第44卷第11期 机械工程学报 Vol 44 No. 2008 F 11 A CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING NoV. 2008 DOI:10390L/JME200811.047 国家同步辐射实验室的LIGA技术研究及应用 刘刚田扬超 (中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥230026) 摘要:LIGA技术是一种可以利用多种材料获得大高宽比微结构的微细加工方法。介绍了LIGA技术的原理和国家同步辐射 实验室LIGA试验线站的参数。详细给出NSRL近年来在同步辐射光刻、微电铸和微塑铸等LGA技术方面的研究进展,同 时给出其在微惯性器件和微流体器件等LGA应用方面的研究进展。分析LGA技术研究及应用的发展现状以及所遇到的困 难,结合同步辐射光刻的特点,提出LGA应用的一些展望。 关键词:LlGA技术微塑铸微流体器件 中图分类号:U46191 Research and Application of lIGa Process at Nationol Synchrotron Radiation Laboratory LIU Gang TIAN Yangchao (National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science Technology of China, Hefei 230026) Abstract: LIGA(Lithographie galvanformung and abformug) process is a micro fabrication method that can use various materials to btain high aspect ratio microstructures. The principle of liGa techniques and the parameters of liGa experimental station at NSRL are introduced. The recent progresses in the research of LiGa techniques at NSRL, such as synchrotron radiation lithography, mi cro-electroforming, micro-molding, and the application of LIGA techniques, such as micro-inerial devices and micro-fluidic device are presented in detail. The development status of research and application of LIGa techniques and the problems encountered analyzed. Some of the prospects of LIGa application are put forward by combining the feat ures of synchrotron radiation lithgrapl Key words: LIGa technique Micro-molding Micro-fluidic devices 1)光刻。利用同步辐射X射线光刻,将掩模 0前言 图形复制在几十或几百微米厚的光刻胶上,刻蚀出 大高宽比、精度为亚微米的光刻胶图形。 微机电系统( Microelectromechanical system, (2)电铸。将金属沉积在光刻胶图形的空隙里 MEMS)的性能主要取决于其结构和材料,而常规的直至金属填满整个光刻胶图形空隙。 微电子机械制作主要依赖于硅微加工技术,所获得 3)塑铸。向电铸成形的金属模腔填入塑料 的微电子机械材料主要是硅,这大大限制了其他具然后脱模得到塑料模具 有优良性质的材料如金属、塑料、陶瓷等在微电子 经过以上三个工艺过程后,就制出一个塑料模 机械领域的应用。1986年,德国卡尔斯鲁原子核研具,利用塑料模具可以大量复制金属或非金属(如陶 究中心开发出了一种全新的微机械加工技术 瓷)材料的微结构元件。这三个工艺过程又可以相互 LGA技术2,从而开辟了一条全新的可以利用多独立,根据产品用材的需要,各工艺过程的产品也 种材料的三维微机械工艺方法 可以作为最终产品使用。 LIGA(Lithographie galvanformung and abfor LIGA技术的特点是可以制造大高宽比的三维 mug)技术包括三个基本过程,即深度ⅹ射线光刻、微结构,宽度可小到亚微米量级,深度可达数百微 电铸和塑铸。图1是LIGA技术的基本原理图 米、甚至毫米量级,所用材料可以是塑料、陶瓷、 LIGA技术包括以下三个工艺过程。 玻璃和各种金属,而且利用微复制工艺能够实现微 机械结构的大批量生产;同时,LGA技术获得微 收到修改稿 收到初稿2075结构有良好的侧壁陡直性与图形精度,所以非常适
第44卷第11期 机 械 工 程 学 报 v0l-44No．11 2008年 11月 CHINESE JOURNALOFM ECHANICAL ENGIN EERIN G Nov． 2008 DoI： l0．3901， E．2008．11．047 国家同步辐射实验室的 LIGA技术研究及应用水 刘 刚 田扬超 (中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥 230026) 摘要 ：LIGA 技术是一种可 以利用多种材 料获得大高宽比微结构 的微细加工方 法。介绍 了 LIGA 技术 的原理和 国家同步辐射 实验室 LIGA试验线站的参数。详细给出NSRL近年来在同步辐射光刻、微电铸和微塑铸等 LIGA技术方面的研究进展，同 时给出其在微惯性器件和微流体器件等 LIGA应用方面的研究进展。分析 LIGA技术研究及应用的发展现状以及所遇到的困 难，结合同步辐射光刻的特点，提 出 LIGA应用 的一些展望。 关键词：LIGA技术 微塑铸 微流体器件 中图分类号 ：U461．91 ResearchandApplicationofLIGA Processat NationolSynchrotronRadiationLaboratory LIU Gang TIAN Yangchao (NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScience& TechnologyofChina，Hefei230026) Abstract：LIGA(Lithographiegalvanformungandabformug)processisamicrofabricationmethodthatcanusevariousmaterialsto obtainhighaspectratiomicrostructures．TheprincipleofLIGA techniquesandtheparametersofLIGA experimentalstationatNSRL areintroduced．Therecentprogressesin theresearch ofLIGA techniquesatNSRL，such assynchrotron radiation lithography,m icro—electroforming，mi cro—molding，an dtheapplication ofLIGA techniques，suchasmi cro-inerialdevicesan d mi cro-fluidicdevices， arepresented in detail．Thedevelopmentstatusofresearch and application ofLIGA techn iquesan d theproblemsencountered are an alyzed．Someoftheprospects0fLIGA applicationareputforwardbycombiningthefeaturesofsynchrotronradiationlithgraphy KeyWOrds： LIGA techn ique M icro-molding M icro—fluidicdevices 0 前言 微 机 电 系 统 fMicroelectromechanicalsystem, MEMS)的性能主要取决于其结构和材料，而常规 的 微 电子机械制作主要依赖于硅微加工技术 ，所获得 的微电子机械材料主要是硅，这大大限制了其他具 有优 良性质的材料如金属、塑料、陶瓷等在微电子 机械领域的应用 。1986年，德国卡尔斯鲁原子核研 究 中心开发 出了一种全新的微 机械 加工技术一一 LIGA技术 】，从而开辟了一条全新的可以利用多 种材料的三维微机械工艺方法。 LIGA(Lithographie galvanformung and abfor— mug)技术包括三个基本过程 ，即深度 X射线光刻、 电铸和塑铸 。图 1是 LIGA 技术的基本原理图 】。 LIGA技术包括以下三个工艺过程。 国家自然科学基金资助项1~I(10375058)。20071204收到初稿，20080715 收到修改稿 (1)光刻。利用同步辐射 x射线光刻，将掩模 图形复制在几十或几百微米厚的光刻胶上，刻蚀 出 大高宽比、精度为亚微米的光刻胶 图形 。 (2)电铸 。将金属沉积在光刻胶图形的空隙里 ， 直至金属填满整个光刻胶图形空隙。 (3)塑铸。向电铸成形的金属模腔填入塑料， 然后脱模得到塑料模具 。 经过以上三个工艺过程后，就制出一个塑料模 具 ，利用塑料模具可以大量复制金属或非金属(如陶 瓷)材料 的微结构元件。这三个工艺过程又可 以相互 独立，根据产品用材的需要，各工艺过程的产 品也 可 以作为最终产品使用。 LIGA 技术的特点是可以制造大高宽比的三维 微结构，宽度可小到亚微米量级，深度可达数百微 米、甚至毫米量级，所用材料可 以是塑料、陶瓷、 玻璃和各种金属，而且利用微复制工艺能够实现微 机械结构 的大批量生产 ：同时，LIGA 技术获得微 结构有 良好的侧壁陡直性与图形精度 ，所 以非常适
机械工程 第44卷第11期 1.光刻 12同步辐射光刻 同步辐射x射线 吸收体 利用LIGA技术获得的大高宽比高精度微结构 掩模支撑膜 来源于同步辐射光刻。目前已经获得的同步辐射光 光刻胶 胶刻深度超过1mm:线宽为5m的图形,高宽比达 到142:线宽为10m的图形,高宽比达到100(图 电铸 2a);线宽为10μm,精度优于10%;线宽大于20μm, 光刻胶结构 精度优于5%。同时,为了提高同步辐射光刻效率, 将紫外光刻胶SU8引入到X射线光刻工艺中(图 铸模孔 2b),极大地提高了同步辐射光刻效率。 3.塑铸 图1LGA技术的基本原理图 合于制作有高精度要求的具有大高宽比的微电子机 械结构。目前已用于制造微传感器、微电机、微制a 动器、微机械零件、集成光学和微光学器件、微波 器件、电真空器件、微医疗器械、微流体组件、各 种层状和片状微结构等。 在微电子机械系统制作工艺中,LGA技术有 着独特的技术特点和优势,同时也存在着一些不足。 本文结合国家同步辐射实验室( National Synchrotron Radiation Laboratory,NSRL)近年来在LIGA技术研 究和应用方面的进展,分析了LIGA技术研究及应 用的发展现状以及所遇到的困难,提出了LIGA应 用的一些展望 1NSRL的LIGA技术 11LIGA试验线站 NSRL中LIGA光束线的同步辐射光从插入元 件超导 wiggler引出,利用200pm厚的铍窗进行真 空隔离和滤波,波长范围0.1~0.7nm,适合进行大 高宽比高精度微结构的制作。通过样品台扫描获得 曝光面积为30×80mm2,适合2in、3in基片曝光 的要求。同时,可以实现倾斜曝光和多次对准曝光。 离线的配套设备包括镀膜机、刻蚀机、电铸仪和 热压成型仪等加工设备以及电镜、显微镜和台阶 仪等检测设备。LIGA线站目前主要的资助研究方 向包括:LGA相关基础技术研究、基于LIGA技 术的MEMS研制以及其他特殊试验,如辐照等。 LIGA线站自运行开放以来,建立了LIGA技术的研 究平台和LIGA技术的标准工艺,同时在深化LGA 工艺研究方面进行了有益地探索,获得了一些新的 结果。 图2同步辐射光刻微结构扫描电镜图
4 8 机 械 工 程 学 报 第 4 4 卷第 1 l 期 1 光刻 显影 同步辐射x 射线 一 撑 涉 蠢藉 胶 2 ． 电铸 模具 硪 觚 霸钞 塑模结构 ．；! 。 眵 器料 图 1 L IG A 技术的基本原理 图 合于制作有高精度要求的具有大高宽比的微 电子机 械结构 。 目前 已用于制造微传感器 、 微 电机 、 微制 动器 、 微机械零件、 集成光学和微光学器 件、 微波 器件、 电真空器件、 微医疗器械、 微流体组件 、 各 种层状和片状微结构等 。 在微 电子机械系统制作工 艺中， L I G A 技术有 着独特的技术特点和优势， 同时也存在着 一 些 不足 。 本文结合 国家同步辐射实验室(N a t i o n a l S y n c h r o t r o n R a d i a t i o n L a b o r a t o r y ， N S R L )近 年来在 L I G A 技术研 究和应用方面的进展 ， 分析了 L I G A 技术研究及应 用的发展现状 以及所遇到的困难 ， 提 出了 L IG A 应 用 的 一 些展望 。 1 N S R L 的 L I G A 技术 1 ． 1 L I G A 试验线站 N S R L 中 L IG A 光束线的同步辐射光从插入 元 件超导 W i g g l e r 引出， 利用 2 0 0 “m 厚的铍窗进行真 空隔离和滤波 ， 波长范围 0 ． 1 ～ O． 7 n m ， 适合进行大 高宽比高精度微结构的制作 。 通过样品台扫描获得 曝光面积为 3 0 × 8 0 m m 。 ， 适合 2 i n 、 3 i n 基片曝光 的要求。 同时， 可 以实现倾斜曝光和 多次对准曝光 。 离线 的配 套 设备包 括镀 膜机 、 刻蚀机 、 电铸 仪和 热压 成型仪等加 工 设备 以及 电镜 、 显 微 镜和 台阶 仪等检测设备 。 L I G A 线站 目前主 要 的资助研 究方 向包括 ： L IG A 相关基础技术研 究、 基于 L I G A 技 术的 M E M S 研制 以及 其他特殊试验 ， 如辐照等 。 L IG A 线站 白运行开放 以来 ， 建立 了 L IG A 技术的研 究平 台和 L I G A 技术的标准工 艺 ， 同时在深 化 L I G A 工 艺研究方面进行了有益地探索 ， 获得 了 一 些新的 结果 。 1 ． 2 同步辐射光刻 利用 L I G A 技术获得的大高宽比高精度微结构 来源 于 同步辐射光刻 。 目前已经 获得 的同步辐射光 刻深度超过 1 m l T l ； 线宽为 5 u m 的图形 ， 高宽比达 到 14 2 ； 线宽为 1 0 p ． m 的图形 ， 高宽比达到 10 0 (图 2 a ) ：线宽为 10 ¨m ， 精度优于 10 ％ ；线宽大于 2 0 “m ， 精度优于 5 ％ 。 同时， 为了提高同步辐射光刻效率， 将紫外光刻胶 S U 8 引入 到 x 射线光刻工 艺 中(图 2 b ) ， 极大地提高了同步辐射光刻效率 。 (c ) 图 2 同步辐射光刻微结构扫描电镜 图
2008年11月 刘刚等:国家同步辐射实验室的LGA技术研究及应用 LIGA技术的一个优势是可以制作三维复杂结 构,典型的应用是制作三维光子晶体。由于同步辐 射光刻具有侧壁陡直性好的特点,通过发展倾斜和 旋转曝光技术,可以获得三维复杂结构;但是受掩 模阴影效应的影响,三维结构的几何尺寸有很多局 限。针对这个问题,作者发展了一种新的三维加工 方法,利用三次对准曝光,不仅可以克服掩模阴 影效应的影响,还可以方便地实现缺陷的添加,大 大地拓展了利用同步辐射光刻制作三维光子晶体的 能力(图2c 1.3微电铸 微电铸工艺是有效传递同步辐射光刻精度的重 要保证。由于微结构中的物质传递以及电流分布的 特殊性,造成不同高宽比的微结构具有不同的电镀 速率,常规电镀工艺往往难以满足高精度复型的需 要,大大地影响了金属微结构的平整性(图3a)。为 了改善微结构中的物质传递,发展了基于兆声搅拌 的微电铸工艺,可以有效地促进不同高宽比微结 构的均匀生长图3b),改善金属微结构的质量。 (b) 图4过电铸过程中金属结构扫描电镜图 14微塑铸 d 塑铸技术是LIGA技术走向实用化、商品化的 关键,通过塑铸工艺复制产品,LIGA技术能够实 现大批量、低成本生产。因此,随着MEMS商品化 的发展,塑铸工艺日益得到重视。热压成型技术是 实现塑铸的主要工艺之一,具有低成本、易操作和 较高的复制精度等优点,因此得到了广泛的关注。 热压成型工艺主要可分为模压过程和脱模过程 两大部分。在脱模过程当中,由于模具的侧壁与聚 合物之间存在着很强的表面作用,聚合物的微结构 有可能拉断、变形甚至毁坏67。随着微结构高宽比 11 的增加,这些现象越来越明显,当高宽比达到一定 100m 数值时,某些微结构的脱模变得不可能进行,几乎 很难得到质量好的结构。目前的聚合物材料MEMS 产品的高宽比只有在7以内才能达到比较高的产品 图3微电铸工艺改进前后金属结构扫描电镜图 合格率。 微电铸工艺是制造金属模具的关键步骤。通常, 针对脱模过程中出现的问题,利用有限元数值软 为了提高模具的强度,微电铸采用过电铸的模式进件分析冷却过程中热应力对脱模初始阶段的影响,并 行。在过电铸过程中,相临的金属微结构之间会形据此进行了高性能MEMS模具的结构设计,引入 成孔穴,引入多余的结构(图4a)。在微电铸工艺中了对称分布的概念,增加了热应力隔断结构,有效地 加入辅助工艺,有效地解决了问题图4b) 降低了热应力带来的脱模问题(图5)
2 0 0 8 年 1 1 月 刘 刚等： 国家 同步辐射实验室 的 L IG A 技术研 究及应用 4 9 L IG A 技术的 一 个优势是可 以制作三 维复杂结 构， 典型的应用是制作三 维光子 晶体 。 由于 同步辐 射光刻具有侧壁 陡直性好 的特点， 通过发展倾斜和 旋转曝光技术 ， 可 以获得三 维复杂结构； 但是受掩 模阴影效应 的影响， 三 维结构的几 何尺寸有很多局 限。 针对这个 问题 ， 作者发展 了 一 种新的三 维加工 方法¨1 ， 利用三 次对准曝光， 不 仅可 以克服掩模阴 影效应 的影响 ， 还可 以方便地实现缺陷的添加 ， 大 大地拓展 了利用同步辐射光刻制作三 维光子 晶体的 能力f 图 2 c ) 。 1 ． 3 微 电铸 微 电铸工 艺是有效传递 同步辐射光刻精度的重 要保证 。 由于微 结构中的物质传递 以及 电流分布 的 特殊性 ， 造成不 同高宽比的微结构具有不 同的 电镀 速率 ， 常规 电镀工 艺往往难 以满足高精度复型的需 要 ， 大大地影响了金属微结构的平整性(IN 3 a ) 。 为 了改善微结构中的物质传递 ， 发展 了基于兆声搅拌 的微 电铸工 艺}4】， 可 以有效地促进 不 同高宽比微结 构的均匀生长f 图 3 b ) ， 改善金属微结构的质量 。 图 3 微 电铸工 艺改进前后金属结构扫描电镜 图 微 电铸工 艺是制造金属模具 的关键步骤 。 通 常 ， 为了提高模具的强度 ， 微 电铸采用过 电铸 的模式进 行 。 在过 电铸过程 中， 相 临的金属微结构之 间会形 成孔穴 ， 引入 多余的结构(IN 4 a ) 。 在微 电铸工 艺 中 加入 辅助工 艺[5l，有效地解决了问题f 图 4 b ) 。 图 4 过 电铸过程中金属结构扫描电镜图 1 ． 4 微塑铸 塑铸技术是 L I G A 技术走 向实用化、 商品化的 关键 ， 通过塑铸工 艺复制产品， L IG A 技术能够实 现大批量 、 低成本生产 。 因此 ， 随着 M E M S 商品化 的发展 ， 塑铸工 艺 日益得到重视 。 热压 成型技术是 实现 塑铸的主要工 艺之 一 ， 具有低成本、 易操作和 较高的复制精度等优点， 因此得到了广泛 的关注 。 热压成型工 艺主要可分为模压过程和脱模过程 两大部分。 在脱模过程当中， 由于模具的侧壁与聚 合物之 间存在着很强的表面作用 ， 聚合物的微结构 有可 能拉断 、 变形甚至毁坏[ 6 - 7 1 。 随着微结构高宽比 的增加 ， 这些现象越来越明显 ， 当高宽比达到～ 定 数值时， 某些微结构的脱模变得不可 能进行 ， 几乎 很难得到质量好的结构 。 目前的聚合物材料 M E M S 产品的高宽比只有在 7 以内才能达到 比较 高的产品 合格率 。 针对脱模过程中出现 的问题 ， 利用有限元数值软 件分析冷却过程 中热应力对脱模初始阶段的影响， 并 据此进行 了高性能 M E M S 模具的结构设计【8J 州 ， 引入 了对称分布的概念， 增加了热应力隔断结构 ， 有效地 降低了热应力带来的脱模问题(图 5 )
机械工程学报 第44卷第11期 (a)有切根 (a)Ni模具 (b)无切根 (b) Ni-PTFE模具 图5模压复制品扫描电镜图 图7模压复制品扫描电镜图 同时,为了有效地减小微结构表面作用带来的 影响,提出了自润滑模具的概念1,利用复合电2NSRL的LGA技术应用 铸工艺将低表面自由能的颗粒引入微模具制作中 (图6),有效地降低了脱模过程中的表面相互作用 NSRL的LGA技术应用主要集中在两个方面: 不仅提高了脱模的高宽比(图7),同时改善了模具的是惯性器件的研制,另一个是微流体器件的研制 连续热压性能,如下表所示,为获得高性能MEMS及应用。 模具开辟了一条新的途径。 大高宽比的惯性器件在很多特殊领域有着广泛 的应用,它的器件性能主要取决于微结构的几何尺 寸,优良的器件性能来自于微结构的大高宽比。 LGA技术特别适合进行大高宽比微结构的制作, 可以大大提高惯性器件的性能,满足特殊条件下的 应用。与用户合作开展了一些工作,主要集中在微 过载开关、微引信等方面的器件制作,取得了一些 初步结果 微流体器件也是非常适合利用LGA技术来加 工的。利用LIGA技术中的微塑铸工艺,开展了毛 16复合电铸的 Ni-PTFE模具扫描电镜图 细管电泳芯片的研制,改进了热压键合工艺,制 作完成了集成了微电极的毛细管电泳芯片(图8,实 表不同微结构尺寸下Ni和 Ni-PTFE 现了对小分子的分离和检测 模具的连续热模压寿命 另一个重要的微流体器件是微型反应器。作者 参数 特征尺寸dpm 对微型反应器进行了比较系统的研究,设计并制作 了几种微型反应器。针对高温气相催化反应,开展 高宽比 N模具寿命 了大高宽比陶瓷微结构的制作工艺研究(图9)4,完 NPTE模具寿命7152050成了陶瓷微型反应器的制作(图10)和乙醇高温催化
机 械 工 程 学 报 第 4 4 卷第 1 1 期 (a】有切根 (b ) 无切根 图 5 模压 复制 品扫描 电镜图 同时， 为 了有效地减小微结构表面 作用带来的 影响， 提 出了 白润滑模具的概念【l 。 心 】， 利用复合 电 铸工 艺将低表面 自由能的颗 粒 引入 微模具制作 中 (图 6 ) ， 有效地 降低 了脱模过程 中的表面相互 作用 ， 不仅提高了脱模的高宽比(图 7 ) ， 同时改善了模具的 连续热压性能， 如下表所示 ， 为获得高性能 M E M S 模具开辟 了 一 条新的途径 。 图 6 复合 电铸的 N i ， P T F E 模具扫描 电镜 图 表 不 同微结构尺 寸下 N i 和 N i ． P T F E 模具的连续热模压寿命 (a ) N i 模具 Co ) N i - P T F E 模具 图 7 模压 复制品扫描电镜图 2 N S R L 的 L I G A 技术应用 N S R L 的 L IG A 技术应用主要集中在两个方面 ： 一 是惯性器件的研制 ， 另一 个是微流体器件的研制 及应用 。 大高宽比的惯性器件在很多特殊领域有着广泛 的应用 ， 它的器件性能主要取决于微结构的几 何尺 寸 ， 优 良的器 件性能来 自于 微 结构 的大高宽 比 。 L I G A 技术特别适合进行大高宽比微结构的制作 ， 可 以大大提高惯性器件的性能， 满足特殊条件下的 应用 。 与用户合作开展 了 一 些工 作， 主要集中在微 过载开关 、 微引信等方面 的器件制作， 取得了 一 些 初步结果 。 微流体器件也是非常适 合利用 L I G A 技术来加 工 的。 利用 L IG A 技术 中的微塑铸工 艺 ， 开展 了毛 细 管电泳芯 片的研制【l 引 ， 改进 了热压 键合工 艺， 制 作完成 了集成 了微 电极的毛细管电泳芯片(图 8 ) ， 实 现 了对小分子 的分离和检测 。 另 一 个重要 的微流体器件是微型反应 器 。 作者 对微型反应器进行 了比较系统 的研 究， 设计并制作 了几种微型反应器 。 针对 高温 气相催化反应 ， 开展 了大高宽比陶瓷微结构的制作工 艺研究(图 9 ) [1训 ， 完 成 了陶瓷微型反应器 的制作f 图 l o )和 乙 醇高温催化
2008年11月 刘刚等:国家同步辐射实验室的LGA技术研究及应用 图8集成了微电极的毛细管电泳芯片 (a)常规反应器 图9陶瓷结构SEM图 (b)微型反应器 图11聚(丙烯酸甲酯)微球SEM图 停止了运行。从我们实验室来看,也存在着相似的问 题,就是用户非常少,LGA线站的利用率很低,LIGA 技术的不景气显而易见。是什么原因造成LIGA技术 的现状呢?原因主要有两点:①MEMS的需求不旺 没有需求,LIGA技术应用的动力不足。②LGA技 术本身的不足,无法满足用户的特殊需求。 目前,大多数MEMS器件不需要LIGA这样的 图10陶瓷微型反应器组装图 高加工精度,硅加工技术基本可以满足其需要。所 重整制氢试验,取得了一些有趣的结果。同时,开以,MEMS需求看起来很不足。针对这个问题, 展了微型反应器的表面修饰工艺研究山,可以有效个有效的方法是扩展MEMS应用范围,大力发展高 地将催化剂添加到微型反应器中。还率先开展了利精度、大高宽比MEMS:微光学MEMS、惯性MEMS 用微型反应器进行聚合反应的研究161,试验结果等。这些MEMS器件的加工依赖于LIGA技术,可 表明,利用微型反应器可以有效地提高聚合物小球以发挥LGA技术的加工优势。同时,由于这些器 的单分散性(图11) 件难以加工,也就具有很好的研究和应用价值。 LIGA技术本身也存在不足,它有很多的固有 3LGA技术的困难 问题需要解决。①首先是同步辐射光刻。由于需 要同步辐射光,所以成本较高,而且不容易实现。 LGA技术的研究及应用已经超过30年。30年②在微电铸工艺中,也有很多问题没有解决。由于 来,LIGA技术给微细加工带来了很多惊喜,大大微结构尺寸很小,同时具有很大的高宽比,电铸要 拓宽了微细加工的加工能力,完成了很多先前无法求非常严格,如何获得高精度高质量的电铸微结构 实现的三维大高宽比复杂结构的制作,成为一种不也是存在不少问题。③在塑铸工艺中,如何保证塑 可替代的加工手段。但是,近几年来,LGA技术料产品的质量是关键问题。随着结构高宽比的增加, 研究及应用似乎停止了前进的步伐,相关文献和报金属模与塑料复制品的脱模分离变得困难,因此图 道越来越少,一些同步辐射装置上的LGA线站也形的缺陷容易产生,如何解决这一问题也成为目前
2 0 0 8 年 1 1 月 刘 刚等： 国家同步辐射实验室 的 L I G A 技术研 究及应用 5 1 图 8 集成 了微 电极的毛 细管电泳芯片 图 9 陶瓷结构 S E M 图 图 10 陶瓷微型反应器组装 图 重整制氢试验 ， 取得 了 一 些有趣 的结果 。 同时， 开 展 了微型反应器 的表面修饰工 艺研 究¨引 ， 可 以有效 地将催化剂添加到微型反应器 中。 还率先开展 了利 用微型反应器进行聚合反应 的研 究¨昏 " J ， 试验结果 表明， 利用微型反应器可 以有效地提高聚合物小球 的单分散性f 图 1 1 ) 。 3 L I G A 技术 的困难 L IG A 技术的研 究及 应用 已经超过 3 0 年 。 3 0 年 来， L IG A 技术给微细加工 带来了很多惊喜 ， 大大 拓宽了微细加工 的加工 能力， 完成 了很多先前无法 实现 的三 维大高宽比复杂结构 的制作 ， 成为 一 种不 可替代的加工 手段 。 但 是 ， 近几年来 ， L I G A 技术 研 究及应用似乎停止 了前进 的步伐 ， 相关文献和报 道越来越少 ， 一 些 同步辐射装置上 的 L I G A 线站也 (a) 常规反应器 (b) 微型反应器 图 1 1 聚(丙烯酸 甲酯)微球 S E M 图 停止 了运行 。 从我们实验室来看， 也存在着相似的问 题， 就是用户非常少， L IG A 线站的利用率很低， L IG A 技术的不景气显而易见。 是什么原因造成 L IG A 技术 的现状呢 ? 原因主要有两点： ① M E M S 的需求不旺， 没有需求 ， L IG A 技术应用的动力不足 。 ② L IG A 技 术本身的不足 ， 无法满足用户的特殊需求。 目前， 大多数 M E M S 器件不需要 L IG A 这样的 高加工 精度， 硅加工 技术基本可 以满足其需要 。 所 以， M E M S 需求看起来很不足 。 针对这个问题 ， 一 个有效的方法是扩展 M E M S 应用范围， 大力发展高 精度、 大高宽比 M E M S ：微光学 M E M S 、 惯性 M E M S 等。 这些 M E M S 器 件的加工 依赖于 L IG A 技术， 可 以发挥 L IG A 技术的加工 优势 。 同时， 由于这些器 件难 以加工 ， 也就具有很好 的研 究和应用价值 。 L IG A 技术本身也存在不 足 ， 它有很多的固有 问题需要解 决 。 ① 首先是 同步辐射光刻 。 由于需 要 同步辐射光 ， 所 以成本较高， 而且 不容易实现 。 ② 在微 电铸工 艺中， 也有很多问题没有解决。 由于 微结构尺寸很小， 同时具有很大 的高宽比， 电铸要 求非常严格 ， 如何获得高精度高质量 的电铸微结构 也是存在不少 问题 。 ③ 在塑铸工 艺中， 如何保证 塑 料产 品的质量 是关键 问题 。 随着结构高宽比的增加 ， 金属模与塑料复制品的脱模分离变得困难 ， 因此 图 形 的缺陷容易产生 ， 如何解决这 一 问题也成为 目前
机械工程学报 第44卷第11期 研究的一个热点。正是由于这些问题,LIGA技术 Microeng, 2004, 14:RI-R14 在实现大高宽比结构时会遇到一些困难,特别是通7] WORGULL M, HECKELE M. New aspects of simulation 常想到利用LGA技术来加工的用户往往会将对高 in hot embossing[]. Microsyst. Technol., 2004, 10: 宽比的需求推向加工极限,造成加工工艺的不稳定, 432-437 难以满足MEMS加工的需求。针对这些问题,我们 [8]GUO Yuhua, LIU Gang, XIONG Ying, et al. Study of the tions for thermal 直坚持以发展LIGA技术来带动用户需求,近几 年来主要工作也是集中在这些方面,通过深化LGA and friction control]. J. Micromech Microeng, 2007, 17 9-19 技术,也的确是解决了不少用户的加工问题。 [9] GUO Yuhua, LIU Gang, XIONG Ying, et al. Study of hot embossing using nickel and Ni-PTFE LIGA Mold inserts[J]. J. 4结论 MEMS,2007,16(3):589597 [10] GUO Yuhua, LIU Gang, ZHU Xuelin, et al. Analysis of the 近年来,NSRL在LIGA技术研究和应用方面 demolding forces during hot embossing]. Microsyst Technol, 开展了深入地研究,针对LIGA技术实现大高宽比 2007,13:411415 微结构的特点,发展了一些有特色的微细加工技术, ZHANG Peng, LIU Gang, TIAN Yangchao,etal.The 拓宽了LIGA技术的应用范围。本文还深入分析了 properties of demoulding of Ni and Ni-PTFE mould in- LIGA技术的发展现状以及所遇到的困难,结果表 sert[J]. Sensors and Actuator, 2005, A118: 338-341 明,LIGA技术具有独特的技术特点和优势,虽然12 TIAN Yangchao, ZHANG Peng, ang, et.The 存在着一些不足,但前景并不暗淡,是一种不可替 lifetime comparision of Ni and Ni-PTFE mouldi 代的加工方法 serts with high aspect-ratio structure[J]. Microsystem 同时,还应该看到,由于商业机密以及国家安 Technologies, 2005, 11: 261-264 全的原因,基于LIGA技术的不少产品一直处于低 [13 ZHU Xuelin, LIU Gang, GUO Yuhua, et al. Study of 调生产状态,所以相关文献和报道很少。德国目前 PMMA thermal bonding. Microsyst. Technol., 200 正在加紧建造一条自动化的IGA装置也是一个很14 WANG Jun, LIU Gan, XIONG Ying, et al. Fabrication of 好的明证8。所以,LIGA技术的前景并不暗淡。 ceramic microcomponents and microreactor for the steam 它具有不可替代的技术优势,关键是如何很好地利 reforming of ethanol[C]/HARMST 07, Besancon, France 用它。大力发展LIGA技术研究,加强与用户合作 2007,179-180 寻找新的技术及应用增长点来吸引更多用户,这可[15] CHANG Zhenqi, LIu Gang, ZHANG Zhicheng. In situ 能是当前我们应该努力去实现的 coating of microreactor inner wall with nickel 参考文献 field[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2004, 69 [I BECKER E, EHRFELD W, HAGMANN P, et al. Fabrica ion of microstructures with high aspect ratios by LIGA [16] CHANG Zhenqi, LIU Gang, FANG Fang, et al. Ray initi- process []. Microelectron. Eng, 1986, 4: 35-56 ated dispersion polymerization of PMA in microreactor[J] [2] BLEY P. The LIGa process for fabrication of 3D micro- Chemical Engineering Journal, 2004, 101: 195-199 scale structures[J]. Interdisc. Sci. Rev., 1993, 18(4): [17] CHANG Zhenqi, LIU Gang, TIAN Yangchao, et al Preparation of micron-size monodisperse poly(vinyl ace- 3] LIU Gang, TIAN Yangchao, XIONG Ying, et al. Fabri tate)microspheres with rays-initiated dispersion polym- cation of 3D photonic crystal by deep x-ray lithography [J] erization in microreactor[J]. Materials Letters, 2004, 58: IE,2006,6110:61100R [4] LIU Gang, HUANG Xinlong, XIONG Ying, et al. Fabri- [18] HAHN L, MEYER P, SCHULZ J, et al. The FELIG pro- ting HARMs by using megasonic assisted electro- ject[C]/HARMST'07, Besanion, france, 2007: 29-30 forming[C]/ HARMST'07, Besancon, france, 2007 23-24. 作者简介:刘刚,男,1972年出生,博士,副研究员。主要从事LIGA [S] GUO Yuhua, LIU Gang, TIAN Yangchao. Investigation on技术、微反应系统和纳米光刻研究,发表论文40余篇 overplatinghigh-aspect-ratiomicrostructure[J].SPIE,2006,E-mail:liugang@ustc.du.cn 6109:61090M. 田扬超,男,1963年出生,博士,研究员。主要从事LGA技术、微反 [6 HECKELE M, SCHOMBURG W. Review on micro应系统和x射线成像及应用研究,发表论文50余篇 nolding of thermoplastic polymers[J]. J. Micromech. E-mail: ychtiangustc educn
52 机 械 工 程 学 报 第44卷第 11期 研究的一个热点。正是由于这些 问题 ，LIGA 技术 在实现大高宽比结构时会遇到一些困难 ，特别是通 常想到利用 LIGA技术来加工的用户往往会将对高 宽比的需求推 向加工极限，造成加工工艺的不稳定， 难以满足 MEMS加工的需求。针对这些 问题，我们 一 直坚持以发展 LIGA 技术来带动用户需求，近几 年来主要工作也是集中在这些方面，通过深化LIGA 技术，也的确是解决了不少用户的加工问题 。 4 结论 近年来，NSRL在 LIGA技术研究和应用方面 开展了深入地研究，针对 LIGA 技术实现大高宽比 微结构的特点，发展了一些有特色的微细加工技术， 拓宽了 LIGA技术的应用范围。本文还深入分析了 LIGA 技术 的发展现状以及所遇到的困难，结果表 明，LIGA 技术具有独特的技术特点和优势，虽然 存在着一些不足，但前景并不暗淡，是一种不可替 代的加工方法。 同时，还应该看到，由于商业机密以及 国家安 全的原因，基于 LIGA技术的不少产品一直处于低 调生产状态，所 以相关文献和报道很少。德国 目前 正在加紧建造一条 自动化的 LIGA装置也是一个很 好的明 J。所以，LIGA 技术的前景并不暗淡。 它具有不可替代的技术优势 ，关键是如何很好地利 用它。大力发展 LIGA技术研究，加强与用户合作， 寻找新的技术及应用增长点来吸引更多用户，这可 能是当前我们应该努力去实现的。 参 考 文 献 [1]BECKERE，EHRFELDW，HAGMA N P’eta1．Fabrication ofmicrostructureswith high aspectratiosby LIGA process[J】．Microelectron．Eng．，l986，4：35—56． [2】BLEYP．TheLIGA processforfabricationof3Dmicro— scalestructures[J]．Interdisc．Sci．Rev．，1993，18(4)： 267．272． [3】LIU Gang，TIAN Yangchao，XIONG Ying，eta1．Fabricationof3Dphotoniccrystalbydeepx-raylithography[J] SPIE，2006，6110： 61100R． [4]LIU Gang，HUANGXinlong，XIONGYing，eta1．Fabricaring HARM S by using megasonic assisted electroforming[C]／／HARMST’07，Besancon，France，2007： 23．24． [5]GUO Yuhua,L1U Gang，TIAN Yangchao．Investigationon overplatinghigh-aspect-ratiomicrostructure【JJ．SPIE，2006， 6109： 61090M ． [6】HECKELE M，SCHOMBURG W．Review on micro molding ofthermoplasticpolymers[J]．J．Micromech． M icroeng．，2004，14： R1-R14． [7】WORGULLM，HECKELEM．Newaspectsofsimulation in hotembossing[J]．Microsyst．Techno1．，2004，10： 432．437． 【8】GUO Yuhua,LIU Gang，XIONGYing，eta1．Studyofthe demoldingproeess_ lieationsforthermalstress，adhesion andfrictioncontrol[J]．J．Micmmeeh．Microeng．，2007，17： 9．19． [9]GUO Yuhua，LIU Gang，XIONGYm'g，eta1．Studyofhot embossingusingnickelandNi-PTFELIGAMoldinserts[J]．J． MEMS，2007，16(3)：589-597． [10]GUOYuhua,LIUGang，ZHUXuelin，eta1．Analysisofthe demoldingforcesduringhotembossing[J]．MicrosystTechnol， 2007．13：4l1_415． [11】ZHANG Peng，LIU Gang，TIAN Yangchao，eta1．The propertiesofdemoulding ofNian d Ni··PTFE mould in·· sert[J]．SensorsandActuator,2005．A118：338·341． [12]TIAN Yangchao，ZHANG Peng，LIU Gang，eta1．The lifetimecomparision ofNiandNi-PTFE moulding inserts with high aspect-ratio structure[J]．Microsystem Technologies，2005，11： 261—264． [13】ZHU Xuelin，L1U Gang，GUO Yuhua，eta1．Studyof PMMA thermalbonding[J]．Microsyst．Techno1．，2007， l3： 403．407． [14】WANGJun，LIUGang，XIONGYing，eta1．Fabricationof ceramicmicrocomponentsand microreactorforthesteam reform ingofethanol[C]／／HARMST’07，Besancon，France， 2007，179—180． [15】CHANG Zhenqi，LIU Gang，ZHANG Zhicheng．Insitu coating of microreactor inner wall with nickel nano-particles prepared by g-irradiation in magnetic field[J]．Radiation PhysicsandChemistry,2004，69： 445．449． [16】CHANGZhenqi，LIUGang，FANGFang，eta1．Ray-initiateddispersionpolymerizationofPMAinmicroreactor[J]． ChemicalEngineeringJournal，2004，101： 195—199． [17】CHANG Zhenqi，LIU Gang，TIAN Yangchao，eta1． Preparationofmicron·sizemonodispersepoly(vinylace· rate)microsphereswithrays-initiateddispersionpolym· erizationinmicroreactor[J]．MaterialsLetters，2004，58： 522．524． [18】HAHN L，MEYERP，SCHULZJ，eta1．TheFELIGproject[C]／／HARMST’07，Besanion，．France，2007：29—30． 作者简介：刘刚，男，1972年出生，博士，副研究员。主要从事 LIGA 技术、微反应系统和纳米光刻研究，发表论文 40余篇 E-mail：liugang@ustc．edu．cn 田扬超，男，1963年出生，博士，研究员。主要从事LIGA技术、微反 应系统和 x射线成像及应用研究，发表论文 50余篇。 E—mail：ychtian@ustc．edu．cn