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℃烘15 min, 100℃烘20 min, 有效的去除了胶中的溶剂。

通常在确保除尽胶中溶剂的前提下,缩短前烘时间。

瑞士Neuchatal 大学微机械加工研究所采用二次涂敷的方法, 第一步涂层厚度为20 Lm, 并采用专门的前烘技术来增强胶与基体的结合力, 而最终光刻胶厚度由最终涂敷来调整, 可达150 Lm。

B. Lochel 等人采用多次涂敷的方法, 光刻胶的厚度可高达200 Lm。

2）陡直侧壁的实现采用常规紫外光曝光时, 由于光的衍射和散射作用, 使光刻胶的边缘往往发生侧蚀。

对于正性光刻胶而言, 会发生上宽下窄的现象: 而负性光刻胶则出现上窄下宽的情况。

为了提高图形的高宽形貌比, Hiroshi Miyajima 等人采用CEM( 对比度增强材料) , 来提高图形分辨率,垂直度可达88°, 高宽比达10。

Elmar Cullmann 等人为了得到良好的垂直度, 控制电铸层的高度仅为胶模结构高度的80%, 避免了上部20%结构由于曝光时光的衍射、散射而造成的边缘的不垂直现象。

当对垂直度要求不是很高时, 厚胶的光刻可采取多次曝光、显影的方法。

通常微电子生产线采用60 W 的高压汞灯, 而在准LIGA 工艺中, 为了使厚胶曝光充分, 往往采用200 W 以上的高压汞灯作为紫外光源, B. Boechel 等人采用过350 W 的高压汞灯来产生450 nm 的平行光, 进行投影式曝光, 光刻胶的厚度可达100 Lm 以上。

3）提高胶模的稳定性胶模结构的稳定性对准LIGA 技术后面的工序质量至关重要, 因而后烘就显得尤为重要。

后烘不仅可以提高胶结构的质量, 还能提高胶结构对镀液的耐蚀性能。

然而, 图形畸变程度与版图、胶厚及后烘条件有关, 胶区大的图形收缩量大如图2。

为了减少胶结构的变形收缩, 除合理设计版图外, 通常后烘温度比前烘温度略高, 一般不超过130℃。

德国G.Engelmann 和H. Reichl 为了防止光刻胶的图形移动或收缩, 采用的后烘温度还比前烘温度低15℃。

4）镀金属层结构准LIGA 技术的关键工艺之一是镀金属层, 以前该金属层的获得, 一般采取电铸的方法, 但在窄而深的槽中电镀时, 对流对物质传输的贡献基本可忽略, 因而沉积速度很慢。

后来有人利用脉冲电镀深镀能力强、结晶细致、镀层应力小的优点, 采用脉冲电镀的方法，从材料看, 由于镍(Ni) 的机械性能如杨氏模量、屈服强度、硬度、抗蚀性等为许多金属所不及, 且还有许多令人感兴趣的镀液配方, 因。

此外, 由于合金材料的许多优良性能, 合金电镀也被应用到微结构的电镀中来了, 如: NiFe, NiP, FeCo, CoNiP 等, 其中FeNi 合金作为软磁材料在微执行器中有较广泛的应用, 特别为微电磁马达的实用化奠定了基础。

由于电镀需要电源, 而且需事先淀积导电层, 并且有的在镀后需除尽, 增加了工艺的复杂性, 而化学镀是基于化学氧化还原反应的原理, 不需要额外的电源, 且不存在电流分布不均的问题。

故化学镀具有镀层厚度均匀、针孔少、不受工件几何形状的限制等优点, 特别适合体积小, 形状复杂的镀件。

但化学镀由于自身特点, 需在制模后与化学镀前加入粗化、敏化、活化处理基体的步骤。

1996 年, S. Furukawa 等人综合考虑了镀液、温度、pH 值对光刻胶的影响, 利用化学镀镍来形成准LIGA 技术中的金属微结构。

得到了令人满意的结果。

准LIGA 技术可满足微系统对加工精度、集成度以及成本的要求, 丰富并充实了MEMS技术, 当对微结构侧壁的垂直度要求不是很高时, 它可取代LIGA 技术。