referat_mnt

8/3/2019 referat_mnt

1/23

1

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

Faculatatea de Inginerie Mecanica si Mecatronica

Sectia : Mecanica Fina

REFERAT MNT

Titular disciplina:

Prof.dr.ing. Georgeta Ionascu

Student: Mlisan Rasha


2/23

2

Cuprins:

I- MICROPRELUCRAREA SILICIULUI MONOCRISTALIN1. Anizotropia........................................................................................................pag 32. Selectivitatea procesului decorodare...........................................................pag 43. Efectelecorelrii anizotropiei cuselectivitatea.............................................pag 54. Comutator de presiune....................................................................................pag 6

II- MICROPRELUCRAREA SILICIULUI POLICRISTALIN5. Tehnica straturilor desacrificiu......................................................................pag 86. Elementeconstructive mobile..........................................................................pag 117. Filtru...................................................................................................................pag 11

III- PROCEDEUL LIGA8. Descrierea procedeului pentrustructuri spaiale 2 1/1D i 3D....................pag 139. Masca pentru radiaiesincrotronic..............................................................pag 1510.Masca delucru...................................................................................................pag 1711.Depunerea galvanic pentru obinerea microstructurilor............................pag 1812.Celula de microgalvanizare..pag 1813.Microinjectarea.pag 2014.Aplicaie a procedeului LIGA : Matrie de multiplicare a discurilor.........pag 21


3/23

3

I- MICROPRELUCRAREA SILICIULUI MONOCRISTALIN

Microprelucrarea siliciului monocristalin permite obinerea cavitilor de diferite forme, aorificiilor deschise, sau nchise de membrane plane/ profilate, de elemente elastice de tipul

arcurilor lamelare sau al arcurilor spirale plane duble etc. Producerea acestor forme se bazeaz peeroziune chimic umed, selectiv, anizotrop i cu influenarea formei prin dopaj controlat almaterialului din care sunt confecionate.

1. AnizotropiaAnizotropia este capacitatea materialelor cristaline de a prezenta comportri sau

proprieti fizice diferite, funcie de distribuia preferenial a atomilor sau moleculelor n spaiu.n procesul configurrii unei microstructuri prin eroziune chimic cu diferite substane,comportarea materialului difer, putnd oscila, teoretic, ntre o izotropie i o anizotropie totalesau ideale.Anizotropia se exprim prin relaia:

A = 1 -

Unde:e este atacul lateral (mrimea corodrii pe direcie perpendicular)h- estea dncimea corodrii (mrimea corodrii pe direcia de aciune a substanei de

corodare).Figura 1 nfieaz cele dou situaii ideale: cnd A = 0, pentru o corodare total izotrop

i A = 1, pentru corodare total anizotrop.n realitate orice proces de corodare este caracterizat de un anume grad de anizotropie,

deci:0 < Areal < 1

Fig.1.Corodare izotrop i anizotrop


4/23

4

2. Selectivitatea procesului decorodare

Selectivitatea S a procesului de corodare reprezint raportul dintre axa de corodare astratului de structurare, Rs i rata de corodare a materialului mtii sau a stratului de stopare acorodrii Rx.

La obinerea microstructurilor se utilizeaz, de obicei, ca material de structurare siliciul; pentru mti se recomand: SiO2; Si3N4; Au; Cr; Ta; Mo; foto sau electronorezist; ca strat destopare a corodrii se poate utiliza: Si3N4; siliciu dopat.

Straturi sau numai zone din siliciu puternic dopate cu bor asigur rate foarte mici decorodare n raport cu siliciul nedopat; aceast proprietate este utilizat pentru a stpni mai uoradncimea de corodare, prin realizarea unui strat de stopare a corodrii sub stratul a crui grosimeva reprezenta adncimea structurii de obinut.(figura 2)

Fig.2.Succesiunea etapelor de lucrupentrulimitarea adncimii de corodare prin strat de stopare

Pentru obinerea unei structuri de adncime h, se pornete de la un substrat din materialul destructurare, de grosime mai mic (fig. 2 a) al crui strat superficial este dopat cu un element carereduce mult rata de corodare a materialului de structurare (fig. 2 b); dup cretere epitaxial cugrosimea h (fig. 2 c) i aplicarea mtii (fig. 2 d), prin corodare n zonele descoperite de masc seobine structura dorit, a crei adncime h va fi condiionat de stratul de stopare (fig. 2 e).

Selectivitatea poate fi influenat de doi factori:

a)-Compoziia substanei de atacb)-Temperatura bii.Pentru comparare in tabelul urmator se dau cateva solutii de corodare pentru materialele uzual

folosite la realizarea microstructurilor:


5/23

5

3. Efectelecorelrii anizotropiei cuselectivitatean figura 3 se vede ce nseamn corelarea selectivitii ideale cu anizotropia ideal la obinerea

unui profil caracterizat printr-o dimensiune n plan d i o adncime h.


6/23

6

Figura:3.Rezultatul combinarii efectelor anizotropiei si selctivitatii la eroziunea chimicaselectiva: a-selectivitate maxima;b-corodare izotropa cu selectivitate maxima;c-corodare izotropaselectiva redusa;d-corodare anizotropa cu selectivitate mixta si limitarea adancimii de corodareprin statul de stopare;e-corodarea anizotropa cu limitarea adancimii de corodare prin dimensiuniin plan al mastii.

n figura 3.a, structura cu dimensiunile d i h corespunde dimensiunilor mtii i respectiv grosimii stratului adugat, dac selectivitatea substanei de atac este maxim pentru materialul destructurare (SMS = max.), i nul pentru materialul mtii (SM = 0), iar procesul este perfectanizotrop (A= 1).

n figura 3.b, procesul de corodare se caracterizeaz prin: SMS= max; SM = 0; A = 0, deoarecesubstana de atac lucreaz uniform att n adncime ct i lateral, sub masc.

n figura 3.c, substana de atac acioneaz i asupra materialului mtii reducndu-i grosimeai modificnd dimensiunea de mascare cu atacul lateral e: SMS = a; SM = 1; (a>1); A =1.

n figura 3.d, se vede rezultatul unui proces cu: SM = 0; SM = max.; 0< A < 1; forma structuriirezultate este posibil la materialele cristaline, care, cu ct sunt mai dense cu att sunt mai greude corodat.

4. Comutator de presiuneComutatorul se bazeaz pe contactul electric realizat de o membran care se deformeaz

sub aciunea presiunii de msurat. Presiunea la care membrana se deformeaz este dependent dedimensiunile ei n plan (Lxl) cai de grosimea g, prin varierea limii l poate fi variat presiuneala care membrana se deformeaz. O succesiune de membrane cu limi variabile realizate peaceeai plachet, permit nregistrarea mai multor trepte de presiune.

S-a obinut un model pentru diferenele de presiune de , , i 1 atm cu dimensiuniledin fig. 4

Fig. 4. Dimensiunile membranelor comutatorului de presiune


7/23

7

Ansamblul este format din dou plachete de siliciu asamblate prin sudare: una n care suntformate membranele, a doua ca electrod de contact.

Grosimile uniforme ale celor patru membrane au fost asigurate prin subierea controlat aplachetei pe care sunt formate; dimensiunile n plan sunt determinate prin masca de corodare astratului izolator de SiO2 dintre placheta- membran i placheta de contact.

Se folosesc dou plachete de siliciu tip n, cu suprafaa orientat (100), lefiute pe ambelesuprafee.Succesiunea etapelor de lucru (fig.5) este urmtoarea:

a. Se depun straturi de Si3N4 cu grosimea de 90 nm, pe ambele suprafee ale plachetelorprin procedeul LPCVD. Prin fotolitografie i corodare n plasm reactiv de CF4 i O2se modeleaz masca de Si3N4.

b. Prin corodare anizotrop ntr-o soluie de KOH: H2O de concentraie 23%, la otemperatur de 60 C sunt deschise canalele pentru izolare (n placheta 1) i orificiilede legtur cu mediul a crui presiune se va msura. Masca de Si3N4 este ndeprtatprin tamponare cu acid fluorhidric concentrat.

c. Se creaz pe placheta l un strat de SiO2 cu grosimea de aprox. 194 nm, prin oxidaretermic; el este modelat astfel nct s rezulte diferitele limi l

1,

l2

, l3

, l4

alemembranelor. Zonele rmase de SiO2 constituie izolatorii dintre membranele-contacte.

d. Cele dou plachete sunt curate n bi bazice, acide, oxidate superficial, aliniate isuprapuse; prinnclzire la 900C ntr-o atmosfer de H2 i Ar, timp de o or ele suntsudate chimic.

Fig.5. Succesiunea etapelor de lucru pentru obinerea comutatorului de presiune


8/23

8

e. Prin prelucrarea mecanica de slefuire si polisare se reduce grosimea placheteisuperioare pana la aparitia canalelor de izolare din SiO2.In final se aplica o polisarechimica cu HNO3: HF: CH3COOH (40:1:1), care asigur grosimea dorit amembranei de 52 2m.

f. Se depun contactele metalice pe membrane i pe placheta cu orificiile de legtur cupresiune de msurat sau de referin.

II-MICROPRELUCRAREASILICIULUI POLICRISTALIN

5. Tehnica straturilor desacrificiu

Tehnica straturilor de sacrificiu, utilizat pentru prima dat de Nathanson, n 1967, are la bazdepunerea i configurarea unor straturi subiri sau groase al cror profil n plan sau n spaiureprezint negativul unor spaii sau caviti necesare obinerii micro- sau nanostructurilor i care n finalul procesului tehnologic sunt sacrificate, deci dispar.Materialele din care sunt confecionate straturile de sacrificiu pot fi:

- Materiale sublimabile (camphor, naftalin, iod);- Polimeri care ard sau se topesc la temperaturi nu mai mari de 150C;- Substane care se dizolv n diferii solveni.

Substanele mai frecvent folosite sunt: fotorezitii i bioxidul de siliciu. ndeprtarea lor se face prin dizolvarea cu soluii a cror selectivitate de aciune face vulnerabile numai straturile desacrificiu, restul materialelor din care sunt alctuite microstructurile rmnnd inerte la aceastaciune.

Substanele de dizolvare trebuie: s fie capabile de a ataca preferenial straturile desacrificiu respectnd poriunile structurate, s aib o vscozitate adecvat i tensiuni superficialecu valori corespunztoare ndeprtrii eficiente a stratului de sacrificiu, s nu lase reziduuri.

Fig.6. Succesiunea etapelor de lucru pentru aplicarea tehnicii stratului de sacrificiu lastructuri mobile din siliciu policristalin:


9/23

9

a)- prelucrarea mecanic i mecano-chimic a plachetei de siliciu; b- oxidare i dopare pentruobinerea stratului de sacrificiu; c-sensibilizare pentru configurarea mtii stratului de sacrificiu;d- expunere; e- developare; f- eroziune chimic selectiv a stratului de SiO2; g ndeprtareamtii; h- depunerea materialului de structurare; i- sensibilizare pentru configurarea mtiistratului de structurare; j- expunere; k- developare; l- eroziune selectiv a materialului destructurare; m- ndeprtarea stratului de sacrificiu

Un exemplu simplu care poate fi i o ilustrare a tehnicii straturilor de sacrificiu este obinereaunui arc lamelar preformat simplu (fig.6.) sau ncastrat la ambele capete (7). n funcie de metodade obinere a stratului de sacrificiu se pot distinge dou variante constructive i anume:

a. Structure suprapuse- prinutilizarea unui strat de SiO2 obinut prin depunerea chimic dinstare de vapori (CVD); stratul de polisiliciu acoper modelul de SiO2, astfel nctelementele obinute n final se formeaz treptat deasupra substratului (fig. 7. a);

b. Structure planare prinutilizareaunuistrat de SiO2, obinut prin oxidare termicselectiv(sau local) a substratului de siliciun ferestrele create prin eroziune chimic n stratul de protecie din Si3N4, astfel nct structurile obinute sunt practic la acelai nivel cusubstratul(fig.7. b).


10/23

10

Fig. 8. Obinerea stratului de sacrificiu pentru structure suprapuse- a i pentru structurengropate b

Un alt exemplu de aplicare a tehnicii straturilor de sacrificiu l poate oferi realizarea unorcaviti nchise de diferite forme i dimensiuni. Pentru obinerea unui sensor capacitiv depresiune cu membran metalic (fig. 9 ) i dimensiunile aproximative prezentate n figur, autorii

propun soluia tehnologic simplificat prezentet n continuare: dup structura parial asenzorului prin procedee caracteristice straturilor subiri (fig. 9 a) (depuneri, dopri, configurri prin eroziune chimic), aplicarea membrane metalice nu se poate face dect asigurndu-i unsuport n timpul depunerii; de aceea cavitatea se va umple cu o soluie de polimetilstirol nmetilcellosolveacetat, nivelat la nlimea distanierului fig. (9 b); pe partea opus senzorului,prin eroziune chimic selectiv sau prin eroziune cu laser, se deschide un orificiu care are att rolfuncional ct i tehnologic fig( 9 c); se depune membrana metallic fig.( 9 d); nclzind laaproximativ 150C materialul plastic suport de sacrificiu este eliminat prin orificiul anteriorprelucrat- fig. (9 e.)

Fig.9.Etapele de lucru pentru obtinera unui senzor de presiune capacitiv cu membrana metalica.


11/23

11

Aplicaii

6.Elementeconstructive mobile

Acestea au nevoie de jocuri pentru a asigura miscarea si de lagare pentru centrare.In figura 10este ilistrat modul de obtinere a unui arbore si a unei rotite/disc/rotor care se roteste liber inraport cu aceasta;configurarea s-a realizat in siliciu policristalinutilizand ca material de sacrificiuSiO2.

Fig.10.Etapele delucru pentru obtinerea unei imbinari cu joc,roata-arbore

7. Filtru

Pentru identificarea primar a fluidului i filtrarea particulelor cu dimensiuni mai mici de 50nm a fost realizat un filtru alctuit (fig. 11) din dou membrane din siliciu policristalin, cu perforaii deplasate relativ i separate prin distaniere din SiO2 uniform distribuite pe suprafa.


12/23

12

Diametrul perforaiilor este de aproximativ 10m, iar distana dintre ele de aproximativ 20 m.Cele dou membrane sunt susinute de un suport de siliciu monocristalin.

Fig.11.Filtru

Structura n ntregime are dimensiuni de 14x14 mm, iar aria filtrului este de 30 mm. Utilizat

mai ales n microbiologie el are i alte caliti:a-structura poroas este foarte uniform i cu dimensiuni submicrometrice;b-mare rezisten mecanic datorat distanierelor din SiO2 care au i rol de rigidizare amembranelor;c-stabil i inert din punct de vedere chimic, nu e sensibil la contactul cu mediile agresive mai

ales din domeniul biologic;d-rezist la temperaturi peste 1000C;e-acoperite cu unstrat metalic sau puternic dopate cu bor astfel nct s conduc curentul

electric, cele dou membrane pot constitui un condensator plan care permite identificri de fluidecu concentraii diferite.

Tehnologia de fabricaie (fig. 12) este o combinaie de microprelucrare a siliciului

policristalin, tehnica stratului de sacrificiu i corodare anizotrop a siliciului monocristalin.

Fig. 11. Succesiunea etapelor de realizare a filtrului


13/23

13

Fig. 11. a: au fost utilizate pachete de siliciu monocristalin debitat dup planul(100). Un stratde SiO2 crescut termic are grosimea corespunztoare distanei dintre membrane. Urmeaz un stratde poli- Si de grosime 1,5 m- n care va fi structurat membrana superioar. Se depune CVD unstrat de SiO2 pentru evitarea impurificrii polisiliciului.

Fig. 11. b: orificiile primei membrane sunt configurate utiliznd fotolitografia i corodarea nplasm reactiv a crei compoziie se modific dup natura stratului (poli- Si sau SiO2). O noudepunere de oxid, cu grosimea de 600 nm asigur protecie lateral a stratului de poli Si.

Fig.11.c: utiliznd ca masc structura anterior creat se face o difuzie selectiv nmonocristalul de siliciu, cu bor, la 1200C timp de 4 ore. Se obin, astfel, zonele semisfericeputernic dopate cu bor care vor rezista corodrii anizotrope a suportului de siliciu monocristalin,dnd forma membrane inferioare.

Fig. 11.d: la corodarea anizotrop, n locul soluiei clasice de EDP care poate penetra stratullateral de SiO2 afectnd dimensiunile membranei superioare, autorii recomand un corodantconstnd din 85 vol. % echimolar soluie de hidrazin n ap i 15 vol. % etilendiamin, care nudizolv straturi de SiO2 mai subiri de 100 nm. Distanierii de SiO2 se formeaz prin atacul

stratului intermediar cu soluie de acid fluorhidric. Atacul continu pn la realizarea trecerilorntre cele dou membrane, acionnd uni- sau bilateral, n acest fel determindu-se idimensiunile aproximative ale distanierelor.

n urma atacului chimic pentru distrugerea parial a stratului de sacrificiu membraneledevin hidrofobe; dac utilizarea filtrului pretinde proprieti hidrofile ale membranelor acestea seobin prin creterea unui strat de aproximativ nm de SiO2pe ntreaga structur.

III. PROCEDEUL LIGA

Pentru obinerea microstructurilor metalice i din polimeri, dezvoltate n spaiu, pe 2 1/3axe i pe 3 axe, cu raport mare ntre nlimea i dimensiunea lor n plan, a fost fcut cunoscut, nanul 1980, procedeul LIGA. Cel care a comunicat apariia acestui procedeu nou de lucru a fostWolfgang Ehrfeld, de la Centrul de Cercetri Nucleare din Karlsruhe. Prima realizare a fost ominicentrifug pentru separarea izotopilor de uraniu, din nichel, a crei dimensiune minim nplan era de 5 m i avea o nlime de 300 m.

Procedeul i-a gsit numeroase aplicaii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile i prismedin PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice i roi dinate dinnichel formate pe un substrat separat i asamblate ulterior cu arborii, prisme hexagonale dinnichel- adaosuri metalice pentru materiale compozite, duze pentru tragerea fibrelor din materialeplastice, microturbine din nichel sau cupru cu fibr integrat pentru msurarea turaiei turbinei,micromotoare magnetice, mocromotoare electrostatice, mti metalice pentru structurarea nplasm a suprafeelor asferice nanometrice.

8.Descrierea procedeului pentrustructuri spaiale 2 1/1D i 3D

Procesul tehnologic schematic de obinere a microstructurilor prin procedeul LIGArezult din fig. 8.1. Spre deosebire de procesele de microstructurare superficial a siliciului, pecare s-au bazat celelalte prelucrri micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimeastratului de rezist corespunde cu nlimea dorit a microstructurii, deci va fi de cteva sute demicrometri; substratul se prefer a fi metalic, iar dac este un dielectric sau semiconductor el va


14/23

14

fi acoperit nainte cu un strat metalic subire care s-i confere proprieti conductive; rezistulutilizat este PMMA(denumirea comercial: PLEXIGLAS); masca prin intermediul creia esteconfigurat stratul de rezist este de o construcie special, astfel nct s aib caliti absorbantesau transparente pentru radiaia utilizat; radiaia X sincrotronic folosit, de lungime de und0,1....2 nm are calitatea de a fi foarte puternic pentru a putea aciona pe ntreaga grosime foarte

mare a rezistului, are o divergen foarte mic apreciat la aproximativ 5 mrad (practice, radiaiaeste paralel) i aceasta permite obinerea pereilor verticali de mare nlime (de altfel- litografiacu radiaie sincrotronic poart i numele de litografie adnc).

Zonele expuse radiaiei X vor deveni uor solubile n developant, deci PMMA lucreaz carezist pozitiv.

Etapele de expunere i developare (fig. 12.a) reprezint faza de LITOGRAFIE.Utiliznd depunerea galvanic rezult un profil negativ al formei obinute din rezist; se poate

depune cupru, nichel, aur sau orice alt metal; depunerea este selectiv i se face pe substratulconductiv neacoperit de configuraia de rezist. Dac grosimea stratului metalic depus esteinferioar grosimii stratului de PMMA, dup ndeprtarea rezistului se obine microstructurametalic unicat. Dac depunerea galvanic continu pn la acoperirea complet a modelului dePMMA, se obine o form cu goluri reprezentnd negativul modelului. Rigiditatea formeidepinde de grosimea stratului metalic care acoper modelul. Aceasta este etapa deGALVANIZARE.

Fig.12.Procedeul LIGA: a-pentrustructurin spaiu 2 D; b- pentru structure n spaiu 3D,cu nclinarea fasciculului de electroni; c- pentru structure n spaiu 3 d, cu dubl nclinare afasciculului de electroni; d pentru structure n spaiu 3D, cu nclinare i rotirea fasciculului de


15/23

15

electroni n jurul axei perpendiculare pe substrat; e- pentru structure n spaiu 3D, cu expunereasuccesiv prin mti de configuraii diferite.

Prin aplicarea unei plci de injectare prin reeaua creia se poate injecta material plastic, se potobine rapid i ieftin numeroase copii din polimeri; este faza de MODELARE/ TURNARE/INJECTARE.

Poate urma o a doua GALVANIZARE care va copia n negativ profilul structurilor dinpolimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalic de turnare, acoperit n prealabil cu un stratde separare, va servi drept electrod, iar depunerea galvanic va reprezenta copia independentmetalic.

Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice; se obin astfelpiese unicat a cror desprindere de pe model se va face prin distrugerea acestuia.

Pentru obinerea microstructurilor 3D exist mai multe variante (fig. 8.1 b, c, d, e) care sedeosebesc ntre ele prin etapa de expunere. Radiaia X poate fi nclinat cu unghiuri diferite fade suprafaa rezistului, poate fi rotit sau expunerea se poate face secvenial n fiecare secvenfolosindu-se cte o masc cu configuraii diferite.

9. Masca pentru radiaiesincrotronic

Masca pentru radiaie X sincrotronic are trei componente distincte:a- un support cu ct mai maretransparen la radiaia X;b- unmaterial absorbant pentru asigurarea contrastului;c- o ram care s asigure rigiditatea mecanic necesar poziionrii, centrrii i schimbrii

automate a mtii.Ca material suport se utilizeaz siliciul i titanul. Grosimile de membran care asigur

transparen de 90% a radiaiei sincrotronice cu lungimea de und = 0,53 nm sunt urmtoarele:beriliu 19 m, nitrur de bor 6,7 m, titan 0,45 m.

Ca material absorbant se recomand aur, wolfram sau tantal.Capacitatea absorbant esteapreciat prin raportul ntre densitatea de putere a radiaiei rezultat la trecerea prin zonatransparent i prin zona opac; acesta trebuie s depeasc valoarea 1000 pentru ca masca s fieconsiderat a avea contrast suficient. Grosimile uzuale sunt de aproximativ 17 m- pentru aur iaproximativ 18 m- pentru wolfram.

Structura absorbant poate fi obinut prin procedee substractive sau aditive(lift-off).Principalele etape ale tehnologiei de realizare a mtii pentru procedeul LIGA sunt:

a- obinerea suportului;b- structurarea stratului de resist pentru masca intermediar;c- depunerea galvanic a structurii absorbante;d- copierea mtii intermediare pe masca de lucru.

Rama, care susine suportul structurii absorbante sau membrana transparent la raze X, poateconfecionat din INVAR (aliaj cu 18% Co, 28% Ni, 54% Fe)i este format odat cu suportul, printr-o succesiune de operaii cunoscut( prelucrarea mecanic a semifabricatului masiv dinINVAR pn la obinerea unei rugoziti Ra = 0,25 m, aplicarea stratului suport, corodareparial a grosimii ramei pentru a menine un perete de aproximativ 1 mm cu rol de rigidizare,structurarea stratului de rezist, depunerea galvanic selectiv a structurii cu rol de rigidizare,structurarea stratului de rezist, depunerea galvanic selectiv a structurii absorbante, ndeprtarearezistului, corodarea complet a peretului INVAR.

Fig. 13 arat etapele de realizare a membranei suport din titan, prin transfer. Un strat decarbon de slab aderen la placheta de siliciu este depus selectiv prin procedeul CVD, astfel


16/23

16

nct marginea plachetei s rmn liber (a); prin pulverizare catodic se depune un strat de 2-3m grosime, din titan materialul suportului mtii, avnd o bun aderen la marginea placheteide siliciu (b); placheta este lipit cu un adeziv pe ram (c); printr-o uoar ndoire a plachetei desiliciu se asigur desprinderea membranei (d); prin corodare uscat n plasm de oxigen senltur stratul intermediar de carbon (e).

Fig.13.Etapele realizarii prin transfer a membraneisuport de titan

Realizarea mtii intermediare, care are ca suport al structurii absorbante o membran de siliciu,este prezentat schematic n fig.14.Pentru configurarea structurii absorbante se folosetelitografia cu fascicul de electroni.

Fig. 14. Etapele realizrii mtii intermediare:


17/23

17

a-litografie electronica; b- corodare anizotrop n plasm reactiv; c- depunere galvanic; d ndeprtarea rezistului.

Fig. 14 a: suportul este o plachet de siliciu corodat parial n zona viitoarei membrane pnla o grosime de aproximativ 2 m. Grosimea stratului de rezist de baz nu depete grosimeauzual la litografia optic sau la litografia electronic aproximativ 1500 nm.Stratul metalic

intermediar are rolul de a fi purttorul profilului structurii de rezist de baz n care se va depunegalvanic absorbantul radiaiei sincrotronice; acesta poate fi, de exemplu nichel, i va fi depusautocatalitic. Pentru configurarea stratului de electronorezist PMMA se utilizeaz expunereaprin baleiere cu fascicul de electroni.

Se obine fig. 14 b- o masc de PMMA care va contribui la configurarea stratului metalicintermediar, prin corodare anizotrop n plasm reactiv CHF3.

Fig. 14 c: structura absorbant din aur se depune galvanic ntr-o grosime de aproximativ 1 m.Fig. 14 d: prin dizolvarea modelului de rezist se ndeprteaz i stratul intermediar metalic, iar

ceea ce se obine este masca intermediar necesar litografiei cu raze X.

10. Masca delucru

O structur asemntoare mtii intermediare are i masca de lucru, cu singura deosebire cstructura absorbant (din aur- de exemplu) are o nlime mult mai mare( 1010m).Succesiunea principalelor etape (fig. 15) arat modul de transpunere a profilului mtiiintermediare n stratul gros de PMMA prin radiaie sincrotronic. Membrana mtii de lucrupoate fi obinut prin transfer.

Fig. 15. Etapele realizrii mtii de lucru din aur:a- litografie cu radiaie X sincrotronic; b- depunere galvanic i ndeprtarea modelului dinrezist

Structura stratului gros de PMMA se face printr-o succesiune de expuneri i developri repetate.Grosimea maxim ce poate fi structurat la o expunere este de 100m.Aplicarea unui strat uniform i de grosime mare pn la 1 mm de rezist (PMMA) se face prin

turnarea i uniformizarea prin laminare a unui monomer urmat de polimerizarea acestuia la


18/23

18

temperatur nalt, sau la temperatura camerei- dac i se adaug un iniiator de polimerizare; nurma polimerizrii MMA trece n PMMA.

11.Depunerea galvanic pentru obinerea microstructurilor

Stratul gros de PMMA depus i developat poate constitui el nsui o microstructur dinpolimer. Pentru obinerea microstructurilor metalice este necesar depunerea galvanic, folosindca electrod suportul metalic al mtii; dar , depunerea galvanic este necesar i la obinerea unorforme metalice rigide pentru injectarea n serie a microstructurilor din polimeri n acest cazplaca metalic a instalaiei de injectat fiind utilizat ca electrod.

Dificultile ridicate de microgalvanizare sunt urmtoarele:a- aderen insuficient care ar putea duce la desprinderea microstructurilor;b- depunerile metalice de la baza structurii de PMMA sunt favorizate de slaba ei

aderen i de microasperitile de la marginea de contact cu suportul i modificdimensiunile i profilul microstructurii metalice de obinut;

c- tensiunile interne din interiorul stratului depus galvanic duc la deformareamicrostructurii. Principalii factori care influeneaz apariia tensiunilor internesunt: densitatea de curent, grosimea stratulu idepus i temperatura. Temperaturaoptim este de 50- 60C.

d- Lipsa de uniformitate a stratului depus poate fi evitat sau numai redus prinaplicarea unor mti profilate de corecie din material dielectric (careuniformizeaz densitatea de curent pe suprafaa piesei) i prin introducerea ncompoziia bii de depunere a unui agent de planarizare;

e- raportulfoarte mare ntre nlimea i limea microstructurii face ca depunerilemetalice n canalele foarte nguste s nu fie uniforme; de aceeacompoziia bii demicrogalvanizare trebuie s asigure udarea uniform a ntregii structuri.

f- Degajarea hidrogenului n timpul depunerii favorizeaz formarea structurilorporoase sau chiar structuri incomplete.

Metalul din care se realizeaz cel mai adesea microstructurile prin procedeul LIGA este nichelul.O compoziie tipic a unei bi de sulfamat de nichel pentru microgalvanizri conine: 327 g/lanhidrid de sulfamat de nichel; 76 g/l - ioni; 40 g/l acid boric; 2 ml/l agent de umectare.

Parametrii tehnologici ai depunerii:- pH- soluie: 4,0- temperatura: 52C- densitatea de curent: 1-2 A/dm

Se asigur astfel o rat de depunere de 12-120 m/or.Rugozitatea stratului depus depinde de rugozitatea suportului de depunere. Pentru straturi cunlimea mai mare de 100 m rugozitatea are valori sub 1 m.Duritatea stratului depus scade cu creterea densitii de curent i este cuprins ntre 350- 200uniti Vickers (la o ncrcare de 100 g).

12. Celula de microgalvanizare

Celula de microgalvanizare(fig. 8.5) trebuie s asigure depunerea metalului n cele mai ngusteadncituri; de aceea anodul va fi format din bile de nichel de polarizate introduse dintr-un co;


19/23

19

catodul va fi rotit continuu, ia relectrolitul- continuu filtrat. Diafragma folosete pentruuniformizarea densitii de curent. Se mai poate depune, prin microgalvanizare: aur (mtinecesare procedeului LIGA), cupru (microbobine), aliaje nichel- cobalt, aliaje fier- nichel(micromotoare electromagnetice) etc.

Fig. 16.Celul de microdepunere galvanic

Microstructura metalic astfel obinut poate fi utilizat ca atare (de exemplu: amplificatoarelefluidice) sau poate constitui forma n care va fi injectat sau presat polimerul unor viitoaremicrostructuri dintr-un asemenea material.La realizarea formei de presare sau injectare cu rigiditate sporit, se va proceda aa cum rezult

din fig. 17.Pe o plac de baz, care ulterior va fi sacrificat, este realizat microstructura din rezist

(PMMA) prin litografie adnc cu radiaie X sincrotronic (fig. 17.a).Utiliznd placa de baz drept electrod se obine negativul metalic din nichel al microstructurii dinrezist (fig. 17. b).

Prelucrarea mecanic final trebuie s micoreze abaterile de planitate ale plcii derigidizare (fig. 17 c).Rugozitatea i abaterile de planitate ale prii posterioare a formei ar putea afecta dimensiunile iforma microstructurii din material plastic; aceastapentruc, la contactul cu placa de oel a mainiide injectare (fig. 17 c'), forma se poate deforma.


20/23

20

Fig. 17.Obinerea formei rigide de injectare pentru microstructuri din polimeri

Exist i posibilitatea netezirii suprafeei depuse de nichel prin adugarea n baia de depunere a

unui agent de netezire care este un produs organic.Rugozitile obinute pe suprafaa posterioar a formei la depunerea de nichel, fr sau cu

prelucrarea mecanic ulterioar, rezult din tabelul 8.1Procedeu Rmax (m) Ra (m)

Depunere din baie fr agentde netezire

10...15 1.4...3,9

Lustruire cu abraziv, aplicatdup galvanizare

1,1...2,7 0,07...0,18

Lepuire, aplicat dupgalvanizare

2,0...2,6 0,19...0,24

Rectificare, aplicat dup

galvanizare

2...4 0,14...0,2

Rectificare + lustruire, dupgalvanizare

1,3...2,0 0,11...0,13

Depunere din baie cu agent denetezire

0,7...1,2 0,07...0,14

Placa de baz este ndeprtat prin prelucrare mecanic, pentru a elibera microstructura din rezist(fig. 17 d ). ndeprtarea plcii se poate face i fr a o sacrifica, dac naintea procesului delitografiere se aplic pe placa de baz un strat care s reduc aderen la suprafaa sa i care va findeprtat n faza d prin dizolvare selectiv dup tehnica Straturilor de sacrificiu.Microstructura din rezist este ndeprtat prin dizolvare sau corodare uscat (fig. 17 e).

13.Microinjectarea

Polimerii utilizai pentru obinerea microstructurilor pot fi;- termorigizi (Poliuretan UP);- termoplastici (Policlorur de vinil PVC, Acrilonitril- butadienstiren ABS,

Polimetilmetacrilat PMMA).


21/23

21

Parametrii tehnologici caracteristici procesului de formare a microstructurilor din polimerirezult din tabelul 8.2

Parametrul tehnologic Polimeri

Termorigizi Termoplastici

Temperatura de formare (C) 40 200Temperatura formei (C) 70 25Presiunea de formare (bar) 10...100 100Fora de nchidere a formei (t/m) 50 3000

Instalaiile de injectare sau presare folosite pentru etapa de formare a microstructurilordin polimeri nu se deosebesc de cele clasice, ci numai ciclul de lucru este adaptat raportuluifoarte mare ntre adncimea structurii h, i dimensiunea sa minim transversal dmin.

14. Aplicaie a procedeului LIGA : Matrie de multiplicare a discurilor

Pentru obinerea matrielor de multiplicare a discurilor de pick- up i a discurilor cu citireoptic (fig. 18) se pornete de la un model diferit, dar este urmat aceeai succesiune de etape.

La discurile de pick-up modelul (fig. 18 a) este format ntr-un strat de lac pe baz denitroceluloz n care o mic spatul nclzit transform semnalul de peband ntr-o vibraiematerializat printr-o urm n spiral, cu pasul de 100 m i adncimi de 25 m.

Fig. 18. Obinerea matrielor pentru audio- discuri


22/23

22

La discurile cu citire optic modelul (fig. 18 b) este format dintr-un suport de sticlpolisat, acoperit cu un strat de lac fotosensibil. Informaia este nregistrat sub forma unoradncituri de lime 0,4 m, lungime 0,5... 2 m i adncime corespunztoare grosimii de lacfotosensibil 0,12 m (sauproeminene funcie de tipul de disc), dispuse dup o spiral cupasul de 1,6 m.

nregistrarea se face cu un laser de argon cu = 458 nm, al crui spot cu dimensiuni de

400 nm este focalizat pe suprafaa lacului fotosensibil.

Cerine alestratului metalic Metale

Al Ag Au Ni Cu Cr

Coeficient de reflexie mare + + + - + -Stabilitate la contactul cu aerul - + + + - +Stabilitate n baia de nichelare - + + + + +Proprieti de strat separator - + - + + +Selectivitate la coroziune + + - - -Conductibilitate electric + + + +

Lacul fotosensibil este pozitiv, deci prin expunere devine solubil n developant; aceasta a fostetapa de litografie utiliznd expunere cu fascicul laser.

Modelul este acoperit cu un strat conductor (fig. 18 c), care la discurile cu citire optictrebuie s aib un grad de reflexie sporit, pentru ca originalul s poat fi citit.

n principiu, pot fi utilizate diverse materiale metalice, care s rspund la mai multe cerineimpuse de procesul tehnologic. Tabelul de mai sus lmurete de ce este ales argintul ca materialde placare. Depunerea stratului de argint se poate face prin evaporare termic n vid, pulverizarecatodic sau reducere chimic din soluie: pentru discurile obinuite se folosete ultima metod;pentru discurile cu citire optic se recomand evaporarea, deoarece prin depunere chimic rezulto suprafa mai rugoas.

Etapele reprezentate n fig. 8.9 d ...g sunt de galvanizare, iar ca form de lucru, deci ca matri pentru obinerea corpului discului sau altfel spus- suportul informaiei. Profilul formei poate ficopiat prin polimarizarea unui lac fotosensibil la radiaia UV (h1), prin injectarea unu ipolimertermoplastic (h2), prin presarea unui polimer termorigid (h3).


23/23

23

Bibliografie

Tehnologia Structurilor Micromecanice: Editura Tehnica Bucuresti (1995)

Autori: - coordonator:Dr.Ing.Simona Antonescu

- Prof.dr.ing. Georgeta Ionascu

- ing.Adina Pircalaboiu

referat_mnt

Documents