Базаовые принципы liga- технологии
advertisement
БАЗАОВЫЕ ПРИНЦИПЫ LIGA-ТЕХНОЛОГИИ Гольденберг Б.Г. ИЯФ СО РАН им. Г.И.Будкера Введение Последовательное применение глубокой рентгеновской литографии, гальванопластики и пресс-формовки для создания высокоаспектных микроструктур составляет LIGA процесс. Акроним LIGA происходит от немецких названий основных стадий процесса: рентгеновская литография на синхротронном излучении (LI), гальванопластика (G, Galvanoformung), и формовка (A, Abformung) [1]. Первые публикации по LIGA- технологии относятся к 1982 г. С тех пор LIGA-технология успешно применялась в различных исследовательских проектах. Представлялось перспективным развитие технологии, способной заменить фотолитографию, которая, как тогда полагали достигнет предела своей разрешающей способности в 1970-80-х годах. Своим возникновением LIGA обязано потребностям ядерных технологий: в Ядерном исследовательском центре KfK в г.Карлсруэ Германия, в конце 1970-ых развивались новые методы разделения изотопов урана. Предложенный подход был основан на использовании микроканальных которых форсунок, центробежные использовались разделения обладающих массой. силы для пространственного изотопов, в Для разной эффективности процесса разделения, требовались форсунки с поперечными размерами порядка микрометров Рис.1 Микросопла, созданные LIGA для сепарации изотопов урана и нескольких продольными размерами до 400 мкм. Эти сопла должны были иметь заданную сложную форму с размерами элементов в микронном диапазоне [1]. Успешное выполнение этих требований дало импульс применению LIGA- процесса для различного вида производственных процессов в таких областях, как оптические, коммуникационные, автомобильные и медицинские технологии, а также сенсоры для экологического, биологического и химического анализа [2]. Использование ГРЛ в LIGA позволило добиться высокой точности в изготовлении высоких микроструктур. В отличие от технологий на базе фотолитографии, применяемых в производстве полупроводниковых изделий LIGA может использоваться для производства микроструктур с микронными планарными размерами и высотой в несколько сотен-тысяч микрометров. Кроме того, наклон боковых стенок LIGA микроструктур не хуже чем 1 % [3]. Одна из ключевых особенностей ГРЛ – переход на более жесткое рентгеновское излучение (λ~2 Ǻ), что позволило обеспечить большую глубину проникновения рентгеновского синхротронного излучения. В классической последовательности LIGA процесса сочетаются три основных технологических процесса – глубокая рентгеновская литография, гальванопластика, формовка (штамповка). Толстый слой резиста облучается синхротронным излучением через маску. После проявления получаются полимерные детали на подложке. Электрогальванопластикой формируются металлические компоненты. После осаждения металлический микрорельеф можно отделить от подложки и использовать для массового тиражирования деталей литьем или штамповкой. Бесспорно, LIGA по точности и пространственному разрешению, высокому аспектному отношению, малой шероховатости боковых стенок превышает возможности любых других технологий микроструктурирования. Основные технологические этапы LIGA В семидесятых годах прошлого века синхротронное излучение из «паразитного эффекта» в работе ускорителей и накопителей заряженных частиц трансформировалось в уникальный инструмент для научных исследований и развития новых технологий. В 1972 году Спеарс и Смит продемонстрировали, что рентгеновское излучение может быть успешно использовано в рентгеновской литографии для формирования рисунка с высоким пространственным разрешением [4]. значительной интенсивности, и Благодаря высокой высокой проникающей способности, степени параллельности рентгеновского синхротронного излучения (СИ), излучаемого из накопителя (синхротрона) глубокая рентгеновская литография позволяет создавать структуры любого дизайна с гладкими, параллельными стенками и высоким аспектным отношением, то есть, с высотами до 1 мм и дефектностью менее 0.2 мкм. 2 Рис.2. Используемое в LIGA синхротронное излучение с λ~2 Ǻ по сравнению с используемым в фотолитографии ультрафиолетовым излучением с λ~3650 Ǻ обладает большей проникающей способностью и меньшей дифракционной расходимостью. Рис.3. Основные стадии LIGA – процесса Трафарет рисунка требуемой микроструктуры формируется на специальном рентгеношаблоне, отвечающем особым требованиям. 3 На первом этапе LIGA процесса рисунок шаблона переносится в толстый слой (десятки – тысячи микрометров) рентгенорезиста посредством теневой печати с применением синхротронного излучения Рис.3.1. Свойства, подвергшихся облучению, участков полимерного материала изменяются в соответствии с типом резиста таким образом, что после проявления на подложке остается полимерная микроструктура с топологией соответствующей рисунку рентгеношаблона, а остальной резист растворяется. Рентгенорезист – полимерный материал, изменяющий по определенным законам свои свойства под воздействием ионизирующего излучения. Резисты, сшивающиеся в результате облучения, для которых характерно увеличение молекулярного веса и снижение растворимости называются негативными. Резисты, в которых преобладают процессы разрыва химических связей при облучении, что ведет к уменьшению молекулярного веса и увеличению растворимости, называются позитивными. На следующем этапе LIGA процесса участки проводящей подложки, вскрывшиеся после удаления облученного резиста (Рис.3.2), могут быть металлизированы посредством электроформовки - гальванического осаждением слоя металла из электролита (Рис.3.3.). После чего, оставшийся резист удаляется, оставляя металлические структуры с рисунком соответствующим шаблону в качестве конечного продукта (Рис.3.4.). Таким образом, микроструктура из резиста является вторичной маской для создания микроструктуры из металла, например, никеля, меди и золота, или сплавов, таких как кобальта-никеля и железа-никеля. Эта технология может использоваться для производства микроструктур, как для прямого использования, так и для изготовления пресс-форм для последующего тиражирования полимерных микроструктур методом горячей формовки (прессования). Эти вторичные полимерные структуры также могут широко применяться. Они могут формировать конечный полимерный компонент, использоваться как шаблон при вторичном гальванопокрытии, или служить в качестве одноразовой литейной формы для изготовления керамических микроструктур (Рис.3.5 и Рис.3.6) [5]. Формовка изделий из пластмасс - ключ к дешевому массовому производству микроизделий. Металлические микроструктуры, произведенные посредством глубокой рентгенолитографии и гальванопластики, используются как инструменты для производства прессованием точных копий первичной структуры в больших количествах и при низкой стоимости. В Институте микроструктур, Карлсруэ (Германия) вакуумное прессование пластмасс - главная техника, используемая для формования микроструктур. 4 Технология формовки позволяет создавать микроструктуры из металлов или пластмасс интегрировано с другими элементами микротехники. Классические принципы изготовления рентгеношаблонов Рентгеновская маска или рентгеношаблон (РШ) является ключевым элементом LIGA процесса. РШ в общем представляет собой простую структуру – рисунок из рентгенопоглощающего материала на подложке прозрачной для излучения используемого спектрального диапазона. «Прозрачная» основа шаблона – подложка обычно представляет собой очень тонкую фольгу (например титан, бериллий, углерод), пропускающую рабочий диапазон СИ, в то время как поглощающий рисунок состоит из сравнительно толстого слоя тяжелого материала, например, золота, поглощающего значительную часть мощности СИ [2]. РШ высокого разрешения для микроструктур с высоким аспектным отношением и минимальным размером элементов менее 0.2 мкм и могут быть изготовлены только по двух-стадийной технологии. использованием На первом этапе промежуточный шаблон создается с электронно-лучевой литографии (Рис.4.а) и гальванопластики поглощающего покрытия из золота, толщиной 1-3 мкм (Рис.4.б). «Мягкая» рентгеновская литография на СИ с λ~12 Ǻ используется для переноса рисунка с промежуточного шаблона в толстый слой ПММА (Рис.5.а), последующая гальванопластика рентгенопоглощающего материала, например, золота (Рис.5.б) используется для создания финального РШ (рабочего шаблона), пригодного для ГРЛ при λ~2 Ǻ. Обычно промежуточный шаблон должен иметь толщину поглощающего слоя 1-3 мкм, тогда как рабочий шаблон, должен иметь 15-25 мкм толщину поглотителя. А) Б) Рис.4. Изготовление промежуточного рентгеношаблона в IMT/KIT а)Электронная литография в 3 мкм резисте б) После проявления резиста гальванически осаждается 2.2 мкм слой золота и удаляется оставшийся резист 5 Б) А) Рис. 5. Изготовление рабочего рентгеношаблона для «жесткого» СИ [7] а) Облучение «мягким» СИ через промежуточный РШ подложки с 2 мкм титановым покрытием и 60 мкм слоем резиста; б) После проявления резиста гальванически осаждается 25 мкм слой золота и удаляется оставшийся резист. Принципы построения LIGA станции Экспонирование рентгеновским синхротронным излучением образцов рентгенорезистивных материалов требует подготовки специфического оборудования и соблюдения ряда технических условий (режима) работы. Комплекс оборудования для реализации этапа облучения представляет собой так называемую станцию экспонирования. 20 м Е=2 ГэВ, Н=20 кГс I=50-120 мА вигглер е- Рис.6. Пример построения станции рентгеновской литографии на накопителе ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН. Схематически типичная установка ГРЛ показана на рис.6. Высоковакуумный канал вывода излучения соединяет кольцо ускорителя и станцию. Станция экспонирования – это вакуумная камера, где размещаются подвижки для управляемого перемещения платформы - 6 держателя на которой крепится блок шаблон + подложка с резистом. Платформа возвратно перемещается в вертикальной плоскости поперек узкого пучка СИ с постоянной скоростью. Этим обеспечивается однородное облучение подложки по всей высоте шаблона. 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. Многоосевые сканирующие механизмы (так называемые степеры) могут включать в себя подвижки для вращения, наклона и реализующие другие способы, обеспечивающие широкие возможности позиционирования подложки относительно пучка СИ. Обычно высоковакуумный канал вывода излучения отделяется от накопителя бериллиевым окном, защищающим вакуум накопителя от атмосферы канала. Разрешающая способность при изготовлении микроструктур методом LIGA быть оценена из рассмотрения совместного влияния дифракции СИ и паразитным облучением вторичными Оже-электронами, выбиваемыми проходящими через резист фотонами. Рис.7. Ограничение разрешающей способности дифракцией гамма-квантов и разлётом вторичных Оже-электронов. Как видно в режиме глубокой рентгенолитографии при длине волны экспонирующего излучения около 2 Ǻ вторичные электроны существенно ограничивают возможности изготовления субмикронных структур. С другой стороны малое дифракционное расхождение излучения позволяет экспонировать слои резиста толщиной до нескольких 7 миллиметров или размещать рентгеношаблон и резист с зазором в несколько миллиметров при воспроизведении микроструктур микронных размеров. Призматические и параболические Линзы для рентгеновского излучения Термо-пневматический насос Элементы прецизионной микромеханики Микрофлюидные модули Тестовая высокоаспектная микроструктура Рис.8. Примеры микроструктур созданных LIGA. Процессы глубокой литографии с использованием СИ представляются наиболее перспективными для создания полимерных высокоаспектных (глубина структур много 8 больше линейных размеров элементов) микроструктур. Полный процесс LIGA с использованием гальваноформовки, литья, штамповки позволяет создавать микромеханические систем из различных типом материалов (полимеры, металлы, керамика) и формировать микроструктуры недоступные для других производственных технологий, таких как фотолитография, реактивное-ионное травление, обработка на станках ЧПУ. 9 Литература: 1. Becker E.W., Ehrfeld W., Munchmeyer D., Betz H., Heuberger A., Pongratz S., Glashauser W., Michel H.J. and von Siemens R., ( 1982 ) Production of separation nozzle systems for uranium enrichment by a combination of X – ray lithography and galvanoplastics. Naturwissenschaften , 69 , 520 – 3. 2. W.Ehrfeld, P.Bley, F.Gotz, P.Hagmann, A.Maner, J.Mohr, H.O.Moser, D.Munchmeyer, W.Schelb, D.Schmidt, and E.W.Becker, in Proc.IEEE, K.J.Gabriel and W.S.N.Trimmer, eds., Institute of Electrical and Electronic Engineers, 87TH0204-8 (1987). 3. Munchmeyer, D. and W. Ehrfeld. Accuracy limits and potential applications of the LIGA technique in integrated optics. in Proceedings of the SPIE. 1987. The Hague, The Netherlands: SPIE - The International Society for Optical Engineering. 4. D.L.Spears, H.I.Smith. Electron. Letters 8, 102 (1972) 5. P.Rai-Choklhury, editor. Handbook. Microlithography, Micromaching, and Microfabrication // v.2., SPIE, (1997), pp.302-303. 6. E.Spiller, R.Feder. X-ray Lithography // Topics in Applied Physic, v.22, 1977, pp. 39-43. 7. http://x-ray-optics.de 10
