Лабораторная работа № 2 изготовление металлизированных фотошаблонов

Цель работы: изучить технологический процесс изготовления и методы контроля металлизированных фотошаблонов.

Оборудование и материалы: лазерный генератор изображения ЭМ5009А, микроскоп МССО, микроскоп МБС-9, микроволновая печь ММ717СРЕ, термошкаф KLIMSH, проектор Nikon, кюветы для химической обработки, пинцет с фторопластовыми наконечниками, металлизированный фотошаблон с маскирующей пленкой окиси железа (Fe₂O₃), проявляющий раствор, раствор травления, раствор для удаления фоторезиста.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общие свойства фотоматериалов

Фотоматериалы – светочувствительные материалы, предназначенные для получения фотографических изображений. Различают галогеносеребряные фотоматериалы, в которых светочувствительным элементом является галогенид серебра (AgHal), и несеребреные (светочувствительный элемент – соединения железа, хрома, соли диазония и др.

Фотоматериалы для фотошаблонов по обшей классификации фотоматериалов выделяются следующим образом:

1. по назначению – микрофильмирование;

1. по воспроизведению цвета объекта съемки – черно-белые монохроматические (с однотонным окрашенным изображением);

2. по способу применения – негативные, позитивные, обращаемые;

3. по виду подложки – на гибкой полимерной основе, на жесткой основе (фотопластинки, чаще всего из стекла),

2. по формату – листовые, рулонные;

1) по сенситометрическим характеристикам: общая и эффективная светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическая широта, оптическая плотность вуали, максимальная оптическая плотность изображения и др.,

в) по структурнорезкостным характеристикам: разрешающая способность, среднеквадратическая гранулярность,

1) по физико-механическим свойствам: размерная устойчивость в условиях изменения температуры и влажности, термостойкость, механическая прочность слоев, влагоемкость, скручиваемость.

О сновные сенситометрические характеристики фотоматериалов определяют по экспериментальной характеристической кривой (сенситограмме, рисунок  2.1), выражающей зависимость между логарифмом экспозиции lg Н и оптической плотностью почернения D, образованного металлическим серебром. Экспозицию H вычисляют по формуле: Н= Et, где E-освещенность, t – время экспонирования (выдержка). Оптическая плотность участков фотографического слоя, не подвергавшихся действию света, называется оптической плотностью фотографической вуали D₀. Она не зависит от экспозиции и определяется свойствами самого фотоматериала и условиями его обработки. Принятая в фотографии величина минимальной оптической плотности представляет собой сумму значений оптической плотности вуали и оптической плотности подложки. Наибольшая оптическая плотность почернения (потемнения) фотоматериалов, т.е. плотность в высшей точке характеристической кривой, называют максимальной плотностью D.

Рисунок - 2.1 - Характеристическая кривая зависимости оптической плотности от экспозиции.

Сенситометрические испытания фотоматериалов проводят в стандартных условиях, при которых важнейшим фактором является цветовая температура источника света – величина, характеризующая спектральный состав излучения источника света. Цветовая температура определяется температурой абсолютно черного тела, при которой его излучение имеет такой же спектральный состав и такое же распределение энергии по спектру, что и излучение данного источника выражается в Кельвинах. В сенситометрических измерениях обычно используют три цветовые температуры: 2850 К – при испытании фотобумаг; 3200 К – для позитивных кинопленок; 6500 К – для негативных фотоматериалов.

Светочувствительность S – способность фотоматериалов регистрировать световое излучение и образовывать в фоточувствительном слое материала почернение (потемнение). Светочувствительность (см²/Дж) рассчитывается как величина, обратно пропорциональная экспозиции: S = 1/Et = 1/Н. Светочувствительность измеряют, как правило, в относительных единицах – числах светочувствительности – S = k/Н, где Н – экспозиция, необходимая для получения определенной оптической плотности потемнения D (критерий светочувствительности); k – коэффициент пропорциональности, имеющий определенное принятое значение для каждого из видов фотоматериалов. Для черно-белых негативных фотоматериалов общего назначения за критерий светочувствительности приняты оптическая плотность D, и коэффициент пропорциональности k =V².

Строгого эквивалента между светочувствительностью фотоматериалов и числами светочувствительности не существует; приблизительно считают, что 1 единица ГОСТ эквивалентна 10⁶ см²/Дж.

Коэффициент контрастности – градиент прямолинейного участка характеристической кривой – характеризует способность фотоматериалов передавать различие яркости объекта съемки по различию оптической плотностей потемнений. Определяется как тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой к оси абсцисс: .

Фотографическая широта L определяется как интервал яркостей объектов съемки, передаваемых на изображении с одинаковым коэффициентом контрастности; на характеристической кривой соответствует диапазону логарифмов экспозиций: L = lgH₂ – IgH₁. Интервал экспозиций, ограниченных верхним и нижним пределами потемнений, называют полным интервалом экспозиции L или полной фотографической широтой.

Разрешающая способность – способность фотоматериала раздельно передавать мелкие детали (участки) объекта фотографирования выражается количеством разрешаемых линий на 1 мм в фотографическом изображении специального тест-объекта (так называемой, резольвометрической миры).

Гранулярность (зернистость) – флуктуации оптической плотности равномерно экспонированного и проявленного фотоматериала; численная оценка зернистой структуры фотографического изображения определяется среднеквадратической гранулярностью.

Серебросодержащие фотопленки могут быть негативными и позитивными. Негатив воспроизводит черным прозрачные места и прозрачным черные места. Позитив воспроизводит черное черным. Диазопленки обычно позитивные. Фотопленки для фотоплоттеров – негативные. Фотопленки для контактной печати могут быть любыми, это зависит от задач репродукции и вида фотооригинала (негатив или позитив). Обычно позитивные фотошаблоны (черные линии – проводники) используются для наружных слоев печатных плат, и негативные (прозрачные линии – проводники) – для внутренних слоев.

Серебросодержащие фотопленки не безразличны к процессам проявления и типам проявителей. Выбор проявителя может сказаться на скорости и глубине проявления, на зернистости и на реализации чувствительности пленки. Поэтому для проявления фотопленки нужно придерживаться рекомендаций в прилагаемой спецификации.

Серебросодержащие и диазопленки отличаются и по свойствам и по физическим процессам обработки, о чем будет сказано дальше. Но визуальная прозрачность, сопротивление к истиранию и явно лучшая размерная стабильность диазопленок делают их незаменимыми для изготовления прецизионных фотошаблонов. Однако, серебросодержащие фотопленки по большему ряду фотографических характеристик лучше для использования в фотоплоттерах, преобразования изображений и большей части фотокопировальных работ.

Маскирующие пленки на основе металлов.

Примерно с 60-х годов в качестве маскирующего покрытая для фотошаблонов применяются металлические пленки. Механическая прочность и химическая стойкость таких покрытий позволила резко увеличить срок службы фотошаблонов и сделала экономически перспективной автоматизацию процессов фотолитографии.

Высокая оптическая плотность, свойственная металлам, позволяет применять маскирующие пленки толщиной не более 80-150 нм, что привело к увеличению разрешающей способности рисунка от 1 до 2 мкм.

Малая толщина пленки, меньший, чем у фотоэмульсии, размер зерна, равномерное травление, высокая термическая стабильность и влагостойкость пленок обеспечила повышение резкости краев рисунков, точный контроль размеров. Высокая механическая и химическая стойкость позволила значительно снизить уровень дефектов, вносимых на стадии эксплуатации.

Для изготовления металлизированных фотошаблонов в настоящее время в основном используют пленки хрома, т.к. Сr имеет очень высокий коэффициент поглощения в УФ области и обеспечивает получение высокой оптической плотности уже при толщине от 45 до 80 нм. Кроме того, пленки хорошо травятся, имеют хорошую адгезию к стеклу, механически прочны.

Наряду с хромом в качестве маскирующих пленок могут быть использованы пленки из тугоплавких металлов (Мо. Та. W ). Они обладают большей, чем у Сr термо- и износостойкостью, а по степени травления на адгезии примерно сравнимы с пленками Сr.

Несмотря на широкое использование пленки хрома имеют ряд недостатков. Существенным недостатком является очень большой коэффициент отражения пленок Сr и других металлов в УФ и видимой области спектра (70*80%). В результате этого при экспонировании методом контактной печати, когда фотошаблон лицевой стороной, покрытой пленкой Сr, прижат к слою фоторезиста. УФ излучение, прошедшее через прозрачные участки фотошаблона и отраженное от поверхности раздела фоторезист - пластина обратно к пленке Сr, не поглощается ею, а опять отражается в фоторезист под различными углами, и весь процесс отражения повторяется. В результате многократного отражения света в слое фоторезиста могут засвечиваться края формируемых рисунков, которые становятся нерезкими, и таким образом снижается разрешающая способность.

На операции совмещения фотошаблона с кремниевой пластиной, когда свет, идущий в глаза оператора, должен отражаться как от фотошаблона, так и от пластины, высокий коэффициент отражения слоя металла в видимой области спектра уменьшает контрастность видимого оператором изображения, что затрудняет процесс совмещения. Фотошаблоны, покрыты слоями блестящего хрома, непригодны для использования в системах автоматического совмещения, т.к. большой коэффициент отражения делает изображение метки совмещения трудно локализуемым.

Вторым ограничением хромовых маскирующих покрытий в настоящее время является все еще сравнительно большой уровень дефектности. В однослойных пленках Cr, полученных методом термического испарения в вакууме, вследствие нестабильных условий конденсации и роста пленок часто наблюдается довольно высокая плотность сквозных микропроколов (порядка 2-20 см^-2).

Проколы, связанные с состоянием подложки, могут быть вызваны следующими причинами:

1 Пылинками, осколками стекла, частицами металлов и абразивов и другими инородными частицами на стеклянной подложке.

2 Неоднородностями состава и дефектами поверхности стекла.

3 Локальными загрязнениями стекла в виде клееных смол, жироподобных веществ, адсорбированных из органических растворителей или окружающей среды и т.п.

Практически бездефектные пленки Сr можно получить, если "залечивать" проколы, возникающие в первом слое хрома, напылением по всей поверхности второго слоя, т.к. вероятность совпадения проколов очень мала. Однако, в этом случае возрастает толщина слоя (до 150-300 нм) и на границе раздела возникает переходный слой, ухудшающий характеристики травления и воспроизводимость свойств пленки, но всей поверхности. В результате этого решающая способность пленок ухудшается до 2-3 мкм.

Третьим недостатком как эмульсионных так и хромовых маскирующих покрытии является их непрозрачность в видимом диапазоне спектра, вследствие чего в случае использования темнопольных фотошаблонов невозможно визуальное наблюдение дефектов структуры на пластине. Это значительно затрудняет непосредственное совмещение фотошаблона с рисунком на пластине. Между тем за последние года в электронной промышленности значительно расширилось применение негативных фоторезистов, требующих применения именно темнопольных фотошаблонов.

Это ограничение непрозрачных маскирующих покрытии можно уменьшить, если использовать материалы с характеристикой пропускания.

Такие маскирующие покрытия называют полупрозрачными или транспарентными. Основным требованием к транспарентным покрытиям является почти полное поглощение света в области спектра ниже 436 нм (желательно пропускание менее 1%) и значительное пропускание в той области спектра, в которой можно актуально проводить операцию совмещения (например, пропускание порядка прозрачных 30% на длине волны 589 нм). Для изготовления таких шаблонов в основном используются пленки на основе диэлекгрических слоев окислов металлов, взаимодействие которых с квантами света имеют ярко выраженный резонансный характер. Учитывая это, можно подобрать окислы с такими входящими в их состав ионами, которые бы сильно поглощали в области чувствительности фоторезистов (от 320 до 436 нм) и имели бы слабое взаимодействие со светом видимого диапазона длин волн.

Наиболее широко в настоящее время используют пленки Fe₂O₃; перспективными остаются пленка окиси хрома, кремния, ванадия, нитрида тантала. В связи с тем, что концентрация активных ионов в окисле всегда меньше, чем в чистом металле, пленки окислов металлов имеют коэффициент поглощения всегда меньший, чем пленки чистого металла. Поэтому окисные пленки для получения заданной оптической плотности нужно делать более толстыми.

Несмотря на относительно большую толщину пленок окислов по сравнению с толщиной однослойных пленок Сr и Mo (180 - 300 нм по сравнению с 80-120 нм) на пленках окислов можно воспроизводимо получать структуры с минимальными размерами от 1 до 1,5 мкм. Повышению разрешающей способности пленок окислов металлов способствуют такие их свойства, как лучшая, чем у металлических пленок адгезия к слою фоторезиста и к стеклу и низкий коэффициент отражения в УФ области спектра.