先進制造技術

1、 研究生課程論文科 目： 教 師： 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 類 別： 上課時間： 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學研究生院制摘 要本文主要介紹了微細加工技術的概念，微細加工技術中的LIGA技術，以及在此基礎上開發(fā)出來的UV-LIGA技術、Laser-LIGA技術、DEM技術、SLIGA技術等準LGIA技術的概念、原理、基本工藝、特點,以及在微機械、傳感器、射頻等領域中的應用，最后在以上基礎上分析總結了LIGA技術的發(fā)展方向機趨勢。關鍵詞: 微細加工技術；LIGA技術；準 LIGA 技術；微機械；AbstractThis paper ma

2、inly introduces the concept of micro machining technology, the LIGA technology of Micro machining technology, and developed technology on the basis of the LIGA, such as UV-LIGA technology, Laser-LIGA technology, DEM technology, SLIGA technology, then introduces the concept, principle, basic process

3、and characteristics, as well as the application in micro machinery, sensors, radio-frequency technique. Finally on the basis of above analysis I summarize the LIGA technology trend and direction of the development.Keywords: Micro machining technology; LIGA technology; quasi LIGA technology; micro ma

4、chinery;微細加工技術之LIGA加工技術1微細加工技術的概念與特點微細加工技術原指加工尺度約在微米級范圍的加工制造方法。在微機械研究領域中，從尺寸角度來看微機械可分為:1mm-10mm的微小機械，1m-1mm的微機械，1nm-1m的納米機械，微細加工則為微米級精細加工、亞微米級微細加工、納米級微細加工的通稱。廣義上的微細加工，幾乎涉及現(xiàn)代特種加工、微型精密切削加工等多種方式，微機械制造過程又往往是多種加工方法的組合。微細加工技術應滿足下列功能： 1）為達到很小的單位去除率，需要各軸能實現(xiàn)足夠小的微量移動，對于微細的機械加工和電加工工藝，微量移動應可小至幾十個納米，。 

5、2）高靈敏的伺服進給系統(tǒng)，它要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌主承系統(tǒng)以及高精度跟蹤性能的伺服系。 3）高平穩(wěn)性的進給運動，盡量減少由于制造和裝配誤差引起的各軸的誤差。 4）高的定位精度和重復定位精度。 5）低熱變形結構設計。 6）刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復夾持精度。7）高的主軸轉速及極低的動不平衡。 8）穩(wěn)固的床身構件并隔絕外界的振動干擾。 9）具有刀具破損和微型鉆頭折斷的敏感的監(jiān)控系統(tǒng)。目前，微細加工技術已逐漸被賦予更廣泛的內容和更高的要求，已在特種新型器件、電子零件和電子裝置、機械零件和裝置、表面分析、材料改性等方面，特別是微機械研究和制

6、作方面，微細加工技術已成為不可或缺的基本技術。2LIGA加工技術2.1概述LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abfor-mung三個詞即光刻、電鑄和注塑的縮寫, 早在20世紀60年代初,德國的Karlsruhe原子能研究中心致力于開發(fā)一項技術,即用氣體彎曲噴射的離心力方法處理六氟化鈾和輕的輔助氣體,從而分離出鈾同位素，到20世紀70年代末該中心的Ehrfeld教授綜合研究成果開發(fā)了LIGA技術。LIGA工藝是一種基X射線光刻技術的MEMS加工技術，主要包X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復制三個工藝步驟。由于X射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光

7、譜，使LIGA技術能夠制造出高寬比達到500、厚度大于1500m、結構側壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內的三維立體結構，這是其它微制造技術所無法實現(xiàn)的，目前利用LIGA 技術加工的微結構典型參數(shù)見表1。因此LIGA技術也被視為微細加工技術中最有生命力、最有前途的加工技術。表1 利用LIGA技術加工的微結構典型參數(shù)2.2 LIGA加工技術原理及關鍵LIGA技術被認為是微細加工領域中極有前途的一種新技術,其實質就是把用同步輻射X光進行光刻腐蝕、電鑄成形和注塑三種工藝過程組合在一起的新型微加工工藝。LIGA技術的出現(xiàn)基于以下基本原理:(1)在金屬化的襯底上形成厚光刻膠技術是可行的；(2)強X光束光刻

8、形成側壁垂直的凹口；(3)凹口可以用電鍍金屬填充。圖1 LIGA技術加工技術原理示意圖2.3 LIGA加工技術工藝過程LIGA加工技術主要包括 4個工藝步驟：X光深度同步輻射光刻；顯影；微電鑄；模鑄。其加工工藝過程如圖2所示。 X光深度同步輻射光刻：將光刻膠涂在有很好的導電性能的基片上，然后利用同步X射線將X光掩模上的二維圖形轉移到數(shù)百微米厚的光刻膠上，刻蝕出深寬比可達幾百的光刻膠圖形，光刻時X光在光刻膠中的刻蝕深度受到波長的制約。LIGA 掩模板必須能有選擇地透過和阻擋X光,一般的紫外光掩模板不適合做LIGA掩模板。下表列出了可用于LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能。表2 LIGA掩模板

9、的X光透光薄膜材料的性能顯影：將經(jīng)過X光深度同步輻射光刻后的光刻膠放到顯影液中進行顯影處理。X光深度同步輻射光刻處理后的光刻膠如PMMA分子長鍵斷裂，發(fā)生降解，降解后的分子可溶于顯影液中，而未曝光的光刻膠顯影后依然存在。這樣就形成了一個與掩模圖形相同的三維光刻膠微結構。微電鑄：對顯影后的樣品進行微電鑄，就可以獲得由各種金屬組成的微結構器件。微電鑄的原理是在電壓的作用下,陽極的金屬失去電子,變成金屬離子進入電鑄液, 金屬離子在陰極獲得電子,沉積在陰極上,當陰極的金屬表面有一層光刻膠圖形時, 金屬只能沉積到光刻膠的空隙中, 形成與光刻膠相對應的金屬微結構。微電鑄的常用金屬為鎳、銅、金、鐵鎳合金等。

10、由于要電鑄的孔較深, 必須克服電鑄液的表面張力, 使其進入微孔中, 用微電鑄工藝還要電鑄出用于微復制工藝的微結構模具, 要求獲得的模具無內應力, 因此，LIGA技術對電鑄液的配方和電鑄工藝都有特殊的要求。解決該問題的辦法是:在電鑄液中添加表面抗張力劑, 采用脈沖電源, 或利用超聲波增加金屬離子的對流。由微電鑄工藝獲得復制模具, 經(jīng)過線切割后的模具厚度要達到5mm。模具一般要經(jīng)過連續(xù)兩個星期的電鑄才能獲得, 這就要求微電鑄設備具有一定的自動化程度, 包括恒溫、循環(huán)過濾、自動添加蒸餾水等功能。模鑄：用上述金屬微結構為模板，采用注塑成型或模壓成型等工藝，重復制造所需的微結構。其中注塑成型適用于塑料產

11、品的批量生產, 模壓成型適用于金屬產品的批量生產。由于高深寬比微結構的特殊性, 普通的注塑機必須經(jīng)過改裝才能用于LIGA技術中的復制工藝。首先要有一套真空裝置, 在注入前將微孔中的空氣抽干凈；第二要有一套很好的控溫裝置, 在注入前要將塑料和模具加熱到塑料的熔融溫度, 當模具充滿塑料后, 再通過降溫使塑料固化, 然后通過脫模獲得所需的塑料產品。在模壓成型工藝中, 首先在導電基片上涂敷一層塑料, 通過模壓工藝在導電基片上的塑料微結構, 然后對該樣品進行微電鑄, 除去導電基片后可獲得金屬產品。模壓設備也需要真空和控溫裝置。圖2 LIGA技術加工技術工藝流程2.4 LIGA加工技術工藝的優(yōu)缺點基于以上

12、的LIGA加工工藝流程，可總結得出LIGA技術的以下優(yōu)缺點：LIGA技術的優(yōu)點是：一、能制造出有較大高寬比的可動微結構。應用LIGA技術制造的微結構,可獲得很大的高寬比,對于寬度僅為數(shù)微米的圖形,其高度可以接近1000m。并且其寬度可以在整個高度上保持極高的精度,結構側壁平行線偏差在亞微米范圍內,這樣的高精度也為后面工序的塑鑄工藝的脫模提供保證。二、取材廣泛。利用LIGA技術可以生產多種微結構器件。其原材料可以是金屬、塑料、高分子材料、玻璃、陶瓷或它們組合,金屬元件通常用鎳、銅、金、鎳鈷合金。注塑元件可以用多種有機材料。三、可以制作任意復雜圖形結構。用LIGA技術制作微結構,其二維平面內的幾何

13、形狀可以任意設計,微結構的形狀只取決于所設計的掩模。四、具有進行大規(guī)模生產的巨大潛力。LIGA技術為微結構的廉價制造帶來希望,它很快就會成為能夠生產商業(yè)產品的技術。LIGA技術最大的缺點是成本太高，其因素有一：深度X射線曝光特別費時，如350微米的厚膠充分曝光大約需要8小時。二：設備上LIGA技術需要特殊的設備，主要是產生X射線的同步輻射加速器。三：X射線掩模板的制作費用也相當昂貴，其生產原料主要是金、鈹?shù)荣F金屬。同時LIGA技術存在工藝難點，在X射線深度光刻工藝中，厚膠的低應力、膠表面的光滑及膠厚的均勻等是穩(wěn)定生產所必須的，但這些指標很難保持穩(wěn)定。在電鑄成型工藝中，電鑄技術使用最普遍。但電鑄

14、成型工藝需要高溫，故處理多種材料熱膨脹的差異也成為一個難點。而且電鍍工藝是濕法化學過程，光刻膠與基板表面之間的粘結強度必須足夠大才能阻止電鍍液滲入光刻膠保護區(qū)域。3準LIGA技術LIGA技術雖然具有突出的成形優(yōu)點,但它的工藝過程比較復雜,成本費用昂貴,生產能力有限且為了獲得X光源,需要昂貴的同步加速器,而這些條件只能在一些大的研究機構里才能滿足。而且用于X光光刻的掩膜板本身就是D3微結構,需先用LIGA技術制備出來,既費時成本又高,而且可用的光刻膠種類也較少,這使得LIGA技術的應用在一定度上受到限制。為此,人們開始尋找廉價光源來替代昂貴的X光源,其中有紫外光(UV)LIGA、深等離子體蝕刻、

15、激光(laser) LIGA等 ,同時把這一系列技術稱為準LIGA技術,準LIGA技術不需要像LIGA技術所需的昂貴設備,且制作方便,因而它將成為本世紀微機械加工的一項重要技術。3.1 UV-LIGA加工技術準LIGA技術中以紫外光為光源的準LIGA技術的應用最為簡易可行,它與LIGA技術的特點比較如下表所示。表3 LIGA技術和UV-LIGA技術的主要特點該技術使用紫外光源對光刻膠曝光,光源來自于汞燈，所用的掩膜板是簡單的鉻掩膜板。其工藝流程步驟如下：使用設計的掩模版圖形，對涂在鎳基底上的SU-8膠進行紫外線曝光；使用專用顯影液顯影，去除未曝光的SU-8膠,得到所需的膠模微結構；將膠模微結構

16、放入電鑄液中電鑄，在膠模凹槽中生長出金屬層；對電鑄的金屬層微結構表面研磨拋光后去除剩余的SU-8膠，得到側壁垂直的準三維金屬層微結構；使用圓柱形電極和圓錐形電極對制作的準三維金屬層微結構進行微細電火花加工，得到局部為三維的金屬微結構。圖3 UV-LIGA技術加工技術工藝流程用紫外光刻工藝替代同步輻射X光光刻工藝大大降低了LIGA技術的成本和加工周期,目前可用于紫外光進行厚膠光刻的SU-8負性光刻膠,加工厚度可達2mm,深寬比達20,相比采用同步輻射X光曝光,其靈敏度是普通PMMA光刻膠的幾十倍，但該光刻膠對光刻工藝參數(shù)非常敏感,且重復性較差,特別是SU-8光刻膠經(jīng)過曝光和電鑄工藝后生成了交聯(lián)高

17、分子,很難去除,限制了其應用。3.2 Laser-LIGA加工技術Laser-LIGA技術是以波長為193nm的ArF準分子激光器直接消融光刻PMMA光刻膠來取代X射線光刻工序的技術，其精度為微米級，深寬比適中。其工藝流程如下：激光消融，在基片上布設一層光刻膠然后用準分子激光對光刻膠進行切除加工產生三維光刻膠結構；電鑄，采用蒸汽鍍膜的方式在形成的光刻膠微結構上鍍上一薄金屬層，該金屬層用作電鍍工藝的陰極，然后通過電鍍工藝，將金屬填充到光刻膠三維結構的空隙中。在整個光刻膠圖形上形成足夠厚的金屬層，最后將金屬結構從背面進行研磨加工到一個標準的厚度；噴射注塑，將金屬部分和聚合物部分進行分離，以金屬部分

18、為模型插件進行噴射注塑，加工出與原聚合物結構完全相同的微結構；Laser-LIGA技術采用準分子激光工藝替代同步輻射X光光刻大大降低了LIGA技術的成本,特別是可進行塑料微結構原型樣品的快速制備,但用該微加工技術獲得的微結構深寬比較小,側壁和底部的粗糙度較高。3.3 DEM加工技術DEM技術是用感應耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進行后續(xù)的微電鑄和微復制工藝。該技術不需昂貴的同步輻射X光源和特制的X光掩模版。其工藝流程如下：首先在氧化過的低阻硅片上濺射一層金屬膜，利用紫外光刻和刻蝕工藝獲得掩模；利用ICP刻蝕機對硅進行深層刻蝕，再通過氧化和反應離子刻蝕對硅的側壁進行絕緣

19、保護；利用深層微電鑄工藝進行金屬鎳電鑄；再用氫氧化鉀將硅片腐蝕掉，獲得由金屬鎳組成的微復制模具，利用該模具可對塑料進行模壓加工，或對模壓后獲得的塑料微結構再進行第二次微電鑄，就可進行金屬產品的批量生產。3.4 SLIGA加工技術SLIGA技術中犧牲層用于加工形成與基片完全相連或部分相連或完全脫離的金屬部件，利用SLIGA技術可以制造活動的微器件。其工藝流程如下：在平面基板上布設一層犧牲層材料，如聚酰亞胺、淀積的氧化硅、多晶硅或者某種合適的金屬等，與電鍍的材料相比這些材料比較容易被有選擇地去除。然后在基片和犧牲層上濺射一層電鍍基底，其后的工藝與常規(guī)LIGA工藝相同。在完成LIGA技術的微電鑄工藝

20、之后，將犧牲層去除就可獲得可活動的微結構。3.5 準LIGA加工技術的工藝難點準LIGA工藝在較大的高寬比、較好的側壁垂直度及膠膜的穩(wěn)定性、金屬微結構的形成等方面有不少困難。一、厚光刻膠的實現(xiàn)復雜。準LIGA技術制造的微執(zhí)行器和傳感器常常需要較大的深寬比,因而對光刻膠的性能和光刻精度有較高的要求,一般要求膠的粘度大、透明度好,且對鍍液有較好的耐蝕性。為了得到較厚的膠層,可采用較慢的涂膠速度或多次涂敷、烘干相結合的工藝。由于前烘溫度與時間對分辨率和圖形畸變有影響,前烘時間過長,顯影時間延長,膠的分辨率降低。而前烘時間過短,不能除盡膠中溶劑,將使膠膜中出現(xiàn)缺陷。二、陡直側壁的實現(xiàn)難。用常規(guī)紫外光曝

21、光時,由于光的衍射和散射作用,使光刻膠的邊緣往往發(fā)生側蝕。對于正性光刻膠而言,會發(fā)生上寬下窄的現(xiàn)象，對于負性光刻膠則出現(xiàn)上窄下寬的情況。當對垂直度要求不是很高時,厚膠的光刻可采取多次曝光、顯影的方法。通常微電子生產線采用60W的高壓汞燈,而在準LIGA工藝中,為了使厚膠曝光充分,往往采用200W以上的高壓汞燈作為紫外光源。三、膠模的穩(wěn)定性差。圖形畸變程度與版圖、膠厚及后烘條件有關,膠區(qū)大的圖形收縮量大。而膠模結構的穩(wěn)定性對準LIGA技術后面的工序質量至關重要，因此要特別注重后烘，后烘不僅可以提高膠結構的質量,還能提高膠結構對鍍液的耐蝕性能。四、鍍金屬層結構慢。金屬層的獲得一般采用電鍍的方法,但

22、在窄而深的槽中電鍍時,對流對物質傳輸?shù)呢暙I基本可忽略,因而沉積速度很慢。后來有人利用脈沖電鍍深鍍能力強、結晶細致、鍍層應力小的優(yōu)點。脈沖電鍍的方法中由于鎳的機械性能如楊氏模量、屈服強度、硬度、抗蝕性等較好,且還有許多令人感興趣的鍍液配方,因而成為微機械加工中最廣泛使用的一種金屬。此外,由于合金材料的許多優(yōu)良性能,合金電鍍也被應用到微結構的電鍍中來有了較廣泛的應用。4LIGA與準LIGA技術的應用LIGA技術與準LIGA技術在傳感技術中應用是最富有成效的,現(xiàn)在利用LIGA技術與準LIGA技術可以制作各種傳感器，除了微加速度傳感器之外,還能制作測量振動、位置、位移、磁場等方面的傳感器,由于應用LI

23、GA技術與準LIGA技術可實現(xiàn)精密、大結構高度、廣泛材料、批量制造，這樣可制造出最優(yōu)的傳感器,也將帶來低廉的價格。目前, LIGA技術與準LGIA技術也已制作出微齒輪、微線圈、光反射鏡、熱驅動繼電器中的金屬化觸點、加速度傳感器、射流元件、微陀螺、微馬達等多種微結構,如下表所示。表4 LIGA技術和準LIGA技術的應用用LIGA技術與準LIGA技術做出的產品涉及許多行業(yè)，應用十分廣泛。因此 LIGA技術與準LIGA技術是一種新發(fā)展起來的、十分有前途的微機械加工方法，其以較少的投資就能制造實現(xiàn)微金屬結構的制作，并能較好的與半導體工藝結合。例如：在射頻技術上的應用，半導體技術的進步推動了平面型單片微

24、波集成電路的發(fā)展,使得在一塊芯片上設計小型化、多功能化、高性能化的RF電路成為可能。然而,隨著通信系統(tǒng)中頻率的使用達到Ka波段(2540GHz)以及寬帶性能的需要,傳統(tǒng)電路技術受到了技術上的局限。對于微波傳輸帶,由于高頻段上的損耗大,寬頻帶性能很難實現(xiàn)。由于LIGA技術與準LIGA技術可以形成厚度大、側壁陡的導體,相比于傳統(tǒng)集成傳輸線,這將增大電路的傳導界面和耦合性。這些優(yōu)點使得LIGA技術與準LIGA技術在微波、毫米波器件上的應用受到了重視。特別是用于發(fā)射機、寬帶濾波器的單片電路等用傳統(tǒng)的薄膜工藝技術難以實現(xiàn)的地方。部分LIGA技術與準LIGA技術制造產品如下： 圖4微齒輪及軸 圖5微電磁電機圖5微線圈剖面5結語微細加工技術中的LIGA技術與準LIGA技術在國際上被公認是一種三維立體微細加工的最有前途的新方法，它是一種全新的微結構制造方法。從技術被發(fā)明開始各個國家紛紛投入人力、物力、財力開展研究與應用,截至目前成品已研制成功或正在研制的LIGA產品就有微傳感器、微電機、微執(zhí)行器、微機械另件、集成光學和微光學元件、微型醫(yī)療器械和裝置、流體技術微元件、納米技術元件及系統(tǒng)等。LIGA產品的應用涉及廣泛的科學技術領域和產業(yè)部門,如加工技術、測量技術、自動化技術、航天技術、生物醫(yī)學技術等，由此可見LIGA技術的技術經(jīng)濟重要性不容置疑,其市場前景廣闊，LIGA技術與準LI