Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

миния. Однако при использовании плазменного травления обычно происходит значительное подтравливание маски. В то время как при реактивно-ионном травлении в смеси газов хлора и фтора подтравливания, как правило, не происходит, и, если в качестве маскирующего материала применяется фоторезист, получаются почти вертикальные профили. Поэтому плазменное травление в смеси газов хлора и фтора используется на поверхности кремниевой подложки для формирования прямоугольных структур из поликремниевых пленок до 30 мкм глубиной. Для изготовления микроприводов необходимо применение методов глубокого травления, для чего подходит глубокое реактивно-ионное травление.

2.6.4. Объединение технологии изготовления интегральных схем (ИС) с методом анизотропного жидкостного травления

Объединение указанных технологий позволяет изготавливать свободные многослойные микроструктуры без формирования дополнительных масок. Основное достоинство такого процесса - его низкая стоимость. На первой стадии этого процесса по ИС технологии формируется многослойная структура, обычно состоящая из стандартных изоляционных и пассивирующих диэлектрических пленок, а также из слоев поликремния и металла. Слои из поликремния и металла, считающиеся активными, как правило, располагаются между диэлектрическими пленками, что необходимо для обеспечения электрической изоляции и защиты компонентов. После этого в соответствии с определенным шаблоном вокруг построенной многослойной структуры путем удаления всех диэлектрических слоев проделываются специальные окна , через которые происходит облучение кремниевой поверхности.

На второй стадии процесса, называемой заключительной фазой, подложки погружаются в анизотропный травильный раствор, удаляющий весь облученный кремний вокруг многослойной структуры. Далее, применяя операцию подтравливания, освобождают готовую микроструктуру. Поскольку активные слои находятся между диэлектрическими пленками, они полностью защищены от травильных реагентов. Вместо погружения в травильную ванну всей многослойной структуры можно применять процедуру травления только к нижней части подложки. Такой подход позволяет формировать структуры определенной формы, но, поскольку он требует больших временных затрат, он является также и более дорогим.

2.7. Изготовление полимерных микросистем

2,7. Изготовление полимерных микросистем методом микростереолитографии (МСЛ)

МСЛ, также называемая микрофотолитография, была впервые применена для изготовления сложных 3D микроструктур с высоким характеристическим соотношением в 1993 году (Ikuta, Hirowatari, 1993). МСЛ является аддитивным процессом, позволяющим изготавливать трехмерные элементы из принципиально новых материалов. МСЛ, в принципе, совместима с кремниевыми микротехнологиями и рядом КМОП процессов (Более подробное описание МСЛ и других методов изготовления полимерных микросистем можно найти в книге (Varadan, Xiang, Varadan, 2001).

В последние годы большое внимание уделялось повышению точности и быстродействия МСЛ. Наиболее удачными разработками признаны методы сканирующей МСЛ (Ikuta et al, 1996, Zizzi et al, 1996) и проекционной МСЛ (Bertsch et al, 1997, Monneret, Loubere, Corbel, 1999, Nakamoto, Yamaguchi, 1996). Сканирующая МСЛ формирует твердую микроструктуру по шаблону, воссоздавая ее способом точка-за-точкой, линия-за-линией, в то время как в проекционной МСЛ каждый слой изготавливается за одну фазу облучения. Очевидно, что быстродействие проекционной МСЛ гораздо выше, чем у сканирующей (Beluze, Bertch, Renand, 1999). Подробное описание этих двух методов МСЛ приведено в работе (Varadan, Xiang, Varadan, 2001), в разделах 2.7.1 и 2.7.2 информация о сканирующей и проекционной МСЛ будет приведена в сокращенном варианте.

В предыдущих разделах были рассмотрены методы объемной и поверхностной обработки кремния, которые, к сожалению, не годятся для изготовления действительно трехмерных структур с высоким характеристическим соотношением. При построении традиционных микросистем 3D элементы получаются при объединении планарных кремниевых подложек, изготовленных методами микрообработки. Несмотря на то, что традиционными методами можно реализовать широкий спектр устройств, в том числе интегрированных с микросхемами, они все же имеют ряд недостатков:

Эти методы очень дороги, и для них требуется специфическое оборудование, а также чистота окружающей среды в зоне производства;

До сих пор в этих методах можно применять только кремний и металлы;

Этими методами невозможно получить трехмерные структуры, имеющие кривые поверхности; - Число возможных слоев здесь также ограничено.

УФ полимер

XyZ- платформа

> линзы

гальванический сканер

оптический модулятор лазера фильтр С

I 4

He-Cd лазер

Рис. 2.15. Экспериментальная установка для сканирующего метода

За один проход можно сформировать микроструктуру со свободно перемещающимися частями;

- Здесь не требуется никакой дополнительной доработки готового изделия;

- Здесь отсутствует какая-либо сборка.

Все это вместе позволяет изготавливать более сложные микросистемы, чем это было возможно при использовании объемных и поверхностных методов обработки кремния.

Такой метод имеет отличную разрешающую способность порядка 1 мкм. Скорость изготовления может быть увеличена, если согласовать управление зеркалами гальванического сканера с перемещением платформы.

2.7.2. Двухфотонная микростереолитография

Как упоминалось выше в традиционных методах МСЛ не было возможности получать сколь угодно малую толщину слоев, что объясняется вязкостью и эффектами поверхностного натяжения. Двухфотонная МСЛ лишена этого недостатка, поскольку здесь нет необходимости наносить смолу слоями.

интеграл интенсивности лазерного луча

сфокусированный лазерный луч

интеграл квадрата интеисивиости лазерного луча

Рис. 2.16. Двухфотонное и однофотонное поглощение, вызванное сфокусированным лучом лазера: а - сфокусированный луч лазера; ; б - поперечное распределение однофотонного поглощения; в -

поперечное распределение двухфотонного поглощения.

Когда луч лазера фокусируется в точке при помощи линз объектива микроскопа, как показано на рис. 2.16 а (Maruo, Kawata, 1998), плотность фотонов уменьшается с увеличением расстояния от фокальной плоскости, но при этом общее количество фотонов в каждом поперечном сечении луча остается постоянным (см. рис. 2.16 б). Поэтому смола полностью полимеризуется по всей освещенной зоне, даже за пределами фокальной точки, что ведет к значительному снижению разрешающей способности установки. Это означает, что при использовании материалов с однофотонным поглощением

Для устранения этих недостатков и были разработаны методы МСЛ. Также отметим, что с появлением тонкопленочных органических транзисторов стало возможным изготавливать полимерные микросистемы, встроенные в микроэлектронные устройства (Varadan, Varadan, 2001).

2.7.1. Метод сканирования

Большая часть установок МСЛ, применяемых для изготовления ВЧ микросистем, построена на основе метода сканирования (рис. 2.15). Принцип метода сканирования заключается в том, что хорошо сфокусированный лазерный луч с поперечными размерами порядка 1 мкм направляется на поверхность смолы, инициируя в нем процесс полимеризации. Для формирования трехмерной микроструктуры необходимо организовать либо перемещение лазерного луча, либо самого обрабатываемого элемента, и осуществлять такое сканирование слой за слоем.

На рис. 2.15 показана схема экспериментальной установки. Она состоит из Не-Cd лазера с длиной волны 442 нм, оптического модулятора, гальванического сканера, трехкоординатной XVZ-платформы, линз объектива и компьютера (Ikuta, Maruo, Kojima, 1998). Лазерный луч фокусируется внутри сосуда с мономерами в точке, координаты которой задаются лучом сканера и перемещением платформы вдоль оси Z. компьютер Сканер и платформа управляются при помощи компьютера. Таким образом внутри жидкости формируется требуемая 3D структура. Такой подход имеет следующие достоинства:

монитор полимеризуемая смола

сфокусированный

\ /луч

Рис. 2.1Т. Оптическая часть двухфотсжнойМСЛ установки

ПЗС камера

линзы

... объектива

зеркало, скашфуюшее вдоль

зеркало, сканирующее вдоль координаты У

с: □ оптический модулятор сз аттенюатор

Титан-сапфировый лазер

ионный лазер

На рис. 2.17 показана установка для двухфотонной МСЛ (Магпо, Kawata, 1998). Луч, генерируемый титан-сапфировым лазером с синхронизованными модами, направляется двумя сканирующими гальваническими зеркалами. Луч при помощи линз объектива фокусируется в требуемую точку в растворе мономеров. ПЗС камера используется для корректировки фокусировки луча, а монитор - для задания формы микроструктуры. Для получения многослойной структуры Z-платформа перемещает контейнер с мономерами вдоль опти-

ческой оси. Магпо использовал линзы объектива с апертурой 0.85 (увеличение 40). Точность позиционирования зеркал гальванического сканера составляла 0.3 мкм, а Z-платформы - 0.5 мкм. Пиковая мощность лазерного луча в смоле была порядка 3 кВт с периодичностью 76 МГц и шириной импульса 130 фемтосекунд (10~ с) при длине волны 770 нм.

2.7.3. Применение поверхностных технологий для построения полимерных микросистем

Принципы поверхностных технологий, применяемые при работе с кремнием, подходят и для построения полимерных микросистем. Правда, тонкопленочные методы здесь не годятся. При реализации полимерных микросистем используется МСЛ для полимеризации как структурных, так и защитных материалов, поэтому здесь не требуется применения масок, как это было в технологиях обработки кремния. В качестве структурных могут выбираться материалы из следующих групп:

(1) Чувствительные к УФ излучению полимеры с электронной проводимостью;

(2) Полимеры с ионной проводимостью;

(3) Полимеры типа UV001 (VHS Technologies, State College, PA 16803), чувствительные к УФ излучению, реализованные на основе уретан акрилата, эпоксидного акрилата и акрилокси-лана;

(4) Полимеры, чувствительные к УФ излучению, реализованные на основе химически связанных углеродных нанотрубок.

В качестве защитного полимера, как правило, используется акриль-ная смола, содержащая 50% кварца и модифицированная при помощи crystal violet (Bertsch et al, 1997). Эта композиция может быть удалена при 80 °С раствором каустической соды с концентрацией 2моль/л. В книге (Ikuta, Maruo, Kojima, 1998) приведены примеры примейения этой технологии.

2.7.4. Проекционный метод

Как уже упоминалось, сканирующая МСЛ подходит для очень точного изготовления 3D микроструктур с высоким характеристическим соотношением, но, к сожалению, этот метод, даже при использовании гальванического сканера, обладает низким быстродействием. Сканирующая МСЛ строит объекты слой за слоем, но при этом

(т.е. материалов, в которых для перехода в возбужденное состояние молекулам требуется один фотон излучения) реализуется линейная зависимость уровня полимеризации от интенсивности облучения. Очевидно, что такие мономеры не обладают свойством оптического разделения. Но при использовании материалов с двухфотон-ным поглощением уровень полимеризации будет уже пропорционален квадрату плотности фотонов. Следовательно, интегральная реакция системы будет максимальной в фокальной точке (рис. 2.16 в), и полимеризация произойдет только в небольшом объеме в пределах глубины фокуса. Для поддержания двухфотонного поглощения лазерный луч должен обладать очень большой мощностью (порядка нескольких кВт).