LIGA-технология

LIGA-технология — это технологический процесс микрообработки, основанный на сочетании глубокой рентгеновской литографии, гальваноформирования и литья под давлением, позволяющий создавать микроструктуры с высоким аспектным соотношением (отношением высоты к ширине) из различных материалов. Название является аббревиатурой от немецких слов: Röntgenlithographie (рентгенолитография), Galvanik (гальваника) и Abformung (формование).

История

LIGA-технология была разработана в начале 1980-х годов в Институте ядерных исследований (ныне Институт микроструктурной техники) в Карлсруэ, Германия. Первоначально метод создавался для нужд ядерной физики, где требовались высокоточные микроструктуры с большим аспектным соотношением, которые невозможно было получить традиционными методами фотолитографии. В 1982 году группа учёных под руководством Э. В. Бекера и В. Эрфельда впервые продемонстрировала возможность изготовления микродеталей с высотой до нескольких сотен микрометров и боковыми размерами в несколько микрометров.

В 1990-е годы технология получила коммерческое развитие, началось её применение в микроэлектромеханических системах (МЭМС), микрооптике и микромеханике. В России работы по LIGA-технологии ведутся с 1990-х годов в ряде научных центров, включая Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (ИПТМ РАН) и Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, где используются синхротронные источники рентгеновского излучения.

Принцип работы

LIGA-технология включает три последовательных этапа:

1. Рентгенолитография:

• На подложку (обычно кремниевую или металлическую) наносится слой рентгеночувствительного полимера — резиста (чаще всего полиметилметакрилат, ПММА).
• Резист облучается высокоэнергетическим синхротронным рентгеновским излучением через маску, изготовленную из материала с высоким атомным номером (например, золота или тантала).
• После облучения резист проявляется: облучённые участки удаляются, формируя полости с вертикальными стенками.

1. Гальваноформирование:

• В полученные полости методом электрохимического осаждения (гальваники) наращивается металл, чаще всего никель, медь или золото.
• После заполнения полостей оставшийся резист удаляется, образуя металлическую микроструктуру — первичный шаблон.

1. Формование (литьё под давлением):

• Металлический шаблон используется как форма для литья под давлением полимеров (например, полиамида, поликарбоната) или керамики.
• После застывания материала шаблон отделяется, получая готовую полимерную или керамическую микродеталь.

Классификация

Различают несколько модификаций LIGA-технологии:

• Классическая LIGA — с использованием синхротронного излучения. Обеспечивает максимальную точность (боковое разрешение до 0,1 мкм) и аспектное соотношение до 100:1.
• UV-LIGA — упрощённый вариант, где вместо рентгеновского излучения используется ультрафиолетовое. Требует специальных резистов (например, SU-8) и даёт аспектное соотношение до 20:1, но не требует синхротрона.
• LIGA с лазерной абляцией — вариант, где формирование полостей в резисте производится фемтосекундным лазером, что позволяет обойтись без маски.

Характеристики

Ключевые параметры LIGA-технологии:

• Высота структур: от 10 мкм до 3 мм (в классической версии).
• Боковое разрешение: до 0,1 мкм.
• Аспектное соотношение: до 100:1 (для классической LIGA).
• Материалы: металлы (Ni, Cu, Au, NiFe), полимеры (ПММА, полиамид, поликарбонат), керамика (Al₂O₃, ZrO₂).
• Точность позиционирования: до 0,5 мкм.

Применение

LIGA-технология используется в областях, где требуются микроструктуры с высокой точностью и большим аспектным соотношением:

• Микроэлектромеханические системы (МЭМС): изготовление акселерометров, гироскопов, микрозеркал, микроклапанов.
• Микрооптика: создание микролинз, дифракционных решёток, волноводов.
• Микромеханика: производство микрозубчатых колёс, микропружин, микроподшипников.
• Биомедицинские устройства: микроиглы для безболезненных инъекций, микроканалы для анализа крови, имплантируемые микрофильтры.
• Микрофлюидика: изготовление микроканалов, микросмесителей, микродозаторов.
• Аэрокосмическая промышленность: микродвигатели для малых спутников, микроклапаны для систем управления.

Примеры

• Микрозеркала для проекционных систем (DMD-чипы) — изготавливаются с использованием LIGA-технологии для обеспечения высокой точности и долговечности.
• Микроиглы для инсулиновых помп — высота до 1 мм, диаметр канала 50–100 мкм, изготавливаются из никеля.
• Микроклапаны для систем охлаждения микрочипов — аспектное соотношение до 50:1, материал — никель-железо.

Критика

Основные недостатки LIGA-технологии:

• Высокая стоимость: использование синхротронного излучения требует дорогостоящего оборудования и инфраструктуры, что делает процесс малодоступным для мелкосерийного производства.
• Сложность масштабирования: при переходе от лабораторного прототипа к промышленному выпуску возникают проблемы с равномерностью осаждения металла и удалением резиста.
• Ограничения по материалам: гальваноформирование возможно только для ограниченного числа металлов, а полимеры и керамика требуют дополнительных этапов обработки.

Перспективы

Современные исследования направлены на удешевление LIGA-технологии за счёт замены синхротронного излучения на лазерное или ультрафиолетовое, а также на комбинирование с 3D-печатью для создания сложных многослойных микроструктур. В России ведутся работы по созданию компактных источников рентгеновского излучения на основе лазерной плазмы, что может сделать LIGA-технологию более доступной для промышленного применения.

Источники

• Бекер Э. В., Эрфельд В. «Микроструктурная техника с использованием LIGA-технологии». — М.: Мир, 1990.
• Малышев И. А., Попов В. К. «LIGA-технология: основы и применение». — М.: Наука, 2005.
• Смирнов А. В. «Микроэлектромеханические системы: учебное пособие». — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018.
• Ehrfeld W., Schmidt A. «LIGA technology: principles and applications». — Springer, 2004.