德语缩略词LIGA(代表工艺步骤:光刻(Lithographie)、电镀(Galvanik)与成型(Abformung))是指一种基于深度光刻、电镀与微成型相结合的工艺。LIGA工艺于20世纪80年代初在当时的卡尔斯鲁厄核研究中心由和沃尔夫冈·埃尔费尔德领导的团队开发,最初是作为濃縮鈾的开发的一部分,旨在制造极小的分离喷嘴。
该工艺可使用塑料、金属或陶瓷等材料,制造出最小尺寸达0.2 µm、结构高度达3 mm且深宽比高达50(局部细节结构的深宽比可达500)的微结构。LIGA工艺广泛应用于微系统技术领域,尤其是领域,特别是在需要制造具有极高深宽比的结构时。
工艺流程
起始材料是平整的基板,例如硅晶圆或抛光的铍、铜、钛或其他材料圆片。若基板本身不导电,则通常通过溅射或蒸发沉积覆盖一层金属“种子层”。在种子层上涂覆一层厚的光敏或X射线敏感的正性光刻胶(通常为PMMA)(图a),参见光刻。
对光刻胶进行曝光(图b)。
显影光刻胶层后,保留下将在电铸中生成的金属结构的阴模(图c)。
在电铸工艺中,金属沉积在基板上显影时光刻胶被去除(即种子层裸露)的区域(图d)。
去除光刻胶后,最初只留下基板、种子层和电铸沉积的金属(图e,上)。此时后续工艺有多种选择:
通过蚀刻掉种子层(此时作为牺牲层)及可能存在的基板,可以直接制造(微小的)金属部件。
通过进一步电铸(“过度生长”)并随后去除基板和种子层,可从光刻生成的微结构中制作出模具嵌件,将其安装到模具中,继而通过注射製模或热压印等方式成型出最终所需的塑料部件(图e、f、g)。
或者,也可以直接从带有光刻生成微结构的基板上(例如通过电火花加工)切割出模具嵌件,并将其安装到模具中。
若多次重复曝光、显影和电铸步骤,则可设计出更为复杂的结构,但这些结构必须向基板(晶圓)方向逐渐收缩,否则部件将无法脱模。这限制了所制造结构的复杂性。
若使用LIGA工艺制造的模具进行注塑,与宏观零件制造相比存在一个特点:无需设置供模具内空气排出的排气孔,因为在制造几百微米尺寸的部件时,模具与配合面接触面的微小不平整度已足以让空气排出。仅需开设用于注入成型材料的进料孔。
变体
根据光刻方式的不同,可分为使用X射线(通常来自同步辐射光源)的“X射线LIGA”工艺,以及使用主流半导体技术中常见紫外光的“UV-LIGA”工艺。20世纪90年代,随着新型光刻胶(特别是)的研发成功,“UV-LIGA”得以实现。在此之前,LIGA几乎是“X射线LIGA”的代名词。
另一种变体是通过光刻与工艺在硅晶圆上制造出母模,随后进行电铸与(必要时的)成型。借鉴传统的LIGA技术,这种与“UV-LIGA”同在20世纪90年代被引入的工艺也被称为“硅LIGA”。
尽管“UV-LIGA”与“硅LIGA”的精度不如“X射线LIGA”,但其通常所需的资金投入显著较低,因此有时(基本为中性评价)被称为“穷人的LIGA工艺”(Poor Man's LIGA)。
材料
- 塑料:PMMA 、POM 、PEEK、PVDF、PC、PA、PE
- 金属:镍、铜、金、磷化镍
- 陶瓷:PZT、氧化铝、二氧化锆
应用示例
LIGA技术可用于制造微型齿轮箱的齿轮(例如牙医电钻的钻头内部)以及微米级过滤器的喷嘴。由于LIGA工艺的高精度在微光学领域尤为突出,因此在该领域有大量应用,例如微型光谱仪。由于尺寸微小,采用LIGA技术制造的微型齿轮箱无法进行润滑。因此,开发此类齿轮箱的难点在于寻找能够自润滑的材料组合。例如,由“相同”材料制成的两个齿轮效果就劣于特定“不同”材料的组合。微型电动机由磁性材料构成,通常为镍/铁合金。微型电机的部件均采用“微电铸”工艺制造。
文献
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参考
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