LIGA加工技術(shù)

1、LIGA加工技術(shù)LIGA技術(shù)簡(jiǎn)介技術(shù)簡(jiǎn)介 LIGA技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用 LIGA是深結(jié)構(gòu)曝光和電鑄的代名詞。LIGA是德文Lithographie(LI)、Galanoformung(G) 、 Abformung(A)三個(gè)詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫(xiě),是20世紀(jì)80年代初德國(guó)卡爾斯魯原子能研究所W.Ehrfeld等發(fā)明的的一種制造微型零件的新工藝方法。 用LIGA技術(shù)進(jìn)行超微細(xì)加工有如下特點(diǎn)： 可制造有較大深寬比的微結(jié)構(gòu),這種工藝方法可以制作微器件的高度1000m，可以加工橫向尺寸為0.5m,和高寬比大于200的立方微架構(gòu)，取材廣泛，可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu)，精度高，加

2、工精度可達(dá)0.1m ；可重復(fù)復(fù)制，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，成本低。 缺點(diǎn)是成本高，難以加工含有曲面、斜面和高密度微尖陣列的微器件，不能生成口小肚大的腔體等 . LIGA 技術(shù)自問(wèn)世后, 發(fā)展非常迅速, 德國(guó)、美國(guó)和日本都開(kāi)展了該技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。 用LIGA技術(shù)已研制和正在研制的產(chǎn)品有微軸、微齒輪、微彈簧、多種微機(jī)械零件、多種微傳感器、微電機(jī)、多種微執(zhí)行器、集成光學(xué)和微光學(xué)原件、微電子原件、微型醫(yī)療器械和裝置、流體技術(shù)微元件、多種微納米原件及系統(tǒng)等。LIGA技術(shù)涉及的尖端科技領(lǐng)域和產(chǎn)品部門(mén)甚廣，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的重要性是顯而易見(jiàn)的。LIGA技術(shù)的工藝流程 1. X射線深度光刻； 2. 顯影； 3

3、. 電鑄制模； 4. 注塑復(fù)制。 深度X射線曝光 將光刻膠涂在有很好的導(dǎo)電性能的基片上，然后利用同步X射線將X光掩模上的二維圖形轉(zhuǎn)移到數(shù)百微米厚的光刻膠上?？涛g出深寬比可達(dá)幾百的光刻膠圖形。X光在光刻膠中的刻蝕深度受到波長(zhǎng)的制約。若光刻膠厚度10-1000微米應(yīng)選用典型波長(zhǎng)為0.1-1納米 的同步輻射源。 顯影 將曝光后的光刻膠放到顯影液中進(jìn)行顯影處理，曝光后的光刻膠如（）分子長(zhǎng)鍵斷裂，發(fā)生降解， 降解后的分子可溶于顯影液中，而未曝光的光刻膠顯影后依然存在。這樣就形成了一個(gè)與掩模圖形相同的三維光刻膠微結(jié)構(gòu)。 電鑄制模 利用光刻膠層下面的金屬薄層作為陰極對(duì)顯影后的三維光刻膠微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鍍。將金屬

4、填充到光刻膠三維結(jié)構(gòu)的空隙中，直到金屬層將光刻膠浮雕完全覆蓋住，形成一個(gè)穩(wěn)定的、與光刻膠結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的密閉金屬結(jié)構(gòu)。此金屬結(jié)構(gòu)可以作為最終的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，也可以作為批量復(fù)制的模具。 對(duì)顯影后的樣品進(jìn)行微電鑄, 就可以獲得由各種金屬組成的微結(jié)構(gòu)器件。微電鑄的原理是在電壓的作用下,陽(yáng)極的金屬失去電子, 變成金屬離子進(jìn)入電鑄液, 金屬離子在陰極獲得電子, 沉積在陰極上, 當(dāng)陰極的金屬表面有一層光刻膠圖形時(shí), 金屬只能沉積到光刻膠的空隙中, 形成與光刻膠相對(duì)應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)。 微電鑄的常用金屬為鎳、銅、金、鐵鎳合金等。由于要電鑄的孔較深, 必須克服電鑄液的表面張力, 使其進(jìn)入微孔中, 用微電鑄工藝還要電鑄出用

5、于微復(fù)制工藝的微結(jié)構(gòu)模具, 要求獲得的模具無(wú)內(nèi)應(yīng)力, 因此, LIGA 技術(shù)對(duì)電鑄液的配方和電鑄工藝都有特殊的要求。解決該問(wèn)題的辦法是: 在電鑄液中添加表面抗張力劑, 采用脈沖電源, 或利用超聲波增加金屬離子的對(duì)流。 注塑復(fù)制 用上述金屬微結(jié)構(gòu)為模板，采用注塑成型或模壓成型等工藝，重復(fù)制造所需的微結(jié)構(gòu)。符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，降低成本。X射線光源射線光源 由于深度同步輻射X射線是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。普通X射線曝光所用X射線的穿透能力有限，不適合超深結(jié)構(gòu)的加工，所以在選擇光源的時(shí)候需要功率強(qiáng)大的同步輻射加速器產(chǎn)生的硬X射線作光源。它的強(qiáng)度是普通X射線強(qiáng)度的幾千到上萬(wàn)倍。 這種同步輻射X射線是由同步

6、加速器和儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的高能相對(duì)論性電子發(fā)射出來(lái)的。這種電子由電磁場(chǎng)進(jìn)行加速，加速方向與其運(yùn)動(dòng)方向垂直。發(fā)射出來(lái)的輻射譜從微波波長(zhǎng)區(qū)，經(jīng)過(guò)紅外波長(zhǎng)區(qū)、看見(jiàn)光、紫外波長(zhǎng)區(qū)、一直延伸到X射線波長(zhǎng)區(qū)。 同步輻射X射線輻射照度很強(qiáng)，故曝光時(shí)間較短，它的波長(zhǎng)甚短，穿透能力極強(qiáng)，故可以達(dá)到很大的光刻厚度。這種光源的平行度極好，刻出的圖形側(cè)壁光滑陡峭，可以有很高的橫向分辨率和很大的高寬比。所以可以說(shuō)深度同步輻射X射線光源是LIGA技術(shù)的最重要和最基本的設(shè)備。 深度同步輻射X射線不僅價(jià)格極其昂貴，而且國(guó)內(nèi)外由此設(shè)備的單位也較少，因此有的單位就使用超紫外線光源和普通的X射線光源。這種光源波長(zhǎng)長(zhǎng)，強(qiáng)度和平行性也不夠理想

7、，故光刻的深度較淺，質(zhì)量稍差。使用這種光源代替同步輻射X光源，一般稱(chēng)為準(zhǔn)LIGA技術(shù)。LIGA掩膜掩膜 LIGA光刻中采用的同步輻射X射線，它的穿透能力極強(qiáng)，這對(duì)X光掩膜板的要求極高，普通IC工業(yè)中的掩膜，因不能承受這樣的穿透力，己不能使用。所以組成掩膜的阻擋X射線的吸收體、載體薄片（基板）和外框架，各自有自身的特殊要求。 掩膜的吸收體 在光學(xué)光刻中的使用的紫外線光，只要大約0.1m厚的Cr膜做吸收體就足夠了。而X射線光刻的吸收體，因要吸收強(qiáng)X射線，需要用高吸收系數(shù)的重金屬，原子量大的物質(zhì)常被用作X 射線曝光的吸收體如Au。要得到實(shí)施LIGA 工藝所需的X 射線吸收的最大合適值, Au 吸收體

8、的厚度必須大于10m。吸收體的厚度取決于同步加速器輻射X射線的強(qiáng)度和被照射的光刻膠厚度確定。 掩膜的載體薄片 掩膜的載體薄片要求有很高的X射線透過(guò)率和一定的強(qiáng)度。普通光學(xué)光刻中使用的掩膜載體，是大約2mm厚的玻璃或石英片，它們對(duì)X射線有較強(qiáng)的吸收率，故不能使用。金屬鈹薄膜具有很高的X射線透過(guò)率和一定的強(qiáng)度，是較理想的載體，但鈹不僅有毒而且價(jià)格昂貴。所以現(xiàn)在一般選用鈦薄膜做載體，但鈦的X射線透過(guò)率低于鈹，故必須減少載體薄膜的厚度。實(shí)際使用的鈦膜厚度為2-3m，厚度很小，增加了制作難度。 掩膜的外框架 掩膜的外框架由低膨脹系數(shù)的合金制造，以減少載體薄膜工作時(shí)所受的應(yīng)力。 X射線薄膜的制作 對(duì)于LI

9、GA光刻中使用的X射線掩膜，由于對(duì)其吸收體金膜要求的厚度大于10m，對(duì)薄膜載體的鈦膜的要求厚度僅為2m，很難用普通光刻技術(shù)制造出來(lái)?，F(xiàn)在的制造方法是先用普通的光刻技術(shù)制造出金吸收層厚度小于3m的中間掩膜，再用這個(gè)中間掩膜通過(guò)X射線曝光刻蝕，制造出金吸收厚度大于10m的正式的X射線工藝薄膜?？刮g光刻膠 LIGA工藝制造的器件精度高，因此要求光刻膠有很高的分辨率，投明度好, 且對(duì)鍍液有較好的耐蝕性。根據(jù)這一要求現(xiàn)在使用的唯一抗蝕光刻膠是聚甲基丙烯（PMMA)，它在X射線光刻時(shí)有極好的圖像再現(xiàn)性，固化后強(qiáng)度高，能形成很大高寬比和很精細(xì)的精密三維圖形結(jié)構(gòu)。 PMMA是一種對(duì)電子束敏感的高分辨率的抗蝕性

10、材料，X射線曝光過(guò)程是在PMMA中激發(fā)光電子，光電子使聚合物的長(zhǎng)鏈大分子變成可溶的小分子。 在LIGA工藝中抗蝕光刻膠起著很重要作用。要形成厚達(dá)數(shù)百到上千微米、均勻、致密、平整的光刻膠，是有一定難度的。制作這種厚的膠層本身就是一種特殊的技術(shù)。 這種刻蝕光刻膠一般直接在基底的金屬板上生成，也有的先制成聚合體版再黏貼到基底金屬板上。最有效的方法是直接將商品PMMA硬膜粘附到基體材料表面。 制作抗蝕光刻膠時(shí)，很重要的一點(diǎn)是它必須和金屬基底牢固連接，制成的很窄很高的構(gòu)件仍能牢固的連接在基板上。 由于PMMA涂覆在作為電鍍基層的金屬導(dǎo)電膜上，因此PMMA的附著性能主要是與金屬導(dǎo)電膜的親和性能。如果是鈦為

11、金屬導(dǎo)電體，可以通過(guò)化學(xué)處理在鈦表面生成一層氧化鈦，氧化鈦是多孔材料，這樣增大接觸面積，增大附著力，或者通過(guò)化學(xué)增附劑改善附著性能。影響LIGA圖形精度的因素 盡管LIGA技術(shù)可以制作深寬比極大、邊壁極陡直的微細(xì)結(jié)構(gòu)，但仍有一些因素限制其可能獲得更高的精度，這些因素包括X射線的衍射與光電子散射效應(yīng)、同步輻射光源的發(fā)散效應(yīng)、吸收層圖形非陡直邊壁的效應(yīng)、掩膜畸變效應(yīng)、基層材料的二次電子效應(yīng)。 知道了以上的影響因素，使用過(guò)程中加以注意和進(jìn)行必要的處理，有助于精度保證。準(zhǔn)LIGA技術(shù) LIGA 技術(shù)已經(jīng)在微傳感器、微制動(dòng)器、微光學(xué)器件和其他微機(jī)械加工中顯示出無(wú)可比擬的優(yōu)越性。但是LIGA 工藝需要昂貴的同步輻射X 光源和制作復(fù)雜的X 線掩模。 為了解決這一問(wèn)題, 科技人員發(fā)明了用紫外線或激光光刻工藝來(lái)代替同步輻射X 光深層光刻的工藝稱(chēng)為準(zhǔn)LIGA 技術(shù)。如用紫外光刻的UV- LIGA, 用激光燒蝕的Laster- LIGA, 用硅深刻蝕工藝的Si- LIGA 和DEM技術(shù), 以及用等離子束刻蝕的IB- LIGA 等。雖然這些技術(shù)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)低于同步輻射LIGA 技術(shù), 但由于其成本低廉, 加工周期短, 大大擴(kuò)展了LIGA 技術(shù)的應(yīng)用范圍。 UV-LIGA技術(shù) UV-LIGA技術(shù)是美國(guó)威斯康星大學(xué)Henry Guckle教授等人在1990年研究開(kāi)發(fā)提