Б Г Гольденберг LIGA-технология базовые принципы и применение

Б. Г. Гольденберг LIGA-технология: базовые принципы и применение 1

СИ – уникальный технологический инструмент ВЭПП-3 Е= 2 Гэ. В Н= 20 к. Гс 2

СИ – уникальный технологический инструмент + коллимированность + интенсивность ~ 0. 2 мрад ~ 1 -10 Вт/см 2 на раст. 20 м + проникающая способность >1 мм + непрерывный спектр + расчет спектрально-угловых УФ =3650 А СИ =2 А характеристик 3

СИ – уникальный технологический инструмент аналитические приложения: РФА, МУРР, EXAFS… технологические приложения: рентгеновская литография 4

Рентгенолитография: Воздействие СИ на полимеры CH 2 1 рентген, е-, е+, e- } CH 2 2 CH 3 C CH 2 C O OCH 3 C CH 2 C O OCH 3 1 e- CH 3 C CH 2 C O OCH 3 2 CO 2 CH 3 CH 2 CH 3 C CH 2 e. CH 4, CH 3 OH CO 2, CO CH 2 CH 3 C CH 2 Полиметилметакрилат (позитивный) SU-8 негативный 5

Рентгенолитография: Воздействие СИ на ПММА Mw, g/mol k. J/cm 3 Зависимость растворимости ПММА от дозы облучения 6

Рентгенолитография: SU-8 (производства Microchem) Позитивный резист Негативный резист Нормализованная толщина полиметилметакрилат (ПММА) * доза для формирования структуры ПММА SU-8 3500 Дж/см 3 30 Дж/см 3 Минимальная доза 700 Дж/см 3 1 Дж/см 3 контраст К>50 7

Рентгенолитография: SU-8 (производства Microchem) Позитивный резист Негативный резист * Нормализованная толщина полиметилметакрилат (ПММА) Оптимизация резистов: чувствительность, однородность по молекулярной массе, разрешающая способность, стабильность 8

Рентгенолитография: 1 2 9

LIGA=Lithografie+Galvanik+Abformung 10

Изготовление микроструктур LIGA-процесс был разработан в LIGA 1980 -х гг в IMT Forschungszentrum Karlsruhe (Институт микроструктур, Карлсруэ, Германия), как способ производства микро-сопел для разделения изотопов урана LIGA-процесс - метод изготовления глубоких микроструктур посредством последовательного применения глубокой рентгенолитографии, микрогальванопластики и формовки. 11

Микросистемная техника Призматические и параболические Линзы для рентгеновского излучения http: //www. imt. kit. edu Измеритель потока Термо-пневматический насос Элементы прецизионной микромеханики http: //micro-works. de/products. html 12

Микросистемная техника Микрофлюидные модули Abhishek K Agarwal. et. al. J. Micromech. Microeng. 16 (2006) 332– 340 электромагнитные устройства характерные размеры структур: 10 -100 мкм минимальные размеры элементов: 1 -10 мкм шероховатость : ~ 10 нм высота 10 -1000 мкм !!! 13

Микросистемная техника Формирование в ПММА линзы Френеля с глубоким (до 15 мкм) микрорельефом методом динамической рентгенолитографии 14

Изготовление микроструктур 50 мкм Станки ЧПУ электроискровая резка 15

Изготовление микроструктур n электронная литография, Е=30 кэ. В минимальные размеры: <50 нм высота < 3 мкм 16

Изготовление микроструктур фотолитография УФ =3650 А n минимальные размеры: < 1 -5 мкм высота ~10 мкм дифракция!!! 17

Технологический комплекс LIGA в ИЯФ СО РАН: Плазмохимия электронное и магнетронное нанесение чистка подложек обработка резистов Чистая комната: класс 5 ISO <10 000 частиц размером 0. 1 мкм в м 3 центрифуга установка микрополирования 18 СЭМ Hitachi S 3400 N

Чистая комната: 19

Чистая комната: Установка полирования POLI-100 чистка планаризация полировка 20

Чистая комната: центрифуга Spincoater Model P - 6708 D нанесение полимерных пленок до 100 мкм 21

Чистая комната: установка плазмохимии и магнетронного напыления Book. Edwards и вакуумная печь 22

Чистая комната: участок оптической и электронной микроскопии 23

Технологический комплекс LIGA в ИЯФ СО РАН: 20 м Е=2 Гэ. В, Н=20 к. Гс I=50 -120 м. А вигглер Схема станции LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3 е- 24

Станция LIGA ВЭПП-3 Внешний вид и компоновка станции LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3 25

Станция LIGA ВЭПП-3 1. 2. Держатель рентгеношаблона 3. XYZ координатный столик 4. Держатель облучаемого образца 5. XYφ координатный столик 6. СИ входное окно (Ве 300 мкм) видеокамера Be 300 мкм 5 3 XYφ-степер резиста СИ XYZ-степер шаблона компоновка внутреннего объема станции LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3 26

Синхротронное излучение для LIGA Расчетное спектральное распределение мощности СИ, поглощенной в резисте ПММА в медианной плоскости (φ=0) на расстоянии 20 м от точки излучения, Е=2 Гэ. В, Н=20 к. Гс, I=100 m. A 27

LIGA-станции в иных центрах СИ Общий вид станции ГРЛ КИСИ, Москва. [http: //www. kcsr. kiae. ru/stations/k 6. 3. php] Станция экспонирования DEX 02 производства Jen. Optik Gmb. H, Jena, Germany на канале LIGA-2, ANKA, Karslrue (Germany). 28 [http: //ankaweb. fzk. de/instrumentation_at_anka/beamlines. php]

Создание и исследование рентгеношаблонов для ГРЛ Рентгеношаблон– рисунок из рентгенопоглощающего материала на Рентгеношаблон подложке прозрачной для рентгеновского излучения используемого спектрального диапазона. поглотитель подложка шаблона ? ? ? выбор материалов подложки, резистов, поглотителя; формирование рисунка микроструктуры; формирование рентгеноконтрастного покрытия. 29

Создание и исследование рентгеношаблонов для ГРЛ Основные этапы изготовления рентгеношаблона : • формирование резистивной маски на проводящей подложке, • электрохимическое осаждение поглощающего слоя. Полимерная маска на подложке Гальванопластика золота 30

Изготовление рентгеношаблонов для ГРЛ в IMT/KIT, Karlsrue (Germany) а) Электронная литография в 3 мкм резисте ПММА б) После проявления резиста гальванически осаждается 2. 2 мкм слой золота и удаляется оставшийся резист. Изготовление промежуточного рентгеношаблона в IMT/KIT в) рентгенолитография в «мягком» СИ через промежуточный РШ в 60 мкм слой резиста ПММА на титановой подложке; [ http: //x-ray-optics. de ] г) проявления резиста гальванически осаждается 25 мкм слой золота на подложку из 2 мкм титана и удаляется оставшийся резист 31

Формирование структуры РШ в ИЯФ СО РАН 32

ИЯФ: Формирование структуры РШ с помощью фотолитографии Фотошаблон ИФП СО РАН, ИАи. Э СО РАН SU-8 стеклоугл ерод 33

Формирование структуры РШ с помощью фотолитографии 10 мкм Re SU-8 Фотолитографическое формирование струкутры шаблона: + простота + низкая себестоимость - Дифракционные уширения, искажения элементов рисунка 34

Рентгенолучевой микролитограф для формирования заготовки рентгеношаблона Способ рентгенолучевого формирования топологи РШ для глубокой рентгеновской литографии без использования дорогостоящих этапов электронной литографии, изготовления промежуточного рентгеношаблона и рентгенолитографии в «мягком» спектре СИ для получения рабочего РШ 35

Формирование структуры РШ рентгенолучевым методом гладкие стенки! SU-8 стеклоуглерод 60 мкм прямые углы! 50 мкм 29 мкм Фрагмент заготовки рентгеношаблона – микроструктура из резиста SU-8 высотой 29 мкм на подложке из стеклоуглерода Рентгеношаблон после осаждения на заготовку слоя золота SU-8 Au 20 мкм 36

Тестирование рентгеношаблонов При изготовлении рентгеношаблонов необходимо контролировать такие основные параметры как: üкачество рисунка микроструктуры; üсостав рентгенопоглощающего слоя; üконтраст РШ. Контроль рисунка микроструктуры и элементного состава поглощающего слоя осуществлялся с использованием сканирующего электронного микроскопа. Однако СЭМ-изображение не дает информации о внутренних дефектах и контрасте шаблона. 37

Тестирование рентгеношаблонов на станции «рентгеновской микроскопии и томографии» ВЭПП-3 пропускание % Дополнительная проверка качества РШ проводилась с использованием монохроматического СИ ( =1. 13 Å) на станции «рентгеновской микроскопии и томографии» накопителя ВЭПП-3 по исследованию контраста рентгеновских изображений. На рентгеновских микроснимках дефектные участки с недостаточным контрастом представляются светлыми пятнами в темном рентгеноконтрастном поле, а контраст изображения соответствует контрасту рентгеношаблона в данном спектре. Пространственное разрешение микроскопии 2 мкм. Au Пример исследования рентгеноконтраста шаблона [Гольденберг Б. Г. , Купер К. Э. , Кондратьев В. И. и др. Экспресс-метод контроля рентгеношаблонов для глубокой 38 рентгенолитографии // XVIII международная конференция по использованию синхротронного излучения, СИ-2010]

Тестирование рентгеношаблонов на станции «рентгеновской микроскопии» Контраст λ=1. 13 A ~5 Au SU-8 Толщина Au ~ 9 mkm т с ра т он йк ы чн то а т ос д не Контраст λ=1. 13 A ~50 Au Толщина Au ~22 mkm SU-8 Фотографии рентгеношаблонов, полученные на СЭМ Hitachi S 3400 N Изображение, полученное на станции «Рентгеновская микроскопия» при =1. 13Ǻ 39

Режимы экспонирования СИ 1. 1. СИ сканирование 2. мультиплицирование СИ Коллиматор 2. 3. Рентгеновский микролитограф 4. динамическая литография 40

Распределение интенсивности СИ на LIGA-станции 0, 0015 расчет Image Plate ПДПП 4. 6 мм 2 W/мм 0, 0010 0, 0005 0, 0000 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 мм 10 мм Изображение пучка СИ на запоминающем экране Image Plate© и его оцифровка Вертикальное и горизонтальное распределение мощности пучка СИ в плоскости образца: расчет, при Е=2 Гэ. В, H=20 к. Гс, I=0. 05 m. А, с учетом 500 мкм бериллиевых фольг, Генцелев А. Н. , Гольденберг Б. Г. , Кондратьев В. И. и др. LIGA-станция на накопителе ВЭПП-3 // Поверхность. - 2002. - № 9. - С. 30 -35. 41

Режимы экспонирования СИ Испольуется при облучении образцов, площадь которых больше высоты пучка. Резист и шаблон в единной сборке возратнопоступательно качаются поперек пучка СИ 1. 1. сканирование • однородная усредненная доза по всей площади • снижение тепловых нагрузок на образец 42

Режимы экспонирования СИ многократное повторение элементарного рисунка «ячейки» по большому полю изделия. После каждой экспозиции подложка смещается отностительно фиксированного шаблона на заданный шаг и экспозиция повторяется 2. мультиплицирование 43

Режимы экспонирования 3. Рентгеновский микролитограф СИ Коллиматор Коллимированный луч СИ используется как «перо» для рисования структуры в толстом слое высокочувствительного резиста SU-8 44

Режимы экспонирования Скорость растворения облученного позитивного резиста пропорциональна полученной дозе, т. е. времени облучения локальной точки. Двигая резист во время облучения относительно шаблона можно добиться неоднородного распределения дозы => 3 D профиль СИ 1. 4. динамическая литография 45

Влияние дифракции и вторичных электронов на разрешающую способность пробег фотоэлектронов Reznikova E, Mohr J, Boerner M, et. al. // 2008. Microsystem Technologies 14 дифракционное разрешение суммарное отклонение ограничение разрешающей способности 46

LIGA – технология: задачи: изготовление высокоаспектных микроструктур с уникальными параметрами: - Минимальные размеры элементов от 1 мкм - глубина/высота до 1000 мкм - шероховатость от 10 нм технологические этапы: обеспечения *глубокая рентгенолитография *гальванопластика *штамповка *литьё - источник СИ – накопитель электронов - автоматизированная станция экспонирования - участок химической подготовки и обработки - участок контроля - изготовление рентгеношаблонов 47

Примеры изготовления микроструктур методом глубокой рентгенолитографии в ИЯФ СО РАН Пример высокоаспектных структур из SU-8, полученных с использованием созданного рентгеношаблона. Высота 440 мкм, ширина линии 40 мкм. 48

Изготовление микроструктур методом глубокой рентгенолитографии микрофлюидные системы для экспресс анализа (совместно с ИЦи. Г СО РАН) СЭМ фотографии фрагментов микроканальных модулей из ПММА Ширина и глубина каналов 50 мкм 49

Изготовление микроструктур методом глубокой рентгенолитографии Микропрофилированные оптические элементы (совместно с ИАи. Э СО РАН) Формирование в ПММА линзы Френеля с глубоким (до 15 мкм) микрорельефом методом динамической рентгенолитографии 50

Изготовление микроструктур методом глубокой рентгенолитографии Элементы квазиоптики для излучения ТГц-диапазона Сочетание возможности рентгенолитографически формировать микроструктуры в толстых полимерных пленках (100 -1000 мкм) и возможности химически осаждать серебро на поверхность полимера позволяет реализовать новый тип конструкции толстых сеточных структур без подложки – спектрально-селективных элементов ИК и ТГц диапазона (совместно с ИХТТМ СО РАН) 51 [ Генцелев А. Н. , Гольденберг Б. Г. , Зелинский А. Г. , …Кузнецов С. А. и др. Применение LIGA для создания селективных элементов ТГц-диапазона – металлических и псевдометаллических толстых сеточных структур // Рабочее совещание «Рентгеновская оптика – 2010» , г. Черноголовка ]

Спасибо за внимание ! 52

53

Принципы LIGA-технологии LIGA – акроним, составленный из немецких слов: Litographie, Galvanoformung Abformung – литография, гальваника, формовка Основной процесс LIGA это глубокая рентгеновская литография (ГРЛ) на ГРЛ синхротронном излучении (СИ). h = 100 -1000 мкм D~ 1 мкм n~ 10 нм http: //x-ray-optics. de вертикальные стенки 54