LIGA技术简介.ppt

1、梁美彦,MEMS工艺- LIGA技术及其应用,典型MEMS器件硅微马达器,内容提要,LIGA一词来源于德语Lithographie, Galvanoformung 和Abformung 三个词语的缩写, 表示深层光刻、电 铸、注塑三种技术的有机结合。,20世纪60年代初, 德国的Karlsruhe原子能研究中心 致力于开发一项技术, 即用气体弯曲喷射的离心力 方法处理六氟化铀和轻的辅助气体, 从而分离出铀 同位素。为了提高这个方法的效率, 需要将分离喷 嘴的相关结构尺寸缩小到几个微米的尺度, 这促使 了LIGA技术的开发研究。,研究背景：,一、LIGA技术：,20世纪70年代末由Karlsru

2、he原子能研究中心的Ehrfeld教授开发了LIGA技术.,LIGA技术的出现基于以下观点: ( 1) 在金属化的衬底上形成厚光刻胶技术是可行的; ( 2) 强X光束光刻形成侧壁垂直的凹口; ( 3) 凹口可以用电镀金属填充。,LIGA技术的典型工艺流程图：,同步辐射x光,铜掩膜板,PMMA光刻胶,电铸成形,注塑成形,高深宽比结构,生产周期长,生产成本高,LIGA技术的基本原理图,微齿轮（sandia国家实验室）,LIGA技术应用,Fresnel波带片,LIGA技术之所以能实现高深宽比的三维微结构, 其关键是深层光刻技术。实现高深宽比、纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀, 并且侧壁垂直、光滑。,1

3、.同步辐射X光：高强度、平行性好的光源， 这样的光源只有用同步加速辐射的方法才能得到。 2. PMMA：用于LIGA技术的抗蚀剂必须有良好的分辨力、机械强度、低应力, 同时还要与基片粘附性好。用于深层X光光刻的光刻胶一般用综合性能良好的有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯Poly( methylmethacrylate)-PMMA。PMMA是正性 光刻胶, 有很好的透光性。,PMMA光刻胶刻蚀深度和X射线波长的关系，当波长小于0.3nm时，可以得到深度500微米的结构,LIGA技术的优点: ( 1) 深宽比大, 准确度高。所加工的图形准确度小于0. 5微米, 表面粗糙度仅10nm, 侧壁垂直度89. 9

4、, 纵向高度可500微米以上; ( 2) 用材广泛。从塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等) 到金属( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技术实现三维微结构; ( 3) 由于采用微复制技术, 可降低成本, 进行批量生产。 LIGA的缺点： （1）成本昂贵（X光源需要昂贵的加速器） （2）用于X光光刻的掩膜板本身就是3D微结构，复杂，周期长,1.UV-LIGA,二、准LIGA技术,紫外光源对光刻胶曝光, 光源来自于汞灯, 所用的掩膜板是简单的铬掩膜板。其原理步骤如图所示。对于UV-LIGA适用光刻胶较多的是SU-8胶,常规紫外光,标准铬掩膜板,聚

5、酰亚胺光刻胶,电铸成形,塑铸成形,高深宽比微结构,生产周期长,生产成本低,230nm紫外光可对PMMA可以曝光但是深度只达4微米！,IBM公司研发的SU-8胶是一种负性胶, 即曝光时, 胶中含有的少量光催化剂( PAG) 发生化学反应, 产生一种强酸, 能使SU-8胶发生热交联。SU-8胶具有高的热稳定性、化学稳定性和良好的力学性能, 在近紫外光范围内光吸收度低, 整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。,SU-8胶 优点：形成图形结构复杂、深宽比大、侧壁陡峭的微结构。SU-8胶在X光辐照下无膨胀、龟裂等现象，对X光的灵敏度比PMMA高几百倍 缺点：是存在张应力,以及烘烤量大时在工艺的后段难以除去

6、。,烘烤温度和时间取决于光刻胶的厚度。但是为了获得无龟裂的光刻胶,其温度一般不能超过120,紫外光曝光SU-8胶得到的光刻胶图形照片,2.深等离子体刻蚀(deep plasma etching),一般用Si做为刻蚀微结构的加工对象,也即高深宽比硅刻蚀。 优点：各向异性刻蚀速率比大，刻蚀速率大,且系统结构简单。 缺点：硅材料本身较脆,需要将加工了的硅微结构作为模具,对塑料进行模压加工,再利用塑料微结构进行微电铸后,才能用得到的金属模具进行微结构器件的批量生产。或者直接从硅片上进行微电铸,获得金属微复制模具。,3.Laser-LIGA Laser-LIGA是W.Ehrfeld等人在1995年首次提

7、出并使用的，它是采用波长为193nm的ArF准分子激光器直接消融光刻PMMA光刻胶来取代X射线光刻工序,其精度为微米级,深宽比适中（10） Laser-LIGA的主要工艺过程：,Laser-LIGA工艺流程图,研磨到标准厚度,Laser-LIGA工艺加工出的微结构电镜照片,4.DEM技术,DEM技术是由上海交通大学和北京大学开发出的具有自主知识产权的准 LIGA技术(DEM:deepetching，electro-forming，microreplication) 该技术用感应耦合等离子体ICP深层刻蚀工艺来代替同步辐射X光深层光刻，然后进行后续的微电铸和微复制的工艺 DEM工艺流程图：,低阻

8、硅片,DEM工艺流程,DEM微结构照片,5.SLIGA-技术,SLIGA技术是结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出的一种新工艺，在这个工艺中，牺牲层用于加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的金属部件。 SLIGA技术可以制造活动的微器件。 SLIGA与LIGA异同：在平面基板上布设一层牺牲层材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或者某种合适的金属等 （与电镀的材料相比，这些材料比较容易被有选择地去除）然后在基片和牺牲层上溅射一层电镀基底。,SLIGA工艺加工流程图,6.M2LIGA技术 为了控制微结构的侧壁倾斜度，便于形成具有不同倾斜度的斜面、锯齿、圆锥或圆台等微结构,日本科研人员在 1999年提了M2LIGA技术。该技术用移动掩模X光深度