LIGA技术、准LIGA微加工技术及其应用

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1、1922003年中国机械工程学会年会LIGA技术、准LIGA微加工技术及其应用+陈迪蔡炳初(上海交通大学微纳米科学技术研究院上海200030)摘要：LIGA技术是微机电系统(MEMS)的--种重要的微加工技术．介绍了LIGA、准LIGA技术的基本工艺，特点，以及在光学和光通讯、生命科学和医学、化学、微机械等领域中的应用。关键词：LIGA技术准LIGA技术0前言20世纪90年代大规模集成电路技术的惊人发展引起的信息革命冲击着社会的各个领域。在微电子技术的启发下，人们设想将微传感器、微处理器、微执行器等集成在一个极小的几何空间内组成微型机电系统(Micm

2、electromechanicalsystems，MEMS)，从而能像集成电路一样大批量、廉价生产微型机械及电气控制系统。微型机电系统一问世就在医疗、生物、精密仪器、环境保护、航空航天、通讯、军事等领域获得了广泛的应用前景。该项技术的实现，势必带来空前的产业革命。目前国际上用于制造微型机电系统的微加工技术主要有二种工艺路线。第一种工艺是采用常规的硅微加工技术，包括表面硅微加工技术和体硅微加工技术。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MEMS器件，如加速度传感器、压力传感器和微陀螺等，但该加工技术只能

3、加工硅材料。第二种工艺是采用LIGA技术，该技术的优点是它能制造三维微结构器件，获得的微器件具有较大的高深宽比和精细的结构，侧壁陡峭、表面平整。微器件的厚度可达毫米量级，还可以得到活动的微器件，而且也不受器件材料的限制，可以是高分子材料、各种金属或陶瓷，并且可以利用微复制技术进行微器件的大批量生产。因此LIGA技术是制造微型机电系统的微细加工工艺中一个最重要组成部分，它无法由其他微加工技术所取代。1LIGA技术简介LIGA是德文Lithographie。Galvanoformung和Abformung三个词的缩写，是x光深层光刻、微电铸和微复制工艺的

4、完美结合。20世纪80年代由德国卡尔斯鲁尔核研究中心开发而成”1，LIGA技术自从20世纪80年代开发出来以后，发展非常迅速，在德国、美国和日本都开展了该技术领域的研究工作”一。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。它由x光掩模板制各、同步辐射x光光刻、微结构模具微电铸和微复制工艺组成，用LIGA技术可以进行微器件的大批量生产。图1是LIGA技术的工艺路线图。LIGA技术的第一步是x光掩模板制各。x光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。由于最初无厚胶光·科技部863资助项目(2002

5、AA404150、微纳制造技术应用研讨会193刻工艺，需要首先用电子束刻蚀工艺制各金吸收体厚度为lum的过渡掩模板，然后采用同步辐射x光光刻工艺制各金吸收体厚度为10um的LIGA掩模板，目前用厚胶工艺可以直接制各L1GA掩模板，透x光薄膜由聚酰亚胺、钛、镀、氮化硅、金刚石和石墨等材料组成。—ttL---．．A—L--．----2""-．～X光掩模板x光光刻胶基板同步辐射x光光刻趟铸避塑料产品微复制图1LIGA技术的工艺路线图LIGA技术的第二步是x光深层光刻工艺。由于光刻的厚度要达到几百微米．用一般的x光光源需要很长的曝光时间，而同步辐射的x光光源

6、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。目前较为理想的x光光刻胶是PMMA基聚合物。由于要显影高深宽比的微结构，需要采取各种方法来提高显影速度，减少显影时间。以避免光刻胶产生裂缝。图2是高深宽比光刻胶微结构的电镜照片，微结构高度为500p．m，线宽为5um，深宽比达100ll“。LIGA技术的第三步是微电铸工艺。它将显影后的光刻胶空隙用微电镀的方法填上各种金属，例如镍、：；蓑矗嚣萎言裹雾：是委蓑支蓑裟辈≯篙毛筹至妻图：光刻胶微结构的电镜照片服电镀液的表面张力，使其进入微孔中，用电铸工艺还要电铸出用于微复制工艺的微结构模具，获得的模具无内

7、应力，这样，LIGA技术对电镀液的配方和电铸工艺都有特殊要求。1942003年中国机械工程学会年会LIGA技术的第四步是微复制工艺，用微电铸工艺制造出微复制模具可以用来进行塑料微结构器件的大批量生产，将陶瓷材料填充进塑料微结构中，经过烧结后可获得陶瓷微结构。微复制工艺不仅可以制造由高分子材料或陶瓷组成的微器件，而且还可以在此基础上进行第二次微电铸，进行金属微器件的大批量生产。在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法，使加工出的微器件一部分可以脱离母体而能转动或移动，称之为S．LIGA[6j，这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用，便于制各微阀、微马达和微

8、加速度计等。采用倾斜曝光技术可获得倾斜的微结构(见图3)，采用多次曝光工艺可获得台阶微结构。2准LIGA技术