Фотолитография

Процесс, в результате которого образуется рельеф (изображение) заданной формы в металлических пленках или диэлектрических материалах, называют фотолитографией. В основе этого процесса лежит свойство некоторых высокомолекулярных соединений формировать под действием света устойчивый к травителям рельеф. Таким образом, нанесенные на поверхность подложки тонкие пленки этих соединений, получивших название фоторезистов, могут после засветки (экспонирования) сформировать защитный слой. В случае негативного фоторезистора в процессе проявления удаляется неэкспонированный (незасвеченный) полимер. В случае позитивного фоторезиста проявляющий раствор удаляет экспонированный полимер. Оставшийся после проявления фоторезист служит для получения изображения на покрывающей подложку (звукопровод) проводящей пленке или непосредственно на поверхности звукопровода.

Применительно к изготовлению АРК процесс фотолитографии содержит следующие операции: нанесение на звукопровод тонкого слоя фоторезиста; экспонирование фоторезиста через фотошаблон; проявление изображения на фоторезисте; получение изображения элементов АРК на поверхности звукопровода.

Нанесение фоторезиста на звукопровод выполняется различными способами: пульверизацией, центрифугированием и вытягиванием. Качество окончательного изображения на звукопроводе во многом зависит от качества фоторезистивной пленки в процессе фотолитографии. Дефекты пленки (неравномерная толщина, затекания на краях подложки, непокрытые участки) приводят к появлению на окончательном изображении нечеткости края, разрывов и замыканий электродов преобразователей. В связи с этим к операции нанесения фоторезиста предъявляются весьма высокие требования: высокая чистота окружающей среды, отсутствие примесей и механических загрязнений в растворе фоторезиста, равномерность толщины пленки фоторезиста по всей поверхности звукопровода.

При изготовлении интегральных схем наиболее распространен метод центрифугирования. Подложка устанавливается на диск центрифуги, на ее поверхность наносится необходимое количество фоторезиста и центрифуга приводится во вращение. Растекание фоторезиста происходит под действием центробежной силы. Толщина получаемой пленки фоторезиста определяется скоростью вращения, временем центрифугирования и вязкостью фоторезиста.

В процессе изготовления АРК форма звукопровода характеризуется существенным неравенством сторон; растекание фоторезиста при этом происходит неравномерно, толщина слоя получается неодинаковой в различных местах рабочей поверхности. При экспонировании и проявлении это приводит к искажениям изображения. Метод, заключающийся в погружении звукопровода в фоторезист с последующим «вытягиванием», позволяет повысить равномерность слоя. Наряду с этим методом вытягивания позволяет наносить фоторезист на звукопроводы большой длины и из хрупких материалов, центрифугирование которых трудно осуществимо.

Экспонирование на фоторезист требуемого изображения происходит с помощью маски или фотошаблона, на котором оно предварительно формируется (позитивное или негативное, в зависимости от применяемого фоторезиста).

Формирование изображения на фотошаблоне не относится к операциям собственно фотолитографии, однако для удобства читателя рассматривается в настоящем разделе сразу по введении понятия «фотошаблон». Под формированием или генерацией изображения понимается организация рисунка (структуры) элементов АРК (например, преобразователей линии задержки или фильтра) на поверхности промежуточного или окончательного фотошаблона. Промежуточный фотошаблон может применяться при проекционной печати, окончательный – при контактной (см. далее). Таким образом, окончательная цель генерации изображения – перенос структуры элементов АРК на поверхность звукопровода, покрытую фоторезистом.

Основной метод изготовления фотошаблона – метод последовательного уменьшения. Вычерчивается оригинал фотошаблона (рис. 8.1), уменьшаемый затем в один или несколько этапов. Общее уменьшение составляет обычно 100 - 500 раз, таким образом, электрод преобразователей шириной 8 – 10 мкм на оригинале имеет ширину в 1,000 – 2,000 мм, что легко реализуемо.

Вычерчивание изображения осуществляется координатографом, вырезающим на нанесенной на прозрачную основу непрозрачной пленке контур 1 изображения. После удаления ограниченных замкнутых контуром участков на пленке получается изображение, соответствующее многократно увеличенному негативному изображению структуры АРК. Рабочее поле координатографа позволяет вычерчивать первичный оригинал с размерами до 1000×1000 мм. Минимальный размер элемента ≈ мм, точность положения ≈ 0,01 мм. Большое развитие получили автоматические координатографы с программным управлением. В комплекте с вычислительной машиной программный координатограф позволяет автоматизировать все операции, существующие между выдачей исходных данных на конструкцию АРК и получением оригинала фотошаблона.

Промежуточный фотошаблон изготавливают пересъемом вычерченного на координатографе оригинала (наряду с вариантом технологического цикла изготовления промежуточного шаблона, включающим вычерчивание оригинала и пересъем его на редукционной камере). Существует и другой вариант, использующий процесс фотонабора.

Рассмотрим сначала первый вариант. Различные редукционные камеры обеспечивают уменьшение изображения при однократном пересъеме первичного оригинала в 5 - 60 крат. Точность контроля размеров изображения составляет для большинства камер 0,002 - 0,003 мм. Многие камеры имеют возможность перемещения фотопластины в плоскости изображения с точностью 0,001-0,005 мм. Таким образом, есть возможность мультиплицирования изображения непосредственно на редукционной камере.

Рис. 8.1. Изготовление фотошаблона методом последовательного

уменьшения

Вторым вариантом изготовления промежуточного фотошаблона является фотонабор. Практически операция фотонабора сводится к формированию изображения непосредственно в размерах промежуточного фотошаблона. Все изображение при этом разбивается на элементарные прямоугольники с различными размерами и ориентацией. В фотонаборной установке, иначе – генераторе изображения имеется наборная диафрагма, расположенная в предметной плоскости объектива. Световой поток от лампы-вспышки через конденсорную систему линз падает на наборную щелевую диафрагму. Ширина щели диафрагмы, длина щели и угол ее поворота изменяются с помощью трех управляющих электродвигателей, которые приводят в движение две подвижные пластины диафрагмы. Две другие пластины при этом остаются неподвижными. Размер окна диафрагмы может изменяться от 0,25 до 12,7 мм. Вся диафрагма может поворачиваться на угол . Для этого используется шаговый двигатель с дискретом шага . Световой поток, прошедший диафрагму, фокусируется высокоразрешающим объективом на фотопластину, расположенную на координатном столе. Координатный стол с помощью двух сервоэлектрических двигателей перемещается по осям x и y. Таким образом, световое пятно, соответствующее выбранной диафрагме, проектируется с уменьшением в нужное место на фотопластине.

Операция фотонабора наиболее трудоемка на первом ее этапе - разделении изображения на составные элементы. Однако при изготовлении АРК, где основным и наиболее часто повторяющимся элементом является встречно-штыревой преобразователь, операция разделения изображения существенно упрощается.

Традиционный метод последовательного уменьшения (рис. 8.1) предполагает два-три этапа пересъема первичного оригинала. В процессе пересъема, как уже отмечалось, реализуется один - два этапа уменьшения. Второй этап может быть совмещен с мультиплицированием изображения. При этом уже в процессе пересъема получают окончательный (рабочий) фотошаблон. Такой путь получения рабочего шаблона применяется в случае невысоких требований к изображению: минимальный размер элемента 5 – 7 мкм, точность положения элемента 2 – 5 мкм. В экспериментальных низкочастотных устройствах названные параметры шаблона допустимы.

Прецизионные (используемые для изготовления высокочастотных устройств) фотошаблоны проходят еще один обязательный этап уменьшения, осуществляемый с помощью вторичного пересъема. Устройства, осуществляющие вторичный пересъем, получили название фотоповторителей или мультипликаторов.

Применительно к фотошаблонам АРК процесс мультиплицирования строится иначе, чем для ИС. Структура АРК подразумевает размещение на фотошаблоне различных изображений, соответствующих преобразователям, суммирующим шинам, отражательным структурам, акустическим волноводам и другим элементам АРК. Как отмечалось, для последующей реализации требуемой структуры на звукопроводе создается либо комплект рабочих шаблонов, либо один сложный шаблон, содержащий полное изображение всей структуры. Шаблоны комплекса снабжаются метками для последующего совмещения.

Экспонированию изображения с фотошаблона на покрытую фоторезистом поверхность звукопровода предшествует операция совмещения. Если шаблон один, подразумевается совмещение имеющегося на нем изображения с соответствующим участком рабочей поверхности звукопровода; при использовании комплекта шаблонов необходимо обеспечить совместную пространственную ориентацию парциальных шаблонов для получения окончательной структуры изображения.

В процессе экспонирования теневое изображение с шаблона (1, рис. 8.2) проецируется на слой 2 фоторезиста. Засвеченные участки фоторезиста после проявления приобретают устойчивость к травителям. В результате травления на металлизированной (в общем случае) поверхности звукопровода 4 остается рельефная структура фоторезиста 3, негативная или позитивная по отношению к требуемой структуре преобразователей. При экспонировании фотошаблон либо находится в непосредственном контакте с подложкой, либо изображение с фотошаблона проектируется на подложку с помощью оптической системы. В связи с этим различают два метода экспонирования: контактная и проекционная печать.

Проекционная печать применительно к изготовлению АРК подразумевает непосредственное экспонирование изображения на поверхность звукопровода, покрытую фоточувствительным слоем. При проекционной печати чаще всего для переноса изображения применяется оптическая система с определенным уменьшением.

Рис. 8.2. Экспонирование и проявление изображения

Методом проекционной печати могут изготовляться как сами акустические устройства, так и фотошаблоны для последующей контактной печати.

Контактная печать осуществляется путем экспонирования изображения с находящегося в непосредственном контакте со звукопроводом фотошаблона (копирования изображения).

После экспонирования фоторезиста проводится проявление, при котором, в зависимости от применяемого резиста (негативного или позитивного), удаляются экспонированные либо неэкспонированные его участки. Образованный в результате этой операции на поверхности подложки (звукопровода) рельеф соответствует требуемой структуре АРК.

В процессе изготовления АРК чаще всего требуется получить проводящую структуру на поверхности диэлектрического звукопровода. Существует два варианта. В одном из них результат достигается вакуумным напылением металлической пленки (1, рис. 8.3) поверх резистивного рельефа 2 с последующим удалением резиста. При этом проводящая структура образуется на местах, свободных от резиста, после проявления (негативная структура). Качество полученной таким путем проводящей структуры во многом зависит от профиля резистивного рельефа. На рис. 8.3 изображены срезы рельефа резиста , соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя. Прямоугольное сечение 3 и трапецевидное 4 (являющееся результатом подтравливания резиста при фотолитографии) позволяет получить хорошую проводящую структуру с ровными краями. Это объясняется тем, что при удалении резиста с участков 2, лежащая на его поверхности пленка 1 имеет слабый контакт с пленкой 6 на свободной поверхности. При оплывших краях резистивного рельефа 5 этот контакт гораздо сильней и затрудняет отделение резиста и покрывающей его пленки, что приводит к сильной изрезанности краев металлизированных участков.

В другом известном методе необходимый рисунок получают химическим травлением металла через защитный слой фоторезиста. На подложку (1, рис. 8.4) осаждается пленка металла 2, поверх которой подложка покрывается слоем фоторезиста, образующего в процессе фотолитографии защитный рельеф 3, соответствующий требуемой структуре изображения. Трапециевидная форма сечения (профиль) резистивного рельефа образуется из-за расхождения светового потока при экспонировании и подтрава при проявлении. Оптимальным в данном случае является прямоугольное сечение рельефа, позволяющее воспроизвести проводящую структуру с фотошаблона без искажений.

В результате травления металлическая пленка остается лишь на участках, защищенных фоторезистом, после удаления которого на подложке (звукопроводе) остается лишь проводящая структура 4. Химическое травление позволяет получать линии шириной 4 – 5 мкм, что объясняется трудностью контроля скорости травления. Травление ионным лучом (пучком) позволяет свести это значение к 1 – 2 мкм, хотя при этом возникает опасность неконтролируемого подтравливания самого звукопровода.

Промывка подложки с полученным на ней проводящим рельефом завершает этот этап изготовления АРК. Затем следуют операции предварительного контроля, установки в корпус, приварки выводов и окончательного контроля механических и электрических параметров. (Здесь не рассматриваются специфические операции получения глубинных рельефов для отражательных структур, изготовления волноводов и других элементов АРК. Соответствующую информацию можно найти в рекомендуемой литературе.)

Дата добавления: 2014-01-04