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。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。

3)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。与传统的其他微细加工工艺相比LIGA技术的优点是精度为亚微米级、深宽比大，可达几百以上。且沿深度方向的直线性和垂直度非常好，可用材料的种类较多。缺点是成本高，得到的形状是直柱状的，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。

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。SLIGA工艺流程如图所示。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。

所谓“表面牺牲层”技术，即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲（sacrificial 1ayer，厚度约1-2μm）。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮

化硅、氧化硅和金属等，常用牺牲层材料主要有氧化

硅、多晶硅、光刻胶。利用牺牲层可制造出多种活动

的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等，此外常被

用来制作敏感元件和执行元件，如谐振式微型压力传

感器、谐振式微型陀螺、微型加速度计及微型马达、

各种制动器等。

LIGA 是利用X 射线光刻、电铸成型和塑料铸模等

手段进行操作的一种新技术。它是1986 年由德国卡

鲁塞尔(Kar lsruhe) 核研究中心微结构研究所的W. Ehrfeld 教授及其同事为了分离铀同位素而首先开发出来的。被认为是MEMS 中的极有发展前途的一种技术，日益受到各国重视。90年代初，为了突破LIGA 只能制作固定于基片上的微结构的限制，美国威斯康星大学Henry Guckel 教授领导的研究小组开发出了LIGA 与牺牲层相结合的技术( SLIGA), 为可动的三维结构制作开辟了道路。LIGA 技术可加工出有较大高宽比和很高精度的微结构产品, 且加工温度较低, 使得它在微传感器、微执行器、微光学器件及其它微结构产品加工中显示出突出的优点。然而, 它需要用高能量X 射线源——同步回旋加速器。这一昂贵的设施和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。为此, 人们研究了便于推广的准LIGA 技术。

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。由于LIGA 技术的设备昂贵, 且光刻掩膜制作复杂, 90 年代以来, MEMS 研究者们努力开发出了一种类似的LIGA 工艺——准LIGA 工艺, 旨在降低成本和缩短生产周期。准LIGA工艺制成的金属微结构与Si 结构相比, 更具韧性, 受温度影响小, 制作方便, 设备成本低, 适合于中小型工厂制作各种微结构,因而发展十分迅速。

目前, 国外利用准LIGA 技术已制作出微齿轮、微线圈、光反射镜、磁传感器、热驱动继电器中的金属化触点、加速度传感器、射流元件、微陀螺、微马达等等。而国内在近几年才开始准LIGA 技术研究, 并有少量研究报道, 主要做出一些几何图形结构。上海冶金所于1994 年利用准LIGA 技术研制摆动式静电马达, 长春光机所1997 年已采用准LIGA 技术做出金属微齿轮, 清华大学也采用准LIGA 技术制作微型电磁悬浮直线电机的微驱动线圈, 但还未见具体应用的报道。

准LIGA 技术的工艺存在很多难点。准LIGA工艺在较大的高宽比、较好的侧壁的垂直度及胶膜的稳定性、金属微结构的形成等方面有不少困难。本文对国内外解决这些困难的方法作一论述。

1）厚光刻胶的实现

准LIGA 技术制造的微执行器和传感器常常需要较大的深宽比, 因而对光刻胶的性能和

光刻精度有较高的要求, 一般要求胶的粘度大、透明度好, 且对镀液有较好的耐蚀性。为了得到较厚的胶层, 可采用较慢的涂胶速度或多次涂敷、烘干相结合的工艺。由于前烘温度与时间对分辨率和图形畸变有影响, 前烘时间过长, 显影时间延长, 胶的分辨率降低。而前烘时间过短, 不能除尽胶中溶剂, 将使胶膜中出现缺陷( 如形成气泡) 。Mark G. Allen 将前烘分两步: 80℃