1. Microprelucrarea siliciului monocristalin

Pentru ca motivul principal al micrometrizarii este acela al integrarii

senzorilor in structuri comune cu sistemele electronice de prelucrare a semnalelor,

unul din materialele cele mai utilizate pentru confectionarea lor este siliciul

monocristalin.

Analog cu prelucrarile mecanice care transforma semifabricatele in piese

de diferite forme si profile, tot asa microprelucrarea siliciului monocristalin

permite obtinerea cavitatilor de diferite forme, a orificiilor deschise, sau inchise

de membrane plane/profilate, de elemente elastice – de tipul arcurilor lamelare

sau al arcurilor spirale plane duble.

Producerea acestor forme se bazeaza pe eroziune chimica umeda,

selectiva, anizotropa si cu influentarea formei prin dopaj controlat al materialului

din care sunt confectionate.

1.1 Anizotropia

Anizotropia este capacitatea materialelor cristaline de a prezenta

comportari sau proprietati fizice diferite, functie de distributia preferentiala a

atomilor sau moleculelor in spatiu.

In procesul configurarii unei microstructuri prin eroziune chimica cu

diferite substante, comportarea materialului difera, putand oscila, teoretic, intre o

izotropie si o anizotropie.

1

Figura 1.1 infatiseaza cele doua situatii ideale: cand A=0, pentru corodarea

total izotropa si A=1, pentru corodare total izotropa.

Cateva notiuni de cristalografie sunt necesare, pentru ca intreaga

tehnologie a structurilor micromecanice in siliciu monocristalin se bazeaza pe

anizotropia cristalina a acestuia.

Este cunoscut faptul ca materialele cristaline sunt structurate in 14 retele

tridimensionale de cristalizare, provenind din 7 sisteme cristaline de baza, a caror

unica celula elementara este un poliedru cu 6 fete de forma unui patrulater, 12

muchii si 8 varfuri.

Pentru notarea varfurilor sau nodurilor retelei se foloseste sistemul de

coordonare al celulei elementare, coordonatele nodurilor fiind exprimate in indici

care arata valoarea raportului intre pozitia reala a nodului si constanta retelei,

considerata ca valoare unitara.

Directiile cristaline sunt determinate de drepte care contin cel putin doua

noduri. O directie cristalina este definita prin indici intregi corespunzatori

coordonatelor nodului care prin unire cu originea celulei elementare determina

directia; indicii sunt introdusi in [ ].

Planul cristalin este determinat de trei noduri ale retelei si este notat prin

indicii Miller (h,k,l) introdusi in paranteze rotunde ( ).

Planele echivalente se noteaza cu acolade { }.

Profilele de corodare obtinute prin eroziune chimica pot fi diferite functie

de corelarea anizotropiei substantei de atac cu anizotropia materialului de

structurare.

Siliciul cristalizeaza in sitemul cubic si are structura diamantului.

Eroziunea chimica anizotropa formeaza pe suprafata unei plachete debitata dupa

planul (100), cavitati cu conturul unui patrulater cu unghiuri drepte, ai carui pereti

laterali formeaza cu planul (100) unghiuri de 54,74º.

Orientarea mastii in raport cu planele cristaline influenteaza atat forma

cavitatii cat si capacitatea de realizare a structurilor suspendate de tipul grinda sau

micropunte rezonanta. De aceea orientarea plachetei de siliciu prin tesire, in

2

primele operatii de prelucrare mecanica, este cu atat mai importanta la obtinerea

structurilor micromecanice.

O posibilitate de a pune in evidenta comportarea anizotropa a siliciului

monocristalin este oferita de corodarea unei sfere din siliciu monocristalin intr-o

solutie specifica: de exemplu CsOH.

1.2 „Selectivitatea” procesului de corodare

Selectivitatea S a procesului de corodare inseamna raportul dintre rata de

corodare a stratului de structurare, Rs si rata de corodare a materialului mastii sau

a stratului de stopare a corodarii Rx.

La obtinerea microstructurilor se utilizeaza de obicei, ca material de

structurare siliciul; pentru masti se recomanda: SiO2, Si3N4, Au, Cr; foto- sau

electronorezist; ca strat de stopare a corodarii se poate utiliza: Si3N4; siliciu dopat.

Pentru obtinerea unei structuri de adancime h, se porneste de la un substrat

din materialul de structurare, de grosime mai mica (fig. 1.2 a) al carui strat

superficial este dopat cu un element care reduce mult rata de corodare a

materialului de structurare (fig. 1.2 b); dupa crestere epitaxiala cu grosimea h (fig.

1.2 c) si aplicarea mastii (fig. 1.2 d), prin corodare in zonele descoperite de masca

se obtine structura dorita, a carei adancime h va fi conditionata de stratul de

stopare (fig. 1.2 e).

3

Selectivitatea poate fi influentata, in principal, prin doi factori: compozitia

substantei de atac si temperatura baii.

De altfel, pe selectivitate se bazeaza si utilizarea straturilor de sacrificiu a

caror natura si compozitie se alege astfel, incat sa le asigure o rata maxima de

corodare in raport cu materialul structurii micromecanice.

1.3 Efectele corelararii anizotropiei cu selectivitatea

4

In figura a, structura cu dimensiunile d si h corespunde dimensiunilor

mastii si respectiv grosimii stratului adaugat, daca selectivitatea substantei de atac

este maxima pentru materialul de structurare (SMS=0), si nula pentru materialul

mastii(SM=0), iar procesul este perfect anizotrop(A=1).

In figura b procesul de corodare se caracterizeaza prin: SMS=max; SM=0;

A=0, deoarece substanta de atac lucreaza uniform atat in adancime cat si lateral,

sub masca.

In figura c substanta de atac actioneaza si asupra materialului mastii

reducandu-i grosimea si modificand dimensiunea de mascare ca atacul lateral.

In figura d se vede rezultatul unui proces cu SM=0; SMS=max; 0<A<1.

D

Daca lipseste stratul de stopare a corodarii (fig. e) forma golului rezultat

va avea aspectul unei piramide rasturnate.

1.4 Aplicatii

1.4.1 Suprafete antireflectante

Pentru marirea coeficientului de absortie al unor suprafete din siliciu

monocristalin orientat (100) si (110) iluminate cu un laser He-Ne cu λ=632,8 nm

au fost folosite tehnici de corodare anizotropa, izotropa si de depunere de straturi

subtiri.

Suprafata plachetei este brazdata cu crestaturi (fig. 1.3) in forma de V (a),

cu pereti verticali (c) sau de cavitatii piramidale dispuse regulat (b) sau aleatoriu.

5

Au fost folosite plachete de siliciu monocristalin crescut prin metoda

Czochralski. Stratul de SiO2 cu grosimea de 0,63 μm care a servit ca masca, a fost

obtinut prin oxidare termica uscata la 1050ºC, timp de 17-144 ore.

1.4.2 Cavitati si canale de orientare

Pentru orientarea mecanica a doua plachete din siliciu ca si pentru

orientarea si asamblarea unei fibre optice au fost realizate cavitati si canale cu

forma si dimensiunile din figura 1.4.

6

1.4.3 Membrane

In structura microvalvelor cu trei cai, a microcapsulelor aneroide sau a

micropompelor, intra un element constructiv comu: omembrana a carei elasticitate

se datoreaza variatiei grosimii sale dupa un profil care poate fi obtinut prin

corodare anizotropa. Asamblarea membranelor intre ele se poate face prin sudare

anodica cu o placuta de Pyrex sau prin intermediul unui strat de sticla Pyrex cu

grosimea de 0,4μm depus prin pulverizare in plasma reactiva.operatia se poate

face si prin difuzarea si implantarea ionica locala de ioni care reduc drastic viteza

de corodare in zona de interes; selectarea zonelor de impurificare in plan se face

prin masca, iar adancimea prin cantitatea de ioni indusa in substrat.

Au fost obtinute astfel membrane profilate in sectiune (a) sau cu contur

circular (b), cu treceri lente spre grosimile mic.

1.4.4 Adeziv mecanic

Pentru alinierea si asamblarea a doua plachete de siliciu monocristalin a

fost realizat un sistem de imbinare care se bazeaza pe deformarea elastica a unor

flanse patrate din SiO2 plasate pe o suprainaltare realizata prin corodare

anizotropa urmata de corodare izotropa intr-o placheta de siliciu. Sunt

aproximativ 200.000 de structuri identice pe cm2 de substrat. Structurile identice

pe cele doua plachete care se vor imbina se autoaliniaza, iar la aplicarea unei

7

presiuni p flansele se deformeaza elastic si revin cand au ajuns in spatiul dintre

flansa si piciorul structurii conjugate.

1.4.5 Comutator de presiune

Comutatorul se bazeaza pe contactul electric realizat de o membrana care

se deformeaza sub actiunea presiunii de masurat.

S-a obtinut un model pentru diferentele de presiune de 1/4, 1/2, 3/4, si 1

atm. Ansamblul este format din doua plachete de siliciu asamblate prin sudare:

una in care sunt formate membranele, a doua ca electrod de contact.

Succesiunea operatiilor este urmatoarea:

- se depun straturi de Si3N4 cu grosimea de 90 nm pe ambele

suprafete ale plachetelor prin procedeul LPCVD;

- se deschid canalele pentru izolare siorificiile de legatura cu

mediul a carei presiune se va masura prin corodare anizotropa

intr-o solutie de KOH;

- se creaza pe placheta 1 un strat de SiO2 prin oxidare termica;

- cele doua plachete sunt curtate in bai bazice, acide, oxidate

superficial, aliniate si suprapuse, prin incalzire la 900ºC intr-o

atmosfera de H2 si Ar, timp de o ora ele sunt sudate chimic;

- prin prelucrare mecanica de slefuire si polisare se reduce

grosimea plachetei superioara pana la aparitia canalelor de izolare

din SiO2;

- se depun contactele metalice pe membrane si pe placheta cu

orificiile de legatura cu presiune de masurat sau de referinta.

1.4.6 Structuri suspendate mobile

Microcontactele, pensetele electrostatice, arcurile spirale duble, arcurile

lamelare, microoglinzile, rezonatoare, pot fi realizate din acelasi material cu al

substratului monocristalinpe care sunt create sau din materiale diferite(SiO2,

Si3N4, w, Au) depuse pe substrat. O microoglinda este folosita in aplicarea unei

tehnici moderne in oftalmologie pentru corectarea diferitelor tipuri de ametropie

si astigmatism. Oglinda este confectionata din siliciu monocristalin, este acoperita

8

in zona activa cu aluminiu si este suspendata deasupra cavitatiei piramidale prin

patru punti de legatura care ii asigura o buna simetrie.

Succesiunea principalelor operatii arata evolutia de la placheta de siliciu la

structura finala:

- pregatirea pentru prelucrari mecanice si mecano-chimice;

- protejarea ambelor suprafete ale plachetei cu un strat de SiO2;

- realizarea termistorilor(principal si secundar) prin implantare

ionica (a);

- prin procedeul aditional (lift-off) se obtin contactele electrice din

Cr/Au (b);

- o masca de Si3N4 serveste ca strat protector in vederea corodarii

anizotrope (c);

- configuratia mastii superioare de Si3N4 si continuarea corodarii

anizotrope pe ambele fete ale plachetei

Dupa indepartarea mastilor de protectie rezulta structura de ansamblu.

1.5 Sudare anodica

La obtinerea structurilor tridimensionale rigide, flexibile sau mobile prin

microprelucrarea substratului este adesea nevoie de imbinarea mai multor

plachete de siliciu monocristalin sau a plachetelor de siliciu cu placute de sticla.

O placa de sticla si o placheta de siliciu au fost puse in contact pe o placa

incalzita la 400-500ºC. La aceasta temperatura sticla devine conductiva. Daca se

aplica un curent de inalta tensiune(1000V) ionii de Na incarcati pozitiv, si care se

gasesc in cantitate mare in sticla, migreaza de la suprafata de contact sticla-siliciu

catre anodul de pe suprafata exterioara a sticlei, unde sunt neutralizati.

9

Ca urmare a migrarii acestor ioni pozitivi, la suprafata de contact se

formeaza o zona cu anioni de oxigen. Acest exces de sarcini negative produce un

puternic camp electrostatic care mentine cele doua suprafete in contact cu o forta

foarte mare.

10

2. Microprelucrarea siliciului policristalin

2.1 Tehnica straturilor de sacrificiu

Tehnica straturilor de sacrificiu are la baza depunerea si configurarea unor straturi

subtiri sau groase al caror profil in plan sau in spatiu reprezinta negativul unor spatii sau

cavitatii necesare obtinerii micro sau nanostructurilor si care in finalul procesului

tehnologic sunt “sacrificate”, deci dispar.

Materialele din care sunt confectionate straturile de sacrificiu pot fi:

- materiale sublimabile (camfor, naftalina, iod);

- polimeri care ard sau care se topesc la temperature nu mai mari

de 150ºC;

- substante care se dizolva in diferiti solventi.

Aceasta din urma solutie se utilizeaza cel mai adesea pentru obtinerea structurilor

precise si cu configuratii complexe. Substantele mai frecvent folosite sunt: fotorezistii si

bioxidul de siliciu.

11

In functie de

metoda de obtinere a stratului de sacrificiu se pot distinge doua variante constructive :

a) structuri suprapuse – prin utilizarea unui strat de SiO2, astfel incat

elementele obtinute in final se formeaza treptat deasupra substratului

(a);

b) structuri planare – prin utilizarea unui strat de SiO2 obtinut prin oxidare

termica selective a substratului de siliciu in ferestrele create prin

eroziune chimica in stratul de protectie din Si3N4 (b) ;

Pentru obtinerea unor cavitati tridimensionale de forma complexa se precizie

scazuta se poate realiza forma negativului cavitatii printr-o succesiune de straturi groase

felurit configurate in plan si aplicate prin serigrafiere(fig 2.1).

12

2.2 Aplicatii

2.2.1 Elemente constructive mobile

Acestea au nevoie de jocuri pentru asigurarea miscarii si de lagare pentru

centrare.

13

In figura 2.2 este ilustrat modul de obtinere a unui arbore ai a unei roti/disc/rotor

care se roteste liber in raport cu aceastea; configurarea s-a realizat in siliciu policristalin,

utilizand ca material de sacrificiu SiO2.

Procesul tehnologic se bazeaza pe depunerea a doua straturi de Si-poli(P1,P2) si a

doua straturi de SiO2 (O1, O2), cu patru etape intermediare de fotolitografie (G1, G2, G3,

G4).

Modelarea elementului mobil (G2) se realizeaza prin eroziune in plasma reactiva

RIE. Operatia G3 este necesara pentru a realiza legatura arborelui cu substratul. Stratul de

sacrificiu este indepartat prin atac cu acid fluorhidric. In timpul functionarii, elementul

mobil aluneca pe substrat.

14

2.2.2 Motor electrostatic integrat

Un astfel de motor utilizeaza pentru functionare fortele de atractie si respingere

caracteristice electrostatismului. Aceste forte sunt direct proportionale cu sarcinile

electrice ale elementelor structurii si invers proportionale cu patratul distantei dintre ele.

In domeniul microstructurilor, unde distantele sunt de ordinul micrometrilor, la potentiale

foarte scazute se pot obtine forte motrice apreciabile. Micromotorul va putea fi integrat

pe aceeasi placheta cu microprocesorul si vor fi realizate simultan, prin aceleasi procedee

tehnologice.

Pentru realizarea unui asemenea micromotor se utilizeaza urmatoarele materiale:

polisiliciul tip n obtinut prin CVD si dopare cu fosfor ca material de structurare a

statorului si rotorului; straturi de Si3N4 depuse prin CVD ca material de izolare; straturi

de SiO2 ca material de sacrificiu; suportul intregii structuri este o placheta din siliciu

monocristalin.

Procesul tehnologic simplificat de fabricatie a motorului din varianta reprezentata,

rezulta din succesiunea operatiilor prezentate in desenele de mai jos. In urma prelucrarii

mecanice, se aplica o polisare chimica pentru indepartarea stratului de defecte (a);

doparea cu fosfor se face prin procedeul difuziei selective (b); configurarea polilor

statorului (f) se realizeaza prin eroziune in plasma reactiva(RIE); depuneri de grosime

foarte mare (h,l); gravarea (i) contribuie la formarea mansonului rotorului; configurare

RIE (k) ce afecteaza numai zona din afara ariei rotorului; depunerea stratului de

polisiliciu (n) urmata de configurarea lui (o) este obtinut lagarul rotorului ca si legatura

cu polii statorului. Contactele din aluminiu se vor obtine prin evaporare termica in vid,

utilizand procedeul aditiv („lift-off”). In urma dizolvarii stratului de sacrificiu structura

va avea configuratia finala rezultata din sectiunea initiala.

15

16

2.2.3

Microbalama

Subansamblul de mai jos poate fi utilizat in orice structura care necesita miscare

de rotatie pe un maxim de 180º. Se cunoaste folosirea lui in constructia unui

microanemometru cu fir cald cu una sau doua axe de rotatie, a unui microrobot etc.

17

In succesiunea etapelor de lucru se remarca doua operatii de depunere a

materialului de structurare – poli-Si, doua operatii de depunere a straturilor de sacrificiu

si trei masti pentru structurarea diferitelor straturi.

2.2.4 Filtru

Pentru identificarea primara a fluidului si filtrarea particulelor cu dimensiuni mai

mici de 50 nm a fost realizat un filtru alcatuit din doua membrane din siliciu policristalin,

cu perforatii deplasate relativ si separate prin distantiere din SiO2 uniform distribuite pe

suprafata. Diametrul perforatiilor este de 10μm, iar distanta diontre ele de aproximativ 20

μm. Cele doua membrane sunt sustinute

de un suport de siliciu monocristalin.

Utilizat mai ales in microbiologie el are si alte calitati:

- structura poroasa este foarte uniforma si cu dimensiuni

submicrometrice;

- mare rezistenta mecanica;

- stabil si inert din punct de vedere chimic, nu e sensibil la

contactul cu mediile agresive mai ales in domeniul biologic;

18

- rezista la temperaturi peste 1000ºC;

Tehnologia de fabricatie este o combinatie de microprelucrare a siliciului

policristalin, tehnica stratului de sacrificiu si corodare anizotropa a siliciului

monocristalin.

Fig. a : au fost utilizate pachete de siliciu monocristalin debitat dupa planul (100).

Un strat de SiO2 crescut termic are grosimea corespunzatoare distantei dintre membrane.

Se depune CVD un start de SiO2 pentru evitarea impurificarii polisiliciului.

Fig. b : orificiile primei membrane sunt configurate utilizand fotolitografia si

corodarea in plasma reactiva a carei compozitie se modifica dupa natura stratului. O noua

depunere cu oxid asigura protectie laterala a stratului de poli-Si.

Fig. c : se face o difuzie selectiva in monocristalul de siliciu, cu bor, la 1200ºC

timp de 4 ore.

Fig. d : la corodarea anizotropa, in locul solutiei clasice de EDP se recomanda un

corodant constand din 85% volum echimolar solutie de hidrazina in apa 15% volum

etilendiamina, care nu dizolva straturi de SiO2 mai subtiri de 100nm.

19

In urma atacului chimic pentru distrugerea partiala a stratului de sacrificiu

membranele devin hidrofobe; daca utilizarea filtrului pretinde proprietati hidrofile ale

membranelor acestea se obtin prin cresterea unui strat de aproximativ 10nm de SiO2 pe

intreaga structura.

2.2.5 Structuri rezonante

In structurile rezonante frecventa de rezonanta a elementului mecanic este

receptionata printr-un parametru fizic sau hcimic. Pentru masurarea frecventei de

rezonanta este nevoie de un mijloc de producere si de detectie a miscarii. Vibratia poate fi

produsa prin diferite metode: termice, piezoelectrice, electrostatice. Detectia se poate

realiza cu piezorezistoare, straturi subtiri piezoelectrice, electrostatic, prin varierea

capacitatii.

Structurile rezonante din polisiliciu se fabrica, in genere prin procedeul standard

de microprelucrare, combinata cu tehnica de sacrificiu.

Pentru obtinerea unui strat de polisiliciu cu tensiuni scazute, granulatie fina si

bune proprietati mecanice se recomanda ulterior depunerii o recoacere tehnica rapida, la

1150ºC, in atmosfera de N2, cu incalzire in 2 secunde, si mentinere timp de 3 minute, cu

racire sub 600ºC in aproximativ 2 secunde.

Structurile rezonante din diamant policristalin urmaresc un proces de fabricatie

care tine cont de rezistenta foarte mare a diamantului la atacul chimic. S-au incercat

corodari in plasma de O2 care au dat o rata de corodare extrem de mica(0,02 μm/min) si o

selectivitate foarte scazuta intre materialul mastii si diamant. De aceea s-a recurs la

varianta lift-off, cand structura se realizeaza prin depunere intr-un model preformat prin

litografie.

Pentru ca depunerile de diamant policristalin sa fie aderente la substrat si

compacte e nevoie ca substratul sa fie asperizat pentru a mari numarul centrelor de

cristalizare.

La realizarea membranelor si a grinzilor simplu sau dublu incastrate din diamant

policristalin se procedeaza asa cum rezulta din figurile:

20

Substratul utilizat – placheta de siliciu monocristalin (100) tip p – este prelucrat

pe ambele suprafete si apoi asperizat numai pe suprafata pe care se va depune stratul de

diamant cu o pasta de lepuit pe baza de micropulberi de diamant cu dimensiunea de

0,25μm.

„Forma” in care se va depune selectiv materialul de structurare este din SiO2 –

termic. Pentru selectarea zonelor de oxidare se utilizeaza un strat de protectie din Si 3N4,

care pentru a lasa loc depunerii de diamant este dizolvat(g), descoperind zona asperizata.

Pentru protejarea fetei inferioare in timpul corodarilor ea este acoperita cu un strat

compact de fotorezist.

2.2.6. Micropensete

Pentru manevrarea bacteriilor sau animalelor celulare sau ca un terminal al unui

microrobot poate fi utilizata micropenseta din polisiliciu actionata electrostatic si

realizata de Berkeley Sensor and Actuator Center.

Structura se bazeaza pe elemente flexibile care pot dezvolta o anumita forta de

apucare.

21

Substratul este o placheta de siliciu monocristalin pe care sunt fixati trei piepteni

care, racordati la o tensiune mai mica de 20 V – provoaca atragerea bratelor fixate ca un

capat la substrat, celalalt capat reprezentand penseta propriu-zisa. Cei doi piepteni

exteriori sunt alimentati pentru operatia de deschidere, cel din centru – pentru deschidere.

22

3. Procedeul LIGA

Numele procedeului este un acronim al denumirilor in limba germana ale

metodelor de lucru pe care se bazeaza procedeul: Lithographie, Galvanoformung,

Abformung (litografie, galvanoplastie, modelare/turnare).

Procedeul si-a gasit numeroase aplicatii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile si

prisme din PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice si

roti dintate din nichel formate pe un substrat separat si asamblate ulterior cu arborii,

prisme hexagonale din nichel, duze pentru tragerea fibrelor din materiale plastice,

microturbine din nichel sau cupru – cu fibra optica integrata pentru masurarea turatiei

turbinei, micromotoare magnetice, micromotoare electrostatice.

3.1 Descrierea procedeului pentru structuri spatiale 2 1/2D si 3D

Procesul tehnologic schematic de obtinere a microstructurilor prin procedeul

LIGA rezulta din figura 3.1.

23

Spre deosebire de procesele de microstructurare superficiala a siliciului, pe care s-

au bazat celelalte prelucrari micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimea

stratului de rezist corespunde cu inaltimea dorita a microstructurii, deci va fi de cateva

sute de micrometri; substratul se prefera a fi metalic, iar daca este un dielectric sau

semiconductor – el va fi acoperit inainte cu un strat metalic subtire care sa-i confere

proprietati conductive; rezistul utilizat este PMMA(denumirea comerciala:

PLEXIGLAS); masca prin intermediul careia este configurat stratul de rezist este o

constructie speciala, astfel incat sa aiba calitati absorbante sau transparente pentru

radiatia utilizata; radiatia X sincrotronica folosita, de lungime de unda 0,1..2 nm are

calitatea de a fi foarte puternica.

Zonele expuse radiatiei X vor deveni usor solubile in developant, deci PMMA

lucreaza ca un rezist pozitiv.

Etapele de expunere si developare (3.1 a) reprezinta faza de LITOGRAFIE.

Utilizand depunerea galvanica rezulta un profil negativ al formei obtinute din

rezist: se poate depune cupru, nichel, aur sau orice alt metal; depunerea este selectiva si

se face pe substratul conductiv neacoperit de configuratia din rezist. Rigiditatea formei

depinde de grosimea stratului metalic care acopera modelul. Aceasta este etapa de

GALVANIZARE.

In continuare, prin aplicarea unei placi de injectare prin reteaua careia se poate

injecta material plastic, se pot obtine rapid si ieftin numeroase copii din polimeri; este

faza de MODELARE/TURNARE/INJECTARE.

24

Poate urma o a doua GALVANIZARE care va copia in negativ profilul

structurilordin polimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalicade turnare, acoperita in

prealabil cu un strat de separare, va servi drept electrod, iar depunerea galvanica va

reprezenta copia independenta metalica.

Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice;

se obtin astfel piese unicat a caror desprindere de pe model se va face prin distrugerea

acestuia.

25

Pentru obtinerea microstructurilor 3D exista mai multe variante (fig. 3.1 b c d e )

care se deosebesc intre ele prin etapa de expunere.

3.2 Masca pentru radiatie X sincrotronica

Masca pentru radiatie X sincrotronica are trei componente distincte:

- un suport cu cat mai mare transparenta la radiatia X;

- un material absorbant cu grosimea cat mai mare;

- o rama care sa asigure rigiditatea mecanica

Dintre materialele suport care stabilesc conditiile de mai sus se utilizeaza siliciul

si titanul, sau beriliul si nitrura de bor.

26

Ca material absorbant se recomanda aur, wolfram sau tantal. Structura absorbanta

poate fi obtinuta prin procedee substractive sau aditive (lift-off).

Principalele etape ale tehnologiei de realizare a mastii pentru procedeul LIGA

sunt:

- obtinerea suportului;

- structurarea stratului de rezist pentru masca intermediara;

- depunerea galvanica a structurii absorbante;

- copierea mastii intermediare pe masca de lucru.

Rama, care sustine suportul structurii absorbante sau membrana transparenta la

raze X, poate fi confectionata din INVAR(aliaj cu 18% Co, 28% Ni, 54% Fe) si este

formata o data cu suportul.

Masca de lucru este o structura asemanatoare mastii intermediare cu singura

deosebire ca structura absorbanta are o inaltime mult mai mare(aproximativ 10..20 μm).

Succesiunea etapelor arata modul de transpunere a profilului mastii intermediare in

stratul gros de PMMA.

3.3 Depunerea galvanica pentru obtinerea microstructurilor

Stratul gros de PMMA depus si developat poate constitui el insusi o

microstructura din polimer.

Oricare ar fi destinatia depunerii, dificultatile ridicate de microgalvanizare sunt

urmatoarele:

- aderenta insuficienta care ar putea duce la desprinderea

microstructurilor;

- depunerile metalice sunt favorizate de slaba aderenta si modifica

dimensiunile si profilul microstructurii;

- tensiunile interne dus la deformarea microstructurii;

- lipsa de uniformitate a stratului depus

- raportul foarte mare intre inaltimea si latimea microstructurii face

ca depunerile metalice in canalele foarte inguste sa nu fie

uniforme;

27

- degajarea hidrogenului in timpul depunerii favorizeaza foemarea

structurilor poroase sau chiar structuri incomplete

Metalul din care se realizeaza cel mai adesea microstructurile prin procedeul

LIGA este nichelul.

3.4 Celula de microgalvanizare

Celula de microgalvanizare trebuie sa asigure depunerea metalului in cele mai

inguste adancituri. Se depune prin microgalvanizare aur(masti necesare LIGA),

cupru(microbobine), aliaje nichel-cobalt, aliaje fier-nichel (micromotoare

electromagnetice).

La realizarea formei de presare sau injectare cu rigiditate sporita se va proceda

astfel:

- pe o placa de baza este realizata microstructura din rezist (PMMA) prin litografie

adanca cu radiatie X sincrotronica (a);

- se obtine negativul metalic din nichel (b);

- prelucrarea mecanica finala trebuie sa micsoreze abaterile de planeitate ale placii

rigidizate (c);

28

- Placa de baza este indepartata prin prelucrare mecanica, pentru a elibera microstructura

din rezist (d);

- microstructura din rezist este indepartata prin dizolvare sau corodare uscata (e).

3.5 Microinjectarea

Polimerii utilizati pentru obtinerea microstructurilor pot fi:

- termorigizi (Poliuretan – UP);

- termoplastici ( Policlorura de vinil – PVC, Acrilinitril – ABS,

Polimetilmetacrilat – PMMA)

Instalatiile de injectare sau presare folosite pentru etapa de formare a

microstructurilor din polimeri nu se deosebesc de cele clasice, ci nuami ciclul de lucru

este adaptat raportului foarte mare intre adancimea structurii si dimensiunea sa minima

transversala.

3.6 Aplicatii ale procedeului LIGA

Procedeul LIGA se refera exclusiv la structuri a caror inaltime depaseste 100μm

si ajunge la 1 mm, si care au nevoie, in etapa de litografiere, de radiatie X sincrotronica.

3.6.1 Reproducerea microstructurilor spatiale

Pentru obtinerea matritelor in vederea multiplicarii discurilor audio, compact-

discurilor, a video-discurilor etc.

29

Stratul de lac fotosensibil (lac acrilic sau rasina epoxidica) este uniformizat prin

presare cu substratul. La expunere in UV lacul va polimeriza si se va intari, preluand

profilul suprafetei cu care a venit in contact; rezulta astfel copia in negativ a originalului.

3.6.2 Matrite de multiplicare a discurilor

Pentru obtinerea matritelor de multiplicare a discurilor de pick-up si a discurilor

cu citire optica se porneste de la un model diferit dar este urmata aceeasi sucesiune de

operatii. La discurile de citire optica modelul este format dintr-un suport de sticla polisata

acoperit cu un strat de lac fotosensibil.

Inregistrarea se face cu un laser de argon cu λ=458nm, al carui spot este focalizat

pe suprafata lacului fotosensibil.

Lacul fotosensibil este pozitiv, deci prin expunere devine solubil in developant;

aceasta a fost etapa de litografie – utilizand expunere cu fascicul laser.

3.6.3 Componente din PMMA

PMMA rezistul folosit in procesul LIGA are si proprietati optice (PLEXIGLAS);

de aceea a fost folosit si pentru obtinerea microlentilelor, microprismelor si a altor

component.

3.6.4 Membrane metalice

Membranele metalice cu grosimi de 5..500μm, cu orificii de diferite forme si

dimensiuni, confectionate din metale pure, sunt produsul ideal pentru aplicarea

procedeului LIGA.

Pentru piese metalice cu profil complex in plan si grosimi cuprinse intre 5 si

300μm (discuri incrementale metalice, masti pentru depuneri, saibe elastice de contact,

lamele de contact etc.) poate fi utilizat procedeul clasic de galvanoplastie.

3.6.5 Microbobine

Microbobinele sunt din cupru. Infasurarea trebuie realizata pe un strat izolator

pentru a impiedica scurtcircuitarea. Dupa etapele de litografie adanca cu radiatie X

sincrotronica si galvanizare urmata de dizolvarea formei de PMMA, este indepartat

stratul de titan dintre spirele bobinei prin corodare uscata sau chiar umeda. Controlul

corodarii bobinei este asigurat prin masurarea inductivitatii bobinei.

30

3.6.6 Microstructuri metalice mobile

Microstructurile se impart in doua mari categorii:

- microstructuri complet independente care sunt asamblate in

micromecanisme;

- microstructuri libere la unul din capete si fixate cu celalalt capat

la substart

Principala tehnica pe care se bazeaza tehnologia acestor microstructuri metalice

mobile este aceea a „starturilor de sacrificiu”.

Substartul pe care sunt ele construite se recomanda sa fie izolator : o placheta de

siliciu acoperita cu un strat izolator sau o pacheta de ceramica. Pe suprafata suportului se

depune, prin evaporare termica in vid sau pulverizare, un strat metalic care va trebui sa

serveasca drept electrod, la depunerea galvanica.

Stratul e sacrificiu trebuie sa indeplineasca mai multe cerinte:

- buna capacitate de configurare;

- buna aderenta la rezistul utilizat pentru litografia adanca cu raza

X;

- buna aderenta la stratul galvanic;

- bune calitati de initiere a depunerii;

- capacitatea de a fi usor „sacrificat”.

3.6.7 Micromotor magnetic planar

Micromotorul magnetic planar este un exemplu de constructie hibrida la care

polii statorului, arborele rotorului si arborii rotilor dintate sunt realizati din nichel direct

31

pe substrat; rotorul si rotile dintate sunt realizate din nichel ca structuri independente; in

urma asamblarii rezulta microstructura completa.

3.6.8

3.6.8 Microturbina

Microturbina este confectionata odata cu locasul fix in care ea se roteste, ca si

arborele care o centreaza, prin tehnica straturilor de sacrificiu.

32

Pentru a reduce frecarea dintre arbore si corpul turbinei, alezajul acesteia poate fi

configurat astfel incat sa se realizeze un lagar de alunecare cu aer.

3.6.9 Elemente elastice de asamblare

Elementele elastice de asamblare pot fi confectionate din nichel, pentru fixarea

fibrelor optice sau microcontacte. Elementul elastic este eliberat de suport prin

construirea lui pe un strat de sacrificiu. Intreaga inaltime a microstructurii este de 70μm.

33

3.6.10. Structuri obtinute prin tehnici de lucru combinate

Minireductorul utilizat in ceasornicarie este un ansamblu obtinut din componente

realizate cu tehnici foarte variate.

Pinionul si roata dintata sunt obtinute prin prelucrari mecanice de precizie si apoi

asamblate in lagare de safir. Diametrele fusurilor sunt de 160 si 100μm.

Micromotorul este realizat in doua variante: cu rotor rigid si cu rotorflexibil.

34