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

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

2 2 СИ – уникальный технологический инструмент ВЭПП-3 Е= 2 ГэВ Н= 20 кГс

3 3 + коллимированность + интенсивность + проникающая способность + непрерывный спектр + расчет спектрально-угловых характеристик СИ – уникальный технологический инструмент ~ 0.2 мрад ~ 1-10 Вт/см 2 на раст. 20 м >1 мм УФ =3650 А СИ =2 А

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

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

6 6 Рентгенолитография: Воздействие СИ на ПММА kJ/cm 3 M w, g/mol Зависимость растворимости ПММА от дозы облучения

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

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

9 9 Рентгенолитография: 1212

10 10 LIGA= Lithografie+Galvanik+Abformung

11 11 Изготовление микроструктур LIGA LIGA-процесс был разработан в 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.

12 12 Микросистемная техника Термо-пневматический насос Измеритель потока Призматические и параболические Линзы для рентгеновского излучения Элементы прецизионной микромеханики

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

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

15 15 Изготовление микроструктур 50 мкм Станки ЧПУ электроискровая резка

16 16 Изготовление микроструктур электронная литография, Е=30 кэВ минимальные размеры:

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

18 18 Чистая комната: класс 5 ISO

19 19 Чистая комната:

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

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

22 22 Чистая комната: установка плазмохимии и магнетронного напыления BookEdwards и вакуумная печь

23 23 Чистая комната: участок оптической и электронной микроскопии

24 24 Схема станции LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭПП-3 Е=2 ГэВ, Н=20 кГс I= мА вигглер 20 м е-е- Технологический комплекс LIGA в ИЯФ СО РАН:

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

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

27 27 Расчетное спектральное распределение мощности СИ, поглощенной в резисте ПММА в медианной плоскости (φ=0) на расстоянии 20 м от точки излучения, Е=2 ГэВ, Н=20 кГс, I=100 mA Синхротронное излучение для LIGA

28 28 Общий вид станции ГРЛ КИСИ, Москва. [ Станция экспонирования DEX02 производства JenOptik GmbH, Jena, Germany на канале LIGA-2, ANKA, Karslrue (Germany). [ LIGA-станции в иных центрах СИ

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

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

31 31 а) Электронная литография в 3 мкм резисте ПММА б) После проявления резиста гальванически Изготовление промежуточного рентгеношаблона в IMT/KIT осаждается 2.2 мкм слой золота и удаляется оставшийся резист. [ ] в) рентгенолитография в «мягком» СИ через промежуточный РШ в 60 мкм слой резиста ПММА на титановой подложке; г) проявления резиста гальванически осаждается 25 мкм слой золота на подложку из 2 мкм титана и удаляется оставшийся резист Изготовление рентгеношаблонов для ГРЛ в IMT/KIT, Karlsrue (Germany)

32 32 Формирование структуры РШ в ИЯФ СО РАН

33 33 SU-8 стеклоуглерод ИЯФ: Формирование структуры РШ с помощью фотолитографии Фотошаблон ИФП СО РАН, ИАиЭ СО РАН

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

35 35 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

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

37 37 Тестирование рентгеношаблонов При изготовлении рентгеношаблонов необходимо контролировать такие основные параметры как: качество рисунка микроструктуры; состав рентгенопоглощающего слоя; контраст 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.

38 38 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. Тестирование рентгеношаблонов на станции «рентгеновской микроскопии и томографии» ВЭПП-3 Au Пример исследования рентгеноконтраста шаблона пропускание % [Гольденберг Б.Г., Купер К.Э., Кондратьев В.И. и др. Экспресс-метод контроля рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии // XVIII международная конференция по использованию синхротронного излучения, СИ-2010]

39 39 Толщина Au ~22mkm Фотографии рентгеношаблонов, полученные на СЭМ Hitachi S3400N Изображение, полученное на станции «Рентгеновская микроскопия» при =1.13Ǻ недостаточный контраст Тестирование рентгеношаблонов на станции «рентгеновской микроскопии» Au SU-8 Au SU-8 Контраст λ=1.13A ~5 Толщина Au ~ 9 mkm Контраст λ=1.13A ~50

40 40 1. сканирование2. мультиплицирование 3. Рентгеновский микролитограф 4. динамическая литография СИ Коллиматор СИ Режимы экспонирования

41 ,0000 0,0005 0,0010 0,0015 расчет Image Plate ПДПП W/мм 2 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 ГэВ, H=20 кГс, I =0.05 mА, с учетом 500 мкм бериллиевых фольг, Генцелев А.Н., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И. и др. LIGA-станция на накопителе ВЭПП-3 // Поверхность С мм Распределение интенсивности СИ на LIGA-станции 4.6 мм

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

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

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

45 45 4. динамическая литография 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 => 3D профиль СИ

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

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

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

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

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

51 51 Сочетание возможности рентгенолитографически формировать микроструктуры в толстых полимерных пленках ( 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) Изготовление микроструктур методом глубокой рентгенолитографии Элементы квазиоптики для излучения ТГц-диапазона [ 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]

52 52 Спасибо за внимание !

53 53

54 54 Принципы LIGA-технологии LIGA – акроним, составленный из немецких слов: Li Litographie, G Galvanoformung A Abformung – литография, гальваника, формовка ГРЛ Основной процесс LIGA это глубокая рентгеновская литография (ГРЛ) на синхротронном излучении (СИ). h = мкм ~ 1 мкм ~ 10 нм вертикальные стенки