LIGA — это технология изготовления, используемая для создания микроструктур с высоким соотношением сторон. Термин является немецкой аббревиатурой от Lithographie, Galvanoformung, Abformung – литография, гальванопокрытие и формовка.
Обзор
LIGA состоит из трех основных этапов обработки: литография, гальванопокрытие и формовка. Существуют две основные технологии изготовления LIGA: X-Ray LIGA, которая использует рентгеновские лучи, производимые синхротроном, для создания структур с высоким соотношением сторон, и UV LIGA, более доступный метод, который использует ультрафиолетовый свет для создания структур с относительно низким соотношением сторон.
Примечательные характеристики конструкций, изготовленных с помощью рентгеновского LIGA, включают в себя:
Рентгеновская ЛИГА
X-Ray LIGA — это процесс изготовления в микротехнологии, который был разработан в начале 1980-х годов группой под руководством Эрвина Вилли Беккера и Вольфганга Эрфельда в Институте ядерной инженерии (Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) в Центре ядерных исследований Карлсруэ, впоследствии переименованном в Институт микроструктурной технологии (Institut für Mikrostrukturtechnik, IMT) в Технологическом институте Карлсруэ (KIT). LIGA был одним из первых основных методов, позволивших изготавливать по заказу структуры с высоким соотношением сторон (структуры, которые намного выше, чем в ширину) с поперечной точностью менее одного микрометра.
В этом процессе чувствительный к рентгеновским лучам полимерный фоторезист, обычно ПММА, связанный с электропроводящей подложкой, подвергается воздействию параллельных пучков высокоэнергетических рентгеновских лучей от источника синхротронного излучения через маску, частично покрытую материалом, поглощающим сильные рентгеновские лучи. Химическое удаление экспонированного (или неэкспонированного) фоторезиста приводит к образованию трехмерной структуры, которая может быть заполнена электроосаждением металла. Резист химически удаляется для получения металлической вставки формы. Вставка формы может использоваться для производства деталей из полимеров или керамики посредством литья под давлением.
Уникальная ценность метода LIGA заключается в точности, достигаемой с помощью глубокой рентгеновской литографии (DXRL). Метод позволяет изготавливать микроструктуры с высоким соотношением сторон и высокой точностью из различных материалов (металлы, пластики и керамика). Многие из его практиков и пользователей связаны с синхротронными установками или находятся рядом с ними.
УФ ЛИГА
UV LIGA использует недорогой источник ультрафиолетового света, например ртутную лампу, для экспонирования полимерного фоторезиста, обычно SU-8. Поскольку нагрев и пропускание не являются проблемой для оптических масок, простая хромовая маска может быть заменена технически сложной рентгеновской маской. Такое снижение сложности делает UV LIGA намного дешевле и доступнее, чем ее рентгеновский аналог. Однако UV LIGA не так эффективен при производстве точных форм и поэтому используется, когда необходимо поддерживать низкую стоимость и не требуются очень высокие соотношения сторон.
Подробности процесса
Маска
Рентгеновские маски состоят из прозрачного носителя с низким Z, узорчатого поглотителя с высоким Z и металлического кольца для выравнивания и отвода тепла. Из-за экстремальных колебаний температуры, вызванных рентгеновским облучением, носители изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью для снижения температурных градиентов. В настоящее время стекловидный углерод и графит считаются лучшими материалами, так как их использование значительно снижает шероховатость боковых стенок. Кремний, нитрид кремния, титан и алмаз также используются в качестве подложек носителей, но не являются предпочтительными, так как требуемые тонкие мембраны сравнительно хрупкие, а титановые маски имеют тенденцию скруглять острые детали из-за флуоресценции краев. Поглотителями являются золото, никель, медь, олово, свинец и другие металлы, поглощающие рентгеновское излучение.
Маски могут быть изготовлены несколькими способами. Наиболее точные и дорогие маски создаются с помощью электронно-лучевой литографии, которая обеспечивает разрешение до 0,1 мкм в резисте толщиной 4 мкм и 3 мкм элементов в резисте толщиной 20 мкм. Промежуточный метод — это гальванизированная фотомаска, которая обеспечивает разрешение 3 мкм и может быть передана на аутсорсинг по цене порядка 1000 долларов за маску. Наименее дорогой метод — это прямая фотомаска, которая обеспечивает разрешение 15 мкм в резисте толщиной 80 мкм. Подводя итог, маски могут стоить от 1000 до 20 000 долларов, а доставка занимает от двух недель до трех месяцев. Из-за небольшого размера рынка каждая группа LIGA обычно имеет собственные возможности по изготовлению масок. Будущие тенденции в создании масок включают более крупные форматы, диаметром от 100 мм до 150 мм, и меньшие размеры элементов.
Субстрат
Исходным материалом является плоская подложка, например, кремниевая пластина или полированный диск из бериллия, меди, титана или другого материала. Подложка, если она еще не является электропроводящей, покрывается проводящей гальванической основой, как правило, путем распыления или испарения.
Изготовление структур с высоким соотношением сторон требует использования фоторезиста, способного формировать форму с вертикальными боковыми стенками; таким образом, фоторезист должен обладать высокой селективностью и быть относительно свободным от напряжений при нанесении толстыми слоями. Типичный выбор, полиметилметакрилат (ПММА), наносится на подложку с помощью процесса склеивания, в котором готовый лист ПММА с высокой молекулярной массой прикрепляется к основанию покрытия на подложке. Затем нанесенный фоторезист фрезеруется до точной высоты летучей фрезой перед переносом рисунка с помощью рентгеновского облучения. Поскольку слой должен быть относительно свободным от напряжений, этот процесс склеивания предпочтительнее альтернативных методов, таких как литье. Кроме того, резка листа ПММА летучей фрезой требует определенных рабочих условий и инструментов, чтобы избежать возникновения каких-либо напряжений и трещин фоторезиста.
Контакт
Ключевой технологией, обеспечивающей LIGA, является синхротрон, способный излучать мощные, высококоллимированные рентгеновские лучи. Эта высокая коллимация допускает относительно большие расстояния между маской и подложкой без полутеневого размытия, которое возникает от других источников рентгеновского излучения. В электронном накопительном кольце или синхротроне магнитное поле заставляет электроны следовать по круговой траектории, а радиальное ускорение электронов заставляет электромагнитное излучение испускаться вперед. Таким образом, излучение сильно коллимируется в прямом направлении и может считаться параллельным для литографических целей. Из-за гораздо более высокого потока пригодных для использования коллимированных рентгеновских лучей становятся возможными более короткие времена экспозиции. Энергии фотонов для экспозиции LIGA приблизительно распределены между 2,5 и 15 кэВ.
В отличие от оптической литографии, существуют множественные пределы экспозиции, определяемые как верхняя доза, нижняя доза и критическая доза, значения которых должны быть определены экспериментально для правильной экспозиции. Экспозиция должна быть достаточной для соответствия требованиям нижней дозы, экспозиции, при которой останется остаток фоторезиста, и верхней дозы, экспозиции, при которой фоторезист вспенится. Критическая доза — это экспозиция, при которой неэкспонированный резист начинает подвергаться воздействию. Из-за нечувствительности ПММА типичное время экспозиции для ПММА толщиной 500 мкм составляет шесть часов. Во время экспозиции эффекты вторичного излучения, такие как дифракция Френеля, флуоресценция маски и подложки, а также генерация электронов Оже и фотоэлектронов, могут привести к переэкспонированию.
Во время облучения рентгеновская маска и держатель маски нагреваются непосредственно за счет поглощения рентгеновских лучей и охлаждаются за счет принудительной конвекции струй азота. Повышение температуры в резисте из ПММА происходит в основном за счет тепла, передаваемого от подложки назад в резист и от пластины-маски через воздух внутренней полости вперед к резисту, при этом поглощение рентгеновских лучей является третичным. Термические эффекты включают химические изменения из-за нагрева резиста и деформации маски, зависящей от геометрии.
Разработка
Для структур с высоким соотношением сторон система резиста-проявителя должна иметь соотношение скоростей растворения в экспонированных и неэкспонированных областях 1000:1. Стандартный, эмпирически оптимизированный проявитель представляет собой смесь тетрагидро-1,4-оксазина (20%), 2-аминоэтанола-1 (5%), 2-(2-бутоксиэтокси)этанола (60%) и воды (15%). Этот проявитель обеспечивает необходимое соотношение скоростей растворения и снижает растрескивание, связанное с напряжением, от набухания по сравнению с обычными проявителями ПММА. После проявления подложка промывается деионизированной водой и высушивается либо в вакууме, либо путем центрифугирования. На этом этапе структуры ПММА могут быть выпущены как конечный продукт (например, оптические компоненты) или могут быть использованы в качестве форм для последующего осаждения металла.
Гальваника
На этапе гальванопокрытия никель, медь или золото покрывают снизу вверх от металлизированной подложки в пустоты, оставленные удаленным фоторезистом. Происходящее в электролитической ячейке, плотность тока, температура и раствор тщательно контролируются для обеспечения надлежащего покрытия. В случае осаждения никеля из NiCl2 в растворе KCl, Ni осаждается на катоде (металлизированная подложка), а Cl2 выделяется на аноде. Трудности, связанные с покрытием в формы из ПММА, включают пустоты, где пузырьки водорода зарождаются на загрязняющих веществах; химическую несовместимость, когда раствор для покрытия воздействует на фоторезист; и механическую несовместимость, когда напряжение пленки приводит к потере адгезии покрытого слоя. Эти трудности можно преодолеть путем эмпирической оптимизации химии и среды покрытия для заданной компоновки.
Раздевание
После экспонирования, проявления и гальванопокрытия резист удаляется. Одним из методов удаления оставшегося ПММА является заливка подложки и использование проявочного раствора для чистого удаления резиста. В качестве альтернативы можно использовать химические растворители. Химическое удаление толстого резиста — длительный процесс, занимающий два-три часа в ацетоне при комнатной температуре. В многослойных структурах общепринятой практикой является защита металлических слоев от коррозии путем заполнения структуры герметиком на основе полимера. На этом этапе металлические структуры можно оставить на подложке (например, микроволновые схемы) или выпустить в качестве конечного продукта (например, шестерни).
Репликация
После снятия изоляции освобожденные металлические компоненты можно использовать для массового тиражирования с помощью стандартных методов тиражирования, таких как штамповка или литье под давлением.
Коммерциализация
В 1990-х годах LIGA была передовой технологией изготовления MEMS, что привело к разработке компонентов, демонстрирующих уникальную универсальность этой технологии. Несколько компаний, которые начали использовать процесс LIGA, позже изменили свою бизнес-модель (например, Steag microParts стала Boehringer Ingelheim microParts, Mezzo Technologies). В настоящее время только две компании, HTmicro и microworks, продолжают свою работу в LIGA, извлекая выгоду из ограничений других конкурирующих технологий изготовления. UV LIGA, из-за своей более низкой себестоимости производства, более широко используется несколькими компаниями, такими как Veco, Tecan, Temicon и Mimotec в Швейцарии, которые поставляют на швейцарский часовой рынок металлические детали из никеля и никель-фосфора.
Ниже представлена галерея конструкций, изготовленных LIGA, отсортированная по дате.