RU2707663C1

RU2707663C1 - Method of making a bragg structure with a corrugated surface

Info

Publication number: RU2707663C1
Application number: RU2019101466A
Authority: RU
Inventors: Виктор Григорьевич Иваненко; Станислав Леонидович Синицкий; Петр Валерьевич Калинин; Андрей Васильевич Аржанников
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2019-11-28

Abstract

FIELD: chemical or physical processes.

SUBSTANCE: invention relates to treatment of substrates for forming a concave-convex structure on a substrate surface. Essence of the invention consists in etching the conducting substrate through reverse lithography with preliminary predictive prediction on the photomask to obtain the calculated parameters of the Bragg grating, the mask being cobalt. Method of making a Bragg structure with a corrugated surface involves making a photomask and chemical etching of the copper plate. Technology of reverse lithography enables to obtain a negative substratum, which enables to preserve the upper part of the structure and obtain design parameters of the microwave resonator. In direct lithography there is a positive substratum, which does not allow preserving the upper part of the structure. To solve the task, copper plate is pre-coated with cobalt, which is used as a mask for further etching of the Bragg grating structure. Photomask is fabricated with due allowance for subsequent correction of Bragg grate dimensions to reduce pickling of grid element side walls during etching to preset depth. Etching depends on depth of etching.

EFFECT: object of the invention is to obtain overall Bragg gratings with an arbitrary preset structure with etching depth of more than 300 mcm with the possibility of correction of the side shedding care at low costs and simplicity of the technological process.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к обработке подложек для получения вогнуто-выпуклой структуры. Целью изобретения является получение габаритных брэгговских решеток (до 700 мм.) с произвольной заданной структурой с глубиной травления более 300 мкм при малых затратах и простоте технологического процесса.The invention relates to the processing of substrates to obtain a concave-convex structure. The aim of the invention is to obtain dimensional Bragg gratings (up to 700 mm.) With an arbitrary specified structure with an etching depth of more than 300 microns at low cost and simplicity of the process.

В соответствии с уровнем техники в настоящее время известно несколько способов изготовления брэгговских структур: механическая, электроискровая, лазерная обработка поверхности, а также химическое травление.In accordance with the prior art, several methods for manufacturing Bragg structures are currently known: mechanical, electric spark, laser surface treatment, as well as chemical etching.

Недостатком способа механической обработки является длительность процесса, необходимость использования высокотехнологичного дорогостоящего оборудования, при условии частой смены режущего инструмента. Способ механической обработки не позволяет получить двумерную структуру с заданной точностью. Способ электроискровой обработки имеет аналогичные недостатки.The disadvantage of the machining method is the length of the process, the need to use high-tech expensive equipment, subject to frequent changes of the cutting tool. The machining method does not allow to obtain a two-dimensional structure with a given accuracy. The spark processing method has similar disadvantages.

Способ лазерной обработки подложки получения брэгговских структур широко описан в литературе и применим для получения волоконных брэгговских структур. Основным недостатком данного способа, несмотря на его простоту и эффективность, является необходимость использования дорогостоящего оборудования. В патентах US 2003/0128929 А1 и WO 2006/045632 А1 описаны способы получения брэгговских решеток на основе оптических волокон, недостатками которых является малая глубина травления и необходимость использования дорогостоящего оборудования.A method of laser processing a substrate to obtain Bragg structures is widely described in the literature and is applicable to the production of fiber Bragg structures. The main disadvantage of this method, despite its simplicity and effectiveness, is the need to use expensive equipment. US 2003/0128929 A1 and WO 2006/045632 A1 disclose methods for producing Bragg gratings based on optical fibers, the disadvantages of which are the small etching depth and the need to use expensive equipment.

Преимущество способа химического травления заключается в быстроте процесса (суммарно процесс занимает несколько часов), малых затратах на производство, возможности получения произвольного рисунка структуры любой заданной конфигурации, с высокой точностью изготовления и глубиной травления более 300 мкм.The advantage of the chemical etching method is the speed of the process (the process takes several hours in total), low production costs, the possibility of obtaining an arbitrary pattern of the structure of any given configuration, with high manufacturing accuracy and etching depth of more than 300 microns.

Известны технические решения изготовления брэгговских структур, представленных в патентах CN 101064411 А и US 5817537 А. Способы, описанные в перечисленных патентах, не позволяют получить габаритные брэгговские решетки с необходимой глубины травления более 300 мкм, и возможностью корректировки ухода подтрава боковых стенок с последующим использованием брэгговских решеток в качестве резонатора в мазерах на свободных электронах. Кроме того, поверхность подложки должна быть проводящей для работы с ленточным электронным пучком.Known technical solutions for the manufacture of Bragg structures presented in patents CN 101064411 A and US 5817537 A. The methods described in the above patents do not allow to obtain dimensional Bragg gratings with the required etching depth of more than 300 microns, and the possibility of adjusting the leaving of the underside of the side walls with the subsequent use of Bragg gratings as a resonator in free electron masers. In addition, the surface of the substrate must be conductive to work with a tape electron beam.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является патент № US 20100303411 А1. При использовании прямой литографии, основным недостатком данного способа является малая глубина травления и отсутствие возможности корректировки элемента структуры брэгговской решетки, в зависимости от глубины травления, маска используется для защиты от подтравов паразитных частей решетки на габаритном периметре пластины, но не дает возможность корректировать основные элементы структуры.Closest to the proposed method according to the technical nature and the achieved result is patent No. US 20100303411 A1. When using direct lithography, the main disadvantage of this method is the small etching depth and the inability to adjust the structure element of the Bragg grating, depending on the etching depth, the mask is used to protect from ghosting of the parasitic parts of the grating on the overall perimeter of the plate, but does not allow the main structural elements to be adjusted .

Широко известные способы получения брэгговских структур, описанные в статье В.В. Глебова [О проблеме бокового подтравливания при химическом и электрохимическом гравировании. Фундаментальные исследования. 2011, N 8-З, стр. 623-626.] не позволяют решить поставленную задачу, так как для получения заданной конфигурации структурного элемента используют прямую литографию, а в качестве маски - фоторезист, что не дает возможности получить необходимую глубину травления с расчетным уходом подтрава боковой стеки структуры. В предложенном авторами способе имеет место обратная литография, где в качестве маски служит кобальт. Технология обратной литографии позволяет поучить отрицательный подтрав, что позволяет сохранить верхнюю часть структуры и получить расчетные параметры СВЧ-резонатора. При прямой литографии имеет место положительный подтрав, который не позволяет сохранить верхнюю часть структуры.Well-known methods for producing Bragg structures described in the article by V.V. Glebova [On the problem of lateral etching in chemical and electrochemical engraving. Basic research. 2011, N 8-З, pp. 623-626.] Do not allow to solve the problem, since direct lithography is used to obtain the given configuration of the structural element, and photoresist is used as a mask, which makes it impossible to obtain the required etching depth with calculated leaving undergrowth of side structure stacks In the method proposed by the authors, reverse lithography takes place, where cobalt serves as a mask. Reverse lithography technology allows you to learn the negative etching, which allows you to save the upper part of the structure and obtain the calculated parameters of the microwave cavity. With direct lithography, a positive etch takes place, which does not allow preserving the upper part of the structure.

Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа изготовления габаритных брэгговских структур для резонаторов мазеров на свободных электронах [А.V. Arzhannikov, N.S. Ginzburg, P.V. Kalinin, S.A. Kuznetsov, A.M. Malkin, N. Yu. Peskov, et al., PRL 117, 114801 (2016) // Using Two-Dimensional Distributed Feedback for Synchronization of Radiation from Two Parallel-Sheet Electron Beams in a Free-Electron Maser].The present invention is to provide a system and method for the manufacture of dimensional Bragg structures for resonators of masers on free electrons [A.V. Arzhannikov, N.S. Ginzburg, P.V. Kalinin, S.A. Kuznetsov, A.M. Malkin, N. Yu. Peskov, et al., PRL 117, 114801 (2016) // Using Two-Dimensional Distributed Feedback for Synchronization of Radiation from Two Parallel-Sheet Electron Beams in a Free-Electron Maser].

Для достижения поставленной задачи с помощью известных компьютерных программ (Auto CAD) создается растровый файл с заданной конфигурацией рисунка и расчетным упреждением для заданной глубины травления. На фиг. 1 (Фотошаблон для определения упреждения ухода боковых стенок структуры) представлен шаблон для расчета упреждения ухода на заданной глубине травления.To achieve this goal, using a well-known computer program (Auto CAD), a raster file is created with a given pattern configuration and design lead for a given etching depth. In FIG. 1 (A photomask for determining the proactive care of the side walls of the structure) presents a template for calculating the proactive care at a given etching depth.

На поверхность гладкой медной пластины, не требующей предварительной обработки, поскольку используется стандартный холоднокатаный лист меди 7-8 класса чистоты, электролитическим способом, наносится кобальт, который в дальнейшем используется в качестве маски. Производится обратная фотолитография по технологии изготовления стандартных однослойных печатных плат. Химическое травление производится в несколько циклов, поскольку один цикл не позволяет получить расчетную глубину из-за разброса параметров травильной машины: концентрации раствора, скорости подачи пластины, температуры раствора, неравномерности давления струи раствора. Поэтому после каждого цикла изменяется направление движения пластины в растворе на 180 градусов с целью выравнивания дна канавки структурного элемента, поскольку боковое давление раствора не равномерно. Производится замер глубины травления структуры и последующая корректировка числа циклов, необходимых для достижения заданной глубины.On the surface of a smooth copper plate that does not require pre-treatment, since a standard cold-rolled sheet of copper of grade 7-8 is used, grade cobalt is applied electrolytically, which is subsequently used as a mask. Reverse photolithography is performed using the technology of manufacturing standard single-layer printed circuit boards. Chemical etching is performed in several cycles, since one cycle does not allow to obtain the calculated depth due to the scatter of the parameters of the etching machine: concentration of the solution, feed rate of the plate, temperature of the solution, uneven pressure of the solution stream. Therefore, after each cycle, the direction of movement of the plate in the solution changes by 180 degrees in order to align the bottom of the groove of the structural element, since the lateral pressure of the solution is not uniform. The depth of etching of the structure is measured and the subsequent adjustment of the number of cycles necessary to achieve a given depth is made.

Преимущества способа изготовления брэгговской структуры с помощью химического травления при использовании обратной литографии, заключается в быстроте процесса, малых затратах на производство, произвольного выбора рисунка структуры, высокой точности изготовления линейных размеров структуры (погрешность менее 20 мкм), а также точности получения требуемой глубины травления - не менее 5%. Такая технология позволяет изготовлять структуры с пространственным периодом 2-4 мм линейной (фиг. 2) и шахматной (фиг.3) конфигурации с одинаковой глубиной травления по всей поверхности образца с размерами до 700 мм при глубине травления более 300 мкм. Помимо изготовления резонаторов для мазеров, данную технологию можно использовать для производства квазиоптических элементов СВЧ-трактов сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.The advantages of the method of manufacturing a Bragg structure using chemical etching using reverse lithography is the speed of the process, low production costs, arbitrary selection of the structure pattern, high precision manufacturing of linear dimensions of the structure (error less than 20 microns), as well as the accuracy of obtaining the required etching depth - not less than 5%. This technology allows us to produce structures with a spatial period of 2-4 mm linear (Fig. 2) and chessboard (Fig. 3) configurations with the same etching depth over the entire surface of the sample with dimensions up to 700 mm with an etching depth of more than 300 microns. In addition to the manufacture of resonators for masers, this technology can be used to produce quasi-optical elements of the microwave paths of the centimeter and millimeter wave ranges.

Claims

A method of manufacturing a Bragg structure with corrugation of the surface, including chemical etching of the copper plate in one or two coordinates to obtain a Bragg grating, characterized in that the chemical etching of the structure of the Bragg plate is performed in several cycles by reverse photolithography, which allows to increase the etching depth with minimal etching of the side wall structures using cobalt as a mask and taking into account the predictive calculated displacement on the photo mask for correction stroke linear dimension etched recesses due to the lateral etch structure wall.