ЛИГА

Рентгеновский процесс LIGA был первоначально разработан в Forschungszentrum Karlsruhe, Германия, для производства сопел для обогащения урана .

СЭМ-изображение полимерной структуры LIGA, полученной методом литья. Наименьшая ширина полимера составляет 6 мкм; высота полимера 120 мкм, следовательно, соотношение сторон 20.

LIGA — это технология изготовления, используемая для создания с высоким соотношением сторон микроструктур . Этот термин представляет собой немецкую аббревиатуру от Lithographie, Galvanoformung, Abformung – литография , гальваника и формование .

Обзор

LIGA состоит из трех основных этапов обработки: литографии, гальваники и формования. Существует две основные технологии LIGA-производства: 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. соотношение сторон.

Примечательные характеристики рентгеновских структур, изготовленных с помощью LIGA, включают:

высокое соотношение сторон порядка 100:1
параллельные боковые стенки с углом фланца порядка 89,95°.
гладкие боковые стенки с $R_{a}$ = 10 нм , подходит для оптических зеркал
конструктивная высота от десятков микрометров до нескольких миллиметров
детали конструкции порядка микрометров на расстояниях в сантиметры

Рентгеновская ЛИГА

процесс изготовления X-Ray LIGA — это микротехнологический , разработанный в начале 1980-х годов. ^[1] группой под руководством Эрвина Вилли Беккера и Вольфганга Эрфельда из Института ядерных технологий ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) в Центре ядерных исследований Карлсруэ, впоследствии переименованного в Институт технологии микроструктур ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) в ( Технологический институт Карлсруэ KIT). LIGA была одной из первых крупных технологий, позволивших изготавливать по требованию конструкции с высоким соотношением сторон (структуры, высота которых намного превышает ширину) с боковой точностью ниже одного микрометра.

При этом чувствительный к рентгеновскому излучению полимерный фоторезист, обычно ПММА , прикрепленный к электропроводящей подложке, подвергается воздействию параллельных пучков высокоэнергетического рентгеновского излучения от источника синхротронного излучения через маску, частично покрытую сильным рентгеновским излучением. впитывающий материал. Химическое удаление экспонированного (или неэкспонированного) фоторезиста приводит к образованию трехмерной структуры, которая может быть заполнена электроосаждением металла. Резист удаляется химическим путем для получения металлической вставки в форму. Вставка пресс-формы может использоваться для изготовления деталей из полимеров или керамики методом литья под давлением .

Уникальная ценность метода LIGA заключается в точности, достигаемой за счет использования глубокой рентгеновской литографии (DXRL). Этот метод позволяет изготавливать микроструктуры с высоким соотношением сторон и высокой точностью из различных материалов (металлов, пластиков и керамики). Многие из его специалистов и пользователей связаны с синхротронными установками или расположены 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, технически сложную рентгеновскую маску можно заменить простой хромовой маской. Такое снижение сложности делает UV LIGA намного дешевле и доступнее, чем его рентгеновский аналог. Однако UV LIGA не так эффективна при изготовлении прецизионных форм и поэтому используется, когда необходимо поддерживать низкие затраты и не требуется очень высокое соотношение сторон.

Детали процесса

Процесс изготовления LIGA состоит из воздействия (а), проявления (б), гальванопластики (в), ^[2] зачистка (г) и репликация (д).

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 воздействием рентгеновских лучей, носители изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, чтобы уменьшить температурные градиенты. В настоящее время ^{[ когда? ]}Лучшими материалами считаются стеклоуглерод и графит, так как их использование значительно снижает шероховатость боковин. Кремний , нитрид кремния , титан и алмаз также используются в качестве подложек-носителей, но не являются предпочтительными, поскольку требуемые тонкие мембраны сравнительно хрупкие, а титановые маски имеют тенденцию скруглять острые детали из-за краевой флуоресценции. Поглотителями служат золото, никель, медь, олово, свинец и другие металлы, поглощающие рентгеновские лучи.

Маски могут быть изготовлены несколькими способами. Наиболее точными и дорогими являются маски, созданные методом электронно-лучевой литографии , обеспечивающей разрешение до 0,1 мкм в резисте толщиной 4 мкм и 3 мкм в резисте толщиной 20 мкм . Промежуточным методом является фотомаска с металлическим покрытием, которая обеспечивает разрешение 3 мкм и может быть передана на аутсорсинг по цене порядка 1000 долларов за маску. Наименее затратным методом является прямая фотомаска, обеспечивающая разрешение 15 мкм в резисте толщиной 80 мкм . Таким образом, маски могут стоить от 1000 до 20 000 долларов, а доставка займет от двух недель до трех месяцев. Из-за небольшого размера рынка каждая группа LIGA обычно имеет собственные мощности по производству масок. Будущие тенденции в создании масок включают более крупные форматы (диаметром от 100 до 150 мм ) и меньшие размеры элементов.

Субстрат

Исходным материалом является плоская подложка , такая как кремниевая пластина или полированный диск из бериллия, меди, титана или другого материала. Подложка, если она еще не является электропроводной, покрывается проводящей основой, обычно путем напыления или испарения .

Для изготовления конструкций с большим удлинением необходимо использовать фоторезист, способный 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 методом приклеивания, при котором сборный лист высокомолекулярного ПММА прикрепляется к основанию покрытия на подложке. Нанесенный фоторезист затем фрезеруется до точной высоты с помощью резака перед переносом рисунка с помощью рентгеновского облучения. Поскольку слой должен быть относительно свободным от напряжений, этот процесс приклеивания предпочтительнее альтернативных методов, таких как литье. Кроме того, резка листа ПММА резаком требует особых условий эксплуатации и инструментов, чтобы избежать каких-либо напряжений и растрескивания фоторезиста. ^{[ нужна ссылка ]}

Контакт

Ключевой технологией LIGA является синхротрон, способный излучать мощные, хорошо коллимированные рентгеновские лучи. Такая высокая коллимация обеспечивает относительно большие расстояния между маской и подложкой без полутеневого размытия, которое возникает от других источников рентгеновского излучения. В накопителе электронов или синхротроне магнитное поле заставляет электроны следовать по круговой траектории, а радиальное ускорение электронов заставляет электромагнитное излучение излучаться вперед. Таким образом, излучение сильно коллимировано в прямом направлении, и для целей литографии его можно считать параллельным. Из-за гораздо более высокого потока пригодных для использования коллимированных рентгеновских лучей становится возможным более короткое время экспозиции. Энергия фотонов для воздействия LIGA примерно распределяется между 2,5 и 15 кэВ .

В отличие от оптической литографии, существует несколько пределов воздействия, определяемых как верхняя доза, нижняя доза и критическая доза, значения которых должны быть определены экспериментально для правильного воздействия. Экспозиция должна быть достаточной для удовлетворения требований минимальной дозы (экспонирования, при которой остаются остатки фоторезиста) и верхней дозы (экспозиции, при которой фоторезист будет вспениваться). Критическая доза – это воздействие, при котором неэкспонированный резист начинает подвергаться атаке. Из-за нечувствительности ПММА типичное время воздействия ПММА толщиной 500 мкм составляет шесть часов. Во время воздействия вторичные радиационные эффекты, такие как дифракция Френеля маски и подложки , флуоресценция , а также генерация оже-электронов и фотоэлектронов, могут привести к переоблучению.

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 аспектным соотношением система резист-проявитель должна иметь соотношение скоростей растворения в экспонированных и неэкспонированных областях 1000:1. Стандартный проявитель, оптимизированный эмпирически, представляет собой смесь тетрагидро-1,4-оксазина (20%), 2-аминоэтанол-1 (5%), 2-(2-бутоксиэтокси)этанола (60%) и воды (15%). ). Этот проявитель обеспечивает необходимое соотношение скоростей растворения и снижает растрескивание под напряжением от набухания по сравнению с обычными проявителями ПММА. После проявления подложку промывают деионизированной водой и сушат либо в вакууме, либо центрифугированием. На этом этапе структуры из ПММА могут быть выпущены в качестве конечного продукта (например, оптических компонентов) или использованы в качестве форм для последующего осаждения металлов.

Гальваника

На этапе гальванического покрытия никель, медь или золото наносятся вверх от металлизированной подложки в пустоты, оставленные удаленным фоторезистом. Процесс происходит в электролитической ячейке, где плотность тока, температура и раствор тщательно контролируются, чтобы обеспечить правильное покрытие. При осаждении никеля из NiCl ₂ в растворе KCl Ni осаждается на катоде (металлизированной подложке), а Cl ₂ выделяется на аноде. Трудности, связанные с нанесением покрытия в формы из ПММА, включают пустоты, в которых пузырьки водорода зарождаются на загрязнителях; химическая несовместимость, когда гальванический раствор разрушает фоторезист; и механическая несовместимость, когда напряжение пленки приводит к потере адгезии слоя покрытия. Эти трудности можно преодолеть путем эмпирической оптимизации химического состава покрытия и окружающей среды для данной компоновки.

зачистки

После экспонирования, проявления и нанесения гальванического покрытия резист удаляется. Одним из методов удаления остатков ПММА является экспонирование подложки заливкой и использование проявляющего раствора для чистого удаления резиста. Альтернативно можно использовать химические растворители. Химическое удаление толстого резиста — длительный процесс, занимающий два-три часа в ацетоне при комнатной температуре. В многослойных конструкциях принято защищать металлические слои от коррозии путем заливки конструкции герметиком на полимерной основе. На этом этапе металлические конструкции можно оставить на подложке (например, СВЧ-схемы) или выпустить в качестве конечного продукта (например, шестерни).

Репликация

После зачистки освобожденные металлические компоненты можно использовать для массового тиражирования с помощью стандартных средств тиражирования, таких как штамповка или литье под давлением .

Коммерциализация

В 1990-е годы LIGA представляла собой передовую технологию изготовления МЭМС, в результате которой были разработаны компоненты, демонстрирующие 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, пользуясь ограничениями других конкурирующих технологий производства. UV LIGA, из-за 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.

Галерея

Ниже представлена галерея конструкций, изготовленных с помощью LIGA, упорядоченная по датам.

Сопло для обогащения урана . ^[1]
517 мкм копланарный волновод высотой Медный . ^[3]
Активная часть оптического переключателя 2x2, показан только электростатический привод.
Деталь формовочного инструмента для микроспектрометра LIGA.
Рентгеновские рефракционные рентгеновские линзы из полимера СУ8. Узоры создаются путем двукратного наклона маски и подложки в луче на +-45°.

Примечания

^ Jump up to: ^а ^б Беккер, EW; Эрфельд, В.; Мюнхмейер, Д.; Бетц, Х.; Хойбергер, А.; Понгратц, С.; Глашаузер, В.; Мишель, HJ; Сименс, Р. (1982). «Изготовление сепарационно-сопловых систем для обогащения урана методом совмещения рентгеновской литографии и гальванопластики». естественные науки . 69 (11): 520–523. Бибкод : 1982NW.....69..520B . дои : 10.1007/BF00463495 . S2CID 44245091 .
^ «Процесс электроформовки» . Проверено 12 ноября 2018 г.
^ Форман, Майкл А. (2006). «Копланарный волновод и фильтр с малыми потерями, изготовленные из LIGA». 2006 Азиатско-Тихоокеанская конференция по микроволновому оборудованию . стр. 1905–1907. дои : 10.1109/APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6 . S2CID 44220821 .

См. также

Ссылки

Маду, М. (2003). Основы микропроизводства . КПР. ISBN 978-0849308260 .
Саиле, В. (2009). ЛИГА и ее приложения . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-31698-4 .

Внешние ссылки

[Becker-1982-1] Jump up to: ^а ^б Беккер, EW; Эрфельд, В.; Мюнхмейер, Д.; Бетц, Х.; Хойбергер, А.; Понгратц, С.; Глашаузер, В.; Мишель, HJ; Сименс, Р. (1982). «Изготовление сепарационно-сопловых систем для обогащения урана методом совмещения рентгеновской литографии и гальванопластики». естественные науки . 69 (11): 520–523. Бибкод : 1982NW.....69..520B . дои : 10.1007/BF00463495 . S2CID 44245091 .

[2] «Процесс электроформовки» . Проверено 12 ноября 2018 г.

[Forman-2006-3] Форман, Майкл А. (2006). «Копланарный волновод и фильтр с малыми потерями, изготовленные из LIGA». 2006 Азиатско-Тихоокеанская конференция по микроволновому оборудованию . стр. 1905–1907. дои : 10.1109/APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6 . S2CID 44220821 .

[1]

[2]

[3]