Mit dem LIGA-Verfahren lassen sich Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnissen mittels Röntgentiefenlithographie herstellen. LIGA steht für Lithographie, Galvanik und Abformung. Das LIGA-Verfahren ist in den späten 1980er Jahren am "Institut für Kernverfahrenstechnik" (IKVT), heute "Institut für Mikrostrukturtechnik" (IMT) an der Forschungszentrum Karlsruhe GmbH entwickelt worden [Sai 2008] und wird dort (und an vielen anderen Orten weltweit, z. B. [Goe 2006]) bis heute verbessert. Das LIGA-Verfahren liefert zuerst Mikrostrukturen in Polymeren wie z. B. PMMA (besser bekannt als Plexiglas®). Über einen Galvanikschritt können diese Strukturen in metallische Strukturen aus z. B. Gold, Nickel, magnetischen Nickel-Eisen-Legierungen oder Kupfer umkopiert werden. Sogar Kopien in Keramik sind möglich. Eine industrielle Massenfertigung von Mikrostrukturen lässt sich über die Herstellung eines Abformwerkzeugs aus Nickel zum anschließenden Heißprägen oder Spritzgießen realisieren.

Die wesentlichen Eigenschaften der LIGA-Strukturen sind:

  • große Freiheit bei der Geometrie des Layouts
  • große Aspektverhältnisse bis über 100 sind möglich
  • parallele Seitenwände mit Flankenwinkeln nahe 90° (Abweichung: etwa 1 µm für 1 mm hohe Strukturen)
  • glatte Seitenwände (Ra im Bereich von 10 nm), die z. B. als optische Spiegel geeignet sind
  • laterale Maßhaltigkeit von einigen Mikrometern über Abstände von einigen Zentimetern
  • Strukturdetails im 30 nm-Bereich auf Seitenwänden sind möglich
  • zusätzliche, geneigte Strukturen sind über Zweitbelichtungen möglich

Das LIGA-Verfahren besteht aus folgenden grundlegenden Schritten:

1.  

Herstellung einer Röntgen-Zwischenmaske (ZM) mit etwa 2,2 µm hohen Goldabsorberstrukturen durch Elektronenstrahlschreiben.

2.  

Kopie der Zwischenmaske in eine Arbeitsmaske (AM) mit etwa 25 µm hohen Goldabsorberstrukturen durch Röntgentiefenlithographie.

3.  

Kopie der Arbeitsmaske in 100 µm bis 3000 µm hohe Mikrostrukturen durch Röntgentiefenlithographie.

4. a) Galvanische Abscheidung von Metallen wie Gold, Nickel oder Kupfer in diese Strukturen, um metallische Mikrostrukturen zu erhalten.
  b) Herstellung eines mehrere Millimeter dicken Formeinsatzes aus diesen Strukturen durch galvanische Abscheidung von Nickel.
5.   Massenfertigung von Mikrostrukturen über die Abformung des Formeinsatzes in thermoplastische Kunststoffe.

 

Die Prozessschritte sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt (alle: ©01). In dieser Darstellung sind alle Schritte in Positivresist ausgeführt, also in einem Resist, der durch eine Elektronenstrahl- oder Röntgenbelichtung löslich wird. Wird in einzelnen Schritten Negativresist eingesetzt, ergibt sich abweichend von der Darstellung an den entsprechenden Stellen eine Tonumkehr. Die einzelnen Prozessschritte werden im Detail unter den Abbildungen erläutert.

 

Herstellung einer Zwischenmaske (ZM):    
LIGA-process: silicon wafer as substrate LIGA-process: Coating the centre part with carbon LIGA-process: Coating with 2 µm titanium
Abb. 1: Siliziumwafer als Substrat Abb. 2: Mitte mit Kohlenstoff beschichten Abb. 3: Mit 2 µm Titan beschichten
     
LIGA-process: Coating with 3.5 µm resist LIGA-process: Electron beam exposure of the resist LIGA-process: After resist development
Abb. 4: Mit 3,5 µm Resist beschichten Abb. 5: Elektronenstrahlbelichtung Abb. 6: Nach der Resistentwicklung
     
LIGA-process: Electroplating with 2.2 µm gold LIGA-process: Dissolving remaining resist LIGA-process: Glueing a 6 mm steel frame
Abb. 7: 2,2 µm Gold aufgalvanisieren Abb. 8: Restlichen Resist auflösen Abb. 9: 6 mm Stahlrahmen aufkleben
     
LIGA-process: Cutting the titanium layer LIGA-process: Separating from the silicon wafer LIGA-process: Finished intermediate mask
Abb. 10: Titanschicht durchtrennen Abb. 11: Abheben der Maske vom Si-Wafer Abb. 12: Fertige Zwischenmaske
     
Herstellung einer Arbeitsmaske (AM):    
LIGA-process: Working mask steel plate (polished front side) LIGA-process: Working mask steel frame (thinned back side) LIGA-process: Working mask blank coated with 2 µm titanium

Abb. 13: AM Stahlplatte (polierte Vorderseite)

Abb. 14: AM Stahlplatte (Rückseite mit Vertiefung)
Abb. 15: AM-Rohling mit 2 µm Titan
     
LIGA-process: Working mask blank coated with 60 µm resist LIGA-process: X-ray lithography through the intermediate mask LIGA-process: Working mask blank after resist development
Abb. 16: AM-Rohling mit 60 µm resist beschichten Abb. 17: Röntgenlithographie durch die ZM Abb. 18: AM nach der Resistentwicklung
     
LIGA-process: Working mask after electro plating 25 µm gold LIGA-process: Working mask after dissolving remaining resist LIGA-process: Backside of the etched working mask
Abb. 19: AM nach 25 µm Goldgalvanik Abb. 20: Restlichen Resist auf AM auflösen Abb. 21: Rückseite der geätzten AM
     

Herstellung von Resiststrukturen mit hohem Aspektverhältnis durch Röntgentiefenlithographie:

LIGA-process: X-ray lithography from the working mask LIGA-process: X-ray lithography from the working mask, seen from below LIGA-process: Developed structure
Abb. 22: Röntgentiefenlithographie über die AM Abb. 23: Wie Abb. 22, von unten gesehen Abb. 24: Entwickelte Struktur
     
Galvanoformung von Metallmikrostruturen:  
LIGA-process: Electroplating LIGA-process: Flood exposure for resist removing LIGA-process: Metal micro structure on substrate
Abb. 25: Galvanoformung Abb. 26: Flutbelichtung zur Resistentfernung Abb. 27: Metallmikrostruktur auf Substrat
     
LIGA-process: Metal micro structure    
Abb. 28: Metallmikrostruktur    
     
Galvanoformung eines Nickelformeinsatzes:  
LIGA-process: Nickel electroplating in process LIGA-process: Nickel electroplating finished LIGA-process: Nickel mould after electroplating
Abb. 29: Während der Nickelgalvanik Abb. 30: Nickelgalvanik beendet Abb. 31: Formeinsatz nach der Galvanik
     
LIGA-process: Wire eroding of the mould, step 1 LIGA-process: Wire eroding of the mould, step 2 LIGA-process: Flood exposure before resist removing
Abb. 32: Drahterodieren des Formeinsatzes, Schritt 1 Abb. 33: Drahterodieren des Formeinsatzes, Schritt 2 Abb. 34: Flutbelichtung zur Resistentfernung
     
LIGA-process: Finished nickel mould    
Abb. 35: Fertiger Nickel-Formeinsatz    
     
Replikation durch Heißprägen:    
LIGA-process: Moulding for mass replication LIGA-process: Final machine finishing  
Abb. 36: Abformung zur Massenfertigung Abb. 37: Nachbearbeitung der Abformteile  

 

Das LIGA-Verfahren(wie es am IMT genutzt wird) im Detail:

 

1. Herstellung einer Zwischenmaske (ZM):

Zuerst wird eine Zwischenmaske (ZM) hergestellt. Dazu wird das gewünschte Layout am Computer mit CAD gezeichnet und mittels Elektronenstrahlschreiben Punkt für Punkt in eine Resistschicht belichtet (Abb. 5). Als Substrat dient normalerweise ein Siliziumwafer, weil dieser besonders eben, glatt und preiswert ist (Abb. 1). Das Substrat wird mit einer Kohlenstoffschicht besputtert. Diese Schicht wird später gebraucht, um die fertige Maske vom Substrat zu trennen. Am Rand des Wafers werden einige Millimeter nicht besputtert (Abb. 2). Dann wird der ganze Wafer mit einer 2 µm dicken Titanschicht besputtert, die später die Maskenmembran bilden (Abb. 3). Die Titanschicht haftet nicht an der Kohlenstoffschicht, aber an dem schmalen Rand, wo das Silizium sichtbar ist. Dadurch bleibt die Titanschicht nach dem Sputterprozess straff gespannt, obwohl sie innere Spannungen aufweist und eine Tendenz hat sich aufzurollen. Das Leichtmetall Titan (niedrige Ordnungszahl!) wird genutzt, weil es für Röntgenlicht fast transparent ist. Anschließend wird der Wafer durch Schleuderbelacken mit 3,5 µm PMMA-Resist beschichtet (Abb. 4). Die Resistdicke kann maximal 3,5 µm betragen, weil die Elektronen beim anschließenden Elektronenstrahlschreiben mit 100 keV in noch dickeren Schichten zu stark gestreut würden, wodurch die  Strukturpräzision leiden würde.

PMMA ist ein Positivresist. Durch die Elektronenstrahlbelichtung werden die von den Elektronen getroffenen, langkettigen Moleküle des Resists aufgetrennt. Die dabei entstehenden kurzkettigen Moleküle können anschließend in einem Entwicklungsschritt aufgelöst werden (Abb. 6). In einigen Fällen wird Negativresist eingesetzt. Negativresist besteht aus kurzkettigen Molekülen, die durch die Belichtung zu langkettigen Molekülen vernetzen.

Bei der Entwicklung bleiben in unserem Fall die belichteten Bereiche stehen. Anschließend wird galvanisch eine etwa 2,2 µm dicke Goldschicht auf den nicht von Resist bedeckten Titanflächen abgeschieden (Abb. 7). Gold (hohe Ordnungszahl!) wird verwendet, weil es Röntgenlicht stark absorbiert und weil es sich gut galvanisch abscheiden lässt. In diesem Schritt ist die der Goldschicht kritisch: wenn das Gold höher aufwächst als die Höhe des Resists, geht die gewünschte Geometrie der Absorberstrukturen verloren und die Maske wird unbrauchbar. Der restliche Resist wird mit einem Lösungsmittel aufgelöst, das auch unbelichtetes PMMA angreift (Abb. 8). Dann wird ein 6 mm starker Invar-Stahlrahmen (hat einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) auf die Titanmembran aufgeklebt, welcher die empfindliche Membran gespannt hält (Abb. 9). Mit einem Messer wird die Titanmembran entlang der Außenkante des Maskenrahmens durchtrennt (Abb. 10) und die Maske (Abb. 12) wird vorsichtig vom Substrat getrennt (Abb. 11). Der Röntgenkontrast der Zwischenmaske (2,2 µm Au auf 2 µm Ti) reicht aus zur Strukturierung von bis zu 70 µm hohen Strukturen mittels Röntgenlithographie. In den meisten Fällen werden höhere Strukturen gebraucht. Also benötigt man eine so genannte Arbeitsmaske mit einem höheren Röntgenkonstrast.

2. Herstellung einer Arbeitsmaske (AM):

Eine Arbeitsmaske ist eine röntgenlithographische Kopie einer Zwischenmaske mit dem Ziel, eine Maske mit einem höheren Röntgenkonstrast zu erhalten. Bei der Arbeitsmaskenfertigung kann mit unterschiedlichen Substraten begonnen werden. Eine Möglichkeit ist, mit einer Invar-Stahlplatte mit polierter Vorderseite zu beginnen (Abb. 13). In die Rückseite der Platte wird eine Aussparung gefräst, wobei eine wenige Millimeter dicke Wand stehen bleibt (Abb. 14). Die Vorderseite wird mit einer 2 µm dicken Titanmembran besputtert (Abb. 15). Dann wird die Titanmembran mit einer 60 µm dicken PMMA-Resistschicht beschichtet (Abb. 16). Die Resistschicht wird röntgenlithographisch über die Zwischenmaske strukturiert (Abb. 17). Nach der Entwicklung der belichteten Resistschicht (Abb. 18) werden galvanisch 25 µm dicke Goldabsorber abgeschieden (Abb. 19). Anschließend wird der verbleibende Resist ohne Maske mit Röntgenlicht flutbelichtet, so dass er danach aufgelöst werden kann (Abb. 20). Im letzten Schritt wird von der Rückseite der Stahl mit einem selektiven Ätzmittel entfernt, so dass nur die freitragende Titanmembran stehen bleibt (Abb. 21).

3. Fertigung von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis durch Röntgentiefenlithographie:

Im röntgentiefenlithographischen Schritt erfolgt eine Schattenprojektion der Arbeitsmaske in eine relativ dicke PMMA-Resistschicht (100 µm bis etwa 3 mm) (Abb. 22, 23). Meist werden PMMA-Schichten dieser Dicke auf das Substrat aufgeklebt, sie können in manchen Fällen aber auch gegossen und dann polymerisiert werden. Üblicherweise bleibt ein Luftspalt von 50 µm bis 150 µm zwischen der Maske und der Oberfläche des Resist. Dieser Abstand wird Proximity-Abstand genannt und dient dazu, die Maske vor Schäden durch einen Kontakt mit dem Resist zu schützen. Die Herstellung von direktlithopraphischen Strukturen endet mit dem Entwicklungsschritt (Abb. 24).

4. Galvanoformung:

Metallische Mikrostrukturen werden über einen Galvanikschritt gefertigt. Dazu werden die Mikrostrukturen auf einem elektrisch leitenden Substrat hergestellt oder -bei nichtleitendem Substrat- das Substrat samt Mikrostrukturen wird durch Bedampfen mit einer dünnen z. B. Goldschicht leitend gemacht. In dem Galvanikschritt wird dann die Metallschicht abgeschieden (Abb. 25). Die entstehenden metallischen Mikrostrukturen können entweder als solche genutzt werden, wenn der Prozess gestoppt wird, bevor die Metallschicht die Höhe des Resists erreicht hat (dies ist nur im Falle eines leitenden Substrats möglich, da sonst die gesamte Fläche überwächst). Über eine Flutbelichtung ohne Maske wird der restliche Resist belichtet und in einem Entwicklungsschritt entfernt (Abb. 26). Dann werden die metallischen Mikrostrukturen von Substrat gelöst (Abb. 27). Dies kann durch mechanisches Abbrechen der Strukturen vom Substrat erfolgen, wenn die Strukturen nicht zu stark haften oder durch chemisches Auflösen des Substrats. Zur Vermeidung von Deformationen der Mikrostrukturen kann vor der Strukturierung eine Opferschicht (z. B. aus Titan) auf das Substrat aufgebracht werden. Diese Schicht wird nach der Galvanik mit einem selektiven Ätzmittel (z. B. HF für Titan) entfernt, so dass die Strukturen (Abb. 28) vom Substrat abfallen. Mit diesem Opferschichtverfahren können auch mit dem Substrat teilweise verbundene und teilweise unterätzte Strukturen erzeugt werden, die dann beweglich sind (z. B. in Beschleunigungssensoren).

Eine Massenfertigung von Mikrostrukturen ist nur mit einem Formeinsatz möglich. Dazu wird der Galvanikprozess erst beendet, wenn die Nickeschicht einige Millimeter dick ist und die PMMA-Mikrostrukturen komplett überwachsen sind (Abb. 29, 30). Der Nickelblock (Abb. 31) wird mechanisch vom Substrat (z. B. einer 8 mm dicken Kupferplatte) getrennt und mittels Drahterodieren in eine definierte Form gebracht (Abb. 32, 33). Nach einer Flutbelichtung (Abb. 34) werden die Resistreste im Formwerkzeug (Abb. 35) aufgelöst. 

5. Massenfertigung durch Abformung oder Spritzgießen:

Mit dem Nickelformeinsatz können mehrere zehntausend Abformungen Abformungen oder Spritzgusszyklen erfolgen (Abb. 36). Abgeformte Teile müssen meist mechanisch nachbearbeitet werden (Abb. 37).

 

[Goe 2006] J. Goettert, P. Datta, Y. Desta, Y. Jin, Z. Ling, V. Singh, LiGA Research and Service at CAMD, International MEMS Conference 2006, Journal of Physics: Conference Series 34, S. 912–918, DOI: 10.1088/1742-6596/34/1/151, 2006
[Sai 2008] Edited by V. Saile, U. Wallrabe, O. Tabata, J. G. Korvink, LIGA and its Applications, Advanced Micro & Nanosystems, vol. 7, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-31698-4, 2008
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