LIGA是德语光刻(Lithographie)、电铸成型(Galvanoformung)和注塑成型(Abformtechnik)的首字母。LIGA技术可用在不同材质(如硅、聚合物、陶瓷、金属或塑料)上实现大的深宽比三维微结构器件的制作。主要由深度同步辐射X射线光刻、电铸制模和注模复制3个工艺步骤完成。是利用X射线(同步辐射)和电铸成型(通过在模型或模具上电镀,模型或模具随后与淀积的物体分离,进行的器件的生产或复制)的深层光刻获得微观三维结构的一种制造工艺。
体硅微机械加工和表面微加工都是从IC微电子制造技术演变而来的。因此大多数用于微电子产品和集成电路的理论、经验以及设备,经过细微调整后基本上都可以适合MEMS传感器功能结构器件的加工。但常规的MEMS体微机械加工技术也存在某些局限:①MEMS体微机械加工形成的几何深宽比相对较小。②MEMS体硅加工工艺要使用硅基底材料。
由于LIGA工艺材料适用性广,能产生厚且极其扁平的或大比例的高宽微型三维微结构。因此通过LIGA工艺可很方便地实现大比例尺度的高宽比微结构,弥补MEMS微机械制造工艺无法制造类似比例尺寸的微结构器件的不足。图1为LIGA工艺流程图。
LIGA工艺中的主要制作步骤:①利用深层辐射X射线光刻在厚的光刻胶层上设定所要求的模型。②通过光刻掩膜板将图形刻印在衬底上的光敏聚合物上,经过处理,在光敏聚合物上留下需要的三维结构模型。③利用电镀技术,连接电场将金属迁移到制作成型的三维结构模型件上,形成金属结构。④以该金属结构为微型模型将其他材料通过注塑或电铸等方式制成三维结构或模型。
LIGA工艺中的基底材料通常称为衬底。必须是一个导体或者是涂有导电材料的绝缘体,便于连接电极电镀成金属模型。适宜用作基底的材料有金属奥氏体钢,表面溅射或沉积有钛、银、铬的硅或其他半导体材料,镀有金、铍或镍的铜,除此之外,表面镀有金属的玻璃板、陶瓷、聚合物等也可以作为基底材料。
LIGA工艺对光刻胶材料的基本要求:①必须对X射线辐射敏感。②必须有高分辨率,而且对干法和湿法腐蚀有强抗腐蚀性。③在140℃以上能保持热稳定。④未曝光的保护部分在整个过程中不会被溶解。⑤在电镀过程中镀层与基底必须保持良好的黏合性。
LIGA技术的扩展:准LIGA工艺和牺牲层LIGA工艺。
由于LIGA技术要求用深层辐射X射线光刻在厚的光刻胶层上设定所要求的模型,对设备要求比较高,形成的结构器件深宽比大、垂直度好,但制造成本相对较高。由于MEMS传感器存在大量对垂直度和深宽比要求相对不是很高的微结构器件,满足MEMS传感器对相应的结构器件需要,弥补MEMS机械结构制造的局限,同时降低LIGA技术的使用门槛,可以采用超紫外线或激光与高光敏性光刻厚胶配套使用,替代深层同步辐射X射线光刻的LIGA工艺,简称UV-LIGA。为了区别标准的LIGA工艺,将这种以超紫外线或激光替代深层辐射X射线光刻完成的LIGA工艺称为准LIGA工艺。准LIGA技术可实现对垂直度和深度要求不高,厚度100毫米以内微结构的制作。
图2为准LIGA技术工艺流程图。准LIGA技术工艺流程:紫外光光刻成膜→电铸或化学蒸发镀膜并成膜→去除相关物质完成铸模。
牺牲层LIGA技术:准LIGA工艺技术解决了MEMS体硅工艺在三维结构器件上大深宽比结构器件的制作难题,但MEMS传感器的敏感元件如加速度传感器的质量块、谐振传感器的谐振振子、压力传感器和加速度传感器的平板膜、悬臂梁、岛等很多微结构部件为满足传感器感受力学量、化学量、被测介质质量运动等变化需要,其微机械结构件必须满足可动要求。利用牺牲层技术,通过牺牲层去除工艺及准LIGA技术,可实现大尺度宽深比的MEMS传感器微机械结构可动功能器件的制造。