LIGA

LIGA es una tecnología de fabricación que se utiliza para crear microestructuras con una alta relación de aspecto . El término es un acrónimo alemán de Lithographie, Galvanoformung, Abformung  : litografía , galvanoplastia y moldeo .

LIGA consta de tres pasos de procesamiento principales: litografía, galvanoplastia y moldeo. Existen dos tecnologías principales de fabricación de LIGA: X-Ray LIGA , que utiliza rayos X producidos por un sincrotrón para crear estructuras con una relación de aspecto alta, y UV LIGA , un método más accesible que utiliza luz ultravioleta para crear estructuras con relaciones de aspecto relativamente bajas.

Las características notables de las estructuras fabricadas con rayos X LIGA incluyen:

• Relaciones de aspecto altas del orden de 100:1
• paredes laterales paralelas con un ángulo de flanco del orden de 89,95°
• Paredes laterales lisas con = 10 nm , adecuadas para espejos ópticos$Estilo de visualización R_{a}}$
• Alturas estructurales desde decenas de micrómetros hasta varios milímetros.
• Detalles estructurales del orden de micrómetros en distancias de centímetros.

X-Ray LIGA es un proceso de fabricación en microtecnología que fue desarrollado a principios de la década de 1980 ^[1] por un equipo bajo la dirección de Erwin Willy Becker y Wolfgang Ehrfeld en el Instituto de Ingeniería de Procesos Nucleares ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) en el Centro de Investigación Nuclear de Karlsruhe, desde entonces renombrado como Instituto de Tecnología de Microestructuras ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). LIGA fue una de las primeras técnicas importantes que permitieron la fabricación bajo demanda de estructuras de alta relación de aspecto (estructuras que son mucho más altas que anchas) con una precisión lateral por debajo de un micrómetro.

En el proceso, una fotorresistencia polimérica sensible a los rayos X, típicamente PMMA , unida a un sustrato conductor de electricidad, se expone a haces paralelos de rayos X de alta energía desde una fuente de radiación de sincrotrón a través de una máscara parcialmente cubierta con un material que absorbe fuertemente los rayos X. La eliminación química de la fotorresistencia expuesta (o no expuesta) da como resultado una estructura tridimensional, que se puede rellenar mediante la electrodeposición de metal. La resistencia se elimina químicamente para producir un inserto de molde metálico. El inserto de molde se puede utilizar para producir piezas en polímeros o cerámicas mediante moldeo por inyección .

El valor único de la técnica LIGA es la precisión obtenida mediante el uso de la litografía de rayos X profunda (DXRL). La técnica permite fabricar microestructuras con relaciones de aspecto elevadas y alta precisión en una variedad de materiales (metales, plásticos y cerámicas). Muchos de sus practicantes y usuarios están asociados con instalaciones de sincrotrón o se encuentran cerca de ellas.

La tecnología UV LIGA utiliza una fuente de luz ultravioleta económica, como una lámpara de mercurio , para exponer una fotorresistencia polimérica, normalmente SU-8 . Como el calentamiento y la transmitancia no son un problema en las máscaras ópticas, se puede sustituir una simple máscara de cromo por la técnicamente sofisticada máscara de rayos X. Estas reducciones en la complejidad hacen que la tecnología UV LIGA sea mucho más barata y accesible que su contraparte de rayos X. Sin embargo, la tecnología UV LIGA no es tan eficaz para producir moldes de precisión y, por lo tanto, se utiliza cuando se deben mantener bajos los costos y no se requieren relaciones de aspecto muy altas.

Las máscaras de rayos X se componen de un portador transparente de bajo Z , un absorbedor de alto Z estampado y un anillo metálico para alineación y eliminación de calor. Debido a las variaciones extremas de temperatura inducidas por la exposición a rayos X, los portadores se fabrican a partir de materiales con alta conductividad térmica para reducir los gradientes térmicos. Actualmente ^{[ ¿cuándo? ]} , el carbono vítreo y el grafito se consideran el mejor material, ya que su uso reduce significativamente la rugosidad de las paredes laterales. El silicio , el nitruro de silicio , el titanio y el diamante también se utilizan como sustratos portadores, pero no son los preferidos, ya que las membranas delgadas requeridas son comparativamente frágiles y las máscaras de titanio tienden a redondear las características afiladas debido a la fluorescencia de los bordes. Los absorbentes son oro, níquel, cobre, estaño, plomo y otros metales que absorben rayos X.

Las máscaras se pueden fabricar de varias formas. Las máscaras más precisas y costosas son las creadas por litografía de haz de electrones , que proporciona resoluciones tan finas como 0,1 μm en resina de 4 μm de espesor y características de 3 μm en resina de 20 μm de espesor. Un método intermedio es la fotomáscara chapada, que proporciona una resolución de 3 μm y se puede subcontratar a un costo del orden de $1000 por máscara. El método menos costoso es una fotomáscara directa, que proporciona una resolución de 15 μm en resina de 80 μm de espesor. En resumen, las máscaras pueden costar entre $1000 y $20,000 y demorar entre dos semanas y tres meses para su entrega. Debido al pequeño tamaño del mercado, cada grupo LIGA normalmente tiene su propia capacidad de fabricación de máscaras. Las tendencias futuras en la creación de máscaras incluyen formatos más grandes, desde un diámetro de 100 mm a 150 mm , y tamaños de características más pequeños.

El material de partida es un sustrato plano , como una oblea de silicio o un disco pulido de berilio, cobre, titanio u otro material. El sustrato, si no es conductor de electricidad, se cubre con una base de revestimiento conductor, normalmente mediante pulverización catódica o evaporación .

La fabricación de estructuras con una alta relación de aspecto requiere el uso de una fotorresistencia capaz de formar un molde con paredes laterales verticales; por lo tanto, la fotorresistencia debe tener una alta selectividad y estar relativamente libre de tensión cuando se aplica en capas gruesas. La opción típica, poli(metacrilato de metilo) ( PMMA ), se aplica al sustrato mediante un proceso de encolado en el que se fija una lámina prefabricada de PMMA de alto peso molecular a la base de recubrimiento sobre el sustrato. La fotorresistencia aplicada se fresa luego hasta la altura precisa mediante un cortador de moscas antes de la transferencia del patrón mediante exposición a rayos X. Debido a que la capa debe estar relativamente libre de tensión, este proceso de encolado se prefiere a los métodos alternativos como el moldeado. Además, el corte de la lámina de PMMA mediante el cortador de moscas requiere condiciones de operación y herramientas específicas para evitar la introducción de tensión y agrietamiento de la fotorresistencia. ^{[ cita requerida ]}

Una tecnología clave que permite el funcionamiento de LIGA es el sincrotrón, capaz de emitir rayos X de alta potencia y altamente colimados . Esta alta colimación permite distancias relativamente grandes entre la máscara y el sustrato sin la borrosidad penumbral que se produce con otras fuentes de rayos X. En el anillo de almacenamiento de electrones o sincrotrón , un campo magnético obliga a los electrones a seguir una trayectoria circular, y la aceleración radial de los electrones hace que se emita radiación electromagnética hacia delante. De este modo, la radiación está fuertemente colimada en la dirección de avance y se puede suponer que es paralela para fines litográficos. Debido al flujo mucho mayor de rayos X colimados utilizables, se hacen posibles tiempos de exposición más cortos. Las energías de los fotones para una exposición LIGA se distribuyen aproximadamente entre 2,5 y 15 keV .

A diferencia de la litografía óptica, existen múltiples límites de exposición, identificados como la dosis superior, la dosis inferior y la dosis crítica, cuyos valores deben determinarse experimentalmente para una exposición adecuada. La exposición debe ser suficiente para cumplir con los requisitos de la dosis inferior, la exposición bajo la cual quedará un residuo de fotorresistencia, y la dosis superior, la exposición sobre la cual la fotorresistencia formará espuma. La dosis crítica es la exposición a la cual la fotorresistencia no expuesta comienza a ser atacada. Debido a la insensibilidad del PMMA, un tiempo de exposición típico para un PMMA de 500 μm de espesor es de seis horas. Durante la exposición, los efectos de radiación secundaria como la difracción de Fresnel , la fluorescencia de máscara y sustrato , y la generación de electrones Auger y fotoelectrones pueden provocar sobreexposición.

Durante la exposición, la máscara de rayos X y el soporte de la máscara se calientan directamente por absorción de rayos X y se enfrían por convección forzada a partir de chorros de nitrógeno. El aumento de temperatura en la resina de PMMA se debe principalmente al calor conducido desde el sustrato hacia atrás hasta la resina y desde la placa de la máscara a través del aire de la cavidad interna hacia adelante hasta la resina, siendo la absorción de rayos X un factor terciario. Los efectos térmicos incluyen variaciones químicas debido al calentamiento de la resina y la deformación de la máscara dependiente de la geometría.

Para estructuras con una alta relación de aspecto, se requiere que el sistema de revelador-protector tenga una relación de velocidades de disolución en las áreas expuestas y no expuestas de 1000:1. El revelador estándar, optimizado empíricamente, es una mezcla de tetrahidro-1,4-oxazina (20 %), 2-aminoetanol-1 (5 %), 2-(2-butoxietoxi)etanol (60 %) y agua (15 %). Este revelador proporciona la relación requerida de velocidades de disolución y reduce el agrietamiento relacionado con la tensión debido al hinchamiento en comparación con los reveladores de PMMA convencionales. Después del revelado, el sustrato se enjuaga con agua desionizada y se seca al vacío o mediante centrifugación. En esta etapa, las estructuras de PMMA se pueden liberar como producto final (por ejemplo, componentes ópticos) o se pueden usar como moldes para la posterior deposición de metal.

En la etapa de galvanoplastia, se deposita níquel, cobre u oro desde el sustrato metalizado hacia arriba en los huecos que deja la fotorresistencia eliminada. El proceso se lleva a cabo en una celda electrolítica y se controlan cuidadosamente la densidad de corriente, la temperatura y la solución para garantizar un recubrimiento adecuado. En el caso de la deposición de níquel a partir de NiCl2 _en una solución de KCl, el Ni se deposita en el cátodo (sustrato metalizado) y el Cl2 _se desprende en el ánodo. Las dificultades asociadas con el recubrimiento en moldes de PMMA incluyen huecos, donde las burbujas de hidrógeno se nuclean sobre contaminantes; incompatibilidad química, donde la solución de recubrimiento ataca a la fotorresistencia; e incompatibilidad mecánica, donde la tensión de la película hace que la capa recubierta pierda adherencia. Estas dificultades se pueden superar mediante la optimización empírica de la química y el entorno de recubrimiento para un diseño determinado.

Después de la exposición, el revelado y la galvanoplastia, se elimina la resina. Un método para eliminar el PMMA restante es exponer el sustrato por inmersión y utilizar la solución de revelado para eliminar limpiamente la resina. Alternativamente, se pueden utilizar disolventes químicos. La eliminación química de una resina gruesa es un proceso largo, que lleva de dos a tres horas en acetona a temperatura ambiente. En las estructuras multicapa, es una práctica común proteger las capas de metal contra la corrosión rellenando la estructura con un encapsulante a base de polímero. En esta etapa, las estructuras metálicas se pueden dejar sobre el sustrato (por ejemplo, circuitos de microondas) o liberar como producto final (por ejemplo, engranajes).

Después de la extracción, los componentes metálicos liberados se pueden utilizar para la replicación en masa a través de medios de replicación estándar, como estampación o moldeo por inyección .

En la década de 1990, LIGA era una tecnología de fabricación de MEMS de vanguardia, que dio como resultado el diseño de componentes que mostraban la versatilidad única de la técnica. Varias empresas que comenzaron a utilizar el proceso LIGA cambiaron posteriormente su modelo de negocio (por ejemplo, Steag microParts se convirtió en Boehringer Ingelheim microParts, Mezzo Technologies). Actualmente, solo dos empresas, HTmicro y microworks, continúan su trabajo en LIGA, beneficiándose de las limitaciones de otras tecnologías de fabricación de la competencia. Debido a su menor costo de producción, varias empresas, como Veco, Tecan, Temicon y Mimotec en Suiza, que suministran al mercado de relojes suizos piezas metálicas hechas de níquel y níquel-fósforo, utilizan más ampliamente LIGA UV.

A continuación se muestra una galería de estructuras fabricadas por LIGA ordenadas por fecha.

• 
  Una boquilla para enriquecer uranio . ^[1]
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  Una guía de ondas coplanar de cobre de 517 μm de altura . ^[3]
• 
  Parte activa de un interruptor óptico 2x2, solo se muestra el actuador electrostático.
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  Detalle del útil de moldeo para el microespectrómetro LIGA.
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  Lentes refractores de rayos X fabricadas con polímero SU8. Los patrones se crean inclinando la máscara y el sustrato en el haz dos veces en +-45°.

• Fotolitografía
• Litografía de rayos X
• Galvanoplastia
• Moldura
• Sincrotrón
• PMMA
• Fotorresistencia SU-8
• Uranio enriquecido: procesos aerodinámicos

• Madou, M. (2003). Fundamentos de microfabricación . CRC. ISBN 978-0849308260.
• Saile, V. (2009). LIGA y sus aplicaciones . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31698-4.

• LiMiNT - Proceso LIGA de la fuente de luz sincrotrón de Singapur
• Proceso LIGA Instituto Tecnológico de Karlsruhe, Instituto de Tecnología de Microestructuras
• Proceso LIGA ilustrado por Arndt Last