шлифовки и полировки рабочих поверхностей составных подложек они доводятся до заданной толщины (~ 450÷500 мкм) и требуемых уровней плоскопараллельности (клиновидность ≥0,5 мрад) и шероховатости (≥5 мкм);

- на рабочую поверхность составных подложек напыляется тонкий (≈0,3 мкм) слой меди (Сu), а затем поверх него с помощью центрифуги наносится слой рентгенорезиста SU-8 и методом рентгенолитографии формируется резистивная маска (толщиной ≥25 мкм);

- проводится гальваническое осаждение рентгенопоглощающего рисунка (толщиной ≥20 мкм) из золота на рабочую поверхность подложек через резистивную маску;

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

- во втором варианте алюминиевая шайба удаляется путем ее химического селективного травления, например, в щелочном растворе (5% водный раствор гидроксида натрия при температуре Т≈50°С), в результате чего получается LIGA-шаблон, схематично изображенный на фиг.3б, имеющий несущую мембрану из эпоксидографита толщиной (~50÷100 мкм) и опорное кольцо из того же материала толщиной (~450÷500 мкм).

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 или эквивалентной толщины (для первого варианта) вследствие того, что используются более рентгенопрозрачные, чем эпоксидографит, материалы, например бериллий.

Толщина несущей мембраны для LIGA-шаблона, изготовленного по второму варианту, составляющая ~50÷100 мкм, меньше по сравнению с толщиной мембраны шаблона, изготовленного способом-прототипом, более чем в 5 раз.

Изобретение относится к LIGA-технологии, а точнее к способу изготовления LIGA-шаблона (ЛИГА-шаблона), используемого для проведения первой стадии LIGA-технологии - глубокой рентгеновской литографии. Технический результат - увеличение контрастности и рентгенопрозрачности LIGA-шаблона. Способ изготовления LIGA-шаблона, характеризующийся тем, что исходная подложка представляет собой формуемый из композитного рентгенопрозрачного материала диск, центральная часть которого содержит металлическую шайбу, которая либо выполнена из материала более рентгенопрозрачного чем композитный (например, из бериллия), либо полностью удаляется химическими методами на последней стадии изготовления LIGA-шаблона. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. 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 в виде сформованного из композитного рентгенопрозрачного материала диска, центральная часть которого содержит шайбу из материала более рентгенопрозрачного, чем композитный (чем материал диска).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что центральную шайбу полностью удаляют химическими методами на последней стадии изготовления LIGA-шаблона.