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1、LIGA技术目录lLIGA技术简介lLIGA技术的工艺流程lX射线光源lLIGA掩膜l抗蚀光刻胶l影响LIGA图形精度的因素l准LIGA技术LIGA技术简介lLIGA技术的特点与应用lLIGA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。l用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：l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
2、加工横向尺寸为 0.5m,和高宽比大于200的立方微构架，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。l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 .lLIGA 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。l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
3、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l1. X射线深度光刻；l2. 显影；l3. 电铸制模；l4. 注塑复制。l深度X射线曝光l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。l显影l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
4、，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。l电铸制模l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。l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
5、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。l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。l注塑复制l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l由于深度同步辐射X射线是这项技术的关
6、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。l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。l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
7、 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。l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lLIGA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。l掩膜的吸收体l在光学光刻中
8、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。l掩膜的载体薄片l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
9、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。l掩膜的外框架l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。lX射线薄膜的制作l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lLIGA
10、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。lPMMA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。l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。l这种刻蚀光刻胶一般直接在基底的金属板上生 成，
11、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。l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。l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l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
12、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。l知道了以上的影响因素，操作过程中加以注意 和进行必要的处理，有助于精度保证。准LIGA技术lLIGA 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。l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
13、- 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。lUV-LIGA技术lUV-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。lLaster-LIGA技术lLaster-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
14、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）。lDEM技术lDEM 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是该技术 三个主要工艺的英文缩写(DEM：deep-etching， electro-forming，micoreplication）。该技术用感 应耦合等离子体（ICP:inductively coupled plasma）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工艺。该 技术不需昂贵的同步辐射X光源和特制的X光掩模 版。l工艺过程主要为首先在氧化过的低阻硅片上溅射一层 金属膜,利用紫外光刻和刻蚀工艺获得掩模,然后利用 ICP 刻蚀机对硅进行深层刻蚀, 再通过氧化和反应离子 刻蚀对硅的侧壁进行绝缘保护.利用深层微电铸工艺进 行金属镍电铸后, 再用氢氧化钾将硅片腐蚀掉, 获得由 金属镍组成的微复制模具. 利用该模具可对塑料进行 模压加工, 进行塑料产品的批量生产, 或对模压后获得 的塑料微结构再进行第二次微电铸,就可进行金属产品 的批量生产.
