CC BY
30
УДК 776.4
ЗАПИСЬ АМПЛИТУДНЫХ ФОТОШАБЛОНОВ И УГЛОВЫХ ШКАЛ ПО ФОТОРЕЗИСТУ НА КРУГОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАПИСЫВАЮЩИХ СИСТЕМАХ
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]
Никита Андреевич Гурин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (923)129-87-48, e-mail: [email protected]
Николай Юрьевич Никаноров
АО Швабе - «Оборона и Защита», 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 179/2, главный оптик, e-mail: [email protected]
Работа посвящена экспериментальному исследованию записи амплитудных фотошаблонов и угловых шкал по фоторезисту на круговых лазерных записывающих системах (КЛЗС). Экспериментальная часть исследований проводилась на КЛЗС, разработанной совместно ИАиЭ СО РАН и КТИ НП СО РАН. Рассмотрены отличия от термохимической технологии записи и от фоторезистной технологии для установок с линейным сканированием пучка.
Ключевые слова: лазерная запись по фоторезисту, амплитудные фотошаблоны, угловые шкалы, круговая лазерная записывающая система.
WRITING OF AMPLITUDE MASKS AND ANGULAR SCALES ON PHOTORESIST BY CIRCULAR LASER WRITING SYSTEMS
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., leading researcher, tel. (383)3333-091, e-mail: [email protected]
Nikita A. Gurin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student (undergraduate) gr. OMU-11 of department of nanosystems and optics engineering, tel. (923)129-87-48, e-mail: [email protected]
Nikolay Yu. Nikanorov
The Joint-Stock Company Schwab - «Defense and Protection», 630049, Russia, Novosibirsk, 179/2 Dusya Kovalchuk St., chief optician, e-mail: [email protected]
The paper is devoted to experimental study of manufacturing of amplitude masks and angular scales on photoresist by means of circular laser writing systems (CLWS). Experimental part of the study was made by means of CLWS developed jointly at IAE SB RAS and TDI SIE RAS. Difference from thermochemical laser writing and laser exposure of photoresist by linear scanning writing systems has been discussed.
Key words: laser writing on photoresist, amplitude masks, angular scales, circular laser writing system (CLWS).
Методы лазерной записи микрорисунка являются наиболее распространенными и универсальными в настоящее время для формирования топологии фотошаблонов различного назначения, угловых шкал, лимбов, сеток и дифракционных элементов [1-3]. Они основаны на сканировании сфокусированным амплитудно-модулированным лазерным пучком поверхности подложки, покрытой регистрирующим слоем. Пространственное разрешение сканирующей лазерной записи определяется диаметром записывающего пучка в фокусе объектива, а также свойствами регистрирующего материла и его толщиной. Наиболее распространенной технологией формирования микрорисунка является фотолитография, использующая воздействие света на фоторезист, последующее проявление которого вскрывает окна на экспонированных (позитивный фоторезист) или неэкспонированных (негативный) участках. Для формирования непрозрачного микрорисунка фотошаблонов фоторезист наносится на маскирующее покрытие (обычно, пленку хрома). После вскрытия окон в фоторезисте в них стравливается пленка хрома с помощью травителя, к которому стоек фоторезист [4]. Экспонирование фоторезиста светом УФ диапазона осуществляется с помощью одноканальных или многоканальных лазерных записывающих систем поточечной записи. В микроэлектронном производстве все эти системы работают в декартовых координатах с построчным сканированием пучка по траекториям в виде прямых линий. При производстве фотошаблонов и угловых шкал для нужд оптического приборостроения и машиностроения весьма распространенными в России являются круговые лазерные записывающие системы (КЛЗС) [5]. На этих системах обычно используется термохимическая технология прямой безрезистной лазерной записи. По сравнению с фоторезист-ной технологией она имеет следующие преимущества: меньшее количество технологических операций, возможность использования тяжелых нестандартных подложек, на несколько порядков меньший диапазон изменения мощности записывающего пучка, требуемый для записи при изменении линейной скорости сканирования в диапазоне от 10-5 - 10 м/с. Тем не менее, термохимическая технология не лишена и недостатков. Наиболее существенным из которых, является образование микротрещин (рис. 1, а) на пленке хрома из-за термоинду-цированных напряжений в системе пленка-подложка. Такой эффект возникает при избыточном уровне мощности лазерного пучка при записи на пленке хрома, имеющей низкую адгезию к подложке из-за загрязнений на последней, а также в случае использования пленок хрома с оптической плотностью более 3D. Другим недостатком является потеря исходной оптической плотности пленки из-за эффекта объемного окисления и частичного удаления экспонированной пленки хрома в процессе селективного травления. В силу указанных недостатков для ряда задач более целесообразно использовать запись на фоторе-зистной пленке, нанесенной на пленку хрома. Фотопроцесс дает возможность получить одинаковые края микрорисунка при включении и выключении светового пучка в отличие от теплового процесса, при котором край выключения света всегда менее размытый чем край включения. Кроме этого использование позитивных фоторезистов позволяет получить большие непрозрачные кольце-
вые зоны вокруг угловой шкалы без затрат времени, что резко повышает производительность.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию лазерной записи амплитудных фотошаблонов и угловых шкал по пленке фоторезиста, нанесенной на тонкую пленку хрома. Экспериментальные исследования проводилась на круговой лазерной записывающей системе, разработанной совместно ИАиЭ СО РАН и КТИ НП СО РАН для АО Швабе - «Оборона и Защита» (г. Новосибирск). Принцип работы и типичные характеристики этой системы описаны в работе [6].
1!111(1н11!!1111Н11
! ¡¡У!Й1!1!!!!!!!!!111Н
'МИНИН
а)
б)
в)
Рис. 1. Фотографии микроструктур на отражение:
а) микротрещины на микрорисунке, сформированном на пленке хрома термохимической лазерной записью; б) дефектная угловая шкала, в которой отсутствуют часть штрихов после проявления хрома (проявитель фоторезиста - 0,7 % КОН); в) штрихи угловой шкалы на пленке хрома (проявитель - 1 % КОН)
Особенности на пленках фоторезиста на КЛЗС
Простой перенос технологии лазерной записи фотошаблонов на фоторезисте на КЛЗС, в которой экспонирование осуществляется сфокусированным пучком при очень высоких скоростях сканирования (основная площадь элемента экспонируется при скоростях 1-10 м/с). Для компенсации уменьшения времени экспонирования с ростом радиальной координаты при удалении от центра вращения подложки (и, соответственно, увеличения скорости сканирования) необходимо поднимать мощность записывающего лазерного пучка. В силу относительной прозрачности фоторезиста для этого пучка большая доля энергии пучка поглощается пленкой хрома под фоторезистом, что приводит к ее нагреву, снижающему чувствительность фоторезиста к экспонированию. В результате вблизи интерфейса хром-фоторезист пленка может оказаться недостаточно экспонированной. К похожему эффекту приводят и стоячие волны в слое фото-
резиста. В результате действия обеих эффектов некоторые микроэлементы топологии могут исчезать при переносе рисунка из фоторезиста в пленку хрома (рис. 1, б), так как тонкий остаточный слой позитивного фоторезиста на дне микроэлементов препятствует травлению хрома.
Воздействие стоячих волн существенно снижается при использовании ан-тиотражающего покрытия на границе на поверхности пленки хрома с фоторезистом (так называемый «золотой» хром). Однако при использовании такого материала на КЛЗС снижение отражения приводит к увеличению поглощения излучения в пленки хрома более чем в 1,5 раза, что также может приводить к нагреву фоторезиста в силу того, что на хроме с отражением 38% (рассчитано для полубесконечного слоя фоторезиста сверху) доза экспозиции фоторезиста складывается из дозы прямого прохода и дозы от обратного прохода отраженного пучка. Необходимость дополнительной дозы облучения при отсутствии отражения и приводит также к дополнительному нагреву пленки металла.
Слой фоторезиста, оставшийся на дне микроэлементов может быть удален с помощью реактивного ионного травления. Однако этот дополнительный процесс существенно удорожает и замедляет процесс изготовления фотошаблонов.
Оптимизация концентрации проявителя, времени проявления
и мощности пучка
Формирование остаточного слоя фоторезиста на дне микроэлементов может быть практически полностью устранено путем оптимизации концентрации проявителя. Эксперименты показали, что при записи на фоторезистной пленке толщиной 0,5 мкм оптимальна концентрация КОН 1 %. На рис. 1, в показан фрагмент угловой шкалы с периодом 14 мкм, записанной таким образом. После проявления фоторезиста штрихи видны ровными и проявленными без остатков фоторезиста. После помещения в травитель хрома наблюдалось четкое проявление изображения и протравку экспонируемых зон. Края штрихов ровные, толщина штрихов одинаковая, дефектность минимальная.
Важным вопросом при записи микроструктур является выбор мощности пучка. По сравнению с термохимической технологией прямой записи на пленках хрома запись на фоторезисте позволяет выбирать мощность пучка в существенно более широком диапазоне. Однако при высоких уровнях мощности при включении светового пучка может возникать известный эффект оконтуривания [7] за счет более высокого поглощения неэкспонированного фоторезиста по сравнению экспонированным.
На рис. 2 показан пример влияния такого оконтурирования на микрорисунок.
Рис. 2. Эффект оконтуривания при излишней мощности пучка
Обсуждены результаты экспериментального исследования записи амплитудных фотошаблонов и угловых шкал по фоторезисту на круговых лазерных записывающих системах (КЛЗС). Рассмотрены отличия фоторезистной технологии в применении к КЛЗС по отношению к записывающим устройствам, работающим в декартовой системе координат Оптимизированы концентрации проявителя и время проявления фоторезиста, а также зависимость мощность записывающего пучка от скорости сканирования. Экспериментальная часть исследований проводилась на КЛЗС, разработанной совместно ИАиЭ СО РАН и КТИ НП СО РАН.
Данная работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект ОФИ-М № 4-29-07227).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Handbook of Photomask Manufacturing Technology, ed. Syed Rizvi. 2005, CRC Press, 728 Pages.
2. Poleshchuk A. G., Churin E. G., Koronkevich V. P. et al. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure// Applied Optics. -1999. - V. 38, N 8. - P. 1295-1301.
3. Curt A. Jackson, Peter Buck, Sarah Cohen, Vishal Garg, Charles Howard, Robert Kiefer, John Manfredo, James Tsou. DUV laser lithography for photomask fabrication. Proc. SPIE 5256, 23rd Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, 30 (December 15, 2003); doi:10.1117/12.518269.
4. Моро У. Микролитография. Ч. 2 : пер. с англ. - М. : Мир, 1990. - 632 с. : ил.
5. Forming high-precision angular measuring structures by the laser pattern generators with circular scanning / A. V. Kiryanov, V. M. Vedernikov, V. P. Kiryanov, S. A. Kokarev, V. G. Nikitin // Measurement Science Review. - 2006. - Vol. 6, Section 3, No. 1. - Р. 10-13.
6. Круговая лазерная записывающая система для формирования фазовых и амплитудных микроструктур на сферических поверхностях / А. Г. Верхогляд, М. А. Завьялова, А. Е. Качкин, С. А. Кокарев, В. П. Корольков // Датчики и системы. - 2015. - 9-10 (196), -С. 45-52.
7. Изготовление высокоэффективных ДОЭ с помощью полутоновых фотошаблонов на основе LDW-стекол / В. П. Корольков, А. И. Малышев, В. Г. Никитин, А. Г. Полещук, А. А. Ха-рисов, В. В. Черкашин, Ч. Ву // Компьютерная оптика. - 1998. - № 18. - С. 121-126.
© В. П. Корольков, Н. А. Гурин, Н. Ю. Никаноров, 2017
