LIGA加工技術(shù)培訓(xùn)課件.ppt

LIGA加工技術(shù) LIGA技術(shù)簡(jiǎn)介 LIGA技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用LIGA是深結(jié)構(gòu)曝光和電鑄的代名詞 LIGA是德文Lithographie LI Galanoformung G Abformung A 三個(gè)詞 即光刻 電鑄和注塑的縮寫 是20世紀(jì)80年代初德國(guó)卡爾斯魯原子能研究所W Ehrfeld等發(fā)明的的一種制造微型零件的新工藝方法 用LIGA技術(shù)進(jìn)行超微細(xì)加工有如下特點(diǎn) 可制造有較大深寬比的微結(jié)構(gòu) 這種工藝方法可以制作微器件的高度1000 m 可以加工橫向尺寸為0 5 m 和高寬比大于200的立方微架構(gòu) 取材廣泛 可以是金屬 陶瓷 聚合物 玻璃等 可制作復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu) 精度高 加工精度可達(dá)0 1 m 可重復(fù)復(fù)制 符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求 成本低 缺點(diǎn)是成本高 難以加工含有曲面 斜面和高密度微尖陣列的微器件 不能生成口小肚大的腔體等 LIGA技術(shù)自問世后 發(fā)展非常迅速 德國(guó) 美國(guó)和日本都開展了該技術(shù)領(lǐng)域的研究工作 用LIGA技術(shù)已研制和正在研制的產(chǎn)品有微軸 微齒輪 微彈簧 多種微機(jī)械零件 多種微傳感器 微電機(jī) 多種微執(zhí)行器 集成光學(xué)和微光學(xué)原件 微電子原件 微型醫(yī)療器械和裝置 流體技術(shù)微元件 多種微納米原件及系統(tǒng)等 LIGA技術(shù)涉及的尖端科技領(lǐng)域和產(chǎn)品部門甚廣 其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的重要性是顯而易見的 LIGA技術(shù)的工藝流程 1 X射線深度光刻 2 顯影 3 電鑄制模 4 注塑復(fù)制 深度X射線曝光將光刻膠涂在有很好的導(dǎo)電性能的基片上 然后利用同步X射線將X光掩模上的二維圖形轉(zhuǎn)移到數(shù)百微米厚的光刻膠上 刻蝕出深寬比可達(dá)幾百的光刻膠圖形 X光在光刻膠中的刻蝕深度受到波長(zhǎng)的制約 若光刻膠厚度10 1000微米應(yīng)選用典型波長(zhǎng)為0 1 1納米的同步輻射源 顯影將曝光后的光刻膠放到顯影液中進(jìn)行顯影處理 曝光后的光刻膠如 分子長(zhǎng)鍵斷裂 發(fā)生降解 降解后的分子可溶于顯影液中 而未曝光的光刻膠顯影后依然存在 這樣就形成了一個(gè)與掩模圖形相同的三維光刻膠微結(jié)構(gòu) 電鑄制模利用光刻膠層下面的金屬薄層作為陰極對(duì)顯影后的三維光刻膠微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鍍 將金屬填充到光刻膠三維結(jié)構(gòu)的空隙中 直到金屬層將光刻膠浮雕完全覆蓋住 形成一個(gè)穩(wěn)定的 與光刻膠結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的密閉金屬結(jié)構(gòu) 此金屬結(jié)構(gòu)可以作為最終的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品 也可以作為批量復(fù)制的模具 對(duì)顯影后的樣品進(jìn)行微電鑄 就可以獲得由各種金屬組成的微結(jié)構(gòu)器件 微電鑄的原理是在電壓的作用下 陽極的金屬失去電子 變成金屬離子進(jìn)入電鑄液 金屬離子在陰極獲得電子 沉積在陰極上 當(dāng)陰極的金屬表面有一層光刻膠圖形時(shí) 金屬只能沉積到光刻膠的空隙中 形成與光刻膠相對(duì)應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu) 微電鑄的常用金屬為鎳 銅 金 鐵鎳合金等 由于要電鑄的孔較深 必須克服電鑄液的表面張力 使其進(jìn)入微孔中 用微電鑄工藝還要電鑄出用于微復(fù)制工藝的微結(jié)構(gòu)模具 要求獲得的模具無內(nèi)應(yīng)力 因此 LIGA技術(shù)對(duì)電鑄液的配方和電鑄工藝都有特殊的要求 解決該問題的辦法是 在電鑄液中添加表面抗張力劑 采用脈沖電源 或利用超聲波增加金屬離子的對(duì)流 注塑復(fù)制用上述金屬微結(jié)構(gòu)為模板 采用注塑成型或模壓成型等工藝 重復(fù)制造所需的微結(jié)構(gòu) 符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求 降低成本 X射線光源 由于深度同步輻射X射線是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵 普通X射線曝光所用X射線的穿透能力有限 不適合超深結(jié)構(gòu)的加工 所以在選擇光源的時(shí)候需要功率強(qiáng)大的同步輻射加速器產(chǎn)生的硬X射線作光源 它的強(qiáng)度是普通X射線強(qiáng)度的幾千到上萬倍 這種同步輻射X射線是由同步加速器和儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的高能相對(duì)論性電子發(fā)射出來的 這種電子由電磁場(chǎng)進(jìn)行加速 加速方向與其運(yùn)動(dòng)方向垂直 發(fā)射出來的輻射譜從微波波長(zhǎng)區(qū) 經(jīng)過紅外波長(zhǎng)區(qū) 看見光 紫外波長(zhǎng)區(qū) 一直延伸到X射線波長(zhǎng)區(qū) 同步輻射X射線輻射照度很強(qiáng) 故曝光時(shí)間較短 它的波長(zhǎng)甚短 穿透能力極強(qiáng) 故可以達(dá)到很大的光刻厚度 這種光源的平行度極好 刻出的圖形側(cè)壁光滑陡峭 可以有很高的橫向分辨率和很大的高寬比 所以可以說深度同步輻射X射線光源是LIGA技術(shù)的最重要和最基本的設(shè)備 深度同步輻射X射線不僅價(jià)格極其昂貴 而且國(guó)內(nèi)外由此設(shè)備的單位也較少 因此有的單位就使用超紫外線光源和普通的X射線光源 這種光源波長(zhǎng)長(zhǎng) 強(qiáng)度和平行性也不夠理想 故光刻的深度較淺 質(zhì)量稍差 使用這種光源代替同步輻射X光源 一般稱為準(zhǔn)LIGA技術(shù) LIGA掩膜 LIGA光刻中采用的同步輻射X射線 它的穿透能力極強(qiáng) 這對(duì)X光掩膜板的要求極高 普通IC工業(yè)中的掩膜 因不能承受這樣的穿透力 己不能使用 所以組成掩膜的阻擋X射線的吸收體 載體薄片 基板 和外框架 各自有自身的特殊要求 掩膜的吸收體在光學(xué)光刻中的使用的紫外線光 只要大約0 1 m厚的Cr膜做吸收體就足夠了 而X射線光刻的吸收體 因要吸收強(qiáng)X射線 需要用高吸收系數(shù)的重金屬 原子量大的物質(zhì)常被用作X射線曝光的吸收體如Au 要得到實(shí)施LIGA工藝所需的X射線吸收的最大合適值 Au吸收體的厚度必須大于10 m 吸收體的厚度取決于同步加速器輻射X射線的強(qiáng)度和被照射的光刻膠厚度確定 掩膜的載體薄片掩膜的載體薄片要求有很高的X射線透過率和一定的強(qiáng)度 普通光學(xué)光刻中使用的掩膜載體 是大約2mm厚的玻璃或石英片 它們對(duì)X射線有較強(qiáng)的吸收率 故不能使用 金屬鈹薄膜具有很高的X射線透過率和一定的強(qiáng)度 是較理想的載體 但鈹不僅有毒而且價(jià)格昂貴 所以現(xiàn)在一般選用鈦薄膜做載體 但鈦的X射線透過率低于鈹 故必須減少載體薄膜的厚度 實(shí)際使用的鈦膜厚度為2 3 m 厚度很小 增加了制作難度 掩膜的外框架掩膜的外框架由低膨脹系數(shù)的合金制造 以減少載體薄膜工作時(shí)所受的應(yīng)力 X射線薄膜的制作對(duì)于LIGA光刻中使用的X射線掩膜 由于對(duì)其吸收體金膜要求的厚度大于10 m 對(duì)薄膜載體的鈦膜的要求厚度僅為2 m 很難用普通光刻技術(shù)制造出來 現(xiàn)在的制造方法是先用普通的光刻技術(shù)制造出金吸收層厚度小于3 m的中間掩膜 再用這個(gè)中間掩膜通過X射線曝光刻蝕 制造出金吸收厚度大于10 m的正式的X射線工藝薄膜 抗蝕光刻膠 LIGA工藝制造的器件精度高 因此要求光刻膠有很高的分辨率 投明度好 且對(duì)鍍液有較好的耐蝕性 根據(jù)這一要求現(xiàn)在使用的唯一抗蝕光刻膠是聚甲基丙烯 PMMA 它在X射線光刻時(shí)有極好的圖像再現(xiàn)性 固化后強(qiáng)度高 能形成很大高寬比和很精細(xì)的精密三維圖形結(jié)構(gòu) PMMA是一種對(duì)電子束敏感的高分辨率的抗蝕性材料 X射線曝光過程是在PMMA中激發(fā)光電子 光電子使聚合物的長(zhǎng)鏈大分子變成可溶的小分子 在LIGA工藝中抗蝕光刻膠起著很重要作用 要形成厚達(dá)數(shù)百到上千微米 均勻 致密 平整的光刻膠 是有一定難度的 制作這種厚的膠層本身就是一種特殊的技術(shù) 這種刻蝕光刻膠一般直接在基底的金屬板上生成 也有的先制成聚合體版再黏貼到基底金屬板上 最有效的方法是直接將商品PMMA硬膜粘附到基體材料表面 制作抗蝕光刻膠時(shí) 很重要的一點(diǎn)是它必須和金屬基底牢固連接 制成的很窄很高的構(gòu)件仍能牢固的連接在基板上 由于PMMA涂覆在作為電鍍基層的金屬導(dǎo)電膜上 因此PMMA的附著性能主要是與金屬導(dǎo)電膜的親和性能 如果是鈦為金屬導(dǎo)電體 可以通過化學(xué)處理在鈦表面生成一層氧化鈦 氧化鈦是多孔材料 這樣增大接觸面積 增大附著力 或者通過化學(xué)增附劑改善附著性能 影響LIGA圖形精度的因素 盡管LIGA技術(shù)可以制作深寬比極大 邊壁極陡直的微細(xì)結(jié)構(gòu) 但仍有一些因素限制其可能獲得更高的精度 這些因素包括X射線的衍射與光電子散射效應(yīng) 同步輻射光源的發(fā)散效應(yīng) 吸收層圖形非陡直邊壁的效應(yīng) 掩膜畸變效應(yīng) 基層材料的二次電子效應(yīng) 知道了以上的影響因素 使用過程中加以注意和進(jìn)行必要的處理 有助于精度保證 準(zhǔn)LIGA技術(shù) LIGA技術(shù)已經(jīng)在微傳感器 微制動(dòng)器 微光學(xué)器件和其他微機(jī)械加工中顯示出無可比擬的優(yōu)越性 但是LIGA工藝需要昂貴的同步輻射X光源和制作復(fù)雜的X線掩模 為了解決這一問題 科技人員發(fā)明了用紫外線或激光光刻工藝來代替同步輻射X光深層光刻的工藝稱為準(zhǔn)LIGA技術(shù) 如用紫外光刻的UV LIGA 用激光燒蝕的Laster LIGA 用硅深刻蝕工藝的Si LIGA和DEM技術(shù) 以及用等離子束刻蝕的IB LIGA等 雖然這些技術(shù)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)低于同步輻射LIGA技術(shù) 但由于其成本低廉 加工周期短 大大擴(kuò)展了LIGA技術(shù)的應(yīng)用范圍 UV LIGA技術(shù)UV LIGA技術(shù)是美國(guó)威斯康星大學(xué)HenryGuckle教授等人在1990年研究開發(fā)提出的 它可以用于刻蝕適中厚度的光刻膠 節(jié)省成本 UV LIGA工藝實(shí)際