Фотолитография в микро‑ и нанотехнологиях: обзор технологий и литографических установок
Сферы применения литографии
Технология фотолитографии заключается в переносе паттерна с маски или цифрового изображения на некий субстрат. Основное применение – это создание структур в микро- и наномасштабе. Это могут быть микрофлюидные каналы, микроактуаторы, оптические структуры в субдлинноволновом размере, транзисторы и многое другое.
Рисунок 1 – Примеры структур, сформированных на установках фотолитографии. а) Половина линзы Френеля, б) Микро-паттерн «чешуя акулы», позволяющий значительно уменьшить смачиваемость обработанной поверхности, в) Массив микролинз, гипертелескоп и линзы Френеля, сформированные на торце волокна.
Принцип технологии
Суть процесса литографии заключается в облучении (экспозиции) материала, чувствительного к свету определенной длины волны (фоторезиста). Предварительно тонкий слой фоторезиста наносится на обрабатываемую поверхность. Как правило, для этого используются центрифугирование. Эти устройства равномерно распределяют жидкий фоторезист по поверхности образца. После чего образец подвергается облучению светом определенной очень узкой длины волны в области УФ или глубокого УФ. В тех местах образца, на которые попало излучение, происходит фотохимическая реакция. Далее на этапе проявления при использовании позитивного резиста (новолачные смолы, диазонафтохинон) он удаляется в местах экспонирования, а при использовании негативного (полимерные резисты) – удаляется в непроэкспонированных областях. Таким образом формируется паттерн на образце – негативный или позитивный.
Рисунок 2 – Процесс фотолитографии
Последующие операции зависят от материалов и итогового продукта, но, если обобщать, включают в себя травление или легирование областей, не защищенных фоторезистом, либо нанесение тонкой пленки материала на поверхность образца с последующим «вымыванием» фоторезиста (lift-off).
Рисунок 3 – Процесс lift-off литографии
Основные технологии
По принципу формирования изображения литографию разделяют на:- Литографию по маске
- безмасковую литографию
Рисунок 4 – Маска для фотолитографии
Пластина размещается в осветительной системе установки или в непосредственном контакте с образцом. Основной минус литографии по маске – необходимость изготавливать и проверять качество маски под каждый новый паттерн. Однако, системы с маской обычно дешевле и проще по своему строению безмасочных систем.
Рисунок 5 – дифракционные дефекты, возникающие при литографии по маске
В безмасочной литографии используют устройства на основе массива зеркал (DMD) для формирования изображения на основе изображения в ПО, либо сканируют образец лазерным пучком, последовательно создавая паттерн (метод прямой лазерной записи).
Рисунок 6 – Строение DMD-элемента
Такие системы стоят несколько дороже, но быстро окупаются. Особенно, если актуальны задачи прототипирования и паттерн записи меняется постоянно, либо имеет место многослойная запись.
Из минусов – необходимость бороться с возникающей пикселизацией изображения, т.к. цифровое изображение растрировано. Но современные производители научились с этим дефектом и продолжают совершенствовать свои системы.
Рисунок 7 – Технология борьбы с пикселизацией рельефа
Используемые системы
Оборудование для литографии можно разделить на 4 типа:- Установки совмещения и экспонирования (Aligners)
- Степперы
- Сканнеры
- Оборудование для прямой записи
Рисунок 8 – Серия установок совмещения и экспонирования MiScan, HoloMaker, Microlab и iGrapher UV
Рисунок 9 – Совмещение по меткам
В степперах образец и маска (при наличии) последовательно перемещаются с этапом экспонирования между перемещениями. Таким образом удается покрыть паттерном всю поверхность образца.
Рисунок 10 – Схема работы степпера
Рисунок 11 – Степперы серии UV-Ultra
Сканнер – идейное продолжение степпера, где излучение «сканирует» образец изображением маски через узкую щель.
Рисунок 12 – принцип работы сканнера
Оборудование для прямой записи, как было обозначено, не использует ни маску, ни DMD-элемент, а формирует паттерн непосредственно лазерным пучком. В установках такого типа зачастую используют фоторезист, работающий по принципу двухфотонной полимеризации (2PP). В месте наибольшей плотности мощности – то есть в перетяжке лазерного пучка – количество фотонов достаточно велико, чтобы атом фоторезиста поглотил сразу 2 фотона и это запустило процесс полимеризации вещества.
Рисунок 13 – Установки для прямой записи серий UV-Smart и TRS-Smart
Так как перетяжку пучка можно двигать не только в горизонтальной плоскости, но и вертикально, то появляется возможность формировать объемную структуру (3D).
Рисунок 14 – Схема прямой лазерной записи
Рисунок 15 – Классификация получаемых структур
Итог
Разнообразие литографического оборудования очень велико, поэтому оптимальный выбор системы всегда определяется конкретной задачей, используемыми материалами и доступным бюджетом. Направьте нам ваше техническое задание, и мы подберём подходящую установку с учетом требований вашего процесса, обеспечим её поставку, пусконаладочные работы и обучение персонала.
Автор статьи: Омельченко Павел, инженер по применению группы «Лазерные системы и комплексы»
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
