Een blik in de toekomst welvarend LIGA's

door dr. Joachim Schulz

Besproken onderwerpen

Abstract
Introductie
Een poging om de unieke kenmerken van de LIGA Beschrijf
LIGA de jaren heen in View behoeften van de markt
LIGA en Molding
Toegang tot Synchrotrons
LIGA Standards
LIGA Maskers
MicroWorks 'Aanpak
Conclusies

Abstract

In de afgelopen decennia hebben vele toepassingen voorgesteld als commercieel haalbaar voor de LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung (Lithografie, Galvaniseren, en Molding)). Echter, werden de meeste van hen geduwd in de markt via silicium MEMS of zelfs klassieke microdrilling en micromilling. Tot op heden heeft geen enkele commerciële x-ray LIGA inspanning voorspoed en ondersteuning voor de academische centra is LIGA vervagen. Echter, de auteurs zijn van mening dat de huidige vraag naar LIGA toepassingen, waaronder x-ray optische elementen zoals LIGA-lenzen, precisie-openingen, enz., is de komst van een tweede dageraad voor LIGA.

Dit document geeft een meer strategisch dan technisch overzicht van het verleden en de toekomst van LIGA.

Introductie

In de jaren 1990, LIGA was een pacemaker-technologie voor MEMS, gebruikt voor vele slimme systemen zoals acceleratie sensoren of optische apparaten geïntegreerd met elektronische uitlezing circuits. Deze eerste LIGA hype resulteerde in veel verschillende pronkstukken dat bleek op een indrukwekkende wijze dat de technologie is zeer veelzijdig. Zelfs micropompen werden gemaakt met behulp van LIGA, maar dit soort toepassingen niet echt gebruik maken van een van de unieke kenmerken van LIGA. Bij het beoordelen van hun data van wetenschappelijke publicatie, een aantal van deze systemen LIGA soortgelijke systemen voorafgegaan van concurrerende technologieën. Toch is LIGA's doorbraak op de markt is nog steeds niet gebeurd. Waarom niet?

De meest aanwijsbare redenen zijn dat andere technologieën, zoals silicium micromechanica werden geduwd door grote bedrijven, en dat de klassieke technologieën zoals EDM, frezen, boren en dergelijke werden geduwd door vele kleine en middelgrote bedrijven om steeds meer uitdagende fijne functies te bereiken. Dus op het eerste gezicht lijkt het niet genoeg technische inspanning werd in de vooruitgang van de LIGA de mogelijkheden.

Openbare instellingen kunnen ook delen van de schuld: Geen van de LIGA centra was ooit gedwongen om haar geld te verdienen op de vrije markt. Nog een andere reden kan zijn dat LIGA gewoon te ingewikkeld, tijdrovend en duur. En tot slot, terwijl andere technologieën geavanceerde heel wat hebben bereikt en voldoende complexiteit om meer functionaliteit te ontvangen in micropatterned structuren, is LIGA nog aan strenge beperkingen in wezen twee dimensies op een substraat met beperkte mogelijkheden voor verschillende niveaus masker en slechts een handvol van materialen.

Alle bovenstaande argumenten te dragen een kern van waarheid. Toch is MicroWorks ervan overtuigd dat technologische vooruitgang LIGA in de afgelopen jaren en de behoeften van de markt zijn zo veel dat er niches voor LIGA samenvoegen. Een al lang bestaande niche is microtandwieldrijfwerk. Een ander wordt momenteel gestimuleerd door de vraag van de synchrotrons voor x-ray optische elementen. Andere voorbeelden kunnen worden vermeld.

LIGA structuur in nikkel, 1600μm hoog, aspect ratio van 160.

LIGA structuur in SU8 gebruikt om de x-stralen focus. De smalste delen zijn 2 micrometer breed en naar beneden uit te breiden enkele honderden micrometer.

LIGA structuur in goud als een absorptie rooster voor x-stralen. De aspect ratio van deze structuren is in de buurt van 50

Een poging om de unieke kenmerken van de LIGA Beschrijf

De vier sterke punten die werden gebruikt om LIGA te bevorderen in de jaren 1990 zijn snel opgesomd:

1. High-aspect-verhouding
2. Hoge zijwand kwaliteit / lage ruwheid
3. Uiterste precisie
4. Compleet 2-D vrijheid

In het begin, deze vier punten voldoende waren om relevante spelers ervan te overtuigen in technologie screening, van regeringen tot grotere bedrijven zoals IBM en Bosch, om te kijken in de LIGA. Het streven naar meer miniaturisatie was duidelijk, in silicium, echter. alleen bulk micromachining met zijn strenge beperkingen beschikbaar was.

En bijna net zo snel, zou een lijst van hoe die sterke punten tuimelde door de jaren heen. High-aspect ratio van bijvoorbeeld 20 bij volledig gratis 2D-geometrie kan nu eenvoudig worden gefabriceerd door DRIE in silicium, deze technologie kan worden afgestemd op een hoge zijwand kwaliteit als goed, en, indien nodig, cryoetching kunnen worden toegepast.

Uiterste precisie is altijd al beweerd voor LIGA, maar een methodiek om het te bewijzen is pas recent ontwikkeld. De resultaten tot nu toe niet overtuigend.

Dan is er UV-LIGA, die het potentieel van SU8 exploits bestand tegen fabriceren bijna alles aan de volgende eisen past: + / -2 micrometer precisie en minder dan 800 micrometer in lengte en gemaakt van nikkel of nikkel-fosfor als materiaal. Deze technologie is uitstekend op de markt gebracht door de mimotec in Zwitserland, blijkbaar weinig ruimte laat voor x-ray LIGA. Aan de andere kant is het succes van toont duidelijk aan dat LIGA is een concurrerende technologie. Een positief aspect voor de x-ray voorstanders: de blootstelling aan x-stralen maakt het proces-keten duurder, maar alleen door 30 tot 50%.

Er is nog een niche voor LIGA technologie in onze mening: de parallelle massa fabricage van kleine structuren met een hoge aspect ratio's. Dit zijn meestal gekleed structuren die samen meer dan redelijk grote lengtes of gebieden. Een goed voorbeeld is de x-ray-objectieven die onlangs zijn ontwikkeld in KIT (centrale foto hierboven), waar het scherpstelbereik van elke lens is zeer klein. Echter, toen honderden van hen zijn naast elkaar geplaatst, kan het effect goed worden benut.

Wat is nodig om de niche voor de potentiële markten te benutten? We zullen proberen dit antwoord in de volgende paragraaf.

LIGA de jaren heen in View behoeften van de markt

Een uitstekende samenvatting van LIGA is gegeven in een vrij recente boek, LIGA en haar toepassingen (Saile et al.. 2009) ¹ . Het boek identificeert duidelijk LIGA als een krachtig hulpmiddel voor het maken van een uitstekende microstructuren. In dit gedeelte zullen we proberen om deze bevindingen te beoordelen vanuit het oogpunt van een klein bedrijf, MicroWorks. De belangrijkste criteria zijn: de tijd die gemoeid is voordat de eerste onderdelen worden geproduceerd; bewijs van de waarde propositie door middel van normen, alsmede kosten factoren.

Veel aspecten van LIGA technologie zijn gericht de afgelopen tien jaar, voornamelijk als onderdeel van de overheid gefinancierde O & O-projecten. Hun doelen zijn doorgaans naar een nieuwe bestemming te identificeren, de LIGA proces keten aan te passen en maken eerste delen. Enkele projecten hebben zich gericht op het aanpakken van technologische aspecten van de LIGA proces. In dit opzicht, MicroWorks is dankbaar voor steun van de Duitse regering van zowel FELIG ² en INNOLIGA ³ , waarbij de FELIG gericht op het automatiseren van het proces en INNOLIGA op het waarborgen van de betrouwbaarheid van een weerstand te bieden gebaseerd op dezelfde basis chemie als SU8.

LIGA en Molding

In de allereerste publicatie over LIGA, Becker et al.. ⁴ voorgesteld vormen als de weg te gaan voor massa fabricage. Vanuit het standpunt van vandaag van mening dat de technologie die wordt gebruikt om schimmel inserts te maken is nog steeds onbetrouwbaar, waardoor het moeilijk levertijden aan de klanten te garanderen. Nog belangrijker is echter dat de uitstekende kenmerken die LIGA houden aantrekkelijk zijn in wezen onmogelijk te behouden in molding: high-aspect ratio's, vele functies op het substraat en hoge precisie. Dit alles geldt met name voor spuitgieten, terwijl hot embossing niet tot het te verwachten drastische kostenvoordeel ten opzichte van de directe LIGA. Aan de andere kant, om het proces te gebruiken gevormde structuren als een vorm om te galvaniseren metaal is nog nooit met succes aangetoond.

Er is nog een aanwijzing dat LIGA matrijzen niet rendabel zijn: mimotec SA in Zwitserland begon in de late jaren 1990 in de eerste plaats het maken van schimmel inserts. Vandaag de dag zijn deze vormen minder dan 10% van hun bedrijf, terwijl 90% is de directe productie van LIGA metalen onderdelen.

Toegang tot Synchrotrons

Een belangrijk knelpunt voor de x-ray LIGA is vrijwel verdwenen door de jaren heen: de beschikbaarheid van synchrotron straling. Toegenomen beschikbaarheid was een belangrijke stap in de richting te kunnen voldoen aan een betrouwbare levertijden.

Sommige synchrotrons bieden nu geautomatiseerde monstervoorbereiding hanteren en metingen in eiwitkristallografie op een hoge mate van standaardisatie, dat moet mogelijk zijn voor LIGA blootstelling ook. Sinds de LIGA-techniek houdt meer in dan alleen maar risico's, is het helaas nog steeds niet zo eenvoudig om een ​​proces van de ene naar de andere synchrotron. De tweede bron kwestie is dus nog steeds niet volledig opgelost, maar voldoende argumenten zijn bij de hand dat dit geen een probleem met betrekking tot potentiële grote orders opleveren.

LIGA Standards

Ron Lawes en anderen hebben betoogd op verschillende HARMST conferenties gedurende vele jaren dat de verschillende LIGA groepen moeten het eens worden over een ontwerp, een proces en een set van eigenschappen te meten, eventueel met behulp van verschillende methoden, het maken van structuren en het vergelijken van de resultaten van alle de groepen. Helaas heeft dit nooit plaatsgevonden. Misschien is de typische onderzoeker zag geen O & O-loon in hetzelfde te doen over en, ook, alle van de LIGA groepen zijn in concurrentie met elkaar.

Als gevolg daarvan, indien gevraagd vandaag wat specificaties LIGA daadwerkelijk kunnen bereiken, de gemeenschap heeft geen antwoord ten aanzien van precisie, maximum aspect ratio's, zijwand ruwheid, verticaliteit enz. Wat we wel hebben, is echter een situatie waarin alle van de belangrijkste effecten die produceren niet-ideale resultaten zijn geïdentificeerd, en deze effecten kunnen meestal worden geminimaliseerd door typische technische oplossingen.

LIGA Maskers

Naar onze mening, hier liggen de meest ernstige tekortkomingen van de laatste decennia: Terwijl andere batch technologieën hebben verplaatst van 4-inch tot 6 - en 8 - of zelfs 12-inch wafers, LIGA werkt nog steeds met een 20x60 mm ² titanium membranen (KIT) , 30x30 mm ² siliciumnitride membranen (CAMD en HTmicro) en 83 mm ronde grafiet membranen (CAMD en BESSY). Ook een aantal mislukte projecten geprobeerd beryllium gebruiken voor de hand liggende voordelen in x-ray-toepassingen ⁵ .

De belangrijkste reden voor grotere oppervlakten is de kostenfactor voor DRIE, UV LIGA en dergelijke. Dit punt had nooit moeten worden aangepakt door een van de LIGA centra. We echter stellen dat de belangrijkste motivaties voor het ontwikkelen van grote oppervlakte LIGA zal de verenigbaarheid ervan met andere technologieën en de mogelijkheid om grote apparaten te maken.

Wat is er bereikt is dat masker maken is geworden realiable in combinatie met een betere toegang tot bundeltijd, waardoor aanzienlijk kortere tijden voor de ontwikkeling van de eerste producten. Echter twee iteraties van een nieuw ontwerp zijn nog steeds nodig zijn in de meeste gevallen, en die nog duurt meer dan zes maanden.

Wat moet worden bereikt voor een toekomstperspectief voor de LIGA is een toename van het masker gebied met geen of vrijwel geen compromis om structurele kwaliteit.

MicroWorks 'Aanpak

Vanaf het begin is het onze missie om een ​​toonaangevende LIGA fabrikant. Het is nooit een sterke "business case", omdat we anders niet zouden zijn geweest de eerste poging in Europa. We hebben gezocht naar andere productie-mogelijkheden ook, en binnen een jaar of zo, verschillende projecten werden verworven. Een portfolio analyse kan nogal ongewoon voor een klein bedrijf als MicroWorks, maar het helpt ons om onze focus. Het beeld zag er erg divers, in feite veel te divers in 2008. Een herstructurering van onze projecten, last but not least afgedwongen door de financiële crisis, maakt MicroWorks kijk nu heel anders.

Figuur 2. Portfolio van MicroWorks 'projecten op het einde van 2008. De ellips grootte geeft ruwweg het totale project, en de kleur geeft aan dat de technologische risico's verbonden aan de technologische vereisten (van laag naar hoog risico: donker grijs, licht grijs, groen, geel, oranje).

Figuur 3. Hetzelfde als fig. 2, maar in medio 2010. De verschillen tot 18 maanden eerder kunnen als volgt worden samengevat: we hebben afgesproken om een wat hogere mate van technologische risico's gemiddeld maar geannuleerd risicovolle projecten met lage uitkeringen, voegde een belangrijke R & D-project (in samenwerking met KIT) en bleef cash cows.

Het verschil wordt nog duidelijker wanneer we kijken naar een andere portefeuille plot volgende Wheelright en Clark ⁶ . We zullen slaan de wolk beeld van de status aan het eind van 2008 en alleen maar laten zien hoe dingen eruit zien vandaag:

Figuur 4. MicroWorks geherpositioneerd zich met betrekking tot de diversiteit van haar projecten. Een centrale R & D-project, met de steun van de deelstaat Baden-Württemberg, wordt uiteengezet drastisch te verhogen maskeren maten. Alle andere projecten passen in de huidige platforms of bevatten slechts kleine wijzigingen.

De belangrijkste R & D-project richt zich op het maskers maken, met de nadruk op het zoeken naar een manier om grote oppervlakte maskers te verkrijgen. Helaas kunnen we niet over deze aspecten verslag van vandaag, omdat een octrooiaanvraag is nog in volle gang. Maar we kunnen zeggen dat als we succesvol zijn, zullen we in staat om door te gaan tot zeer grote gebieden, boven de 10 centimeter te zeggen, en nog steeds houden de mogelijkheid om patronen de maskers in een e-beam.

Conclusies

In de loop der jaren hebben verschillende COMS en HARMST conferenties gezien uitstekende bijdragen van de LIGA deskundigen over de vooruitgang van deze technologie. Een commercieel succesvolle onderneming is nog niet verschenen. We hebben betoogd in deze bijdrage, dat de grootte beperkingen van hoge precisie, e-beam-geschreven x-ray maskers hebben een beperkende factor niet alleen met betrekking tot de kosten, maar ook met betrekking tot de grootte van het apparaat en compatibiliteit met andere technologieën. Het oplossen van deze grootte beperkingen is de belangrijkste kwestie voor de toekomst van de LIGA-technologie. We hebben ook aangevoerd dat de strategische positionering van MicroWorks 'projecten, samen met een mogelijke oplossing voor het masker probleem kan leiden tot een commercieel levensvatbare x-ray LIGA.

Referenties

1. LIGA en toepassingen ervan; V. Saile, U. Wallrabe, O. Tabata, JG Korvink (red.), Wiley, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
2. FELIG: Modulare Fertigungsstraße für Mikrobauteile über Röntgentiefenlithographie und Galvanik; Project gefinancierd door het Duitse Ministerie van Onderwijs en Onderzoek, 2005-2009; http://www.imt.kit.edu/downloads/FELIG-Broschuere.pdf (in het Duits)
3. INNOLIGA: Innovatieve Weersta-und Direkt-LIGA-Technologieentwicklung für eine verhuurbare Fertigungsmethode für LIGA-Präzisionsteile für KMUs mit einem Stabil arbeitenden Röntgen-Negativresist; Project gefinancierd door het Duitse Ministerie van Onderwijs en Onderzoek, 2007-2010 onder contract nummer 16SV3522
4. EW Becker, W. Ehrfeld, P. Hagmann, A. Maner, en D. Muenchmeyer, "Fabrication van microstructuren met High-aspect ratio's en grote structurele Heights door Synchrotron Radiation Lithografie, Galvanoforming, en Plastic Moulding (LIGA Process)," Microelectronic Engineering, vol. 4, p. 35ff, 1986.
5. Zie het artikel van Jost Göttert in: LIGA en toepassingen ervan; Volker Saile, Ulrike Wallrabe, Osamu Tabata, Jan G. Korvink (eds.), Wiley, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
6. "Het creëren van projectplannen om zich te concentreren product ontwikkeling", S. Wheelright, K. Clark, Harvard Business Review, maart-april 1992, p. 2-14

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org