第 2 章模具微細(xì)加工技術(shù)

西南科技大學(xué)城市學(xué)院課程設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u8854第2章 模具微細(xì)加工技術(shù) ③刻蝕 利用化學(xué)或物理方法，將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜去除，稱之為刻蝕?？涛g的方法很多，有化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。其中常用的是化學(xué)刻蝕法，即采用化學(xué)溶液對帶有光致抗蝕劑層的襯底表面進(jìn)行腐蝕。常用的化學(xué)腐蝕液見表6.2-20。表6.2-20常用的化學(xué)刻蝕被刻蝕材料刻蝕液成分刻蝕溫度/℃鋁(Al)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%的磷酸≈80金（Au）碘化銨加入少量碘常溫鉻（Cr）高錳酸鉀：氫氧化鈉：水=3g：1g：100mL≈60二氧化硅（SiO2)氫氟酸：氟化銨：去離子水=3mL：6g：100mL≈32硅（Si）發(fā)煙硝酸：氫氟酸：冰醋酸：水=5;3:5:0.06(體積比）≈0銅（Cu）三氯化鐵溶液常溫鎳鉻合金硫酸鈰：硝酸：水=1g：1mL：10mL常溫氧化鐵磷酸+鋁（少量）常溫刻蝕不僅是沿厚度方向，而且也可以沿橫向進(jìn)行，稱之為側(cè)面刻蝕，如圖6.2-114所示。若以表示側(cè)面刻蝕量，以表示刻蝕深度，則刻蝕系數(shù)。側(cè)面刻蝕越小，刻蝕系數(shù)越大，制品尺寸精度就越高，精度穩(wěn)定性也越好。由于有側(cè)面刻蝕現(xiàn)象，使刻蝕成的窗口比光致抗蝕劑窗口大，因此在設(shè)計時要進(jìn)行修正。雙面刻蝕比單面刻蝕的側(cè)面刻蝕量明顯減小，時間也短，當(dāng)光刻貫通窗口時多采用雙面刻蝕（圖6.2-114b）。圖6.2-114側(cè)面刻蝕現(xiàn)象5）剝膜與檢查①剝膜用剝膜液去除光致抗蝕劑的處理稱為剝膜。②檢查剝膜后，將工件洗凈、修整，進(jìn)行外觀、線條只寸、間隔尺寸、斷麗形狀、物理性能、電學(xué)性能等質(zhì)量檢查。15.2紫外光刻目前占光刻技術(shù)主導(dǎo)地位的仍然是紫外光刻，接波長可分為紫外、深紫外和極紫外光刻。按曝光方式可分為接觸／接近式光刻和投影式光刻。接觸／接近式光刻通常采用汞燈產(chǎn)生的孤5～436nm的紫外波段，而投影式光刻通常采用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的深紫外（248nm）和極紫外光(193nm和157nm）。(1）接觸／接近式光刻接觸／接近式光刻是發(fā)展最早，也是最常見的曝光方式。它采用1:1方式復(fù)印掩膜版上的圖形，這類光刻機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，發(fā)展也較成熟，缺點(diǎn)是分辨率不高，通常最高可達(dá)1μm左右。此外由于掩膜板直接和光刻膠接觸，會造成掩膜版的沾污。(2）投影式光刻投影式光刻機(jī)在現(xiàn)代光刻中占主要地位，據(jù)調(diào)查顯示，投影式光刻機(jī)約占整個光刻設(shè)備市場份額的70%以上。其主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，不沾污掩膜版，重復(fù)性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。投影式光刻機(jī)又分為掃描式初步進(jìn)式，掃描式采用1:1光學(xué)鏡頭，由于掃描投影分辨率不高，約1μm左右，加之其掩膜制備困難．因此20世紀(jì)80年代中期后就逐步被步進(jìn)投影光刻機(jī)所取代。步進(jìn)投影光刻機(jī)采用縮小投影鏡頭，一般有4:1、5:1、10:1等。15.3粒子束光刻常見的粒子束光刻主要有X射線、電子束和離子束光刻。(1)X射線光刻X射線光刻技術(shù)同光學(xué)曝光相比，X射線有著更短的波長，因此有可能獲得分辨率更高的圖形，目前被認(rèn)為是100nm線條以下半導(dǎo)體器件制造的主要工具。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①景深容易控制；②視場大可達(dá)到50mmx50mm）；③X射線對光刻工藝中的塵埃不敏感，因此成品率較高。由于X射線的波長很短（通常為0.1～30μm），曝光時的衍射和散射幾乎可以忽略不計，因此可得到較高分辨率的圖形。X射線穿透力很強(qiáng)，目前多數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)不能對它進(jìn)行反射或折射，因此多采用接近式曝光。X射線光刻要進(jìn)入實(shí)用化還有大量實(shí)用技術(shù)問題需要解決，如X射線源、曝光機(jī)、掩膜、抗蝕劑、工藝、放大倍率校正等。在現(xiàn)有的X射線源中，同步輻射提供了最高的功率輸出，是目前應(yīng)用較菁遍的X射線源，但同步輻射源建造成本高昂。(2）電子束光刻電子束曝光技術(shù)是迄今為止分辨率最高的一種曝光手段，電子束光刻的優(yōu)點(diǎn)是：①分辨率高；②不需要掩腹；③不受像場尺寸限制④真空內(nèi)曝光，無污染：⑤囪計算機(jī)控制，自動化程度高。目前已研制出多種電子束納米曝光技術(shù)，如掃描透射電子顯微鏡（STEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、圓形束、成形束、投影曝光、微電子光柱等。其中STM的空間分辨率最高，橫向可達(dá)0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm，但由于電子束入射光刻膠和襯底后會產(chǎn)生散射，因而限制了實(shí)際的分辨率（即鄰近效應(yīng)）。目前電子束曝光技術(shù)中的主導(dǎo)加工技術(shù)為圓形電子束和成形電子束曝光。成形電子束目前最小分辨率一般大于100nm，圓形電子束的最高分辨率可達(dá)幾個納米。電子束光刻采用直接寫的技術(shù)，在掩膜版的制備過程中占主要地位。離子束光刻離子束光刻和電子束光刻較類似，也是采用直接寫的技術(shù)，由于離子的質(zhì)量比電子重得多，因此只在很窄的范圍內(nèi)產(chǎn)生很慢的二次電子，鄰近效應(yīng)可以忽，可以得到更高分辨率的圖形（可達(dá)20nm）。同樣能量下，光刻膠對離子的靈敏度也要比電子高數(shù)百倍，因此比電子束更實(shí)用于作光刻工具。但離子束也有一些缺點(diǎn)，如不能聚焦得像電子束一樣細(xì)，此外，由于質(zhì)量較重，使得曝光深度有限，一般不越過0.5μm。離子束光刻目前主要應(yīng)用于版的修復(fù)，光學(xué)掩膜在制作過程中難免會產(chǎn)生一些缺陷，特別是現(xiàn)在的線條越來越細(xì)，這些缺陷就更是不可避免。利用聚焦離子束的濺射功能可將版上多余的錯斑去掉，也可在離子束掃描過程中，通人一定的化學(xué)氣體，將碳或鴿沉秧在版上，修補(bǔ)版上不必要的選光斑，提高版的成品率。此外離子束光刻引人的離子注入效應(yīng)又帶來一些新的未知因數(shù)，離子束光刻目前還處于研究當(dāng)中。15.4光刻膠光刻膠呈現(xiàn)多面化發(fā)展的趨勢，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，如常規(guī)的UV光刻膠、深紫外光刻膠、X射線光刻膠、電子束光刻膠及用于深度光刻的光刻膠等。但有一個共同的局勢就是分辨率和靈敏度越來越高。光刻膠分為正膠和負(fù)膠，一般認(rèn)為負(fù)膠的分辨率較差，但現(xiàn)在有一些負(fù)膠采用堿性顯影液也可復(fù)印出與正膠有相似精度的亞微米圖形而不產(chǎn)生臟的膨脹。而通常正腔比負(fù)膠的靈敏度低，所需的曝光量是負(fù)膠的若干倍。預(yù)計光刻膠的靈敏度極限約為10μJ/cm2極限分辨率可達(dá)10nm。(1)UV光刻膠UV光刻臟的發(fā)展已非常成熟，通常正膠比負(fù)膠分辨率高，而負(fù)膠比正膠的靈敏度高?，F(xiàn)有多種規(guī)格的正膠或負(fù)膠供選擇，常見的如AZ系列、PMWA、SU-8、TOKPMERP-LA900PM、Ship-key的U/SP系列等。其中，SU-8膠是一種化學(xué)放大負(fù)膠，對紫外透明，曝完光后會產(chǎn)生一種酸性物質(zhì)。顯影前需要進(jìn)行烘烤，烘烤過程中，由于酸性物質(zhì)的催化作用，使得膠層的溶解特性發(fā)生改變，因此該膠具有很高的靈敏，常用于深度光刻。(2)DUV和VUV光刻膠普通的光刻膠對深紫外和極紫外光不敏感，因此需要專用的深紫外或極紫外光刻膠，一般準(zhǔn)分子激光器的輸出功率較低，僅為10～20W（汞燈功率一般為幾百瓦．甚至可達(dá)一千瓦），這對光刻膠的靈敏度也提出了更高的要求。目前采用248nm光源的步進(jìn)光刻機(jī)應(yīng)用比較廣泛，光刻膠也較成熟；193nm的光刻膠也正處于發(fā)展階段；而157nm的光學(xué)系統(tǒng)、掩膜和光刻膠都還有很多問題需要解決，目前尚處于研究階段。(3）其它光刻膠X射線光刻既可采用普通的UV光刻，如PMMA等，也可采用專門的X射線光亮刻膠，日本NTT公司研制的X射線負(fù)膠的靈敏度已做到120μJ/cm2，正膠做到90μJ/cm2。雖然普通光學(xué)抗蝕劑也對電子敏感，但它的分辨率和靈敏度對于電子束光刻來說并不理想，電子束光刻膠要求很高的分辨率和靈敏度，目前PMMA電子束光刻膠靈敏度可達(dá)幾十μJ/cm2。15.5深度光刻技術(shù)深度光刻也是目前研究比較熱門的一項(xiàng)技術(shù)，以前的光刻都只限于表面光刻，膠層厚度僅為1間，左右，現(xiàn)在由于一些特殊的應(yīng)用，如離子刻蝕，剝離，三維微機(jī)械和LIGA工藝等，需要制備幾十甚至幾百微米厚的膠層。由于焦探的原因，深度光刻通常都采用接觸／接近式光刻。光源目前主要為紫外光和X射線，紫外光目前正膠可做到100μm左右厚度，再厚就很難曝透。負(fù)膠靈敏度高甚至可以做出600μm，50μm寬的圖形，只是曝光時間較長。X射線是今后深度光刻發(fā)展的方向，用于深度光刻的X射線一般需采用0.1～0.4nm范圍內(nèi)的硬X射線，這個波段的硬X射線穿透力較強(qiáng)，可使深層的光割膠感光，X射線可光刻出500μm左右厚度的圖形，曝光時間也較長。此外硬X射線穿透力較強(qiáng)，對掩膜的吸收層厚度也有定要求。深度光刻對分辨率的要求不高，通常只要求做到卻20～50μm左右的分辨率，但要求較高的深寬比。如果既要求一定的厚度，又要求較高的分辨率，這在工藝中是很難實(shí)現(xiàn)的，例如要在10μm厚的膠層上刻出0.2μm的線條，就相當(dāng)于要在1μm厚的膠層上刻出0.2μm的線寬。16 LIGA和準(zhǔn)LIGA工藝16.1LIGA工藝特點(diǎn)LIGA是德語LithographGalavnformungAbformung的簡稱，LIGA技術(shù)是用同步輻射X光源進(jìn)行X射線深層光刻、微電鑄和微復(fù)制，用三種工藝來加工三維徽結(jié)構(gòu)，LIGA就是這三種工藝的德文縮寫。LIGA技術(shù)目前被認(rèn)為是微機(jī)械加工的一個極為重要的發(fā)展方向，有著良好的發(fā)展前景。用LIGA技術(shù)可制成為有自由振動及轉(zhuǎn)動或具有其他動作功能的微結(jié)構(gòu)。因此，它已經(jīng)變成生產(chǎn)微機(jī)械、微流體和微光學(xué)元件最有前途的微制造技術(shù)。國際上十分重視LIGA技術(shù)的研究。歐洲、美國及亞洲等均開展了大量的研究工作，特別是歐洲對LIGA技術(shù)投入了相當(dāng)強(qiáng)的力量，取得很大進(jìn)展并繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。威斯康星麥迪遜大學(xué)電氣工程學(xué)教授HenfyGuckel很早也展開了LIGA技術(shù)方面的研究，研制出直徑(50-200）μm、厚度（200～300）μm的鎳質(zhì)齒輪組，并組裝到一起形成了齒輪系。目前應(yīng)用LIGA技術(shù)已經(jīng)研制出了微噴嘴、微電機(jī)、微型光譜儀及光纖聯(lián)接器等。其中，直流電機(jī)、光纖聯(lián)結(jié)器等已形成產(chǎn)品并批量生產(chǎn)。我國自92年開始開展LIGA工藝技術(shù)的研究，幾年來已取得了顯著成果。與傳統(tǒng)微細(xì)加工方法相比，用LIGA技術(shù)進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工具有如下特點(diǎn)。(1）可以制作具有很大縱橫比的微結(jié)構(gòu)、精度離。由于UGA技術(shù)所使用的同步輻射X射線的穿透為極強(qiáng)，因此可以制作具有很大縱橫比的微結(jié)構(gòu)，縱向尺寸可達(dá)數(shù)百微米，最小橫向尺寸為1μm；由于同步輻射X射線的波長短、分辨率高，因此制作精度極高，尺寸精度可達(dá)亞微米級：由于同步輻射X射線的高指向性，LIGA技術(shù)適合于制作垂直結(jié)構(gòu)。所加工結(jié)構(gòu)在整個高度上可保持極高的寬度一致性，結(jié)構(gòu)側(cè)壁平行度在亞微米級，這樣的結(jié)構(gòu)用其他的方法是難以實(shí)現(xiàn)的，這樣的精度也為后續(xù)的塑鑄工藝的脫模提供了良好的保證。(2）取材廣泛LIGA技術(shù)所勝任的幾何結(jié)構(gòu)不受材料特性和結(jié)晶方向的限制，可以制造由各種金屬材料如鎳、銅、金、鎳鈷合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微機(jī)械。因此，較硅材料的加工技術(shù)有了一個很大的飛躍?？梢灾谱魅我鈴?fù)雜的圖形結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了掩膜轉(zhuǎn)印技術(shù)，因此LIGA技術(shù)適合于制作平面圖形復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)是硅微細(xì)加工技術(shù)所不具備的，因?yàn)楣栉⒓?xì)加工采用各向異性刻蝕，硅晶體沿晶軸不同方向的溶解速度不同，從而在硅晶體中生長的結(jié)構(gòu)不可能是任意的，用LIGA制作的微結(jié)構(gòu)，其二維平面內(nèi)的圖形可以任意設(shè)計，徽結(jié)構(gòu)的形狀只取決于所設(shè)計的掩膜。(4）可重復(fù)復(fù)制，具有大批量生產(chǎn)的特性由于結(jié)合了模具成形技術(shù)，LIGA技術(shù)為微結(jié)構(gòu)的廉價制造提供了可能，具有大批量生產(chǎn)的特性，成本低，價格便宜。16.2LIGA的基本工藝過程LIGA技術(shù)是一種使用X射線的深度光刻與電鑄相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高深寬比的微細(xì)構(gòu)造的成形方法。UGA技術(shù)主要包括深層X射線光刻、電鑄成形和塑注成形三個工藝過程。下面結(jié)合圖6.2-115簡介LIGA的基本工藝過程。圖6.2-115LIGA技術(shù)的典型工藝(1)深層同步輻射X射線光刻LIGA技術(shù)之所以能實(shí)現(xiàn)高深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵是深層光刻技術(shù)。深X射線光刻是LIGA工藝的第一步，即在基片上顯影成一層厚度為幾百微米的X射線抗蝕劑層（一般為使聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA，其是正性光刻膠，有很好的透光性），在其上方遮蔽一片由吸收X射線的物質(zhì)制成的掩膜。利用同步輻射X射線透過掩膜對固定于金屬基底上的抗蝕荊層進(jìn)行曝光。然后將其顯影制成初級模飯。由于被爆光過的抗蝕劑將被顯影除去，所以該模板即為掩覆蓋下的未曝光部分的抗蝕荊層，它具有與掩膜圖形相同的平面幾何圖形。為了實(shí)現(xiàn)高深寬比、縱向尺寸達(dá)到數(shù)百微米的深度刻蝕，并且側(cè)壁垂直、光滑，一方面需要高強(qiáng)度、平行性很好的光源，這樣的光源只有用同步加速輻射的方法才能得到，即同步輻射X光；另一方面要求用于LIGA技術(shù)的抗蝕劑必須有良好的分辨力、機(jī)械強(qiáng)度、低應(yīng)力，同時還要與基片粘附性好。然而PMMA有其本身的吸收性和熱學(xué)特性的局限，其低靈敏度是一個尤其嚴(yán)重的問題這將影響生產(chǎn)效率。因此需要盡可能地增大同步加速器的輻射能量。為了減小光刻過程的成本費(fèi)用，主要方法是使用具有更高能量的質(zhì)子，達(dá)到MeV量綴。由于增加了X光的穿透能力，同樣的時間內(nèi)可以使更多的光刻膠曝光。另一個減小光刻成本的方法就是用開發(fā)使用靈敏度更高的光刻膠。采用微電極沉積等技術(shù)可在電絕緣的光刻膠縫隙中制造一個如銅、金、鎳及鎳合金等材料的互補(bǔ)金屬結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，無論是樹底本身還是金屬層均可作為金屬沉積的導(dǎo)電底板。光刻膠去除后，電鑄的金屬結(jié)構(gòu)本身既可作為是終產(chǎn)品使用，也可作為批量產(chǎn)品的鑄塑模具。在制造鑄塑模具時，金屬的沉積直到金屬層擴(kuò)展到光刻膠結(jié)構(gòu)的上方為止，形成延續(xù)層及將所有脆弱微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的固態(tài)板。采用鑄塑模具，通過鑄塑、反應(yīng)塑鑄或熱模壓加工的方法可制造出無數(shù)的塑料復(fù)制品。這些微結(jié)構(gòu)具有較高的精度和較低的成本。這種復(fù)制技術(shù)除可使用PMMA外，還可使用POM、PEEK、PVDF、PSU和PC等聚合物材料。(2）電鑄成形電鑄成形是根據(jù)電鍍原理，在胎模上沉積相當(dāng)厚度金屬以形成零件的方法。胎模為陰板，要電鑄的金屬作陽極。按照電鑄的電流方式可為直流和脈沖電鑄兩類。與直流電鑄相比，脈沖電鑄能改變金屬離的電沉積過程，脈沖電鑄可通過控制波形、頻率、通斷比及平均電流密度等參數(shù)，使電沉積過程在很寬的范圍內(nèi)變化，從而在某種鍍液中獲得具有一定將性的鎳層。在LIGA技術(shù)中，在初級模板（抗蝕劑結(jié)構(gòu)）模腔底面上利用電鍍法形成一層鎳或其他金屬層，形成金屬基底作為陰極，所要成形的微結(jié)構(gòu)金屬的供應(yīng)材料（如Ni，Cu,Ag）作為陽極。進(jìn)行電鑄，直到電鑄形成的結(jié)構(gòu)剛好把抗蝕劑模板的型腔填滿。而后將它們整個浸入剝離溶劑中。對抗蝕劑形成的初級模板進(jìn)行腐蝕剝離，剩下的金屬結(jié)構(gòu)即為所需求的微結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件即為注塑成形的二級模板。用閘板將模版覆蓋，閘板有穿透的噴射孔，以便注入聚合物到排空的容器內(nèi)。噴射孔位于結(jié)構(gòu)自由空間的上方，低粘滯度的聚合物充滿模板內(nèi)的小空間。待聚合物變硬后，塑性結(jié)構(gòu)與閘板在噴射孔處形成牢固的連接，使得塑性結(jié)構(gòu)可以從模板中提出。按此方法可重新制作塑性結(jié)構(gòu)。注塑成形將塑性材料注入電鑄制成的金屬微結(jié)構(gòu)二級模板的模腔，形成微結(jié)構(gòu)塑性件，從金屬模中提出。也可用形成的塑性件作為模板再進(jìn)行電鑄，利用LIGA技術(shù)進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)。16.3準(zhǔn)LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)雖然具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但是它的工藝步驟比較復(fù)雜，成本費(fèi)用昂貴。為了獲得X光源，需要復(fù)雜而又昂貴的同步加速器，而這只能在一些大的研究機(jī)構(gòu)里才能得到，用于X光光刻的掩膜板本身就是3D徽結(jié)構(gòu)。需要先用LIGA技術(shù)制備出來，費(fèi)時又復(fù)雜；可用的光刻膠種類少。這使得LIGA技術(shù)的發(fā)展在一定程度上受到限制，阻礙了它工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。為此，人們開展了 系列準(zhǔn)UGA技術(shù)（又稱為UGA技術(shù)的變體）的研究，即在取代昂貴的X光源和特制掩膜板的基礎(chǔ)上開發(fā)新的三維微加工技術(shù)，其中有紫外光（UV)LIGA、深等離子體刻蝕、激光LIGA等。例如用紫外光光刻方法代替同步輻射X射線深層光刻，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和注塑過程，不需要昂貴的同步輻射光源和特殊的LIGA掩膜飯。又如用感應(yīng)調(diào)會等離子體(ICD:InductivelyCoupledPlasma）刻蝕設(shè)備進(jìn)行高深寬比塑料或硅刻蝕后，從硅片上直接進(jìn)行微電鑄，得到金屬模具后，再進(jìn)行微復(fù)制工藝，就可實(shí)現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。利用此技術(shù)既可制造非硅材料高深寬比的微結(jié)構(gòu)，又有與微電子技術(shù)更好的兼容性。與UGA技術(shù)相比（見表6.2-21所示，準(zhǔn)LIGA技術(shù)雖然能簡化操作、大大降低成本費(fèi)用，但卻是以犧牲高準(zhǔn)確度、大深寬比為代價；紫外光厚膠光刻可達(dá)到毫米量級，但深寬比不超過20；等離子體刻蝕深寬比較大，但是一般深度不超過300μm；激光LIGA技術(shù)加工的準(zhǔn)確度，在一定程度上受聚焦光斑的影響。因此準(zhǔn)LIGA只適用于對垂直度和深度要求不太高的微結(jié)構(gòu)的加工。(l)UV-LIGA該技術(shù)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鑄掩膜板。其原理步驟如圖6.2-116所示。圖6.2-116UV-LIGA工藝原理圖6.2-21LIGA與準(zhǔn)LIGA技術(shù)的主要特點(diǎn)特點(diǎn)LIGA技術(shù)準(zhǔn)LIGA技術(shù)光源同步輻射X光（波長為0.1～1nm)常規(guī)紫外光（波長為350～450nm）掩膜版以Au為吸收體的X射線掩膜版標(biāo)準(zhǔn)Cr掩膜版光刻膠常用聚丙烯丙烯酸甲酯（PMMA）聚酰亞胺、正性和負(fù)性光刻膠高寬比一般≤100，最高可達(dá)500一般≤10，最高可達(dá)到30膠膜厚度幾十微米至1000μm幾微米至幾十微米。最高可達(dá)到300μm生產(chǎn)成本較高較低，約為前者的1/100生產(chǎn)周期較長較短壁垂直度可大雨89.9°可達(dá)85°最小尺寸亞微米1至數(shù)微米加工溫度常溫至50℃左右常溫至50℃左右加工材料多種材料、陶瓷及塑料等材料常溫至50℃左右該工藝分為兩個主要的部分：厚膠的深層UV光刻和圖形中結(jié)構(gòu)材料的電鑄。其主要困難在于穩(wěn)定、陡壁、高精度的厚臟模的形成。對于UV-UGA適用光刻膠的研究，做得較多的是SU-8膠。SU-8膠是一種負(fù)性膠，即曝光時，膠中含有的少量光催化劑（PAG）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種強(qiáng)酸，能使SU-8膠發(fā)生熱交聯(lián)。SU-8膠具有高的熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性和良好的力學(xué)位能，在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低，整個光刻膠層可獲得均勻一致的曝光量。因此，將SU-8膠用于UV-LIGA中，可以形成圖形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深寬比大、側(cè)壁陡峭的微結(jié)構(gòu)。其不足之處是存在張應(yīng)力，以及烘烤量大時在工藝的后段難以除去。UV-LIGA技術(shù)也可以采用了商品化的AZ4562光刻膠。該光刻膠粘性大、透過性好，涂膠厚度可以達(dá)到10Oμm。厚膠的烘烤工藝要求很嚴(yán)格，它將決定結(jié)構(gòu)圖形的最小特征尺寸和最大深寬比。烘烤溫度和時間取決于光刻膠的厚度。但是為了獲得無龜裂的光亮刻膠，其溫度一般不能超過120℃。鎳鑄塑模具可用W光刻技術(shù)加工，鎳鑄塑模具可用于熱模壓加工或注入成型制作的聚合物微結(jié)構(gòu)的工藝中。對于使用者來說，這種工藝具有周期短和可用商積大的優(yōu)點(diǎn)。鑄塑模具的最大尺寸是：圓形120mm，矩形應(yīng)用領(lǐng)域可涉及毛細(xì)流體器件、芯片實(shí)驗(yàn)室及光波導(dǎo)等。最終的鑄塑模具的最小結(jié)構(gòu)分辨率為5μm,結(jié)構(gòu)高度10～100μm，最大縱橫比為3.5。深等離子體刻蝕（deepplasmaetching)深等離子體刻蝕一般是選用Si做為刻蝕微結(jié)構(gòu)的加工對象，也即高深寬比硅刻蝕，它有別于VLSI中的硅刻蝕，因此又稱為先進(jìn)硅刻蝕工藝。它采用的感應(yīng)耦合等離子體源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、電子回旋共振（ECR)等刻蝕技術(shù)相比，有更大的各向異性刻蝕速率比和更高的刻蝕速率，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。由于硅材料本身較脆，需要將加工了的硅微結(jié)構(gòu)作為模具，對塑料進(jìn)行模壓加工，再利用塑料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行微電鑄后，才能用得到的金屬模具進(jìn)行微結(jié)構(gòu)器件的批量生產(chǎn)?；蛘呓硬綇墓杵线M(jìn)行微電鑄，獲得金屬微復(fù)制模具。(3）激光LIGA此工藝是光刻膠直接用脈沖UV輻射刻蝕，三維結(jié)構(gòu)或者是在光刻膠表面使用掃描光束、或者是透射掩膜來形成。受激準(zhǔn)分子激光器用的是氣態(tài)鹵化物，脈沖間隙為10～15ns，能夠產(chǎn)生每平方厘米數(shù)百焦耳的光束。由于波長小于250nm時，光刻膠等有機(jī)物材料就可以被融化，故通常所用的兩個激光波長是248nm（氟化氪）和193nm（氟化氬）。每一個激光脈沖可以腐蝕0.1～0.2μm，無需重調(diào)鏡頭焦距系統(tǒng)，就可以剝離幾百微米深。該方法有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它不象UV光刻那樣在深度上受限制，因?yàn)槠毓夂蟮牟牧显谙乱粋€脈沖到來之前都被除去。其次，利用改變掃描速度和光束形狀或者用在一個發(fā)射系統(tǒng)中的變速傳動掩膜方法，可以在光刻膠中形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。第三，大范圍的聚合體材料可以剝離，增加了多級加工技術(shù)和與其它微工程技術(shù)集成的可能性。16.4LIGA和準(zhǔn)LIGA微細(xì)加工應(yīng)用(1）移動掩膜LIGA從LIGA的工藝原理可以看出，用X射線制版法加工杭蝕劑所得到的深度取決于曝光盤，即取決于積聚的X射線能量的分布。在曝光的過程中，如果以一定的速度移動掩膜，就可以使抗蝕劑中各處積聚的X射線能量具有所要求的分布控制這種積聚能量的分布，就有可能得到任意傾斜的側(cè)壁。側(cè)壁的傾斜角度取決于掩膜相對于加工深度的振動幅度，因此，只要預(yù)先掌握了積聚能量的分布與加工深度之間的關(guān)系，就可以加工出所需要的傾斜角。圖6.2-117繪出了掩膜在一個方向以一定速度作振動的例子。如果使掩膜作二維運(yùn)動，并且改變移動的速度，就可以加工出曲面，從而制作出具有臺形結(jié)構(gòu)和錐形結(jié)構(gòu)的制品。對該方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究，就有可能制作出更加復(fù)雜的微三維結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，為了便于把已經(jīng)成型的塑料成品從模具中取出來。也需要有一定的錐度。因此，移動掩膜這種方法對于LIGA的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。圖6.2-117用移動掩膜LIGA進(jìn)行深度加工的原理圖(2）平面圖形—斷面轉(zhuǎn)?。≒CT)為了用PLGA技術(shù)制造出所希望的三維結(jié)構(gòu)，需要用到其X射線吸收層的平面圖形同三維結(jié)構(gòu)的斷面形狀相似的X射線掩膜。當(dāng)進(jìn)行X射線曝光時，可以使抗蝕劑層相對于此X射線掩膜沿一定方向移動，并且根據(jù)X射線掩膜上X射線吸收層圖形的開口面積比的不同來選擇不同的曝光量，以此來控制X射線在抗蝕劑層斷面方向積聚能量的二維分布。把經(jīng)過這種方式曝光的抗蝕劑顯影以后，就可以得到具有所需斷面形狀的微結(jié)構(gòu)。上述的這種加工方法叫做平面圖形一斷面轉(zhuǎn)印法（PCT:PlanepattemtoCross-sectionTranfer）。PCT所使用的抗蝕劑是同LIGA中一樣的PMMA。PMMA開始顯影時的X射線積聚能量一般閾為〔1～2)kJ/cm3，而且此閾值界限分明，十分穩(wěn)定，比較容易設(shè)計斷面的形狀?？梢灾苯影凑账栉⒔Y(jié)構(gòu)的斷面形狀來設(shè)計X射線掩膜上的X射線吸收層的形狀。如果在一個方向移動抗蝕劑層以后再轉(zhuǎn)過卯。向著與之垂直的方向移動，進(jìn)行二次曝光，就有可能得到自許多針狀結(jié)構(gòu)物排列起來的陣列。PCT加工的典型特點(diǎn)，就在于能夠預(yù)先在掩膜上設(shè)計出所希望的制品的斷面結(jié)構(gòu)。(3）微齒輪制作由于微小齒輪的結(jié)構(gòu)相對簡單，而且應(yīng)用面極廣，因此德國、美國等科學(xué)家在進(jìn)行LIGA技術(shù)的基礎(chǔ)研究時大多從微齒輪的制作開始。目前已可制作出能夠相互嚙合的漸開線齒形的齒輪。研究表明，LIGA技術(shù)可以自由地進(jìn)行二維設(shè)計，并且在設(shè)計時能夠進(jìn)行計算機(jī)優(yōu)化，精確度可以達(dá)到亞微米級。圖6.2-118是德國學(xué)者用LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)制作的微齒輪系。Karlsruhe研究中心與SumitomoIndustry公司合作開發(fā)并制作了一個直徑為2nm的微型擺線齒輪傳動裝置，它是由UGA技術(shù)多次曝光實(shí)現(xiàn)的。整個傳動系統(tǒng)包括1個套管及3個垂直堆積的副盤和齒輪（圖6.2-119）。第一水平面高度為40μm，由UV光刻制作；第2個與第3個平頂分別高度195μm和250μm，由需要對準(zhǔn)的深X射線光刻制作。測得的兩個DXL層的對準(zhǔn)誤差為±5μm。在高度控制工藝中，表面機(jī)械加工的相對于UV光刻水平麗的結(jié)構(gòu)高度偏差在±3μm范圍內(nèi)，對DXL水平面偏差為±10μm(4）大縱橫比微結(jié)構(gòu)的制作作為一種實(shí)用的微細(xì)加工手段，UGA工藝的一大突出特性就是可以完成大縱橫比微結(jié)構(gòu)的制作。圖6.2-120是日本學(xué)者用UGA技術(shù)完成的部分徽結(jié)構(gòu)制作，其中圖6.2-l20a是制作的Ni金屬模具，它的離度為15μm，線寬為0.2μm，縱橫比為75，圖6.2-l20b是用LIGA技術(shù)制Ni掩膜照片，其高度為200μm，線寬為2μm，縱橫比為110；圈6.2-120c是在PMMA上得到的厚度為200μm微結(jié)構(gòu)照片。用LIGA工藝（b）用準(zhǔn)LIGA工藝圖6.2-118用LIGA和用準(zhǔn)LIGA技術(shù)制作的齒輪輪系微傳感、致動機(jī)構(gòu)的制作微傳感器和微致動器的性能很大程度上取決于其敏感輯件的靈敏度，而敏感器件則大多為大縱橫比的微懸臂結(jié)構(gòu)，這正是LIGA技術(shù)的加工特長。圖6.2-121是德國學(xué)者用LIGA技術(shù)制作的部分微傳感器和微致動器結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鰬?yīng)用LIGA技術(shù)已經(jīng)能夠制作除結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。(6）微動力裝置的制作LIGA技術(shù)的實(shí)用化和普及應(yīng)用，除了能制作大縱橫比的微結(jié)構(gòu)零件外，更為重要的將體現(xiàn)在與其他技術(shù)相結(jié)合戈如微裝配技術(shù)、犧牲層技術(shù)等，從而制作出可動的微動力裝置來。為此，包括中國在內(nèi)的世界各國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。如德國的卡爾斯魯厄研究所制作的靜電式微電機(jī)，其中心軸軸徑為4.8μm，轉(zhuǎn)子有56個齒，直徑為267μm。美國Wisconsin大學(xué)用犧牲層與LIGA技術(shù)相結(jié)合制作的電磁電機(jī)，6個電極中兩個相對的電極的線圈相連組成德一相的定子線圈，其轉(zhuǎn)子直徑為150μm，三個齒輪直徑分別為77μm、100μm150μm，該微電機(jī)在空氣中轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速可達(dá)33000r/min。圖6.2-119由多次曝光的X射線光刻與UV光刻相結(jié)合而完成的微型齒輪擺動傳動系統(tǒng)圖6.2-120用LIGA制作的部分微結(jié)構(gòu)圖6.2-121用LIGA制作的部分微傳感器和微制動器圖6.2-122a是德國學(xué)者用準(zhǔn)LIGA技術(shù)制作的磁力驅(qū)動微渦輪，其中心軸為50μm厚Ni材料，轉(zhuǎn)子為厚度為40μm，直徑400μmNiCo材料。圖6.2-122b是中國科技大學(xué)用LIGA結(jié)合微裝配技術(shù)制作的金屬Ni微流量計，其活動微齒輪高230μm、半徑為200μm，中心軸半徑為80μm，間隙為10μm。在氣流作用下，齒輪能平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速可以通過控制氣流的大小來調(diào)節(jié)。微齒輪轉(zhuǎn)速在（30～60)r/min時，可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)動換算成流量量程為15～3μl。圖6.2-123是美國學(xué)者用準(zhǔn)LIGA工藝在分布了簡單的電路的硅片上制作的環(huán)形微陀螺儀。其制作過程為：在已圖形化的導(dǎo)電犧牲層上涂上高密度、高透明度的光刻膠，光刻成模子，然后再電鑄上金屬Ni后，去掉光刻膠模和犧牲層，制成具有可動部分（環(huán)、支撐條）和固定部分（電極、支撐點(diǎn)）的微陀螺儀結(jié)構(gòu)。圖6.2-123b是光刻膠電鑄模的部分放大照片。環(huán)的直徑為1mm，寬為5μm，厚為19μm。該陀螺儀的分辨率在帶寬1OHz時為0.5°/s，通過改進(jìn)電路及所用的材料等措施，可望提高到帶寬50Hz時為0.5°／s圖6.2-122用LIGA方法制作的部分微裝置圖6.2-123用準(zhǔn)LIGA方法制作的環(huán)形微陀螺儀此外，LIGA技術(shù)還在光纖通信等眾多領(lǐng)域中開始進(jìn)入應(yīng)用階段。如用LIGA技術(shù)制作的光纖夾可以使襯底上的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)因子和光纖央保持一致，從而可以減少熱膨脹對對準(zhǔn)精度的影響，提高藕合效率。事實(shí)上，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)多支光纖的網(wǎng)絡(luò)中，需要用到多種無源器件，而其中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)均可以用LIGA技術(shù)制作。LIGA與微細(xì)電火花加工技術(shù)結(jié)合制造纖金屬微結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花加工技術(shù)在金屬材料的微細(xì)加工中發(fā)揮了重要作用，但微細(xì)電極，尤其是微小成型電極的制備卻相當(dāng)困難，一直是制約該技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。由于LIGA技術(shù)的批生產(chǎn)特性，可以用其制作復(fù)雜形狀金屬成形電極，從而大大拓寬微細(xì)電火花加工技術(shù)的加工能力和應(yīng)用領(lǐng)域。將兩種或兩種以上的微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行有效的集成，充分發(fā)揮各自的技術(shù)特點(diǎn)，將是未來微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢之一。LICA與微細(xì)電火花加工技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù)的基本過程為（如圖6.2-24所示）：圖6.2-124基于SU-8光刻工藝準(zhǔn)LIGA-MicroEDM組合加工工藝路線1)利用具有所需圖形的對光刻膠進(jìn)行同步輻射深度曝光；2）顯影，得到導(dǎo)電光刻膠基板上的微結(jié)構(gòu)；3）在光刻膠微結(jié)構(gòu)中電鑄金屬銅；4）表面磨拋后去膠，得到金屬銅工具電極；5）利用該工具電極在電火花加工機(jī)床上加工工件。圖6.2-125a為中科院高能物理研究所用LIGA技術(shù)獲得的Y字形金屬銅電極，其厚度為7309μm，線條寬909μm，且側(cè)壁陡直；圖6.2-l25b為在電火花成形加工機(jī)床上加工的厚度為1509μm的不銹鋼工件。圖6.2-126是日本學(xué)者用LIGA技術(shù)制作出電火花加工用的微細(xì)成形電極，然后再用制作出的電極進(jìn)行微細(xì)電火花加工實(shí)例。由于在加工襯底一次制作出的是批電極，因此，用此電極一次就可以加工出一批工件。圖6.2-l26a、b是用此制作出的的圓柱電極陣列以及用此電板在厚為509μm的不銹鋼片上加工出的微細(xì)陣列孔，每根電極的直徑為μm，材料為銅，加工后孔的直徑為之間：圖6.2-l26c、d是用此方法制作出的成形電極，以及用此成形電極加工出的工件照片。圖6.2-125LIGA與EDM結(jié)合制造金屬微結(jié)構(gòu)（a）LIGA制作的電機(jī)陣列（b）加工為空這列（c)LIGA制作的成形電機(jī)（d）加工出的微小件圖6.2-126LIGA與EDM結(jié)合批量制作微小結(jié)構(gòu)（8)UV-LIGA技術(shù)在模具中的應(yīng)用上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院應(yīng)用UV-LIGA技術(shù)成功地制備出SU-8膠雙層齒輪模具和加金屬鎳雙層齒輪模具，如圖6.2-