機械加工制造文獻閱讀報告

1、LIGA射線光刻微加工技術(shù)基礎(chǔ)及發(fā)展隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展和人們在微機械制造方面所取得的成就，對各種微執(zhí) 行器、微傳感器等微結(jié)構(gòu)的制造方法的研究成為MEMS技術(shù)研究的一個熱點，同時 微機械制造技術(shù)也是MEMS技術(shù)向更高層次發(fā)展的推動力。微結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用直 接導致MEMS市場對三維微機械部件的需求量呈指數(shù)增長。因此，三維微細加工 技術(shù)就成為MEMS技術(shù)非常重要的工藝技術(shù)之一。1 LIGA技術(shù)LIGA 一詞來源于德語 Lithographic, Gal2vanoformung 和 Abformung 三個 詞語的縮寫,表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術(shù)的有機結(jié)合。早在20世紀60 年代初，德國的Ka

2、rlsruhe原子能研究中心致力于開發(fā)一項技術(shù)，即用氣體彎曲 噴射的離心力方法處理六氟化鈾和輕的輔助氣體,從而分離出鈾同位素。為了提 高這個方法的效率,需要將分離噴嘴的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸縮小到幾個微米的尺度，這 促使了 LIGA技術(shù)的開發(fā)研究。到20世紀70年代末由該中心的Ehrfeld教授開 發(fā)了 LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)的出現(xiàn)基于以下觀點：在金屬化的襯底上形成厚光刻膠技術(shù)是可行的；強X光束光刻形成側(cè)壁垂直的凹口 ；凹口可以用電鍍金屬填充。掩膜板曝光光刻膠顯影金屬結(jié)構(gòu)電鑄進料口模板光刻膠結(jié)構(gòu)制模塑造結(jié)構(gòu),脫模掩膜板曝光光刻膠顯影金屬結(jié)構(gòu)電鑄進料口模板光刻膠結(jié)構(gòu)制模塑造結(jié)構(gòu),脫模圖1典型L IGA工

3、藝流程圖Fig 1 Flow chart of a process sequence of LIGA這就是LIGA技術(shù)概念的雛形。LIGA技術(shù)的典型工藝流程如圖1所示。 它 包括三個基本步驟:借助同步輻射X光實現(xiàn)的厚膠曝光、將樣品結(jié)構(gòu)浸入電解液 中在凹槽處電鍍金屬和實現(xiàn)微復制的注塑成形。LIGA技術(shù)之所以能實現(xiàn)高深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵是深層光刻技術(shù)。為 了實現(xiàn)高深寬比、縱向尺寸達到數(shù)百微米的深度刻蝕，并且側(cè)壁垂直、光滑，一方 面需要高強度、平行性很好的光源，這樣的光源只有用同步加速輻射的方法才能 得到，即同步輻射X光;另一方面要求用于LIGA技術(shù)的抗蝕劑必須有良好的分辨 力、機械強度、低應(yīng)

4、力，同時還要與基片粘附性好。用于深層X光光刻的光刻膠 一般用綜合性能良好的有機聚合物聚甲基丙烯酸甲酯 Poly(methylmethacrylate)2PMMA。PMMA是正性光刻膠，有很好的透光性。這種 情況下光源的條件是能量為10keV，波長為0. 20. 8nm。然而PM2MA有其本身 的吸收性和熱學特性的局限，其低靈敏度是一個尤其嚴重的問題,這將影響生產(chǎn) 效率。因此需要盡可能地增大同步加速器的輻射能量。為了減小光刻過程的成本 費用，主要方法是使用具有更高能量的質(zhì)子，達到MeV量級。由于增加了 X光的穿 透能力，同樣的時間內(nèi)可以使更多的光刻膠曝光。另一個引起人們注意的減小光 刻成本的方法

5、就是用開發(fā)使用靈敏度更高的光刻膠。LIGA技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已顯示出它的優(yōu)點：深寬比大，準確度高。所加工的圖形準確度小于0. 5p m,表面粗糙度僅 10nm，側(cè)壁垂直度89. 9，縱向高度可達500. m以上；用材廣泛。從塑料(PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等)到金屬 (Au,Ag,Ni ,Cu)到陶瓷(ZnO2)等，都可以用LIGA技術(shù)實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu);由于采用微復制技術(shù)，可降低成本，進行批量生產(chǎn)。2準LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)雖然具有突出的優(yōu)點,但是它的工藝步驟比較復雜，成本費用昂 貴。為了獲得X光源，需要復雜而又昂貴的同步加速器，而這只能在一些大的研究 機構(gòu)里才能得到;用于X光光刻的

6、掩膜板本身就是3D微結(jié)構(gòu)，需要先用LIGA技術(shù) 制備出來,費時又復雜;可用的光刻膠種類少。這使得LIGA技術(shù)的發(fā)展在一定程 度上受到限制，阻礙了它工業(yè)化應(yīng)用的進程。為此，人們開展了一系列準LIGA技 術(shù)(又稱為LIGA技術(shù)的變體)的研究，即在取代昂貴的X光源和特制掩膜板的基礎(chǔ) 上開發(fā)新的三維微加工技術(shù)。其中有紫外光(UV)LIGA、深等離子體刻蝕、激光 (laser)LIGA 等。圖2 UVLIGA工藝原理Fig 2 lYincipJc and fabrication steps of UVLKikUV2LIGA該技術(shù)使用紫外光源對光刻膠曝光，光源來自于汞燈，所用的掩膜板是簡單 的銘掩膜板。其

7、原理步驟如圖2所示該工藝分為兩個主要的部分:厚膠的深層UV光刻和圖形中結(jié)構(gòu)材料的電鍍。 其主要困難在于穩(wěn)定、陡壁、高精度的厚膠模的形成。對于UV2LIGA適用光刻膠 的研究,做得較多的是SU28膠。SU28膠是一種負性膠，即曝光時,膠中含有的少 量光催化劑(PAG)發(fā)生化學反應(yīng),產(chǎn)生一種強酸，能使SU28膠發(fā)生熱交聯(lián)。SU28 膠具有高的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和良好的力學性能，在近紫外光范圍內(nèi)光吸收 度低，整個光刻膠層可獲得均勻一致的曝光量。因此，將SU28膠用于UV2LIGA中， 可以形成圖形結(jié)構(gòu)復雜、深寬比大、側(cè)壁陡峭的微結(jié)構(gòu)。其不足之處是存在張應(yīng) 力，以及烘烤量大時在工藝的后段難以除去。值

8、得指出的是,SU28膠在X光輻照 下無膨脹、龜裂等現(xiàn)象，且對X光的靈敏度比PM2MA高幾百倍，因此有人研究將它 用于標準LIGA技術(shù)中替代PMMA,以降低光刻過程的成本費用UV2LIGA技術(shù)也可 以采用了商品化的AZ4562光刻膠。該光刻膠粘性大、透過性好，涂膠厚度可以達 到100m。厚膠的烘烤工藝要求很嚴格，它將決定結(jié)構(gòu)圖形的最小特征尺寸和最 大深寬比。烘烤溫度和時間取決于光刻膠的厚度。但是為了獲得無龜裂的光刻膠， 其溫度一般不能超過120C。一般情況下，用紫外光對光刻膠進行大劑量曝光時， 光刻膠不宜太厚。用紫外線作光源和多層光刻膠技術(shù)來代替同步輻射X光深層光 刻的多層光刻膠LIGA工藝,可

9、以看作是改進型的UV2LIGA技術(shù)。此技術(shù)是先對最 上層膠用紫外光刻蝕的方法加工圖形，然后以此作掩膜用RIE刻蝕下面部分，實 現(xiàn)光刻圖形向下層的轉(zhuǎn)移11。深等離子體刻蝕(deepplasmaetching)深等離子體刻蝕一般是選用Si做為刻蝕微結(jié)構(gòu)的加工對象，也即高深寬比 硅刻蝕(HARSE: highaspect ratiosiliconetching),它有別于 VLSI 中的硅刻蝕， 因此又稱為先進硅刻蝕(ASE:advanced siliconetching)工藝。它采用的感應(yīng)耦 合等離子體(ICP:inductivelycoupledplasma)源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕 (RI

10、E)、電子回旋共振(ECR)等刻蝕技術(shù)相比，有更大的各向異性刻蝕速率比和更 高的刻蝕速率，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。由于硅材料本身較脆，需要將加工了的硅微結(jié)構(gòu) 作為模具,對塑料進行模壓加工，再利用塑料微結(jié)構(gòu)進行微電鑄后，才能用得到的 金屬模具進行微結(jié)構(gòu)器件的批量生產(chǎn)。或者直接從硅片上進行微電鑄，獲得金屬 微復制模具。受硅的深反應(yīng)離子刻蝕的啟發(fā),Zahn等人14開發(fā)了用等離子體直 接刻蝕聚合體材料來獲得高深寬比微結(jié)構(gòu)。所不同的是硅的刻蝕用的刻蝕劑是 SF6,而聚合體的刻蝕用的是氧。高能氧分子與聚合體反應(yīng)生成CO2和水。由于該 過程是多步反應(yīng)，比Si與SF6的化學反應(yīng)過程復雜，因此其刻蝕速率比Si的低。 無

11、論是標準LIGA還是UV2LIGA技術(shù)，其光刻手段都限制了所用聚合體材料的種類, 而該方法可以擴大用于微加工的聚合體的數(shù)量。將直接氧離子刻蝕與各向同性 C4F8聚合物淀積相結(jié)合，比模鑄技術(shù)可以實現(xiàn)更大密度器件的封裝、以及將器件 與底層電子集成。利用此方法已經(jīng)制作出Bio2MEMS和CMOS2MEMS。Laser2LIGA第三個適宜產(chǎn)生深光刻膠模型的準LIGA技術(shù)是受激準分子激光剝離。在這里 光刻膠直接用脈沖UV輻射刻蝕，三維結(jié)構(gòu)或者是在光刻膠表面使用掃描光束、或 者是透射掩膜來形成。受激準分子激光器用的是氣態(tài)鹵化物，脈沖間隙為10 15ns,能夠產(chǎn)生每平方厘米數(shù)百焦耳的光束。由于波長小于250

12、nm時,光刻膠等有 機物材料就可以被融化,在這里通常所用的兩個激光波長是248nm(氟化氪)和193nm（氟化氬）。每一個激光脈沖可以腐蝕0. 10. 2p m,無需重調(diào)鏡頭焦距 系統(tǒng)，就可以剝離幾百微米深。該方法有許多優(yōu)點。首先，它不象UV光刻那樣在 深度上受限制，因為曝光后的材料在下一個脈沖到來之前都被除去。其次，利用改 變掃描速度和光束形狀或者用在一個發(fā)射系統(tǒng)中的變速傳動掩膜方法，可以在光 刻膠中形成復雜的三維結(jié)構(gòu)。第三，大范圍的聚合體材料可以剝離，增加了多級加 工技術(shù)和與其它微工程技術(shù)集成的可能性。LIGA技術(shù)是目前加工高深寬比微結(jié) 構(gòu)最好的一種方法。與LIGA技術(shù)相比，準LIGA技術(shù)

13、雖然能簡化操作、大大降低 成本費用，但卻是以犧牲高準確度、大深寬比為代價:紫外光厚膠光刻可達到毫米 量級，但深寬比不超過20;等離子體刻蝕深寬比較大，但是一般深度不超過300p m;Laser2LIGA技術(shù)加工的準確度，在一定程度上受聚焦光斑的影響。因此準LIGA 技術(shù)只適用于對垂直度和深度要求不太高的微結(jié)構(gòu)的加工。盡管如此，有一種樂 觀的看法認為，高深寬比微結(jié)構(gòu)加工的重大商機首先會出現(xiàn)在低成本的準LIGA 加工領(lǐng)域。3結(jié)語MEMS是一個新興的技術(shù)，在未來的信息社會中會有越來越廣泛的應(yīng)用，有關(guān) 資料表明,MEMS產(chǎn)品的市場到2003年有可能達到65115億美元，年均增長率為 20%30%。而L

14、IGA技術(shù)是實現(xiàn)MEMS技術(shù)的一個重要手段。近年來人們對微加工 領(lǐng)域里LIGA相關(guān)技術(shù)的研究相當活躍，除了與犧牲層技術(shù)相結(jié)合制作可動微器 件外,還有意利用聚合體的膨脹性來加工復雜的三維微結(jié)構(gòu)，以克服LIGA技術(shù)只 能加工柱狀結(jié)構(gòu)的局限。可以預見,LIGA技術(shù)將會與MEMS同步發(fā)展，來滿足高科 技發(fā)展的需要。引用文獻：張永華，丁桂甫，彭軍，蔡炳初；LIGA相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用，傳感器技術(shù)，2003-22-3J.Hormes,J.Gottert, K.Lian， Y.Desta， L.Jian.Materials for LIGA and LIGA-based microsystems,199 (200

15、3) 332 - 341.Hautling LH, Hoessel P, Hoffmann G, et al . Novel X-ray sensi-tiveresists for the LIGA-techniqueDB/OL. HYPERLINK http:/intl http:/intl. Ieeex-plore. ieee. org/ Xplore/DynWel. jsp,2002- 07- 20.Menz.W.Bacher W.Harmessing.M, et.al.The LIGA technique-a novel concept for microstructures and

16、the combination with si-technologies by Injection moldingDB/OL. HYPERLINK http:/intl http:/intl. ieeex2plore. ieee. org/ Xplore/DynWel. jsp,2002- 0719.Chantal G, K.hanMalek. SU28 resist for low-cost X-ray patterning of high-re solution, high-aspect-ratio MEMSJ . Microelectronics Journal ,2002,33(1-

17、2):1 01-105.Wenmin Qu, Wenzel C,Jahn A, et al . UV-LIGA:Apromising and Low-Cost variant for microsystemtechnology DB/OL. HYPERLINK http:/intl http:/intl. ieeexplore. ieee. org/ Xplore/DynWel. jsp,2002-07-18.Acrocott S, Garet F,Mounaix P, et al . Thera hertz time-domain spectroscopy of films fabricat

18、ed fromSU28J. Electronics Letters,1999,35(3) :243- 244.Chang HK, KimYK. UV-LIGAprocess for high aspect ratio structureusing stress barrier and C2shapedetch holeJ. Sensors and Actuators A:Physical,2000,84(3):34 2-350.英文文獻摘要譯文：LIGA和基于LIGA的微系統(tǒng)的材料研究摘要：LIGA射線光刻微加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為大規(guī)模微型儀器制造設(shè)備，包括基本的三個極 端：同步輻射X射線深層光刻

19、，電鑄成形和注塑。在每一個階段，材料的性質(zhì)和工藝參數(shù)都 會產(chǎn)生強烈的相互作用。因此，優(yōu)化加工工藝要求對材料性質(zhì)，尤其是LIGA技術(shù)提供的廣 泛材料（高分子聚合物，金屬，合金，陶瓷等）在三維微型結(jié)構(gòu)的制造上的豐富知識。當談 到LIGA設(shè)備的具體應(yīng)用時，總會設(shè)定材料和表面的力學、光學、熱學、電化學穩(wěn)定性和生 物相容性。我們再一次強調(diào)，對材料性能的豐富知識對優(yōu)化生產(chǎn)加工工作至關(guān)重要。這些分 子層面的微觀性質(zhì)可能對材料的宏觀性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。關(guān)鍵詞：射線光刻加工技術(shù)（LIGA）X光印刷光刻膠同步同位素放射英文原文如下Materials for LIGA and LIGA-based microsys

20、temsAbstract： The LIGA technique that has been developed for the inexpensive ma ss fabrication of microdevices consists of three basic processes:X-ray lithograph y, electroforming and moulding. In each of these steps the properties of the us ed materials and the process parameters are strongly correlated to each other. Thus, optimizing processes requires detailed knowledge of the materials properti es especially as the LiGA technique offers an extre