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先进制造技术

研究生课程论文

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重庆大学研究生院制

摘要

本文主要介绍了微细加工技术的概念，微细加工技术中的LIGA技术，以及在此基础上开发出来的UV-LIGA技术、Laser-LIGA技术、DEM技术、SLIGA技术等准LGIA技术的概念、原理、基本工艺、特点,以及在微机械、传感器、射频等领域中的应用，最后在以上基础上分析总结了LIGA技术的发展方向机趋势。

关键词:

微细加工技术；LIGA技术；准LIGA技术；微机械；

Abstract

Thispapermainlyintroducestheconceptofmicromachiningtechnology,theLIGAtechnologyofMicromachiningtechnology,anddevelopedtechnologyonthebasisoftheLIGA,suchasUV-LIGAtechnology,Laser-LIGAtechnology,DEMtechnology,SLIGAtechnology,thenintroducestheconcept,principle,basicprocessandcharacteristics,aswellastheapplicationinmicromachinery,sensors,radio-frequencytechnique.FinallyonthebasisofaboveanalysisIsummarizetheLIGAtechnologytrendanddirectionofthedevelopment.

Keywords:

Micromachiningtechnology;LIGAtechnology;quasiLIGAtechnology;micromachinery;

微细加工技术之LIGA加工技术

1．微细加工技术的概念与特点

微细加工技术

原指加工尺度约在微米级范围的加工制造方法。

在微机械研究领域中，从尺寸角度来看微机械可分为:

1mm-10mm的微小机械，1μm-1mm的微机械，1nm-1μm的纳米机械，微细加工则为微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。

广义上的微细加工，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。

微细加工技术应满足下列功能：

1）为达到很小的单位去除率，需要各轴能实现足够小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移动应可小至几十个纳米，。

2）高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导轨主承系统以及高精度跟踪性能的伺服系。

3）高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引起的各轴的误差。

4）高的定位精度和重复定位精度。

5）低热变形结构设计。

6）刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。

7）高的主轴转速及极低的动不平衡。

8）稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。

9）具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。

目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为不可或缺的基本技术。

2．LIGA加工技术

2.1概述

LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abfor-mung三个词即光刻、电铸和注塑的缩写

早在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，到20世纪70年代末该中心的Ehrfeld教授综合研究成果开发了LIGA技术。

LIGA工艺是一种基X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包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。

由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，这是其它微制造技术所无法实现的，目前利用LIGA技术加工的微结构典型参数见表1

。

因此LIGA技术也被视为微细加工技术中最有生命力、最有前途的加工技术。

表1利用LIGA技术加工的微结构典型参数

2.2LIGA加工技术原理及关键

LIGA技术被认为是微细加工领域中极有前途的一种新技术,其实质就是把用同步辐射X光进行光刻腐蚀、电铸成形和注塑三种工艺过程组合在一起的新型微加工工艺。

LIGA技术的出现基于以下基本原理

:

（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。

图1LIGA技术加工技术原理示意图

2.3LIGA加工技术工艺过程

LIGA加工技术主要包括4个工艺步骤：

X光深度同步辐射光刻；显影；微电铸；模铸。

其加工工艺过程如图2

所示。

X光深度同步辐射光刻：

将光刻胶涂在有很好的导电性能的基片上，然后利用同步X射线将X光掩模上的二维图形转移到数百微米厚的光刻胶上，刻蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形，光刻时X光在光刻胶中的刻蚀深度受到波长的制约。

LIGA掩模板必须能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。

下表列出了可用于LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能

。

表2LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能

显影：

将经过X光深度同步辐射光刻后的光刻胶放到显影液中进行显影处理。

X光深度同步辐射光刻处理后的光刻胶如PMMA分子长键断裂，发生降解，降解后的分子可溶于显影液中，而未曝光的光刻胶显影后依然存在。

这样就形成了一个与掩模图形相同的三维光刻胶微结构。

微电铸：

对显影后的样品进行微电铸，就可以获得由各种金属组成的微结构器件。

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。

微电铸的常用金属为镍、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,用微电铸工艺还要电铸出用于微复制工艺的微结构模具,要求获得的模具无内应力,因此，LIGA技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊的要求。

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,或利用超声波增加金属离子的对流。

由微电铸工艺获得复制模具,经过线切割后的模具厚度要达到5mm。

模具一般要经过连续两个星期的电铸才能获得,这就要求微电铸设备具有一定的自动化程度,包括恒温、循环过滤、自动添加蒸馏水等功能。

模铸：

用上述金属微结构为模板，采用注塑成型或模压成型等工艺，重复制造所需的微结构。

其中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。

由于高深宽比微结构的特殊性,普通的注塑机必须经过改装才能用于LIGA技术中的复制工艺。

首先要有一套真空装置,在注入前将微孔中的空气抽干净；第二要有一套很好的控温装置,在注入前要将塑料和模具加热到塑料的熔融温度,当模具充满塑料后,再通过降温使塑料固化,然后通过脱模获得所需的塑料产品。

在模压成型工艺中,首先在导电基片上涂敷一层塑料,通过模压工艺在导电基片上的塑料微结构,然后对该样品进行微电铸,除去导电基片后可获得金属产品。

模压设备也需要真空和控温装置。

图2LIGA技术加工技术工艺流程

2.4LIGA加工技术工艺的优缺点

基于以上的LIGA加工工艺流程，可总结得出LIGA技术的以下优缺点：

LIGA技术的优点

是：

一、能制造出有较大高宽比的可动微结构。

应用LIGA技术制造的微结构,可获得很大的高宽比,对于宽度仅为数微米的图形,其高度可以接近1000μm。

并且其宽度可以在整个高度上保持极高的精度,结构侧壁平行线偏差在亚微米范围内,这样的高精度也为后面工序的塑铸工艺的脱模提供保证。

二、取材广泛。

利用LIGA技术可以生产多种微结构器件。

其原材料可以是金属、塑料、高分子材料、玻璃、陶瓷或它们组合,金属元件通常用镍、铜、金、镍钴合金。

注塑元件可以用多种有机材料。

三、可以制作任意复杂图形结构。

用LIGA技术制作微结构,其二维平面内的几何形状可以任意设计,微结构的形状只取决于所设计的掩模。

四、具有进行大规模生产的巨大潜力。

LIGA技术为微结构的廉价制造带来希望,它很快就会成为能够生产商业产品的技术。

LIGA技术最大的缺点是成本太高，其因素有一：

深度X射线曝光特别费时，如350微米的厚胶充分曝光大约需要8小时。

二：

设备上LIGA技术需要特殊的设备，主要是产生X射线的同步辐射加速器。

三：

X射线掩模板的制作费用也相当昂贵，其生产原料主要是金、铍等贵金属。

同时LIGA技术存在工艺难点，在X射线深度光刻工艺中，厚胶的低应力、胶表面的光滑及胶厚的均匀等是稳定生产所必须的，但这些指标很难保持稳定。

在电铸成型工艺中，电铸技术使用最普遍。

但电铸成型工艺需要高温，故处理多种材料热膨胀的差异也成为一个难点。

而且电镀工艺是湿法化学过程，光刻胶与基板表面之间的粘结强度必须足够大才能阻止电镀液渗入光刻胶保护区域。

3．准LIGA技术

LIGA技术虽然具有突出的成形优点,但它的工艺过程比较复杂,成本费用昂贵,生产能力有限且为了获得X光源,需要昂贵的同步加速器,而这些条件只能在一些大的研究机构里才能满足。

而且用于X光光刻的掩膜板本身就是D3微结构,需先用LIGA技术制备出来,既费时成本又高,而且可用的光刻胶种类也较少,这使得LIGA技术的应用在一定度上受到限制。

为此,人们开始寻找廉价光源来替代昂贵的X光源,其中有紫外光（UV）LIGA、深等离子体蚀刻、激光（laser）LIGA等,同时把这一系列技术称为准LIGA技术,准LIGA技术不需要像LIGA技术所需的昂贵设备,且制作方便,因而它将成为本世纪微机械加工的一项重要技术。

3.1UV-LIGA加工技术

准LIGA技术中以紫外光为光源的准LIGA技术的应用最为简易可行,它与LIGA技术的特点比较如下表

所示。

表3LIGA技术和UV-LIGA技术的主要特点

该技术使用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。

其工艺流程步骤如下：

①使用设计的掩模版图形，对涂在镍基底上的SU-8胶进行紫外线曝光；②使用专用显影液显影，去除未曝光的SU-8胶,得到所需的胶模微结构；③将胶模微结构放入电铸液中电铸，在胶模凹槽中生长出金属层；④对电铸的金属层微结构表面研磨抛光后去除剩余的SU-8胶，得到侧壁垂直的准三维金属层微结构；⑤使用圆柱形电极和圆锥形电极对制作的准三维金属层微结构进行微细电火花加工，得到局部为三维的金属微结构。

图3UV-LIGA技术加工技术工艺流程

用紫外光刻工艺替代同步辐射X光光刻工艺大大降低了LIGA技术的成本和加工周期,目前可用于紫外光进行厚胶光刻的SU-8负性光刻胶,加工厚度可达2mm,深宽比达20,相比采用同步辐射X光曝光,其灵敏度是普通PMMA光刻胶的几十倍，但该光刻胶对光刻工艺参数非常敏感,且重复性较差,特别是SU-8光刻胶经过曝光和电铸工艺后生成了交联高分子,很难去除,限制了其应用。

3.2Laser-LIGA加工技术

Laser-LIGA技术是以波长为193nm的ArF准分子激光器直接消融光刻PMMA光刻胶来取代X射线光刻工序的技术，其精度为微米级，深宽比适中。

其工艺流程如下：

①激光消融，在基片上布设一层光刻胶然后用准分子激光对光刻胶进行切除加工产生三维光刻胶结构；②电铸，采用蒸汽镀膜的方式在形成的光刻胶微结构上镀上一薄金属层，该金属层用作电镀工艺的阴极，然后通过电镀工艺，将金属填充到光刻胶三维结构的空隙中。

在整个光刻胶图形上形成足够厚的金属层，最后将金属结构从背面进行研磨加工到一个标准的厚度；③喷射注塑，将金属部分和聚合物部分进行分离，以金属部分为模型插件进行喷射注塑，加工出与原聚合物结构完全相同的微结构；

Laser-LIGA技术采用准分子激光工艺替代同步辐射X光光刻大大降低了LIGA技术的成本,特别是可进行塑料微结构原型样品的快速制备,但用该微加工技术获得的微结构深宽比较小,侧壁和底部的粗糙度较高。

3.3DEM加工技术

DEM技术是用感应耦合等离子体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工艺。

该技术不需昂贵的同步辐射X光源和特制的X光掩模版。

其工艺流程如下：

①首先在氧化过的低阻硅片上溅射一层金属膜，利用紫外光刻和刻蚀工艺获得掩模；②利用ICP刻蚀机对硅进行深层刻蚀，再通过氧化和反应离子刻蚀对硅的侧壁进行绝缘保护；③利用深层微电铸工艺进行金属镍电铸；④再用氢氧化钾将硅片腐蚀掉，获得由金属镍组成的微复制模具，利用该模具可对塑料进行模压加工，或对模压后获得的塑料微结构再进行第二次微电铸，就可进行金属产品的批量生产。

3.4SLIGA加工技术

SLIGA技术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，利用SLIGA技术可以制造活动的微器件。

其工艺流程如下：

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，其后的工艺与常规LIGA工艺相同。

在完成LIGA技术的微电铸工艺之后，将牺牲层去除就可获得可活动的微结构。

3.5准LIGA加工技术的工艺难点

准LIGA工艺在较大的高宽比、较好的侧壁垂直度及胶膜的稳定性、金属微结构的形成等方面有不少困难。

一、厚光刻胶的实现复杂。

准LIGA技术制造的微执行器和传感器常常需要较大的深宽比,因而对光刻胶的性能和光刻精度有较高的要求,一般要求胶的粘度大、透明度好,且对镀液有较好的耐蚀性。

为了得到较厚的胶层,可采用较慢的涂胶速度或多次涂敷、烘干相结合的工艺。

由于前烘温度与时间对分辨率和图形畸变有影响,前烘时间过长,显影时间延长,胶的分辨率降低。

而前烘时间过短,不能除尽胶中溶剂,将使胶膜中出现缺陷。

二、陡直侧壁的实现难。

用常规紫外光曝光时,由于光的衍射和散射作用,使光刻胶的边缘往往发生侧蚀。

对于正性光刻胶而言,会发生上宽下窄的现象，对于负性光刻胶则出现上窄下宽的情况。

当对垂直度要求不是很高时,厚胶的光刻可采取多次曝光、显影的方法。

通常微电子生产线采用60W的高压汞灯,而在准LIGA工艺中,为了使厚胶曝光充分,往往采用200W以上的高压汞灯作为紫外光源。

三、胶模的稳定性差。

图形畸变程度与版图、胶厚及后烘条件有关,胶区大的图形收缩量大。

而胶模结构的稳定性对准LIGA技术后面的工序质量至关重要，因此要特别注重后烘，后烘不仅可以提高胶结构的质量,还能提高胶结构对镀液的耐蚀性能。

四、镀金属层结构慢。

金属层的获得一般采用电镀的方法,但在窄而深的槽中电镀时,对流对物质传输的贡献基本可忽略,因而沉积速度很慢。

后来有人利用脉冲电镀深镀能力强、结晶细致、镀层应力小的优点。

脉冲电镀的方法中由于镍的机械性能如杨氏模量、屈服强度、硬度、抗蚀性等较好,且还有许多令人感兴趣的镀液配方,因而成为微机械加工中最广泛使用的一种金属。

此外,由于合金材料的许多优良性能,合金电镀也被应用到微结构的电镀中来有了较广泛的应用。

4．LIGA与准LIGA技术的应用

LIGA技术与准LIGA技术在传感技术中应用是最富有成效的,现在利用LIGA技术与准LIGA技术可以制作各种传感器，除了微加速度传感器之外,还能制作测量振动、位置、位移、磁场等方面的传感器,由于应用LIGA技术与准LIGA技术可实现精密、大结构高度、广泛材料、批量制造，这样可制造出最优的传感器,也将带来低廉的价格。

目前,LIGA技术与准LGIA技术也已制作出微齿轮、微线圈、光反射镜、热驱动继电器中的金属化触点、加速度传感器、射流元件、微陀螺、微马达等多种微结构,如下表

所示。

表4LIGA技术和准LIGA技术的应用

用LIGA技术与准LIGA技术做出的产品涉及许多行业，应用十分广泛。

因此LIGA技术与准LIGA技术是一种新发展起来的、十分有前途的微机械加工方法，其以较少的投资就能制造实现微金属结构的制作，并能较好的与半导体工艺结合。

例如

：

在射频技术上的应用，半导体技术的进步推动了平面型单片微波集成电路的发展,使得在一块芯片上设计小型化、多功能化、高性能化的RF电路成为可能。

然而,随着通信系统中频率的使用达到Ka波段（25～40GHz）以及宽带性能的需要,传统电路技术受到了技术上的局限。

对于微波传输带,由于高频段上的损耗大,宽频带性能很难实现。

由于LIGA技术与准LIGA技术可以形成厚度大、侧壁陡的导体,相比于传统集成传输线,这将增大电路的传导界面和耦合性。

这些优点使得LIGA技术与准LIGA技术在微波、毫米波器件上的应用受到了重视。

特别是用于发射机、宽带滤波器的单片电路等用传统的薄膜工艺技术难以实现的地方。

部分LIGA技术与准LIGA技术制造产品

如下：

图4微齿轮及轴图5微电磁电机

图5微线圈剖面

5．结语

微细加工技术中的LIGA技术与准LIGA技术在国际上被公认是一种三维立体微细加工的最有前途的新方法，它是一种全新的微结构制造方法。

从技术被发明开始各个国家纷纷投入人力、物力、财力开展研究与应用,截至目前成品已研制成功或正在研制的LIGA产品就有微传感器、微电机、微执行器、微机械另件、集成光学和微光学元件、微型医疗器械和装置、流体技术微元件、纳米技术元件及系统等。

LIGA产品的应用涉及广泛的科学技术领域和产业部门,如加工技术、测量技术、自动化技术、航天技术、生物医学技术等，由此可见LIGA技术的技术经济重要性不容置疑,其市场前景广阔，LIGA技术与准LIGA技术将是对21世纪产生重大影响的一门新技术！

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