纳米加工中的liga技术

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1、纳米加工中的纳米加工中的 LIGA 技术技术Nano machining technology LIGA09 机 Y4 顾力欢 09120408摘要：摘要：在本文中，主要阐述了纳米级加工技术中的 LIGA 技术，介绍了 LIGA 技术的发展以及内容，以及各国在 LIGA 技术领域的发展成果，最后介绍了 LIGA 技术的延伸准 LIGA 技术和 LIGA 技术的应用实例。这些应用的实例告诉了我们 LIGA 技术的实用性和多样性。Abstract:In this paper, mainly expounds the nano machining technology in LIGA technol

2、ogy, introduces the development of LIGA technology and content, as well as countries in the field of LIGA technology development results, finally introduces the LIGA Technology Extension - quasi LIGA technology and LIGA technology application. These examples tell us LIGA technology practicability an

3、d diversity.关键词：关键词：LIGA 技术 准 LIGA 技术 同步辐射 X 光源 X 射线光刻Key word.LIGA Technology Quasi LIGA technique Synchrotron radiation X light source X ray lithography引言：引言：本世纪八、九十年代大规模集成电路技术迅猛发展，由此引起的信息革命冲击着科学 技 术的各个领域。在微电子技术的带动下,将微传感器、微处理器、微执行器等集成在一个极 小的几何空间内形成的微型机电系统(MEMS:Miero Electro Mechanical Systems ) 已经

4、间 世, 从而, 微型机械及微型电气控制系统就能像集成电路一样大批量廉价地生产。微型机 电系统在医疗、生物、精密仪器环境保护、航空航天、通讯、军事等领域具有广阔的应用, 该项技术的实现, 势必带来重大的产业革命。目前国际上用于制造微型机电系统的微加工技 术主要有两种工艺路线。第一种工艺是采用常规的 微细加工技术, 包括薄膜生产、光刻、刻蚀、扩散、 离子注入和封装等, 其核心主要是利用硅或其它半 导体材料的各向异性刻蚀而成。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微机械，但是它存 在着两个缺点：一是微器件所用的材料受到严格限 制, 二是得到

5、的微结构的厚度很小, 一般只有1 一 3m , 只能制造平面微结构器件, 达不到很多器件 的要求。另外一种工艺是采用LIGA技术，该技术的 优点是它能制造三维微结构器件和活动的微器件， 获得的微器件具有较大的高宽比和精细的结构，侧 壁陡峭、表面平整，微器件的厚度可达几百微米。 LIGA 技术不受器件材料的限制, 所用材料可以是高 分子材料、各种金属或陶瓷, 并且可以利用微塑铸 技术进行微器件的大批量生产。因此LI G A 技术是制造微型机电系统的微细加工工艺中一个最重要的组成部分, 目前它不可能由其它微加工 技术所取代。 1 1、LIGALIGA技术简介技术简介LIGA（德语Lithograf

6、ic，Galvanoformung和Abformung）技术是20世纪80年代中期由 德国的W.Ehrfeld 教授等发明的，自其问世以来发展十分迅猛，德国、美国、日本都开展 了该技术的研究。LIGA技术是一种利用同步辐射X射线制造三维微器件的先进制造技术，它 是使用X射线的深度光刻和电铸想结合，实现高深宽比的微细构造的微细加工技术，简称光 刻电铸。它包括涂光刻胶、x光曝光、显影、微电铸、去除光刻胶、去除隔离层以及制造微 塑铸模具、微塑铸和第二次微电铸等多道工序，其工艺流程如图所示。 （1 1）掩模制造）掩模制造深度同步辐射X光光刻是LIGA技术的关键一步。为此必须取得高对比度(大于200)的

7、掩 膜。它可利用高原子序数、厚 吸收体和低原子序数、高透明 的材料制成。但要求在典型曝 光工序期间, 掩模应能经受约 1MJ/cm2X 射线剂量的多次辐照 曝光, 而不损坏。制作掩模方 法有多种, 现提供一种价格低 廉、可避免使用腐蚀剂新方法 (见图2)。基片采用廉价的硅晶 片。其制作工艺为: 第一步用 100nm厚低粘附力碳层覆盖在硅 晶片上（图2（a） ）, 但在片边 缘3mm宽区域不覆盖。将钛溅射 到碳层上。再在层上粘贴一个 框架（图2（b） ）, 把框架外围 的钛层切除（图2（b） ） , 用 特制的工具, 小心弯曲晶片系 统, 使框架5钛薄片脱离硅晶片 （图2（c） ） 。若在钛薄片

8、上残 留碳, 则用氧等离体剃除，得 掩模坯件（图2（d） ） 。第二步 再旋镀以3- 4m 原光刻胶层。 然后用电子束光刻光刻胶, 获 得所需图形, 再用电铸工艺, 在掩模坯件上铸入金作为吸收体的图形结构, 而成一个低X 射线对比度的中间掩模, 然后 仿照上述, 用2nm 波长软同步辐射, 以中间掩模为依据, 改用吸收较大的材料, 翻制成厚 度满足要求的,高对比度的LIGA 工作掩模。 （2 2）X X 光光刻光光刻利用深度同步辐射X光光刻,将掩模吸收体图形转移到厚度近1000m光刻胶层上,利用 适当显影液,溶去被照射部分,留下未受照射区原分子链结构。显影液必须满足一定要求,不 侵蚀未被照射区

9、、不引起膨胀, 否则它将引起结构变形或边缘变钝,这对于高深度比微结构 更应注意。适用于PMMA光刻显影液是由: 乙二醇单丁基醚、单乙醇胺、四氢1、4 恶嗪、和水配制组成。（3 3）电铸）电铸 利用光刻胶层下面的金属薄层作为电极进行电镀, 将显影后的光刻胶所形成的三维立体结 构间隙用金属填充, 直至光刻胶上面完全覆盖了金属膜为止, 形成一个与光刻胶图形互补 稳定的相反结构金属图形, 这种金属微结构体就成为廉价的铸塑模子,以实现工业大规模生 产。镍是LIGA 技术电铸工艺中的标准材料, 镍的电铸过程很易控制, 镍呈现很高抗拉强度 和很好抗腐蚀性能, 标准电解液是氨基磺酸镍镀液, 电流密度为1. 8

10、A/ dm2, 以取得高硬 度、低内应力电沉积镍。电铸后, 残余的聚合物、裸露电镀基板可用湿化学蚀刻去除。 （4 4）塑铸）塑铸由于深度同步辐射X 射线光刻是非常昂贵的一道工序, 在大批量复制生产中, 出于经 济上考虑应尽量避免使用。塑铸为大批量生产电铸产品, 提供了塑料铸模。经过金属注塑 板上的小孔, 将树脂注入到金属模具的腔体内, 待树脂硬化以后, 脱去模具就可以得到一 个塑模微型结构, 在塑铸完成的塑模微型结构上, 再电铸所需要的产品结构, 清除掉胶和 注塑板,就可以得到三维立体金属结构器件。 2 2、LIGALIGA技术的发展技术的发展自LIGA技术诞生以来，就收到了广泛重视，发展非常

11、迅速，并衍生了许多变种（准 LIGA技术） ，LIGA技术很快就应用于MEMS的生产，已经有微光谱仪、喷墨打印机喷嘴等产品 面市。目前美国和德国在LIGA技术领域居领先地位，其他国家如英国、俄罗斯和日本等也 非常重视LIGA技术的研究并取得了许多重要成果。德国从事LIGA技术研究的专门研究机构有两个：IMM（Institute of Microparts Minz）和IMT（Institute of Microsystem Technology） 。他们与其他研究机构和企业有着 广泛的合作。例如，IMT与MicroParts公司密切合作，从事MEMS产品市场开发，并通过了 ISO9001认证。

12、目前这两个研究机构已研制出微电机、过滤器、红外滤波器、加速度传感器、 微型涡轮、喷墨打印机喷嘴和光纤连接器等多种微器件，以及微加速度计（士5g） 、微光谱 仪（效率25%，分辨率0.2nm/m） 、微泵（220L/min）等微机电系统。美国在MEMS研制方面一直保持国际领先地位。20实际80年代初期，主要是利用IC工艺， 80年代末，开始了LIGA技术的研究，成立了DXRL（Deep-X-ray Lithography）委员会， DXRL在劳伦斯伯克利国家实验室的Advanced Light Source（ALS） ，斯坦福直线加速器 中心的Stanford Synchrotron Radia

13、tion Laboratory（SSRL） ，布鲁克海文国家实验室的 National Synchron Light source（NSLS）和路易斯安娜大学的Center for Advanced Microstructures and Deviced（CAMD）等同步辐射装置上都建立了用于LIGA技术研究的设 备，并为从事LIGA技术研究的机构服务。此外，从事LIGA技术研究的还有喷气实验室和 Wisconson-Madison大学等近十所大学。这些研究机构已经制造出一些实际应用的产品, 如 离子准直器、质谱仪、微电机等。美国LIGA技术研究的特点是军事应用背景很强，许多研 究工作与美国国

14、防部密切合作，直接开发满足军事上特殊需要的产品。我国台湾近几年投入了大量的人力、物力和财力开展LIGA技术的研究，其起步虽然比 大陆晚了一些，但是现在已经超越了大陆。台湾新竹的同步辐射研究中心（SRRC）正与台 湾大学、清华大学（新竹） 、台湾交通大学、工业技术研究院等单位联合开展LIGA技术研究， 致力于喷墨打印机喷嘴、喷丝板、光纤连接器等具有明确应用目标的产品研制和生产，微 邦公司的喷墨打印机喷嘴已经达到50万件/月的产量。中国大陆现有两台同步辐射光源，分别位于中国科学院高能物理所的北京同步辐射装 置（BSRF）和位于合肥中国科技大学的国家同步辐射实验室（NSRL） 。从20世纪90年代开

15、始， 高能物理所、长春光机所和中国科技大学等研究单位开展了LIGA技术研究，上海交通大学 的微纳米中心也以LIGA技术作为他们的研究重点之一。这些研究得到了来自科技部、科学 院、国防科工委、自然基金委等部门的国家攀登计划、863计划、知识创新工程等项目的支持，取得了一定的进展。目前的LIGA技术成果主要是在高能所的装置上取得的，最大厚度 为2mm，最小尺寸为500nm，深宽比最高达100，合肥的装置正在改造，预计不久将对外开放。3 3、LIGALIGA技术的改进与推广技术的改进与推广 （1 1）准）准LIGALIGA技术技术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

16、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，而且与集成 电路工艺兼容性不好。美、德等国也只有不多的同步辐射X线源，我国也只有二、三个单位 具有此条件，所以LIGA技术推广应用并不容易。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UVUGA，用激光烧蚀的LasterLIGA，用硅深刻蚀工艺的SiLIGA和DEM技术，以及用 等离子束刻蚀的IBLIGA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UGA技术的应用范 围。准LIGA技术对设备条件要 求较低，具有更高的灵活性和 实用性，同时和集成电路有较 好的兼容性。在制作高深宽比 的微金属结构时， 准LIGA工 艺虽然不能完全达到LIGA工艺 的的性能和质量，但是也能满 足微机械制造中的许多需要， 而且价格低廉。目前对该方法 的研究较LIGA技术要更加广泛 “。准LIGA技术和LI