УДК 681.327
С. А. Костюкевич1, П. Е. Шепелявый1, Н. Л. Москаленко1,
Е. Ф. Венгер1, C. В. Свечников1,
В. В. Петров2, А. А. Крючин2, С. М. Шанойло2
1 Институт физики полупроводников НАН Украины
пр. Науки, 45, 03028 Киев, Украина
2Институт проблем регистрации информации НАН Украины
ул. Шпака, 2, 03113 Киев, Украина
Исследование процесса мастеринга компакт-дисков
на неорганических фоторезистах
Приведены результаты экспериментальных исследований применения неорганических фоторезистов в процессе мастеринга компакт-дис-ков. Показана возможность осуществления процесса прямого мас-теринга с использованием двухслойных неорганических фоторезистов. Показано, что разрешающая способность неорганических фоторезис-тов позволяет использовать их в производстве как обычных, так и DVD компакт-дисков.
Ключевые слова: компакт-диск, мастеринг, неорганический фоторе-зист, халькогенидный полупроводник.
Введение
Основным методом изготовления штампов для тиражирования компакт-дисков был и остается метод с использованием позитивных фоторезистов. Этот метод обеспечивает получение высококачественных штампов для тиражирования стандартных компакт-дисков при использовании для экспонирования лазерных источников излучений с длинами волн 530–430 нм и более коротковолнового излучения для производства DVD-дисков. Основными недостатками фоторезистив-ного метода являются достаточно высокая продолжительность процесса изготов-ления штампов и ограниченная разрешающая способность позитивных фоторе-зистов, которые могут экспонироваться сине-зеленым лазером [1, 2]. Кроме того, незначительные отклонения от оптимального режима проявления приводят к появлению на поверхности компакт-диска областей с измененным коэффициентом отражения, получивших название «облака» [3].
© , , C. В. Свечников,
, ,
Общий подход к уменьшению времени производства штампа состоит в том, что штамп изготавливается путем создания рельефа на металлической подложке, которая используется в процессе репликации [4, 5]. В настоящее время наиболь-шее распространение получил метод формирования рельефа на никелевых под-ложках из задубленного и отожженного негативного органического фоторезиста [4]. Основными недостатками этого метода являются ограниченная разрешающая способность негативных органических фоторезистов и небольшое количество от-печатков, получаемое с одного штампа.
Большой интерес проявляется также к использованию позитивных фоторе-зистов для формирования рельефных микроструктур в подложке диска-оригинала [5]. Для экспонирования позитивных резистов могут использоваться как тра-диционная запись сфокусированным лазерным лучом, так и обеспечивающее большую плотность записи экспонирование электронным лучом [6]. Простейшим и, на первый взгляд, наиболее технологичным является процесс получения ре-льефного изображения путем локального фототермического удаления материала металлической подложки, которая может затем использоваться либо в качестве штампа, либо для изготовления никелевых копий (mother and sons) [3]. Повы-шение разрешающей способности этого метода может быть достигнуто нанесе-нием дополнительного светопоглощающего слоя с последующим локальным уда-лением сфокусированным лазерным излучением и локальным травлением мате-риала подложки до получения рельефного изображения требуемой глубины. Од-нако метод локального фототермического разрушения светочувствительного слоя имеет существенные ограничения по разрешающей способности (получение эле-ментов с минимальными размерами менее 0,3–0,4 мкм при длительностях им-пульсов записи, соответствующих 4-х и 6-ти кратной скорости записи компакт-дисков, проблематично) и, кроме того, в зоне облучения остаются микрочастицы поглощающего слоя, которые существенно влияют на равномерность процесса травления.
Неорганические фоторезисты на основе халькогенидных стеклообразных по-лупроводников имеют ряд преимуществ по сравнению с органическими фоторе-зистами, в частности, по разрешающей способности, термической стабильности, более широкому диапазону спектральной чувствительности [7, 8]. В настоящей работе исследуется процесс прямого мастеринга с использованием негативных не-органических фоторезистов.
Обоснование процесса прямого мастеринга с использованием
неорганических фоторезистов
Уже первые работы по исследованию взаимодействия оптического излучения с тонкими пленками халькогенидных полупроводников показали возможность создания на их основе негативных и позитивных фоторезистов с субмикронной разрешающей способностью [7-9]. Возможность создания неорганических фото-резистов на основе тонких пленок халькогенидных полупроводников и систем «халькогенидный полупроводник–металл» основанная на том, что в таких плен-ках под действием актиничного излучения происходят фотоструктурные превра-щения, сопровождающиеся изменением физико-химических свойств пленок, в ча-стности, растворимости в щелочных растворах [8-13]. Дальнейшие исследования неорганических фоторезистов позволили разработать органические растворители, обладающие высокой селективностью растворения облученных и необлученных тонких плeнок халькогенидных стекол систем As-S, As-Se, As-S-Se, позволяющие получать на них рельефные изображения, размеры которых определяются системой записи информации [14-16]. При записи микрорельефных структур сфоку-сированным излучением видимого диапазона на тонких пленках этих систем могут быть получены элементы с минимальными размерами 0,2–0,3 мкм. Разница в скоростях растворения необлученных и облученных участков этих пленок может отличаться в 20–40 раз. Существенным недостатком этих пленок является низкая температура стеклования (для стекол системы As-Se — до 150 °С; As-S — до 180 °С) и низкая микротвердость (для стекол системы As-Sе — до 150 кг/мм2; As-S — до 134 кг/мм2; As-S-Se — до 145 кг/мм2) [17].
Поэтому, несмотря на высокую разрешающую способность, широкий спект-ральный диапазон (граница пропускания света для пленок системы As-Se сос-тавляет 0,73–0,78 мкм, системы As-S — 0,5–0,6 мкм, As-S-Se — 0,5–0,75 мкм), неорганические фоторезисты на основе стекол этих систем не могут непосредст-венно использоваться для получения микрорельефных структур методом прямо-го мастеринга.
Устойчивость пленок халькогенидных полупроводников к кислотным трави-телям позволяет использовать негативные фоторезисты на основе халькогенид-ных полупроводников для получения рельефных изображений на никелевых подложках путем травления подложек.
Рельефные изображения могут быть получены и из материала фоторезиста, что обеспечивает большую разрешающую способность процесса и меньшее время его выполнения. Для решения этой задачи нами предложено использование двухслойного неорганического фоторезиста, в котором рельефообразующий слой выполнен из халькогенидного стекла системы Ge-S, а фоточувствительный — из
As-Sе-S. Выбор такой системы обусловлен тем, что стекла системы Ge-S обладают высокой температурой стеклования (350 °С) и микротвердостью (220 кг/мм2) [13], а в стеклах системы As-S-Sе происходят фотоструктурные превращения под действием оптического излучения того спектрального диапазона, в котором расположены линии излучения лазеров, используемых в станциях лазерной записи (ионные аргоновый и криптоновый лазеры, неодимовый с удвоением частоты, по-лупроводниковые лазеры, генерирующие в диапазоне 400–500 нм). При записи под действием излучения в верхнем слое неорганического фоторезиста происходят фотоструктурные превращения, которые сопровождаются резким изменением растворимости халькогенидного стекла в растворителе, содержащим этилендиамин и диметилкетон. После получения рельефного изображения в верхнем слое фоторезиста производится химическое травление рельефообразующего слоя. В этом процессе фоточувствительный слой используется в качестве защитной маски. Толщина фоточувствительного слоя и состав растворителя выбирается таким образом, чтобы в процессе селективного травления рельефообразующего слоя полностью растворялся фоточувствительный слой.
Экспериментальные результаты
Тонкие пленки рельефообразующих и фоточувствительных слоев наносились методом вакуумного резистивного испарения на никелевые подложки толщиной 300 мкм. Толщина рельефообразующего слоя в экспериментах по записи дисков-оригиналов составляла от 100 до 200 нм, а толщина фоточувствительного слоя 30–60 нм. Постоянство толщины слоев в рабочей зоне составляло 2 нм, что обеспечивалось размещением подложек и испарителей на расстоянии не менее 350 мм и планетарным вращением подложек.
Запись информации осуществлялась на 2-х скоростной станции лазерной записи (LBR). Подложка с неорганическим фоторезистом устанавливалась на ва-куумной планшайбе. В режиме записи торцевые биения подложки не превышали 10 мкм. Экспонирование осуществлялось излучением аргонового лазера с длиной волны 457 нм, сфокусированным объективом с числовой апертурой 0,85. В сис-теме записи была предусмотрена возможность плавной регулировки мощности экспонирующего излучения на поверхности диска-оригинала в широком диапа-зоне от 0,1 мВт до 10 мВт.
Записанные диски подвергались двухступенчатому процессу травления. На первом этапе осуществлялось селективное травление фоточувствительного слоя As-Sе-S. После промывки и сушки подложки проводилось травление рельефо-образующего слоя через окна в фоточувствительном слое. Измерения высоты и ширины выступов, проведенные на туннельном сканирующем микроскопе пока-зали, что они составляют соответственно 100–190 нм и 0,3–0,6 мкм. Представленная на рис. 1 зависимость ширины выступов от мощности экспонирующего излучения показывает, что фоточувствительный слой обладает достаточно широким динамическим диапазоном. Увеличение мощности экспонирующего излучения приводит к локальному испарению неорганического фоторезиста в центре зоны облучения. Общий вид рельефной микроструктуры из халькогенидного стекла на никелевой подложке, представленной на рис. 2, свидетельствует о том, что разрешающая способность неорганического фоторезиста позволяет формировать эле-менты с размерами, необходимыми для тиражирования DVD-носителей (ширина выступов — 0,4 мкм, минимальная длина 0,4 мкм). Штампы, рельеф на поверх-ности которых был сформирован из халькогенидного стекла Ge-S, были использованы для тиражирования компакт-дисков по стандартной технологии. Проведенные исследования показали, что после изготовления 500 оттисков геометрические параметры микрорельефа штампа не изменились. В настоящее время нами продолжаются исследования стабильности рельефных микроструктур из халькогенидных стекол на поверхности никелевых подложек.
Выводы
Предложенный нами метод прямого мастеринга позволяет получать рельеф-ные микроизображения из термоустойчивых халькогенидных стекол на поверх-ности никелевых подложек. Разрешающая способность неорганического фоторе-зиста позволяет получать элементы рельефных микроструктур с размерами, соот-ветствующими требованиям к штампам для тиражирования DVD-носителей.
Рис. 1. Зависимость ширины выступов, сформированных из материала неорганического
фоторезиста, от мощности экспонирующего излучения.
а)
б)
Рис. 2. Рельефная микроструктура на никелевой подложке (а); пластиковая копия CD-диска (б).
Благодарность
Авторы выражают признательность сотрудникам Института проблем регист-рации информации и Института физики полупроводников НАН Украины за по-мощь в проведении экспериментов по записи информации и анализу формы рель-ефных микроструктур.
1. Ken C. Pohlmann. The compact Disc Handbook. — 2-nd ed. A-R Editions, Inc.
2. Wilkinson R. L. A Brief History of Time and Glass Mastering // DERLItech Asia’95, Singapore International Convention and Exhibition Center. — 1995, Oct. 24-26.
3. Rilum J. H. The Relationship between Mastering and Molding and its Effect on CD Quality // DERLItech Europe’94. Sheraton Munich Hotel @ Towers. Munich (Germany). — 1994, 1-14 April.
4. ODME breaks tradition with direct stamper recording // The daily news replitech Asia. A One to One Publication. — 1997, Nov. — № 5. — P. 6.
5. USA Patent 5.6222.816. Int. Cl6. C11B 7/125. Direct to Stamper / Mother Optical Disc Maste-ring / Glenn J. Maenza, Edward W. Morton; Date of Patent 1967, Apr. 22.
6. Kohma Y., Kitahara H., Kasano O., High Density Mastering Using Electron Beam // J. Appl. Phys. — 1998, April. — Vol. 37. — №. 4B. — Р. .
7. , О применении неорганических светочувствительных материа-лов для изготовления фотошаблонов // Гибридная вычислительная техника и электроника.— К.: Наук. думка, 1972. — С. 471-490.
8. , , и др. Фотостимулирование взаимодействия в структурах металл-полупроводник. — К.: Наук. думка, 1992. — 240 с.
9. , , Использование неорганических светочувствительных материалов для изготовления фотошаблонов. Гибридная вычислительная техника и электроника. — К.: Наук. думка, 1972. — C. 491-503.
10. , , Кинетика растворения пленок сульфида мы-шьяка в растворах аммиака, метиламина и диметиламина // Прикл химия. — 1988. — Т. 61. —
№ 7. — С..
11. Tanaka K. Photo-induced phenomena in amorphous semiconductors // Fundamental physics of amorphous semiconductors. Berlin: Shpringer Verlag. — 1981. — P. 104-118.
12. Pfeiffer G., Paesler M. A., Aggarwal S. C. Reversible photodarkening of amorphous arsenic chacogenide // J. Non-Crystalline Solids. — 1991. — Vol. 130. — № 1. — P. 111-143.
13. Lyubin V. M. Photostructural changes in chacogenide glasses // J. Non-Crystalline Solids. — 1987. — Vol. 97-98. — № 1. — P. 47-54.
14. Lyubin V., Klebaniv M., Bar I., Rosenwaks S., Eisenberg N. P., Manevich M. Novel effect in inogranic As50Se50 photoresists and their application in micro-optics // J. Vac. Sci. Technol. B. — 1997. — Vol. 15. — № 4. — P. 823-827.
15. А. с. 1153354 СССР, МКИ G 11В 7/26. Способ изготовления оригинала оптической сигналлограммы / , , // Открытия, изобрет. — 1985. — 16. — С. 176.
16. А. с. 1425777 СССРБ МКИ G 11В 7/26. Способ изготовления оригинала оптической сигналлограммы / , , (CCCP) // Открытия, изобрет. — 1988. — 32. — С. 251.
17. Халькогенидные полупроводниковые стекла. — Л.: изд. Ленинград. ун-та. — 1983. — 344 с.
Поступила в редакцию 4.12.2001
