LIGA - это немецкое сокращение от словосочетаний Li thographie, G alvanoformung, A bformung ( литография , гальваника и формование ), которое описывает технологию изготовления, используемую для создания микроструктур с высоким соотношением сторон .
Обзор
LIGA состоит из трех основных этапов обработки; литография, гальваника и литье. Существуют две основные технологии изготовления LIGA: X-Ray LIGA , в которой рентгеновские лучи, создаваемые синхротроном, используются для создания структур с высоким соотношением сторон, и UV LIGA , более доступный метод, который использует ультрафиолетовый свет для создания структур с относительно низким аспектным отношением. соотношения.
Примечательные характеристики структур, изготовленных с помощью рентгеновского LIGA, включают:
- высокое соотношение сторон порядка 100: 1
- параллельные боковые стенки с углом борта порядка 89,95 °
- гладкие боковые стенки с = 10 нм , подходит для оптических зеркал
- высота конструкции от десятков микрометров до нескольких миллиметров
- структурные детали порядка микрометров на расстоянии сантиметра
Рентген ЛИГА
X-Ray LIGA - это производственный процесс в микротехнологии, который был разработан в начале 1980-х [1] группой под руководством Эрвина Вилли Беккера и Вольфганга Эрфельда из Института инженерии ядерных процессов ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) в Карлсруэ. Центр ядерных исследований, с тех пор переименованный в Институт технологии микроструктур ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) в Технологическом институте Карлсруэ (KIT). LIGA была одной из первых основных технологий, позволяющих производить по запросу конструкции с высоким соотношением сторон (структуры, которые намного выше ширины) с поперечной точностью менее одного микрометра.
При этом 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 сильным рентгеновским излучением. впитывающий материал. Химическое удаление экспонированного (или неэкспонированного) фоторезиста приводит к трехмерной структуре, которую можно заполнить электроосаждением металла. Резист химически удаляется, чтобы получить металлическую вставку формы. Вставка пресс-формы может использоваться для изготовления деталей из полимеров или керамики посредством литья под давлением .
Уникальная ценность метода LIGA - точность, достигаемая с помощью глубокой рентгеновской литографии (DXRL). Этот метод позволяет изготавливать микроструктуры с высоким соотношением сторон и высокой точностью из различных материалов (металлов, пластмасс и керамики). Многие из его практиков и пользователей связаны с синхротронными установками или находятся рядом с ними.
УФ ЛИГА
UV LIGA использует недорогой источник ультрафиолетового света, такой как ртутная лампа , для экспонирования полимерного фоторезиста, обычно СУ-8 . Поскольку нагрев и пропускание не являются проблемой для оптических масок, простая маска из хрома может быть заменена технически сложной рентгеновской маской. Такое упрощение делает УФ-ЛИГА намного дешевле и доступнее, чем его рентгеновский аналог. Однако УФ-ЛИГА не так эффективен при производстве прецизионных форм и поэтому используется, когда стоимость должна быть низкой и не требуются очень высокие соотношения сторон.
Детали 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 воздействием рентгеновских лучей, носители изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, чтобы уменьшить температурные градиенты. В настоящее время лучшими материалами считаются стеклоуглерод и графит, 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 к округлым острым деталям из-за краевой флуоресценции. Поглотителями являются золото, никель, медь, олово, свинец и другие металлы, поглощающие рентгеновское излучение.
Маски могут изготавливаться разными способами. Самые точные и дорогие маски - это те, которые создаются с помощью электронно-лучевой литографии, которая обеспечивает разрешение до 0,1 мкм для резиста толщиной 4 мкм и элементов 3 мкм для резиста толщиной 20 мкм . Промежуточный метод - это плакированная фотомаска, которая обеспечивает разрешение 3 мкм и может быть передана на аутсорсинг по цене порядка 1000 долларов за маску. Самый дешевый метод - это прямая фотошаблона, которая обеспечивает разрешение 15 мкм при толщине резиста 80 мкм . Таким образом, маски могут стоить от 1000 до 20000 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 большие форматы, от диаметра от 100 мм до 150 мм , и элементы меньшего размера.
Субстрат
Исходный материал представляет собой плоскую подложку , такую как кремниевая пластина или полированный диск из бериллия, меди, титана или другого материала. Подложка, если она еще не является электропроводящей, покрывается проводящей гальванической основой, обычно путем распыления или испарения .
Изготовление структур с высоким аспектным отношением требует использования фоторезиста, способного формировать форму с вертикальными боковыми стенками. Таким образом, фоторезист должен обладать высокой селективностью и быть относительно свободным от напряжения при нанесении толстыми слоями. Типичный выбор - полиметилметакрилат ( ПММА ), который наносится на основу посредством процесса приклеивания, в котором сборный высокомолекулярный лист ПММА прикрепляется к основанию покрытия на основе. Нанесенный фоторезист затем измельчается до точной высоты с помощью мухорезки 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 с помощью мухорезки требует определенных рабочих условий и инструментов, чтобы избежать каких-либо напряжений и растрескивания фоторезиста. [ необходима цитата ]
Экспозиция
Ключевой технологией LIGA является синхротрон, способный излучать мощное рентгеновское излучение с высокой степенью коллимированности. Такая высокая коллимация допускает относительно большие расстояния между маской и подложкой без размытия полутени, которое возникает из-за других источников рентгеновского излучения. В электронном накопителе или синхротроне магнитное поле вынуждает электроны двигаться по круговой траектории, а радиальное ускорение электронов вызывает испускание электромагнитного излучения вперед. Таким образом, излучение сильно коллимировано в прямом направлении и для литографических целей может считаться параллельным. Благодаря гораздо большему потоку пригодного для использования коллимированного рентгеновского излучения становится возможным более короткое время экспозиции. Энергии фотонов для облучения LIGA приблизительно распределяются 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 определяться экспериментально для надлежащего воздействия. Экспозиция должна быть достаточной, чтобы соответствовать требованиям по нижней дозе, экспозиции, при которой останется остаток фоторезиста, и верхней дозе, по которой фоторезист будет вспениваться. Критическая доза - это воздействие, при котором начинает действовать неэкспонированный резист. Из-за нечувствительности ПММА типичное время воздействия для ПММА толщиной 500 мкм составляет шесть часов. Во время экспонирования эффекты вторичного излучения, такие как дифракция Френеля , флуоресценция маски и подложки , а также генерация оже-электронов и фотоэлектронов, могут привести к передержке.
Во время экспонирования рентгеновская маска и держатель маски нагреваются непосредственно за счет поглощения рентгеновских лучей и охлаждаются за счет принудительной конвекции от струй азота. Повышение температуры резиста из ПММА происходит в основном из-за теплопередачи от подложки назад в резист и от пластины маски через воздух внутренней полости к резисту, при этом поглощение рентгеновских лучей является третичным. Термические эффекты включают химические изменения из-за нагрева сопротивления и деформации маски в зависимости от геометрии.
Разработка
Для структур с высоким аспектным отношением требуется, чтобы система резист-проявитель имела соотношение скоростей растворения в экспонированных и неэкспонированных областях 1000: 1. Стандартный, эмпирически оптимизированный проявитель 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 из ПММА. После проявления субстрат промывают деионизированной водой и сушат в вакууме или центрифугированием. На этом этапе структуры из ПММА могут быть выпущены в качестве конечного продукта (например, оптические компоненты) или могут быть использованы в качестве форм для последующего осаждения металла.
Гальваника
На этапе гальваники никель, медь или золото наносят сверху от металлизированной подложки в пустоты, оставленные удаленным фоторезистом. В электролитической ячейке плотность тока, температура и раствор тщательно контролируются, чтобы обеспечить надлежащее покрытие. В случае осаждения никеля из NiCl 2 в растворе KCl, Ni осаждается на катоде (металлизированной подложке), а Cl 2 выделяется на аноде. Трудности, связанные с нанесением покрытия на формы из ПММА, включают пустоты, в которых пузырьки водорода образуются на загрязнениях; химическая несовместимость, при которой раствор для покрытия атакует фоторезист; и механическая несовместимость, когда напряжение пленки приводит к потере адгезии плакированного слоя. Эти трудности можно преодолеть путем эмпирической оптимизации химического состава покрытия и окружающей среды для данной схемы.
Зачистка
После экспонирования, проявления и гальваники резист удаляется. Один из методов удаления оставшегося ПММА заключается в том, чтобы обнажить субстрат водой и использовать проявочный раствор для аккуратного удаления резиста. В качестве альтернативы можно использовать химические растворители. Химическое удаление толстого резиста - длительный процесс, который занимает от двух до трех часов в ацетоне при комнатной температуре. В многослойных структурах принято защищать металлические слои от коррозии путем засыпки структуры герметиком на полимерной основе. На этом этапе металлические конструкции могут быть оставлены на подложке (например, микроволновая схема) или выпущены в качестве конечного продукта (например, шестеренки).
Репликация
После зачистки высвободившиеся металлические компоненты можно использовать для массового воспроизведения с помощью стандартных средств воспроизведения, таких как штамповка или литье под давлением .
Коммерциализация
В 1990-х годах LIGA представляла собой передовую технологию изготовления МЭМС, в результате которой были разработаны компоненты, демонстрирующие уникальную универсальность этой техники. 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 производственных технологий. UV LIGA, благодаря более низкой стоимости производства, более широко используется несколькими компаниями, такими как Tecan, Temicon и Mimotec в Швейцарии, которые поставляют на швейцарский часовой рынок металлические детали из никеля и никель-фосфорного сплава.
Галерея
Ниже представлена галерея конструкций, изготовленных ЛИГА, упорядоченная по датам.
Сопло для обогащения урана . [1]
Заметки
- ^ а б Беккер, EW; Ehrfeld, W .; Münchmeyer, D .; Betz, H .; Heuberger, A .; Pongratz, S .; Glashauser, W .; Michel, HJ; Сименс Р. (1982). «Производство сепарационных сопловых систем для обогащения урана с помощью комбинации рентгеновской литографии и гальванопластики». Naturwissenschaften . 69 (11): 520–523. DOI : 10.1007 / BF00463495 .
- ^ «Процесс гальванопластики» . Проверено 12 ноября 2018 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Форман, Майкл А. (2006). "Компланарный волновод и фильтр с низкими потерями, изготовленные методом ЛИГА". 2006 Азиатско-Тихоокеанская конференция по СВЧ . С. 1905–1907. DOI : 10,1109 / APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6.
Смотрите также
- Фотолитография
- Рентгеновская литография
- Гальваника
- Литье
- Синхротрон
- ПММА
- Фоторезист СУ-8
- Обогащенный уран - аэродинамические процессы
Рекомендации
- Маду, М. (2003). Основы микротехнологии . CRC. ISBN 978-0849308260.
- Сайле В. (2009). LIGA и ее приложения . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31698-4.
Внешние ссылки
- LiMiNT - процесс LIGA от Сингапурского источника синхротронного света
- Технологический институт Карлсруэ, Институт микроструктурных технологий, платформа KNMF
- Иллюстрированный LIGA-процесс Арндтом Ластом