Anders Elfwing Mönstring Mål 2 Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och.

En presentation över ämnet: "Anders Elfwing Mönstring Mål 2 Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och."— Presentationens avskrift:

1

2 Anders Elfwing Mönstring

3 Mål 2 Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och stress Micromolding och LIGA

4 Ytmönstring 3 Samlingsnamn på ett antal tekniker som bygger på mikromönstring av filmer pålagda på substrat. Ytmönstring ger möjlighet att lossa strukturer från substratet och därigenom göra rörliga delar. – Accelerometers – Rotors – Gyroscopes – Temperatur sensorer – Flödessensorer – Vakuum och tryck sensorer

5 Accelerometer 4

6 Tillverknings Metoder 5 Tillverkningsmetoder o CVD o Fotolitografi o Torr etsning o Våt (selektiv) etsning Processteg o Passiveringslager o Offerlager o Strukturlager

7 Creating Micro systems Freestanding structures

8 Aim Create a freestanding structures which are vital parts in e.g. accelerometers

9 1 CVD of SiO2 Base material SiO2 2 Photolitography + dry etching of SiO2 3 CVD of Si Si (polycrystalline) 4 Photolitography + dry etching of Si 5 Wet selective etching of SiO2

10 Reflections Why is it neccessary to use wet etching in the last step? Which layer is the structural layer? Which layer is the sacrificial layer?

11 Principer för ytmönstring 10 Simplest formAddition anchor

12 Material för ytmönstring 11 Strukturmaterial – Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra strukturer i – SiO 2 : Isolator, medium etshastighet i HF – Si 3 N 4 : Låg etshastighet – Polyimide – Tungsten Offer/spacer material – SiO 2 – PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet – BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet – Al

13 Selektiv etsning 12 Olika material har olika etshastigheter R – R s > R m och R i (R s =offerlager, R m =strukturmaterialet, R i = isolatormaterialet) – Kan även skilja i hastighet för horisontell och vertikal riktning Fulständig underetsning – endast våtetsning Etsmedlet kan påverka mikrostrukturern – Ex. HF påverkar polykisels mekaniska egenskaper

14 Kombinera rätt! 13 Olika kombination av etsmedel, offerlager och strukturlager

15 Adsorption (Stiction) 14 Ytenergin hos vätska kan orsakar defekter

16 Spänningar (Stress) 15 Spänningar orsakar: Buckling Delaminering Sprickbildning Effektförlust p.g.a. defekter – Ex Ökad resistans Resonansfrekvensändring i tunna filmer Med mera…

17 Spänningar 16 Intrinsic –Tillväxt orsakad –Orenheter i materialet –gitter oregelbundheter –Fas övergångar –Svällning eller torkning –Dopning –Innestängd gas Extrinsic –Termisk expansion –Icke uniform plastisk deformation Residual –Intrinsic spänning som orsakats av en pålagd kraft

18 Intrinsic Spänning 17 Intrinsic spänning är i allmänhet större än extrinsic Faktorer som påverkar intrinsic spänningar –Tjocklek (ackumulation) –Depositionshastighet (låg hastighet, låg stress) –Depositionstemperatur (högt T, hög stress: expansionskoefficienten) –Omgivande tryck (microvoids) –Depositionsmetod/Film release –Substrattyp (gitter missmatch) –Inbyggnad av föroreningar i filmen (och doping; mindre atom tensile och vice versa)

19 Tyckmätare 18

20 Mikrogjutning/micromolding Process där strukturer kan replikeras genom att använda polymera material som i visst tillstånd formar sig efter templatet. En exakt spegelbild skapas. Kostnadseffektiv teknik. Templat kan användas många gånger och gjutmaterialen är relativt billiga. Processer för gjutning som kan kombineras med mikrostrukturer: − Reaction Injection Molding − Injection Molding − Compression molding (Hot embossing) − Casting 19

21 LIGA Lithographie, Galvanoformung, Abformung

22 Aim Manufacture 3D structured polymers with extreme aspect ration by casting in templates created by photolithography and electroplating

23 Steps 1.Create template (by x-ray photo litography) 2.Electroplating 3.Release 4.Planarization 5.Abformung 6.Release

24 1 Lithography Silicon wafer X-ray mask Positive resist (typically PMMA) X-ray source

25 Material to be patterned Fotoresist 2 Electroplating Seed layer by sputtering Electroplated layer

26 Material to be patterned Fotoresist 3 Release Seed layer by sputtering Electroplated layer

27 4 Planarization

28 Finished template

29 5 ”Abformung” Polymer

30 6 Release

31 Ready structure

32 Finished polymer, compare with mask and template Polymer Template Mask

33 Reflections Why are x-rays used? Where can I find a good x-ray source?

34 LIGA 33  Tjockt lager av X-ray resist  mikro- till centimeter  Högenergi exponering och framkallning av resiststruktur  Metalldeponering i resiststrukturen  Ta bort resisten -> fristående metallstruktur  Eventuellt gjutsteg  Hög aspect ratio!

35 Resist för strukturerna 34  PMMA vanlig  Positiv resist + God processbarhet och stabilitet + Bra kontrast − Låg känslighet mot korta våglängder (2J/cm vid 8,35 Å). Kan ta mer än 90 minuter att exponera en 500 um tjockt lager av PMMA. − Känslig för Sprickbildning (speciellt för metallsubstrat)  SU-8  Negativ resist − Lägre aspect ratio + Kortare exponeringstider

36 Färdig struktur eller mall? 35

37 36

38 37

39 Microgjutning 38 Process där strukturer kan replikeras genom att använda polymera material som i visst tillstånd formar sig efter templatet. En exakt spegelbild skapas. Kostnadseffektiv teknik. Templat kan användas många gånger och gjutmaterialen är relativt billiga. Processer för gjutning som kan kombineras med mikrostrukturer: − Reaction Injection Molding − Injection Molding − Compression molding (Hot embossing) − Casting

40 Compression Molding (Hot Embossing) 39 1. Rigitt polymerlager formas efter ett templat 2. Polymerlagret värms över T g 3. Tryck anbringas (storleksordningen g till ton) 4. Kyls under T g → separation från templat Pressliknade maskin Återkommer i mjuk litografi

41 stamp molding substrateT > Tg

42 Hot embossing Machine 41

43 42

44 Hot embossing - exempel 43

45 Injection Molding (IM) 44 Injektionsbehållaren trycker in den smälta polymeren i formen. Formen Värms över T g för polymeren – men < T M – Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av små strukturer

46 Injection molding 45 Typical conditions for working with polycarbonate (PC): Glass transition temp 145°C Mold temperature 85°C Molten PC temp 330°C Clamping force 60 tons Injection time 1 s Cooling time 2 s

47 46

48 Exempel 47

49 Demolding 48 Användbara trix vid högt aspect ratio, ex LIGA Använder material med låg adhesionskraft som templat Elastiska egenskaper underlättar separationen, men minskar struktur beständigheten Mycket jämn yta på templat − Hindra form-locking Något lutande väggar underlättar separationen Release agent kan behövas − Sprayas på templatet innan avgjutning − Kemisk modifiering

50 Molding – Att tänka på 49 Avgasning Krympning Uniform mixning Fyllhastighet (stress)

51 Reaction Injection Molding (RIM) 50 Två- eller flerkomponentsystem Komponenterna bladas innan injektion, → initierar reaktionen → härdprocessen startar direkt. T.ex. upphettning eller UV-exponering kan användas för att snabba på eller starta härdprocessen Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras Blandingen aktiverar polymeriseringen

52 Casting

53 Aim Manufacture 3D structured polymers by casting in templates created by photolithography

54 Steps 1.Create template (by photo litography) 2.Casting 3.Curing 4.Release

55 1 Photo litografi (exposure + development) Fotomask Negative Fotoresist Light source Template

56 Material to be patterned Fotoresist 2 Casting

57 Material to be patterned Fotoresist 3 Curing

58 Material to be patterned Fotoresist 3 Release

59 Finished polymer, compare with mask and template Polymer Template Mask

60 Reflections What is the most obvious benefit of casting?

61 Casting 60 1.Applicering på templatet utan externa krafter − Viskositeten tillräckligt låg för att följa strukturerna 2.Härdning med värme eller UV 3.Separering från templat − Behandling av templatet kan vara nödvändig för separation  Yttre ytan svår kontrollerbar (ev sandwich- struktur  Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS

62 www.liu.se LIGA, molding, compression molding, injection molding, offerlager, passiveringslager, strukturlager Ordlista