Технология оптического приборостроения

зывающими веществами. Штрихи на деталях заполняют вручную шелковой или хлопчатобумажной салфеткой, намотанной на палец. Для удаления нанесенного состава с промежутков между штрихами деталь протирают сухим запуском.

Для упрочнения красящего состава деталь просушивают в термостате при температуре 120–140 С в течение 4 ч. Просушенные сетки медленно охлаждают до комнатной температуры. После просушки качество заполнения штрихов проверяют запуском. Если штрихи не полностью запустились, то их запускают еще раз и деталь снова просушивают в термостате. При необходимости провести оцифровку такой сетки ее повторно покрывают воском, гравируют требуемые элементы и все операции выполняют, как и при получении штрихов.

Недостатками гравирования по воску являются трудоемкость процесса, трудность получения штрихов шириной 3–5 мкм и вредность плавиковой кислоты.

Приведенный вариант позволяет получать сетки с непрозрачным рисунком на прозрачном фоне. Другой вариант получения таких же сеток (светлопольных) заключается в гравировании по тонкому слою специального лака. После нанесения заданного рисунка деталь устанавливают под колпак вакуумной установки и хром распыляют. При смывании слоя лака вместе с ним удаляется осевший на его поверхности металл, в то время как хром, попавший на открытые участки стекла (в штрихи), остается, образуя рисунок детали.

В обоих вариантах при изготовлении сеток резец не должен оставлять какие-либо следы на поверхности стекла подложки.

12.2.3. Изготовление темнопольных сеток

Темнопольными называют сетки с прозрачными штрихами на непрозрачном фоне. Такие сетки можно получить гравированием непосредственно по металлическому слою (Cr, Al, Ag), нанесенному на стеклянные заготовки, или же по слою воска (лака) на металлизированных стеклянных подложках с последующим травлением металла.

При гравировании по металлическому слою используют алмазный или металлический резцы. Гравирование необходимо проводить сразу же после нанесения металла, когда он имеет мелкозернистую структуру, которая со временем, особенно при нагревании, переходит в крупнозернистую. Нанесение штрихов на старых пленках приводит к растрескиванию их краев, которые становятся рваными, и пленка легко отслаивается от подложки. Наиболее тонкие штрихи получаются при гравировании по полупрозрачному слою серебра, нанесенному на заготовку химическим путем.

Прозрачные штрихи на темном фоне можно получить нанесением на металлическое покрытие грунта, по которому на делительных машинах

140

гравируют штрихи металлическим резцом, а затем осуществляют травление металла до образования прозрачных штрихов. После этого грунт смывают с заготовки.

Для травления металлических покрытий используют: для хрома – соляную кислоту;

алюминия – 5%-й раствор едкой щелочи, крепкую H2SO4 c добавлением 15 % марганцевокислого калия (при травлении последним травителем отслаивание грунта происходит реже, чем при травлении щелочью), концентрированную HNO3, хлорное железо;

серебра – концентрированную HNO3 или H2SO4 с марганцевокислым калием.

Последней операцией изготовления темнопольных сеток является их контроль под микроскопом и придание полной непрозрачности металлическому слою в местах отсутствия штрихов и знаков (при нанесении металла он не всегда плотно покрывает всю подложку: возможны отдельные непокрытые точки), что достигается нанесением тонкого слоя черного лака. Этот лак выполняет также защитную функцию при возможных повреждениях сетки.

12.2.4. Резцы для гравирования по грунту

Для гравирования по грунту используют металлические резцы. Их изготавливают из инструментальной углеродистой (У8А, У10А, У12) или из легированных сталей (ХВГ, 9ХС, ХВ5). Применяют также кованные резцы из стали Р18. Эту сталь подвергают многократной ковке с 35–37%-м уменьшением по диаметру.

Для обеспечения нужной ширины штриха резец должен иметь притупление. Следует всегда выбирать форму резца, имеющую большую площадь притупления при одинаковой ее ширине. Это способствует большей износоустойчивости резца. Однако при повышении площади притупления несколько ухудшается чистота штриха в его начале, так как грунт при опускании резца удаляется выдавливанием, а не резанием его передней гранью. Если гравируемые штрихи имеют одно направление, то применяют резец трапецеидального сечения (рис. 12.3, а). Резцы такого же сечения используют в том случае, если штрихи располагаются взаимно перпендикулярно, а делительная машина позволяет поворачивать деталь или резец в требуемом направлении. Если на машине нет поворотного устройства, резец должен иметь квадратное сечение (рис. 12.3, б), а при различной ширине – прямоугольное. Для гравирования цифр и букв применяют резец, заточенный на конус (рис. 12.3, в).

141

измерения величины перемещения рабочего органа делительные машины подразделяются на механические, оптические, фотоэлектрические и электромеханические.

В механических машинах для перемещения рабочего органа с заготовкой служит микрометрическая пара (винт-гайка). Поэтому точность перемещения рабочего органа определяется точностью изготовления микрометрической пары. Эти пары изготавливают по специальной технологии, которая обеспечивает минимальные периодические ошибки, хотя и не устраняет накопленные. Накопленные ошибки в этих машинах компенсируются специальной коррекционной линейкой, которая закрепляется на станине. По этой линейке скользит рычаг, жестко закрепленный на винте. При перемещении рабочего органа конец рычага скользит по профилю коррекционной линейки, поворачивая при этом винт и перемещая рабочий стол с сеткой на величину погрешности микрометрической пары.

Недостатком механических машин является потеря точности микрометрической пары в результате ее износа, а также несоблюдение принципа компенсации (не совпадают плоскости нанесения штрихов и действия сил, перемещающих заготовку).

Для определения величин перемещения рабочего органа в оптических делительных машинах применяют шкалы и отсчетные микроскопы, в фотоэлектрических – фотометрические системы контроля и управления и системы с фотоэлектрическими микроскопами, а также системы с интерференционными и растровыми датчиками, в электромеханических – шаговые двигатели. Используются также ручные делительные машины.

В зависимости от направления расположения делений при изготовлении сеток делительные машины подразделяют на продольные, круговые и специальные. Последние применяются для нанесения кривых сложной конфигурации и изготовления сеток с неравномерной шкалой деления.

На делительных машинах, имеющих поворотный стол, необходимо центрировать резец относительно оси вращения стола. Эта операция выполняется следующим образом. На покрытой воском заготовке, установленной примерно в центре стола, наносят штрих А (рис. 12.5). За-

шкал и сеток на стеклянные заготовки с эталона при помощи шарнирнорычажной системы. Увеличенный эталон сетки является шаблоном-копи-

143

ром, по рельефным элементам которого движется обводной шпиль (водитель), передающий движение резцу через шарнирно-рычажную систему. Копир и заготовка в процессе нанесения сетки обычно неподвижны. Масштаб сетки (по отношению к копиру) определяется соотношением плеч пантографа и находится в пределах 1 : 10…1 : 100.

Различают горизонтальные и вертикальные пантографы. Пантографы бывают однорезцовыми и многорезцовыми. Горизонтальный пантограф представляет собой шарнирный параллелограмм (рис. 11.6, а), у которого одно из звеньев шарниром П (полюсом) связано со станиной, а на двух других звеньях или на их продолжениях находятся сопряженные друг с другом точки В (водитель) и Р (резец). Вертикальный пантограф (рис. 12.6, б) состоит из прямолинейной штанги, подвешенной к станине на шаровом шарнире. Сверху и снизу в штангу 3 входят два поршня. В нижнем поршне закреплен водитель, а в верхнем – резец.

Рис. 12.6. Пантографы для нанесения шкал и сеток

Для сохранения строгого подобия элементов сетки 1 элементам копира 2 необходимо, чтобы в горизонтальном пантографе резец, водитель и ось шарнира П всегда находились в одной плоскости, были параллельны между собой и перпендикулярны плоскостям сетки и копира. В вертикальном пантографе оси резца и водителя должны лежать на одной прямой, проходящей через центр шарнира П. Масштаб уменьшения элементов сетки относительно элементов копира равен отношению

m= a / b.

Изменение масштаба в горизонтальном пантографе достигается перемещением точек П и Р вдоль соответствующих звеньев пантографа, а в вертикальном – перемещением поршней водителя и резца вдоль оси штанги.

Копиры для пантографов представляют собой металлические пластины со всеми элементами изготавливаемых сеток в виде углубленных канавок,

144

по которым движется водитель пантографа. Копиры обычно изготавливают из бронзы или латуни специальных сортов. При массовом производстве выгоднее применять шаблоны из закаленной стали. При оцифровке сеток, изготовленных на делительных машинах, используют наборные копиры.

12.3.Фотолитографический метод изготовления сеток

12.3.1.Физико-химические основы процесса. Фоторезисты и их свойства

Воснове фотолитографического процесса лежит фотохимическое действие света на вещество (фоторезист), в результате которого происходит изменение некоторых его свойств, в частности, скорости растворения в определенных растворителях.

Фоторезисты (ФР) представляют собой сложные полимерно-мономер- ные системы, обладающие светочувствительными и защитными (резистивными) свойствами (выдерживают нагрев, действие кислот и щелочей).

Световая энергия, падая на ФР, поглощается его молекулами (или атомами), увеличивая при этом запас их внутренней энергии. В результате этого взаимодействия молекулы ФР переходят из основного (нормального) состояния в электронно-возбужденное, а по истечении некоторого времени они теряют избыточную энергию и возвращаются в нормальное состояние. Этот переход может сопровождаться химическими превращениями ФР.

Взависимости от механизма протекающих в ФР реакций при их облучении светом и особенностей изменения их свойств ФР делятся на негативные и позитивные. При облучении негативного ФР в нем протекают процессы, приводящие к потере его растворимости. В результате этого после обработки в растворителях (проявителях) удаляются только необлученные участки ФР, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона. На подложке образуется защитный рельеф, повторяющий негативное изображение фотошаблона.

Впозитивных ФР под действием света происходят фотохимические реакции, приводящие к усилению растворимости ФР в проявителях. В результате этого удаляются только облученные участки фоторезиста и полученный защитный рельеф повторяет изображение фотошаблона.

Основными характеристиками фоторезистов являются светочувствительность, разрешающая способность и устойчивость к химическим воздействиям.

Светочувствительноть S – величина, обратная экспозиции Н, требуемая для перевода ФР в растворимое или нерастворимое состояние:

S 1/ H 1/ Et,

где Е – освещенность; t – время выдержки.

145

Разрешающая способность R – максимально возможное число раздельно передаваемых линий фоторезистом на 1 мм поверхности подложки:

R 1000 / 2l,

где l – ширина раздельно передаваемой линии, мкм.

Следует различать разрешающую способность ФР и процесса фотолитографии в целом. Так, при разрешающей способности ФР около 1000 лин./мм процесс фотолитографии позволяет получать разрешающую способность около 600 лин./мм, что объясняется наличием дифракции, рассеяния и отражения света в системе «подложка–ФР–фотошаблон».

Позитивные ФР по сравнению с негативными имеют более высокую разрешающую способность.

ФР должны обладать высокой химической устойчивостью, так как на операциях травления их защитный рельеф значительное время контактирует с концентрированными кислотами и щелочами. Кислотостойкость ФР оценивают фактором травления

K h / ,

где h – глубина травления;

χ – боковое подтравливание.

12.3.2. Основные операции фотолитографического процесса

При изготовлении сеток методом фотолитографии применяют следующий типовой технологический процесс: нанесение слоя металла, нанесение ФР, сушка ФР, экспонирование, проявление ФР, задубливание ФР, травление металла.

Нанесение слоя металла (Cr, Al) на полированную стеклянную подложку выполняют на вакуумных установках.

Основными технологическими методами нанесения ФР на поверхность подложек являются центрифугирование, распыление (пульверизация) и окунание.

Наиболее широко применяется первый метод. Его сущность заключается в нанесении на подложку определенной дозы ФР и получении необходимой толщины пленки за счет вращения центрифуги с заданной скоростью. Время центрифугирования мало влияет на параметры слоя. Для формирования слоя обычно достаточно 20–30 с.

Сушка является операцией, завершающей формирование слоя ФР. Назначение сушки – повышение прочности пленки ФР и увеличение

ее адгезии к поверхности подложки. Эти процессы связаны с испарением растворителя из ФР, в результате чего происходят сложные процессы, уплотняющие молекулярную структуру пленки ФР, уменьшающие внут-

146

ренние напряжения и повышающие адгезию пленки к подложке. Неполное удаление растворителя снижает кислотостойкость ФР, что приводит к повышению брака на операции проявления.

Распространены следующие виды сушки ФР: конвективная, радиационная и СВЧ-сушка. Конвективная сушка производится в термошкафах

при температуре 90–100 С в течение 10–60 мин (в зависимости от состава и толщины пленки ФР). При радиационной сушке используется лучистый нагрев изделий ИК-излучением. При СВЧ-сушке пластины нагреваются за счет поглощения электромагнитной энергии СВЧ-поля. При любом способе сушки допустимая температура нагрева не должна превышать 120 С. Высушенный ФР необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.

А. Экспонирование

Экспонирование ФР производят через фотошаблон (ФШ), который представляет собой копию изготавливаемой сетки. Для передачи изображения ФШ на заготовку применяют контактный и проекционный способы. Схема экспонирования контактным способом представлена на рис. 12.7, а. При экспонировании ФШ 3 прижимают к слою ФР 4, который нанесен на заготовку 5, установленную на столе 6, и световое излучение от УФ-источ- ника 1 проходит конденсор 2 и параллельным пучком засвечивает слой ФР через прозрачные окна на ФШ. При контактной фотолитографии тесный контакт между ФШ 3 и заготовкой 5 при экспонировании происходит лишь в нескольких точках из-за неплоскостности контактирующих поверхностей (фотошаблон и подложки сеток полируют на волокнистых полировальниках). Из-за дифракционных явлений наличие зазора оказывает существенное влияние на качество переноса изображения ФШ на подложку сетки. В результате дифракции света на непрозрачных участках ФШ, например на краю прозрачного окна размером а (рис. 12.7, б), световой пучок после фотошаблона расширяется и заходит в область геометрической тени. Ширина освещенной зоны b в области геометрической тени определяется из выражения b d / a, которое показывает, что размытие увеличивается с увеличением зазора d и длины волны используемого излучения , а также с уменьшением ширины щели а. Причем если в плоскости ФШ распределение интенсивности света равномерно вдоль окна и равно J0, то в плос-

кости ФР оно неравномерно. Изображение щели формируется центральным максимумом, в котором содержится около 84 % световой энергии, поступающей через щель.

Кроме дифракции на качество переноса изображения ФШ на заготовку влияет вторичное отражение. Большая часть УФ-излучения проходит через ФР и отражается от пленки металла на заготовке (рис. 12.7, в). Отраженное излучение направлено к ФШ под углом, достаточным для его вторичного отражения от шаблона снова в резистивную пленку. Это явление

147

особенно вредно при использовании тонких резистивных пленок для получения рисунков с высокой разрешающей способностью. Чтобы предотвратить паразитное отражение излучения, на металлической пленке создают специальное противоореольное покрытие или неотражающую матовую поверхность.

а

Как дифракция, так и паразитное отражение приводят к тому, что после проявления элементы сетки имеют нерезкий контур – вуаль. Область вуали характеризуется не полностью сшитым (или разрушенным) ФР и зависит от экспозиции. Оптимальная экспозиция позволяет получить минимальный размер вуали. Контактная фотолитография, кроме того, не позволяет получить элементы размерами менее 2 мкм.

При проекционном экспонировании подложка и ФШ не контактируют друг с другом, что повышает стойкость фотошаблона и способствует улучшению качества изображения. По способу формирования изображения на подложке проекционным экспонированием различают системы с одновременным переносом изображения ФШ на все рабочее поле подложки в масштабе 1 : 1 и системы с последовательным пошаговым мультиплицированным переносом изображения в уменьшенном масштабе. В последнем случае используют промежуточный ФШ, представляющий собой одиночное изображение рисунка сетки, выполненное в увеличенном масштабе (10 : 1).

148

мент размером 1–1,5 мкм. При этом к толщине слоя ФРэкспонированияэкспозиции предъявляются более жесткие требования. В проекционных системах используют совершенную оптику, разрешающая способность которой ограничена только явлениями дифракции, а не различными аберрациями.

Б. Проявление

Процесс проявления ФР заключается в удалении после экспонирования ненужных участков ФР с поверхности подложки. При проявлении негативных ФР происходит растворение неэкспонированных участков фотослоя, а при проявлении позитивных – растворение экспонированных участков.

Проявление негативных ФР производят в органических растворителях (трихлорэтилене, толуоле, хлорбензоле, ксилоле), а позитивных – в неорганических соединениях со щелочными свойствами (слабых водных и вод- но-глицериновых растворах КОН, NaOH).

Экспонирование и проявление неразрывно связаны между собой. Для выбора режимов одновременно изменяют время проявления и экспонирования либо подбирают оптимальное значение одного параметра при фиксации другого. При постоянных условиях проявления с ростом экспозиции увеличиваются размеры элементов для позитивного ФР и уменьшаются – для негативного. При этом для негативного ФР режимы проявления слабо влияют на точность передачи изображения, и перепроявление для них неопасно. Для позитивных ФР проявление сопряжено с частичным растворением, т. е. с уменьшением толщины и подтравливанием по контуру незасвеченных участков.

С целью регулирования скоростей растворения облученных и необлученных участков ФР в проявитель добавляют вещества, замедляющие процесс проявления. Такой проявитель называют б у ф е р н ы м. Важной характеристикой проявителей является величина рН раствора. Точную передачу размеров изображения удается получить при использовании прояви-

телей с рН = 12,3–12,4 при температуре 25 С.

149