LIGA加工技术.ppt

LIGA加工技术LIGA技术简介技术简介LIGA技术的特点与应用LIGA是深结构曝光和电铸的代名词。LIGA是德文Lithographie(LI)、Galanoformung(G)、Abformung(A)三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写,是20世纪80年代初德国卡尔斯鲁原子能研究所W.Ehrfeld等发明的的一种制造微型零件的新工艺方法。用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：可制造有较大深宽比的微结构,这种工艺方法可以制作微器件的高度1000m，可以加工横向尺寸为0.5m,和高宽比大于200的立方微架构，取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作复杂图形结构，精度高，加工精度可达0.1m；可重复复制，符合工业上大批量生产要求，成本低。缺点是成本高，难以加工含有曲面、斜面和高密度微尖阵列的微器件，不能生成口小肚大的腔体等.LIGA 技术自问世后,发展非常迅速,德国、美国和日本都开展了该技术领域的研究工作。用LIGA技术已研制和正在研制的产品有微轴、微齿轮、微弹簧、多种微机械零件、多种微传感器、微电机、多种微执行器、集成光学和微光学原件、微电子原件、微型医疗器械和装置、流体技术微元件、多种微纳米原件及系统等。LIGA技术涉及的尖端科技领域和产品部门甚广，其技术经济的重要性是显而易见的。LIGA技术的工艺流程1.X射线深度光刻；2.显影；3.电铸制模；4.注塑复制。深度X射线曝光将光刻胶涂在有很好的导电性能的基片上，然后利用同步X射线将X光掩模上的二维图形转移到数百微米厚的光刻胶上。刻蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形。X光在光刻胶中的刻蚀深度受到波长的制约。若光刻胶厚度10-1000微米应选用典型波长为0.1-1纳米 的同步辐射源。显影将曝光后的光刻胶放到显影液中进行显影处理，曝光后的光刻胶如（）分子长键断裂，发生降解，降解后的分子可溶于显影液中，而未曝光的光刻胶显影后依然存在。这样就形成了一个与掩模图形相同的三维光刻胶微结构。电铸制模利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极对显影后的三维光刻胶微结构进行电镀。将金属填充到光刻胶三维结构的空隙中，直到金属层将光刻胶浮雕完全覆盖住，形成一个稳定的、与光刻胶结构互补的密闭金属结构。此金属结构可以作为最终的微结构产品，也可以作为批量复制的模具。对显影后的样品进行微电铸,就可以获得由各种金属组成的微结构器件。微电铸的原理是在电压的作用下,阳极的金属失去电子,变成金属离子进入电铸液,金属离子在阴极获得电子,沉积在阴极上,当阴极的金属表面有一层光刻胶图形时,金属只能沉积到光刻胶的空隙中,形成与光刻胶相对应的金属微结构。微电铸的常用金属为镍、铜、金、铁镍合金等。由于要电铸的孔较深,必须克服电铸液的表面张力,使其进入微孔中,用微电铸工艺还要电铸出用于微复制工艺的微结构模具,要求获得的模具无内应力,因此,LIGA 技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊的要求。解决该问题的办法是:在电铸液中添加表面抗张力剂,采用脉冲电源,或利用超声波增加金属离子的对流。注塑复制用上述金属微结构为模板，采用注塑成型或模压成型等工艺，重复制造所需的微结构。符合工业上大批量生产要求，降低成本。X射线光源射线光源由于深度同步辐射X射线是这项技术的关键。普通X射线曝光所用X射线的穿透能力有限，不适合超深结构的加工，所以在选择光源的时候需要功率强大的同步辐射加速器产生的硬X射线作光源。它的强度是普通X射线强度的几千到上万倍。这种同步辐射X射线是由同步加速器和储存环内的高能相对论性电子发射出来的。这种电子由电磁场进行加速，加速方向与其运动方向垂直。发射出来的辐射谱从微波波长区，经过红外波长区、看见光、紫外波长区、一直延伸到X射线波长区。同步辐射X射线辐射照度很强，故曝光时间较短，它的波长甚短，穿透能力极强，故可以达到很大的光刻厚度。这种光源的平行度极好，刻出的图形侧壁光滑陡峭，可以有很高的横向分辨率和很大的高宽比。所以可以说深度同步辐射X射线光源是LIGA技术的最重要和最基本的设备。深度同步辐射X射线不仅价格极其昂贵，而且国内外由此设备的单位也较少，因此有的单位就使用超紫外线光源和普通的X射线光源。这种光源波长长，强度和平行性也不够理想，故光刻的深度较浅，质量稍差。使用这种光源代替同步辐射X光源，一般称为准LIGA技术。LIGA掩膜掩膜LIGA光刻中采用的同步辐射X射线，它的穿透能力极强，这对X光掩膜板的要求极高，普通IC工业中的掩膜，因不能承受这样的穿透力，己不能使用。所以组成掩膜的阻挡X射线的吸收体、载体薄片（基板）和外框架，各自有自身的特殊要求。掩膜的吸收体在光学光刻中的使用的紫外线光，只要大约0.1m厚的Cr膜做吸收体就足够了。而X射线光刻的吸收体，因要吸收强X射线，需要用高吸收系数的重金属，原子量大的物质常被用作X 射线曝光的吸收体如Au。要得到实施LIGA 工艺所需的X 射线吸收的最大合适值,Au 吸收体的厚度必须大于10m。吸收体的厚度取决于同步加速器辐射X射线的强度和被照射的光刻胶厚度确定。掩膜的载体薄片掩膜的载体薄片要求有很高的X射线透过率和一定的强度。普通光学光刻中使用的掩膜载体，是大约2mm厚的玻璃或石英片，它们对X射线有较强的吸收率，故不能使用。金属铍薄膜具有很高的X射线透过率和一定的强度，是较理想的载体，但铍不仅有毒而且价格昂贵。所以现在一般选用钛薄膜做载体，但钛的X射线透过率低于铍，故必须减少载体薄膜的厚度。实际使用的钛膜厚度为2-3m，厚度很小，增加了制作难度。掩膜的外框架掩膜的外框架由低膨胀系数的合金制造，以减少载体薄膜工作时所受的应力。X射线薄膜的制作对于LIGA光刻中使用的X射线掩膜，由于对其吸收体金膜要求的厚度大于10m，对薄膜载体的钛膜的要求厚度仅为2m，很难用普通光刻技术制造出来。现在的制造方法是先用普通的光刻技术制造出金吸收层厚度小于3m的中间掩膜，再用这个中间掩膜通过X射线曝光刻蚀，制造出金吸收厚度大于10m的正式的X射线工艺薄膜。抗蚀光刻胶LIGA工艺制造的器件精度高，因此要求光刻胶有很高的分辨率，投明度好,且对镀液有较好的耐蚀性。根据这一要求现在使用的唯一抗蚀光刻胶是聚甲基丙烯（PMMA)，它在X射线光刻时有极好的图像再现性，固化后强度高，能形成很大高宽比和很精细的精密三维图形结构。PMMA是一种对电子束敏感的高分辨率的抗蚀性材料，X射线曝光过程是在PMMA中激发光电子，光电子使聚合物的长链大分子变成可溶的小分子。在LIGA工艺中抗蚀光刻胶起着很重要作用。要形成厚达数百到上千微米、均匀、致密、平整的光刻胶，是有一定难度的。制作这种厚的胶层本身就是一种特殊的技术。这种刻蚀光刻胶一般直接在基底的金属板上生成，也有的先制成聚合体版再黏贴到基底金属板上。最有效的方法是直接将商品PMMA硬膜粘附到基体材料表面。制作抗蚀光刻胶时，很重要的一点是它必须和金属基底牢固连接，制成的很窄很高的构件仍能牢固的连接在基板上。由于PMMA涂覆在作为电镀基层的金属导电膜上，因此PMMA的附着性能主要是与金属导电膜的亲和性能。如果是钛为金属导电体，可以通过化学处理在钛表面生成一层氧化钛，氧化钛是多孔材料，这样增大接触面积，增大附着力，或者通过化学增附剂改善附着性能。影响LIGA图形精度的因素尽管LIGA技术可以制作深宽比极大、边壁极陡直的微细结构，但仍有一些因素限制其可能获得更高的精度，这些因素包括X射线的衍射与光电子散射效应、同步辐射光源的发散效应、吸收层图形非陡直边壁的效应、掩膜畸变效应、基层材料的二次电子效应。知道了以上的影响因素，使用过程中加以注意和进行必要的处理，有助于精度保证。准LIGA技术LIGA 技术已经在微传感器、微制动器、微光学器件和其他微机械加工中显示出无可比拟的优越性。但是LIGA 工艺需要昂贵的同步辐射X 光源和制作复杂的X 线掩模。为了解决这一问题,科技人员发明了用紫外线或激光光刻工艺来代替同步辐射X 光深层光刻的工艺称为准LIGA 技术。如用紫外光刻的UV-LIGA,用激光烧蚀的Laster-LIGA,用硅深刻蚀工艺的Si-LIGA 和DEM技术,以及用等离子束刻蚀的IB-LIGA 等。虽然这些技术达到的技术指标低于同步辐射LIGA 技术,但由于其成本低廉,加工周期短,大大扩展了LIGA 技术的应用范围。UV-LIGA技术UV-LIGA技术是美国威斯康星大学Henry Guckle教授等人在1990年研究开发提出的,它可以用于刻蚀适中厚度的光刻胶，节省成本。UV-LIGA工艺实际上是用深紫外光的深度曝光来取代LIGA工艺中的同步x 射线深度曝光。Laster-LIGA技术Laster-LIGA是W.Ehrfeld等人在1995年首次提出并使用的。它是采用波长为193nm的Arf准分子激光器，直接消融光刻PMMA光刻胶来取代X射线光刻工序，其精度为微米级，深宽比适中（10）。