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 i￾cro—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