الدوري الهندي الممتاز

تقنية LIGA بالأشعة السينية هي عملية تصنيع في مجال التكنولوجيا الدقيقة ، طُوِّرت في أوائل ثمانينيات القرن الماضي ^{[ 1 ]} على يد فريق بقيادة إروين ويلي بيكر وولفغانغ إيرفيلد في معهد هندسة العمليات النووية ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) التابع لمركز كارلسروه للأبحاث النووية، والذي أُعيد تسميته لاحقًا إلى معهد تكنولوجيا البنية المجهرية ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) التابع لمعهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT). وكانت LIGA من أوائل التقنيات الرئيسية التي أتاحت تصنيع هياكل ذات نسبة أبعاد عالية (هياكل أطول بكثير من عرضها) بدقة جانبية تقل عن ميكرومتر واحد.

في هذه العملية، تُعرَّض طبقة من البوليمر المقاوم للضوء الحساس للأشعة السينية، عادةً ما تكون من مادة PMMA ، والمرتبطة بركيزة موصلة كهربائيًا، لحزم متوازية من الأشعة السينية عالية الطاقة من مصدر إشعاع السنكروترون، وذلك عبر قناع مغطى جزئيًا بمادة ماصة للأشعة السينية. ينتج عن الإزالة الكيميائية للطبقة المقاومة للضوء المعرضة (أو غير المعرضة) بنية ثلاثية الأبعاد، يمكن ملؤها بالترسيب الكهربائي للمعادن. تُزال الطبقة المقاومة كيميائيًا لإنتاج قالب معدني. يمكن استخدام هذا القالب لإنتاج أجزاء من البوليمرات أو السيراميك من خلال عملية التشكيل بالحقن .

تكمن القيمة الفريدة لتقنية LIGA في الدقة العالية التي تُحققها باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة السينية العميقة (DXRL). تُمكّن هذه التقنية من تصنيع هياكل دقيقة ذات نسب أبعاد عالية ودقة فائقة في مجموعة متنوعة من المواد (المعادن والبلاستيك والسيراميك). ويرتبط العديد من ممارسيها ومستخدميها بمرافق السنكروترون أو يتواجدون بالقرب منها.

تستخدم تقنية UV LIGA مصدرًا رخيصًا للأشعة فوق البنفسجية، مثل مصباح الزئبق ، لتعريض طبقة من البوليمر المقاوم للضوء، عادةً SU-8 . ولأن التسخين والنفاذية ليسا مشكلة في الأقنعة البصرية، يمكن استبدال قناع الأشعة السينية المعقد تقنيًا بقناع بسيط من الكروم. هذه التبسيطات تجعل تقنية UV LIGA أرخص بكثير وأكثر سهولة في الاستخدام من نظيرتها التي تعتمد على الأشعة السينية. مع ذلك، فإن تقنية UV LIGA ليست فعالة بنفس القدر في إنتاج قوالب دقيقة، ولذلك تُستخدم عندما يكون خفض التكلفة ضروريًا ولا تتطلب نسب أبعاد عالية جدًا.

تتكون أقنعة الأشعة السينية من حامل شفاف ذي عدد ذري ​​منخفض ، وممتص ذي عدد ذري ​​مرتفع ذي نمط محدد ، وحلقة معدنية للمحاذاة وتبديد الحرارة. ونظرًا للتغيرات الشديدة في درجات الحرارة الناتجة عن التعرض للأشعة السينية، تُصنع الحوامل من مواد ذات موصلية حرارية عالية لتقليل التدرجات الحرارية. يُعتبر الكربون الزجاجي والجرافيت حاليًا أفضل المواد، حيث يقلل استخدامهما بشكل ملحوظ من خشونة الجدران الجانبية. كما يُستخدم السيليكون ، ونيتريد السيليكون ، والتيتانيوم ، والماس كركائز للحوامل، ولكنها ليست مفضلة، لأن الأغشية الرقيقة المطلوبة هشة نسبيًا، وتميل أقنعة التيتانيوم إلى تقريب الحواف الحادة بسبب التفلور الحافي. أما الممتصات فهي من الذهب، والنيكل، والنحاس، والقصدير، والرصاص، وغيرها من المعادن الماصة للأشعة السينية.

يمكن تصنيع الأقنعة بعدة طرق. تُعدّ الأقنعة المصنّعة بتقنية الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون الأكثر دقةً والأغلى ثمناً ، إذ توفر دقة تصل إلى 0.1 ميكرومتر في طبقة مقاومة بسمك 4 ميكرومتر ، وميزات بدقة 3 ميكرومتر في طبقة مقاومة بسمك 20 ميكرومتر . أما الطريقة المتوسطة فهي القناع الضوئي المطلي ، الذي يوفر دقة 3 ميكرومتر ، ويمكن الاستعانة بمصادر خارجية لتصنيعه بتكلفة تقارب 1000 دولار أمريكي للقناع الواحد. بينما تُعدّ الطريقة الأقل تكلفةً هي القناع الضوئي المباشر، الذي يوفر دقة 15 ميكرومتر في طبقة مقاومة بسمك 80 ميكرومتر . باختصار، تتراوح تكلفة الأقنعة بين 1000 و20000 دولار أمريكي، وتستغرق مدة تسليمها من أسبوعين إلى ثلاثة أشهر. ونظراً لصغر حجم السوق، تمتلك كل مجموعة من مجموعات LIGA عادةً قدرتها الخاصة على تصنيع الأقنعة. تشمل التوجهات المستقبلية في صناعة الأقنعة أحجاماً أكبر، بقطر يتراوح بين 100 و 150 مليمتر ، وأحجاماً أصغر للميزات.

المادة الأولية عبارة عن ركيزة مسطحة ، مثل رقاقة سيليكون أو قرص مصقول من البريليوم أو النحاس أو التيتانيوم أو أي مادة أخرى. تُغطى الركيزة، إن لم تكن موصلة للكهرباء، بطبقة طلاء موصلة، عادةً عن طريق الترسيب بالرش أو التبخير .

يتطلب تصنيع الهياكل ذات النسبة العالية بين الطول والعرض استخدام مادة مقاومة للضوء قادرة على تشكيل قالب بجدران جانبية عمودية؛ لذا، يجب أن تتمتع هذه المادة بانتقائية عالية وأن تكون خالية نسبيًا من الإجهاد عند تطبيقها في طبقات سميكة. يُعد بولي (ميثيل ميثاكريلات) ( PMMA ) الخيار الأمثل، حيث يُطبق على الركيزة بعملية لصق، يتم فيها تثبيت طبقة مسبقة الصب ذات وزن جزيئي عالٍ من PMMA على قاعدة الطلاء على الركيزة. بعد ذلك، تُطحن طبقة المقاومة للضوء المطبقة إلى الارتفاع المطلوب بدقة باستخدام قاطع طائر قبل نقل النمط عن طريق التعريض للأشعة السينية. ولأن الطبقة يجب أن تكون خالية نسبيًا من الإجهاد، تُفضل عملية اللصق هذه على الطرق البديلة مثل الصب. علاوة على ذلك، يتطلب قطع طبقة PMMA بواسطة القاطع الطائر ظروف تشغيل وأدوات محددة لتجنب إحداث أي إجهاد أو تشقق في طبقة المقاومة للضوء.

تُعدّ السنكروترون إحدى التقنيات الأساسية المُمكّنة لتقنية LIGA، فهي قادرة على إصدار أشعة سينية عالية الطاقة وذات توازي عالٍ. يسمح هذا التوازي العالي بوجود مسافات كبيرة نسبيًا بين القناع والركيزة دون حدوث تشويش شبه الظل الذي ينتج عن مصادر الأشعة السينية الأخرى. في حلقة تخزين الإلكترونات أو السنكروترون ، يُجبر المجال المغناطيسي الإلكترونات على اتباع مسار دائري، ويتسبب التسارع القطري للإلكترونات في انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي إلى الأمام. وبالتالي، يكون الإشعاع مُتوازيًا بشدة في الاتجاه الأمامي، ويمكن افتراض أنه موازٍ لأغراض الطباعة الحجرية. نظرًا للتدفق الأعلى بكثير للأشعة السينية المُتوازية القابلة للاستخدام، يُصبح من الممكن تقليل أوقات التعريض. تتوزع طاقات الفوتونات لتعريض LIGA تقريبًا بين 2.5 و 15 كيلو إلكترون فولت .

على عكس الطباعة الحجرية الضوئية، توجد حدود متعددة للتعريض، تُعرف بالجرعة العليا والجرعة الدنيا والجرعة الحرجة، ويجب تحديد قيمها تجريبيًا لضمان التعريض الأمثل. يجب أن يكون التعريض كافيًا لتلبية متطلبات الجرعة الدنيا، وهي التعريض الذي تبقى عنده بقايا من مادة مقاومة الضوء، والجرعة العليا، وهي التعريض الذي تتجاوزه مادة مقاومة الضوء فتُصبح رغوية. أما الجرعة الحرجة فهي التعريض الذي تبدأ عنده مادة مقاومة الضوء غير المعرضة للضوء بالتلف. نظرًا لقلة حساسية مادة PMMA، فإن زمن التعريض النموذجي لطبقة من PMMA بسمك 500 ميكرومتر هو ست ساعات. أثناء التعريض، قد تؤدي تأثيرات الإشعاع الثانوي، مثل حيود فرينل ، وتألق القناع والركيزة ، وتوليد إلكترونات أوجيه والإلكترونات الضوئية ، إلى تعريض زائد.

أثناء التعريض، يتم تسخين قناع الأشعة السينية وحامل القناع مباشرةً عن طريق امتصاص الأشعة السينية، ويتم تبريدهما عن طريق الحمل الحراري القسري الناتج عن نفثات النيتروجين. ويعود ارتفاع درجة حرارة مادة PMMA المقاومة للحرارة بشكل رئيسي إلى انتقال الحرارة من الركيزة إلى داخل المادة المقاومة، ومن لوحة القناع عبر هواء التجويف الداخلي إلى داخل المادة المقاومة، بينما يُعد امتصاص الأشعة السينية عاملاً ثانوياً. وتشمل التأثيرات الحرارية تغيرات التركيب الكيميائي الناتجة عن تسخين المادة المقاومة، وتشوه القناع تبعاً لشكلها الهندسي.

بالنسبة للهياكل ذات النسبة العالية بين الطول والعرض، يتطلب نظام المقاوم الضوئي والمُظهِر نسبة ذوبان في المناطق المعرضة وغير المعرضة للضوء تبلغ 1000:1. يتكون المُظهِر القياسي، المُحسَّن تجريبيًا، من مزيج من رباعي هيدرو-1،4-أوكسازين (20%)، و2-أمينوإيثانول-1 (5%)، و2-(2-بوتوكسي إيثوكسي)إيثانول (60%)، والماء (15%). يوفر هذا المُظهِر النسبة المطلوبة من معدلات الذوبان ويقلل من التشققات الناتجة عن الإجهاد بسبب التورم مقارنةً بمُظهِرات PMMA التقليدية. بعد المعالجة، تُشطف الركيزة بالماء منزوع الأيونات وتُجفف إما في فراغ أو بالتدوير. في هذه المرحلة، يمكن إطلاق هياكل PMMA كمنتج نهائي (مثل المكونات البصرية) أو استخدامها كقوالب لترسيب المعادن لاحقًا.

في خطوة الطلاء الكهربائي، يُطلى النيكل أو النحاس أو الذهب من الركيزة المعدنية إلى الفراغات التي خلّفها إزالة طبقة المقاوم الضوئي. تتم هذه العملية في خلية إلكتروليتية، حيث تُضبط كثافة التيار ودرجة الحرارة والمحلول بدقة لضمان الطلاء الأمثل. في حالة ترسيب النيكل من محلول كلوريد النيكل (NiCl₂ ₎ في محلول كلوريد البوتاسيوم (KCl)، يترسب النيكل على المهبط (الركيزة المعدنية) ويتصاعد غاز الكلور (Cl₂ ₎ عند المصعد. تشمل الصعوبات المرتبطة بالطلاء في قوالب بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) الفراغات، حيث تتشكل فقاعات الهيدروجين على الملوثات؛ وعدم التوافق الكيميائي، حيث يهاجم محلول الطلاء طبقة المقاوم الضوئي؛ وعدم التوافق الميكانيكي، حيث يتسبب إجهاد الطبقة في فقدانها للالتصاق. يمكن التغلب على هذه الصعوبات من خلال التحسين التجريبي لكيمياء الطلاء وبيئة العمل وفقًا لتصميم معين.

بعد التعريض الضوئي، والتظهير، والطلاء الكهربائي، تُزال طبقة المقاوم الضوئي. إحدى طرق إزالة ما تبقى من مادة PMMA هي تعريض الركيزة بالكامل للمحلول ثم استخدام محلول التظهير لإزالة المقاوم الضوئي تمامًا. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام المذيبات الكيميائية. تُعدّ إزالة طبقة المقاوم الضوئي السميكة كيميائيًا عملية طويلة، تستغرق من ساعتين إلى ثلاث ساعات في الأسيتون عند درجة حرارة الغرفة. في الهياكل متعددة الطبقات، من الممارسات الشائعة حماية الطبقات المعدنية من التآكل عن طريق ملء الهيكل بمادة تغليف بوليمرية. في هذه المرحلة، يمكن ترك الهياكل المعدنية على الركيزة (مثل دوائر الميكروويف) أو فصلها كمنتج نهائي (مثل التروس).

بعد عملية التجريد، يمكن استخدام المكونات المعدنية المتحررة في النسخ بكميات كبيرة من خلال وسائل النسخ القياسية مثل الختم أو قولبة الحقن .