A través del proceso LIGA se pueden lograr microestructuras de alta relación de aspecto, mediante el uso de litografía profunda de rayos X. La sigla “LIGA” proviene del alemán y es una abreviación de “litografía, galvanización y conformado”. El proceso LIGA fue desarrollado a fines de los años 80 en el Instituto de Ingeniería Nuclear (“Institut für Kernverfahrenstechnik” o IKVT), hoy en día llamado Instituto de Ingeniería Microestructural (“Institut für Mikrostrukturtechnik” o IMT), en el Centro de Investigación de Karlsruhe GmbH [Sai 2008]. Hasta el día de hoy se continúa desarrollando, tanto en Karlsruhe como en distintos lugares alrededor del mundo, p. ej. [Goe 2006].

En el proceso LIGA comienza con la elaboración de microestructuras en polímeros como p. ej. PMMA (mejor conocido como “plexiglás”). Mediante un proceso de galvanización se pueden copiar las estructuras a un material metálico, como p. ej. oro, níquel, aleaciones magnéticas de hierro-níquel o cobre. También se pueden hacer copias en cerámicas. La posterior producción en serie se puede lograr con un molde de níquel mediante estampado o inyección.

Las principales propiedades de una estructura hecha a partir del proceso LIGA son:

  • gran libertad en la geometría del diseño
  • Se pueden llegar a altas relaciones de aspecto (más de 100)
  • paredes laterales paralelas con ángulos cercanos a los 90° (desvío de 1 µm para estructuras de 1 mm de alto)
  • paredes laterales lisas (Ra en el orden de 10 nm), que pueden ser usadas p. ej. como espejos
  • estabilidad lateral de algunos micrómetros en distancias de varios centímetros
  • se pueden lograr detalles estructurales del orden de 30 nm en las paredes laterales
  • se pueden lograr estructuras inclinadas adicionales mediante una segunda exposición

El proceso LIGA está compuesto por los siguientes pasos básicos:

1.   Elaboración de una máscara intermedia (MI) de rayos X con estructuras de absorción de oro de aprox. 2,2 µm de espesor, mediante un haz de electrones.
2.   Copia de la máscara intermedia a una máscara de trabajo (MT) con estructuras de absorción de oro de aprox. 25 µm de espesor, mediante litografía profunda de rayos X.
3.   Copia de la máscara de trabajo en microestructuras de 100 µm a 3000 µm de espesor mediante litografía profunda de rayos X.
4. a) Separación galvánica de metales como oro, níquel o cobre en estas estructuras, para lograr microestructuras metálicas.
  b) Elaboración de un molde de estas estructuras de unos milímetros de espesor, a través de la separación galvánica del níquel.
5.   Producción en serie de microestructuras a través del estampado en materiales termoplásticos.

 

Los pasos del proceso están ilustrados en las imágenes a continuación (todas: ©01). En la presentación se muestran los pasos sobre fotoresina positiva, como sobre una fotoresina soluble mediante exposición a rayos X o haz de electrones. Si se llegara a utilizar fotoresina negativa en algunos pasos, habría diferencias con las ilustraciones y cambios de tono. Los distintos pasos de detallan debajo de cada imagen.

 

Elaboración de una máscara intermedia (MI):    
LIGA-process: silicon wafer as substrate LIGA-process: Coating the centre part with carbon LIGA-process: Coating with 2 µm titanium
Imagen 1: plaqueta de silicio como sustrato Imagen: medio cubierto con una capa de carbón Imagen: capa de titanio de 2 µm
     
LIGA-process: Coating with 3.5 µm resist LIGA-process: Electron beam exposure of the resist LIGA-process: After resist development
Imagen 4: fotoresina de 3,5 µm Imagen 5: iluminación con un haz de electrones Imagen 6: luego del desarrollo de la fotoresina
     
LIGA-process: Electroplating with 2.2 µm gold LIGA-process: Dissolving remaining resist LIGA-process: Glueing a 6 mm steel frame
Imagen 7: galvanizado de 2,2 µm de oro Imagen 8: dilución del remanente de fotoresina Imagen 9: pegado de un marco de acero de 6 mm
     
LIGA-process: Cutting the titanium layer LIGA-process: Separating from the silicon wafer LIGA-process: Finished intermediate mask
Imagen 10: separación de la capa de titanio Imagen 11: separación de la máscara de la plaqueta de silicio Imagen 12: máscara intermedia terminada
     
Elaboración de una máscara de trabajo (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

Imagen 13: placa de acero de la MT (parte delantera pulida)

Imagen 14: placa de acero de la MT (parte trasera con desnivel)
Imagen 15: MT en bruto con 2 µm de titanio
     
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
Imagen 16: capa de fotoresina de 60 µm sobre la MT en bruto Imagen 17: litografía de rayos X a través de la MI Imagen 18: MT luego del desarrollo de la fotoresina
     
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
Imagen 19: MT luego de un galvanizado de oro de 25 µm Imagen 20: dilución del remanente de fotoresina sobre la MT Imagen 21: parte trasera de la MT marcada
     

Elaboración de la fotoresina de alta relación de aspecto mediante litografía profunda de rayos X: 

 
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
Imagen 22: litografía profunda de rayos X a través de la MT Imagen 23: ídem imagen 22, vista desde abajo Imagen 24: estructura desarrollada
     
Electroformado (galvánico) de microestructuras metálicas:  
LIGA-process: Electroplating LIGA-process: Flood exposure for resist removing LIGA-process: Metal micro structure on substrate
Imagen 25: formado galvánico Imagen 26: iluminación total a distancia de la fotoresina Imagen 27: microestructura metálica de sustrato
     
LIGA-process: Metal micro structure    
Imagen 28: microestructura metálica    
     
Electroformado (galvánico) de un molde de níquel:    
LIGA-process: Nickel electroplating in process LIGA-process: Nickel electroplating finished LIGA-process: Nickel mould after electroplating
Imagen 29: durante el depósito galvánico de níquel Imagen 30: depósito galvánico de níquel terminado Imagen 31: molde tras el depósito galvánico
     
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

Imagen 32: erosión por chispa del molde, paso 1

Imagen 33: erosión por chispa del molde, paso 2

Imagen 34: iluminación total a distancia de la fotoresina
     
LIGA-process: Finished nickel mould    
Imagen 35: molde de níquel terminado    
     
Replicación mediante estampado en caliente:    
LIGA-process: Moulding for mass replication LIGA-process: Final machine finishing  
Imagen 36: estampado para la producción en serie Imagen 37: trabajo posterior sobre las piezas estampadas  

 

El proceso LIGA (como se utiliza en el IMT) en detalle:

 

1. Elaboración de una máscara intermedia (MI):

Primero se elabora una máscara intermedia (MI). Para eso se realiza el diseño en computadora con CAD y luego se ilumina punto por punto mediante un haz de electrones sobre una fotoresina (imagen 5). Como sustrato se utiliza normalmente una plaqueta de silicio, debido a que es muy lisa y plana y a su bajo costo (imagen 1). El sustrato se cubre con una capa de carbono. Esta capa va a ser necesitada más adelante para separar la máscara del sustrato. Sobre el borde de la plaqueta quedan algunos milímetros sin cubrir (imagen 2). Luego se cubre toda la plaqueta con una capa de titanio de 2 µm de espesor, que luego forma la membrana de la máscara (imagen 3). La capa de titanio no se adhiere al carbono, sino a la plaqueta de silicio en el borde. De esta forma la capa de titanio queda firme, aunque haya tensiones internas. Se utiliza un metal liviano como el titanio (bajo número atómico) debido a que es prácticamente transparente a los rayos X. Luego la plaqueta es cubierta con una capa de 3,5 µm de PMMA- fotoresina (imagen 4). El grosor no puede ser mayor a 3,5 µm, porque el haz de electrones de 100 keV sería fuertemente desviado por una capa de mayor grosor, perdiendo precisión en la estructura.
El PMMA es una fotoresina positiva. Las moléculas largas que son impactadas por electrones se rompen. Así se forman moléculas más cortas que pueden ser disueltas (imagen 6). En algunos casos se utiliza fotoresina negativa. Éste está formado por moléculas más cortas, que luego de la exposición a un haz de electrones, forma moléculas más largas.

En nuestro caso las partes iluminadas son las que quedan. Además se cubre, mediante un depósito galvánico de 2,2 µm de oro, las partes de la capa de titanio que no están cubiertas por la fotoresina (imagen 7). El oro (alto número atómico) se utiliza porque absorbe fuertemente los rayos X y porque permite una fácil separación galvánica. En este paso, la capa de oro es crítica: Si la capa de oro supera la altura de la fotoresina, se pierde la estructura de absorción y la máscara ya no sirve para nada. La fotoresina remanente se remueve mediante un disolvente, que también diluye al PMMA no iluminado (imagen 8). Luego se pega sobre la membrana de titanio un marco de acero de 6 mm (tiene un bajo coeficiente de expansión), que mantiene la membrana firme (imagen 9). Con una cuchilla se separa la membrana de titanio a lo largo del borde (imagen 10) y la máscara (imagen 12) se separa cuidadosamente del sustrato (imagen 11). El contraste de rayos X en la máscara intermedia (2,2 µm Au sobre 2 µm Ti) alcanza para una lograr estructuras de hasta 70 µm de alto mediante litografía de rayos X. En la mayoría de los casos se necesitan estructuras más altas. Para eso se utiliza una máscara de trabajo con un mayor contraste de rayos X.

2. Elaboración de una máscara de trabajo (MT):

Una máscara de trabajo es una copia mediante litografía de rayos X de la máscara intermedia, con el objetivo de lograr una máscara con mayor contraste de rayos X. En la elaboración de la máscara de trabajo se pueden utilizar distintos Sustratos. Una posibilidad es empezar con una placa de acero con una cara pulida (imagen 13). En la cara de atrás de la placa se hace un desnivel mediante una fresa, donde queda una pared de unos pocos milímetros (imagen 14). La cara de adelante es cubierta con una membrana de titanio de 2 µm de espesor (imagen 15). Luego la membrana es cubierta con una capa de PMMA- fotoresina de 60 µm de espesor (imagen 16). La capa de fotoresina es estructurada mediante litografía de rayos X a través de la máscara intermedia (imagen 17). Luego del desarrollo de la capa iluminada de la fotoresina (imagen 18) se deposita galvánicamente una capa de absorción de oro de 25 µm de espesor (imagen 19). Finalmente se realiza una iluminación total de la fotoresina remanente sin máscara con rayos X, para que luego pueda ser disuelto (imagen 20). En el último paso se separa la cara de atrás del acero con un medio de marcado selectivo, de forma que sólo quede la membrana de titanio (imagen 21).

3. Elaboración de estructuras con alta relación de aspecto mediante litografía profunda de rayos X :

En la etapa de la litografía profunda de rayos X se logra una proyección de sombras de la máscara de trabajo sobre una capa de PMMA- fotoresina relativamente gruesa (100 µm a 3 mm) (imágenes 22 y 23). Generalmente las capas de PMMA de este grosor se adhieren al sustrato, pero en algunos casos pueden ser vertidas y luego polimerizadas. Normalmente queda un espacio de aire de 50 µm a 150 µm entre la máscara y la superficie de la fotoresina. Esta distancia se llama “distancia de proximidad” y sirve para proteger la máscara de posibles daños mediante el contacto con la fotoresina. La elaboración de estructuras litográficas directas culmina con la etapa de desarrollo.

4. Formación galvánica:

Las microestructuras metálicas son terminadas mediante una etapa de galvanización. Para eso son elaboradas sobre un sustrato conductor o -en el caso de ser un sustrato aislante- se le deposita al sustrato una capa galvánica de oro para hacerlo conductor. En la etapa de galvanizado se retira la capa metálica (imagen 25). Las microestructuras metálicas formadas pueden ser utilizadas, si el proceso es detenido, antes de que la capa de metal haya alcanzado la altura de la fotoresina (esto sólo es posible en el caso de que el sustrato sea conductor, ya que en caso contrario “crecería” toda la superficie). La fotoresina remanente es iluminado a través de una iluminación total sin máscara y luego es separado en la etapa de desarrollo (imagen 26). Luego se separan las microestructuras metálicas del sustrato (imagen 27). Esto se puede lograr mediante la separación mecánica de la estructura del sustrato si no están demasiado firmes, o mediante disolución química del sustrato. Para evitar deformaciones en las microestructuras se puede aplicar una “capa de sacrificio” (p. ej. de titanio) en el sustrato antes de la estructuración. Esta capa es removida mediante un medio marcador selectivo (p. ej. HF) luego del galvanizado, de forma que las estructuras (imagen 28) se desprendan del sustrato. Mediante la utilización de una “capa de sacrificio” se pueden lograr, con el sustrato, estructuras semi-unidas que luego sean móviles (p. ej. en acelerómetros).

La producción en serie de microestructuras sólo es posible mediante un molde. Por eso el galvanizado recién termina cuando la capa de níquel alcanza unos milímetros de espesor y las microestructuras de PMMA terminan de crecer (imágenes 29 y 30). El bloque de níquel se separa mecánicamente del sustrato (p. ej. una placa de cobre de 8 mm de espesor) y mediante la erosión por chispa se llega a la forma definida (imágenes 32 y 33). Luego de la iluminación total (imagen 34) los restos de fotoresina son removidos mediante una herramienta de formado (imagen 35). 

5. Producción en serie mediante estampado o moldeado por inyección:

Con el molde de níquel se pueden lograr varias decenas de miles de piezas por estampado estampado o inyección (imagen 36). Estas piezas luego tienen que ser trabajadas mecánicamente (imagen 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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