LIGA工艺中微电铸工艺研究
微电铸中电铸液的发展现状和趋势
微电铸中电铸液的发展现状和趋势摘要：本文首先阐述了微电铸技术的发展历史和现状，然后介绍了它的原理。
重点说明了电铸液的成分，最后介绍了微电铸未来的发展趋势。
关键词：微电铸；电铸液1.引言微电铸工艺（microelectroforming technology）是在传统电铸工艺的基础上建立起来的新概念，具有微小结构成型、复杂结构成型、高精度和批量生产等突出优点。
微电铸工艺是LIGA\UV-LIGA 技术的核心内容，在MEMS技术和微、纳米制造领域中有着良好的应用前景。
作为一种先进的制造技术，微电铸工艺主要用于制作各种精密、异型、复杂、微细等难以用传统加工方法制得的或加工成本很高的结构，适用于航空、航天、核工业、仪器仪表、微型机械等高新技术领域，并受到日益广泛的关注2.微电铸技术的发展历史1838年，苏联的耶可夫教授在石膏芯模上涂敷石蜡，通过石墨使其表面具有导电性，制成了电铸铜产品。
日本昭和初年，京都市工业研究所和大板造币司等单位就已积极开展了在石膏母型上铸铜、在绝缘体上电镀等方面的研究。
但是，早期由于电铸芯模的制作不仅制造技艺要求高、操作工艺繁琐，而且母型易破损，难以制出精致的复制品，所以电铸的应用范围十分有限。
20世纪中后期，随着电铸芯模材料的发展和制造技术的提高，电铸作为一项特种加工工艺方法，开始广泛应用于国民生产生活的各个方面，在欧美己用于制造火箭喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，在日本用于汽车内饰件的制造，电子工业中印刷焊膏和胶粘剂模板。
国内的许多科研单位也对电铸工艺进行了大量的研究．较多应用于表面彤貌复杂的零件和各种模具的制造上。
微细电铸工艺随着MEMS工艺的发展而产生，在继承传统电铸工艺特点的同时，结合了集成电路加工工艺，受到了广泛的关注。
微细电铸技术与传统电铸技术有着相同的原理和相似的工艺过程，由于该项技术广泛用于制作微器件或者微结构，更多的涉及微米级尺度的问题，与传统大器件电铸有着显著的差别，对环境干扰有着更强的响应。
LIGA技术简介.ppt
2.深等离子体刻蚀(deep plasma etching)
一般用Si做为刻蚀微结构的加工对象,也即高深宽 比硅刻蚀。 优点：各向异性刻蚀速率比大，刻蚀速率大,且系 统结构简单。 缺点：硅材料本身较脆,需要将加工了的硅微结构 作为模具,对塑料进行模压加工,再利用塑料微结构 进行微电铸后,才能用得到的金属模具进行微结构 器件的批量生产。或者直接从硅片上进行微电铸, 获得金属微复制模具。
PMMA光刻胶刻蚀深度和X射线波长的关系，当波长 小于0.3nm时，可以得到深度500微米的结构
LIGA技术的优点:
( 1) 深宽比大, 准确度高。所加工的图形准确度小于 0. 5微米, 表面粗糙度仅10nm, 侧壁垂直度>89. 9°, 纵向高度可500微米以上; ( 2) 用材广泛。从塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、 聚碳酸酯等) 到金属( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技术实现三维微结构; ( 3) 由于采用微复制技术, 可降低成本, 进行批量生 产。
Laser-LIGA工艺加工出的微结构电镜照片
4.DEM技术
DEM技术是由上海交通大学和北京大学开发出的具 有自主知识产权的准 LIGA技术(DEM:deepetching， electro-forming，microreplication)
该技术用感应耦合等离子体ICP深层刻蚀工艺来代替 同步辐射X光深层光刻，然后进行后续的微电铸和 微复制的工艺
MEMS工艺LIGA技术及其应用
梁美彦
典型MEMS器件——硅微马达器
一. •LIGA技术 二. •准LIGA技术 三 •总结
一、LIGA技术：
LIGA一词来源于德语Lithographie, Galvanoformung 和Abformung 三个词语的缩写, 表示深层光刻、电 铸、注塑三种技术的有机结合。
微电铸工艺现状和发展趋势
摘要：介绍了微电铸的基本原理和特点，阐述了微电铸过程中镀层厚度形成不均匀等技术难点，最后总结微电铸工艺参数的现状和以后的发展趋势。
关键词：微电铸MEMS 工艺参数现状趋势0 前言LIGA是德语X射线光刻（X-ray lithographie）、电铸（galvanoformung）和模压（formtechnik）的缩写。
该工艺包括把一层厚厚的X射线光刻胶（从几微米到几厘米）、高能X射线辐射曝光和显影，以形成各种想要三维的光刻胶结构。
接下来通过精细电铸，将金属填充到光刻胶模具结构中，在去除光刻胶，即得到了想要的金属结构。
该金属结构可以是最终的产品也可以是精密塑料模压的模具。
经过模压好的塑料部件既可以作为最终的产品，又可以作为产品的牺牲模具。
可见微电铸技术是LIGA工艺中非常重要的一个环节。
对于金属电铸工艺可包括无电解电铸和电解电铸两种。
无电解电铸就是靠化学方法连续淀积厚金属，而不加电压也没有消耗基片，它最重要的一点是采用充分的氧化反应代替点解电铸中的基片溶解。
电解电铸是自我限制的，而无电解电铸不是自我限制的。
对于无电解电铸镍来说，镍离子的减少是靠次磷酸盐的氧化反应来补充的。
反应一直进行，直到溶液中的次磷酸盐耗尽为止。
在电解电铸中，只要当整个基片表面覆盖了镍以后就会停止。
大量的氢生成会破坏电铸金属膜的质量，因此必须避免。
氢生成速度与电铸金属膜的速度没有直接关系，而主要取决于还原剂分子。
在无电解电铸中，电铸可能是在容器壁上在某个时刻自发开始，因此需要稳定剂来稳定溶液。
1 微电铸原理的特点微电铸的要素包括阳极、阴极、电源、电解液以及待镀工件模具等，其中待镀工件模具作为阴极，电铸是一种特殊形式的电镀。
希望沉积的金属离子包含在电解液中，当电解发生时，在阴极的工件模具表面会沉积金属离子，随着金属离子沉积在阴极，阳极金属会发生溶解反应补偿电解液中金属离子的减少。
经过表面工艺处理的成型工件作为电铸模具，可以得到合适的镀件并能保证镀件和模具容易分离。
微电铸工艺
微电铸的工艺参数等探究0 前言微电铸工艺(microelect roforming technology) 是在传统电铸工艺的基础上建立起来的新概念,具有微小结构成型、复杂结构成型、高精度和批量生产等突出优点，它既可以看作是在微细加工模具基础上的传统电铸技术的延伸，也可以认为是掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果，微电铸工艺是LIGA/准LIGA 技术的核心内容，其中LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个词的缩写，是X射线深层光刻、微电铸和微复制工艺的完美结合，在MEMS技术领域有广泛应用[1]。
从本质上分析，LIGA/准LIGA工艺微电铸可以分为性质不同的两个阶段：第一阶段是在掩模微结构的深层填充金属；第二阶段是在整个光刻胶和金属结构表面沉积厚度为6-10mm的厚金属膜，以便加工成压铸膜的基座。
1 微电铸工艺的研究进展与趋势对微电铸工艺的技术难点，研究人员在理论分析的基础上，从微电铸过程的数值模拟和工作参数试验优化等方面开展工作，探索微电铸的内在规律，取得了一系列进展，形成一些有重要参考价值的工作规范和指导意见，有力的促进了微电铸技术在MEMS领域的广泛应用[2]。
首先，基于高深宽比掩膜微结构是微电铸工艺关键影响因素的认识，建立了能够体现高深宽比微区传质特征的电极界面模型。
在微流体运动中引入高深宽比结构因素，建立了能够体现高深宽比微结构对界面稳定层增厚产生影响的电极界面物理模型。
其次，通过数值解析，系统分析一般镀液体系典型结构中电流密度再分布的规律。
如果待镀微区的开口尺寸较大，也就是掩膜微结构深宽比较小，则微电铸电流在沉积区域的再分布并不充分，靠近掩膜边缘的电流密度将显著高于中心部位，形成边缘高而中间低的马鞍型厚度分布这是掩膜电镀体系中常见的厚度分布样式。
如果待镀微区开口较小，也就是高深宽比微结构掩膜存在的情形，则在进入掩膜开口区域之后，电流密度将在传质阻力的作用下实现充分再分布，形成中间部分电流密度较大，整体镀层厚度比较均匀的理想结果。
电铸技术研究与探讨
电铸技术研究与探讨江苏理工学院机械工程学院摘要：随着工业科技的进步，电铸技术也得到了很大的提高。
本文简单地介绍了下电铸的原理、特点，以及电铸的几种主要材料，同时也介绍了下当今电铸技术在工业中的一些运用和实践。
最后指出电铸技术存在的一些不足之处，但作为一门交叉学科，未来电铸技术会随着科技的发展而大放异彩。
关键字：电铸；原理；材料；运用Abstract: With the development of science and technology, electroforming has improved a lot. This paper simply introduces the basic principle, characteristic and some material of electroforming. Simultaneously some applications of electroforming are illustrated by the paper. In the end, the shortcomings of our country’s electroforming technologies at present stage are pointed out, but as a cross- discipline subject, electroforming will be widely developed and applied in future.Keyword: electroforming; principle; material; application前言随着工业的不断发展，各种精密异型、复杂微细的金属零部件以及相关模具产品的需求大幅增加，电铸作为一种精密制造技术受到高度重视。
电铸工艺从发明至今已有上百年的历史。
1838年，俄国的耶可夫教授发明了电铸铜；1842年德国的Bottger教授发明了电铸镍；1869年在俄国财政部印刷所里又诞生了电铸铁[1]。
liga技术
W. Ehrfeld et al., Microsystem technologies, 5, 105-112(1999)
Three-dimensional Microstructure
Intersection of three holes, Material: positive tone resist
微执行器
微型光谱仪
LIGA技术
LIGA实验线站
X射线光刻实验线站
The Radiation Spectra of Wiggler before and after filters
1E-3
Power (J/s/mrad/0.1%BW)
1E-4 1E-5
6T,150mA 100um Be 200um Be 500um PMMA 1000um PMMA
深度光刻掩模
深度光刻掩模 吸收体(金)： 15-20 μm 衬底(聚合物)：10μm-100 μm
亚微米光刻掩模 1-2 μm <1 μm
深度光刻掩模制作
深度光刻掩模制作
Intermediate Mask
Copy Intermediate Mask
光刻胶 电镀层
光刻胶 电镀层
掩模衬底
掩模衬底
光刻（PG, E-beam)
活动部件 衬底
微流量计
Ni
Height 230 μm
Diameter 200 μm
Gap
10 μm
Single irradiation
倾斜和旋转曝光
Double/Swivel irradiation
Mask Resist Substrate
Developed resist structure
MEMS工艺(7LIGA技术)
LIGA vs. Si micro-lithography
Micromolding of nanocomposites
• Fabricate high aspect ratio micromolds with LIGA. • Develop nanocomposite formulation amenable to micromolding. • Fabricate micromolds on functional substrates such as silicon and alumina.
LIGA 技术标准工艺
LIGA技术的四大工艺组成：
• LIGA掩模板制造工艺
• X光深层光刻工艺
• 微电铸工艺
• 微复制工艺
LIGA掩模板制造工艺
• LIGA 技术的第一步是制造LIGA专用的X光 掩模板，LIGA掩模板必须有选择地透过和 阻挡X光。一般的紫外光掩模板不适合做 LIGA掩模板。
• 由于LIGA掩模板要求阻挡层的侧壁垂直， 用普通的微加工工艺无法达到，所以LIGA 掩模板需要用LIGA技术来完成。
LIGA process
• Microfluidic device made using LIGA process. Note the rough surface due to lack of planarization (polishing). • Micromechanical actuator (capacitive comb drive) made using LIGA process.
在阳极上H+生成H2 的化学反应如下：
电镀与电铸
• 电铸的定义为：用电化学沉积的方法在芯 模上沉积金属，然后将两者分离来制取零 件的加工工艺，其基本原理与电镀相同， 电铸与电镀的区别在于，电镀的镀层厚度 很小，一般只有7～50μm，而电铸形成的 是具有一定形状与厚度的三维结构，其厚 度最大可达到1mm以上；电镀多用于结构 零件的防护与精饰，而电铸通常用于将芯 模的图形结构加以完整的复制。
LIGA相关技术
浅谈LIGA相关技术LIGA技术首先是由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心研究出来的，被公认为是一种全新的三维微细加工技术。
LIGA这一词源自德文缩写，LI指深度X射线刻蚀，G指电铸成型，A指的是塑料铸模。
LIGA技术是深度X射线曝光、微电铸和微复制工艺的完美结合。
SLIGA是指牺牲光刻电铸成型工艺。
其中的S是指牺牲层。
SLIGA技术是H.Guckle教授等人结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出的一种新工艺。
在这个工艺中，牺牲层用于加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的金属部件。
利用SLIGA技术可以制造活动的微器件。
开发研究LIGA技术的初始目的是为了加工出能够将铀同位素进行分离的特别微小的管嘴LIGA技术从首次报导至今，短短十多年飞速发展，引起人们极大的关注，发达国家纷纷投入人力、物力、财力开展研究，目前己研制成功或正在研制的LIGA产品有微传感器、微电机、微执行器、微机械零件和微光学元件、微型医疗器械和装置、微流体元件、纳米尺度元件及系统等。
为了制造含有叠状、斜面、曲面等结构特征的三维微小元器件，通常采用多掩模套刻、光刻时在线规律性移动掩模板、倾斜/移动承片台，背面倾斜光刻等措施来实现。
LIGA它能够制造平面尺寸在微米级、结构高度达几百微米的微结构。
其工艺流程如图。
主要工艺过程如下：1)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（ＰＭＭＡ）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。
2)微电铸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。
电化学加工
电化学加工摘要：电化学进行加工的各种方法的研究。
电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。
近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等发展较快。
目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法，并在国民经济中发挥着重要作用。
关键词:电化学加工、微细加工、一、电化学加工的发展历程早在1834年法拉利发现了电化学作用原理，后又开发出如:电镀，电铸，点解加工等化学方法，并在工业上得到广泛的应用。
中国在20世纪50年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工。
近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展。
利用电化学反应对金属材料进行加工的方法。
与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。
常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。
电化学加工的基本原理是用两片金属作为电电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。
导线和溶液中均有电流通过。
但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。
当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。
二、电化学加工的基本原理和特点基本原理：电化学加工的基本原理是用两片金属作为电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。
导线和溶液中均有电流通过。
但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。
当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。
LIGA工艺
电子学院集成电路工程 2011514016 刘东梅LIGA工艺及相关工艺技术LIGA 技术起源于德国 ,在 80 年代初 ,由德国卡尔斯鲁尔核研究中心发明并取得专利。
德文的名字是 Lithograpic Galvahoformung Abformung。
L IGA 则是这三个词的缩写。
L IGA技术 ,实质就是用同步电磁辐射 x 光进行光刻腐蚀、电铸成型的微制造工艺过程。
L IGA 技术是纳米微制造技术过程中最有生命力、最有前途的方法。
利用 L IGA 技术 ,不仅可制造纳米级的微小结构 ,而且还能制造大到毫米级的微型结构。
据介绍，目前利用LIGA技术加工的微结构其典型参数见表1。
LIGA技术是深度X 射线曝光、微电铸和微复制工艺的完美结合。
它能够制造平面尺寸在微米级结构高度达几百微米的微结构，其工艺流程如图 1所示，主要工艺过程如下图1 LIGA工艺流程图以下是LIGA技术很关键的四部分：(1)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，若光刻胶厚度在10~1000m,应选用典型波长为 0.1~1nm的同步辐射源。
如图2所示。
(2)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PMMA)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。
如图3所示。
(3)微电铸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。
(4)模铸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。
LIGA技术简介
低阻硅片
（保护侧壁）
(KOH)
DEM工艺流程
DEM微结构照片
5.SLIGA-技术
SLIGA技术是结合硅面加工技术和常规LIGA技术而 开发出的一种新工艺，在这个工艺中，牺牲层用于 加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的 金属部件。 SLIGA技术可以制造活动的微器件。 SLIGA与LIGA异同：在平面基板上布设一层牺牲层 材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或者某 种合适的金属等 （与电镀的材料相比，这些材料比 较容易被有选择地去除）然后在基片和牺牲层上溅 射一层电镀基底。
塑铸成形
高深宽比微结构
IBM公司研发的SU-8胶是一种负性胶, 即曝光时, 胶中含有的少量光催化剂( PAG) 发生化学反应, 产生一种强酸, 能使SU-8胶发生热交联。SU-8胶 具有高的热稳定性、化学稳定性和良好的力学 性能, 在近紫外光范围内光吸收度低, 整个光刻 胶层可获得均匀一致的曝光量。
PMMA光刻胶刻蚀深度和X射线波长的关系，当波长 小于0.3nm时，可以得到深度500微米的结构
LIGA技术的优点:
( 1) 深宽比大, 准确度高。所加工的图形准确度小于 0. 5微米, 表面粗糙度仅10nm, 侧壁垂直度>89. 9°, 纵向高度可500微米以上; ( 2) 用材广泛。从塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、 聚碳酸酯等) 到金属( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技术实现三维微结构; ( 3) 由于采用微复制技术, 可降低成本, 进行批量生 产。 LIGA的缺点： （1）成本昂贵（X光源需要昂贵的加速器） （2）用于X光光刻的掩膜板本身就是3D微结构，复 杂，周期长
梁美彦
UV-LIGA工艺流图
1. 紫外厚胶光刻工艺 1）对硅片或玻璃片（厚度大于 1mm）进行清洗，并在 180℃烘 4 个小时以上以去
除表面水分子； 2）硅片一面溅射 2μm 左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理； 3）再次对其进行清洗并 180℃烘 4 个小时以上；
2
4）利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的 SU-8 胶； 5）利用程控烘箱或者热板对 SU-8 胶进行前烘处理。 6）用精密铣床切除由于边珠效应（edge bead effect）造成的边缘较厚的部分，
UV-LIGA 技术标准工艺
上海交通大学微纳米科学技术研究院
UV-LIGA 技术采用基于 SU8 光刻胶的厚胶紫外光刻工艺，大大降低了 LIGA 技术的加工成本，缩短了加工周期，并且可以制备台阶微结构，但其技术指标低 于同步辐射 LIGA 技术，适用于加工深度小于 500μm，线宽大于 5μm，深宽比小 于 20 的微结构。
一、 设备情况
溅射机： 德国 Laybold-Heraus 公司 Z-550 可进行直流、交流溅射，靶材有 Cu、Cr、Fe-Ni、Ti、Au 等 本底真空：2*10-6 mbar，射频最大功率：2.5 kW，直流最大功率：1 kW， 沉积速率：20-60nm/分钟 容量：3 英寸硅片 13 片
厚胶甩胶台：德国 Karl Suss 公司 RC8 可进行厚光刻胶的制备，具有程控功能 可用最大工作尺寸：3"， 最大转速： 5000rpm 时间范围： 0－999s
30
30
50
显影时间 [min] 8 12 20 30
2. 模具电铸工艺 1) 微电铸镍： 电解液类型：改良瓦特镍镀液体系 镀液工作条件：温度：50－60℃，PH 值：4.5-5.0, 镀速：0.15-0.4μm/min 厚度范围：60－2000μm
LIGA技术、准LIGA微加工技术及其应用
Ａ Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２００３，１０３（１—２）：５９－－６３ ６ Ｓｋａｒｄｏｎ Ｊ，Ｖａｎｄ∞ｂｅｒｇ Ｍ Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｎｃｗ ｍａｒｋｅｔｓ ｆｏｒ ｈｉ曲ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｍｉｃｒｏ－ｍａｃｈｉｎｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｍｉｅｒｏｓｙｓｔｅｍ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，１９９８，５（２）：６５－－６８ ７ Ｌｏｒｅｎｚ Ｈ。Ｄｅｓｐｏｎｔ Ｍ，Ｖｅｔｔｉｇｅｒ Ｐ，Ｈ ａｌ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｐｈＯｔＯｐｌａｓｆｉＣ ｈｉｇｈ－ａｓｐｏｃｔ ｒａｔｉｏ ｍｉｃｒｏｐａｒｔｓ ｍａｄ ｍｉｃｒｏｍｏｌｄｓ
ＬＩＧＡ技术的第二步是ｘ光深层光刻工艺。由于光刻的厚度要达到几百微米．用一般的ｘ 光光源需要很长的曝光时间，而同步辐射的ｘ光光源 强度是普通ｘ光的几十万倍，这样就可以大大缩短曝 光时间。目前较为理想的ｘ光光刻胶是ＰＭＭＡ基聚合 物。由于要显影高深宽比的微结构，需要采取各种方 法来提高显影速度，减少显影时间。以避免光刻胶产 生裂缝。图２是高深宽比光刻胶微结构的电镜照片， 微结构高度为５００ ｐ．ｍ，线宽为５ ｕｍ，深宽比达１００ｌｌ“。
采用准分子激光烧蚀工艺［１叩替代同步辐射Ｘ光光刻也可大大降低ＬＩＧＡ技术的成本，特 别是可进行塑料微结构原型样品的快速制各，但用该微加工技术获得的微结构深宽比较小，侧 壁和底部的粗糙度较高。 ２．３ Ｓｉ－ＬＩＧＡ和ＤＥＭ技术
由于硅微加工技术的发展，目前采用感应耦合等离子体（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ．
目前国际上用于制造微型机电系统的微加工技术主要有二种工艺路线。第一种工艺是采 用常规的硅微加工技术，包括表面硅微加工技术和体硅微加工技术。目前在该技术领域积累 了丰富的经验，其工艺已相当成熟，利用该技术在国内外已成功地研制出部分ＭＥＭＳ器件， 如加速度传感器、压力传感器和微陀螺等，但该加工技术只能加工硅材料。第二种工艺是采 用ＬＩＧＡ技术，该技术的优点是它能制造三维微结构器件，获得的微器件具有较大的高深宽 比和精细的结构，侧壁陡峭、表面平整。微器件的厚度可达毫米量级，还可以得到活动的微 器件，而且也不受器件材料的限制，可以是高分子材料、各种金属或陶瓷，并且可以利用微 复制技术进行微器件的大批量生产。因此ＬＩＧＡ技术是制造微型机电系统的微细加工工艺中 一个最重要组成部分，它无法由其他微加工技术所取代。
LIGA工艺中微电铸工艺研究
LIGA工艺中微电铸工艺研究马龙;周月豪;熊良才;柳海鹏;史铁林【摘要】为了得到微米级的微型结构,先用准分子激光加工高深宽比的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )微孔结构,并以此和光刻成型的微结构作为模具,进行了微电铸试验,通过对电镀参数方法进行调整和优化,改善了微结构加工中镀液难以进入孔隙、浓差极化严重、结晶粒子不能得到及时补充等缺点,得到了线宽为10μm级的微型结构.为进一步的微结构加工奠定了基础.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2006(030)001【总页数】3页(P47-49)【关键词】微电铸;LIGA;准分子激光;PMMA【作者】马龙;周月豪;熊良才;柳海鹏;史铁林【作者单位】华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TG665引言EHRFELD等人[1]用电子加速器产生的同步辐射X射线进行光刻,结合电铸和注塑技术发展出同步辐射LIGA(lithographie galvanoformung abformung)技术。
LIGA技术被认为是制造微型机械最有前途的方法，具有加工图形深宽比大、线宽小、取材广泛、加工精度高等优点。
其中电铸是一个非常重要的工艺环节，也是其它方法难以替代的。
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,形成与光刻胶图案相对应的金属微结构。
目前，金属镍的微电铸工艺比较成熟,金属镍较稳定,且具有一定的硬度,可用于微复制模具的制作。
国内关于提高电铸质量和电镀速度的研究报道很多，但是在深孔电铸，以及微米尺寸电铸方面的研究比较少。
利用LIGA技术研制微细电火花异形和阵列结构电极
是 在深 孔 内， 电铸溶 液 在深 孔 内难 以充分 完成 交换 ， 电铸液 的性 能 就会 变化 ， 生气 泡 、 点等 问题 ， 产 麻 电 铸 质量 难 以保证 。这些 具体 的工 艺难 题需 要 开发 和 改进工 艺 方法 ， 高溶 液 的交换 能力 ， 提 保证 光刻 胶 的 深 孔显 影 和深 孔 内金属 电铸 的完 好生 长 。
展 的 有 效 途 径 。
具 制造 等领 域 中得 到 了很好 的应 用 ， 已成 为 特种 加
工的一 种重 要 手段 。在 电 火 花加 工 中 ， 异 形结 构 对 可利 用细小 电极 的扫 描 加 工 ， 成 三维 复 杂 结 构 的 完 加工需 要 。但对 于 阵 列 的 复合 结 构 ， 种 加 工 方 式 这 需要 很长 的时 间 ， 果精 度提 高 ， 需要 更长 的加 工 如 还
ｃ ｓ ．Ｔ ｈ ｒ ｃ ｓ ａ ｅ ｎ ｏ ｔｍ ｉｅ ｕ ｈ ｍｏｒ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｏ ｍ ａ ｈｅｍ ｅ ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓｏ ｅ ｙ ｅｓ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｓｂ ｅ ｐ ｉ ｚ ｄ ｂｙ ｍ ｃ ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ｓｔ ｋｅ ｔ ｔ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｆｖ ｒ
ｒ ｔｏ： ＧＡ ｅ ｈｎ ｌｇ ａ ｉ ＬＩ ｔ ｃ ｏｏ ｙ
电火花 加工 是 精 密 加 工技 术 的重 要 手段 ， 在模
“ ” 米 字孔结 构 ） 由于 加 工 电极 尺寸 限制 ， 电极 扫 ， 靠 描 已无 法 完 成 。所 以对 于 阵 列 结 构 及 异 形 微 细 结 构， 开发新 的 电火 花加 工方法 ， 电火 花技 术应 用拓 是
供 了技 术 支 持 。
哈工大-精密超精密大作业 LIGA
《精密和超精密加工技术》课程大作业院（系）英才学院专业机械设计制造及其自动化姓名吴英丹学号6120200615班号1236105完成日期2015.7.8哈尔滨工业大学机电工程学院2015年精密和超精密加工技术（大作业）目录1前言 (1)2LIGA工艺[2] (2)3UV-LIGA工艺[3] (3)4LIGA技术的应用[5] (4)5结论[6] (5)参考文献 (5)LIGA技术及其应用摘要：微电子机械系统（MEMS）技术的兴起及其在现代信息社会中的广泛应用，推动了能实现高深宽比三维微细加工的LIGA及准LIGA技术的迅速发展。
本文介绍了LIGA相关技术的发展状况并举例说明了它们在射频、光学等方面上的一些应用。
关键词：三维微细加工；LIGA技术；UV-LIGA技术The Development and Application of LIGA Abstract:LIGA and quasi-LIGA technologies used for high aspect ratio 3-D micromachining were accelerated by the rise and wide applications in information society of MEMS (micro-electro-mechanical systems) technology. LIGA and related technologies are presented, and the applications of these technologies are illustrated for examples.Keywords: 3-D micromachining；LIGA technology；UV-LIGA technology1 前言随着MEMS技术的发展和人们在微机械制造方面所取得的成就，对各种微执行器、微传感器等微结构的制造方法的研究成为MEMS 技术研究的一个热点，同时微机械制造技术也是MEMS技术向更高层次发展的推动力。
电化学加工
电化学加工摘要：电化学进行加工的各种方法的研究。
电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。
近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等发展较快。
目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法，并在国民经济中发挥着重要作用。
关键词:电化学加工、微细加工、一、电化学加工的发展历程早在1834年法拉利发现了电化学作用原理，后又开发出如:电镀，电铸，点解加工等化学方法，并在工业上得到广泛的应用。
中国在20世纪50年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工。
近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展。
利用电化学反应对金属材料进行加工的方法。
与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。
常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。
电化学加工的基本原理是用两片金属作为电电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。
导线和溶液中均有电流通过。
但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。
当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。
二、电化学加工的基本原理和特点基本原理：电化学加工的基本原理是用两片金属作为电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。
导线和溶液中均有电流通过。
但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。
当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。
LIGA原理介绍
浅谈LIGA及相关技术
SLIGA
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Like-LIGA
准LIGA 技术是利用常规光刻机上的深紫外光对 厚胶或光敏聚酰亚胺光刻, 形成电铸模,结合电 镀、化学镀或牺牲层技术, 由此获得固定的或 可转动的金属微结构。它不需要象LIGA技术 所需的昂贵设备, 制作方便, 故将是影响下世纪 微机械加工的一项重要技术。
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Thank you for your attention.
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浅谈LIGAke工艺） DEM工艺
A：曝光
B：ICP
D：去硅 E：铸塑
C：电镀 衬底 掩膜 胶
金属 铸塑 材料
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LIGA不足：由于LIGA技术需要极其昂贵的X 射线光源和制作复杂的掩模板，使其工艺成 本非常高，限制该技术在工业上推广应用。
起分离层作用，故称其为牺牲层。
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工艺过程为：先在平面基板上布设一层牺牲 层材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或 者某种合适的金属等，与电镀的材料相比，这些 材料比较容易被有选择地去除。然后在基片和牺 牲层上溅射一层电镀基底，其后的工艺与常规 SLIGA工艺相同。在完成LIGA技术的微电铸工 艺之后将牺牲层去除，就可获得可活动的微结构。
特点：高深宽比（1微米宽，1000微米深） 1）需要功率强大的回旋加速器产生的软X射线作光源 2）掩膜版要求高、成本高 3）难于与IC集成制作
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1.深度X射线曝光 2.微电铸 3.模铸
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• 1）以同步加速器放 射的短波长（＜1nm） X射线作为曝光光源， 在厚度达0.5mm的光 致抗蚀剂上生成曝光 图形的三维实体；
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流的方向, 从而阻碍电镀液进入微孔, 使得电镀难以进
行。当表面活性剂的加入量较少时, 其表面活性剂的
性质起主导作用, 当表面活性剂加入过量时, 阻碍电渗 流作用就会起主导作用, 因此, 试验采用分子量低的黑
镍镀液, 加入适量的表面活性剂, 尽量地避免高分子试
剂的使用以提高其分散和深镀能力。另外, 试验中还 使用了超声的诱导镀液进入微孔改进镀层质量。
1 试验内容
1. 1 实验条件 主要设备有: 电铸设备 ( 包括镀液循环系统, 过滤
系统, 可控温度加热系统, 恒流电 源等 ) , Lum onics公 司的 PM-848型准分子激光器, 刻有图 形的光刻胶片 ( 铜为基底 ) , 氯化镍 ( AR ) , 硼酸 ( AR ), 去离子水 ( 大 量 ) , 双氧水 ( H 2O2 ) , 表面活性剂 (十二烷基硫酸钠 ), 精密 pH 值试纸, 温度计。 1. 2 模具的制备
氯化镍 ( N iC l2 ) 是电镀液的主盐, 也作为导电盐, 含镍量高, 可以提高极限电流密度上限, 而大量的氯离 子可 以有效地 防止阳极 钝化, 提高电镀 液的分 散能 力 [ 5] 。
实验中加入 硼酸 ( H 2 BO3 ) 是为了 维持电铸 液的 pH 值恒定, 防止镍离子在阴极基体附近以碱性物质析 出, 造成电铸层疏松。
0. 00
( 2)
由上可以看出, 双氧水的电位要比氢的正, 因此, 在电
镀过程中上述 ( 1) 式反应更容易发生, 如此就可以避 免氢气的析出。同表面活性剂一样, 过氧化氢液不能 加入太多, 因为它的加入影响镀液的分散能力 [ 5] 。
实验中采取措施提高电化学极化并且降低浓差极
化, 以实现电镀颗粒的细致和电流效率的提高。阴极
表面活性剂 ( 十二烷基磺酸钠 ) 电镀液表面张力 的存在致使镀液不能进入微孔, 另外, 表面张力的存在
也会影响阴极产生气泡的排除, 使电流出现波动从而
导致电铸质量下降, 所以, 表面张力的减小是微米电铸
技术存在的最大难题。加入少量的表面活性剂可以明
显地减小电镀液表面张力, 但是当表面活性剂的加入
量大于 0. 05g /L 时, 改变表面张力的效果不再十分明
显, 如果再加入过量或者加入其它的高分子物质会起 到相反的效果, 这可能是因为在深孔电镀中, 存在着电 渗流 ( e lectroosm otic flow ) [ 6] , 电渗流起着 / 平流泵 0的
作用, 推动电镀液向阴极移动, 然而大量高分子有机表 面活性剂的加入, 严重削弱了这种作用, 甚至改变电渗
K ey word s: m icroe lec tro form; lithographie ga lvano formung abfo rmung( L IGA ); ex c ime r laser; PMM A
引言
EHRFELD 等人 [ 1] 用电子加速器产生的同步辐射 X射线进行光刻, 结合电铸和注塑技术发展出同步辐 射 L IGA ( lithograph ie ga lvanoform ung abformung) 技术。 L IGA 技术被认为是制造微型机械最有前途的方法, 具 有加工图形深宽比大、线宽小、取材广泛、加工精度高 等优点。其中电铸是一个非常重要的工艺环节, 也是 其它方法难以替代的。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 光刻胶图案相对应的金属微结构。目前, 金属镍的微 电铸工艺比较 成熟, 金属镍较稳定, 且具有一 定的硬 度, 可用于微复制模具的制作。国内关于提高电铸质 量和电镀速度的研究报道很多, 但是在深孔电铸, 以及 微米尺寸电铸方面的研究比较少。在微米尺寸和深孔 的电铸中一方面由于表面张力的存在使得电镀液很难
激光技术
2006年 2月
孔线宽达到 32Lm、深 2000Lm, 光刻微 孔电铸的线宽 11Lm, 试验中试图将大深度和小线宽结合, 加工更高 深宽比结构。进一步的试验仍在进行中。
准分子激光直接刻蚀光路简单, 可实现任意形状 图形的加工 [ 3] , 通过对型号为 PM-848K rF 准分子激光 ( 248nm ) 的加工特性研究, 发现其对聚合物有很好的 加工特性。对聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA) 的加工试验 中证明在低能量的状态下, 可以加工出质量很好的孔, 如图 1所示, 试验中加工了直径为 32Lm、深 2000Lm 和直径为 125Lm、深 3000Lm 的孔, 因此, 可以利用激 光对聚合物良好的加工特性用 PMMA 做模具得到大 深宽比的结构。
第 30卷 第 1期
马 龙 L IGA 工 艺中微电铸工艺研究
49
0. 02g /L ~ 0. 05g /L; 双氧水 ( 30% ) 0. 5mL; pH 值 3. 5~ 4. 5; 温 度 60e ; 电 流 密 度 13A / dm2; 镀 液 循 环 速 度 100L /h应微结构, 如 图 3所示。
Fig. 2 Photograph of th e fabricated protective film ( diam eter is 37. 5Lm )
1. 3 电镀试验参数和方法的优化 为了实现深孔和微孔的电铸, 首先要解决的关键
技术一方面是使电镀液进入微孔, 另一方面是改善电 镀液的液相传质, 使消耗的金属离子能得到及时的补 充。另外, 影响深镀和镀层质量的因素还包括阴极极 化、镀液电导率、阴极电流效率等 [ 4] , 试验中针对一些 主要的因素分别作了工艺条件的优化。
( Schoo l ofM echan ica l Sc ience and Eng ineering, HUST, W uhan 430074, Ch ina)
Abstrac t: A h igh- aspec t-ration hole w ith line w idth o f 32Lm, he ight of 2000Lm are dr illed on PMMA by exc im er laser, then it is used as m ou ld in electrofo rm as w e ll as ano ther structure m ade by lithographic. T hrough exper iments, the param ete rs are optim ined to fit the high-aspect- ration structure e lec tro form, two m a in d ifficu lties including the surface tension and po la rization of concentration are reso lv ed and the m ic ro-struc ture w ith line w idth o f 10Lm is obtained.
第 30卷 第 1期 2006年 2月
激光 技术 LASER TECHNOLOGY
V o .l 30, N o. 1 February, 2006
文章编号: 1001- 3806( 2006) 01- 0047- 03
LIGA 工艺中微电铸工艺研究
马 龙, 周月豪, 熊良才, 柳海鹏, 史铁林 * (华中科技大学 机械科学与工程学院, 武汉 430074)
结构加工奠定了基础。
关键词: 微电铸; L IGA; 准分子激光; PMM A
中图分类号: TG 665
文献标识码 : A
The study ofm icro-electroform in L IGA
MA L ong, ZHOU Yue-hao, X IONG L iang-Cai, LIUH ai-peng, SH I T ie-lin
进入, 另外一方面液相传质困难, 析出的金属粒子不能 及时得到补充, 这些因素使得微孔电铸存在了一定的 技术难度 [ 2] , 本文中着重研究了电铸在深孔和微小尺 寸的结构中的应用。试验中采用小分子量无机物组成 的电镀溶液以提高其深镀能力和采用提高温度增加电 镀液循环速度的方法来提高其电镀速度, 可提高效率, 且效果明显。
L IGA 技术中包括涂胶, X光刻蚀显影成模, 铸模, 脱模等工艺步骤, 其中因为 X 光刻蚀的成本占去 L IGA 技术成本的大部分, 因此, 采用其它的 技术代替 X 光 刻蚀成为降低成本的关键。
试验中采用了两种模具, 用准分子激光加工的深 孔和利用成熟光刻技术制作的图形。其中激光加工深
48
F ig. 3 Photograph of elect roform ed structure
图 3a中是用光刻胶为模具电铸的微柱状结构, 直 径为11Lm。图 3b为十字形结结线宽 25Lm, 厚 10Lm, 是 MEM S工艺中电枢驱动结构的基本单元, 为以后进 一步试验打下了基础。图 3c是利用准分子激光加工 的 微 孔 为 模 具 电 铸 的 结 构, 直 径 为 400Lm、长 2000Lm, 有较大的深宽比, 利用此工艺适当地改进镀 液的分散力, 可以得到直径为 32Lm、长 2000Lm 的微 结构。表面较粗糙, 是由于镀液循环系统不十分完善、 脉动性较大的缘故, 需要进一步改进以实现更好的表 面质量。
双氧水在电镀过程中由于氢的析出电位接近镍的
析出电位, 所以在浓差极化存在的条件下很容易析出 氢气, 这既降低了电流效率, 也影响镀液进入微孔, 为
了防止氢气的析出, 实验加入了少量的双氧水以防止
阴极氢气的析出, 其原理为:
H 2 O2 + H+ W 2H 2 O + 1. 77
( 1)
2H+ + 2eW H2
基 金 项 目: 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 2002AA421190)