LIGA技术简介.doc

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1、LIGA技术简介LIGA是德文（Lithographie GaVanoformung Abformung）之缩写，译成英文则为Lithogrophy electroforming micro molding 译成中文则为X光光刻，微电铸，微成形也就是X光深刻精密电铸模造成形，通常简称为深刻电铸模造。 LIGA制程源自德国核能研究所，1980年初期所发展出来用以制造微结构的技术。它结X-Ray深刻术（Decp X-Ray Lithography）电铸翻模（Micro Electroform ing）及精密射出（Micro-Injection）热压成型（Micro-Embossing）技，适合量产

2、高深宽比（Aspect Ratio）低表面粗糙度（Sub m）拜直侧壁的微结构，且材料的应用范围广泛，可制造金属及塑料的微结构。这些技术的特点使得LIGA被公认为最具有技术潜力开发高深宽比，高精度之2D,3D微结构之件及微系统。一、LIGA之技术领域LIGA之技术领域可分为三方面 (1)Lithography （光刻） (2)Electro deposition （电气沉积） Electroforming （电铸） Electroplating （电镀） (3) Micro Molding （微成形） Micro injection molding （微射出成形）二、光刻（Lithograph

3、y）1、光刻之定义光刻之定义，就是将掩膜（Photomark）上之图案（Pattem）转移至光阻（Photoresist）上面，由于光阻材料之正负性质不同，经显影（Develop）后，光阻图案会和光完全相同或呈互补。2、光刻制程光刻制程可说是半导体制程之关键制程，其步骤如下： (1) 表面清洗 (2)涂底（Priming） (3)光阻覆盖 (4)软烤(Soft bake) (5)曝光 (6)烘烤 (7)显影 (8)硬烤 如图（一）图（二）所示：表面清洗是去除芯片表面氧化物、杂质、油质及水分子 涂底是在芯片表面涂上一层HMDS化合物，以增加光阻与表面的附着力 光阻是一种感光材料，由感光剂（Sen

4、sitizer）树脂（Resin）及溶剂（Solvent）混合而成光阻应具备之特性：(1) 高光源吸收率 (2)高分辨率 (3)高无感度 (4)抗蚀剂性(5)高附着性 (6)低黏滞系数 (7)高对比 光阻材料有正负之分，正光阻受光照射后分子键被剪断(Chan scission)因而易溶于显影液(Developer)，因而负光阻分子键则会产生交互链台(cross linking) 因而难溶于显影液 如图三所示：3、光刻曝光法技术 光蚀刻光刻技术是用已制成图案之掩膜或光阻，选择性的保护工件表面后，以各种光源蚀刻除去未被掩膜或光阻色覆的部份，而得到欲加工之几何形状。依据便用光源之不同光蚀刻技术可分为

5、四种：(1)光蚀刻（photolithography） (2)电子束蚀刻（Electron-Beam lithography） (3) X光蚀刻（X-ray lithography） (4)离子束蚀刻（Im-Beam lithography） 如图（四）所示：集成电路的制作必须经过多次的光刻制程才能完成，因此在曝光前晶圆上前段制程已经存在的图案（Align）必须与掩膜上后段制程的图案彼此对准目前工业界发展出三种型式的曝光系统：(1) 接触式（Contact）(2) 近接式（Proximity） (3) 投影（射）（Projection） 如图五所示接触式曝光法分辨率高，可达1m比较不会产生绕射

6、现象，但光罩因直接放置在基板（Substrate）上面，不仅容易变形即且易受微粒污染，因此会影响光罩寿命，但因有曝光的间隔，容易造成绕射效应而使得图案转移的分辨率变差，仅为2m。 投影式曝光法，利用光学镜片将聚焦的光罩投影在晶圆上，光罩上的图案通常放大为5倍或10倍，利用聚焦原理依适学比例缩小，然后照射在芯片的局部位置上，必须经过多次重复且步进的曝光方式，才能完成图案转移。不但设备昂贵而且耗时生产产量比前两种方式低，但分辨率可达0.5m而且光罩不受微粒子污染，因而寿命长久。如图六所示：随着技术进步，对分辨率及对准精确度之要求渐高，为避免芯片经过多次制程后，所产生之变异影响，遂采用同一芯片上分区

7、曝光之方式（Step and Repeat），将一片芯片分为4060次来曝光，如图(b) (c)以影像缩小之比例又分为：或M：（目前以：最常用），：表示光罩图形经透镜缩影倍后，成像于芯片上，目前做：之厂商很多，如Canon、 Nikon、 ASML.等4、显影曝光后，为使图案显现，必须移去不必要之光阻，负光阻显影液，会将未曝光之部份以溶剂洗去，已曝光部份则因分子聚合而留下图形，对正光阻而言，曝光部份将被洗去，而留下未曝光部份图形，与负光阻相反，目前正光阻之显影液以不合金属离子且稀释过（2.38%）的TMAH为主。 正光阻显影之方式概分为三：(a)浸泡式：一次可以显影数十片芯片，速度快，且浸泡槽

8、在显影速率不变之情况下可重复使用，成本较低，其缺点则为显影均匀度较差及易受污染等。(b)单片喷洒式：一次一片且均使用新的显影液，藉喷洒及旋转之离心力，以报到显影之效果，此方法可有效改善污染问题，在均匀度之改善上，仍不尽完美，且显影液之用量大。(c)单片喷洒静置式：此仍为一次一片，但先将显影液以慢转速喷洒在芯片上，待显影液完全均匀覆盖在芯片上时，则靠显影液在芯片上着力做静置显影，此方式之显影均匀度较喷洒式佳，用量亦较少，且可避免污染问题，为目前较被广泛使用之方式。5、硬烤在光阻显影成像后，最后仍会经过一道烘烤（Hard Bake），其目的在移去剩余之溶剂及水气，使光阻内未溶解之感光化合物和树脂间

9、之结合更紧密，以增加光阻对热之稳定性及底层物质之附着力，在将来之蚀刻或离子植入制程中，能确实发挥保护图形之功能。三、电铸（Electro forming）经由光刻所得到之塑料结构，仅是一个半间产物，它是用来制造金属产品或金属产品或金属模具以便利用微射出成形或微热压成形而得到所要的金属产品。 如图七所示：四、电铸精密模具必须具备之条件(1)表面精度高 镍电镀模具的表面精度上可以达到小于nm以下的表面精度，一般在电铸镍模时之启镀电流会采用较低之电流密度，获得较高之表面精度，其主要是因为在较低的电流密度下镀覆可以得到晶粒较小的结构。 (2)覆盖性良好（即复制性良好） 对于需畏经由翻模的制程，其镀模设

10、备的覆盖性是相当重要的一环，有好的覆盖性才能够得到一个具有良好的复制性的模具，在电镀上可以制作aspect ratio 大于10以上的微结构件。 (3)残留应力低 残留应力为电铸微结构模具上重要因子，应力过大会在造成微结构模具的变形，造成尺寸上的误差，因此电铸之残留应力尽量保持为零应力的理想状态。影响残余应力的因子包括电镀温度，添加剂、ph值、电流密度的分布等。一般而言电铸模具之残留应力须控制在2Kg/mm2 以下，才能得作为热压成形之电铸模具。 (4)高硬度 模具的硬度及刚性是决定此模具寿命的重要因素，硬度越高的材质会有较大的耐磨耗性。一般为得到高硬度的镀膜通常是加入第二甚至第三元素以提高电

11、铸模具的硬度，如所谓的镍钴电镀，其硬度约为600HV大概的镍膜的三倍到四倍间，但引入其它元素则会造成电镀上的难度。1、微成形（Micro Molding）利用电铸所得之模具（Mold）可作为微射出成形模具（Micro injection mold）如图七所示，及微热压成形模具如图八所示：五、微成形产品利用微电铸所得到之模具分别利用微射出成形及微热压成形方法，即可以获得所要之微结构组件，如图九、十所示：六、LIGA之特性及工能LIGA制程的主要特性和功能如下： 最小槽向大小：Min d=0.5m0.1m 最大结构高度：Max h=1000m 最大纵横比：h/d100 表面粗糙度：0.030.05

12、m 可使用材料种类广 精确度高 具有弹性设计的可能性（有量产潜力） LIGA技术不但可以制造二次元的微结构，目前也发展出新的LIGA制程，可制造三次元的微结构。七、越深LIGA制程（Ultra-Deep LIGA Process）同步辐射中心的微结构小组针对微机械应用的需要，成功开发出超深LIGA制程（Ultra-Deep LIGA Process），可以制作厚达数厘，的深刻结构，此深刻技术能力目前仍居世界领先地位。UD LIGA制程基本上包括几个基本要项：1. 多次而连续的曝光显影程序。2. 第一次曝光显影程序后，曝光剂量可大幅提升数倍于前述的高限值以增快光阻溶解速率。光阻的释气可藉由第一次

13、显影后的多孔表面结构释出，而不致于破坏微结构。 3. 以共型光罩（conformal mask）解决多次曝光过程的对准问题。 4. 在光阻侧壁可能发生的X光全反射机制，可避免两次曝光显影程序间，结构侧壁的不连续界面产。除此之外，着结构增厚，应力与附着性的问题都必须设法控制与解决。首先是在积层基板（Cu/PMMA/A1）上以类LIGA技术制作金光罩（图ab），经连续曝光显影程序深刻微结构（图cd），再电铸翻模为金属微结构（图ef）。图四则是经两次曝光显影的光刻结构。 同步辐射光源的微小化是加速器发展过程的极大挑战，其中除了加速器设计的基础外，加速器微结构的制作也是其成功的关键。同步辐射中心微结构

14、小组所开发的超深制程洽可满足微加速对于结构深度及精度的严苛要求，透过电铸铜复合材料亦可符合材料性质的需要。 制造高深宽比结构的主要果难在于显影制程。由于曝光剂量因光阻吸收而深度衰减，加上沟槽内的质传（mass transfer）相当缓慢，因此底部光阻必须花费相当长的时间显影；在此同时，未曝光光阻因浸滞显影液时间过长而损失精度，甚至破坏微结构。因此提升显影速率可说是制造超深光刻结构的首要关键。显影基本上是类似溶解的过程，一般常用搅伴或升温的方式加速溶解的进行。然而对于微结构显影而言，搅伴的机械力可能破坏脆弱的微结构，对于微沟而言，搅伴的效果也十分有限。升温虽然可以提升显影的速度，但也同时减低显影

15、液对于曝光未曝光光阻的选择性而损失精度。增加曝光剂量提升光阻的溶解速率则是一种较安全有效的方法，但光阻的曝光剂量有基本的限制，否则光阻因曝光断键后的释气（out-gassing）可能累积起泡而破坏微结构。因此在这些边界条件的限制下，必须有新的策略才能有效地改变光阻内的剂量分布，达成加快显影速率的目的。透过UD LIGA制程，同步辐射中心目前可制作深数厘，精度2m左右，深宽比大于30的精密微结构。基于此技术能量，同步辐射中心透过国际合作方式以该技术制作2mm深的PMMA光刻模，SLAC再进行铜复合电铸翻制加速器结构（图六）。经SLAC进行初步测试发现，该LIGA微加速器结构的质量参数非常接近理论计算值。