Способ проведения теневой трафаретной рентгенолитографии
Способ проведения теневой трафаретной рентгеновской литографии, при котором рентгеношаблон, содержащий несущую мембрану со сформированным на ее рабочей поверхности металлическим рентгенопоглощающим топологическим рисунком и обрабатываемую подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность слоем рентгенорезиста размещают на пути следования синхротронного излучения, причем ближе к источнику излучения располагают рентгеношаблон, а вышеуказанные рабочие поверхности располагают отстоящими друг от друга на сравнительно небольшом зазоре, параллельно друг другу и ортогонально падающему экспонирующему излучению, отличается тем, что в зазор вводят прозрачную для экспонирующего излучения полимерную пленку. Технический результат - уменьшение разброса экспозиционной дозы и увеличение количества конструкционных материалов. 6 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к широко известному способу теневой трафаретной рентгеновской литографии, описанному в многочисленных работах [в частности, в работе Артамонова Л.Д., Глускин Е.С., Красноперова А.А., Кулипанов Г.Н, Назьмов В.П., Пиндюрин В.Ф., Скринский А.Н., Черков Г.А., Чесноков В.В., Шелюхин Ю.Г. Эксперименты по рентгеновской литографии с использованием синхротронного излучения накопителя ВЭПП-2М. - В сб. докладов: Всесоюзное совещание по использованию синхротронного излучения СИ-82. Новосибирск, 1982, с.260-277] и который характеризуется тем, что при помощи трафарета - рентгеношаблона и экспонирующего излучения (ЭИ), в качестве которого используется синхротронное излучение (СИ), в слое рентгенорезиста, нанесенного на рабочую поверхность обрабатываемой подложки, формируют с целью создания резистивной маски скрытое изображение путем размещения вышеперечисленных объектов, как показано на фигуре 1. На фигуре 1 приведено схематическое изображение литографической схемы теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии, где рентгеношаблон, содержащий несущую мембрану 1, на рабочей поверхности которой сформирован металлический рентгенопоглощающий рисунок 2, закреплен на шаблонодержателе 3. СИ, проходя апертурную диафрагму 4, падает на рентгеношаблон и далее, проникая через его рентгенопрозрачные участки, углубляется в слой рентгенорезиста 5, нанесенный на обрабатываемую подложку 6, закрепленную на подложкодержателе 7.
СИ при прохождении через несущую мембрану генерирует в ней фото- и ожеэлектроны части из которых вылетают с рабочей поверхности рентгеношаблона в самых различных направлениях и, внедряясь в рентгенорезист, экспонируют его верхний слой. Длина свободного пробега электронов в любом материале, выраженная в микрометрах, может быть рассчитана по формуле Грюна:
Le=0,046·Е1,75/ρ,
где Е - энергия электронов, измеренная в [кэВ], а ρ - плотность материала в [г/см3].
Как следует из вышеприведенной формулы, длина свободного пробега электронов в рабочем газе, который заполняет камеру экспонирования литографической станции, сильно зависит от их энергии, элементного состава газа и его давления.
Округленные значения расчетных величин в микрометрах для длины свободного пробега электронов в гелии, наиболее часто используемом в качестве рабочего газа (при двух наиболее типичных давлениях Р=1 Торр и Р=760 Торр), а также в рентгенорезисте (большинство рентгенорезистов имеют близкие по значению величины плотности), приведены в таблице. Значения энергии электронов, используемые для расчетов длин свободного пробега электронов в нижеприведенной таблице, приблизительно соответствуют пограничным значениям спектра ЭИ, используемого в теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии и в LIGA-технологии.
| Энергия электронов [кэВ] (в круглых скобках приведена соответствующая этой энергии длина волны ЭИ) | Le [мкм] Не (Р=1 Торр) ρ≈24·10-8 г/см3 | Le [мкм] Не (Р=760 Торр) ρ≈180·10-6 г/см3 | Le [мкм] Рентгенорезист ρ≈1,2 г/см3 |
| Е=1,2 (λ≈10Å) | 27·104 | 350 | 5·10-2 |
| Е=12 (λ≈1Å) | 15·106 | 20-103 | 3 |
Анализируя приведенные значения, можно сделать вывод о том, что длина свободного пробега электронов в гелии многократно превосходит характерные величины зазора между рабочими поверхностями рентгеношаблона и обрабатываемой подложки как при проведении теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии, когда величина зазора составляет 10÷50 мкм, так и при реализации LIGA-технологии, когда величина зазора находится, как правило, в диапазоне от 100 до 5000 мкм.
Из этого следует, что если несущая мембрана является сравнительно интенсивным источником свободных электронов, инжектируемых в пространство между рентгеношаблоном и обрабатываемой подложкой, что имеет место в случае низкой интегральной прозрачности мембраны в спектральном диапазоне применяемого ЭИ (т.е. несущая мембрана характеризуется заметным поглощением и, следовательно, значительным уровнем генерации фото- и ожеэлектронов), то они практически все в конечном счете попадут в верхние слои рентгенорезиста и вызовут в нем соответствующие радиационно-химические реакции, т.е. произведут дополнительное экспонирование приповерхностного слоя резиста. Причем, как наглядно показано на схеме, приведенной на фигуре 2, дополнительная экспозиционная доза заметно различается для участков рентгенорезиста, находящихся под рентгенонепрозрачными элементами топологического рисунка больших и малых размеров. На фигуре 2 схематически изображено, как под воздействием падающего СИ в несущей мембране 1 генерируются электроны (обозначенные на фигуре пунктирной линией со стрелкой и буквой «е»), вылетающие под всевозможными направлениями в основном с участков, где отсутствует рентгенопоглощающий рисунок 2, вследствие чего приповерхностный слой рентгенорезиста 5 получает дополнительную экспозиционную дозу. Иными словами, приповерхностный слой рентгенорезиста наряду с основной экспозиционной дозой, возникающей в результате генерации свободных электронов внутри резиста, набирает еще и дополнительную дозу из-за облучения электронами, вылетающими с рентгеношаблона. То есть можно сказать, что поток электронов с рабочей поверхности рентгеношаблона создает при формировании скрытого изображения в резистивном слое некую «фоновую засветку», причем неравномерную по площади. Величина экспозиционной дозы условно отображена через степень концентрации черных точек на белом фоне резистивного слоя.
Таким образом можно сделать утверждение, что способ проведения рентгенолитографии, выбранный в качестве прототипа и включающий в себя размещение рентгеношаблона, содержащего несущую мембрану со сформированным на ее рабочей поверхности металлическим рентгенопоглощающим топологическим рисунком и обрабатываемую подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность слоем рентгенорезиста на пути следования синхротронного излучения, причем ближе к источнику излучения расположен рентгеношаблон, а вышеуказанные рабочие поверхности располагаются отстоящими друг от друга на сравнительно небольшом зазоре параллельно друг другу и ортогонально падающему экспонирующему излучению, имеет недостаток, выражающийся в том, что в случае изготовления несущей мембраны из материала (со средним атомным номером), характеризующимся сравнительно высоким уровнем поглощения ЭИ, она становится достаточно интенсивным источником свободных электронов, которые, вылетая с ее рабочей поверхности, экспонируют приповерхностный слой рентгенорезиста, нанесенный на обрабатываемую подложку.
И вследствие того, что приповерхностный слой резиста, находящийся напротив рентгенонепрозрачных элементов топологического рисунка, набирает заметную по величине дополнительную дозу (т.е. там, где доза должна быть близка к нулевой), возникает ситуация, приводящая, например, в случае использования негативного резиста к образованию «труднорастворимой приповерхностной корочки». А поскольку доза, набранная приповерхностным слоем резиста, находящимся под рентгенонепрозрачными элементами разных размеров, заметно отличается в силу геометрических факторов, связанных с наличием сравнительно большого зазора между рабочими поверхностями рентгеношаблона и подложки, то это дополнительно усложняет возникающую проблему, так как требует тщательного подбора времен проявления резиста для обеспечения качественного формирования резистивной маски. Как видно из схемы, приведенной на фигуре 2, приповерхностный слой резиста, находящийся напротив участка 2а (под рентгенонепрозрачным элементом малых геометрических размеров), набирает заметно большую по величине дополнительную дозу по сравнению с приповерхностным слоем, расположенным напротив участка 2б (под рентгенонепрозрачным элементом больших геометрических размеров).
Кроме этого, при работе с толстыми резистивными пленками толщиной в 500 и более микрометров, что имеет место в LIGA-технологии, наличие дополнительной экспозиционной дозы в приповерхностном слое резиста приводит к сильному различию экспозиционных доз в зависимости от расстояния от поверхности резиста, то есть между приповерхностным слоем резиста и тем, который находится на достаточной глубине (на расстоянии, заметно превышающем длину свободного пробега электрона в рентгенорезисте), что вследствие нелинейности характеристических кривых, свойственных некоторым резистам, таким как ПММА (полиметилметакрилат), когда растворимость резиста с ростом экспозиционной дозы, пройдя некоторый максимум, начинает падать, значительно осложняет работу по созданию качественной резистивной маски, поскольку вынужденное этими обстоятельствами увеличение времени проявления приводит к уходу геометрических размеров других элементов резистивной маски и, соответственно, к снижению ее качества.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение разброса экспозиционной дозы как по координате, направленной в глубь резистивной пленки, так и по ее площади под однотипными элементами топологического рисунка рентгеношаблона, а также увеличение количества конструкционных материалов, используемых для изготовления несущей мембраны рентгеношаблона, что позволяет в ряде случаев упростить технологию изготовления рентгеношаблона и снизить его себестоимость.
Поставленная цель достигается путем введения в зазор между рабочими поверхностями рентгеношаблона и обрабатываемой подложки тонкой пленки углеводородного полимера, толщина которой зависит от спектрального диапазона применяемого ЭИ, в результате чего данная пленка будучи практически полностью прозрачной для ЭИ полностью задерживает вылетающие с рабочей поверхности рентгеношаблона электроны.
На фигуре 1 приведено схематическое изображение широко известной литографической схемы теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии, в соответствии с которой рентгеношаблон, содержащий несущую мембрану 1, на рабочей поверхности которой сформирован металлический рентгенопоглощающий рисунок 2, закреплен на шаблонодержателе 3. СИ, проходя апертурную диафрагму 4, падает на рентгеношаблон и далее, проникая через его рентгенопрозрачные участки, углубляется в слой рентгенорезиста 5, нанесенный на обрабатываемую подложку 6, закрепленную на подложкодержателе 7.
На фигуре 2 схематически изображена ситуация, когда несущая мембрана 1 характеризуется значительным поглощением СИ, в результате чего в ней генерируются электроны (обозначенные на фигуре пунктирной линией со стрелкой и буквой «е»), вылетающие под всевозможными направлениями в основном с участков, где отсутствует рентгенопоглощающий рисунок 2, вследствие чего приповерхностный слой рентгенорезиста 5, нанесенного на рабочую поверхность подложки 6, получает дополнительную экспозиционную дозу. Величина экспозиционной дозы условно отображена через степень концентрации черных точек на белом фоне резистивного слоя.
На фигуре 3 схематически изображен предлагаемый способ проведения рентгенолитографии, а именно размещение между рабочей поверхностью рентгеношаблона, закрепленного на шаблонодержателе 3, и слоем резиста 5, нанесенного на рабочую поверхность обрабатываемой подложки 6, закрепленной на подложкодержателе 7, пленки 8, практически прозрачной для СИ и в то же время полностью задерживающей вылетающие под воздействием излучения с рабочей поверхности рентгеношаблона электроны (обозначенные на фигуре пунктирной линией со стрелкой и буквой «е»). В результате чего «фоновая засветка» приповерхностного слоя рентгенорезиста 5, создаваемая вылетающими электронами, исключается, а качество создаваемого скрытого изображения топологического рисунка и, соответственно, качество формируемой резистивной маски заметно улучшается.
На фигурах 4, 5 и 6 приведены соответственно графики прозрачности пятимикронной толщины медной и пятнадцатимикронной толщины золотой и лавсановой пленок в спектральном диапазоне ЭИ, характеризующемся энергией фотонов от 0 до 8900 эВ. По вертикальной координате отложена прозрачность пленки, а по горизонтали - энергия рентгеновских квантов в электрон-вольтах.
Далее приводится описание конкретного примера использования предлагаемого способа при проведении теневой трафаретной синхротронной рентгеновской литографии в рамках реализации LIGA-технологии, поясняемого схематическим изображением, приведенным на фигуре 3. В качестве рентгеношаблона применяется шаблон с медной несущей мембраной 1 толщиной 5 мкм, а рентгенопоглощающий топологический рисунок 2 выполнен из золота и имеет толщину 15 мкм. Спектральные прозрачности медной и золотой пленок указанных толщин соответственно приведены на фигурах 4 и 5, где по вертикальной координате отложена прозрачность пленки, а по горизонтали - энергия рентгеновских квантов в электрон-вольтах. Контрастность такого рентгеношаблона достаточно велика и зависит от спектрального распределения используемого СИ в случае, если облучение проводится рентгеновскими квантами с энергией от 5 до 8,5 кэВ, величина контрастности превышает 100, что является вполне достаточным для получения качественного скрытого изображения в рентгенорезисте. Однако медная пленка, выступающая в роли несущей мембраны, характеризуется достаточно сильным поглощением рентгеновского излучения, как это хорошо видно из графика, приведенного на фигуре 4, что свидетельствует об интенсивном процессе генерации в ней фото- и ожеэлектронов, которые, вылетая с рабочей поверхности рентгеношаблона и внедряясь в пленку рентгенорезиста, будут производить в ее приповерхностном слое радиационно-химические реакции, т.е. экспонировать верхний слой резиста толщиной около 3 мкм (см. данные, приведенные в таблице).
Размещение между рентгеношаблоном и обрабатываемой подложкой 6 тонкой пленки 8, например, из лавсана (полиэтилентерефталата) толщиной 10÷15 мкм или из другого углеводородного полимера, которая будет, с одной стороны, хорошо пропускать ЭИ используемого спектрального диапазона (см. график, приведенный на фигуре 6), а с другой стороны, полностью задерживать вылетающие с рабочей поверхности рентгеношаблона электроны, принципиально меняет ситуацию в плане создания скрытого изображения в рентгенорезисте 5, нанесенном на обрабатываемую подложку 6, особенно в его приповерхностном слое. В результате введения в зазор пленки 8 в приповерхностном слое резиста 5 практически полностью исчезает фоновая засветка, создаваемая вылетающими с рабочей поверхности рентгеношаблона электронами. Рекомендуемая толщина полимерной пленки 8 сильно зависит от используемого спектрального диапазона СИ и варьируется от единиц до 15 мкм, основным критерием является 2-4-кратное превышение толщины пленки над величиной длины свободного пробега электронов в материале, из которого она изготовлена. Следует иметь в виду, что использование толстой полимерной пленки в сочетании с СИ, характеризующимся мягким спектральным диапазоном, может привести к значительному поглощению рентгеновских квантов ЭИ в пленке и, как следствие, к увеличению времени экспозиции, то есть к снижению производительности литографического процесса при создании скрытого изображения. В приведенном примере производительность снижается не более чем на 5÷10%, что является вполне приемлемой ценой за значительное улучшение качества формируемой резистивной маски.
В описываемом примере фоновая засветка резиста из-за флуоресценции будет крайне незначительна в случае отсутствия в спектре ЭИ фотонов с энергией больше 8979 эВ (больше К-края поглощения), поскольку флуоресцентный выход при заполнении L-уровней составляет всего 0,6% и, кроме того, длина волны флуоресцентного излучения равна λ=13,336Å (Е=929,7 эВ), которая сильно поглощается 15-микронной полимерной пленкой, коэффициент прозрачности которой на данной длине волны составляет около 2·10-3. То есть менее 0,2% вылетевших с рабочей поверхности рентгеношаблона флуоресцентных квантов достигнут поверхности рентгенорезиста, причем в реальности эта величина еще меньше из-за разнонаправленности их вылета, в результате чего расстояние, которое они проходят в лавсане, значительно больше 15 мкм.
Следует отметить, что полимерная пленка может использоваться многократно до появления в ней видимых дефектов в виде порывов. Надо учитывать, что вследствие того, что она подвергается облучению и набирает значительную экспозиционную дозу, она быстро теряет свою эластичность. Наиболее стойкими в этом плане являются пленки, изготовленные из каптона (kapton).
Таким образом, можно констатировать, что предлагаемое изобретение позволяет использовать в качестве конструктивных материалов для изготовления несущих мембран рентгеношаблонов широко распространенные материалы с достаточно большим атомным номером, а возникающие в связи с этим негативные моменты в виде наличия значительного потока электронов с рабочей поверхности рентгеношаблона элиминировать путем введения в зазор между рабочей поверхностью рентгеношаблона и рентгенорезистивным слоем тонкой полимерной пленки, что приводит к тому, что в приповерхностном слое резиста практически полностью исчезает фоновая засветка, создаваемая вылетающими с рентгеношаблона электронами, а также значительно уменьшается фоновая засветка, создаваемая флуоресцентным излучением, в результате чего многократно минимизируются искажения создаваемого в резисте скрытого изображения топологического рисунка и в итоге формируемая на рабочей поверхности обрабатываемой подложки резистивная маска имеет значительно лучшее качество.
Способ проведения теневой трафаретной рентгеновской литографии, при котором рентгеношаблон, содержащий несущую мембрану со сформированным на ее рабочей поверхности металлическим рентгенопоглощающим топологическим рисунком и обрабатываемую подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность слоем рентгенорезиста размещают на пути следования синхротронного излучения, причем ближе к источнику излучения располагают рентгеношаблон, а вышеуказанные рабочие поверхности располагают отстоящими друг от друга на сравнительно небольшом зазоре, параллельно друг другу и ортогонально падающему экспонирующему излучению, отличающийся тем, что в зазор вводят прозрачную для экспонирующего излучения полимерную пленку.
