Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Ingineri Mecanica si Mecatronica
Referat la Micro si Nano Tehnologii
Prof. Dr. Ing. Student: Georgeta Ionascu Stefan Mirel Neatu Grup a 542 B
Aplicatii ale microprelucrarii cu siliciu monocristalin 6.4.1. Suprafeţe antirefleclante Pentru mărirea coeficientului de absorbtie al unor suprafete din siliciu monocristalin orientat (100) şi (110) iluminate cu un laser He-Ne cu λ=632.8 nm au fost folosite tehnici de corodare anizotropă, izotropă şi de depunere de straturi subţiri. Suprafaţa plachetei este brăzdată de crestături (fig. 6.9) în formă de V (a), cu pereţi verticali (c) sau de cavităţii piramidale dispuse regulat (b) sau aleatoriu.
Fig. 6.9. Suprafeţe texturate pentru mărirea absorbţiei radiaţiei: a - cu canale în V; b - cu piramide răsturnate; c - cu canale cu pereţi verticali;
Au fost folosite plachete din siliciu monocristalin crescut prin metoda Czochralski. Plachetele cu orientare (100) au fost de tip n (dopate cu P) şi o grosime medie de 380 μm. Plachetele cu orientare (110) au fost de tip p (dopate iu B) şi o grosime medie de 289 μm. Stratul de SiO 2 cu grosimea de 0,63- 1,5 μm care a servit ca mască, a fost obţinut prin oxidare termică uscată la 1050°C, timp de 17-144 ore. Masca în oxid a fost obţinută prin corodare izotropă cu NH 4OH:HF, 4:1, utilizând protecţie foto cu fotorezist negativ. Suprafaţa acoperită cu cavităţi piramidale nu a necesitat mască. La corodarea anizotropă a plachetelor de siliciu s-a folosit XOH. Pentru reducerea reflexiei pe isuprafeţele nestructurate ale plachetelor, s-a aplicat în final o corodare izotropă pentru, matarea suprafeţei şi teşirea muchiilor. Pentru mărirea coeficientului de absorbţie microprelucrarea a fost urmată de o acoperire cu o succesiune de straturi subţiri Si 3N4 (n=2),
Ta2Os (n=2,l), Ti02 (n=2,3) şi Zr02 (n=2). Grosimea totală a straturilor, depuse a fost de 0,16 fim. Cele mai bune rezultate au fost obţinute la plachetele (110) acoperite cu crestături având pereţi verticali.
Aplicatii ale microprelucrarii cu siliciu policristalin 7.2.4. Filtru Pentru identificarea primară a fluidului şi filtrarea particulelor cu dimensiuni mai mici de 50 nm a fost realizat un filtru (fig. 7.14) alcătuit din două membrane din siliciu policristalin, cu perforaţii deplasate relativ şi separate prin distaniţere din Si02 uniform distribuite pe suprafaţă. Diametrul perforaţiilor este de ~10 μm, iar distanţa dintre ele de ~20 μm. Cele două membrane sunt susţinute de un suport de siliciu monocristalin.
fig. 7.14 Filtru Structura în întregime are dimensiuni de 14x14 mm, iar aria filtrului este de 30 mm2. Utilizat mai ales în microbiologie el are şi alte calităţi: structura poroasă este foarte uniformă şi cu dimensiuni submicrometrice; - mare rezistenţă mecanică datorată distanţierelor din Si02 care au şi rol de ridigizare a membranelor; - stabil şi inert din punct de vedere chimic, nu e sensibil la contactul cu mediile agresive mai ales din domeniul biologici - rezistă la temperaturi peste 1000°C; - acoperite cu un strat metalic sau puternic dopate cu bor astfel încât să conducă curentul electric, cele doua membrane pot constitui un condensator plan care permite identificări de fluide cu concentraţii diferite. Tehnologia de fabricaţie (fig. 7.15) este o combinaţie de microprelucrare a siliciului policristalin, tehnica stratului de sacrificiu şi corodare anizotropă a siliciului monocristalin.
fig. 7.15 Succesiunea etapelor de realizare a filtrului Fig. 7.15 a: au fost utilizate pachete de siliciu monocristalin debitat după planul (100). Un strat de Si02 crescut termic are grosimea corespunzătoare distanţei dintre membrane. Urmează un strat de poli-Si de grosime 1,5 μm - în care va fi structurată membrana superioară. Se depune CVD un strat de Si0 2 pentru evitarea impurificării polisiliciului. Fig. 7.15 b: orificiile primei membrane sunt configurate utilizând fotolitografía şi corodarea in plasmă reactivă a cărei compoziţie se modifică după natura stratului (poli-Si sau Si02). O nouă depunere de oxid, cu grosimea de 600 nm asigură protecţia laterală a straiului de poli-Si. Fig. 7.15 c: utilizând ca mască structura anterior creată se face o difuzie selectivă în monocristalul de siliciu, cu bor, la 1200°C timp de 4 ore. Se obţin, astfel, zonele semisferice puternic dopate cu bor care vor rezista corodării anizotrope a suportului de siliciu monocristalin, dând forma membranei inferioare. Fig. 7.15 d: la corodarea anizotropă, în locul soluţiei clasice de EDP care poate penetra stratul lateral dc Si02 afectând dimensiunile membranei superioare, autorii recomandă un corodant constând din 85 vol % echimolar soluţie de hidrazină în apă şi 15 vol % etilcndiamină, care nu dizolva straturi dc Si02 mai subţiri de 100 nm. Distanţierii dc Si02 se formează prin atacul stratului intermediar cu soluţie de acid fluorhidric. Atacul continuă până la realizarea trecerilor între cele două membrane, acţionând uni- sau bilateral, în acest fel determinându-se şi dimensiunile aproximative ale distanţierelor. In urma atacului chimic pentru distrugerea parţială a stratului de sacrificiu membranele devin hidrofobe; dacă utilizarea filtrului pretinde proprietăţi hidrofile ale membranelor acestea se obţin prin creşterea unui strat de ~10 nm de Si02 pe întreaga structură.
7.2.6. Micropensete Pentru manevrarea bacteriilor sau animalelor celulare sau ca terminal al unui microrobot poate fi utilizată micropenseta din polisiliciu acţionată electrostatic şi realizată de Berkeley Sensor and Actuator Center.
fig. 7.19 Schema micropensetei Structura se bazează pe elemente flexibile care pot dezvolta o anumită forţă de apucare. Substratul este o plachetă de siliciu monocristalin pe care sunt fixaţi trei piepteni care, racordaţi la o tensiune mai mică de 20 V provoacă atragerea braţelor fixate cu un capăt la substrat, celălalt capăt reprezentând penseta propriu-zisă (fig. 7.19). Cei doi piepteni exteriori sunt alimentaţi pentru operatia de deschidere, cel din centru -pentru închidere. Grosimea stratului de sacrificiu PSG este de 2,1 μm, iar grosimea structuri - din polisiliciu dopat cu fosfor - de 2,2 μm. Această soluţie constructivă evită frecările din articulaţii sau între suprafeţele plane în mişcare reciprocă. Au fost construite şi micropensete din wolfram [7.28] cu lungime dc 200 μm şi secţiunea 2,7x2,5 μm, cu dcflexic după două direcţii care pot fi utilizate ca clemente dc contact, amplificatoare dc mişcare, elemente rezonante sau de asamblare. Procedeul dc realizare are la bază tehnica lift-off, într-o "formă" din Si02 (LPCVD) modelată prin litografic cu rezişti multistrat, care contă în transpunerea profilului într-un strat intermediar de grosime mică - cu valoare tipică de 100 nm, din Si3N4, depus în plasmă (PECVD).
Aplicatii ale procedeului LIGA 8.6.5. Microbobine Microbobinele (fig. 8.12 a) sunt din cupru. Pentru a preveni scurtcircuitarea, înfăşurarea trebuie realizată pe un substrat izolator (placă ceramică sau plachetă de siliciu) pe care mai este aplicat un strat izolator (Si3N4 - de exemplu) şi apoi un strat metalic (de obicei titan). După etapele de litografie adâncă cu radiaţie X sincrotronică şi galvanizare urmată de dizolvarea formei de PMMA, este îndepărtat stratul de titan dintre
spirele bobinei prin corodare uscată sau chiar umedă; la corodarea umedă timpul de corodare trebuie controlat pentru a se evita pericolul corodării şi al stratului de titan de sub spire. Controlul procesului de corodare este asigurat prin măsurarea inductivităţii bobinei şi întreruperea procesului la atingerea valorii, proiectate.
Fig. 8.12. Microbobină de cupru: a-dimensiuni şi straturi de structurare;
Fig. 8.12. b formare
Microbobină de cupru: - succesiunea etapelor de
Dacă asemenea microstructuri trebuie realizate pe suprafeţele deja procesate ale plachetei de siliciu şi pentru a evita deteriorarea acestora se poate proceda la aplicarea unui procedeu de curând făcut cunoscut (comunicat în 1992 [8.1]) şi anume "realizarea microstructurilor metalice prin imprimare" (fíg. 8.12 b).
Se aplică un strat de monomer care prin polimerizare trece într-un polimer tcrmoplastic, de exemplu PMMA (fig. 8.12 b|). După întărire se încălzeşte toată placheta până la temperatura de înmuiere a polimerului,~160°C pentru PMMA, când forma pregătită prin litografíe adâncă, este imprimată prin presare în stratul vâscos, până la o oarecare distanţă de stratul metalic; prevederea este necesară pentru ca presiunea să nu deterioreze structura din plachetă de siliciu; care are denivelări de 1...3 μm. Se răceşte până la ~80°C, după care forma este Îndepărtată (fig. 8.12 b2). Stratul izolator rămas este îndepărtat prin corodarc în plasmă reactivă (RIE) de oxigen. Dirijarea perpendiculară a ionilor pe substrat este importantă pentru a nu modifica grosimea structurii. înălţimea formei trebuie astfel proiectată încât să fíe compensată corodarea ei şi în planul superior (fig. 8.12 b3). Stratul descoperit de titan va reprezenta catodul la galvanizarea selectivă pentru formarea microstructurii metalice. Forma de PMMA este îndepărtată prin corodare umedă selectivă (fig. 8.12 b 4). Izolarea electrică între spirele bobinei este realizată prin corodarea în plasmă reactivă de argon sau corodarc umedă. Legăturile electrice cu placheta de siliciu, în etapa de procesare a siliciului sunt asigurate prin deschiderea în stratul izolator de Si3N4 a zonelor de conectare, utilizând procesele fotolitografice (fig. 8.12 b5).
8.6.7. Micromotor magnetic planar Micromotorul magnetic planar din fig. 8.14, este un exemplu de construcţie hibridă la care polii statorului, arborele rotorului şi arborii roţilor dinţate sunt realizaţi din nichel direct pe substrat (fig. 8.14 a); rotorul şi roţile dinţate sunt realizate din nichel - dar pa structuri independnete (fig. 8.14 b); în urma asamblării rezultă microstructura completă (fig. 8.14 c). Din dimensiunile componentelor se asigură un joc radial de ~0,5 um. Inălţimea microstructurilor este de ~100 pm.
fig. 8.14 Evolutia fabricatiei unui micromotor magnetic
Cheltuielile de montaj sunt foarte ridicate. La Institutul de microtehnică al Centrului de cercetări nucleare din Karlsruhe a fost realizat un motor electrostatic din nichel, cu diametrul rotorului de 400 μm şi înalţimea componentelor de 100μm. Jocul dintre rotor şi arbore este de 4.3 μm. Se vede suprafaţa laterala a componentelor, care prin depunere galvanică a copiat striurile din forma de PMMA, ca si aspectul suprafeţei frontale obţinută prin depunere.
Microace cu unghiul teşiturii ajustabil Vom descrie un nou proces de creeare microstructurii acelor compuse dintrun singur cristal de silicon. Procesul implica o combinare intre unirea prin fusiune, fotolitografie si gravura anizotropica in plasma. Canalul produs prin acest proces poate avea unghiul tesiturii ajustabil, pereti subtiri si dimensiuni mici. O parte din pasii de prelucrare pot fi folositi si la producerea lamelor din silicon cu unghiuri ajustabile ale tesiturilor si dimensiuni foarte mici. Printre aplicatiile care utilizeaza aceasta tehnologie enumeram inserarea fara dureri a medicamentelor, analiza sangelui, monitorizarea nivelului de glucoza, injectarea in celule si fabricarea microkeratomilor pentru operatiile la nivelul ocular, vascular si neural. Procedeul de fabricare a acelor compuse dintr-un singur cristal de silicon este reprezentat in fig 1. Diagrama procesului de fabricare a unui microac A) Gravarea marginilor canalului acului B) Unirea prin fusiune a substraturilor de silicon C) Gravarea in plasma a formei exterioare a acului inclusiv si marginea tesita. Se opreste oxidarea substratului de siliciu. D) Lipirea anodica substratului din silicon a acului de un substrat din sticla E) Inlaturarea portiunii nedorite de substrat de silicon
Fig 2. Vederea de sus a doua lame cu unghiuri de teşire diferite
Fig 3. Alt design de teşitura facut la scara Fig 1. Procesul de fabricare a unui lungime microac
100 μm in
Bibliografie:
Tehnologia Structurilor Micromecanice - Simona Antonescu, Georgeta Ionaşcu, Adina Pîrcălăboiu, Ed. Tehnică, Bucuresti 1995 http://www.mems-issys.com/pdf/issystech19.pdf
Figure 1. Cross-sectional diagram of the microneedle fabrication
