Способ изготовления высокоаспектных микроструктур

Изобретение относится к микросистемной технике и технологии и может быть использовано для создания микроструктур в различных материалах, например, в неорганических соединениях типа хлорида натрия и иодида цезия допированного таллием, с аспектным отношением больше единицы.

Одним из способов увеличения пространственного разрешения сцинтилляционных экранов с сохранением их чувствительности является их структурирование, а именно разбиение сцинтилляционного экрана на оптически изолированные друг от друга ячейки. Пространственное разрешение такого экрана определяется латеральными размерами ячейки, а его чувствительность высотой ячейки. Обычно такой экран представляет собой матрицу, набранную из отдельных кристаллов типа LSO, LYSO или BGO, со вставками из отражающего материала между ними. Размеры каждого кристалла составляют обычно не меньше нескольких миллиметров. Сборка такого экрана является крайне трудоемким процессом, причем при уменьшении размеров отдельного кристалла трудоемкость значительно возрастает.

Известен способ разбиения кристалла сцинтиллятора на ячейки посредством лазерной абляции [H. Sabet, H. Kudrollia and etc. Laser pixelation of thick scintillators for medical imaging applications: X-ray studies. Proc. of SPIE Vol. 8853, 88530B. 2013]. Это наиболее близкий аналог предлагаемому способу. Таким образом можно получить ячейки размером 1×1×10 мм³ в кристалле LYSO размером 20×20 мм², или ячейки размером 0,392×0,392×10 мм³ в кристалле CsI:Tl в области размером 7×7 мм². Недостатком данного способа является его ограниченная производительность. Время обработки кристалла пропорционально числу ячеек, а время обработки одной ячейки ограниченно риском разрушения кристалла из-за его перегревания. Поэтому обычно размеры таких экранов составляют не больше 20×20 ячеек.

Также известен способ получения высокоаспектных микроструктур в неорганических соединениях типа хлорида натрия посредством радиационно-индуцированной абляции при облучении мягким рентгеновским излучением через трафаретную маску [Katoh, Т. & Zhang, Y. (1998), 'High aspect ratio micromachining by synchrotron radiation direct photo-etching', Microsystem Technologies 4(3), 135-138.].

Все существующие работы по получению высокоаспектных микроструктур радиационно-индуцированной абляцией проводились посредством облучения фотонами на синхротронных источниках излучения. Только синхротронные источники могут обеспечить необходимую яркость в нужном спектре излучения. Однако, источники синхротронного излучения - это большие установки отличающиеся дорогостоящем операционным временем.

Известно, что облучение электронами оказывает на фторполимеры схожее действие С облучением рентгеном [Wheeler, D.R. & Pepper, S.V. (1990), 'X-ray photoe-lectron and mass spectroscopic study of electron irradiation and thermal stability of polytetrafluoro-ethylene', Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 8(6), 4046-4056.], поэтому было предложено использовать электронно-лучевое облучение вместо рентгеновского.

Также нужно отметить, что использование трафаретных масок накладывает ограничения на выбор топологии. Существует способ [Vladimirsky, Y.; Vladimirsky, О. & Saile, Y. (1994), High aspect ratio microstructures and methods for manufacturing microstructures, Patent US 6093520], который позволяет создавать произвольную топологию без использования несущих мембран. В этом способе шаблон формируется непосредственно на образце.

Предложенный способ предполагает использование радиционно-индуцированной абляции. То есть для получения высокоаспектных микроструктур не используются химически активные вещества и не предполагается изменение химического состава облученного вещества.

В предложенном способе изготовления высокоаспектных микроструктур - требуемая топология задается трафаретным шаблоном или маской, например, из меди, сформированной непосредственно на облучаемой подложке посредством, например, взрывной литографии. Образец облучается по всей площади потоком электронов. Толщина маски должна быть достаточной, чтобы полностью поглотить падающие частицы. На неприкрытых маской областях происходит радиационно-индуцированная абляция. Закрытые маской области остаются нетронутыми.

Например, при облучении кристалла иодида цезия через никелевую сетку с отверстиями диаметром 120 мкм можно получить поры глубиной до 900 мкм и диаметром до 150 мкм при облучении в течение 30 минут. На кристалле хлорида натрия можно сформировать посредством взрывной литографии топологию из меди толщиной 1 мкм и минимальным топологическим размером 3 мкм, и после электронно-лучевого облучения получить структуры с аспектным отношением больше единицы. В обоих случаях используется электронная пушка с ускоряющим напряжением 10 кВ и током до 20 мА для облучения образца диаметром до 60 мм.