Avec le procédé LIGA, il est possible de réaliser des microstructures avec des rapports d'aspect élevés à l'aide de la lithographie profonde aux rayons X. LIGA est synonyme de lithographie, galvanoplastie et prise d'empreinte. Le procédé LIGA a été développé à la fin des années 80 à l'Institut für Kernverfahrenstechnik (IKVT), aujourd'hui Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) au Forschungszentrum Karlsruhe GmbH [Sai 2008] et y est encore amélioré (et dans d'autres endroits du monde, par exemple [Goe 2006]). Le procédé LIGA fournit d'abord des microstructures dans des polymères tels que le PMMA (mieux connu sous le nom de Plexiglas®). Dans une étape de galvanoplastie, ces structures peuvent être copiées dans des structures métalliques en or, nickel, alliages magnétiques nickel-fer ou cuivre. Même les copies en céramique sont possibles. La production industrielle en série de microstructures peut être réalisée par la fabrication d'un outil de moulage au nickel pour le marquage à chaud ou le moulage par injection.

Les propriétés essentielles des structures LIGA sont :

  • grande liberté dans la géométrie du design
  • des rapports d'aspect importants jusqu'à plus de 100 sont possibles
  • parois latérales parallèles avec des angles de flanc proches de 90° (déviation : environ 1 µm pour des structures de 1 mm de hauteur)
  • des parois latérales lisses (Ra dans la gamme de 10 nm) qui conviennent, par exemple, comme miroirs optiques
  • précision dimensionnelle latérale de quelques micromètres sur des distances de quelques centimètres
  • possibilité d'obtenir des détails structuraux dans le domaine des 30 nm sur les parois latérales
  • des structures inclinées supplémentaires sont possibles par une deuxième exposition

La procédure LIGA comprend les étapes de base suivantes :

1.   Fabrication d'un masque à rayons X intermédiaire (MI) avec des structures absorbantes en or d'environ 2,2 µm de haut par écriture par faisceau électronique.
2.   Copie du masque intermédiaire dans un masque de travail (MT) avec des structures absorbantes en or d'environ 25 µm de haut par lithographie aux rayons X profonds.
3.   Copie du masque de travail dans des microstructures de 100 µm à 3000 µm de haut par lithographie en profondeur par rayons X.
4. a) Dépôt galvanique de métaux tels que l'or, le nickel ou le cuivre dans ces structures pour obtenir des microstructures métalliques.
  b) Fabrication d'un insert de moule de plusieurs millimètres d'épaisseur à partir de ces structures par électrodéposition de nickel.
5.   Production en série de microstructures par moulage de l'insert de moule en thermoplastiques.

 

Les étapes du processus sont représentées dans les figures ci-dessous (toutes : ©01). Dans cette illustration, toutes les étapes sont réalisées en résine positive, c'est-à-dire dans une résine qui devient soluble par faisceau d'électrons ou exposition aux rayons X. En cas d'utilisation d'une résine négative par étapes individuelles, une inversion de tonalité se produit aux points correspondants, ce qui s'écarte de l'illustration. Les différentes étapes du processus sont expliquées en détail dans les illustrations.

 

Fabrication d'un masque intermédiaire (MI) :    
LIGA-process: silicon wafer as substrate LIGA-process: Coating the centre part with carbon LIGA-process: Coating with 2 µm titanium
Fig. 1 : Plaquette de silicium comme substrat Fig. 2 : Revêtement du centre avec du carbone Fig. 3 : Revêtement avec 3 µm de titane
     
LIGA-process: Coating with 3.5 µm resist LIGA-process: Electron beam exposure of the resist LIGA-process: After resist development
Fig. 4 : Revêtement avec résine de 3,5 µm Fig. 5 : Exposition au faisceau d'électrons Fig. 6 : Après le développement de la résine
     
LIGA-process: Electroplating with 2.2 µm gold LIGA-process: Dissolving remaining resist LIGA-process: Glueing a 6 mm steel frame
Fig. 7 : Electrodéposition d'or de 2,2 µm Fig. 8 : Résolution de la résine restante Fig. 9 : Collage d'un cadre en acier de 6 mm
     
LIGA-process: Cutting the titanium layer LIGA-process: Separating from the silicon wafer LIGA-process: Finished intermediate mask
Fig. 10 : Coupe à travers la couche de titane Fig. 11 : Soulever le masque de la plaquette de silicium Fig. 12 : Masque intermédiaire fini
     
Fabrication d'un masque de travail (MT) :    
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

Fig. 13 : Plaque en acier MT (face avant polie)

Fig. 14 : Plaque en acier MT (face arrière avec évidement)
Fig. 15 : Ebauche MT avec 2 µm de titane
     
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
Fig. 16 : Ebauche MT avec revêtement de résine de 60 µm Fig. 17 : Lithographie par rayons X à travers le MI Fig. 18 : MT après le développement de la résine
     
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
Fig. 19 : MT après un dépôt d'or de 25 µm Fig. 20 : Résoudre la résine restante en MT Fig. 21 : Face arrière de l'MT gravé
     

Production de structures de photorésine avec un rapport d'aspect élevé par lithographie aux rayons X profonds :

 
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
Fig. 22 : Lithographie en profondeur par rayons X avec la MT Fig. 23 : Comme Fig. 22, vue d'en bas Fig. 24 : Structure développée
     
Electroformage de microstructures métalliques :  
LIGA-process: Electroplating LIGA-process: Flood exposure for resist removing LIGA-process: Metal micro structure on substrate
Fig. 25 : L'électroformage Fig. 26 : Exposition sans masque pour l'enlèvement de la résine Fig. 27 : Microstructure métallique sur substrat
     
LIGA-process: Metal micro structure    
Fig. 28 : Microstructure métallique    
     
Electroformage d'un insert de moule en nickel :    
LIGA-process: Nickel electroplating in process LIGA-process: Nickel electroplating finished LIGA-process: Nickel mould after electroplating
Fig. 29 : Pendant l'électrodéposition de nickel Fig. 30 : L'électrodéposition de nickel terminé Fig. 31 : Insert de moule après électrodéposition
     
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
Fig. 32 : EDM à fil de l'insert de moule, étape 1 Fig. 33 : EDM à fil de l'insert de moule, étape 2 Fig. 34 : Exposition sans masque pour l'enlèvement de la résine
     
LIGA-process: Finished nickel mould    
Fig. 35 : Plaquette de moule en nickel fini    
     
Réplication par moulage à chaud :    
LIGA-process: Moulding for mass replication LIGA-process: Final machine finishing  
Fig. 36 : Impression pour la production en série Fig. 37 : Post-traitement des pièces d'empreinte  

 

La procédure LIGA (telle qu'elle est utilisée à l'IMT) en détail :

1. Fabrication d'un masque à rayons X intermédiaire (MI) :

Tout d'abord, un masque intermédiaire (ZM) est produit. Le design désirée est dessinée sur l'ordinateur avec la CAO et exposée point par point dans une couche d'épargne en utilisant l'écriture par faisceau électronique (Fig. 5). Une tranche de silicium est normalement utilisée comme substrat parce qu'elle est particulièrement plate, lisse et peu coûteuse (Fig. 1). Le substrat est recouvert d'une couche de carbone par pulvérisation cathodique. Cette couche est ensuite utilisée pour séparer le masque fini du substrat. Sur le bord de la plaquette, quelques millimètres ne sont pas revêtus (Fig. 2). La plaquette entière est ensuite recouverte d'une couche de titane de 3 µm d'épaisseur par pulvérisation cathodique, qui forme ensuite la membrane du masque (Fig. 3). La couche de titane n'adhère pas à la couche de carbone, mais au bord étroit où le silicium est visible. Ceci maintient la couche de titane serrée après la pulvérisation, bien qu'elle ait des tensions internes et une tendance à s'enrouler. Le titane de métal léger (faible numéro atomique !) est utilisé car il est presque transparent aux rayons X. La plaquette est ensuite revêtue d'une couche de PMMA de 3,5 µm par centrifugation (Fig. 4). L'épaisseur de la réserve peut être au maximum de 3,5 µm, car les électrons seraient trop fortement diffusés en couches encore plus épaisses lors de l'écriture ultérieure par faisceau électronique à 100 keV, ce qui compromettrait la précision structurelle.

Le PMMA est une résine photosensible positive. Les longues molécules de la réserve frappée par les électrons sont séparées par l'exposition au faisceau d'électrons. Les molécules courtes résultantes peuvent ensuite être dissoutes au cours d'une étape de développement (Fig. 6). Dans certains cas, une réserve négative est utilisée. La réserve négative est constituée de molécules à chaîne courte qui se réticule en molécules à chaîne longue par exposition. 

Dans notre cas, les zones exposées restent stables pendant le développement. Ensuite, une couche d'or d'environ 2,2 µm d'épaisseur est déposée galvaniquement sur les surfaces en titane non recouvertes de résine photosensible (Fig. 7). L'or (numéro atomique élevé !) est utilisé parce qu'il absorbe fortement les rayons X et parce qu'il est facile à déposer galvaniquement. Dans cette étape, l'épaisseur de la couche d'or est critique : si l'or dépasse la hauteur de la réserve, la géométrie souhaitée des structures absorbantes est perdue et le masque devient inutilisable. La réserve restante est dissoute avec un solvant qui attaque également le PMMA non exposé (Fig. 8). Ensuite, un cadre en acier Invar de 6 mm d'épaisseur (à faible coefficient de dilatation thermique) est collé sur la membrane en titane, qui maintient la membrane sensible sous tension (Fig. 9). A l'aide d'un couteau, couper la membrane en titane le long du bord extérieur de l'entourage du masque (Fig. 10) et le masque (Fig. 12) est soigneusement séparé du substrat (Fig. 11). Le contraste des rayons X du masque intermédiaire (2,2 µm Au à 3 µm Ti) est suffisant pour structurer des structures jusqu'à 70 µm de haut par lithographie aux rayons X. Dans la plupart des cas, des structures plus élevées sont nécessaires. C'est pourquoi un masque de travail avec un contraste de rayons X plus élevé est nécessaire.

2. Fabrication d'un masque de travail (AM) :

Un masque de travail est une copie lithographique par rayons X d'un masque intermédiaire dans le but d'obtenir un masque avec un contraste de rayons X plus élevé. Dans la production de masques de travail, vous pouvez commencer avec différents substrats. Une possibilité est de commencer avec une plaque d'acier Invar avec une face avant polie (Fig. 13). Un évidement est fraisé à l'arrière du panneau, laissant un mur de quelques millimètres d'épaisseur (Fig. 14). La face avant est pulvérisée avec une membrane en titane de 3 µm d'épaisseur (Fig. 15). La membrane en titane est ensuite recouverte d'une couche de PMMA de 60 µm (Fig. 16). La couche de photoréserve est structurée par lithographie aux rayons X avec le masque intermédiaire (Fig. 17). Après le développement de la couche de résist exposée (Fig. 18), des absorbeurs en or de 25 µm d'épaisseur sont déposés galvaniquement (Fig. 19). La réserve restante est ensuite exposée à la lumière des rayons X sans masque pour être ensuite dissoute (Fig. 20). Lors de l'étape finale, l'acier est retiré par l'arrière avec un agent de gravure sélectif, de sorte qu'il ne reste que la membrane en titane (Fig. 21).

3. Réalisation de structures avec un rapport d'aspect élevé par lithographie aux rayons X profonds :

Dans l'étape de lithographie en profondeur par rayons X, le masque de travail est projeté dans une couche de PMMA résist relativement épaisse (100 µm à environ 3 mm) (Figs. 22, 23). Les couches de PMMA de cette épaisseur sont généralement collées au substrat, mais dans certains cas, elles peuvent aussi être coulées puis polymérisées. Habituellement, il y a un entrefer de 50 µm à 150 µm entre le masque et la surface de la résine. Cette distance est appelée distance de proximité et est utilisée pour protéger le masque des dommages causés par le contact avec la résine. La production de structures lithographiques directes se termine avec l'étape de développement (Fig. 24).

4. Électroformage :

Les microstructures métalliques sont fabriquées par galvanoplastie. Les microstructures sont produites sur un substrat électriquement conducteur ou - dans le cas d'un substrat non conducteur - le substrat, y compris les microstructures, est rendu conducteur par dépôt en phase vapeur avec une mince couche d'or, par exemple. La couche métallique est ensuite déposée dans l'étape de galvanoplastie (Fig. 25). Les microstructures métalliques qui en résultent peuvent être utilisées comme telles si le processus est arrêté avant que la couche métallique n'ait atteint la hauteur de la résine (ceci n'est possible que dans le cas d'un substrat conducteur, sinon toute la surface va surcroître). La réserve restante est exposée dans une exposition par inondation sans masque et enlevée en une étape de développement (Fig. 26). Les microstructures métalliques du substrat sont ensuite détachées (Fig. 27). Ceci peut être fait en cassant mécaniquement les structures du substrat si les structures n'adhèrent pas trop fortement ou en dissolvant chimiquement le substrat. Pour éviter la déformation des microstructures, une couche sacrificielle (par exemple en titane) peut être appliquée sur le substrat avant structuration. Après l'électrodéposition, cette couche est enlevée à l'aide d'un agent de décapage sélectif (par ex. HF pour le titane) afin que les structures (Fig. 28) tombent du substrat. Cette méthode de couche sacrificielle peut également être utilisée pour créer des structures qui sont en partie reliées au substrat et en partie autoportantes, qui peuvent ensuite être déplacées (par exemple, dans les capteurs d'accélération).

La fabrication en série de microstructures n'est possible qu'avec un insert de moule. Le processus de galvanoplastie n'est achevé que lorsque la couche de nickel est épaisse de quelques millimètres et que les microstructures en PMMA sont complètement recouvertes de nickel (Figs. 29, 30). Le bloc de nickel (Fig. 31) est séparé mécaniquement du substrat (par exemple une plaque de cuivre de 8 mm d'épaisseur) et découpé par électroérosion à fil selon une forme définie (Fig. 32, 33). Après une exposition complète sans masque (Fig. 34), les résidus de résine photosensible dans l'outil de formage  sont dissous (Fig. 35).

5. Production en série par moulage ou moulage par injection :

Plusieurs dizaines de milliers d'empreintes ou de cycles de moulage par injection peuvent être réalisés avec l'insert de moule en nickel (Fig. 36). La plupart du temps, les pièces moulées doivent être retravaillées mécaniquement (Fig. 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, pp. 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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