LIGA

Röntgen-LIGA-processen utvecklades ursprungligen vid Forschungszentrum Karlsruhe, Tyskland, för att producera munstycken för urananrikning .

SEM-bild av en polymer LIGA-struktur gjord genom gjutning. Minsta polymerbredd är 6 µm; polymerhöjden är 120 µm, bildförhållandet är därför 20.

SEM-bild av en polymer LIGA-struktur gjord med röntgenlitografi. Steglängden är 3 µm, steghöjden är 0,7 µm. Mönstret sträcker sig nedåt mot substratet i 150 µm vilket leder till ett bildförhållande på konturen på 200.

LIGA är en tillverkningsteknik som används för att skapa mikrostrukturer med hög bildförhållande . Termen är en tysk förkortning för Lithographie, Galvanoformung, Abformung – litografi , elektroplätering och gjutning .

Översikt

LIGA består av tre huvudsakliga bearbetningssteg; litografi, galvanisering och gjutning. Det finns två huvudsakliga LIGA-tillverkningsteknologier, X-Ray LIGA , som använder röntgenstrålar producerade av en synkrotron för att skapa strukturer med högt bildförhållande, och UV LIGA , en mer tillgänglig metod som använder ultraviolett ljus för att skapa strukturer med relativt låg aspekt. förhållanden.

Anmärkningsvärda egenskaper hos röntgen-LIGA-tillverkade strukturer inkluderar:

höga bildförhållanden i storleksordningen 100:1
parallella sidoväggar med en flankvinkel i storleksordningen 89,95°
släta sidoväggar med $R_{a}$ = 10 nm , lämplig för optiska speglar
strukturella höjder från tiotals mikrometer till flera millimeter
strukturella detaljer i storleksordningen mikrometer över avstånd på centimeter

Röntgen LIGA

X-Ray LIGA är en tillverkningsprocess inom mikroteknik som utvecklades i början av 1980-talet av ett team under ledning av Erwin Willy Becker och Wolfgang Ehrfeld vid Institute for Nuclear Process Engineering ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) vid Karlsruhe Nuclear Research Center , sedan omdöpt till Institutet för mikrostrukturteknik ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) vid Karlsruhe Institute of Technology (UTRUSTNING). LIGA var en av de första större teknikerna för att möjliggöra on-demand-tillverkning av strukturer med hög bildförhållande (strukturer som är mycket högre än breda) med sidoprecision under en mikrometer.

I processen exponeras en röntgenkänslig polymer fotoresist, typiskt PMMA , bunden till ett elektriskt ledande substrat, för parallella strålar av högenergiröntgenstrålar från en synkrotronstrålningskälla genom en mask som delvis är täckt med en stark röntgenstrålning. absorberande material. Kemiskt avlägsnande av exponerad (eller oexponerad) fotoresist resulterar i en tredimensionell struktur, som kan fyllas genom elektroavsättning av metall. Resisten avlägsnas kemiskt för att producera en metallisk forminsats. Forminsatsen kan användas för att tillverka delar i polymerer eller keramik genom formsprutning .

LIGA-teknikens unika värde är precisionen som erhålls genom användning av djupröntgenlitografi ( DXRL). Tekniken gör att mikrostrukturer med höga bildförhållanden och hög precision kan tillverkas i en mängd olika material (metaller, plaster och keramik). Många av dess utövare och användare är associerade med eller är belägna nära synkrotronanläggningar.

UV LIGA

UV LIGA använder en billig ultraviolett ljuskälla, som en kvicksilverlampa , för att exponera en polymer fotoresist, vanligtvis SU-8 . Eftersom uppvärmning och transmittans inte är ett problem i optiska masker, kan en enkel krommask ersätta den tekniskt sofistikerade röntgenmasken. Dessa minskningar i komplexitet gör UV LIGA mycket billigare och mer tillgänglig än dess röntgenmotsvarighet. UV LIGA är dock inte lika effektiv för att tillverka precisionsformar och används därför när kostnaden måste hållas låg och mycket höga bildförhållanden inte krävs.

Processdetaljer

LIGA-tillverkningsprocessen består av exponering (a), framkallning (b), elektroformning (c), strippning (d) och replikering (e).

Mask

Röntgenmasker är sammansatta av en transparent låg- Z- bärare, en mönstrad hög- Z absorberare och en metallring för inriktning och värmeavlägsnande. På grund av extrema temperaturvariationer som induceras av röntgenexponeringen tillverkas bärare av material med hög värmeledningsförmåga för att minska värmegradienter. För närvarande anses glasaktigt kol och grafit vara det bästa materialet, eftersom deras användning avsevärt minskar sidoväggens ojämnhet. Kisel, kiselnitrid, titan och diamant används också som bärarsubstrat men inte föredragna, eftersom de erforderliga tunna membranen är jämförelsevis ömtåliga och titanmasker tenderar att runda av skarpa egenskaper på grund av kantfluorescens. Absorbenter är guld, nickel, koppar, tenn, bly och andra röntgenabsorberande metaller.

Masker kan tillverkas på flera sätt. De mest exakta och dyrbara maskerna är de som skapas av elektronstrålelitografi, som ger upplösningar så fina som 0,1 µm i resist 4 µm tjock och 3 µm egenskaper i resist 20 µm tjock. En mellanmetod är den pläterade fotomasken som ger 3 µm upplösning och kan läggas ut på entreprenad till en kostnad i storleksordningen $1000 per mask. Den billigaste metoden är en direkt fotomask, som ger 15 µm upplösning i resist 80 µm tjock. Sammanfattningsvis kan masker kosta mellan $1000 och $20.000 och ta mellan två veckor och tre månader för leverans. På grund av marknadens ringa storlek har varje LIGA-grupp vanligtvis sin egen masktillverkningskapacitet. Framtida trender inom maskskapande inkluderar större format, från en diameter på 100 mm till 150 mm , och mindre funktionsstorlekar.

Substrat

Utgångsmaterialet är ett plant substrat , såsom en kiselskiva eller en polerad skiva av beryllium, koppar, titan eller annat material. Substratet, om det inte redan är elektriskt ledande, är täckt med en ledande pläteringsbas, vanligtvis genom förstoftning eller förångning .

Tillverkningen av strukturer med högt bildförhållande kräver användning av en fotoresist som kan bilda en form med vertikala sidoväggar. Sålunda måste fotoresisten ha en hög selektivitet och vara relativt fri från spänningar när den appliceras i tjocka skikt. Det typiska valet, poly(metylmetakrylat) ( PMMA ) appliceras på substratet genom en limningsprocess där ett förtillverkat ark av PMMA med hög molekylvikt fästs på pläteringsbasen på substratet. Den applicerade fotoresisten fräss sedan ner till exakt höjd med en flugskärare före mönsteröverföring genom röntgenexponering. Eftersom skiktet måste vara relativt fritt från spänningar föredras denna limningsprocess framför alternativa metoder såsom gjutning. Vidare kräver skärningen av PMMA-arket med flugskäraren specifika driftsförhållanden och verktyg för att undvika att införandet av stress och sprickor i fotoresisten. ^{[ citat behövs ]}

Exponering

En viktig möjliggörande teknologi för LIGA är synkrotronen, som kan sända ut högeffekts, högkollimerade röntgenstrålar. Denna höga kollimering tillåter relativt stora avstånd mellan masken och substratet utan den penumbrala suddighet som uppstår från andra röntgenkällor. I elektronlagringsringen eller synkrotronen , ett magnetfält tvingar elektroner att följa en cirkulär bana och elektronernas radiella acceleration gör att elektromagnetisk strålning sänds ut framåt. Strålningen är således starkt kollimerad i framåtriktningen och kan för litografiskt antas vara parallell. På grund av det mycket högre flödet av användbara kollimerade röntgenstrålar blir kortare exponeringstider möjliga. Fotonenergierna för en LIGA-exponering är ungefär fördelade mellan 2,5 och 15 keV .

Till skillnad från optisk litografi finns det flera exponeringsgränser, identifierade som toppdos, bottendos och kritisk dos, vars värden måste bestämmas experimentellt för en korrekt exponering. Exponeringen måste vara tillräcklig för att uppfylla kraven för bottendosen, exponeringen under vilken en fotoresistrest kommer att finnas kvar, och toppdosen, exponeringen över vilken fotoresisten kommer att skumma. Den kritiska dosen är den exponering vid vilken oexponerad resist börjar angripas. På grund av PMMAs okänslighet är en typisk exponeringstid för en 500 µm tjock PMMA sex timmar. Vid exponering kan sekundära strålningseffekter som t.ex Fresnel-diffraktion , mask- och substratfluorescens och generering av Auger-elektroner och fotoelektroner kan leda till överexponering.

Under exponeringen värms röntgenmasken och maskhållaren upp direkt genom röntgenabsorption och kyls genom forcerad konvektion från kvävestrålar. Temperaturökning i PMMA-resist är huvudsakligen från värme som leds från substratet bakåt in i resisten och från maskplattan genom den inre kavitetens luft framåt till resisten, med röntgenstrålningsabsorption som tertiär. Termiska effekter inkluderar kemivariationer på grund av resistuppvärmning och geometriberoende maskdeformation.

Utveckling

För strukturer med högt bildförhållande krävs att resist-framkallarsystemet har ett förhållande mellan upplösningshastigheter i de exponerade och oexponerade områdena på 1000:1. Den empiriskt optimerade standardframkallaren är en blandning av tetrahydro-1,4-oxazin ( 20 % ), 2-aminoetanol-1 ( 5 % ), 2-(2-butoxietoxi)etanol ( 60 % ) och vatten ( 15 %) . ). Denna utvecklare tillhandahåller det erforderliga förhållandet mellan upplösningshastigheter och minskar spänningsrelaterad sprickbildning från svullnad i jämförelse med konventionella PMMA-framkallare. Efter framkallning sköljs substratet med avjoniserat vatten och torkas antingen i vakuum eller genom spinning. I detta skede kan PMMA-strukturerna frigöras som slutprodukten (t.ex. optiska komponenter) eller kan användas som formar för efterföljande metallavsättning.

Galvanisering

I elektropläteringssteget pläteras nickel, koppar eller guld uppåt från det metalliserade substratet in i hålrummen som lämnats av den avlägsnade fotoresisten. Strömtätheten, temperaturen och lösningen sker i en elektrolytisk cell och kontrolleras noggrant för att säkerställa korrekt plätering. Vid nickelavsättning från NiCl ₂ i en KCl-lösning avsätts Ni på katoden (metalliserat substrat) och Cl ₂ utvecklas vid anoden. Svårigheter förknippade med plätering i PMMA-formar inkluderar hålrum, där vätebubblor bildar kärnor på föroreningar; kemisk inkompatibilitet, där pläteringslösningen angriper fotoresisten; och mekanisk inkompatibilitet, där filmspänning gör att det pläterade skiktet förlorar vidhäftning. Dessa svårigheter kan övervinnas genom empirisk optimering av pläteringskemin och miljön för en given layout.

Strippning

Efter exponering, framkallning och galvanisering avskalas resisten. En metod för att ta bort kvarvarande PMMA är att exponera substratet genom att översvämma och använda framkallningslösningen för att rengöra resisten. Alternativt kan kemiska lösningsmedel användas. Kemisk borttagning av en tjock resist är en lång process som tar två till tre timmar i aceton vid rumstemperatur. I flerskiktsstrukturer är det vanligt att skydda metallskikt mot korrosion genom att återfylla strukturen med ett polymerbaserat inkapslingsmedel. I detta skede kan metallstrukturer lämnas kvar på substratet (t.ex. mikrovågskretsar) eller frigöras som slutprodukten (t.ex. kugghjul).

Replikering

Efter strippning kan de frigjorda metallkomponenterna användas för massreplikering genom standardmetoder för replikering som stansning eller formsprutning .

Kommersialisering

På 1990-talet var LIGA en banbrytande MEMS-tillverkningsteknik, vilket resulterade i designen av komponenter som visar upp teknikens unika mångsidighet. Flera företag som börjar använda LIGA-processen ändrade senare sin affärsmodell (t.ex. Steag microParts som blev Boehringer Ingelheim microParts, Mezzo Technologies). För närvarande är det bara två företag, HTmicro och microworks, som fortsätter sitt arbete i LIGA och drar nytta av begränsningarna hos andra konkurrerande tillverkningsteknologier. UV LIGA, på grund av sin lägre produktionskostnad, används mer allmänt av flera företag, såsom Tecan, Temicon och Mimotec i Schweiz, som förser den schweiziska klockmarknaden med metalldelar gjorda av nickel och nickel-fosfor.

Galleri

Nedan är ett galleri med LIGA-tillverkade strukturer ordnade efter datum.

Ett munstycke för urananrikning .
En 517 µm hög koplanar vågledare av koppar .
Aktiv del av en 2x2 optisk omkopplare, endast det elektrostatiska ställdonet visas.
Detalj av formverktyget för LIGA mikrospektrometer.
$X-ray refractive x-ray lenses made of SU8 polymer. The patterns are made by tilting the mask and substrate in the beam twice by +-45°.$

Röntgenbrytande röntgenlinser gjorda av SU8-polymer. Mönstren är gjorda genom att luta masken och underlaget i strålen två gånger med +-45°.

Anteckningar

Se även

Madou, M. (2003). Grunderna i mikrotillverkning . CRC. ISBN 978-0849308260 .
Saile, V. (2009). LIGA och dess tillämpningar . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31698-4 .

externa länkar