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LIGA-Verfahren

Abb. 1: Elektronenstrahlbelichtung
Abb. 1: Elektronen­strahl­litho­graphie
Abb. 2: 2,2 µm Gold aufgalvanisieren
Abb. 2: 2,2 µm Gold aufgalvanisieren
Abb. 3: Röntgenlithographie durch die ZM
Abb. 3: Röntgenlithographie durch die ZM
Abb. 4: Restlichen Resist auf AM auflösen
Abb. 4: Restlichen Resist auf AM auflösen
Abb. 5: Röntgentiefenlithographie über die AM
Abb. 5: Röntgen­tiefen­litho­graphie über die AM
Abb. 6: Wie Abb. 5, von unten gesehen
Abb. 6: Wie Abb. 5, von unten gesehen
Abb. 7: Entwickelte Struktur
Abb. 7: Entwickelte Struktur
Abb. 8: Während der Nickelgalvanik
Abb. 8: Während der Nickel­galvanik
Abb. 9: Fertiger Nickel-Formeinsatz
Abb. 9: Fertiger Nickel-Formeinsatz
Abb. 10: Abformung zur Massenfertigung
Abb. 10: Abformung zur Massenfertigung

Mit dem LIGA-Verfahren lassen sich Mikrostrukturen aus verschiedenen Kunststoffen und Metallen herstellen. Die Abkürzung LIGA steht hierbei für Lithographie, Galvanik und Abformung. Dieses Verfahren wurde in den 1980er Jahren an unserem Institut erfunden und wird bis heute weiter­entwickelt, um auch neuen Anforderungen an Material, Eigenschaften und Qualität der damit hergestellten Mikrostrukturen gerecht werden zu können. Große Stückzahlen von Mikrostrukturen lassen sich über die Herstellung eines Prägewerkzeuges zum anschließenden Heißprägen oder Spritzgießen herstellen.

 

Das LIGA-Verfahren bzw. damit hergestellte Strukturen zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus:

  • große Freiheit hinsichtlich der Formgebung der Mikrostrukturen
  • Aspektverhältnisse bis über 100 (Höhe der Strukturen relativ zu deren Breite)
  • parallele, nahezu senkrechte Seitenwände
  • dazu geneigte Strukturen sind durch Zweitbelichtungen herstellbar
  • optisch glatte (d. h. glänzende) Seitenwände, die auch als optische Spiegel eingesetzt werden können
  • laterale Maßhaltigkeit von einigen Mikrometern über Distanzen von einigen Zentimetern
  • Strukturdetails bis hinab in den Bereich von 50 nm sind realisierbar
     

Die wichtigsten Schritte des LIGA-Verfahrens sind:

  1. Herstellen (d. h. „schreiben“) einer Zwischenmaske (ZM) mit etwa 2 µm hohen Goldabsorberstrukturen mittels Elektronenstrahllithographie und Goldgalvanik.
  2. Kopieren der Zwischenmaske in eine Arbeitsmaske (AM) mit etwa 25 µm hohen Goldabsorberstrukturen mittels Röntgentiefenlithographie und Goldgalvanik.
  3. Kopieren der Arbeitsmaske in 100 µm bis 3000 µm hohe Kunststoffschichten mittels Röntgentiefenlithographie und nasschemischen Auflösens („entwickeln“) der bestrahlten Bereiche.
  4. Galvanisches Abscheiden von Metallen wie Gold, Nickel oder Kupfer in diese Strukturen, um metallische Mikrostrukturen oder Prägewerkzeuge zu erhalten.
  5. Fertigung großer Stückzahlen von Mikrobauteilen durch Übertragung der Mikrostrukturen auf einem Prägewerkzeug in Kunststoffe bei erhöhten Temperaturen.
     

 

Die LIGA-Prozessschritte

 

1. Herstellung einer Zwischenmaske

Die geplante Mikrostruktur wird am Computer mit Hilfe eines CAD-Systems konstruiert. Ein Elektronenstrahlschreiber überträgt diese Zeichnung Punkt für Punkt in eine Kunststoffschicht („Resistschicht“), die sich auf einem Träger („Substrat“) befindet (Abb. 1). Dabei bewegt sich einerseits der Elektronenstrahl in engen Grenzen von 1,2 mm über das Substrat, während andererseits das Substrat über größere Distanzen hinweg unter dem Elektronenstrahl verfahren werden kann. Als Substrat dient in den meisten Fällen ein Siliziumwafer, auf den zuerst eine Kohlenstoffschicht und dann eine 2 µm dicke Titanschicht aufgesputtert wurde, die später als Maskenmembran dienen und die Absorberstrukturen tragen wird. Abschließend wird der so beschichtete Siliziumwafer in einem Aufschleuderprozess mit einer ca. 3 µm dicken Schicht aus noch flüssigem Kunststoff (z. B. PMMA) belackt und dieser bei erhöhter Temperatur gehärtet. Durch den Beschuss mit hochenergetischen Elektronen bei der Elektronenstrahllithographie entstehen aus den langkettigen Molekülen der Resistschicht kurzkettige Moleküle, die sich in einem nasschemischen Entwicklungsschritt selektiv gegen die nicht bestrahlten Bereiche auflösen lassen.

Anschließend werden etwa 2 µm Gold auf dem nicht mehr von Kunststoff bedeckten Titan­unter­grund galvanisch abgeschieden (Abb. 2). Das Gold wird später als Absorbermaterial dienen, da es Röntgenlicht stark absorbiert, während der Titanuntergrund aufgrund seiner geringen Kernladungszahl sehr transparent für Röntgenlicht ist. Nun wird der nicht belichtete Resist in einem Trockenätzprozess vollständig entfernt und auf die Titanoberfläche ein stabiler rechteckiger Rahmen aus einer Invar-Legierung geklebt. Um den Rahmen herum wird die Titanschicht mechanisch angeritzt und vorsichtig vom Siliziumwafer getrennt. Diesen Vorgang ermöglicht die zuallererst aufgebrachte Kohlenstoffschicht, die eine vergleichsweise geringe Haftung auf der Siliziumoberfläche hat und so das Abheben der Titanmembran mit dem Rahmen und der darauf befindlichen Goldabsorber ermöglicht. Der Röntgenkontrast der Zwischenmaske (2 µm Au auf 3 µm Ti) reicht zur röntgentiefenlithographischen Strukturierung von bis zu 70 µm dicken Kunststoffschichten aus. Da in den meisten Fällen höhere Strukturen von Interesse sind, muss aus der Zwischenmaske zumeist eine Arbeitsmaske mit einem höheren Röntgenkontrast hergestellt werden.
 

2. Herstellung einer Arbeitsmaske

Der Herstellungsweg einer Arbeitsmaske ähnelt sehr dem der Herstellung einer Zwischenmaske. Allerdings wird die Arbeitsmaske nicht mittels Elektronenstrahllithographie strukturiert, sondern entsteht durch die Kopie der Goldstrukturen einer Zwischenmaske in eine ca. 60 µm dicke PMMA-Resistschicht mittels Röntgen­tiefen­litho­graphie (Abb. 3). Auch bei dieser Art der Bestrahlung werden kurzkettige Moleküle erzeugt. Nach der Entwicklung der so belichteten Bereiche werden 25 µm dicke Goldabsorber in diesen galvanisch abgeschieden und danach der nicht bestrahlte Resist entfernt (Abb. 4). Aufgrund des erhöhten Röntgenkontrastes lassen sich mit einer Arbeitsmaske bis zu einigen Millimetern dicke Resistschichten mittels Röntgentiefenlithographie strukturieren.
 

3. Fertigung hoher Mikrostrukturen

Die Arbeitsmaske kann nun als Werkzeug zur röntgentiefenlithographischen Strukturierung von Resistschichten aus PMMA mit Dicken bis zu ca. 3 mm eingesetzt werden (Abb. 5 und 6). PMMA-Schichten in diesem Stärkenbereich werden üblicherweise als Folien auf das Substrat geklebt. Die Herstellung direktlithographischer Mikrostrukturen aus PMMA endet mit der zuvor schon erläuterten nasschemischen Entwicklung der bestrahlten Bereiche der PMMA-Schicht (Abb. 7).
 

4. Galvanoformung

Metallische Mikrostrukturen werden mit dem LIGA-Verfahren mittels eines Galvanikschrittes erzeugt. Hierzu wird eine wie im vorigen Abschnitt beschrieben hergestellte direktlithographische Mikrostruktur in ein Galvanikbad gegeben und in den freibestrahlten Bereichen ein Metall (häufig Gold oder Nickel) abgeschieden (Abb. 8). Dies setzt voraus, dass der Strukturgrund elektrisch leitend ist, was durch eine geeignete Vorbearbeitung des Substrates erreicht werden kann. Die metallischen Mikrostrukturen können entweder als solche genutzt werden, oder der Galvanik­vorgang wird so lange fortgesetzt bis über der PMMA-Schicht das Metall zusammengewachsen ist und ein zusammenhängendes Metallstück bildet. Aus diesem kann dann ein insgesamt mehrere Millimeter dickes Prägewerkzeug, das eine mikrostrukturierte Oberfläche hat, mechanisch herausgearbeitet werden (Abb. 9) werden. In der Praxis wird hierfür Nickel als Werkstoff verwendet.
 

5. Massenfertigung durch Heißprägen oder Spritzgießen

Mikrostrukturierte Prägewerkzeuge können unter günstigen Bedingungen mehrere zehntausend Mal dazu verwendet werden, die darauf befindlichen Mikrostrukturen durch Heißprägen oder durch Spritzgießen in eine Vielzahl verschiedener Kunststoffe zu übertragen und auf diese Weise zu vervielfältigen (Abb. 10). Diese Verfahren ermöglichen eine kostengünstige Fertigung von Mikrobauteilen.