LIGA/UV-LIGA电镀 | 金属微结构\射频器件\惯性传感器\散热微结构应用

微系统（Microsystem,欧洲惯用词）、微机电系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS,美国惯用词）和微机械（Micromachine,日本惯用词）能够将微传感器、微执行器、信号处理、控制电路、微能源、热管理及各种形式的接口，通过综合设计形成多功能于一体的集成器件或系统。MEMS作为智能微系统实现的五大构成要素之一，被认为是狭义上的微系统技术，本质上是一种实现单一或多类用途的综合性前沿技术，涉及微电子学、信息学、光学、声学、化学、流体力学、自动控制、材料科学等多学科交叉。MEMS 技术制备的器件具有微型化、集成化、稳定性高、可批量生产等特点，在信息、生物、汽车、军事等领域具有广泛的应用前景，对国家保持技术领先优势具有重要意义。

随着 MEMS 技术中的金属微结构器件应用需求和加工难度的不断增加，电镀已经发展为 MEMS 器件实现工艺中不可缺少的一种。电镀工艺不再限于作为表面防护层应用，而是通过微区电镀来制备MEMS 所需的特定金属机械微结构、功能微结构、互联微结构及散热微结构等。MEMS 技术中的电镀工艺与传统电镀过程最大的不同点在于，往往需要伴随以晶圆为载体的辅助工艺步骤，如种子层制备、光刻、腐蚀、研磨抛光、激光修调、多层堆叠等加工步骤，工艺方法相对更加复杂。

LIGA 是德文“光刻、电铸和注塑”的缩写，也是最早的以电铸结构为主的 MEMS 加工技术。LIGA工艺过程包括 X 光同步辐射光刻、电铸制模和注模复制步骤，工艺步骤流程。光刻需要在导电衬底上涂厚光刻胶，一般用甲基丙烯酸甲酯（PMMA），它的化学特性是经 X 射线照射后可以被显影剂溶解。制膜要利用电镀微结构的方法在导电衬底上沉积金属，为了不引起微结构的变形，LIGA电镀过程要求沉积的金属具有最小的应力，且在开模的过程中不会发生粘连导致微结构损坏，一般的可用电镀材料包括金、铜、镍以及镍合金等。电镀得到的金属微结构模型称为型芯，注膜复制工艺就是通过型芯大批量生产微型器件，成型的主要方法包括注射成型和热膜压印两种。由于 X 射线有非常高的平行度和极强的辐射强度，使得 LIGA 技术能够制造出深宽比达到 500、厚度从数百微米到毫米级别、侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维体结构，这是其它微制造技术无法实现的。此外，采用 LIGA技术结合多掩模套刻、掩模板线性移动、倾斜承片台、背面倾斜光刻等措施，还能制造含有叠状、斜面、曲面等结构特征的三维微小元器件。

由于 LIGA 技术需要极其昂贵的 X射线光源和制作复杂的掩模板，其工艺成本非常高，限制了该技术在工业上的广泛应用。于是出现了一类应用低成本光刻光源和掩模的制造工艺，这种新的加工技术制造性能与 LIGA 技术相当，通称为准 LIGA 技术或 LIGA-like技术。其中，使用紫外光源对光刻胶曝光的 UV-LIGA 技术是一种成本和步骤都相对简单的工艺，最常用的是采用SU-8 负型胶代替 PMMA 正胶作为光敏材料，可以减少曝光时间并提高加工效率。通常加工厚度可达 0.5 mm 以上，深宽比达 20︰1 以上，侧壁陡直、表面平整，是最为常用的 MEMS加工工艺之一。

金属微结构能够作为微系统组成的传动装置、支撑结构、减震结构、执行器等进行使用。UV-LIGA 技术主要针对深宽比要求相对高且结构相对简单的金属微结构，如高深宽比的齿轮、支撑架、微管等。目前报道的 UV-LIGA工艺中已知的最大的深宽比可以达到 190︰1 以上，该结果由美国路易斯安那大学通过使用 Cargille 折射率匹配液进行 SU-8 光刻间隙补偿方法后得到。

惯性传感器是 MEMS 技术中的一大类代表性应用，MEMS 惯性传感器主要包括 MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、惯性开关等典型产品，集成化、低功耗、低成本的 MEMS 惯性传感器主要满足民用消费需求，高性能、特殊应用环境下的 MEMS 传感器主要应用于军事领域。利用体工艺或表面微加工工艺制造惯性传感器往往需要昂贵的设备，除光刻设备以外，DRIE、阳极键合、气相沉积等设备都是十分常用的。而以电镀技术为主体结构实现的 MEMS 惯性传感器主要采用紫外线光刻和电铸设备，如 UV-LIGA 技术可以用来制备陀螺、加速度计、惯性开关等。

电镀工艺在制备 MEMS 射频器件方面有着先天的技术优势，尤其是以电镀铜、金等具有高电导率金属为主体结构的射频器件。

MEMS 器件组成的微系统具有集成度高、微小型化、功能强大等特点，但同时该结构对系统散热性能有很高的要求，尤其是伴随着 GaN 等三代半导体材料的逐步应用，导致系统的散热密度和散热难度急剧增大，具体体现为高面热流度、高体热流密度和热堆叠。降低系统工作时器件的温度，是有效提升器件使用寿命的方法。电镀技术能够沉积高导热的金属铜作为通道体结构或辅助结构，形成特有的微型散热片结构。

电镀工艺有着其它微加工技术不具备的典型优势。其一，电镀工艺是一种典型增材加工方法，能够采用类似于多层堆叠的加法模式，较容易形成三维器件结构，为复杂金属微器件制备提供了良好途径；其二，电镀工艺不需要昂贵的真空环境设备，尤其是以电镀铜和电镀镍为主的器件应用，是潜力极大的低成本、批量化加工方法。