LA MICROFABRICACIÓN
Microfa Microfabric bricació ación n es el proceso proceso de fabrica fabricació ción n de estructu estructuras ras en miniatu miniatura ra de e sc sc a la la s m ic ic r óm óm et et r os os y m ás ás p eq eq ue ue ña ña s. s. H is is t ór ór ic ic am am en en t e, e, s e h an an u ti ti lili za za do do l os os proceso procesos s de microfa microfabri bricaci cación ón más temprano tempranos s para para la fabrica fabricació ción n del circui circuito to integrado, también conocido como "fabricación de semiconductores" o "dispositio de fabric fabricaci ación ón de semico semicondu nductor ctores" es".. !n las ltimas ltimas dos década décadas s los sistema sistemas s m ic ic ro ro el el ec ec tr tr om om ec ec án án ic ic os os , m ic ic ro ro si si st st em em as as , m ic ic ro ro má má qu qu in in as as y s us us s ub ub ca ca mp mp os os , m ic ic r of of l ui ui do do s# s# l ab ab or or at at o ri ri o e n u n c hi hi p, p, M !M !M $ ó pt pt i co co , % & M !M !M $, $, ' o (e (e r M! M! M$ M$ , )ioM!M$ y su e*tensión a nanoescala han reutilizado, adaptar o completar los métodos de microfabricación. +as pantallas planas y células solares también están utilizando técnicas similares. +a miniaturización de los diersos dispositios presenta retos en muchas áreas de l a c ie ie nc nc i a y l a i ng ng en en ie ie r r a - l a f si si ca ca , l a q u m m ic ic a, a, l a c ie ie nc nc i a d e l os os m at at e ri ri al al es es , ciencias ciencias de la computación, computación, ingeniera ingeniera de ultraprecisi ultraprecisión, ón, procesos procesos de fabricación fabricación y d is is eñ eñ o d e e qu qu ip ip os os . /am bi bi én én d a l ug ug ar ar a d i i er er so so s t ip ip os os d e i n n es es ti ti ga ga ci ci ón ón interdisciplinaria. +os principales conceptos y principios de microfabricación son microlitografa, dopa0e, pelculas delgadas, grabado, pegado y pulido.
+os campos de uso Microfabricated dispositios incluyen• • • • • • •
+a fabricación de circuitos integrados $istemas microelectromecánicos, M1!M$, dispositios de microfluidos células solares 'antallas planas $ensores 'o(erM!M$s, pilas de combustible, cosechadoras#captadores de energa
1rgenes /ec no no lo lo g g as as d e m ic ic ro ro fa fa br br ic ic ac ac ió ió n s e o ri ri gi gi na na n a p ar ar ti ti r d e l a i nd nd us us tr t r ia ia d e l a microelectrónica, y los dispositios se hacen generalmente en obleas de silicio a pesar de idrio, plásticos y muchos otros sustratos están en uso. Micromaquinado, procesamiento procesamiento de semiconducto semiconductores, res, microelectróni microelectrónica ca fabricación, fabricación, fabricación fabricación de semicon semiconduc ductore tores, s, M!M$ M!M$ fabrica fabricació ción n y tecnolo tecnologa ga de circui circuitos tos integrad integrados os son términos términos que se utilizan utilizan en lugar de microfabricación, microfabricación, pero microfabricaci microfabricación ón es el término amplio general. / éc éc ni ni ca ca s d e m ec ec an an iz iz ad ad o t ra r a di di ci ci on on al al es es , c om om o e l m ec ec an an iz iz ad ad o p or or d es es ca ca rg rg a eléctrica, chispas mecanizado erosión y perforación láser se han reducido desde el r an an go go d e t am am añ añ o m ilil m m et et r o a r an an go go m ic ic r om om ét ét r ic ic o, o, p er er o n o c om om pa pa rt rt e n l a i de de a p ri ri nc nc i pa pa l d e m ic ic r of of ab ab r ic ic ac ac ió ió n m ic ic r oe oe le le ct ct r ón ón ic ic a o ri ri gi gi n ad ad oo- l a r ep ep lili ca ca c ió ió n y l a f ab ab ri ri ca ca ci ci ón ón p ar ar al al el el a d e c ie ie nt nt os os o m ilil lo lo ne ne s d e e st st ru ru ct ct ur ur as as i dé dé nt nt ic ic as as . ! st st e paralelismo está presente en diersos huella, de fundición y moldeo técnicas que se han aplicado con é*ito en la microregime. 'or e0emplo, el moldeo por inyección de 232 implica la fabricación de puntos de tamaño submicrométrico en el disco.
PROCESOS DE MICROFABRICACIÓN
Microfabricación es en realidad una colección de tecnologas que se utilizan en la fabricación de microdispositios. 4lgunos de ellos tienen orgenes muy antiguos, que no están conectados a la fabricación, como la litografa o grabado. 'ulido fue t om ad o d e f ab ri ca ci ón ó pt ic a, y m uc ha s d e l as t éc ni ca s d e ac o ie ne d e inestigación de la fsica del siglo 56. !lectrochapado es también una técnica siglo 56a adaptado para producir estructuras de escala micrómetros, como son diersas técnicas de estampado y gofrado. 'ara fabricar un microdispositio, se deben realizar muchos procesos, uno tras otro, muchas eces repetida. !stos procesos incluyen tpicamente depositando una p el c u la , p at r ón d e l a p el c u la c on l as c ar ac t er st i ca s m ic r o d es ea do s, y l a eliminación de porciones de la pelcula. 'or e0emplo, en la fabricación de chips de memoria, hay algunos pasos 78 litografa, 58 pasos de o*idación, 98 pasos de grabado, 58 pasos de dopa0e, y muchos otros se llean a cabo. +a comple0idad de los procesos de microfabricación se puede describir por su recuento de máscara. !ste es el nmero de diferentes capas de patrones que constituyen el dispositio final. +os microprocesadores modernos se hacen con 78 máscaras mientras que unos pocos máscaras son suficientes para un dispositio de microfluidos o un diodo láser. Microfabricación se aseme0a a la fotografa de e*posición mltiple, con muchos patrones alineados el uno al otro para crear la estructura final.
SUSTRATOS Microfabricated dispositios no son generalmente independiente dispositios, pero por lo general se forman sobre o en un substrato de soporte más grueso. 'ara aplicaciones electrónicas, sustratos semiconductores tales como obleas de silicio se pueden utilizar. 'ara los dispositios ópticos o pantallas planas, sustratos transparentes como el idrio o cuarzo son comunes. !l soporte permite un fácil mane0o del dispositio de micro a traés de las muchas etapas de fabricación. 4 menudo, muchos dispositios indiiduales se hacen 0untos en un sustrato y, a c on t in ua c ió n i nd i id ua li za da s e n d is p os i ti o s s ep ar ad os h ac ia e l f i na l d e l a fabricación.
LA DEPOSICIÓN O CRECIMIENTO Microfabricated dispositios se construyen tpicamente utilizando una o más pelculas delgadas. !l propósito de estas pelculas delgadas depende del tipo de dispositio. +os dispositios electrónicos pueden tener pelculas delgadas que son conductores, aislantes o semiconductores. +os dispositios ópticos pueden tener pelculas que refle0en, transparente, luz de gua, esparcido. +as pelculas también pueden tener un propósito qumico o mecánico, as como para aplicaciones de M!M$. +os e0emplos de técnicas de d eposición incluyen-
• • • • • • • • • •
+a o*idación térmica deposición de apor qumico 4' :3 2 +':32 '!:32 2eposición fsica de apor pulerización deposición por eaporación Haz de electrones '32 epita*ia
PATRONES 4 me nu do es de se ab le pa tró n de un a pe l cul a en car ac ter st ic as di st in tas o pa ra formar aberturas en algunas de las capas. !stas caractersticas se encuentran en la escala micrométrica o nanométrica y la tecnologa de modelado es lo que define la microfabricación. +a técnica utiliza tpicamente un patrón "máscara" para definir porciones de la pelcula que se retir a. !0emplos de técnicas de modelado incluyen-
&otolitografa 4; <4 &
2opa0e ya sea por difusión térmica o implantación de iones 'lanarization qumicomecánico +impieza =afer, también conocida como "la preparación de superficies"
MICRO CORTE/MICROFABRICACIÓN Micro de corte#fresado es una alternatia a las técnicas litográficas, por procesos de reducción de escala macro, tales como corte y de conformación, a los tamaños de la herramienta por deba0o de 588 m de diámetr o. +impieza en la fabricación de obleas
Microfabricación se llea a cabo en salas blancas, donde el aire se ha filtrado de l a c on t am in ac i ón p or p ar t c u la s y l a t em pe ra t ur a , h um ed ad , ib ra ci on es y perturbaciones eléctricas están ba0o control estricto. Humo, el polo, las bacterias y l as c él ul as s on m ic ró me tr os d e t am añ o, y s u p re se nc ia a a d es tr ui r l a funcionalidad de un dispositio microfabricado. $alas blancas proporcionan la limpieza pasia, sino también las obleas se limpian a ct i am en te a nt es d e c ad a p as o c r ti co . % :4 5 l im pi o e n u na s ol uc ió n d e amoniacoperó*ido elimina la contaminación orgánica y partculas> %:49 en la m ez c la d e c lo ru r o d e l im pi ez a pe ró *i do d e h id ró ge no e li m in a l as i mp ur ez as metálicas. Mezcla de ácido sulfricoperó*ido de quita orgánicos. !l fluoruro de hidrógeno elimina de ó*ido natio de la superficie de silicio. !stos son todos los pasos de limpieza hmeda en las soluciones. +os métodos de limpieza en seco i nc lu ye n o * ge no y t r at am ie nt o s d e p la sm a d e a rg ón p ar a e li mi na r l as c ap as superficiales no deseadas, o cocer hidrógeno a temperatura eleada para eliminar el ó*ido natio antes de la epita*ia. +impieza 'repuerta es el paso más crtico de limpieza en el :M1$ de fabricación- asegura que el ca. 9 nm de espesor de ó*ido de un transistor M1$ se puede cultiar en una manera ordenada. +a o*idación, y todas las medidas de alta temperatura son muy sensibles a la contaminación, y los pasos de limpieza deben preceder a pasos de alt a temperatura. 'reparación de la superficie es sólo un punto de ista diferente, todos los pasos son los mismos como se describió anteriormente- se trata de salir de la superficie d e l a o bl ea e n u n e st ad o c on tr ol ad o y b ie n c on oc id o a nt es d e e mp ez ar e l procesamiento. +as obleas son contaminados por los pasos del proceso anterior, o pueden haber reunido polmeros a partir de ca0as de obleas, y esto podra ser diferente en función de tiempo de espera. +impieza y preparación de la superficie de la oblea funcionan un poco como las máquinas en un boliche- primero se quitan todos los fragmentos no deseados, y luego reconstruir el patrón deseado para que el 0uego pueda continuar.
LA NANOFABRICACIÓN
+a nanofabricación es el diseño y fabricación de dispositios con dimensiones medidas en nanómetros. $i necesita crear estructuras tan pequeñas, las partculas cargadas como iones o electrones suelen ser su método de preferencia. +a interacción entre el haz de electrones o iones y la superficie de muestra le permite manipular estructuras o propiedades de la superficie. :uando se utiliza en combinación con diferentes gases, podrá realizar procesos comple0os, como grabado o deposición de material. !sto permite la creación nueos materiales y sistemas superiores con funciones mecánicas, electrónicas, ópticas, magnéticas o fludicas comple0as. 4lgunas tecnologas importantes, desarrolladas durante los ltimos años, son- microcontact printing , litografa basada en microscopia de fuerzas atómicas, litografa de nanoimpresión o litografa dip-pen, donde un cantiléer es usado para transferir moléculas al substrato por capilaridad. 2e entre estas tecnologas, la litografa de nanoimpresión es con diferencia la más madura y está siendo utilizada para fabricar láseres orgánicos, diodos emisores de luz orgánicos ?1+!2$@, substratos para ingeniera de te0idos y biochips para sensorización de biomoléculas. !sta tecnologa se está utilizando en producción para la fabricación de elementos fotónicos para la industria óptica y substituirá en bree a la fotolitografa ultraioleta en la producción de unidades de almacenamiento de datos y displays ópticos.
LITOGRAFÍA DE NANOIMPRESIÓN (NIL) es muy simple.
LÁSERES ORGÁNICOS DE SEMICONDUCTOR
!n los ltimos años se ha desarrollado una intensa actiidad inestigadora en el campo de los láseres orgánicos de estado sólido con retroalimentación distribuida ?2&)@, con el fin de obtener dispositios baratos, cuya longitud de onda de emisión se pueda sintonizar en un amplio rango de longitudes de onda en la zona isible y en el infrarro0o cercano del espectro. !n este conte*to, la
INGENIERÍA DE TEJIDOS +a
ROBÓTICA INDUSTRIAL !ntre los robots considerados de más utilidad en la actualidad se encuentran los robots i!"stri#$%s o i'"$#!or%s. "'or robot industrial de manipulación se entiende una maquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más e0es que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositios especiales para la e0ecución de traba0os diersos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fi0a o en moimiento" !n esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y la multifunción se consiguen sin modificaciones fsicas del robot. :omn en todas las definiciones anteriores es la aceptación del robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que incorpora un control más o menos comple0o.
Estr"*t"r# !% $os robots i!"stri#$%s-
E$%&%tos %str"*t"r#$%s !% " robot i!"stri#$
Li%#$ ?deslizante, traslacional o prismática@, si un eslabón desliza sobre un e0e solidario al eslabón anterior.
•
Rot#*io#$, en caso de que un eslabón gire en torno a un e0e solidario al eslabón anterior.
#) b) Distitos ti'os !% #rti*"$#*io%s !% " robot+ #) $i%#$, b) rot#*io#$%s !l con0unto de eslabones y articulaciones se denomina *#!%# *i%&-ti*#. $e dice que una cadena cinemática es abierta si cada eslabón se conecta mediante articulaciones e*clusiamente al anterior y al siguiente, e*ceptuando el primero, que se suele fi0ar a un soporte, y el ltimo, cuyo e*tremo final queda libre. 4 éste se puede conectar un %$%&%to t%r&i#$ o #*t"#!or .i#$+ una herramienta especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular, que debe diseñarse especficamente para dicha aplicaciónuna herramienta de su0eción, de soldadura, de pintura, etc. !l punto más significatio del elemento terminal se denomina '"to t%r&i#$ ?PT@. !n el caso de una pinza, el punto terminal endra a ser el centro de su0eción de la misma.
P"to t%r&i#$ !% " i'"$#!or +os elementos terminales pueden diidirse en dos categoras•
'i#s ?gripper @
•
0%rr#&i%t#s
+as 'i#s se utilizan para tomar un ob0eto, normalmente la pieza de traba0o, y su0etarlo durante el ciclo de traba0o del robot. Hay una diersidad de métodos de su0eción que pueden utilizarse, además de los métodos mecánicos obios de agarre de la pieza entre dos o más dedos. !stos métodos suplementarios incluyen el empleo de casquillos de su0eción, imanes, ganchos, y cucharas.
4 los manipuladores robóticos se les suele denominar también br#os !% robot por la analoga que se puede establecer, en muchos casos, con las e*tremidades superiores del cuerpo humano.
S%&%1## !% " br#o i'"$#!or *o $# ##to&2# 0"# $e denomina 3r#!o !% $ib%rt#! ?3!$@ a cada una de las coordenadas independientes que son necesarias para describir el estado del sistema mecánico del robot ?posición y orientación en el espacio de sus elementos@. Dormalmente, en cadenas cinemáticas abiertas, cada par
eslabónarticulación tiene un solo grado de libertad, ya sea de rotación o de traslación. 'ero una articulación podra tener dos o más g.d.l. que operan sobre e0es que se cortan entre s.
Distitos 3r#!os !% $ib%rt#! !% " br#o !% robot 'ara describir y controlar el estado de un brazo de robot es preciso determinar•
•
+a posición del punto terminal ?o de cualquier otro punto@ respecto de un sistema de coordenadas e*terno y fi0o, denominado el sistema mundo. !l moimiento del brazo cuando los elementos actuadores aplican sus fuerzas y momentos.
!l análisis desde el punto de ista mecánico de un robot se puede efectuar atendiendo e*clusiamente a sus moimientos ?estudio cinemático@ o atendiendo además a las fuerzas y momentos que actan sobre sus partes ?estudio dinámico@ debidas a los elementos actuadores y a la carga transportada por el elemento terminal.
4 Co.i3"r#*io%s !% $os robots i!"stri#$%s
&or.o$53i*#s 6
'#r-&%tros
*#r#*t%r2sti*os
$egn la geometra de su estructura mecánica, un manipulador puede ser•
C#rt%si#o, cuyo posicionamiento en el espacio se llea a cabo mediante articulaciones lineales.
•
Ci$2!ri*o, con una articulación rotacional sobre una base y articulaciones lineales para el moimiento en altura y en radio.
•
Po$#r , que cuenta con dos articulaciones rotacionales y una lineal.
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Es.7ri*o (o !% br#o #rti*"$#!o), con tres articulaciones rotacionales.
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Mi8to, que posee arios tipos de articulaciones, combinaciones de las anteriores. !s destacable la configuración SCARA ?Selective Compliance Assembly Robot Arm@ P#r#$%$o, posee brazos con articulaciones prismáticas o rotacionales concurrentes.
+os principales parámetros que caracterizan a los robots industriales son-
•
N9&%ro !% 3r#!os !% $ib%rt#!. !s el nmero total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de g.d.l. de las articulaciones que lo componen. 4unque la mayora de las aplicaciones industriales requieren I g.d.l., como las de soldadura, mecanizado y almacenamiento, otras más comple0as requieren un nmero mayor, tal es el caso de las labores de monta0e.
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Es'#*io !% #**%sibi$i!#! o %s'#*io (:o$"&%) !% tr#b#1o. !s el con0unto de puntos del espacio accesibles al punto terminal, que depende de la configuración geométrica del manipulador.
•
C#'#*i!#! !% 'osi*io#&i%to !%$ '"to t%r&i#$. $e concreta en tres magnitudes fundamentales- resolución espacial, precisión y repetibilidad, que miden el grado de e*actitud en la realización de los moimientos de un manipulador al realizar una tarea programada.
•
C#'#*i!#! !% *#r3#. !s el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador. !s una de las caractersticas que más se tienen en cuenta en la selección de un robot dependiendo de la tarea a la que se destine.
•
;%$o*i!#!. !s la má*ima elocidad que alcanzan el '/ y las articulaciones.
Co.i3"r#*i5 3%o&7tri*# *#rt%si#os
ti'o *#ti$%:%r
'5rti*o
ti'o
Estr"*t"r# *i%&-ti*#
Es'#*io tr#b#1o
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E1%&'$o
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%s.7ri*o
SCARA
'#r#$%$o
Co.i3"r#*io%s 3%o&7tri*#s, %str"*t"r# *i%&-ti*#, %s'#*io !% #**%sibi$i!#! 6 %1%&'$os !% robots i!"stri#
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