УДК 621.3049.77 002.56

В.А. Колясников, канд. техн. наук, Т.Я. Рахимбабаев,
РНЦ "Курчатовский институт", Курчатовский источник синхротронного излучения

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МИКРОТЕХНОЛОГИИ

Кратко описывается одно из направлений микротехнологии – LIGA-технология, физико-технологические вопросы, требующие понимания и разрешения, примеры изделий и области применения процесса.

В последние десятилетия вслед за интегральными схемами в сферу микротехнологии были вовлечены также устройства, задача которых – воспринимать свойства окружения, выполнять перемещения в микромасштабе, манипулировать жидкостями, газами, световыми потоками. Новые компоненты – микроэлектромеханические системы (МЭМС) – недорогие, надежные, миниатюрные – позволили значительно увеличить быстродействие, точность и производительность таких устройств, как имплантируемые медицинские приборы, микрожидкостные аналитические системы, микрореакторы для биохимических исследований, оптоволоконные линии связи, целый ряд приборов – от струйных принтеров до топливных инжекторов.

Первыми эту сферу начали осваивать производители кремниевых интегральных схем, расширяя спектр приборов от традиционно двумерных до объемных микроструктур. Задача увеличить объем устройств с сохранением в плане деталей микронных размеров привела в 70-х годах специалистов из Исследовательского Центра в Карлсруэ к разработке технологического подхода, обозначенного немецкой аббревиатурой LIGA, т.е. литография (глубокая рентгеновская), гальваника и формовка (Abformung). Преимущества его в многообразии геометрии, материалов (металлы, пластики, керамика), низкой стоимости изготовления, возможности формирования микроструктур с размерами порядка микрометров в плане и отношением вертикальных и горизонтальных размеров в несколько сотен (аспектное отношение).

Диаграмма (рис. 1) представляет основные этапы LIGA-технологии. Специфика LIGA-процесса заключается в применении микроформ, с помощью которых микрорельеф последовательно повторяется в разных материалах. Первая из них образуется областями полиметилметакрилата (ПММА), защищенными при экспонировании через маску. Гальваническое наращивание никеля до толщины, большей, чем высота микрорельефа, образует прочную металлическую форму, с помощью которой конфигурация многократно воспроизводится литьем или штамповкой пластика, или формовкой сырой керамической массы с последующим отжигом.

Рис. 1. Основные этапы LIGA-технологии

 

Рис. 2. Универсальный спектр синхронного излучения

Синхротронное излучение (СИ) испускается в виде непрерывного спектра от инфракрасного до жесткого рентгеновского при пролете электронов в магнитном поле, изгибающем их траекторию Форма спектра зависит от энергии электронов Е (ГэВ), тока электронного пучка, магнитного поля В (Т) и имеет характеристическую длину волны , которая делит пополам полную интегральную энергию фотонов спектра (рис. 2).

Литография с применением СИ – теневой перенос изображения с маски на слой резиста (например, полиметилметакрилата ПММА), в котором излучение вызывает разрыв связей с постепенным снижением его молекулярного веса по мере набора дозы.

 

Рис. 3. Станции экспонирования

На рис. 3 показана схема процесса облучения. Станция экспонирования удалена от точки излучения на электронном кольце на расстояние 10-30 м. На маску падает плоский луч шириной 10-15 см и высотой 3-7 мм, неоднородный по интенсивности и спектральному составу в поперечном сечении (рис. 4).

Параметры луча могут корректироваться фильтрами, а для усреднения дозы по поверхности чувствительного слоя и для устранения локального перегрева и деформации маски, держатель подложки и маски непрерывно перемещается в вертикальном направлении (от единиц до десятков сантиметров в секунду). Для дополнительного охлаждения камера заполняется газообразным гелием. Современные сканеры обеспечивают как прецизионное, равномерное в пределах подложки движение в плоскости, перпендикулярной лучу, так и возможность наклона, вращения и совмещения образца. По мере прохождения луча через станцию экспонирования его интенсивность снижается, как показано на рис. 5.

Рис. 4. Угловое распределение интенсивности луча СП после
фильтров с указанным верхним
порогом длины волны

Рис. 5. Интенсивность проходящего пучка

Излучение, прошедшее через мембрану, постепенно поглощается в резисте. За абсорбером, образующим рисунок маски, мощность падает практически до нуля, не вызывая заметных изменений в резисте. Подложка поглощает остаток излучения. На рис. 6 показано распределение молекулярного веса ПММА до экспонирования после поглощения дозы в 4 кДж/см3 и 20 кДж/см3. Заштрихована область молекулярных масс, от которой 50 % и более может быть растворено в проявителе при 38°С. Если поглощенная доза достигает минимального уровня 4 кДж/см-3, облученные зоны резиста ПММА удаляются с незначительными остатками в глубине микроструктуры. Последние являются следствием постепенного снижения плотности потока излучения и могут быть устранены направленным ультразвуковым возбуждением ванны с проявителем. На поверхности резиста типичное значение поглощенной дозы составляет 20 кДж/см-3. Превышение ее вызывает вспучивание переоблученной зоны и растрескивание прилегающих областей вследствие теплового эффекта и выделения легких газообразных фрагментов. Однако при работе с большей толщиной резиста (1 мм) указанный верхний предел снижается до 14 кДж/см-3 из-за низкой теплопроводности ПММА. На поверхности резиста под абсорбером уровень мощности не должен превышать 100 Дж/см-3, чтобы затененная область полностью сохраняла форму во время проявления. Эти дозовые нормы определяют, какими должны быть спектр излучения при данной толщине определенного резиста и толщина абсорбера.

Резист наносится на подложку в виде вязкого раствора ПММА, ММА с другими добавками и после выравнивания поверхности полимеризуется, или приклеивается в виде готовых листов нужной толщины. Точность геометрии микроструктуры в резисте помимо очевидных факторов таких, как отклонение в движении сканера, наклон боковой стенки элемента абсорбера или недостаточная селективность проявителя, имеет и фундаментальные пределы: вторичные эффекты флуоресценции из мембраны и подложки, френелевская дифракция на краю абсорбера (~), рассеяние возникающих в объеме резиста фотоэлектронов (~) в область тени под абсорбером. Два последних фактора имеют противоположные зависимости от длины волны и, согласно проведенным расчетам, при толщине резиста 500 мкм оптимальные значения характеристической длины волны синхротронного излучения приходятся на область 0,2-0,3 нм (рис. 7).

Рис. 6. Селективность проявителя к облученному ПММА в зависимости от молекулярного веса после облучения

Рис. 7. Связь точности с длиной волны

Маска для глубокой рентгеновской литографии состоит из тонкой мембраны (Be, алмаз, Ti), закрепленной на жестком кольце и несущей на себе элементы абсорбера (Au, W, Та, Pt). Контраст переноса рисунка обусловлен высокой прозрачностью мембраны вблизи характеристической длины (~10-2 –10-3 мкм -1) и сильным поглощением рентгеновского излучения в слое  абсорбера  толщиной  (15-25  мкм).   Кроме  того, мембрана должна быть совместима с гальваническим процессом нанесения абсорбера и сохранять механическую прочность при облучении. Типичный пример изготовления маски можно проследить на одном из вариантов маршрута: подготовка хромового фотошаблона на электронно-лучевом или оптическом формирователе изображений; изготовление промежуточной маски с помощью УФ литографии со стандартным резистом толщиной 3 мкм на кремниевой мембране (4 мкм толщиной) с последующим гальваническим нанесением слоя золота (1,5-3 мкм); копирование ее мягким рентгеновским излучением в слое ПММА (15-20 мкм) на мембране из бериллия и гальваническое золочение на эту же толщину в полученной форме из ПММА.

Для прецизионного бездефектного электроосаждения используются очень чистые реактивы, решены проблемы тщательной фильтрации электролитов от посторонних частиц (около 0,2 мкм) и продуктов разложения электролита, непрерывного поддержания состава с применением фотометрического, хроматографического контроля, абсолютной смачиваемости полимерной структуры и подложки в начале осаждения.

С момента своего появления LIGA-технология утвердилась как обязательная часть всех синхротронных центров в мире. Вновь создаваемые комплексы в Германии, Великобритании, Китае, Корее на первых позициях ставят каналы для целей микротехнологии. Изделия на основе LIGA-микроструктур не только успешно дополняют функциональные возможности кремниевых МЭМС, но и занимают полностью самостоятельные сферы рынка микросистем во многих направлениях современной техники. Микромеханика, микрооптика и микрофлюидика – три главные области, где требуются микрокомпоненты самого разного назначения. Изготовлены и исследованы не только отдельные компоненты: насосы для газов и жидкостей различной вязкости (рис. 8), клапаны, микрофильтрационные мембраны, смесители и т.д. – разрабатывается новая концепция химической технологии – микрореакторная. Набор миниатюрных функциональных модулей с системой мониторинга может выполнять целый технологический цикл на месте потребления какого-либо продукта, исключая необходимость хранения и транспортировки. Имея большое отношение поверхности к объему в смесителях, микрореакторы позволяют повысить чистоту продукта, становятся менее опасным объектом для персонала и окружающей среды. Роста выпуска продукта можно достичь не увеличением объемов микрореакторов, а наращиванием количества миниатюрных модулей.

Другое применение – миниатюрная система полного анализа, например, для биомедицинской диагностики. Микрооптические компоненты быстро внедряются в системы связи вследствие перехода с проводных линий на оптоволоконные и необходимости передачи больших объемов видеоинформации. Поскольку оптическое волокно производится с субмикронным допуском в размерах, совмещение и стыковка оптоволоконного канала с другими оптическими и механическими компонентами с аналогичной точностью возможна лишь средствами микротехнологии. Два примера LIGA-микрооптических устройств показаны на рис. 9.

Рис. 8. Шестеренчатый микронасос для вязких жидкостей

Рис. 9. Микрооптические компоненты

Микромеханические датчики, механизмы и конструктивные элементы начали разрабатывать вследствие необходимости оснастить сложные микроэлектронные системы способностью соразмерно осуществлятьконтакт с окружением, воспринимать собственные пространственные эволюции, преобразовывать свои выходные сигналы в перемещение окружающих объектов и сред и исполнять их в микромасштабе. Это могут быть пассивно движущиеся детали (рис. 10), или активно работающие (актюаторы, микродвигатели, шестеренчатые передачи). LIGA-технология предлагает также новые решения проблемы сборки и проводящих соединений в микроэлектронике. Например, миниатюрные многоконтактные разъемы, содержащие более сотни пружинных контактов на сантиметр или разъемные системы до 104 контактных элементов на квадратный сантиметр (рис. 11).

Рис. 10. Инерциальный датчик ускорения

Рис. 11. Многоконтактный электроразъем

Для изготовления более изощренных микромеханических устройств разработана модификация LIGA-процесса, в которой используется так называемый "жертвенный", или временно несущий селективно удаляемый слой (например, титан под никелем). Он позволяет иметь в микроструктуре детали, подвижные относительно подложки, вместе с закрепленными на ней. Турбина на рис. 9а и "маятник" датчика ускорений (см. рис. 10) могут двигаться относительно подложки и окружающих их деталей, изготовленных в одном гальваническом процессе.

Разработаны способы изготовления более сложных LIGA-микроструктур: многоуровневых ступенчатых, с наклонными стенками – при облучении пучком СИ, не нормальным к поверхности резиста; сферических – при отжиге ПММА микроструктуры после проявления.

Ключевые моменты совершенствования LIGA-процесса разрешение деталей микроструктур с субмикронным допуском, достижение субмикронного допуска на длине более 10 мм, сокращение продолжительности облучения за счет применения более чувствительных резистов и, следовательно, снижение временных затрат на рентгеновскую литографию с часов до минут, выработка промышленных стандартов на материалы, размеры, оборудование и надежность.

В Курчатовском источнике синхротронного излучения при поддержке Института микротехнологии (Майнц, Германия) проведены эксперименты по глубокой рентгеновской литографии, которые показали, что предварительный расчет необходимой дозы и продолжительности облучения подтвердился полной проработкой слоя резиста на всю толщину, а спектр излучения источника отлично обеспечивает точность воспроизведения рисунка маски и гладкие вертикальные стенки микроструктуры.

Список литературы

1.  Tolfree D.V.L. Microfabncation using synchrotron radiation // Rep Prog Phys, 1998, 61. P. 313-351.

2.  Ehrfeld W., Lehr H. Deep X-ray lithography for the production of three-dimensional microstructures from metals, polymers and ceramics// Radiat Phys Chem 1995, vol. 45 No 3. P. 349-365.

3.  Handbook of Microlithography // Micromachming and Microfabrication Ed P RaiChoudhury, 1996.

4.  Artemiev A.N., Koliasnikov V.A., Peredkov S.S., Rakhimhahaev T.Y., Stankevitch V.G. et al. Deep X-ray Lithography beamline at the KSRS first results // Nucl Instrum & Meth In Phys Res, A405 (1998). P. 496-499.