LIGA es un acrónimo alemán de Li thographie, G alvanoformung, A bformung ( litografía , galvanoplastia y moldeo ) que describe una tecnología de fabricación utilizada para crear microestructuras de alta relación de aspecto .
Descripción general
La LIGA consta de tres pasos principales de procesamiento; litografía, galvanoplastia y moldeo. Hay dos tecnologías principales de fabricación de LIGA, X-Ray LIGA , que utiliza rayos X producidos por un sincrotrón para crear estructuras de alta relación de aspecto, y UV LIGA , un método más accesible que utiliza luz ultravioleta para crear estructuras con un aspecto relativamente bajo. ratios.
Las características notables de las estructuras fabricadas por rayos X LIGA incluyen:
- relaciones de aspecto elevadas del orden de 100: 1
- paredes laterales paralelas con un ángulo de flanco del orden de 89,95 °
- paredes laterales lisas con = 10 nm , apto para espejos ópticos
- alturas estructurales desde decenas de micrómetros hasta varios milímetros
- detalles estructurales del orden de micrómetros en distancias de centímetros
Rayos X LIGA
X-Ray LIGA es un proceso de fabricación en microtecnología que fue desarrollado a principios de la década de 1980 [1] por un equipo bajo la dirección de Erwin Willy Becker y Wolfgang Ehrfeld en el Instituto de Ingeniería de Procesos Nucleares ( Institut für Kernverfahrenstechnik, IKVT) en Karlsruhe. Centro de Investigación Nuclear, ahora renombrado como Instituto de Tecnología de Microestructuras ( Institut für Mikrostrukturtechnik , IMT) en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). LIGA fue una de las primeras técnicas importantes que permitió la fabricación a pedido de estructuras de alta relación de aspecto (estructuras que son mucho más altas que anchas) con una precisión lateral por debajo de un micrómetro.
En el proceso, un fotorresistente de polímero sensible a los rayos X, típicamente PMMA , unido a un sustrato eléctricamente conductor, se expone a haces paralelos de rayos X de alta energía de una fuente de radiación de sincrotrón a través de una máscara parcialmente cubierta con rayos X fuertes. material absorbente. La eliminación química de la fotorresistencia expuesta (o no expuesta) da como resultado una estructura tridimensional, que puede rellenarse mediante la electrodeposición de metal. La capa protectora se quita químicamente para producir un inserto de molde metálico. El inserto de molde se puede utilizar para producir piezas en polímeros o cerámicas mediante moldeo por inyección .
El valor único de la técnica LIGA es la precisión obtenida mediante el uso de la litografía de rayos X profunda (DXRL). La técnica permite fabricar microestructuras con relaciones de aspecto altas y alta precisión en una variedad de materiales (metales, plásticos y cerámicas). Muchos de sus profesionales y usuarios están asociados o ubicados cerca de instalaciones de sincrotrón.
UV LIGA
UV LIGA utiliza una fuente de luz ultravioleta económica, como una lámpara de mercurio , para exponer un fotorresistente de polímero, típicamente SU-8 . Debido a que el calentamiento y la transmitancia no son un problema en las máscaras ópticas, una simple máscara de cromo se puede sustituir por una máscara de rayos X técnicamente sofisticada. Estas reducciones en la complejidad hacen que UV LIGA sea mucho más barato y más accesible que su contraparte de rayos X. Sin embargo, UV LIGA no es tan eficaz para producir moldes de precisión y, por lo tanto, se utiliza cuando el costo debe mantenerse bajo y no se requieren relaciones de aspecto muy altas.
Detalles del proceso
Máscara
Las máscaras de rayos X se componen de un portador transparente de Z bajo , un absorbente de Z alto estampado y un anillo metálico para alineación y eliminación de calor. Debido a las variaciones extremas de temperatura inducidas por la exposición a los rayos X, los soportes se fabrican con materiales con alta conductividad térmica para reducir los gradientes térmicos. Actualmente, el carbono vítreo y el grafito se consideran el mejor material, ya que su uso reduce significativamente la rugosidad de las paredes laterales. El silicio, el nitruro de silicio, el titanio y el diamante también se utilizan como sustratos portadores, pero no se prefieren, ya que las membranas delgadas requeridas son comparativamente frágiles y las máscaras de titanio tienden a redondear las características afiladas debido a la fluorescencia de los bordes. Los absorbentes son oro, níquel, cobre, estaño, plomo y otros metales absorbentes de rayos X.
Las máscaras se pueden fabricar de varias formas. Las máscaras más precisas y costosas son las creadas por litografía por haz de electrones, que proporciona resoluciones tan finas como 0.1 µm en resist 4 µm de espesor y características de 3 µm en resist 20 µm de espesor. Un método intermedio es la fotomáscara enchapada que proporciona una resolución de 3 µm y puede subcontratarse a un costo del orden de $ 1000 por máscara. El método menos costoso es una fotomáscara directa, que proporciona una resolución de 15 µm en una capa protectora de 80 µm de espesor. En resumen, las mascarillas pueden costar entre $ 1000 y $ 20,000 y demorar entre dos semanas y tres meses en entregarse. Debido al pequeño tamaño del mercado, cada grupo LIGA normalmente tiene su propia capacidad para fabricar máscaras. Las tendencias futuras en la creación de máscaras incluyen formatos más grandes, desde un diámetro de 100 mm a 150 mm , y tamaños de características más pequeños.
Sustrato
El material de partida es un sustrato plano , como una oblea de silicio o un disco pulido de berilio, cobre, titanio u otro material. El sustrato, si no es ya eléctricamente conductor, se cubre con una base de revestimiento conductor, típicamente mediante pulverización catódica o evaporación .
La fabricación de estructuras de alta relación de aspecto requiere el uso de un fotorresistente capaz de formar un molde con paredes laterales verticales. Por tanto, el fotorresistente debe tener una alta selectividad y estar relativamente libre de tensión cuando se aplica en capas gruesas. La elección típica, el poli (metacrilato de metilo) ( PMMA ) se aplica al sustrato mediante un proceso de encolado en el que se une una lámina prefabricada de PMMA de alto peso molecular a la base de recubrimiento del sustrato. La fotorresistencia aplicada se muele luego hasta la altura precisa mediante un cortador de moscas antes de la transferencia del patrón por exposición a los rayos X. Debido a que la capa debe estar relativamente libre de tensiones, este proceso de encolado se prefiere a métodos alternativos como la fundición. Además, el corte de la hoja de PMMA por el cortador de moscas requiere condiciones operativas y herramientas específicas para evitar la introducción de tensión y agrietamiento del fotorresistente. [ cita requerida ]
Exposición
Una tecnología habilitadora clave de LIGA es el sincrotrón, capaz de emitir rayos X de alta potencia y altamente colimados. Esta alta colimación permite distancias relativamente grandes entre la máscara y el sustrato sin la borrosidad penumbral que se produce a partir de otras fuentes de rayos X. En el anillo de almacenamiento de electrones o sincrotrón , un campo magnético obliga a los electrones a seguir una trayectoria circular y la aceleración radial de los electrones hace que se emita radiación electromagnética hacia adelante. Por tanto, la radiación está fuertemente colimada en la dirección de avance y se puede suponer que es paralela a efectos litográficos. Debido al flujo mucho mayor de rayos X colimados utilizables, se hacen posibles tiempos de exposición más cortos. Las energías de los fotones para una exposición LIGA se distribuyen aproximadamente entre 2,5 y 15 keV .
A diferencia de la litografía óptica, existen múltiples límites de exposición, identificados como la dosis superior, la dosis inferior y la dosis crítica, cuyos valores deben determinarse experimentalmente para una exposición adecuada. La exposición debe ser suficiente para cumplir con los requisitos de la dosis inferior, la exposición bajo la cual quedará un residuo fotorresistente y la dosis máxima, la exposición sobre la cual formará espuma el fotorresistente. La dosis crítica es la exposición a la que la resistencia no expuesta comienza a ser atacada. Debido a la insensibilidad del PMMA, un tiempo de exposición típico para un PMMA de 500 µm de espesor es de seis horas. Durante la exposición, los efectos secundarios de la radiación, como la difracción de Fresnel , la fluorescencia de la máscara y el sustrato , y la generación de electrones y fotoelectrones Auger, pueden provocar una sobreexposición.
Durante la exposición, la máscara de rayos X y el soporte de la máscara se calientan directamente por absorción de rayos X y se enfrían por convección forzada de chorros de nitrógeno. El aumento de temperatura en la capa protectora de PMMA se debe principalmente al calor conducido desde el sustrato hacia atrás hacia la capa protectora y desde la placa de la máscara a través del aire de la cavidad interna hacia la capa protectora, siendo la absorción de rayos X terciaria. Los efectos térmicos incluyen variaciones químicas debidas al calentamiento de la resistencia y la deformación de la máscara dependiente de la geometría.
Desarrollo
Para estructuras de alta relación de aspecto, se requiere que el sistema resist-revelador tenga una relación de tasas de disolución en las áreas expuestas y no expuestas de 1000: 1. El revelador estándar optimizado empíricamente es una mezcla de tetrahidro-1,4-oxazina ( 20% ), 2-aminoetanol-1 ( 5% ), 2- (2-butoxietoxi) etanol ( 60% ) y agua ( 15% ). Este revelador proporciona la relación requerida de velocidades de disolución y reduce el agrietamiento por hinchamiento relacionado con el estrés en comparación con los reveladores de PMMA convencionales. Después del revelado, el sustrato se enjuaga con agua desionizada y se seca al vacío o mediante centrifugación. En esta etapa, las estructuras de PMMA se pueden liberar como producto final (por ejemplo, componentes ópticos) o se pueden usar como moldes para la posterior deposición de metal.
Galvanoplastia
En la etapa de galvanoplastia, el níquel, el cobre o el oro se recubren hacia arriba desde el sustrato metalizado hacia los huecos que deja el fotorresistente eliminado. Al tener lugar en una celda electrolítica, la densidad de corriente, la temperatura y la solución se controlan cuidadosamente para garantizar un recubrimiento adecuado. En el caso de la deposición de níquel a partir de NiCl 2 en una solución de KCl, el Ni se deposita en el cátodo (sustrato metalizado) y el Cl 2 se desprende en el ánodo. Las dificultades asociadas con el enchapado en moldes de PMMA incluyen huecos, donde las burbujas de hidrógeno se nuclean sobre los contaminantes; incompatibilidad química, donde la solución de enchapado ataca al fotorresistente; e incompatibilidad mecánica, donde la tensión de la película hace que la capa chapada pierda adherencia. Estas dificultades pueden superarse mediante la optimización empírica de la química y el entorno del revestimiento para un diseño determinado.
Pelar
Después de la exposición, el revelado y la galvanoplastia, se quita la capa protectora. Un método para eliminar el PMMA restante es exponer el sustrato por inundación y usar la solución de revelado para eliminar limpiamente la capa protectora. Alternativamente, se pueden utilizar disolventes químicos. La extracción de una capa protectora espesa químicamente es un proceso largo, que toma de dos a tres horas en acetona a temperatura ambiente. En estructuras multicapa, es una práctica común proteger las capas de metal contra la corrosión rellenando la estructura con un encapsulante a base de polímero. En esta etapa, las estructuras metálicas pueden dejarse en el sustrato (por ejemplo, circuitos de microondas) o liberarse como producto final (por ejemplo, engranajes).
Replicación
Después del decapado, los componentes metálicos liberados se pueden utilizar para la replicación masiva a través de medios estándar de replicación, como estampación o moldeo por inyección .
Comercialización
En la década de 1990, LIGA era una tecnología de fabricación de MEMS de vanguardia, lo que resultó en el diseño de componentes que mostraban la versatilidad única de la técnica. Varias empresas que comenzaron a utilizar el proceso LIGA cambiaron posteriormente su modelo de negocio (por ejemplo, Steag microParts se convirtió en Boehringer Ingelheim microParts, Mezzo Technologies). Actualmente, solo dos empresas, HTmicro y microworks, continúan su trabajo en LIGA, beneficiándose de las limitaciones de otras tecnologías de fabricación competidoras. UV LIGA, debido a su menor costo de producción, es empleada más ampliamente por varias empresas, como Tecan, Temicon y Mimotec en Suiza, que abastecen al mercado de relojes suizos con piezas metálicas hechas de níquel y níquel-fósforo.
Galería
A continuación se muestra una galería de estructuras fabricadas por LIGA ordenadas por fecha.
Una boquilla para el enriquecimiento de uranio . [1]
Una guía de ondas coplanar de cobre de 517 µm de altura . [3]
Lentes de rayos X refractivos para rayos X fabricados con polímero SU8. Los patrones se hacen inclinando la máscara y el sustrato en el haz dos veces + -45 °.
Notas
- ^ a b Becker, EW; Ehrfeld, W .; Münchmeyer, D .; Betz, H .; Heuberger, A .; Pongratz, S .; Glashauser, W .; Michel, HJ; Siemens, R. (1982). "Producción de sistemas de boquillas de separación para enriquecimiento de uranio mediante una combinación de litografía de rayos X y galvanoplásticos". Naturwissenschaften . 69 (11): 520–523. doi : 10.1007 / BF00463495 .
- ^ "Proceso de electroformado" . Consultado el 12 de noviembre de 2018 . CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
- ^ Forman, Michael A. (2006). "Filtro y guía de ondas coplanar fabricados por LIGA de baja pérdida". Conferencia de microondas de Asia y el Pacífico de 2006 . págs. 1905-1907. doi : 10.1109 / APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6.
Ver también
- Fotolitografía
- Litografía de rayos X
- Galvanoplastia
- Moldura
- Sincrotrón
- PMMA
- Fotoprotector SU-8
- Uranio enriquecido - Procesos aerodinámicos
Referencias
- Madou, M. (2003). Fundamentos de la microfabricación . CRC. ISBN 978-0849308260.
- Saile, V. (2009). LIGA y sus aplicaciones . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31698-4.
enlaces externos
- LiMiNT - Proceso LIGA de Singapore Synchrotron Light Source
- Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Instituto de Tecnología de Microestructura, Plataforma KNMF
- Proceso LIGA ilustrado por Arndt Last