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LIGA制程原理及應用Terry.LiaoOutline¡微機電系統技術(MEMS)簡介¡LIGA技術介紹¡LIGA技術制程原理¡LIGA技術的特點¡LIGA技術的應用MEMS簡介¡MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機電系統的縮寫。
MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統。
¡MEMS主要包括微型機構、微型感測器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，並應用現代資訊技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。
¡目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS 制造技術分類¡硅半導體制程技術(silicon Technology)¡LIGA 及相關技術(LIGA &related Tech.)¡激光加工技術(Laser machining Tech.)¡電火花加工技術(EDM Tech.)¡準分子激光技術(Excimer laser Tech.)MEMS的應用領域硅半導體制程技術簡介¡以硅半導體技術制作MEMS，是K. Peterson 於1982年首次提出以蝕刻法(etching)制作微機電元件，為MEMS技術的發展展開了先河。
¡利用此法發展出面型微機電技術(Surface MEMS)，主要產品像各種不同的感測器，DMD芯片等，和一些以硅材料為主的體型微機電技術(Bulk MEMS)。
各種微機加工技術比較LIGA 技術介紹¡LIGA是德國所發展出來以製造高深寬比微結構的技術，所代表的意義為光蝕刻(Lithography)、電鍍(Elect-roforming)和微成型(Micromolding)的組合。
MEMS制造技术之LIGA技术——摘录整理自《微纳米技术及其应用》，有删节 1.LIGA技术简介1986年德国W.Ehrfeld教授首先开发了进行三维微细加工最有前途的方法——LIGA技术。
LIGA一词来源德文缩写，LI（lithographie）为深度X射线刻蚀，G（galvanformug）为电铸成型，A（abformug）为塑料铸模，即深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸模等技术的完美结合。
最近，德国美茵兹微技术研究所（IMM）发展了使用准分子激光烧蚀与LIGA 技术结合的新加工工艺。
日本先进制造开发协会在1992年建立LIGA技术委员会，其成员包括7家私人公司，3家国立实验室，一所大学和一个微机械中心。
在美国，LIGA技术得到威斯康星州立大学的Henry Guckel教授的大力推动。
而且Henry Guckel教授领导的研究小组对LIGA技术进行了改进，开发出了SLIGA技术。
目前，基于LIGA或准LIGA技术研究的成果有微型传感器（温度传感器和加速度传感器）、微电机、微型泵、集成光学和微光学元件、微型马达、涡轮机、微型喷嘴、微型滤波片、微型机械零件、微型医疗器件和装置、流体技术微元件、纳米技术原件及系统。
LIGA技术是微细加工的一种新方法，主要工艺过程如下：1）、深度X射线刻蚀利用深度同步辐射X射线在数百微米厚的光刻胶上刻蚀出较大深宽比的光刻胶图形，高深宽比一般达到100.2）、电铸成型及制模利用光刻胶层下面的金属膜层作为电极进行电铸，将显影后的光刻胶所成型的三维立体结构间隙用金属填充，直到光刻胶上面完全覆盖金属为止，形成一个与光刻胶形状互补稳定的相反结构图形。
此金属结构可作用最终产品，也可以作为批量复制的模具。
3）、铸模复制（塑铸）由于深度同步辐射X射线光刻的代价大，制作X光刻掩膜也并不简单，所以在批量生产中采用子母模的办法。
塑铸为大批量生产电铸产品提供了塑料铸模。
将去掉基板和光刻胶的金属模壳附上带有注入小孔的金属板，从注入孔向模腔中注入塑料，然后去掉模壳。
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。
LIGA技术简介LIGA是德文（Lithographie GaVanoformung Abformung）之缩写，译成英文则为Lithogrophy electroforming micro molding 译成中文则为X光光刻，微电铸，微成形也就是X 光深刻精密电铸模造成形，通常简称为深刻电铸模造。
LIGA制程源自德国核能研究所，1980年初期所发展出来用以制造微结构的技术。
它结X-Ray深刻术（Decp X-Ray Lithography）电铸翻模（Micro Electroform ing）及精密射出（Micro-Injection）热压成型（Micro-Embossing）技，适合量产高深宽比（Aspect Ratio）低表面粗糙度（Sub μm）拜直侧壁的微结构，且材料的应用范围广泛，可制造金属及塑料的微结构。
这些技术的特点使得LIGA被公认为最具有技术潜力开发高深宽比，高精度之2D,3D微结构之件及微系统。
一、LIGA之技术领域LIGA之技术领域可分为三方面(1)Lithography （光刻）(2)Electro deposition （电气沉积）Electroforming （电铸）Electroplating （电镀）(3) Micro Molding （微成形）Micro injection molding （微射出成形）二、光刻（Lithography）1、光刻之定义光刻之定义，就是将掩膜（Photomark）上之图案（Pattem）转移至光阻（Photoresist）上面，由于光阻材料之正负性质不同，经显影（Develop）后，光阻图案会和光完全相同或呈互补。
2、光刻制程光刻制程可说是半导体制程之关键制程，其步骤如下：(1)表面清洗(2)涂底（Priming）(3)光阻覆盖(4)软烤(Soft bake) (5)曝光(6)烘烤(7)显影(8)硬烤如图（一）图（二）所示：表面清洗是去除芯片表面氧化物、杂质、油质及水分子涂底是在芯片表面涂上一层HMDS化合物，以增加光阻与表面的附着力光阻是一种感光材料，由感光剂（Sensitizer）树脂（Resin）及溶剂（Solvent）混合而成光阻应具备之特性：(1) 高光源吸收率(2)高分辨率(3)高无感度(4)抗蚀剂性(5)高附着性(6)低黏滞系数(7)高对比光阻材料有正负之分，正光阻受光照射后分子键被剪断(Chan scission)因而易溶于显影液(Developer)，因而负光阻分子键则会产生交互链台(cross linking) 因而难溶于显影液如图三所示：3、光刻曝光法技术光蚀刻光刻技术是用已制成图案之掩膜或光阻，选择性的保护工件表面后，以各种光源蚀刻除去未被掩膜或光阻色覆的部份，而得到欲加工之几何形状。
liga工艺技术Liga工艺技术指的是将多种金属材料通过微电子封装工艺加工成一体化的高可靠性零件的技术。
Liga工艺技术广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗仪器等领域，具有独特的优势和潜力。
Liga工艺技术最早在德国发展起来，Liga是德语Lithographie, Galvanoformung und Abformung的缩写，翻译成中文就是印刷、电镀和压模。
这项技术采用先进的光刻、电解沉积和热塑性高分子材料模压工艺，能够将金属材料制成复杂的结构，实现高精度的加工和零部件集成，提高产品的性能和可靠性。
Liga工艺技术的核心是通过光刻技术制作金属模板，并在模板上进行电解沉积，形成所需的金属结构。
这种光刻技术利用光敏树脂作为光刻胶，根据需求使用紫外线或激光器进行曝光，再通过化学反应来腐蚀或增加金属层厚度，最后将光刻胶去除，得到金属模板。
接着，将这个金属模板放入电解槽中，进行电解沉积，使金属填充模板的微小孔隙和缝隙。
最后，用热塑性高分子材料作为压模材料，将金属结构从金属模板中脱离，得到最终产品。
Liga工艺技术有以下几个优势。
首先，它可以实现微小结构的制造。
由于采用了光刻技术和电解沉积，可以制造出空间分辨率可达几纳米的微小结构，适应了现代微纳电子器件的发展需求。
其次，Liga工艺技术可以制造出高精度、高可靠性的产品。
由于采用了模板制备方法，形成了三维复杂的金属结构，避免了传统加工过程中的失真和偏差，提高了产品的准确性和稳定性。
再次，Liga工艺技术具有良好的适应性。
由于可以使用不同的金属材料和模板设计，可以制造出多种材质和形状的产品，适应了不同领域和应用的需求。
Liga工艺技术在航空航天、汽车制造、医疗仪器等领域有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，Liga工艺技术可以制造出高精度的传感器和微型发动机零件，提高了航天器的性能和可靠性。
在汽车制造领域，Liga工艺技术可以制造出微型喷油器和涡轮增压器等关键部件，提高了汽车的燃烧效率和动力输出。
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。
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。
3)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。
与传统的其他微细加工工艺相比LIGA技术的优点是精度为亚微米级、深宽比大，可达几百以上。
且沿深度方向的直线性和垂直度非常好，可用材料的种类较多。
缺点是成本高，得到的形状是直柱状的，难以加工含有曲面、斜面和高密度微尖阵列的微器件，不能生成口小肚大的腔体等。
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。
SLIGA工艺流程如图所示。
工艺过程为：先在平面基板上布设一层牺牲层材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或者某种合适的金属等，与电镀的材料相比，这些材料比较容易被有选择地去除。
然后在基片和牺牲层上溅射一层电镀基底，其后的工艺与常规SLIGA工艺相同。
在完成LIGA技术的微电铸工艺之后将牺牲层去除，就可获得可活动的微结构。
所谓“表面牺牲层”技术，即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。
由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲（sacrificial 1ayer，厚度约1-2μm）。
常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶。
利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等，此外常被用来制作敏感元件和执行元件，如谐振式微型压力传感器、谐振式微型陀螺、微型加速度计及微型马达、各种制动器等。
LIGA 是利用X 射线光刻、电铸成型和塑料铸模等手段进行操作的一种新技术。
它是1986 年由德国卡鲁塞尔(Kar lsruhe) 核研究中心微结构研究所的W. Ehrfeld 教授及其同事为了分离铀同位素而首先开发出来的。
被认为是MEMS 中的极有发展前途的一种技术，日益受到各国重视。
90年代初，为了突破LIGA 只能制作固定于基片上的微结构的限制，美国威斯康星大学Henry Guckel 教授领导的研究小组开发出了LIGA 与牺牲层相结合的技术( SLIGA), 为可动的三维结构制作开辟了道路。
LIGA 技术可加工出有较大高宽比和很高精度的微结构产品, 且加工温度较低, 使得它在微传感器、微执行器、微光学器件及其它微结构产品加工中显示出突出的优点。
然而, 它需要用高能量X 射线源——同步回旋加速器。
这一昂贵的设施和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。
为此, 人们研究了便于推广的准LIGA 技术。
准LIGA 技术是利用常规光刻机上的深紫外光对厚胶或光敏聚酰亚胺光刻, 形成电铸模,结合电镀、化学镀或牺牲层技术, 由此获得固定的或可转动的金属微结构。
它不需要象LIGA技术所需的昂贵设备, 制作方便, 故将是影响下世纪微机械加工的一项重要技术。
由于LIGA 技术的设备昂贵, 且光刻掩膜制作复杂, 90 年代以来, MEMS 研究者们努力开发出了一种类似的LIGA 工艺——准LIGA 工艺, 旨在降低成本和缩短生产周期。
准LIGA工艺制成的金属微结构与Si 结构相比, 更具韧性, 受温度影响小, 制作方便, 设备成本低, 适合于中小型工厂制作各种微结构,因而发展十分迅速。
目前, 国外利用准LIGA 技术已制作出微齿轮、微线圈、光反射镜、磁传感器、热驱动继电器中的金属化触点、加速度传感器、射流元件、微陀螺、微马达等等。
而国内在近几年才开始准LIGA 技术研究, 并有少量研究报道, 主要做出一些几何图形结构。
上海冶金所于1994 年利用准LIGA 技术研制摆动式静电马达, 长春光机所1997 年已采用准LIGA 技术做出金属微齿轮, 清华大学也采用准LIGA 技术制作微型电磁悬浮直线电机的微驱动线圈, 但还未见具体应用的报道。
准LIGA 技术的工艺存在很多难点。
准LIGA工艺在较大的高宽比、较好的侧壁的垂直度及胶膜的稳定性、金属微结构的形成等方面有不少困难。
本文对国内外解决这些困难的方法作一论述。
1）厚光刻胶的实现准LIGA 技术制造的微执行器和传感器常常需要较大的深宽比, 因而对光刻胶的性能和光刻精度有较高的要求, 一般要求胶的粘度大、透明度好, 且对镀液有较好的耐蚀性。
为了得到较厚的胶层, 可采用较慢的涂胶速度或多次涂敷、烘干相结合的工艺。
由于前烘温度与时间对分辨率和图形畸变有影响, 前烘时间过长, 显影时间延长, 胶的分辨率降低。
而前烘时间过短, 不能除尽胶中溶剂, 将使胶膜中出现缺陷( 如形成气泡) 。
Mark G. Allen 将前烘分两步: 80℃烘15 min, 100℃烘20 min, 有效的去除了胶中的溶剂。
通常在确保除尽胶中溶剂的前提下,缩短前烘时间。
瑞士Neuchatal 大学微机械加工研究所采用二次涂敷的方法, 第一步涂层厚度为20 Lm, 并采用专门的前烘技术来增强胶与基体的结合力, 而最终光刻胶厚度由最终涂敷来调整, 可达150 Lm。
B. Lochel 等人采用多次涂敷的方法, 光刻胶的厚度可高达200 Lm。
2）陡直侧壁的实现采用常规紫外光曝光时, 由于光的衍射和散射作用, 使光刻胶的边缘往往发生侧蚀。
对于正性光刻胶而言, 会发生上宽下窄的现象: 而负性光刻胶则出现上窄下宽的情况。
为了提高图形的高宽形貌比, Hiroshi Miyajima 等人采用CEM( 对比度增强材料) , 来提高图形分辨率,垂直度可达88°, 高宽比达10。
Elmar Cullmann 等人为了得到良好的垂直度, 控制电铸层的高度仅为胶模结构高度的80%, 避免了上部20%结构由于曝光时光的衍射、散射而造成的边缘的不垂直现象。
当对垂直度要求不是很高时, 厚胶的光刻可采取多次曝光、显影的方法。
通常微电子生产线采用60 W 的高压汞灯, 而在准LIGA 工艺中, 为了使厚胶曝光充分, 往往采用200 W 以上的高压汞灯作为紫外光源, B. Boechel 等人采用过350 W 的高压汞灯来产生450 nm 的平行光, 进行投影式曝光, 光刻胶的厚度可达100 Lm 以上。
3）提高胶模的稳定性胶模结构的稳定性对准LIGA 技术后面的工序质量至关重要, 因而后烘就显得尤为重要。
后烘不仅可以提高胶结构的质量, 还能提高胶结构对镀液的耐蚀性能。
然而, 图形畸变程度与版图、胶厚及后烘条件有关, 胶区大的图形收缩量大如图2。
为了减少胶结构的变形收缩, 除合理设计版图外, 通常后烘温度比前烘温度略高, 一般不超过130℃。
德国G.Engelmann 和H. Reichl 为了防止光刻胶的图形移动或收缩, 采用的后烘温度还比前烘温度低15℃。
4）镀金属层结构准LIGA 技术的关键工艺之一是镀金属层, 以前该金属层的获得, 一般采取电铸的方法, 但在窄而深的槽中电镀时, 对流对物质传输的贡献基本可忽略, 因而沉积速度很慢。
后来有人利用脉冲电镀深镀能力强、结晶细致、镀层应力小的优点, 采用脉冲电镀的方法，从材料看, 由于镍(Ni) 的机械性能如杨氏模量、屈服强度、硬度、抗蚀性等为许多金属所不及, 且还有许多令人感兴趣的镀液配方, 因。
此外, 由于合金材料的许多优良性能, 合金电镀也被应用到微结构的电镀中来了, 如: NiFe, NiP, FeCo, CoNiP 等, 其中FeNi 合金作为软磁材料在微执行器中有较广泛的应用, 特别为微电磁马达的实用化奠定了基础。
由于电镀需要电源, 而且需事先淀积导电层, 并且有的在镀后需除尽, 增加了工艺的复杂性, 而化学镀是基于化学氧化还原反应的原理, 不需要额外的电源, 且不存在电流分布不均的问题。
故化学镀具有镀层厚度均匀、针孔少、不受工件几何形状的限制等优点, 特别适合体积小, 形状复杂的镀件。
但化学镀由于自身特点, 需在制模后与化学镀前加入粗化、敏化、活化处理基体的步骤。
1996 年, S. Furukawa 等人综合考虑了镀液、温度、pH 值对光刻胶的影响, 利用化学镀镍来形成准LIGA 技术中的金属微结构。
得到了令人满意的结果。
准LIGA 技术可满足微系统对加工精度、集成度以及成本的要求, 丰富并充实了MEMS技术, 当对微结构侧壁的垂直度要求不是很高时, 它可取代LIGA 技术。
