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MEMS工艺——LIGA加工工艺梁庭3920330(o)Liangting@nuc.edu.cn主要内容•LIGA掩模版制造工艺•X光深层光刻工艺•微电子铸工艺•微复制工艺•准LIGA技术•UV－LIGA技术•牺牲层LIGA技术•LIGA套刻技术LIGA工艺•LIGA是德文Lithographie，Galvanofomlung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于x射线光刻技术的三维微结构加工技术，主要包括x光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。•x射线光刻•电铸是一种“通过在最终将与镀层分离的基体或模具上进行电镀，进行工件复制生产的一种工艺”。LIGA工艺微电子工艺的两个主要的欠缺：⑴几何深宽比低⑵要使用硅基底材料主要特点与其他立体微加工技术相比：•(1)可制作高度达数百至1000um，高宽比大于200，侧壁平行线偏离在亚微米范围内的三维立体微结构；•(2)对微结构的横向形状投有限制，横向尺寸可小到0.5um加工精度可达0.1；•(3)用材广泛，金属、合金、陶瓷、聚合物、玻璃都可作为LIGA加工的对象；•(4)与微电铸、注塑巧妙结合可实现大批量复制生产，成本低。LIGA技术标准工艺LIGA技术的四大工艺组成：•LIGA掩模板制造工艺•X光深层光刻工艺•微电铸工艺•微复制工艺LIGA掩模板制造工艺•LIGA技术的第一步是制造LIGA专用的X光掩模板，LIGA掩模板必须有选择地透过和阻挡X光。一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板。•由于LIGA掩模板要求阻挡层的侧壁垂直，用普通的微加工工艺无法达到，所以LIGA掩模板需要用LIGA技术来完成。LIGA掩模板制造工艺LIAG掩模版的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点材料BeCSiTiX光透光性+++--可见光透光性_++0_表面质量+-+++化学稳定性0++++0无毒性_++++++LIAG掩模版的X光阻挡层材料的性能及其优缺点材料AuWTaPtX光吸收性+++++++电敏性++__-反应离子刻蚀--++++_热膨胀系数匹配Be++--+C_+++-Ti+__++X光深层光刻工艺•LIGA技术的第二步是X光深层光刻工艺，该工艺需平行的X光光源，由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米，用一般的X光光源需要很长的的曝光时间，而同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光，而且强度是普通X光的几十万倍，这样就可以大大缩短曝光时间。•最佳波长0.2nm～0.8nm微电铸工艺•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。微复制工艺•由于同步辐射X光深层光刻代价较高，无法进行大批量生产，所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。•方式：注塑成型和模压成型•注塑成型适用于塑料产品的批量生产•模压成型适用于金属产品的批量生产LIGA的工艺步骤显影和电镀微复制LIGAprocess•Polymermaterial(PMMA)isexposedtoX-raysthroughashadowmask.Exposedregionsareweakenedandmadesolubleinsuitabledeveloper.•Exposedmaterialsaredevelopedawayleavinghighaspectrationstructures.Structurescanbe20:1aspectratio,withthicknessofseveralmm.•Metaliselectroplatedbetweenthepolymers(mold).Thisprocessiscalledelectroforming.•Metalpartisusedaspartofalargerdieformoldingoperations.•Standardmoldingoperations,suchasinjectionmoldingarecarriedout.•Finalpartisreleasedfrommoldtoproducelowcostmicrofabricateddeviceinpolymer.LIGAprocess•MicrofluidicdevicemadeusingLIGAprocess.Notetheroughsurfaceduetolackofplanarization(polishing).•Micromechanicalactuator(capacitivecombdrive)madeusingLIGAprocess.LIGAprosandcons•Pros••Highaspectratiomicro-structurescanbebuiltcheaply••Allowsfabricationinpolymersandothermaterials•Cons••RequiressynchrotronradiationforX-rays;masksexpensive••Mostlyonlysinglemaskstructures;complex3Disdifficult••Integrationdifficult••Goodforsmallparts,butmostusefuldevicesrequireassemblyLIGAexampleapplication•World’ssmallesthelicopteriscontructedfrompartsmadeusingLIGAprocess.Theworld'stiniesthelicopterdemonstratestheefficiencyofIMM'sremarkablemicromotors.Withalengthof24millimetersandaweightof0.4gramsthehelicoptertakesoffat40,000rpm.•Withadiameterofonly1.9millimeterstheelectromagneticmotorscanreachanincrediblerevolutionspeedofnearlyhalfamillionrpmontheonehand,andaconsiderabletorqueof7.5µNmontheotherhand.LIGA工艺中的基底材料•基底材料必须是一个导体或者是涂有导电材料的绝缘体；•原因是便于电镀光刻胶材料•对X射线辐射敏感•高分辨率，对干法和湿法腐蚀有强抗腐蚀性•在140℃以上能保持热稳定•未曝光的保护部分在整个过程中完全不溶解•在电镀过程中与基底必须保持良好的粘合性深X-射线光刻的光刻胶性质性质PMMAPOMPASPMIPLG敏感性差好非常好一般一般分辨率很好一般很差好很好侧壁光滑性很好很差很差好很好耐强腐蚀差很好好很差很好在基底地粘附性能好好好差好电镀电镀在LIGA工艺中是一项很关键的步骤电镀的工作原理是氯化镍溶液（NiCl2）中的镍离子Ni2+与阴极上的电子反应形成镍，其过程如下：在阳极上H+生成H2的化学反应如下：电镀与电铸•电铸的定义为：用电化学沉积的方法在芯模上沉积金属，然后将两者分离来制取零件的加工工艺，其基本原理与电镀相同，电铸与电镀的区别在于，电镀的镀层厚度很小，一般只有7～50μm，而电铸形成的是具有一定形状与厚度的三维结构，其厚度最大可达到1mm以上；电镀多用于结构零件的防护与精饰，而电铸通常用于将芯模的图形结构加以完整的复制。LIGA技术的扩展•准LIGA技术•牺牲层LIGA技术•LIGA套刻技术•倾斜嚗光技术准LIGA技术•准LIGA技术是紫外线或激光光刻工艺来代替同步辐射X光深层光刻工艺，该技术需高光敏性的光刻胶厚度•目前，利用该技术能刻出100um厚的微结构，但侧壁垂直度只有85左右，只能部分代替LIGA技术，适用于对垂直度和深度要求不高的微结构。UV－LIGA技术•UV－LIGA技术是一种采用紫外光刻取代同步辐射光刻工艺的准LIGA技术，该技术采用紫外深层光刻、模具电铸和真空热压工艺进行金属和塑料三维微结构的加工和制备，与LIGA技术相比，它不需昂贵的同步辐射光源和X光掩模板，是一种具有实用价值的非硅三维微加工技术。UV-LIGA（UltravioletLIGA）工艺应用紫外光刻技术代替X射线曝光，可以大幅降低加工成本，被称为“穷人的LIGA”。v紫外光刻掩模板SU-8胶基底SU-8胶紫外光v微电铸基底电铸镍空腔v微复制模压塑料牺牲层LIGA技术•在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，例如微阀、微马达和微加速度计等。•牺牲层LIGA技术是首先在需运动的部件下溅射一层牺牲层（例如金属钛），而在需固定的部件下溅射一层金属银，然后利用同步辐射套刻工艺获得所需的光刻胶微结构，经过微电铸工艺，将牺牲层用化学方法去除，这样就可获得可活动的零部件。•SurfacemicromachiningmademotorswithtorquesinthepicoNmrangepossible,withLIGA10-6to10-7Nmarepossible(morez-axisi.e.moretorque)•CombinationoftraditionalandLIGAmachiningLIGAvs.Simicro-lithographyMicromoldingofnanocomposites•FabricatehighaspectratiomicromoldswithLIGA.•Developnanocompositeformulationamenabletomicromolding.•Fabricatemicromoldsonfunctionalsubstratessuchassiliconandalumina.MicropartsonFunctionalSubstratesLIGA套刻技术•在LIGA技术中，可利用套刻技术获得含有台阶的微结构，该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行第二次套刻和微电铸，获得含有台阶的微结构。DEM技术•DEM（Deepetching,Electroforming,Microreplication）技术是上海交通大学开发出的一种全新的准LIGA技术，该技术采用硅深层刻蚀、模具电铸和真空热压工艺进行金属和塑料三维微结构的加工和制备•与LIGA技术和基于SU8的UV-LIGA技术相比，它不需昂贵的同步辐射光源和X光掩模板，无光刻胶与基板的粘结和负胶去胶问题。是一种具有实用价值的非硅三维微加工技术。硅金属DEM技术工艺图电镜照片塑料举例1.微线圈2.微齿轮3.加速度传感器4.静电驱动梳5.微斩波器