Anders Elfwing Mönstring

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

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

Accelerometer 4

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

Creating Micro systems Freestanding structures

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

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

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?

Principer för ytmönstring 10 Simplest formAddition anchor

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

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

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

Adsorption (Stiction) 14 Ytenergin hos vätska kan orsakar defekter

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

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

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)

Tyckmätare 18

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

LIGA Lithographie, Galvanoformung, Abformung

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

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

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

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

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

4 Planarization

Finished template

5 ”Abformung” Polymer

6 Release

Ready structure

Finished polymer, compare with mask and template Polymer Template Mask

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

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!

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

Färdig struktur eller mall? 35

36

37

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

Compression Molding (Hot Embossing) 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

stamp molding substrateT > Tg

Hot embossing Machine 41

42

Hot embossing - exempel 43

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

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

46

Exempel 47

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

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

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

Casting

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

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

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

Material to be patterned Fotoresist 2 Casting

Material to be patterned Fotoresist 3 Curing

Material to be patterned Fotoresist 3 Release

Finished polymer, compare with mask and template Polymer Template Mask

Reflections What is the most obvious benefit of casting?

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

LIGA, molding, compression molding, injection molding, offerlager, passiveringslager, strukturlager Ordlista