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1、纳米加工中的LIGA技术Nano machining technology LIGA09机Y4 顾力欢 09120408摘要：在本文中，主要阐述了纳米级加工技术中的LIGA技术，介绍了LIGA技术的发展以及内容，以及各国在LIGA技术领域的发展成果，最后介绍了LIGA技术的延伸准LIGA技术和LIGA技术的应用实例。这些应用的实例告诉了我们LIGA技术的实用性和多样性。Abstract:In this paper, mainly expounds the nano machining technology in LIGA technology, introduces the developme

2、nt of LIGA technology and content, as well as countries in the field of LIGA technology development results, finally introduces the LIGA Technology Extension - quasi LIGA technology and LIGA technology application. These examples tell us LIGA technology practicability and diversity.关键词：LIGA技术 准LIGA技

3、术 同步辐射X光源 X射线光刻Key word.LIGA Technology Quasi LIGA technique Synchrotron radiation X light source X ray lithography引言： 本世纪八、九十年代大规模集成电路技术迅猛发展，由此引起的信息革命冲击着科学技术的各个领域。在微电子技术的带动下,将微传感器、微处理器、微执行器等集成在一个极小的几何空间内形成的微型机电系统(MEMS:Miero Electro Mechanical Systems ) 已经间世, 从而, 微型机械及微型电气控制系统就能像集成电路一样大批量廉价地生产。微型机电系

4、统在医疗、生物、精密仪器环境保护、航空航天、通讯、军事等领域具有广阔的应用, 该项技术的实现, 势必带来重大的产业革命。 目前国际上用于制造微型机电系统的微加工技术主要有两种工艺路线。第一种工艺是采用常规的微细加工技术, 包括薄膜生产、光刻、刻蚀、扩散、离子注入和封装等, 其核心主要是利用硅或其它半导体材料的各向异性刻蚀而成。目前在该技术领域积累了丰富的经验, 其工艺已相当成熟, 利用该技术在国内外已成功地研制出部分微机械，但是它存在着两个缺点：一是微器件所用的材料受到严格限制, 二是得到的微结构的厚度很小, 一般只有1 一3m , 只能制造平面微结构器件, 达不到很多器件的要求。另外一种工艺

5、是采用LIGA技术，该技术的优点是它能制造三维微结构器件和活动的微器件，获得的微器件具有较大的高宽比和精细的结构，侧壁陡峭、表面平整，微器件的厚度可达几百微米。LIGA 技术不受器件材料的限制, 所用材料可以是高分子材料、各种金属或陶瓷, 并且可以利用微塑铸技术进行微器件的大批量生产。因此LI G A 技术是制造微型机电系统的微细加工工艺中一个最重要的组成部分, 目前它不可能由其它微加工技术所取代。1、LIGA技术简介 LIGA（德语Lithografic，Galvanoformung和Abformung）技术是20世纪80年代中期由德国的W.Ehrfeld 教授等发明的，自其问世以来发展十分

6、迅猛，德国、美国、日本都开展了该技术的研究。LIGA技术是一种利用同步辐射X射线制造三维微器件的先进制造技术，它是使用X射线的深度光刻和电铸想结合，实现高深宽比的微细构造的微细加工技术，简称光刻电铸。它包括涂光刻胶、x光曝光、显影、微电铸、去除光刻胶、去除隔离层以及制造微塑铸模具、微塑铸和第二次微电铸等多道工序，其工艺流程如图所示。（1）掩模制造 深度同步辐射X光光刻是LIGA技术的关键一步。为此必须取得高对比度(大于200)的掩膜。它可利用高原子序数、厚吸收体和低原子序数、高透明的材料制成。但要求在典型曝光工序期间, 掩模应能经受约1MJ/cm2X 射线剂量的多次辐照曝光, 而不损坏。制作掩

7、模方法有多种, 现提供一种价格低廉、可避免使用腐蚀剂新方法(见图2)。基片采用廉价的硅晶片。其制作工艺为: 第一步用100nm厚低粘附力碳层覆盖在硅晶片上（图2（a）, 但在片边缘3mm宽区域不覆盖。将钛溅射到碳层上。再在层上粘贴一个框架（图2（b）, 把框架外围的钛层切除（图2（b） , 用特制的工具, 小心弯曲晶片系统, 使框架5钛薄片脱离硅晶片（图2（c）。若在钛薄片上残留碳, 则用氧等离体剃除，得掩模坯件（图2（d）。第二步再旋镀以3- 4m 原光刻胶层。然后用电子束光刻光刻胶, 获得所需图形, 再用电铸工艺, 在掩模坯件上铸入金作为吸收体的图形结构, 而成一个低X 射线对比度的中间掩

8、模, 然后仿照上述, 用2nm 波长软同步辐射, 以中间掩模为依据, 改用吸收较大的材料, 翻制成厚度满足要求的,高对比度的LIGA 工作掩模。（2）X 光光刻 利用深度同步辐射X光光刻,将掩模吸收体图形转移到厚度近1000m光刻胶层上,利用适当显影液,溶去被照射部分,留下未受照射区原分子链结构。显影液必须满足一定要求,不侵蚀未被照射区、不引起膨胀, 否则它将引起结构变形或边缘变钝,这对于高深度比微结构更应注意。适用于PMMA光刻显影液是由: 乙二醇单丁基醚、单乙醇胺、四氢1、4恶嗪、和水配制组成。（3）电铸利用光刻胶层下面的金属薄层作为电极进行电镀, 将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙

9、用金属填充, 直至光刻胶上面完全覆盖了金属膜为止, 形成一个与光刻胶图形互补稳定的相反结构金属图形, 这种金属微结构体就成为廉价的铸塑模子,以实现工业大规模生产。镍是LIGA 技术电铸工艺中的标准材料, 镍的电铸过程很易控制, 镍呈现很高抗拉强度和很好抗腐蚀性能, 标准电解液是氨基磺酸镍镀液, 电流密度为1. 8A/ dm2, 以取得高硬度、低内应力电沉积镍。电铸后, 残余的聚合物、裸露电镀基板可用湿化学蚀刻去除。（4）塑铸 由于深度同步辐射X 射线光刻是非常昂贵的一道工序, 在大批量复制生产中, 出于经济上考虑应尽量避免使用。塑铸为大批量生产电铸产品, 提供了塑料铸模。经过金属注塑板上的小孔

10、, 将树脂注入到金属模具的腔体内, 待树脂硬化以后, 脱去模具就可以得到一个塑模微型结构, 在塑铸完成的塑模微型结构上, 再电铸所需要的产品结构, 清除掉胶和注塑板,就可以得到三维立体金属结构器件。2、 LIGA技术的发展 自LIGA技术诞生以来，就收到了广泛重视，发展非常迅速，并衍生了许多变种（准LIGA技术），LIGA技术很快就应用于MEMS的生产，已经有微光谱仪、喷墨打印机喷嘴等产品面市。目前美国和德国在LIGA技术领域居领先地位，其他国家如英国、俄罗斯和日本等也非常重视LIGA技术的研究并取得了许多重要成果。 德国从事LIGA技术研究的专门研究机构有两个：IMM（Institute o

11、f Microparts Minz）和IMT（Institute of Microsystem Technology）。他们与其他研究机构和企业有着广泛的合作。例如，IMT与MicroParts公司密切合作，从事MEMS产品市场开发，并通过了ISO9001认证。目前这两个研究机构已研制出微电机、过滤器、红外滤波器、加速度传感器、微型涡轮、喷墨打印机喷嘴和光纤连接器等多种微器件，以及微加速度计（士5g）、微光谱仪（效率25%，分辨率0.2nm/m）、微泵（220L/min）等微机电系统。 美国在MEMS研制方面一直保持国际领先地位。20实际80年代初期，主要是利用IC工艺，80年代末，开始了LI

12、GA技术的研究，成立了DXRL（Deep-X-ray Lithography）委员会，DXRL在劳伦斯伯克利国家实验室的Advanced Light Source（ALS），斯坦福直线加速器中心的Stanford Synchrotron Radiation Laboratory（SSRL），布鲁克海文国家实验室的National Synchron Light source（NSLS）和路易斯安娜大学的Center for Advanced Microstructures and Deviced（CAMD）等同步辐射装置上都建立了用于LIGA技术研究的设备，并为从事LIGA技术研究的机构服务。此

13、外，从事LIGA技术研究的还有喷气实验室和Wisconson-Madison大学等近十所大学。这些研究机构已经制造出一些实际应用的产品, 如离子准直器、质谱仪、微电机等。美国LIGA技术研究的特点是军事应用背景很强，许多研究工作与美国国防部密切合作，直接开发满足军事上特殊需要的产品。 我国台湾近几年投入了大量的人力、物力和财力开展LIGA技术的研究，其起步虽然比大陆晚了一些，但是现在已经超越了大陆。台湾新竹的同步辐射研究中心（SRRC）正与台湾大学、清华大学（新竹）、台湾交通大学、工业技术研究院等单位联合开展LIGA技术研究，致力于喷墨打印机喷嘴、喷丝板、光纤连接器等具有明确应用目标的产品研制

14、和生产，微邦公司的喷墨打印机喷嘴已经达到50万件/月的产量。 中国大陆现有两台同步辐射光源，分别位于中国科学院高能物理所的北京同步辐射装置（BSRF）和位于合肥中国科技大学的国家同步辐射实验室（NSRL）。从20世纪90年代开始，高能物理所、长春光机所和中国科技大学等研究单位开展了LIGA技术研究，上海交通大学的微纳米中心也以LIGA技术作为他们的研究重点之一。这些研究得到了来自科技部、科学院、国防科工委、自然基金委等部门的国家攀登计划、863计划、知识创新工程等项目的支持，取得了一定的进展。目前的LIGA技术成果主要是在高能所的装置上取得的，最大厚度为2mm，最小尺寸为500nm，深宽比最高

15、达100，合肥的装置正在改造，预计不久将对外开放。3、 LIGA技术的改进与推广（1）准LIGA技术 LIGA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，而且与集成电路工艺兼容性不好。美、德等国也只有不多的同步辐射X线源，我国也只有二、三个单位具有此条件，所以LIGA技术推广应用并不容易。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UVUGA，用激光烧蚀的LasterLIGA，用硅深刻蚀工艺的SiLIGA和DEM技术，

16、以及用等离子束刻蚀的IBLIGA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UGA技术的应用范围。 准LIGA技术对设备条件要求较低，具有更高的灵活性和实用性，同时和集成电路有较好的兼容性。在制作高深宽比的微金属结构时， 准LIGA工艺虽然不能完全达到LIGA工艺的的性能和质量，但是也能满足微机械制造中的许多需要，而且价格低廉。目前对该方法的研究较LIGA技术要更加广泛“。准LIGA技术和LIGA技术的基本工艺过程是类似的。图3为其典型工艺流程图。首先在基片上淀积电铸用的种子金属层, 再在其上涂以光敏聚酰亚胺, 然后利用紫外光源光刻形成模子,

17、 再电铸上金属, 去掉聚酰亚胺, 形成金属结构。要实现较厚的结构可进行重复涂胶法。利用准LIGA 工艺可制成镍、铜、金、银.等金属结构, 厚度能达150m。也可与牺牲层腐蚀技术结合制成可动微结构。除用光敏聚酰亚胺外, 也能用其他厚层光刻胶进行光刻形成电铸模子, 选用聚酰亚胺是由于它抗酸碱腐蚀, 能经受电镀槽中的长时间浸泡、耐高温, 在其上还能淀积其他材料。在国内上海冶金所用一般厚正性光刻胶, 深UV曝光的准LIGA 技术, 电铸后Ni的微结构可达10m, 另件表面光洁,侧面陡直。（2）UV-LIGA基于紫外光刻的铸模制作 镍铸塑模具可用常规的UV光刻技术加工。镍铸塑模具可用于热模压加工或注入成

18、型制作的镍聚合物微结构的工艺中，负性光刻胶EPON SU_8可用于这一工艺。对于使用者来说，这种工艺具有周期短和可用面积大的优点。铸塑模具的最大尺寸是：圆形120mm，矩形8585mm。应用领域可涉及毛细流体器件、芯片实验室及光波导等。最终的铸塑模具的最小结构分辨率为5m，结构高度10m100m，最大纵横比为3.5。下表为深X射线光刻得到的纵横比实例。表1 由深X射线光刻得到的纵横比实例纵横比最小横向尺寸（m）结构高度（m）类型微结构参考产品6500.2130A光栅结构UV_VIS分光计2502500A光栅结构IR分光计30100/1003000B线条及间隙引线框20Dia=10200B柱（独

19、立）10Dia=40400B柱（独立）752150B接合区静电传动机构4、 LIGA技术的应用实例（1）加速度传感器 德国Karlsruhe研究中心微结构研究所首先将LIGA技术应用于制造电容式加速度传感器, 该传感器的结构示意图和理论实验曲线如图4。 加速度传感器属于振荡型微型结构, 其中间部分是质量块和悬臂梁, 它们连在一起且悬浮着, 是靠牺牲层技术加工的, 牺牲层的材料是Ti。质量块的两侧是静电电极, 它们牢固地附在基片上。质量块能随加速度值的不同在静电电极之间自由运动, 其结果质量块和两电极之间的电容量发生变化。质量块和电极之间的间隙是4.1m，电容变化量是0.1pF,没有加速度时,质

20、量块和电极之间的电容是0.7pF,这个电容量显得过分小, 通过梳形电极设计能够增加电容量, 与此同时要采用集成电路以减小分布电容, 从而达到精确测量加速度的目的。加速度传感器的共振频率为570Hz。 改变加速度传感器对地面的倾角,对传感器进行静态标定，图4中的实验点和理论曲线, 二者符合得很好。（2）微型流量传感器 利用LIGA技术还可以加工旋转型的微型结构,微型透平就是其一例,如图5所示。 其中,轴直接从基片上腐蚀出来,而齿轮是在牺牲层上加工形成的,齿轮能够绕轴自由旋转,所有的元件都是集成在一起的, 盖可以采用玻璃、塑料或铜, 其目的是保持转子在轴自由旋转微型透平用空气驱动,气流压力不同,透

21、平的转速也不同。转速通过集成光纤测量,光纤放置在微型透平的旁边的槽内, 槽和齿轮间有一个微通道用来透光。He一Ne七激光器发出的光通过分光器后变成两束光, 一束通过光纤射到齿轮上, 另一束则到探测系统上。齿轮齿上反射的光沿着同一光纤经过分束器到达光探测器, 经过叠加给出一测量信号, 这一信号能够反应流速大小。（3） 光纤连接器 玻璃光纤已应用于全球光缆到区域网的光数据传输，以铜电缆作为主要传输方式的时代已经结束。为在区域网中取代铜电缆，需要既坚固又利于分离的光纤连接器，而高连接密度与低成本光纤连接器将是下一步的要求。 Forschungszentrum与Spinner公司正在合作开发用于16根多模光纤的连接器，所采用的精密元件是一个微铸塑聚合物零件。微