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 )