1、梁美彥,MEMS工藝- LIGA技術(shù)及其應用,1,2,典型MEMS器件硅微馬達器,3,內(nèi)容提要,4,LIGA一詞來源于德語Lithographie, Galvanoformung 和Abformung 三個詞語的縮寫, 表示深層光刻、電 鑄、注塑三種技術(shù)的有機結(jié)合。,20世紀60年代初, 德國的Karlsruhe原子能研究中心 致力于開發(fā)一項技術(shù), 即用氣體彎曲噴射的離心力 方法處理六氟化鈾和輕的輔助氣體, 從而分離出鈾 同位素。為了提高這個方法的效率, 需要將分離噴 嘴的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸縮小到幾個微米的尺度, 這促使 了LIGA技術(shù)的開發(fā)研究。,研究背景：,一、LIGA技術(shù)：,5,20世紀70年

2、代末由Karlsruhe原子能研究中心的Ehrfeld教授開發(fā)了LIGA技術(shù).,LIGA技術(shù)的出現(xiàn)基于以下觀點: ( 1) 在金屬化的襯底上形成厚光刻膠技術(shù)是可行的; ( 2) 強X光束光刻形成側(cè)壁垂直的凹口; ( 3) 凹口可以用電鍍金屬填充。,LIGA技術(shù)的典型工藝流程圖：,6,同步輻射x光,銅掩膜板,PMMA光刻膠,電鑄成形,注塑成形,高深寬比結(jié)構(gòu),生產(chǎn)周期長,生產(chǎn)成本高,7,LIGA技術(shù)的基本原理圖,8,微齒輪（sandia國家實驗室）,LIGA技術(shù)應用,9,Fresnel波帶片,10,LIGA技術(shù)之所以能實現(xiàn)高深寬比的三維微結(jié)構(gòu), 其關(guān)鍵是深層光刻技術(shù)。實現(xiàn)高深寬比、縱向尺寸達到數(shù)百

3、微米的深度刻蝕, 并且側(cè)壁垂直、光滑。,1.同步輻射X光：高強度、平行性好的光源， 這樣的光源只有用同步加速輻射的方法才能得到。 2. PMMA：用于LIGA技術(shù)的抗蝕劑必須有良好的分辨力、機械強度、低應力, 同時還要與基片粘附性好。用于深層X光光刻的光刻膠一般用綜合性能良好的有機聚合物聚甲基丙烯酸甲酯Poly( methylmethacrylate)-PMMA。PMMA是正性 光刻膠, 有很好的透光性。,11,PMMA光刻膠刻蝕深度和X射線波長的關(guān)系，當波長小于0.3nm時，可以得到深度500微米的結(jié)構(gòu),12,LIGA技術(shù)的優(yōu)點: ( 1) 深寬比大, 準確度高。所加工的圖形準確度小于0.

4、5微米, 表面粗糙度僅10nm, 側(cè)壁垂直度89. 9, 縱向高度可500微米以上; ( 2) 用材廣泛。從塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等) 到金屬( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技術(shù)實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu); ( 3) 由于采用微復制技術(shù), 可降低成本, 進行批量生產(chǎn)。 LIGA的缺點： （1）成本昂貴（X光源需要昂貴的加速器） （2）用于X光光刻的掩膜板本身就是3D微結(jié)構(gòu)，復雜，周期長,13,1.UV-LIGA,二、準LIGA技術(shù),紫外光源對光刻膠曝光, 光源來自于汞燈, 所用的掩膜板是簡單的鉻掩膜板。其原理步驟如圖所示。對于UV-LIG

5、A適用光刻膠較多的是SU-8膠,14,常規(guī)紫外光,標準鉻掩膜板,聚酰亞胺光刻膠,電鑄成形,塑鑄成形,高深寬比微結(jié)構(gòu),生產(chǎn)周期長,生產(chǎn)成本低,230nm紫外光可對PMMA可以曝光但是深度只達4微米！,15,IBM公司研發(fā)的SU-8膠是一種負性膠, 即曝光時, 膠中含有的少量光催化劑( PAG) 發(fā)生化學反應, 產(chǎn)生一種強酸, 能使SU-8膠發(fā)生熱交聯(lián)。SU-8膠具有高的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和良好的力學性能, 在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低, 整個光刻膠層可獲得均勻一致的曝光量。,SU-8膠 優(yōu)點：形成圖形結(jié)構(gòu)復雜、深寬比大、側(cè)壁陡峭的微結(jié)構(gòu)。SU-8膠在X光輻照下無膨脹、龜裂等現(xiàn)象，對X光的靈敏度比

6、PMMA高幾百倍 缺點：是存在張應力,以及烘烤量大時在工藝的后段難以除去。,16,烘烤溫度和時間取決于光刻膠的厚度。但是為了獲得無龜裂的光刻膠,其溫度一般不能超過120,紫外光曝光SU-8膠得到的光刻膠圖形照片,17,2.深等離子體刻蝕(deep plasma etching),一般用Si做為刻蝕微結(jié)構(gòu)的加工對象,也即高深寬比硅刻蝕。 優(yōu)點：各向異性刻蝕速率比大，刻蝕速率大,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。 缺點：硅材料本身較脆,需要將加工了的硅微結(jié)構(gòu)作為模具,對塑料進行模壓加工,再利用塑料微結(jié)構(gòu)進行微電鑄后,才能用得到的金屬模具進行微結(jié)構(gòu)器件的批量生產(chǎn)?；蛘咧苯訌墓杵线M行微電鑄,獲得金屬微復制模具。,18

7、,3.Laser-LIGA Laser-LIGA是W.Ehrfeld等人在1995年首次提出并使用的，它是采用波長為193nm的ArF準分子激光器直接消融光刻PMMA光刻膠來取代X射線光刻工序,其精度為微米級,深寬比適中（10） Laser-LIGA的主要工藝過程：,19,Laser-LIGA工藝流程圖,研磨到標準厚度,20,Laser-LIGA工藝加工出的微結(jié)構(gòu)電鏡照片,21,4.DEM技術(shù),DEM技術(shù)是由上海交通大學和北京大學開發(fā)出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的準 LIGA技術(shù)(DEM:deepetching，electro-forming，microreplication) 該技術(shù)用感應耦合等離子

8、體ICP深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進行后續(xù)的微電鑄和微復制的工藝 DEM工藝流程圖：,22,低阻硅片,DEM工藝流程,23,DEM微結(jié)構(gòu)照片,24,5.SLIGA-技術(shù),SLIGA技術(shù)是結(jié)合硅面加工技術(shù)和常規(guī)LIGA技術(shù)而開發(fā)出的一種新工藝，在這個工藝中，犧牲層用于加工形成與基片完全相連或部分相連或完全脫離的金屬部件。 SLIGA技術(shù)可以制造活動的微器件。 SLIGA與LIGA異同：在平面基板上布設(shè)一層犧牲層材料，如聚酰亞胺、淀積的氧化硅、多晶硅或者某種合適的金屬等 （與電鍍的材料相比，這些材料比較容易被有選擇地去除）然后在基片和犧牲層上濺射一層電鍍基底。,25,SLIGA工藝加工流程圖,26,6.M2LIGA技術(shù) 為了控制微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁傾斜度，便于形成具有不同傾斜度的斜面、鋸齒、圓錐或圓臺等微結(jié)構(gòu),日本科研人員在 1999年提了M2LIGA技術(shù)。該技術(shù)用移動掩模X光深度光刻代替了常規(guī)的靜止