Создание LIGA-технологического комплекса на источнике синхронного излучения ВЭПП-3

Последовательное применение глубокой рентгеновской литографии, гальванопластики и пресс-формовки 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. Разрабатывались также и компоненты для массового производства, но только в очень ограниченных масштабах. Наиболее важные результаты по LIGA-технологии приведены в обзорах [2,31' основные принципы LIGA и технические ограничения описаны в работе Основной процесс LIGA это глубокая рентгеновская литография (ГРЛ) на синхротронном излучении (СИ).

Первоначально рентгеновская литография субмикронного разрешения разрабатывалась с 1970;х годов для полупроводникового производства и впервые была продемонстрирована компанией IBM с использованием СИ накопителя DORIS (DESY, Hamburg) Результаты вызвали большой интерес у производителей полупроводниковых изделий и исследовательских фондов. Представлялось перспективным развитие технологии, способной заменить фотолитографию, которая как тогда полагали достигнет предела своей разрешающей способности в 1970;80-х годах. Полный технологический цикл изготовления чипов на базе контактной рентгенолитографии разрабатывался в США, Японии, Европе и России [6] в 1980;х годах и многие компании готовились к внедрению этой технологии в производство в начале 1990;х Однако, после вложения в исследования почти миллиарда долларов контактная рентгеновская литография была отвергнута полупроводниковой промышленностью в середине 1990;х. С одной стороны это объяснялось успехами создания коротковолновых лазеров для развития литографии, использующей УФ диапазон вплоть до 157 нм. С другой — сложностью и высокой стоимостью рентгеновских шаблонов с субмикронными структурами, а также их малым временем жизни. Экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV-литография) оказалась более перспективной для индустриального применения. На сегодня EUV-литография продолжает развиваться и по прежнему представляется перспективной для нужд микроэлектронной промышленности.

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 форсунок, в которых центробежные силы использовались для пространственного разделения изотопов, обладающих разной массой. Для эффективности процесса разделения, требовались форсунки с поперечными размерами порядка нескольких микрометров и продольными размерами до 400 мкм. После оценки различных производственных вариантов массового производства таких устройств, команда Карлсруэ, возглавляемая Э. В. Беккером (E.W. Becker) и В. Эрфельдом (А. Ehrfeld), объединила свои усилия с основателями ГРЛ в Германии, Хыоберегром (Hellberger) и Бетцом (Betz). Одна из ключевых особенностей ГРЛ — переход на более жесткое рентгеновское излучение (А,~2 A), что позволило обеспечить большую глубину проникновения рентгеновского синхротронного излучения. Эта особенность позволяет экспонировать очень толстые слои резиста (до нескольких миллиметров), и фактическая глубина проникновения может быть оптимизирована путем изменения энергии рентгеновских фотонов. Объединенная команда, имеющая опыт работы в рентгеновской литографии и.

разделения изотопов с другой, оценила огромный потенциал использования ГРЛ для того, чтобы изготовить устройства с высоким пространственным разрешением и очень высоким аспектным отношением. В первой публикации в 1982 все соответствующие особенности и свойства LIGA уже были описаны.

Изначально LIGA технология была разработана для одного конкретного продукта, а именно форсунок для разделения изотопов урана. После того как специализированный источник синхротронного излучения был предложен для массового производства форсунок лабораторией Карлсруэ в 1985 г., заказчики — консорциум производителей оборудования для разделения изотопов урана в Бразилии закрыли проект. Но среди ярких результатов «золотых дней» этого проекта оказалась технология LIGA, теперь часто упоминаемая, как самая пригодная технология для того, чтобы изготовить ¦ микромеханические устройства с микронными поперечными размерами элементов и высоким аспектным отношением элементов.

Исследования в области развития и использования новых структур, устройств и систем, сделанных с LIGA, процветало в 1990;ых гг. На нескольких синхротронах по всему мире добавили каналы для LIGA, а лаборатория в Карлсруэ Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) наконец получили разрешение и финансирование в 1995, чтобы построить собственный источник СИ — ANKA для того, чтобы поддержать развитие LIGA.

В Соединенных Штатах развивал LIGA Генри Гакель из университета Висконсина. Специализированный источник СИ для LIGA был построен в университете Луизиана.

Профессиональные работы в области LIGA технологии требуют серьезной инфраструктуры с чистыми комнатами и лабораториями поддержки, возможности изготовления рентгеношаблонов, а также высококвалифицированного персонала для работы на этом оборудовании. Как следствие недостаточности финансовых или человеческих ресурсов или нехватки терпения промышленности или государственных фондов, наблюдались подъемы и падениея активности LIGA, например, в LURE во Франции, в LNLS в Бразилии, в SRS в Англии, ANKA в Германии, в Национальных Лабораториях Sandia, Ливермор, Калифорния США, SPRING8 в Японии. В десятке мировых научных центров используются источники СИ в настоящее время активными пользователями LIGA.

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 штамп можно отделить от подложки и использовать для массового тиражирования деталей литьем или штамповкой.

Можно заменить рентгеновское излучение синхротрона на УФ-излучение в. специальной' системе экспонирования и облучать высокочувствительные негативые фоторезисты. Применение стандартных, доступных кварцевых фотошаблонов определяет преимущество использования УФ-LIGA перед рентгеновской LIGA, но дает худшее качество и ограничено в использовании только негативного резиста.

Бесспорно, LIGA по точности и пространственному разрешению, высокому аспектному отношению, малой шероховатости боковых стенок превышает возможности любых других технологий микроструктурирования: Однако, LIGA — все еще технологии с ограниченными возможностями коммерческого применения.

Заявленные на ранних стадиях разработки предложения для* коммерческих приложений и промышленности не были реализованы. Для промышленности LIGA все еще представляется, дорогим, медленным и ненадежным процессом. Хотя LIGA безусловно имеет потенциал для решения специализированных задач.

В любом случае LIGA будет востребованной технологией для науки и некоторых применений, всегда с перспективой на большее — массовые объемы производства в будущем. LIGA попрежнему вызывает интерес у специалистов по всему миру, регулярно проводятся специализированные конференции для обсуждения результатов, полученных в разных странах.

Практически параллельно с началом работ в ведущих мировых центрах работы по рентгеновской литографии в ИЯФ СО РАН начались в конце 1970;х годов на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-2М и имели целью разработку многослойных структур для микроэлектроники. При работе ВЭПП-2М на энергии электронов 500−670 МэВ использовалось СИ «мягкого» спектра с длиной волны в максимуме интенсивности Л,=10−12А. Максимум интенсивности СИ после кремниевой мембраны используемого шаблона (толщиной 2 мкм) приходился на А, мах—8А Экспериментальные работы проводились совместно с НПО «ВОСТОК», разрабатывающем шаблоны для «мягкого» СИ. Были созданы рентгеношаблоны на тонкой мембране из кремния толщиной 1.8 мкм с гальванически нанесенным рентгенопоглощающим покрытием из золота толщиной 0.3−0.5 мкм. Эти шаблоны имели контраст от 14 до 45 (при Е=450 МэВ). Размер элементов составлял от 0.3 мкм и более. Был проведен анализ рентгенолитографической схемы, получены тестовые рентгенолитографические структуры в тонких (~1 мкм) слоях позитивных резистов ЭП-1 и ПММА Примеры проводимых исследований представлены в работе19−1.В то время изготовление столь малых размеров считалось недоступным оптической литографии. Но темп развития оптической литографии, особенно с появлением источников УФ диапазона, значительно опередил рентгеновские разработки. Фотолитография значительно преодолела микронный барьер. Рентгеновская литография для микроэлектроники в том виде, как она рассматривалась в 80-х годах, потеряла актуальность, но нашла для себя нишу в области т.н. глубокой литографии, предназначенной для изготовления микроизделий на основе толстых слоев полимеров, металлов, керамики и других материалов. Для этого потребовались и более толстые слои резиста, и рентгеновские шаблоны с толстыми поглощающими слоями, и, соответственно, более «жесткий» рентген, который могли обеспечить накопители с достаточно высокой энергией частиц. Поэтому все работы по рентгеновской литографии в ИЯФ СО РАН последнее время проводятся только на накопителе ВЭПП-3 (2ГэВ) [10−1.

С конца 1990;х г. г. в ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера работы по глубокой рентгеновской литографии с применением синхротронного излучения проводились на двух экспериментальных станциях ускорительного комплекса ВЭПП-3: «Рентгеновской литографии» и «Топографии «.

Станция «Рентгеновская литография» предназначалась для формирования в тонких слоях рентгенорезиста элементов субмикронных размеров. «Мягкое» рентгеновское излучение (длина волны около 10А), необходимое для литографических работ на станции, излучалось заряженными частицами накопителя, имеющими энергию Е=1.2 ГэВ (более низкую, чем при стандартном режиме работы) при прохождении поворотного магнита (величина магнитного поля Н =1.02 Т). Критическая длина волны при этом составляла 12.6 А. Функционирование ускорителя в таком специальном режиме лишало других пользователей возможности работы на их станциях.

Станция «Топография» использовала излучение от 3-х полюсного вигглера с максимальным магнитным полем 2 Т, при этом критическая длина волны составляла 2.3 А. Работа с излучением проводилась в стандартном режиме работы накопителя при энергии электронов 2 ГэВ, при этом время работы станции делилось между несколькими различными направления исследований, на станции отсутствовало специализированной оборудование для позиционирования и перемещения элементов рентгенолитографической схемы.

За прошедшие годы ИЯФ в сотрудничестве с рядом российских и зарубежных организаций выполнил достаточно много поисковых исследований по определению конкретных перспективных микроизделий, по изготовлению прототипов таких микроизделий с использованием глубокой рентгеновской литографии, по изучению и тестированию изготовленных прототипов. В этот период исследования по рентгеновской литографии были направлены на исследования воздействия СИ «жесткого» диапазона на физико-химические свойства полимерных и неорганических материалах [11' 12, 13'14], разработку метода изготовления регулярных микропористых мембран из полимерных пленок толщиной 3−10 мкм с регулярно расположенными порами субмикронного размера [15'16'17' 18' 19'20'2,].

Для увеличения времени работы, максимальной потенциальной загрузки всех станций накопителя, через исключение его специальных режимов работы, и для расширения имеющихся ренгенолитографических возможностей была создана новая станция рентгеновской литографии LIGA на накопителе ВЭПП-3. В 1999 г. смонтированы вакуумный канал и рабочий объем станции. С 2000 года все работы по глубокой рентгеновской литографии проводятся при стандартном пользовательском режиме работы ВЭПП-3 на станции глубокой рентгенолитографии «LIGA». Станция оснащена специфическим оборудованием для экспериментальных работ, развитие и доработка оснащения продолжается по сей день.

На защиту выносятся следующие положения.

Концепция построения экспериментальной станции «LIGA» на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН. и.

Результаты расчета экспозиционных доз в резистивных полимерных материалах и результаты расчета контраста рентгеношаблонов, позволяющие оптимизировать создание и работу LIGA станции на накопителе ВЭПП-3.

Разработка методов изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии в спектральном СИ 0.4 — 4 A.

Разработка технологических методов изготовления микроструктур микрофлюидных систем, микроструктурированных оптических элементов видимого диапазона и терагерцового диапазона.

Разработка системы визуализации рентгеновских изображений для контроля положения и совмещения рентгенгошаблона и облучаемой подложки в пучке СИ.

Заключение

.

Разработан и функционирует технологический комплекс LIGA технологии на базе станции на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3.

Разработана и реализована концепция построения станции экспонирования «LIGA» на канале вывода синхротронного излучения накопителя ВЭПП-3.

Проведены исследования пользовательских характеристик станции: рассчитано и экспериментально проверено распределение мощности экспонирующего излучения в плоскости образца, определены режимы облучения резистов.

Выполнены расчеты контраста рентгеношаблонов в условиях реального эксперимента. Определены требуемые толщины поглощающего слоя для различных материалов. i.

Разработан и реализован метод изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии на основе прямого формирования структуры рисунка заготовки рентгеношаблона в толстом слое резиста микропучком синхротронного излучения, что позволило исключить из технологического цикла этапы электронной литографии и рентгенолитографии в мягком спектре СИ. Изготовлены образцы рентгеношаблонов на стеклоуглеродной подложках с золотыми или рениевыми поглощающими слоями.

Предложен и реализован оперативный неразрушающий метод контроля качества создаваемых рентгеношаблонов на основе использования рентгеновской микроскопии.

Реализован метод формирования микроканальных систем (микрофлюидных модулей) для генетического экспресс-анализа. Тестовые образцы микрофлюидных модулей исследованы в ИЦиГ СО РАН.

Разработан новый тип селективных элементов для излучения терагерцового диапазона — псевдометаллические самонесущие сеточные структуры. Тестовые образцы исследованы в НГУ.

Разработан метод динамической рентгенолитографии для формирования осесимметричных структур с 3D микропрофилем для получения оптических элементов видимого диапазона. Получены опытные образцы.

Данная работа была выполнена при помощи и содействии коллектива сотрудников, которым я приношу свою искреннюю благодарность за поддержку, обсуждения и практическую помощь: Пиндюрину В. Ф., Кондратьеву В. И., Резниковой Е. Ф., Куперу К. Э., Николенко А. Д., Василенко В. А., Генцелеву А. Н., Кузнецову С. А., Петровой Е. В., Елисееву B.C. и Сороколетову Д. С.

Отдельно мне хотелось бы поблагодарить Абрамского А. Ю., Маслий А. И. (ИХТТМ СО РАН), Зелинского А. Г. (ИХТТМ СО РАН) за помощь в разработке методов гальванопластики, Максимовского Е. А. (ИНХ СО РАН) за помощь в исследовании элементного состава покрытий рентгеношаблонов.

И конечно, я хочу выразить благодарность моему научному руководителю Кулипанову Г. Н.