LIGA-电铸技术概述

我们知道,在微纳米技术的发展中MEMS一直是一个重要的应用方向,MEMS技术在尺度上的特点是横跨1um到1mm尺度且结构复杂,除了常规我们使用的光刻及刻蚀工艺外,电铸也是MEMS中最常见的技术之一。除此之外,随着微纳米技术的发展,LIGA也在向纳米尺度方向延伸,所面临的技术难度也在增加。本文我们简单介绍一下电铸及其应用。

概述

电铸的英文简写为LIGA,源自于德语Lithgraphie,Galvanoformung和Abformung三个单词的缩写,表示深层光刻、电镀、注塑三种技术的有机结合。是20世纪80年代德国卡尔斯鲁厄原子能研究所W.Ehrfeld等发明的一种微型零件的新工艺方法。

LIGA技术特点

使用LIGA技术超微细加工的特点很明显,主要有以下几点:

  • 优点:
  • 可制造有较大深宽比的微结构,这种方法可制作微器件的高度可达1000um,可以加工横向尺寸为0.5um,和高深宽比大于200的立体微结构;
  • 取材广泛,可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等;
  • 可以制作复杂图形结构,精度高,加工精度可达0.1um;
  • 可重复复制,符合工业上大批量生产要求,成本低;
  • 缺点:
  • 成本高、难以加工很有曲面、斜面和高密度微尖阵列的微器件,不能生成口小肚大的腔体结构等。

LIGA技术的工艺流程

LIGA工艺流程一般包括以下四个重要步骤:X射线曝光、显影、电铸制模、注塑复制。如下图1所示LIGA一般工艺流程:

图1 LIGA工艺一般工艺流程

X射线曝光

X射线曝光或者同步辐射曝光,是指利用X射线或者同步辐射作为光源进行曝光的一种光刻方式,它的优点是光源穿透能力好,可以对百微米厚的光刻胶进行曝光。
这里我们需要注意,与普通紫外光刻胶相比,LIGA工艺使用的光刻胶厚度一般较厚,所以需要光刻胶的均匀性很重要,另外由于后续的电镀过程长时间在液体电镀液中进行的,所以要求光刻胶与衬底的粘附性要好。通常光刻胶是与金属膜粘附在一起的,如果是以钛为金属导电层,可以通过化学处理在钛表面生成一层氧化钛,氧化钛是多孔材料,这样增大接触面积,增大附着力或者通过增附剂改善附着性能。

显影

与普通紫外光刻一样,曝光后的光刻胶需要进行显影后获得相应的图形结构,如X射线曝光常用的PMMA,曝光后长链在X射线作用下变成短链并在显影液中溶解,未曝光区域留下形成结构。更多显影介绍,请参考显影-Development

电镀制模

利用光刻胶下层的金属薄层作为阴极才对显影后的光刻胶微结构进行电镀。或者在电镀前使用金属镀膜工具在光刻胶表面镀上一层薄薄金属层作为种子层,然后进行电镀。电镀过程中,金属将填充光刻胶的空隙中直到整个光刻胶表面被金属完全覆盖,并形成一个稳定的金属结构。
电镀的时间取决于对应的应用。如,希望获得微孔阵列,则需要严格控制电镀的时间,让电镀过程精确停止在结构顶端,去胶后形成微孔结构,如下图2左图所示;如希望获得的金属模具应用于纳米压印,如下图2中间图片所示,则整个金属模具的厚度控制在50-300um即可,这个工艺下电镀的时间约为9-10个小时;如果获得的模具用于注塑应用,后续需要镶样品形成模仁,如下图2右图所示,则金属厚度需要控制在1-2mm,这个时候往往需要几天的电镀时间。

图2 几种常见的电铸样品

电镀可以获得各种金属材料的微结构,如镍、铜、金、铁镍合金等,由于要电铸的孔较深,必须克服电铸液的表面张力,使其进入微孔中,用电铸工艺还要电铸出用于复制工艺的微结构模具,要求获得的模具无内应力,因此要求LIGA技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊要求。解决该问题的办法是:在电铸液中添加表面抗张力剂,采用脉冲电源,或者采用超声波增加金属离子的对流。
电铸完成后可将模具从衬底上揭下来,这个时候光刻胶结构会发生破裂,我们需要将模具至于光刻胶的去胶液中进行去胶,保证金属模具的微结构中干净,无光刻胶残留。当然有些光刻胶并不容易通过湿法去除,如SU-8光刻胶。这时我们可以考虑使用微波等离子去胶机进行去除,当然需要注意,氧等离子可能会对模具表面产生氧化层。

注塑复制

用上述金属结构为模板,采用纳米压印或者热压成型或者注塑工艺即可进行微结构的大批量复制工作。实际使用中往往用第一块金属微结构作为母模,利用纳米压印和电铸工艺复制出子模,子模为工作模具,这样可以进一步降低大批量生产中的模具成本。

其他准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工艺需要更昂贵的X射线或者同步辐射光源以及复杂的掩膜版。
为了解决这一问题,出现利用紫外光刻或者激光光刻工艺来替代X射线曝光,我们称之为准LIGA技术,如用紫外光刻的UV-LIGA,利用激光烧蚀的Laster-LIGA,用深硅刻蚀工艺的Si-LIGA和DEM技术以及用离子束刻蚀的IB-LIGA等,这些技术都大大降低了光刻的复制成都,进一步扩大了LIGA的应用范围。下面简单介绍一下常见的几种准LIGA技术。

UV-LIGA技术:利用适当厚度的紫外光刻胶结合紫外光刻技术替代原有的X射线曝光的技术,可以节约成本。

Laster-LIGA:采用193nm的ArF准分子激光器直接烧蚀光刻胶PMMA来取代原有的X射线光刻,这种技术的有点是成本更低,其精度为微米级,深宽比适中(<10)。

DEM技术:DEM是Deep-etch,Electro-forming,microreplication的缩写,才赢感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀技术替代X射线曝光,然后进行后续的微电铸和微复制工艺,该技术不需要昂贵的X射线曝光,成本低。

SLIGA技术:这种技术是结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出来的一种新工艺,在这个工艺中国,牺牲层用加工成形,与基片完全相连或者部分相连或者完全推理的金属部件。SLIGA技术可以制造活动的微器件。与LIGA相比,在平面衬底上制作牺牲层如聚酰亚胺、沉积的氧化硅、多晶硅、或者某种适合的金属等(与电镀的材料相比,这些材料比较容易被有选择的去除),然后在衬底和牺牲层上溅射一层电镀基底。

M2LIGA技术:为了控制微结构的侧壁倾斜度,便于形成具有不同亵渎的斜面、锯齿、圆锥或者圆台等微结构,该技术用移动掩膜X光替代禁止的掩膜,曝光时掩膜版沿着与光刻胶衬底平行的方向移动或者转动,改变掩膜图形、掩膜运动轨迹和速度,就截图形成不通过的微结构。

其他,有研究者使用刻蚀好的硅结构作为母版,利用ALD镀金属铱层厚利用铱层为种子层电镀后分离硅模具和金属模具来达到复制的技术,这种技术可以复制小至80nm的纳米柱状结构。
另外,随着微纳米3D打印技术的发展,目前已经可以很好制作出各种结构复杂、高深宽比的聚合物微米3D结构,通过镀种子层和电镀技术结合,可以制作出各种复杂结构。但是需要注意的是,虽然我们可以获得各种复杂树脂微米结构,但是由于种子层还是得依赖溅射或者蒸发镀膜的方式生长致密结构很难在其表面镀上金属层,所以到时无法获得完整金属结构。

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