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微电铸中电铸液的发展现状和趋势摘要：本文首先阐述了微电铸技术的发展历史和现状，然后介绍了它的原理。
重点说明了电铸液的成分，最后介绍了微电铸未来的发展趋势。
关键词：微电铸；电铸液1.引言微电铸工艺（microelectroforming technology）是在传统电铸工艺的基础上建立起来的新概念，具有微小结构成型、复杂结构成型、高精度和批量生产等突出优点。
微电铸工艺是LIGA\UV-LIGA 技术的核心内容，在MEMS技术和微、纳米制造领域中有着良好的应用前景。
作为一种先进的制造技术，微电铸工艺主要用于制作各种精密、异型、复杂、微细等难以用传统加工方法制得的或加工成本很高的结构，适用于航空、航天、核工业、仪器仪表、微型机械等高新技术领域，并受到日益广泛的关注2.微电铸技术的发展历史1838年，苏联的耶可夫教授在石膏芯模上涂敷石蜡，通过石墨使其表面具有导电性，制成了电铸铜产品。
日本昭和初年，京都市工业研究所和大板造币司等单位就已积极开展了在石膏母型上铸铜、在绝缘体上电镀等方面的研究。
但是，早期由于电铸芯模的制作不仅制造技艺要求高、操作工艺繁琐，而且母型易破损，难以制出精致的复制品，所以电铸的应用范围十分有限。
20世纪中后期，随着电铸芯模材料的发展和制造技术的提高，电铸作为一项特种加工工艺方法，开始广泛应用于国民生产生活的各个方面，在欧美己用于制造火箭喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，在日本用于汽车内饰件的制造，电子工业中印刷焊膏和胶粘剂模板。
国内的许多科研单位也对电铸工艺进行了大量的研究．较多应用于表面彤貌复杂的零件和各种模具的制造上。
微细电铸工艺随着MEMS工艺的发展而产生，在继承传统电铸工艺特点的同时，结合了集成电路加工工艺，受到了广泛的关注。
微细电铸技术与传统电铸技术有着相同的原理和相似的工艺过程，由于该项技术广泛用于制作微器件或者微结构，更多的涉及微米级尺度的问题，与传统大器件电铸有着显著的差别，对环境干扰有着更强的响应。
UV-LIGA技术标准工艺上海交通大学微纳米科学技术研究院UV-LIGA技术采用基于SU8光刻胶的厚胶紫外光刻工艺，大大降低了LIGA 技术的加工成本，缩短了加工周期，并且可以制备台阶微结构，但其技术指标低于同步辐射LIGA技术，适用于加工深度小于500μm，线宽大于5μm，深宽比小于20的微结构。
一、设备情况溅射机：德国Laybold-Heraus公司Z-550可进行直流、交流溅射，靶材有Cu、Cr、Fe-Ni、Ti、Au等本底真空：2*10-6 mbar，射频最大功率：2.5 kW，直流最大功率：1 kW，沉积速率：20-60nm/分钟容量：3英寸硅片13片厚胶甩胶台：德国Karl Suss公司RC8可进行厚光刻胶的制备，具有程控功能可用最大工作尺寸：3"，最大转速：5000rpm时间范围：0－999s双面光刻机：德国Karl Suss公司MA6可进行正面和反面对准曝光，最小线宽：2μm，对准精度：1μm精密铣切机：德国Leica公司 SP2600可进行光刻胶表面的铣切；最小进刀步长：1μm兆声显影机：德国Megasonic公司可实现高深宽比阴图形微结构的显影频率：1M Hz反应离子刻蚀机：法国Alcatel 公司Nextral 100可实现硅、氧化硅、PMMA、玻璃等材料的刻蚀，用于制备深刻蚀掩膜和电铸前的活化；刻蚀速率：50nm/min可选用SF6、CHF3、O2等作为刻蚀气体微结构模具电铸系统：自制可实现铜和镍的电铸；镀速：0.02-0.05mm/hr流量：0.5－2l/ min 搅拌，速率：20－100次/min电铸温度：RT－70℃，温度控制精度：0.10℃真空热压机：德国JENOPTIK 公司HEX01/C可进行热塑性塑料微结构的批量加工，其特色是在模压过程中可抽真空；最大压力20kN，最高热压温度210℃测量显微镜：日本OLYMPUS公司 STM-MJS2可进行微结构形貌观察和三维长度测试；测量精度： 1μm表面轮廓仪：美国Veeco公司 Dektak 6M可进行微结构表面轮廓和结构厚度的测试；垂直测量距离：1 mm，精度：0.1 nm/6.5μm, 1 nm/65μm, 16nm/1mm 扫描长度：50μm－30mm扫描电镜：日本Hitachi公司SP2600可进行微结构形貌观察和拍照；最大加速电压：25kV，最大放大倍数：20万倍，分辨率5nm附带ADDA,数模转换器，模拟信号可转化为数字信号进行处理二、工艺流程1. 紫外厚胶光刻工艺1）对硅片或玻璃片（厚度大于1mm）进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；2）硅片一面溅射2μm左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；3）再次对其进行清洗并180℃烘4个小时以上；4）利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶；5）利用程控烘箱或者热板对SU-8胶进行前烘处理。
电铸技术研究与探讨江苏理工学院机械工程学院摘要：随着工业科技的进步，电铸技术也得到了很大的提高。
本文简单地介绍了下电铸的原理、特点，以及电铸的几种主要材料，同时也介绍了下当今电铸技术在工业中的一些运用和实践。
最后指出电铸技术存在的一些不足之处，但作为一门交叉学科，未来电铸技术会随着科技的发展而大放异彩。
关键字：电铸；原理；材料；运用Abstract: With the development of science and technology, electroforming has improved a lot. This paper simply introduces the basic principle, characteristic and some material of electroforming. Simultaneously some applications of electroforming are illustrated by the paper. In the end, the shortcomings of our country’s electroforming technologies at present stage are pointed out, but as a cross- discipline subject, electroforming will be widely developed and applied in future.Keyword: electroforming; principle; material; application前言随着工业的不断发展，各种精密异型、复杂微细的金属零部件以及相关模具产品的需求大幅增加，电铸作为一种精密制造技术受到高度重视。
电铸工艺从发明至今已有上百年的历史。
1838年，俄国的耶可夫教授发明了电铸铜；1842年德国的Bottger教授发明了电铸镍；1869年在俄国财政部印刷所里又诞生了电铸铁[1]。
1. liga工艺技术的原理liga工艺技术是一种微纳加工技术，它的名称来源于德文单词“Lithographie, Galvanoformung, Abformung”。
这种技术是利用光刻和电镀的原理，通过模板制作微型结构件。
通过光刻技术将所需结构图案设计在光刻胶上，然后用化学腐蚀或蚀刻的方法，在光刻胶上形成微细结构。
接下来，在这些微细结构上进行金属电镀，最终得到微器件。
liga工艺技术的原理可以概括为：光刻-腐蚀-电镀-脱模。
2. liga工艺技术的方法liga工艺技术的方法主要分为几个步骤：首先是光刻，即将待制作的结构图案设计在光刻胶上，然后暴光、显影形成微细结构。
接着是腐蚀，利用蚀刻液将光刻胶外露的部分蚀刻掉，得到所需的微细结构。
最后是电镀，将金属沉积到蚀刻后形成的微细结构上，形成微器件。
这些步骤都需要严格的工艺控制和精密的设备，以确保所制作的微器件质量和精度。
3. liga工艺技术在微器件制造中的应用liga工艺技术在微器件制造中有着广泛的应用。
在微机电系统（MEMS）中，liga工艺制作的微结构可以用于传感器、微泵、微阀等微器件的制造。
在光学领域，liga工艺制作的微透镜、光栅等微结构可以用于激光加工、光通信等领域。
在生物医学领域，liga工艺技术也可以制作微流体芯片、微针等微器件，用于生物分析和药物传输等应用。
4. 个人观点和理解作为一种高精度的微纳加工技术，liga工艺技术在现代科技领域的应用非常广泛，对促进微器件的发展具有重要意义。
通过liga工艺技术制作的微结构件具有精度高、成本低、批量生产等优点，为微纳系统、光学器件、生物医学器件等领域的发展提供了重要支持。
我认为，随着科技的不断进步和应用领域的拓展，liga工艺技术必将发挥更大的作用，为人类社会带来更多的创新和发展。
总结回顾在本文中，我们从liga工艺技术的原理和方法入手，深入探讨了它在微器件制造中的应用，并共享了个人观点和理解。
浅谈LIGA相关技术LIGA技术首先是由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心研究出来的，被公认为是一种全新的三维微细加工技术。
LIGA这一词源自德文缩写，LI指深度X射线刻蚀，G指电铸成型，A指的是塑料铸模。
LIGA技术是深度X射线曝光、微电铸和微复制工艺的完美结合。
SLIGA是指牺牲光刻电铸成型工艺。
其中的S是指牺牲层。
SLIGA技术是H.Guckle教授等人结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出的一种新工艺。
在这个工艺中，牺牲层用于加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的金属部件。
利用SLIGA技术可以制造活动的微器件。
开发研究LIGA技术的初始目的是为了加工出能够将铀同位素进行分离的特别微小的管嘴LIGA技术从首次报导至今，短短十多年飞速发展，引起人们极大的关注，发达国家纷纷投入人力、物力、财力开展研究，目前己研制成功或正在研制的LIGA产品有微传感器、微电机、微执行器、微机械零件和微光学元件、微型医疗器械和装置、微流体元件、纳米尺度元件及系统等。
为了制造含有叠状、斜面、曲面等结构特征的三维微小元器件，通常采用多掩模套刻、光刻时在线规律性移动掩模板、倾斜/移动承片台，背面倾斜光刻等措施来实现。
LIGA它能够制造平面尺寸在微米级、结构高度达几百微米的微结构。
其工艺流程如图。
主要工艺过程如下：1)深度X射线曝光将光刻胶涂在有很好的导电性能的基片上，然后利用同步X射线将X光掩模上的二维图形转移到数百微米厚的光刻胶上。
刻蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形。
X光在光刻胶中的刻蚀深度受到波长的制约。
若光刻胶厚度10-1000微米应选用典型波长为0.1-1纳米的同步辐射源。
显影将曝光后的光刻胶放到显影液中进行显影处理" 曝光后的光刻胶如（ＰＭＭＡ）分子长键断裂，发生降解，降解后的分子可溶于显影液中，而未曝光的光刻胶显影后依然存在。
这样就形成了一个与掩模图形相同的三维光刻胶微结构。
2)微电铸利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极对显影后的三维光刻胶微结构进行电镀。
电子学院集成电路工程 2011514016 刘东梅LIGA工艺及相关工艺技术LIGA 技术起源于德国 ,在 80 年代初 ,由德国卡尔斯鲁尔核研究中心发明并取得专利。
德文的名字是 Lithograpic Galvahoformung Abformung。
L IGA 则是这三个词的缩写。
L IGA技术 ,实质就是用同步电磁辐射 x 光进行光刻腐蚀、电铸成型的微制造工艺过程。
L IGA 技术是纳米微制造技术过程中最有生命力、最有前途的方法。
利用 L IGA 技术 ,不仅可制造纳米级的微小结构 ,而且还能制造大到毫米级的微型结构。
据介绍，目前利用LIGA技术加工的微结构其典型参数见表1。
LIGA技术是深度X 射线曝光、微电铸和微复制工艺的完美结合。
它能够制造平面尺寸在微米级结构高度达几百微米的微结构，其工艺流程如图 1所示，主要工艺过程如下图1 LIGA工艺流程图以下是LIGA技术很关键的四部分：(1)深度X 射线曝光将光刻胶涂在有很好的导电性能的基片上,然后利用同步X 射线将 X 光掩模上的二维图形转移到数百微米厚的光刻胶上，刻蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形 X光在光刻胶中的刻蚀深度受到波长的制约，若光刻胶厚度在10~1000m,应选用典型波长为 0.1~1nm的同步辐射源。
如图2所示。
(2)显影将曝光后的光刻胶放到显影液中进行显影处理,曝光后的光刻胶(如PMMA)分子长键断裂,发生降解,降解后的分子可溶于显影液中,而未曝光的光刻胶显影后依然存在, 这样就形成了一个与掩模图形相同的三维光刻胶微结构。
如图3所示。
(3)微电铸利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极对显影后的三维光刻胶微结构进行电镀,将金属填充到光刻胶三维结构的空隙中,直到金属层将光刻胶浮雕完全覆盖住,形成一个稳定的、与光刻胶结构互补的密闭金属结构。
此金属结构可以作为最终的微结构产品，也可以作为批量复制的模具。
(4)模铸用上述金属微结构为模板，采用注塑成型或模压成型等工艺重复制造所需的微结构。
LIGA技术微电铸镍的电化学研究An Electrochemical Study of Micro-electroform ing Ni for LIGA Technique李永海,丁桂甫,张永华,曹莹,赵小林(上海交通大学微纳米技术研究院,上海200030)LI Yong-hai,D ING Gui-fu,ZHANG Yong-hua,CAO Ying,ZHAO Xiao-lin (Research Inst.of Micro P Nanometer Sci.and Tech.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai200030)摘要:微电铸工艺兼具掩膜电镀和厚膜结构电铸的双重特征。
采用线性电位扫描和电化学交流阻抗等电化学测量技术,对高深宽比掩膜条件下微电铸镍的电极反应动力学过程进行了初步研究。
结果显示,高深宽比掩膜使扩散传质过程更容易成为电极反应的控制因素,并由此导致深层微电铸结构疏松多孔等缺陷。
提高电镀过程传质能力的改良工艺能够显著改善微电铸镍结构的整体品质。
关键词:LIGA技术;微电铸;高深宽比微结构;传质;电化学测量Abstract:Micro-electroforming is characterized by both resis-t patterned electroplating and resis-t structural electrodepositing.The kinetics of the electrode reaction is preliminarily studied by linear potential sweep technique and electrochemical impedance while electrodeposi ting Ni for high aspect ratio structures.The results show that mass transfer and diffusion are easier to be the control factors of electrode reaction in electroforming due the high aspect ratio mask,which will result in electroforming defects.The advanced electroforming techniques,which reformed mass transfer abili ty,can improve the performances of electroforming microstructures.Key words:LIGA technique;electroforming;high aspect ratio micros tructures;mass transfer;electrochemical measurements中图分类号:TQ153文献标识码:A文章编号:1000-4742(2005)02-0008-031前言LIGA技术是微机电系统(ME MS)领域重要的三维微加工工艺之一,能够加工制造高深宽比的精细三维非硅微结构,并且,可以利用微复制工艺进行微结构件的批量生产,具有潜在低成本的优势和实用化前景[1]。
因此,关于LIGA技术的研究引起人们广泛关注。
然而,大多数早期研究工作集中在X射线深度光刻相关方面,微电铸工艺都是借鉴常规电铸的工艺技术适当改良后使用,因此,在高深宽比微结构微电铸成型和微模具制作过程中出现了诸如结构疏松、应力不均等问题。
近年来对微电铸工艺的基础研究受到了一定重视。
部分研究者采用建立物理模型进行数学处理的方法,对高深宽比微结构电铸工艺进行了理论分析,预期传质因素在其中将会有重要影响[2]。
另一部分研究人员则通过不同的工艺实验探索改善电铸工艺的可能性[3];还有研究者尝试用微电极等技术研究高深宽比掩膜所限制的电极表面微小区域,探索反应伴随的微区变化[4]。
但是,利用先进电化学测量技术对微电铸电极反应动力学特性进行系统研究的工作尚不多见[5],因此,关于微电铸电极反应电化学特征的许多方面还不清楚,特别是高深宽比掩膜对电极反应产生影响的确切机理也没有形成得到公认的理论。
相关领域的研究不但有助于优化微加工工艺,而且能够积累关于微电铸特征的基本知识。
本文采用线性电位扫描和电化学交流阻抗方法,研究了电极表面高深宽比掩膜对电极反应电化学行为的影响。
2实验2.1实验样品准备首先在7.5c m抛光硅片的表面溅射沉积2L m 钛膜作为制备电极的基体。
为了提高基体和光刻胶(PMMA)的结合力,硅片表面上的钛膜首先在H2O2-Na OH混合溶液中进行氧化,形成表面粗化的导电氧化物表层,该氧化层既可以增加光刻胶的结合力,又可以防止钛表面产生阻碍电镀的钝化膜,是一种良好的电镀起始层。
随后在钛膜上通过模型浇铸、固化、精密铣切等加工,形成厚度为400L m的PMMA光刻胶。
然后,用北京电子自旋加速器的同步辐射X射线进行光刻。
掩膜版用钛膜支撑金吸收体制成,吸收体厚度10L m,支撑层厚度2L m。
显#8#Mar.2005Electroplating&Pollution Control Vol.25No.2基金项目:国家/8630计划(2003AA404140)和国防预研课题(0241308050116)影后就可以形成孔径50L m 的均匀分布圆孔掩膜电极。
图1显示了这种微孔掩膜电极的结构,掩膜电极的待镀面积就是这些均匀分布的圆,作为对比电极的无掩膜电极采用没有掩膜的氧化钛基板。
图1 微孔掩膜电极结构示意图2.2 电化学测量研究用的镀镍液是普通Watt 镍镀液,把微孔掩膜电极作微研究电极置入电解液中,辅助电极是铂网,参比电极是饱和甘汞电极,构成了三电极体系,由电化学工作站(C HI660,USA)控制进行线性电位扫描和电化学交流阻抗实验。
作为对比实验的光片电极也同样操作。
高深宽比微结构由扫描电镜(Hitachi S -2150)进行结构观察。
3 结果与讨论3.1 电化学测量结果LIGA 技术微电铸不同于平面宏观电镀,微电铸的电镀起始层处于光刻胶微结构的底部,电沉积过程并不是在整个表面进行,而是从底部起逐渐填充阴极表面的微结构,直到把它们的空隙处填满。
它只对阴极部分表面进行电镀,而侧壁并不对电流分布产生显著影响,所以它类似于掩膜电镀,存在着电流密度在阴极表面再分布的问题[6]。
因此,受高深宽比掩膜的影响,传质不仅依赖侧向尺寸和高深宽比,而且也取决于掩膜图形的几何图形。
在高深宽比电铸中,由于电沉积受传质限制,电极界面的金属离子有时往往不能满足电极反应的需求,就不可避免地产生气体或其它沉积物夹杂,有时甚至会形成疏松的多孔性填充结构。
为了证实高深宽比厚掩膜下电沉积有无传质限制,采用线性电位扫描试验可以得到较好的解释。
图2、3给出相同条件下有掩膜和无掩膜的对照电极伏安曲线,从图中我们可以看到,有掩膜的电极在-1.26V 时出现了峰值,而无掩膜的电极则没有,该峰值电流被认为是出现了传质过程控制电极反应的信息,这说明厚掩膜可能导致了传质限制。
为了进一步证实这个推理,我们又采用了电化学交流阻抗测量。
电化学交流阻抗技术是一种能够图2 无掩膜的电极反应伏安曲线图3 有掩膜的电极反应伏安曲线直接反映电化学反应机理的测量手段。
图4是无掩膜电极在沉积电位下的交流阻抗图及其对应电极反应模型的等效电路。
按照电化学原理判断,这是一个以电荷传递极化为主的简单机制反应过程,只有一步电荷转移过程是电极反应的控制速率步骤,而电荷传递过程控制正是良好电沉积必须满足的前提条件。
极化电位的改变只对其反应阻抗有一定影响,并不改变电极反应的主要特征。
相同条件下有掩膜电极的测量结果见图5。
其图谱有两点与前者有明显不同,首先在较低极化电位下,交流阻抗谱出现了两个接续的半圆,表明反应过程的控制因素有变化;其次,较高极化电位(电流密度升高)下,第二个阻抗环出现了特征的线性段,说明第二个阻抗环是扩散阻抗所致。
据此可知,只要掩膜存在,传质过程就会成为不能忽视的制约因素,而阻抗环形成说明在电流密度不太高的情况下,扩散层厚度较薄,影响尚不严重。
一旦电流密度升高,或者掩膜开口的深宽比进一步增大,扩散过程很容易成为电沉积反应的绝对控制步骤,这时电极界面的金属离子不能满足电极反应的需求,不可避免地会有其它反应发生,或产生气体,或产生其它沉积物夹杂,严重时甚至形成疏松的多孔性填充结构,所以应该尽力避免这种情况的发生。
综合以上结果,可以得到这样的结论,高深宽比掩膜不但影响传质,而且还会改变电极反应的机制,使之更容易达到对金属电沉积工艺不利的扩散控制条件,因此,需要在微电铸工艺中加以克服。
#9#2005年3月电镀与环保第25卷第2期(总第142期)图4无掩膜电极的交流阻抗谱和相应等效电路图5 有掩膜电极的交流阻抗谱和相应等效电路3.2 高深宽比微结构微电铸通过上面的电化学测量实验,从微电铸的电极反应可以得出高深宽比掩膜对电沉积过程具有很大影响。
为了进一步证明在实际体系中高深宽比掩膜的影响程度,我们分别在原有的电铸工艺基础上和已改善的工艺条件下,诸如镀液、温度、搅拌速率等等,电镀了一些典型的高深宽比镍微结构用以比较。
微电铸的镀层厚度范围相当大,高深宽比大,所以它们对镀液稳定性和镀层内应力控制等方面的要求是相似的。
但是,微电铸起始层处于光刻胶微结构的底部,电沉积过程并不是在整个表面上进行,而是从暴露的底部起逐渐填充阴极表面的微结构,直到把它们的空隙处填满。
我们在原有的电铸工艺基础上,电镀了一些微机构。
发现在微结构底部出现疏松现象,而随着深宽比的逐渐降低和传质过程决定作用的逐渐减弱,顶部结构变得比较致密,达到了以电荷传递过程控制电沉积反应的阶段。
为了提高电镀过程的传质能力,我们制造了一种半自动微电铸镍装置来改善工作条件。
这是一个具有60L 体积容量的电镀槽,并通过恒温水浴槽和流经电镀槽内的热交换管相连,控制溶液温度在50e 。
整个溶液是用外接泵连接过滤器进行循环过滤,镀液的搅拌也是用泵连续运作来实现的。
7.5cm 的薄片就被悬挂在这个镀液槽左边底部,而阳极就挂在对面相应的位置上。
在这种微电铸槽电镀出来的微结构,虽然有些微结构的深宽比已经达到20,但是并没有出现疏松沉积物。
4 结论电化学测量显示了有掩膜的图形电沉积容易出现电流峰值,高深宽比掩膜使传质扩散很容易成为电沉积过程电极反应的控制因素。
半自动微电铸装置能改善电铸工艺条件,提高传质能力。
实验结果显示,在这种微电铸装置中电铸的镍微结构,虽然掩膜深宽比已经达到很高,但没有出现疏松沉积物。
