UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICA SI MECATRONICA

MICRO SI NANOTEHNOLOGII

-REFERAT-

STUDENT: FAGARAS ALINGRUPA: 544-A

Cuprins

1.Microprelucrarea siliciului monocristalin1.1 Anizotropia 1.2 Selectivitatea procesului de corodare

1.3 Efectele corelarii anizotropiei cu selectivitate1.4 Aplicatie1.4.1 Suprafete antireflectante2.Microprelucrarea siliciului policristalin

2.1 Tehnica straturilor de sacrificiu2.2 Aplicati2.2.1 Filtru3.Procedeul LIGA

3.1 Descrierea procedeului pentru structuri spatiale 2D 1/2D, 3D3.2 Masca pentru radiatia X sincotronica 3.3 Depunerea galvanica pentru obtinerea microstructurilor3.4 Celula de microgalvanizare3.5 Microinjectarea 3.6 Aplicatie a procedeului LIGA

4.Referat

5.Bibliografie

1. Microprelucrarea siliciului monocristalin

Microprelucrarea siliciului monocristalin permite obinerea cavitilor de diferite forme, a orificiilor 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 pe eroziune chimic umed, selectiv, anizotrop i cu influenarea formei prin dopaj controlat al materialului din care sunt confecionate.

1.1 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 totale sau ideale.Anizotropia se exprim prin relaia:

A = 1 - formula

Unde: e reprezenta atacul lateral (mrimea corodrii pe direcie perpendicular)h- reprezenta dncimea corodrii (mrimea corodrii pe direcia de aciune a substanei de corodare).Figura 1 reprezinta 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

1.2 Selectivitatea procesului de corodare

Selectivitatea S a procesului de corodare reprezint raportul dintre axa de corodare a stratului de structurare, Rs i rata de corodare a materialului mtii sau a stratului de stopare a corodrii 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 de stopare a corodrii se poate utiliza: Si3N4; siliciu dopat.Straturi sau numai zone din siliciu puternic dopate cu Bor asigur rate foarte mici de corodare n raport cu siliciul nedopat; aceast proprietate este utilizat pentru a stpni mai uor adncimea de corodare, prin realizarea unui strat de stopare a corodrii sub stratul a crui grosime va 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 incepe de la un substrat din materialul de structurare, de grosime mai mic (fig. 2 a) al crui strat superficial este dopat cu un element care reduce mult rata de corodare a materialului de structurare (fig. 2 b); dup cretere epitaxial cu grosimea h (fig. 2 c) i aplicarea mtii (fig. 2 d), prin corodare n zonele descoperite de masc se obine 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:

1.3 Efectele corelrii anizotropiei cu selectivitatean figura 3 se observa ce nseamn corelarea selectivitii ideale cu anizotropia ideal la obinerea unui profil caracterizat printr-o dimensiune n plan d i o adncime h.

Figura:3.Rezultatul combinarii efectelor anizotropiei si selctivitatii la eroziunea chimica selectiva: a-selectivitate maxima;b-corodare izotropa cu selectivitate maxima;c-corodare izotropa selectiva redusa;d-corodare anizotropa cu selectivitate mixta si limitarea adancimii de corodare prin statul de stopare;e-corodarea anizotropa cu limitarea adancimii de corodare prin dimensiuni in 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 de structurare (SMS = max.), i nul pentru materialul mtii (SM = 0), iar procesul este perfect anizotrop (A= 1).n figura 3.b, procesul de corodare se caracterizeaz prin: SMS= max; SM = 0; A = 0, pentru ca substana 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 grosimea i 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 structurii rezultate este posibil la materialele cristaline, care, cu ct sunt mai dense cu att sunt mai greu de corodat.

1.4 Aplicatie

1.4.1 Suprafete antireflectante

Pentru a se putea mari coeficientul de absorbtie al unor suprafete din siliciu monocristalin orientat (100)si (110) ce sunt iluminate sub incidenta unui laser He-Ne cu =632.8 nm a fost folosita tehnica de corodare anizotropa, izotropa si de depunere cu straturi subtiri.

Suprafata plachetei va fi brazdata de crestaturi in forma de V cu peretii verticali ori de cavitati dispuse regulat dsau aleatoriu .

In esperienta au fost folosite plachete din siliciu monocristalin crescut prin metoda Czochralski.Masca de oxid a fost obtinuta prin corodare izotropa cu NH4OH:HF ,4:1utilizandu-se o protectie foto cu fotorezist negativ. Suprafata care a fost acoperita cu cavitati piramidale nu a necesitat masca.Pentru corodarea anizotropa a plachetelor de siliciu a fost folosita KOH.Pentru a se putea reduce reflexia pe suprafetele nestructurate alle plachetelor a fost necesara aplicarea in final a unei corodari izotrope pentru montarea suprafetei si tesirea muchiilor. Merirea coeficientului de absorbtie microprelucrarea a fost urmata de o acoperire cu straturi subtiri de : Si3N4 ,Ta2O5, Tio2, si ZrO2.Grosimea totala a straturilor fiind de 0,16mCele mai bune rezultate au fost obtinute la placutele (110)acoperite de crestaturi cu peretii verticali.

2.MICROPRELUCRAREA SILICIULUI POLICRISTALIN

2.1 Tehnica straturilor de sacrificiu

Tehnica straturilor de sacrificiu, utilizat pentru prima dat de Nathanson, n 1967, are la baz depunerea i configurarea unor straturi subiri sau groase al cror profil n plan sau n spaiu reprezint 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 de sacrificiu, restul materialelor din care sunt alctuite microstructurile rmnnd inerte la aceast aciune.Substanele de dizolvare trebuie: s fie capabile de a ataca preferenial straturile de sacrificiu respectnd poriunile structurate, s aib o vscozitate adecvat i tensiuni superficiale cu valori corespunztoare ndeprtrii eficiente a stratului de sacrificiu, s nu lase reziduuri.

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

a)- prelucrarea mecanic i mecano-chimic a plachetei de siliciu; b- oxidare i dopare pentru obinerea stratului de sacrificiu; c-sensibilizare pentru configurarea mtii stratului de sacrificiu; d- expunere; e- developare; f- eroziune chimic selectiv a stratului de SiO2; g ndeprtarea mtii; h- depunerea materialului de structurare; i- sensibilizare pentru configurarea mtii stratului de structurare; j- expunere; k- developare; l- eroziune selectiv a materialului de structurare; m- ndeprtarea stratului de sacrificiuUn exemplu simplu care poate fi i o ilustrare a tehnicii straturilor de sacrificiu este obinerea unui arc lamelar preformat simplu (fig.6.) sau ncastrat la ambele capete (7). n funcie de metoda de obinere a stratului de sacrificiu se pot distinge dou variante constructive i anume: Structure suprapuse- prinutilizarea unui strat de SiO2 obinut prin depunerea chimic din stare de vapori (CVD); stratul de polisiliciu acoper modelul de SiO2, astfel nct elementele obinute n final se formeaz treptat deasupra substratului (fig. 7. a);

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 cu substratul(fig.7. b).

Fig. 8. Obinerea stratului de sacrificiu pentru structure suprapuse- a i pentru structure ngropate bUn alt exemplu de aplicare a tehnicii straturilor de sacrificiu l poate oferi realizarea unor caviti nchise de diferite forme i dimensiuni. Pentru obinerea unui sensor capacitiv de presiune cu membran metalic (fig. 9 ) i dimensiunile aproximative prezentate n figur, autorii propun soluia tehnologic simplificat prezentet n continuare: dup structura parial a senzorului prin procedee caracteristice straturilor subiri (fig. 9 a) (depuneri, dopri, configurri prin eroziune chimic), aplicarea membrane metalice nu se poate face dect asigurndu-i un suport n timpul depunerii; de aceea cavitatea se va umple cu o soluie de polimetilstirol n metilcellosolveacetat, 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 rol funcional ct i tehnologic fig( 9 c); se depune membrana metallic fig.( 9 d); nclzind la aproximativ 150C materialul plastic suport de sacrificiu este eliminat prin orificiul anterior prelucrat- fig. (9 e.)

2.2 Aplicatie2.2.1 Filtru

Pentru identificarea primar a fluidului i filtrarea particulelor cu dimensiuni mai mici de 50 nm 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. 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 a membranelor;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 fluide cu 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

Fig. 11. a: au fost utilizate pachete de siliciu monocristalin debitat dup planul(100). Un strat de SiO2 crescut termic are grosimea corespunztoare distanei dintre membrane. Urmeaz un strat de poli- Si de grosime 1,5 m- n care va fi structurat membrana superioar. Se depune CVD un strat de SiO2 pentru evitarea impurificrii polisiliciului.Fig. 11. b: orificiile primei membrane sunt configurate utiliznd fotolitografia i corodarea n plasm reactiv a crei compoziie se modific dup natura stratului (poli- Si sau SiO2). O nou depunere 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 n monocristalul de siliciu, cu bor, la 1200C timp de 4 ore. Se obin, astfel, zonele semisferice puternic 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 stratul lateral de SiO2 afectnd dimensiunile membranei superioare, autorii recomand un corodant constnd din 85 vol. % echimolar soluie de hidrazin n ap i 15 vol. % etilendiamin, care nu dizolv 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 trecerilor ntre cele dou membrane, acionnd uni- sau bilateral, n acest fel determindu-se i dimensiunile aproximative ale distanierelor.n urma atacului chimic pentru distrugerea parial a stratului de sacrificiu membranele devin hidrofobe; dac utilizarea filtrului pretinde proprieti hidrofile ale membranelor acestea se obin prin creterea unui strat de aproximativ nm de SiO2 pe ntreaga structur.

3. PROCEDEUL LIGA

Pentru obinerea microstructurilor metalice i din polimeri, dezvoltate n spaiu, pe 2 1/3 axe i pe 3 axe, cu raport mare ntre nlimea i dimensiunea lor n plan, a fost fcut cunoscut, n anul 1980, procedeul LIGA. Cel care a comunicat apariia acestui procedeu nou de lucru a fost Wolfgang Ehrfeld, de la Centrul de Cercetri Nucleare din Karlsruhe. Prima realizare a fost o minicentrifug pentru separarea izotopilor de uraniu, din nichel, a crei dimensiune minim n plan era de 5 m i avea o nlime de 300 m.Procedeul i-a gsit numeroase aplicaii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile i prisme din PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice i roi dinate din nichel formate pe un substrat separat i asamblate ulterior cu arborii, prisme hexagonale din nichel- adaosuri metalice pentru materiale compozite, duze pentru tragerea fibrelor din materiale plastice, microturbine din nichel sau cupru cu fibr integrat pentru msurarea turaiei turbinei, micromotoare magnetice, mocromotoare electrostatice, mti metalice pentru structurarea n plasm a suprafeelor asferice nanometrice.

3.1 Descrierea procedeului pentru structuri spaiale 2 1/1D i 3D

Procesul tehnologic schematic de obinere a microstructurilor prin procedeul LIGA rezult din fig. 8.1. Spre deosebire de procesele de microstructurare superficial a siliciului, pe care s-au bazat celelalte prelucrri micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimea stratului de rezist corespunde cu nlimea dorit a microstructurii, deci va fi de cteva sute de micrometri; substratul se prefer a fi metalic, iar dac este un dielectric sau semiconductor el va fi acoperit nainte cu un strat metalic subire care s-i confere proprieti conductive; rezistul utilizat este PMMA(denumirea comercial: PLEXIGLAS); masca prin intermediul creia este configurat stratul de rezist este de o construcie special, astfel nct s aib caliti absorbante sau transparente pentru radiaia utilizat; radiaia X sincrotronic folosit, de lungime de und 0,1....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, radiaia este paralel) i aceasta permite obinerea pereilor verticali de mare nlime (de altfel- litografia cu radiaie sincrotronic poart i numele de litografie adnc).Zonele expuse radiaiei X vor deveni uor solubile n developant, deci PMMA lucreaz ca rezist 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 substratul conductiv neacoperit de configuraia de rezist. Dac grosimea stratului metalic depus este inferioar grosimii stratului de PMMA, dup ndeprtarea rezistului se obine microstructura metalic unicat. Dac depunerea galvanic continu pn la acoperirea complet a modelului de PMMA, se obine o form cu goluri reprezentnd negativul modelului. Rigiditatea formei depinde de grosimea stratului metalic care acoper modelul. Aceasta este etapa de GALVANIZARE.

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 a fasciculului de electroni; d pentru structure n spaiu 3D, cu nclinare i rotirea fasciculului de electroni n jurul axei perpendiculare pe substrat; e- pentru structure n spaiu 3D, cu expunerea succesiv prin mti de configuraii diferite.Prin aplicarea unei plci de injectare prin reeaua creia se poate injecta material plastic, se pot obine 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 din polimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalic de turnare, acoperit n prealabil cu un strat de separare, va servi drept electrod, iar depunerea galvanic va reprezenta copia independent metalic.Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice; se obin astfel piese 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 se deosebesc ntre ele prin etapa de expunere. Radiaia X poate fi nclinat cu unghiuri diferite fa de suprafaa rezistului, poate fi rotit sau expunerea se poate face secvenial n fiecare secven folosindu-se cte o masc cu configuraii diferite.

3.2 Masca pentru radiaie sincrotronic

Masca pentru radiaie X sincrotronic are trei componente distincte:un support cu ct mai maretransparen la radiaia X;

unmaterial absorbant pentru asigurarea contrastului;

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 este apreciat prin raportul ntre densitatea de putere a radiaiei rezultat la trecerea prin zona transparent i prin zona opac; acesta trebuie s depeasc valoarea 1000 pentru ca masca s fie considerat a avea contrast suficient. Grosimile uzuale sunt de aproximativ 17 m- pentru aur i aproximativ 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:obinerea suportului;

structurarea stratului de resist pentru masca intermediar;

depunerea galvanic a structurii absorbante;

copierea mtii intermediare pe masca de lucru.

Rama, care susine suportul structurii absorbante sau membrana transparent la raze X, poate confecionat 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 din INVAR pn la obinerea unei rugoziti Ra = 0,25 m, aplicarea stratului suport, corodare parial 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, ndeprtarea rezistului, corodarea complet a peretului INVAR.Fig. 13 arat etapele de realizare a membranei suport din titan, prin transfer. Un strat de carbon de slab aderen la placheta de siliciu este depus selectiv prin procedeul CVD, astfel nct marginea plachetei s rmn liber (a); prin pulverizare catodic se depune un strat de 2-3 m grosime, din titan materialul suportului mtii, avnd o bun aderen la marginea plachetei de siliciu (b); placheta este lipit cu un adeziv pe ram (c); printr-o uoar ndoire a plachetei de siliciu se asigur desprinderea membranei (d); prin corodare uscat n plasm de oxigen se nltur 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 folosete litografia cu fascicul de electroni.

Fig. 14. Etapele realizrii mtii intermediare: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 pn la o grosime de aproximativ 2 m. Grosimea stratului de rezist de baz nu depete grosimea uzual 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 depune galvanic absorbantul radiaiei sincrotronice; acesta poate fi, de exemplu nichel, i va fi depus autocatalitic. Pentru configurarea stratului de electronorezist PMMA se utilizeaz expunerea prin baleiere cu fascicul de electroni.Se obine fig. 14 b- o masc de PMMA care va contribui la configurarea stratului metalic intermediar, 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.O structur asemntoare mtii intermediare are i masca de lucru, cu singura deosebire c structura absorbant (din aur- de exemplu) are o nlime mult mai mare( 1010m).Succesiunea principalelor etape (fig. 15) arat modul de transpunere a profilului mtii intermediare n stratul gros de PMMA prin radiaie sincrotronic. Membrana mtii de lucru poate fi obinut prin transfer.

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

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

3.3 Depunerea galvanic pentru obinerea microstructurilor

Stratul gros de PMMA depus i developat poate constitui el nsui o microstructur din polimer. Pentru obinerea microstructurilor metalice este necesar depunerea galvanic, folosind ca electrod suportul metalic al mtii; dar , depunerea galvanic este necesar i la obinerea unor forme metalice rigide pentru injectarea n serie a microstructurilor din polimeri n acest caz placa metalic a instalaiei de injectat fiind utilizat ca electrod.Dificultile ridicate de microgalvanizare sunt urmtoarele:aderen insuficient care ar putea duce la desprinderea microstructurilor;

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 modific dimensiunile i profilul microstructurii metalice de obinut;

tensiunile interne din interiorul stratului depus galvanic duc la deformarea microstructurii. Principalii factori care influeneaz apariia tensiunilor interne sunt: densitatea de curent, grosimea stratulu idepus i temperatura. Temperatura optim este de 50- 60C.

Lipsa de uniformitate a stratului depus poate fi evitat sau numai redus prin aplicarea unor mti profilate de corecie din material dielectric (care uniformizeaz densitatea de curent pe suprafaa piesei) i prin introducerea n compoziia bii de depunere a unui agent de planarizare;

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

Degajarea hidrogenului n timpul depunerii favorizeaz formarea structurilor poroase 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/l anhidrid de sulfamat de nichel; 76 g/l formula- 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 cu nlimea 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- 200 uniti Vickers (la o ncrcare de 100 g).

3.4 Celula de microgalvanizare

Celula de microgalvanizare(fig. 8.5) trebuie s asigure depunerea metalului n cele mai nguste adncituri; de aceea anodul va fi format din bile de nichel de polarizate introduse dintr-un co; catodul va fi rotit continuu, ia relectrolitul- continuu filtrat. Diafragma folosete pentru uniformizarea densitii de curent. Se mai poate depune, prin microgalvanizare: aur (mti necesare 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: amplificatoarele fluidice) sau poate constitui forma n care va fi injectat sau presat polimerul unor viitoare microstructuri 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 din rezist (fig. 17. b).Prelucrarea mecanic final trebuie s micoreze abaterile de planitate ale plcii de rigidizare (fig. 17 c).Rugozitatea i abaterile de planitate ale prii posterioare a formei ar putea afecta dimensiunile i forma microstructurii din material plastic; aceastapentruc, la contactul cu placa de oel a mainii de injectare (fig. 17 c'), forma se poate deforma. Fig. 17.Obinerea formei rigide de injectare pentru microstructuri din polimeri

Exist de asemenea i posibilitatea netezirii suprafeei depuse de nichel prin adugarea n baia de depunere a unui agent de netezire care este un produs de natura organic.Rugozitile obinute pe suprafaa posterioar a formei la depunerea de nichel, fr sau cu prelucrarea mecanic ulterioar, rezult din tabelul 8.1ProcedeuRmax (m)Ra (m)

Depunere din baie fr agent de netezire10...151.4...3,9

Lustruire cu abraziv, aplicat dup galvanizare1,1...2,70,07...0,18

Lepuire, aplicat dup galvanizare2,0...2,60,19...0,24

Rectificare, aplicat dup galvanizare2...40,14...0,2

Rectificare + lustruire, dup galvanizare1,3...2,00,11...0,13

Depunere din baie cu agent de netezire0,7...1,20,07...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 de litografiere se aplic pe placa de baz un strat care s reduc aderen la suprafaa sa i care va fi ndeprtat n faza d prin dizolvare selectiv dup tehnica Straturilor de sacrificiu. Microstructura din rezist este ndeprtat prin dizolvare sau corodare uscat (fig. 17 e).

3.5 Microinjectarea

Polimerii utilizai pentru obinerea microstructurilor pot fi;termorigizi (Poliuretan UP);

termoplastici (Policlorur de vinil PVC, Acrilonitril- butadienstiren ABS, Polimetilmetacrilat PMMA).

Parametrii tehnologici caracteristici procesului de formare a microstructurilor din polimeri rezult din tabelul 8.2

Parametrul tehnologicPolimeri

TermorigiziTermoplastici

Temperatura de formare (C)40200

Temperatura formei (C)7025

Presiunea de formare (bar)10...100100

Fora de nchidere a formei (t/m)503000

Instalaiile de injectare sau presare folosite pentru etapa de formare a microstructurilor din polimeri nu se deosebesc de cele clasice, ci numai ciclul de lucru este adaptat raportului foarte mare ntre adncimea structurii h, i dimensiunea sa minim transversal dmin.Temperatura formei este mai mare comparativ cu procesele obisnuite de injectare si este mentinuta tot timpul formarii la o valoare de aproximativ 70 grade celsius inferioara temperaturii de topire a polimerului Ciclul de functionare al masinii de injectat cu melc trebuie sa asigure umplerea completa a celor mai comlicate forme.

3.6. Aplicaie a procedeului LIGA

Pentru obinerea matrielor de multiplicare a discurilor de pick- up i a discurilor cu citire optic (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 de nitroceluloz n care o mic spatul nclzit transform semnalul de peband ntr-o vibraie materializat printr-o urm n spiral, cu pasul de 100 m i adncimi de 25 m.

Fig. 18. Obinerea matrielor pentru audio- discuriLa discurile cu citire optic modelul (fig. 18 b) este format dintr-un suport de sticl polisat, acoperit cu un strat de lac fotosensibil. Informaia este nregistrat sub forma unor adncituri de lime 0,4 m, lungime 0,5... 2 m i adncime corespunztoare grosimii de lac fotosensibil 0,12 m (sauproeminene funcie de tipul de disc), dispuse dup o spiral cu pasul 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 ale stratului metalicMetale

AlAgAuNiCuCr

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 fost etapa de litografie utiliznd expunere cu fascicul laser.Modelul este acoperit cu un strat conductor (fig. 18 c), care la discurile cu citire optic trebuie 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 cerine impuse de procesul tehnologic. Tabelul de mai sus lmurete de ce este ales argintul ca material de placare. Depunerea stratului de argint se poate face prin evaporare termic n vid, pulverizare catodic sau reducere chimic din soluie: pentru discurile obinuite se folosete ultima metod; pentru discurile cu citire optic se recomand evaporarea, deoarece prin depunere chimic rezult o 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 fi copiat prin polimarizarea unui lac fotosensibil la radiaia UV (h1), prin injectarea unu ipolimer termoplastic (h2), prin presarea unui polimer termorigid (h3).

Bibliografie

Tehnologia Structurilor Micromecanice: Editura Tehnica Bucuresti (1995) Autori: - coordonator:Dr.Ing.Simona Antonescu- Prof.dr.ing. Georgeta Ionascu- Ing. Adina Pircalaboiu