Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах (стр. 9 из 24)
НИЛ-процесс проводится с использованием твердых (на основе пластин кварца) обычно одноуровневых наноштампов с площадью штамповки (10х10 мм, 15х15 мм, 26х32 мм и 26х33 мм), перемещаемых по поверхности пластин диаметром до 300 мм, на которых негативный по отношению к получаемому на рабочей пластине топологический рисунок с размерами элементов до 20 нм формируется на одном уровне по высоте в слоях кварца или пленках двуокиси кремния толщиной от 100 до 200 нм.
Общий вид наноштампа представлен на рисунке 2.11. Наноштампы обычно изготавливаются из кварцевой фотошаблонной заготовки размером 152х152х6,35 мм. По базовому варианту на нее осаждается слой хрома толщиной 15 нм, на который наносится пленка высокоразрешающего позитивного электронного резиста, например, ZEP 520A, толщиной 80-100 нм. Пленка электронорезиста экспонируется на самом высокоразрешающем оборудовании (например, Leica UHR) высокоэнергетическим (100 кэВ) электронным пучком диаметром несколько нанометров.
Рисунок 2.11 – Общий вид наноштампа
После жидкостного проявления и плазменной зачистки топологического рисунка и меток совмещения в электронорезисте проводится травление пленки хрома и удаление остатков электронорезистивной маски. Хром служит маской для реактивного ионного травления кварца в газоразрядной плазме на основе хладона-23 (CHF3) на глубину 100-200 нм. Затем слой хрома удаляется в жидкостном травителе с поверхности кварца, и на ней путем травления в растворе плавиковой кислоты через маску формируется пьедестал с заданной площадью и высотой 15 мкм. Площадь пьедестала определяет площадь штамповки. Из одной фотошаблонной заготовки с помощью резки и обработки можно получить 4 наноштампа размером 65х65 мм.
Наноштамп размером 26×32 мм содержит 3 вида меток. в каждом из которых по 20 отражателей, расположенных на различных расстояниях от приемо-передающего ВШП. Массивы из 20 отражателей не перекрываются, последний отражатель в предыдущей метке всегда ближе на одно временное положение, чем первый отражатель в последующей метке. Общее число временных положений, в которых могут находиться отражатели, равно 100.
Перед штамповкой поверхность наноштампов обрабатывается раствором или аэрозолью аморфных фторполимеров или в разряде фторуглеродов с целью создания на их поверхности сверхтонкой (мономолекулярной) пленки для лучшего отделения наноштампа от материала после штамповки.
На начальном этапе поверхность пластины, как гладкая, так и с ранее созданным топологическим рельефом, предварительно покрывается с помощью центрифуги органическим передаточным слоем, который одновременно выполняет адгезионную и планаризирующую функции. Толщина слоя варьируется в зависимости от высоты рельефа на пластине от 1 до 700 нм. В качестве передаточного слоя могут использоваться слои полиимида, органических фоторезистов и антиотражающих покрытий.
На область пластины, подвергаемую штамповке, с помощью системы подачи из микросопла системы НИЛ наносится слой кремнийсодержащего фотополимеризующего (под действием ультрафиолетового (УФ) излучения (с λ = 365 нм) жидкого мономера с низкой вязкостью (<5 сантипуаз). Этот слой слой также называется печатным или барьерным к травлению слоем, и его исходная толщина варьируется в зависимости от высоты рельефа наноштампа 75-270 нм.
Перед штамповкой через прозрачный наноштамп с помощью устройства совмещения системы и набора меток, расположенных на наноштампе и пластине, осуществляется совмещение их топологических рисунков. Системы НИЛ обеспечивают точность совмещения (отклонения) топологий на наноштампе и пластине от 1 мкм до 20 нм.
После нанесения печатного слоя производится процесс штамповки (впечатывание наноштампа в жидкий мономер), которая осуществляется при комнатной температуре и давлениях ниже 0,07 атмосфер. Затем проводится УФ-облучение жидкого мономера через кварцевый наноштамп с целью его отверждения. При этом объем мономера немного уменьшается, что позволяет легко извлечь наноштамп из затвердевшего печатного слоя.
Затем на поверхность этого полимерного слоя с топологическим рисунком с помощью центрифуги наносится слой кремнесодержащего полимера и проводится его изотропное травление (жидкостное химическое или плазмохимическое) до выхода на поверхность границы органического фотополимерного слоя. После этого проводится анизотропное травление в кислородсодержащей плазме фотополимерного и передаточного слоев до поверхности подложки или подлежащего функционального слоя, и формируется обращенная (негативная) топологии наноштампа маска (рис. 2в, четвертый этап).
Для изготовления топологического рельефа РЧИД-метки наиболее целесообразно применить взрывную обращенную НИЛ. По сравнению с прямой обращенная НИЛ позволяет получать более качественный топологический рисунок на непланарных поверхностях пластин в более толстых передаточных слоях.
В процессе взрывной обращенной НИЛ на сформированную маску наносится функциональный слой, который после удаления (взрыва) маски остается на немаскированных участках подложки (пластины) (рис. 2.12, шестой этап). Для лучшего удаления маски на поверхность пластины перед формированием передаточного слоя или вместо него наносится специальный легко удаляемый в растворах слой.
Рисунок 2.12 – процесс взрывной наноимпринтлитографии.
НИЛ может быть совмещена со стандартной оптической проекционной фотолитографией для получения топологии на слоях с самыми малыми размерами. Для этого наноштамп (набор наноштампов) совмещается с комплектом фотошаблонов по площади печатаемых на пластине кристаллов и меткам совмещения топологии. Данный способ применим при кодировании данных путем стравливания отдельных отражателей с помощью специального кодирующего фотошаблона.
В целях уменьшения акустических потерь в металлической пленке толщина напыления выбирается равной не более 1000 ангстрем (100 нм). Шины приемо-передающего ВШП создаются с использованием дополнительного фотошаблона с окнами для напыления металлической пленки толщиной 3000 ангстрем.
Напыление алюминиевой пленки производится в установке УВН-75П-1 с применением электронно-лучевого испарения из тигля, применение которого позволяет существенно улучшить адгезию к поверхности звукопровода и отказаться от адгезионного подслоя из ванадия.
2.4 Карта идентификации. Проверка работоспособности меток
Так как характеристики метки весьма чувствительны к различным загрязнениям поверхности подложки, особенно в СВЧ диапазоне, а алюминиевая пленка толщиной менее 1 мкм подвержена разрушению при взаимодействии с различными агрессивными веществами, содержащимися в атмосфере, метки необходимо помещать в герметичный корпус.
К контактным площадкам метки с помощью ультразвуковой сварки приваривается согласующая печатная катушка индуктивности в паре с печатной антенной. Эти элементы размещаются на отдельной печатной плате, размеры которой не должны превышать размеров обыкновенной пластиковой карты с магнитной полосой (т.е. 8.5×5.5 см).
Нижняя поверхность кристаллической подложки метки на ПАВ покрывается равномерным слоем клея типа RTV с серебряным заполнением толщиной приблизительно 1 мм и центрируется в небольшом углублении на печатной плате. После этого к подложке прикладывается малое распределенное давление до тех пор, пока между нижней поверхностью и поверхностью печатной платы не останется амортизационный слой клея толщиной 0,6 мм. Данный подход с одной стороны позволяет защитить кристалл от повреждений при ударных и вибрационных нагрузках, а с другой, снижает уровень электромагнитных наводок.
Печатная плата с прикрепленной к ней меткой запаивается в пластиковый корпус, также имеющий углубление, совпадающее с размерами метки. Глубина отверстия выбирается таким образом, чтобы имелся воздушный зазор, позволяющий свободно распространяться ПАВ по подложке метки. Рассмотрим каждый из этих элементов карты идентификации более подробно.
2.4.1 Антенна
В основе конструкций большинства антенн радиочастотных меток лежит полуволновый диполь [19]. На рисунке 2.13 приведены диаграммы направленности элементарного полуволнового диполя в вертикальной и азимутальной плоскостях. Азимутальная диаграмма направленности диполя представляет собой окружность, а вдоль оси диполя излучение отсутствует.
Рисунок 2.13 - Элементарный полуволновый диполь (а) и его диаграмма направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (с) плоскостях
Также известно, что для элементарного диполя лишь одна компонента электрического поля отлична от нуля (или Еθ, или Еφ), то есть диполь возбуждает линейно поляризованную волну. Так, например, вертикально расположенный диполь возбуждает волну с вертикальной поляризацией, а горизонтально поляризованная волна возбуждается горизонтальным диполем. Такими же поляризационными свойствами обладают приведенные выше антенны. Таким образом, в соответствии с направленными и поляризационными свойствами дипольных антенн наилучшая связь между считывателем и меткой имеет место тогда, когда приемопередающая антенна считывателя и антенна метки находятся в параллельных плоскостях. В этом случае метка успешно идентифицируется считывателем. Если же антенны расположены под углом 90о одна относительно другой или ориентированы вдоль одной линии, то метка с данного направления идентифицирована не будет. Такая зависимость надежности считываемости идентификационных данных метки, использующую дипольную антенну, от ориентации ее по отношению к антенне считывателя является наиболее важным недостатком используемых радиочастотных меток.