PROCEDEUL LIGA Pentru obinerea microstructurilor metalice i din polimeri, dezvoltate n spaiu, pe 2 1/2axe i pe 3 axe, cu raport mare ntre nlimea i dimensiunea lor n plan, a fost fcut cunoscut, nanul 1980, procedeul LIGA. Cel care a comunicat apariia acestui nou procedeu de lucru a fostWolfgang Ehrfeld, de la Centrul de Cercetri Nucleare din Karlsruhe. Prima realizare a fost ominicentrifug pentru separarea izotopilor de uraniu, din nichel, a crei dimensiune minim n plan era de 5 m i avea o nlime de 300 m.Numele procedeului este un acronim al denumirilor n limba german ale metodelor delucru pe care se bazeaz procedeul: Lithographie, Galvanoformung, Abformung (litografie,galvanoplastie, modelare/turnare).Procedeul i-a gsit numeroase aplicaii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile i prismedin PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice i roi dinate dinnichel formate pe un substrat separat i asamblate ulterior cu arborii, prisme hexagonale dinnichel - adaosuri metalice pentru materiale compozite, duze pentru tragerea fibrelor din materiale plastice, microturbine din nichel sau cupru - cu fibr optic integrat pentru msurarea turaieiturbinei, micromotoare magnetice, micromotoare electrostatice, mti metalice pentrustructurarea n plasm a suprafeelor asferice nanometrice. 1.Descrierea procedeului pentru structuri spatiale 2 1/2D si 3D Procesul tehnologic schematic de obinere a microstructurilor prin procedeul LIGArezult din fig.1.Spre deosebire de procesele de microstructurare superficial a siliciului, pe care s-au bazatcelelalte prelucrri micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimea stratului de rezistcorespunde cu nlimea dorit a microstructurii, deci va fi de cteva sute de micrometri;substratul se prefer a fi metalic, iar daca este un dielectric sau semiconductor - el va fi acoperitnainte cu un strat metalic subire care s-i confere proprieti conductive; rezistul utilizat estePMMA (denumirea comercial: PLEXIGLAS); masca prin intermediul creia este configuratstratul de rezist este de o construcie special, astfel nct s aib caliti absorbante sautransparente pentru radiaia utilizat; radiaia X sincrotronic folosit, de lungime de und 0,1...2nm are calitatea de a fi foarte puternic - pentru a putea aciona pe ntreaga grosime foarte mare arezistului, are o divergen foarte mic apreciat la ~5 mrad (practic, radiaia este paralel) iaceasta permite obinerea pereilor verticali de mare nlime (de altfel -litografia cu radiaiesincrotronic poart i numele de "litografie adnc").Zonele expuse radiaiei X vor deveni uor solubile n developant, deci PMMA lucreazaca un rezist pozitiv.

Figura 1 Etapele de expunere i developare(fig.1 a) reprezint faza de LITOGRAFIE.Utiliznd depunerea galvanic rezult un profil negativ al formei obinute din rezist; se poate depune cupru, nichel, aur sau orice alt metal; depunerea este selectiv i se face pesubstratul conductiv neacoperit de configuraia din rezist. Dac grosimea stratului metalic depuseste inferioar grosimii stratului de PMMA, dup ndeprtarea rezistului se obine microstructurametalic unicat. Dac depunerea galvanic continu pn la acoperirea complet a modelului dePMMA, se obine o form cu goluri reprezentnd negativul modelului. Rigiditatea formeidepinde de grosimea stratului metalic care acoper modelul. Aceasta este etapa deGALVANIZARE.In continuare, prin aplicarea unei plci de injectare prin reeaua creia se poate injectamaterial plastic, se pot obine rapid i ieftin numeroase copii din polimeri; este faza deMODELARE/TURNARE/INJECTARE.Poate urma o a doua GALVANIZARE care va copia - n negativ - profilul structurilor din polimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalic de turnare, acoperit n prealabil cu unstrat de separare, va servi drept electrod, iar depunerea galvanic va reprezenta copiaindependent metalic.Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice; se obinastfel piese unicat a cror desprindere de pe

model se va face prin distrugerea acestuia.Pentru obinerea microstructurilor 3D exist mai multe variante (fig.1 b, c, d, e) care sedeosebesc ntre ele prin etapa de expunere. Radiaia X poate fi nclinat cu unghiuri diferite fade suprafaa rezistului, poate fi rotit sau expunerea se poate face secvenial -n fiecare secvenfolosindu-se cte o masc cu configuraii diferite. 2. Masca pentru radiatie X sincrotronica Masca pentru radiaie X sincrotronica are trei componente distincte:- un suport cu ct mai mare transparen la radiaia X, de grosime ct mai mic i care s poat fi obinut sub form de membran subire;- pentru asigurarea contrastului e necesar un material absorbant care s poat avea ogrosime ct mai mare, fr ca precizia conturului configuraiei s fie afectat;- o ram care s asigure rigiditatea mecanic necesar poziionrii, centrrii i schimbriiautomate a mtii.Dintre materialele suport care ndeplinesc condiiile de mai sus se utilizeaz siliciul ititanul, dar pentru motive de stabilitate dimensional se recomand, de asemenea, beriliul initrura de bor. Grosimile de membran care asigur transparen de 90% a radiaiei sincrotronicecu lungimea de und X=0,53 nm sunt urmtoarele: beriliu - 19 m, nitrur de bor - 6,7 m, siliciu- 0,55 m, titan - 0,45m.Ca material absorbant se recomand aur, wolfram sau tantal. Capacitatea absorbanteste apreciat prin raportul ntre densitatea de putere a radiaiei rezultat la trecerea prin zonatransparent i prin zona opac; acest raport trebuie s depeasc valoarea 1000 pentru ca mascas fie considerat a avea contrast suficient. Grosimile uzuale sunt de ~ 17 m - pentru aur i ~ 18m - pentru wolfram.Principalele etape ale tehnologiei de realizare a mastii pentru procedeul LIGA sunt:-obtinerea suportuluistructura stratului de resist pentru masca intermediara-depunderea galvanica a structurii absorbante-copierea mastii intermediare pe masca de lucru Rama care sustine suportul structurii absorbante sau membrane transparenta la raze X, poate fi confectionata din INVAR (aliaj cu 18% Co, 28% Ni, 54% Fe) si este formata odata cusuportul, printr-o succesiune de operatii cunoscuta (prelucrarea mecanica a semifabricatuluimasiv din INVAR pana la obtinerea rugozitatii Ra=0.25 m, aplicarea stratului support,corodarea partiala a grosimii ramie pentru a mentine un perete de 1 mm cu rol de rigidizare,structura stratului de resist, depunerea galvanica selectiva a structurii absorbante, indepartarearezistului, corodarea completa a peretului INVAR)

Fig.2 arata etapele de realizare a membranei suport dintitan, prin transfer. Un strat de carbon de slaba aderenta la placheta de siliciu este depus selectiv prin procedeul CVD,astfel incat marginea plachetei sa ramana libera (a); prin pulverizare catodica se depune un strat de 2-3 m grosime, dintitan materialul suportului mastii, avand o buna aderenta lamarginea plachetei de siliciu (b); placheta este lipita cu unadeziv pe rama (c); printr-o usoara indoire a plachetei desiliciu se asigura desprinderea membranei (d); prin corodareuscata in plasma de oxigen se inlatura stratul intermediar decarbon (e). Realizarea mastii intermediare este prezentata schematic in fig.3 . Pentru configurareastructurii absorbante se foloseste litografia cu fascicul de electroni.Fig. 3a : suportul este o placheta de siliciu corodata partial in zona viitoarei membrane pana la o grosime de 2 m. Marginea plachetei poate fi aplicata pe o placa de sticla, pentru ausura manipularea. Se depun straturi de aderenta si de amorsare a depunerii galvanice. Grosimeastratului de resist de baza nu depaseste grosimea uzuala la litografia optica sau la litografiaelectronica 1500 nm. Stratul metalic intermediar are rolul de a fi purtatorul profilului structuriide rezist de baza in care se va depune galvanic absorbantul radiatiei sincrotronice; acesta poate safie ,de exemplu nichel, si va fi depus autocatalytic. Pentru configurarea stratului deelectronorezist PMMA se utilizeaza expunerea prin baleiere cu fascicul de electroni.

Se obtine fig. 3- o masca de PMMA care vacontribui la configurarea stratului metalic intermediar, princorodare anizotropa in plasma reactiva CHF3. Stratul intermediar metalic foloseste ca masca pentrustructurarea stratului de rezist de baza, cu grosimea de 1500m prin corodarea reactiva in plasma de oxigen; el va constituiforma de depunere galvanica a structurii absorbante.Fig. 3c : structura absorbanta din aur se depundegalvanic intr-o grosime de 1 m.Fig 3d :

prin dizolvarea modelului de rezist seindeparteaza si stratul intermediar metalic , iar ceea ce seobtine este masca intermediara necesara litografiei cu raze X. Masca de lucru are o structura asemanatoare mastii intermediare, cu deosebirea castructura absorbanta are o inaltime mult mai mare (10- 20 m)Succesiunea principalelor etape (fig. 4) aratamodul de transpunere a profilului mastii intermediare instratul gros de PMMA prin radiatie sincrotronica.Membrana mastii de lucru poate fi obtinuta prin transfer procedeu descris mai sus.Structura stratului gros de PMMA se face printr-o succesiune de expuneri si developari repetate.Grosimea maxima ce poate fi structurata la o expunereeste de 100 m.Pentru diminuarea factorului de imprecizie seutilizeaza opritoare atasate ramei mastii intermediare,care trebuie sa vina de fiecare data in contact cuopritoarele ramie mastii de lucru; precizia de pozitionare obtinuta este sub 0.2 m, cu conditia ca temperature din spatiul de lucru sa fie riguroscontrolata.Aplicare unui strat uniform si de grosime mare pana la 1 mm de rezist se face printurnarea si uniformizarea prin laminare a unui monomer urmata de polimerizarea acestuia latemperature inalta, sau la temperature camerei daca I se adauga un initiator de polimerizare; inurma polimerizarii MMA trece in PMMA.Pentru asigurarea aderentei stratului de PMMA la membrane suport de Ti, astfel incatmodelul sa nu se desprinda de suport la mentinerea indelungata in baia de galvanizare, serecomanda crearea unor ancose mecanice la suprafata stratului de titan prin oxidarea umedasuperficiala a acestuia, pe 30-40 m, prin cufundare intr-o solutie de hidroxid de sodiu si peroxid. 3.Microgalvanizarea Celula de microgalvanizare (fig 5) trebuie saasigure depunerea metalului in cele mai ingusteadancituri; de aceea anodul va fi format din bile denichel depolarizate introduse intr-un cos; catodul va firotit continuu, iar electrolitul continuu filtrat.Diagrama foloseste pentru uniformizarea densitatii decurent. Se mai pot depune, prin microgalvanizare: aur ( masti necesare procedeului LIGA), cupru(microbobine). Aliaje nichel-cobalt ,aliaje fier-nichel(micromotoare electromagnetice).Microstructura metalica astfel obtinuta poatefi utilizata ca atare sau poate constitui forma in careva fi injectat sau preset polimerul unor viitoaremicrostructuri dintr-un asemenea material.La realizarea formei de presare sau injectare cu rigiditate sporita se va proceda asa cumrezulta din fig 6.Pe o placa de baza, care ulterior va fisacrificata, este realizata microstructura din rezist(PMMA) prin litografie adanca cu radiatie Xsincrotronica.(fig 6a)Utilizand placa de baza drept electrod , seobtine negativul metalic din nichel al mictrostructuriidin rezist (fig 6b).Depunerea continua pentru a forma o placametalica groasa de 5 mm menita sa rigidizezemictrostructurile metalice. Intre etapele b si c regimulde depunere va diferi prin densitatea de curent, careinsa

nu trebuie sa duca la inducerea unor tensiuniinterne deoarece ar putea compromite legatura dintremicrostructura metalica si placa de rigidizare.

Prelucrarea mecanica finala trebuie sa micsoreze abaterile de planeitate ale placii de rigidizare(fig 6c).Rugozitatea si abaterile de planeitate ale partii posterioare a formei ar putea afectadimensiunile si forma mictrostructurii din material plastic pentru ca, la contactul cu placa de otela masinii de injectare (fig 6c), forma se poate deforma.Exista si posibilitatea netezirii suprafetei depuse de nichel prin adaugarea in baia dedepunere a unui agent de netezire care este un produs organic. Dezavantajul acestui process provine din faptul ca afentul de

netezire este retinut la filtrarea electrolitului prin carbune active,deci compozitia electrolitului trebuie refacuta dupa filtrarea prin carbune activ.Placa de baza este indepartata prin prelucrare mecanica, pentru a elibera microstructurade rezist (fig 6d). Indepartarea placii se poate face si fara a o sacrifice, daca inaintea procesului delitografiere se aplica pe placa de baza un strat care sa reduca aderenta la suprafata sa si care va fiindepartat in faza d prin dizolvare selectiva dupa tehnica straturilor de sacrificiu. Prelucrareamecanica ar putea fi necesara ulterior indepartarii placii de baza numai in masura in carerugozitatea sa initiala nu asigura rugozitatea si planitatea impusa placii de formare.Microstructura de rezist este indepartata prin dizolvare sau corodare uscata (fig 6e). 4.Microinjectarea Polimerii utilizati pentru obtinerea microstructurilor pot fi:- termorigizi (Poliuteran UP)- termoplastici (Policlorura de vinil PVC, Acrilonitril- butadienstiren ABS.Polimetilmetacrilat PMMA)Instalatiile de injectare sau presare folosite pentru etapa de formare a microstructurilor din polimeri nu se deosebesc de cele clasice, ci numai de ciclul de lucru adaptat raportului foartemare intre adancimea structurii h si dimensiunea sa minima transversala dmin. Daca la discurile compacte (unde h=0.1 m iar dmin=0.6 m) raportul h/d=0.16 lastructurile micromecanice obtinute prin procedeul LIGA acest raport este cu doua ordine demarime mai mare h/d=50.De aceea, temperature formei este mai mare decat la procesele obisnuite de injectare simentinuta tot timpul formarii la o valoare cu 70C inferioara temperaturii de topire a polimerului. Aceasta face ca timpul de umplere a formei sa creasca, iar viteza de injectare sascada.Ciclul de lucru al masinii de injectat cu melc evolueaza dupa schema reprezentata in fig7. Reducerea vitezei de deplasare a melcului in intervalul tn1 si tn2 fata de momentul initial, ca sivariatia de presiune in aceleasi intervale, asigura umplerea completa a formelor celor maicomplicate si cu raport mare h/d. 5.Aplicatii ale procedeului LIGA - Microbobine Microbobinele (fig 8) sunt din cupru. Pentru a preveni scurtcircuitarea, infasurareatrebuie realizata pe un substrat isolator(placa ceramica sau placheta de siliciu) pe care mai esteaplicat un strat isolator (Si3N4 de exemplu) si apoi un strat metalic (de obicei titan). Dupa etapelede litografie adanca cu radiatie X sincrotronica si galvanizare urmata de dizorvarea formei dePMMA, este indepartat stratul de titan dintre spirele bobinei prin corodare uscata sau chiar umeda; la corodarea umeda timpul de corodare trebuie controlat pentru a se evita pericolul corodarii si al stratului de titan de sub spire. Controlul procesului de corodare este asigurat demasurarea inductivitatii bobinei si intreruperea procesului la atingerea valorii proiectate.Daca asemenea microstructuri trebuie realizate pe suprafetele

deja procesate ale placheteide siliciu si pentru a evita deteriorarea acestora , se poate proceda la aplicarea unui procedeu decurand facut cunoscut: realizarea structurilor metalice prin imprimare (fig 8b).Se aplica un strat de monomer care prin polimerizare trece intr-un polimer thermoplastic,de exemplu PMMA(fig 8b1). Dupa intarire se incalzeste toata placheta pana la temperatura deinmuiere a polimerului 160C pentru PMMA, cand forma pregatita prin litografie adanca, esteimprimata pein presare in stratul vascos, pana la o oarecare distanta de stratul metalic. Se raceste pana la 80C, dupa care forma este indepartata (fig 8b2). Stratul isolator ramas este indepartat prin corodare in plasma reactiva (RIE) de oxigen. Dirijarea perpendiculara a ionilor pe substrateste importanta pentru a nu modifica grosimea structurii. Inaltimea formei trebuie astfel proiectata incat sa fie compensate corodarea ei si in planul superior (fig8 b3).Stratul de descoperit de titan va reprezenta catodul de galvanizare selective pentruformarea micreostructurii metalice. Forma de PMMA este indepartata prin corodare umedaselective(fig 8b4). Izolarea electrica intre spirele bobinei este realizata prin corodarea in plasmareactiva de argon sau corodare umeda. Legaturile electrice cu placheta de siliciu, in etapa de procesare a siliciului sunt asigurate prin deschiderea in stratul izolator de Si3N4 a zonelor deconectare , utilizand procesele fotolitografice (fig 8 b5).