Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы LIGA-технологии 12
1.1. Основные технологические этапы LIGA 12
1.2 Основные свойства синхротронного излучения, применительно к глубокой рентгенолитографии 17
1.3. Принципы построения LIGA станции 24
1.4. Классические принципы изготовления рентгеношаблонов 32
1.5. Материалы, применяемые в LIGA процессе 35
Глава 2. Описание LIGA-технологического комплекса на источнике синхротронного излучения ВЭПП-3 ; 52
2.1. Компоновка станции глубокой рентгенолитографии " LIGA " на накопителе ВЭПП-3 53
2.2. Физико-математическое моделирование станции "LIGA" на накопителе ВЭПП-3 2.2.1. Характеристики СИ на станции "LIGA"...; 60
2.2.2. Режимы экспонирования. 65
2.3. Оборудование для обработки образцов .71
Глава 3. Создание и исследование рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии . 72
3.1. Изготовление рентгеношаблонов 72
3.2. Тестирование рентгеношаблонов 91
Глава 4. Изготовление микроструктур методом глубокой рентгенолитографии
4.1. Микроструктурированные LIGA-изделия для прикладных исследований 96
4.2. Микрофлюидные системы 97
4.3. Изготовление методами LIGA микрофлюидных систем 102
4.4. Элементы квазиоптики для излучения ТГц-диапазона 112
4.5. Изготовление элементов квазиоптики для терагерцового излучения методом LIGA 117
4.6. Элементы микрооптики для видимого диапазона 125
4.7. Изготовление микропрофилированных оптических элементов методом LIGA 125
Заключение 132
Литература
- Принципы построения LIGA станции
- Физико-математическое моделирование станции "LIGA" на накопителе ВЭПП-3 2.2.1. Характеристики СИ на станции "LIGA"...;
- Тестирование рентгеношаблонов
- Изготовление методами LIGA микрофлюидных систем
Введение к работе
Актуальность работы
Синхротронное излучение (СИ) - электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями по искривленным в магнитном поле траекториям. Большое практическое значение определяется уникальными свойствами синхротронного излучения: непрерывный спектр от инфракрасного до рентгеновского, малая угловая расходимость, высокая интенсивность, большая глубина проникновения в материалы, возможность вычисления параметров их облучения.
Благодаря своим свойствам СИ является идеальным инструментом для реализации рентгенолитографического способа изготовления микроструктур. Синхротронное излучение, проникающие с минимальным расхождением в полимерные материалы на глубину в несколько миллиметров позволяет формировать высокоаспектные микроструктуры недоступные для методов оптической литографии. В 1980-х годах в Институте микроструктур (ІМТ/КІТ, г. Карлсруе, Германия) была разработана технология изготовления микроструктур посредством последовательного применения глубокой рентгенолитографии на СИ, микрогальванопластики и формовки, названная LIGA-технология (акроним немецких слов Lithografie, Galvanik, Abformung). LIGA по точности и пространственному разрешению, аспектному отношению, вертикальности и малой шероховатости боковых стенок превышает возможности любых других технологий микроструктурирования при изготовлении изделий из металла, пластика или керамики.
В настоящее время разработка технологий микроструктурирования поверхности с использованием излучения является одним из приоритетных направлений фундаментальных и прикладных исследований. Конечным продуктом новых технологий является элементная база для микромеханики, оптической промышленности, биологии и медицины. Наиболее характерными и востребованными являются: дифракционные-рефракционные объективы и интраокулярные линзы, растры микролинз и микропризм, металлические сеточные структуры - селективные спектральные элементы для излучения инфракрасного и терагерцового диапазона, микроканальные модули для микрофлюидных систем и т.п.
Важным элементом технологического процесса LIGA является глубокая рентгеновская литография. Для ее реализации необходимо создать специализированную станцию на канале вывода синхротронного излучения для облучения образцов и комплекс вспомогательного оборудования для их обработки. Ключевым элементом глубокой рентгенолитографии являются рентгеновские шаблоны. В Научно-исследовательском институте полупроводниковых приборов, г. Томск, ведутся разработки по изготовлению рентгеношаблонов для субмикронной литографии в «мягком»
спектре СИ. Компании, производящие рентгеношаблоны для глубокой рентгеновской литографии в РФ отсутствуют. Такое производство планировалось в Зеленограде для обеспечения нужд рентгенолитографии на Технологическом накопительном комплексе в НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина. Но по экономическим причинам не было реализовано. Немецкие (ІМТ/КІТ, Карлсруэ) шаблоны большой площади стоят 10-20 тысяч евро каждый, при потребности несколько десятков в год.
Таким образом, разработка метода LIGA-изготовления микроструктур и микроизделий, включая создание экспериментального оборудования, разработку и адаптацию технологии и техники LIGA-процессов, в том числе, создание рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии, определяет актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы
Разработка и создание технологического комплекса LIGA технологии на базе станции на канале вывода СИ из накопителя ВЭГГЛ-3.
Разработка и исследование технологических режимов глубокой рентгеновской литографии.
Разработка метода и изготовление рентгеношаблонов, контрастных для облучения толстых полимерных резистивных слоев фотонами с энергией около 5 кэВ.
Данная работа мотивирована потребностью создания методической и технологической базы для производства микрофлюидных систем, микрооптических элементов видимого диапазона, микроструктурированных сеточных фильтров для спектральной селекции терагерцового излучения и других изделий, имеющих высокое аспектное отношение микроразмеров.
Личный вклад автора
Большая часть описанных в диссертации расчетных и экспериментальных результатов получена непосредственно автором.
Им были разработаны и созданы программы для расчетов спектрально-угловых характеристик экспонирующего излучения в реальных условиях эксперимента, с учетом используемых спектральных фильтров и подложек шаблонов. Проведены оценки и выбраны режимы экспонирования полимерных резистов, обоснован выбор материалов рентгеношаблонов для оптимизации контраста.
Основным и определяющим был вклад автора в создание станции экспонирования LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭГГЛ-3.
Автором были проведены эксперименты, включая экспонирование образцов синхротронным излучением на станции LIGA и их обработку. Исследованы многочисленные результаты рентгенолитографического облучения образцов на станции LIGA и их последующей технологической обработки.
Научная новизна
Впервые реализован метод прямого формирования лучом СИ миркростктур с заданной топологией в толстых слоях (30-50 микрон) полимерных резистов.
Впервые в России разработан метод изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии на основе прямого формирования структуры рисунка заготовки рентгеношаблона в толстом слое резиста микропучком синхротронного излучения.
Впервые для рентгенолитографических экспериментов реализована система визуализации рентгеновских изображений для контроля положения и совмещения рентгеношаблона и облучаемой подложки в пучке СИ.
Предложен новый метод контроля качества создаваемых рентгеношаблонов на основе рентгеновской микроскопии шаблонов.
Разработан новый тип спектральных фильтров для терагерцового излучения, представляющих собой трёхмерную металлическую пленочную конструкцию на полимерной микроструктурированной сетке.
Научная и практическая ценность
Разработанные в рамках данной работы физические модели, режимы экспонирования и технологические приемы LIGA изготовления микроструктур планируется применять при изготовлении микроструктурированных объектов для решения задач прикладных исследований в различных областях науки.
Разработанные технологические процессы могут быть использованы в ИЯФ СО РАН и на других источниках СИ, например, в Курчатовском центре синхротронного излучения и нанотехнологий РНЦ Курчатовский институт, г. Москва или в будущем на Технологическом накопительном комплексе в НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина, г. Зеленоград.
Положения, выносимые на защиту
Концепция построения экспериментальной станции LIGA на канале вывода СИ из накопителя ВЭГГЛ-3 ИЯФ СО РАН.
Результаты расчета экспозиционных доз в резистивных полимерных материалах и результаты расчета контраста рентгеношаблонов, позволяющие оптимизировать создание и работу LIGA станции на накопителе ВЭПП-3.
Разработка методов изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгенолитографии в «жестком» спектре СИ.
Способы формирования микроструктур микрофлюидных систем, микроструктурированных оптических элементов видимого и терагерцового диапазона.
Разработка системы визуализации рентгеновских изображений для контроля положения и совмещения рентгенгошаблона в пучке СИ.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Всероссийских и Международных конференциях: Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2001, 2003 гг.); Международные конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.); Симпозиум: нанофизика и наноэлектроника (Нижний Новгород, 2005, 2007, 2008 гг.); Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наноносистем, РСНЭ НАНО (Москва, 2005, 2007 гг.); 29th International Free Electron Laser Conference: FEL-2007 (Новосибирск, 2007 г.); VII Национальная "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии", РСНЭ-НБИК (Москва, 2009 г.); Рабочее совещания «Рентгеновская оптика-2010» (Черноголовка, 2010 г.).
Результаты работы были опубликованы в ведущих российских и зарубежных научных журналах: «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Sec. А»; «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования»; «Нанотехнология. Экология. Производство»; «Гальванотехника и обработка поверхности».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 146 страницы, 88 рисунков и 5 таблиц. Список литературы состоит из 104 ссылок.
Принципы построения LIGA станции
Для практических оценок удобнее вычислять мощность СИ, в единицах [Дж], испускаемой в 1 мрад радиального угла в интервале длин волн dX [А] и в интервал dcp [мрад] вертикального угла ф, с учетом общего количества электронов в пучке при движении в накопителе сгустка электронов с эквивалентным током J [мА]. Для этого выражение (1.3) необходимо умножить на коэффициент ——, учитывающий полное количество электронов в пучке, а так же Ю-7"3"8, для учета перехода от единиц измерения эрг к Дж, ток в накопителе в единицах мА, длина волны - в сантиметрах, qe=l.6021892 10"19 [Кл], Je [мА] - ток электронов в накопителе. Таким образом спектрально-угловое распределение мощности СИ:
Степень воздействия излучения на растворимость резиста при заданных условиях проявления определяется поглощенной в резисте мощностью излучения (экспозиционной дозой). EXPOSURE U/cm2] TOR Х=83Д
Зависимость от поглощенной дозы скорости растворения облученного ПММА в смесях метилизобутикетоне (MBIK) и изопропиловом спирте (ИПС) [35]
Для сокращения дальнейших рассуждений будем рассматривать количественные характеристики облучения в медианной плоскости, при ф=0. Это оправданно в случае экспонирования через неподвижный шаблон, установленный в медианной плоскости (в максимуме интенсивности падающего излучения). Для случая экспонирования со сканированием подложкой поперек пучка СИ необходимо усреднять значение мощности по вертикальному размеру зоны облучения.
Ослабление излучения при прохождении через слой вещества описывается экспоненциальным законом Ламберта-Берра: здесь 1„(Л,ф) - мощность СИ, падающая на верхнюю поверхность резиста, //(Д) - спектральный коэффициент поглощения материала [см2/г], р -плотность вещества [г/см3], dz —толщина поглощающего слоя [см]. Значение коэффициентов поглощения веществ затабулированы в таблицах . На рис.5 приведены значения линейного коэффициента поглощения (ц.-р, [см"1]) для некоторых, используемых в ГРЛ материалов в спектральном диапазоне от 0.1 до 100 А.
Линейные коэффициенты поглощения некоторых материалов используемых в ГРЛ Интенсивность излучения после прохождения нескольких слоев различных материалов или соединений материалов можно определить как последовательное ослабление слоями и представить в следующем виде. соответственно коэффициент поглощения, плотность и толщина слоя k-го материала.
Величину поглощенной дозы в тонком слое резиста dz определим как разницу между мощностью СИ падающей на поверхность слоя резиста и прошедшей сквозь слой толщиной dz, отнесенную к толщине слоя w(Z,(p,z) = I P z)-Ii;i (p Z + dz) (1.6).
Для слоев резиста на глубине Zres необходимо дополнительно учитывать поглощение в верхнем слое резиста Zres, как в фильтре по (1.5). Тогда, подставляя (1.8) в (1.9) и дифференцируя получим мощность, поглощенную в тонком слое резиста с коэффициентом поглощения //ге1 (1), плотностью pKSi на глубине Zres, после прохождения через к фильтров: w(A,zrJ = ЦЯ) nres{X) pres «г"-W-A-- - (L7)) Знание ослабления экспозиционной дозы по глубине позволит определить рабочие толщины резиста, в которых возможно получение качественных результатов. Для этого необходимо учитывать тот факт, что для инициализации процесса проявления резист нужно облучить с некоторой минимальной дозой Dmjn, с другой стороны, при превышении максимально допустимой дозы Dmax в резисте могут происходить нежелательные процессы разрушения. Т.е. выбирая режим облучения необходимо выполнить условие, когда доза на верхней поверхности резиста не превышает Dmax, а на нижней НЄ Менее Dmin [37-1 Важной характеристикой рентгеношаблона является контраст шаблона — отношение мощности поглощенной в резисте под «открытыми» участками шаблона и в «затененных» областях. Эта величина характеризует возможность применимости шаблона для эффективного облучения для получения качественным микроструктур . \ где wwa/ (Л, zwo/) - мощность, поглощенная в резисте под «открытыми» участками шаблона (т.е. под подложкой); zwaf - толщина подложки; Wab(A z\ zab) " мощность, поглощенная в резисте под «затененными» участками шаблона (т.е. под подложкой + поглощающий рисунок); zabs - толщина поглотителя.
Экспонирование рентгеновским синхротронным излучением образцов рентгенорезистивных материалов требует подготовки специфического оборудования и соблюдения ряда технических условий (режима) работы. Комплекс оборудования для реализации этапа облучения представляет собой так называемую станцию экспонирования.
Физико-математическое моделирование станции "LIGA" на накопителе ВЭПП-3 2.2.1. Характеристики СИ на станции "LIGA"...;
Фотоинициатор, в качестве которого обычно применяют триарилсульфоновую соль, поглощает фотон излучения и образует при этом фотокислоту, обозначаемую на рис.19 как Н+А-. Фотокислота образуется только в зонах фоторезистивной пленки, непосредственно подвергаемой излучению, и является катализатором отверждения для последующей реакции полимеризации, протекающей после фазы облучения, называемой спеканием (отжиг после экспонирования). Температура процесса спекания должна быть выше температуры стеклообразования (Tg) твердой пленки, которая обычно равна 55 С, потому что при температурах ниже Tg движение молекул довольно медленное, и они почти не вступают ни в какие реакции.
Фотохимическая реакция превращения фотоинициатора Во время процесса спекания фотокислота разрывает связи внутри эпоксидных групп, при этом происходит образование полимерных цепей. Этот процесс приводит к формированию плотной структуры, нерастворимой в органическом растворителе - уксусном эфире метил пропилен гликоля (PGMEA). Материал в областях, которые не подвергались облучению, растворяется в этом растворителе, формируя тем самым обратное отображение маски. Поскольку необлученные области удаляются при проявлении, резист SU-8 относится к негативным.
Негативный резист SU-8 обладает несколькими свойствами, делающими его привлекательным для использования в качестве структурных и диэлектрических материалов. Во-первых, из него на традиционном оборудовании за один технологический проход можно формировать слои толщиной 2-1000 мкм. Во-вторых, он обладает исключительной оптической прозрачностью, что делает возможным проведение четкой регулировки нанесения следующих слоев литографическим методом. Таблица 3. Основные свойства SU-8.
Характеристика Значение Примечание Модуль упругости Е, ГПа 4,95 ±0,42 Процесс спекания при 200 С, тестдеформации балки Коэффициент Пуассона 0,22 Процесс спекания при 95 С Температура стеклования Tg, С 55 Для пленки, не подвергавшейся облучению (без образования полимерных связей) Температура стеклования Tg, С 280 Для полностью заполимеризованной пленки (после процессов облучения и спекания при 200 С) ТемператураразрушенияTg,C 380 Для полностью заполимеризованной пленки (после процессов облучения и спекания при 200 С) Коэффициент тепловогорасширения,(Ррт (промиль)С)-1 52,0 ±5,1 Процесс спекания при 95 С, термоцикличный тест при нанесении на кремниевую подложку Теплопроводность, Втхм-ІК-1 0,2 Приведено значение типичное для всех полимеров Усадочная деформации 0,075 Процесс спекания при 95 С Относительная диэлектрическая проницаемость е при 10 МГц 3-4 Процесс спекания при 100 С
В-третьих, конечная полимерная структура с большим количеством поперечных связей обладает высокой химической устойчивостью и хорошими температурными характеристиками, позволяющими выдерживать технологические процессы с температурами, превышающими 250 С. И, наконец, SU-8 обладает отличными механическими свойствами. В таблице 3 приведены некоторые механические, физические и электрические свойства SU-8. В жидком состоянии резист наносится на подложку методом центрифугирования при скорости 500-5000 об/мин. Последующий отжиг, экспозиционная доза и время проявления определяют толщину получаемого резиста. Рекомендуется после центрифугирования проводить отжиг при 95С в течение 15 минут, а так же отжиг после облучения в течение 15 минут для полной инициализации процесса сшивки резиста.
Сшившийся SU-8 обладает высокой стойкостью к химическому воздействию и может использоваться как структурный материал. Хотя неэкспонированный SU-8 может растворяться в различных растворителях, только пропилен-гликоль-моноэфир-ацетат (PGMEA) рекомендован производителем в качестве проявителя.
SU-8 был разработан как фоторезист для УФ-излучения (оптимальная длина волны 365 нм). Необходимая доза облучения при этом составляет 300-400 м Дж/см". Облучение возможно проводить излучением другого спектрального диапазона, обеспечивая при этом необходимую поглощенную в резисте дозу. На рис.21 приведена зависимтость остаточной высоты SU-8 после проявления в зависимости от поглощенной дозы.
Чувствительность SU-8 к рентгеновскому излучению зависит от концентрации фотоинициатора. Чувствительность стандартной формулы SU-8 (5% PAG) к рентгеновскому излучению - 10 Дж/см , что на 2 порядка чувствительнее, чем ПММА. Оптимальное значение экспозиционной дозы -30-60 Дж/см . Таким образом, время облучения образцов SU-8 на два порядка меньше, чем ПММА. SU-8 позволяет решить проблему производительности, связанную с использованием низкочувствительного ПММА, но приводит к другой проблеме. Сшившийся SU-8 обладает высокой химической стойкостью. В настоящее время нет способов химического удаления сшившегося SU-8. Снятие сшитого резиста возможно в кипящем 1-метил-2-пиролидоне. Хорошие результаты по снятию SU-8 получены при травлении в плазме. После задубливания при 200 С резист становится стойким даже к таким растворителям как азотная кислота, плавиковая кислота, хлористое железо [61\ Толщина формируемого на подложке слоя SU-8 определяется концентрацией гаммо-бутиралактона и скоростью вращения центрифуги. Возможно формирование слоев SU-8 от нескольких микрон до миллиметра. Благодоря высокому разрешению резиста SU-8 и возможности формировать с помощью СИ микрорисунки с предельно-малой шириной линий из SU-8 возможно формирование высокоаспектных микроструктур.
Тестирование рентгеношаблонов
Пластины стеклоуглерода шлифовались на оптическом участке ИЯФ до толщины 450±50 мкм после чего отмываются в концентрированной серной кислоте и органических растворителях (деметилформамиде).
В качестве подложек нами используются шлифованные стеклоуглеродные пластины с шероховатостью в 1-10 микрометров. Шероховатость способствует улучшению адгезии при формировании резистивного рисунка и осаждаемого металла. На качество формируемых микроструктур низкого разрешения такая шероховатость подложек практически не влияет. Это поясняется на рис.38, поскольку, формируемые из резиста структуры и осаждаемое металлическое покрытие по толщине в несколько раз превосходят шероховатости, то рисунок из резиста и из металла получается без разрывов.
Качество боковых стенок не зависит от шероховатости подложек, а определяется способом формирования микроструктуры из резиста. Поверхность поглощающего слоя при гальваническом осаждении повторяет шероховатости подложки, что не сказывается на его поглощающей способности, зависящей от толщины слоя.
Как упоминалось выше, резист SU-8 на эпоксидной основе был специально разработан для систем с очень толстыми слоями, имеющих высокое аспектное отношение, обладает превосходными адгезионными качествами, высокими разрешением и прочностью. Резист SU-8 наносится на подготовленную подложку с использованием центрифуги Р6700 Series Spin Coaters производства Cookson Electronics при скорости вращения 2000-2500 оборота в минуту с последующим отжигом при 95 С.
Рентгеноконтрастный слой шаблона должен быть выполнен из материала поглощающего СИ намного сильнее, чем материал подложки. Поглощающее покрытие рентгеношаблона должно удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать высокий контраст шаблона; обладать высокой стойкостью в последующей эксплуатации; доступность реализации технологии микрогальванопластики в лабораторных условиях.
На рис.39 приведены рассчитанные по (1.11) значения контраста при экспонировании СИ на станции "LIGA" ВЭПП-3 для различных поглощающих покрытий при использовании подложек из стеклоуглерода толщиной 500 мкм, с учетом влияния спектральных фильтров — установленных в канале бериллиевых фольг общей толщиной 500 мкм.
Расчетная величина контраста для различных поглощающих покрытий при использовании подложек из стеклоуглерода толщиной 500 мкм, с учетом влияния спектральных фильтров
Из приведенных в Таблице 5 оценок следует, что при использовании для облучения станции «LIGA» на ВЭГШ- 3 рентгеношаблонов с подложкой из стеклоуглерода будут оптимальны в качестве поглощающего рисунка слои золота или рения толщиной 15-25 мкм.
Рентгеноконтрастный рисунок формируется на электропроводящей стеклоуглеродной подложке гальваническим способом. Формирующей маской при этом является созданная на подложке микроструктура из негативного резиста SU-8 [72\ После облучения негативного резиста, облученные участки после 15 минутного отжига при 95С сшиваются и становятся нерастворимыми. Необлученный резист SU-8 удаляется в растворе PGMEA и. промывается в изопропиловом спирте, после чего на поверхность подложки гальванически осаждается слой рентгенопоглощающего материала. Поскольку стеклоуглерод обладает электропроводимостью, дополнительной обработки перед гальваническим осаждением не требуется. Учитывая низкое поглощение СИ в полимерном резисте, допустимо не удалять резистивную маску из рентгенопоглощающего рисунка после гальванопластики рения.
В ходе разработки технологии изготовления РШ рассматривалось несколько вариантов электрогальваничекого создания рентгенопоглощающего слоя.. Были выбраны два материала для проведения исследований: рений и золото. Для отработки технологии осаждения была создана установка микрогальванопластики с управляемым от ЭВМ источником тока, позволяющая задавать и контролировать плотность тока в диапазоне 1...15 А/дм2 как в режиме постоянного тока, так и в реверсивном режиме.
Возможность осаждения рения из нетоксичных водных растворов подтолкнула к выбору этого металла. По литературным данным гальваническим осаждением чистого рения из водных растворов невозможно получить покрытие толще нескольких микрон за один приём без промежуточной термообработки [73]. Поэтому, было выбрано соосаждение рения вместе с никелем, при этом условия электролиза и качество покрытия должны значительно улучшаться. Первоначально был выбран состав электролита: перренат калия + сульфат никеля + сульфат аммония. Осаждение проводилось при t = 18...25С, токе ік = 5... 10 А/дм . С использованием такого состава были созданы несколько тестовых рентгеношаблонов с толщиной покрытия 13-20 мкм. В ходе проведения экспериментов были обнаружены недостатки выбранного способа: — растворимость перрената калия при комнатной температуре низка и не позволяет приготовить раствор требуемой концентрации; — из приготовленного при нагревании раствора при хранении при комнатной температуре выпадают кристаллы (предположительно двойного сульфата никеля-аммония и перрената калия); - в электролите отсутствуют буферирующие добавки, что не позволяет поддерживать кислотность на заданном уровне; - из-за высокой концентрации сульфата аммония электролит при высыхании «ползет» по стенкам, что является неудобством его эксплуатации. С применением этого электролита за 1 час при комнатной температуре получались покрытия с высоким содержанием рения, толщиной до 8 мкм, с большими внутренними напряжениями и сеткой микротрещин.
Проведенный на СЭМ JEOL рентгеноспектральный анализ показал состав покрытия - рений 92-98% , никель 6-1 %, что обеспечивает при работе на станции LIGA на накопителе ВЭПП-3 расчетный контраст около 40. Представленная на рис.40 фотография рентгеношаблона с Re-Ni покрытием первого состава иллюстрирует недостатки данного варианта - полученное покрытие осаждается «кластерно» и трескается из-за внутренних напряжений.
Для минимизации дефектности покрытия способ гальванического осаждения рения был оптимизирован. Использование сульфата аммония в составе электролита имеет целью увеличение его проводимости. Кроме того, это не позволяет в процессе электролиза увеличиться значению рН выше 8. Однако, практика показала, что для осаждения данного сплава это далеко не оптимальное значение. Кроме того, большая концентрация (NH4)2S04 приводит к уменьшению растворимости других компонентов электролита, а растворимость перрената калия и так невелика и ограничивает эффективность процесса. Поэтому сульфат аммония был заменен ацетатом, применение которого совместно с уксусной кислотой даёт хорошо известную и одну из самых эффективных буферную систему, способную поддерживать рН электролита вблизи значения 5. Значительно меньшей концентрации ацетата аммония и уксусной кислоты по сравнению с исходной концентрацией сульфата аммония оказалось достаточно для поддержания рН электролита с точностью до десятых долей даже при полном осаждении рения и никеля из него. Кроме того, при таком значении показателя кислотности электролита оказалось возможным заменить частично растворимый никелевый анод на нерастворимый из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, что улучшает постоянство состава покрытия по его толщине. Сульфат никеля в электролите был заменён ацетатом исключительно из соображений сокращения числа ионных компонентов раствора.
Видно, что в таких условиях получается плотный, гладкий и крупнозернистый (размер зерна около 10 мкм) осадок при толщине покрытия около 20-30 мкм, состоящий из чистого золота, удовлетворяющий требованиям для проведения глубокой рентгеновской литографии на станции LIGA накопителя ВЭПП-3 (см.Рисунок 42).
Ввиду того, что резист SU-8 чувствителен как УФ, так и к СИ, рассматривались два способа формирования рисунка микроструктуры в резистивном слое: это фотолитография и рентгенолитография на СИ.
В фотолитографическом способе изображение переносится в резист с классического фотошаблона со стеклянной подложкой и хромовым рисунком: В качестве источника экспонирующего излучения использоваласьлампа КГМ1 12-100. Для подавления ИК-части спектра и снижения тепловой нагрузки использовался-светофильтр УФС-5. Время облучения 30 мкм слоя SU-8 для фотолитографического формирования микроструктуры — 4 часа. Основные недостатки этого метода связаны с расходимостью длинноволнового излучения, дифракционными.искажениями и сильным поглощением в верхних. слоях резиста, что ограничивает толщину облучаемого слоя и разрешение формируемых структур. Фотолитографический способ используется для формирования тестовых структур и заготовок рентгеношаблонов низкого разрешения (с минимальными размерами элементов 20-50 мкм и дифракционным уширением +2-3 мкм в слоях толщиной 30 мкм).
Изготовление методами LIGA микрофлюидных систем
Электромагнитное излучение субтерагерцового и терагерцового диапазона обладает большим потенциалом для применения в новых уникальных приложениях в физики, химии, биологии, медицине, безопасности и т.п.
В последнее время разработка новых методов генерации и детектирования излучения ТГц-диапазона, развитие мощных источников ТГц излучения стимулирует разработку пассивных квазиоптических селективных компонентов необходимых для селекции и регулировки потоков излучения.
Наиболее адекватными селективными элементами, позволяющими решить поставленные задачи, представляются 1-мерные и 2-мерные регулярные свободновисящие металлические сетки с характерным периодом ячеек 10-100 мкм, при толщине несколько десятков-сотен микрометров97.
Помимо требуемых селективных характеристик такие элементы должны обладать высокой лучевой стойкостью, сохраняя свои свойства в течение длительного времени эксплуатации в потоках радиационной мощности, среднее и импульсное значения которой уже для НЛСЭ первой очереди достигают рекордно высоких величин: 400 Вт и 0,6 МВт соответственно.
Наиболее адекватное решение задач селекции мощного излучения НЛСЭ, первые три гармоники которого лежат в диапазоне частот 1.3 — 7.5 ТГц, состоит в использовании металлических сеточных структур (МСС), имеющих характерный топологический размер ячеек 5-100 мкм и толщину металлизации от десятка до сотен микрометров. Помимо обеспечения требуемых оптических свойств, следующих из специфики взаимодействия электромагнитного излучения с МСС, такие толстые структуры имеют значительно более высокие механо- и теплопрочностные характеристики в сравнении с тонкопленочными МСС с малой толщиной металлизации ( 1 мкм), получаемыми методом фотолитографии и традиционно используемыми для работы с излучением малой средней мощности. Кроме того, большая толщина металлического слоя позволяет производить самонесущие толстые МСС, устраняя необходимость применения несущих подложек (вносящих дополнительное поглощение), присутствие которых неизбежно в случае тонких МСС.
Наиболее эффективное решение задач фильтрации гармоник заключается в использовании толстых однослойных 2-мерных МСС с толщиной металлизации, сравнимой с длиной волны падающего излучения. Такие фильтры, использующие эффект волноводной отсечки, являются наилучшей альтернативной многослойным интерференционным фильтрам на основе тонких МСС [98 , традиционно применяемым в технике дальнего ИК-диапазона, использование которых сильно ограничено при работе на мощных пучках излучения в силу значительно более низкого порога радиационного разрушения. При рассмотрении селективных особенностей фильтров гармоник на основе толстых МСС будем различать фильтры двух типов. Основные типы МСС для управления мощными пучками терагерцового излучения: а) нерезонансный дихроичный фильтр высоких частот; б) резонансный полосовой фильтр
Нерезонансные фильтры высоких частот., представляющие собой толстые МСС со сквозными регулярно-периодическими квадратными или круглыми отверстиями (рис. 71 а), работают на принципе волноводной отсечки, эффективно отражая падающее излучение с частотой меньше критической частоты vc пропускания микроволноводов, сформированных сеточными отверстиями tl0. Для волноводных каналов квадратного и круглого сечений частота vc и длина волны А,с отсечки фундаментальной распространяющейся моды колебаний связаны с шириной (диаметром) d канала следующими соотношениями: vc =c/2d, Хс = 2d - квадратное сечение; vc =1.841 -c/nd, Xc=\.706-d - круглое сечение, где с - скорость света. Из данных соотношений, в частности, следует, что для отсечки 1-й гармоники НЛСЭ (X = 120-235 мкм) величина d должна быть меньше 60 мкм для МСС с квадратными отверстиями и менее 70 мкм для МСС с круглыми отверстиями. Анализ структуры поля показывает, что вследствие эффекта отсечки дополнительное ослабление низких частот 115 (v « vc) толстой MCC в сравнении с тонкосеточной структурой определяется фактором: 27.34/с1(дБ) - квадратное сечение; 32-1;/с1(дБ) - круглое сечение, где t - толщина металлизации.
По мере перехода от низких частот к более высоким пропускание нерезонансной толстой МСС экспоненциально возрастает и в районе vc достигает уровня — 1, который сохраняется вплоть до Рэлеевской частоты, соответствующей возбуждению первой незатухающей дифракционной гармоники: vRt=c/gelfi где -эффективный период структуры. В высокочастотной области v vRe прозрачность МСС, соответствующая нулевой моде дифракции, падает до уровня «оптического» пропускания, которое определяется как отношение открытой к полной площади МСС.
