Procedeul LIGA

Numele procedeului este un acronim al denumirilor in limba germana ale metodelor de lucru pe care se bazeaza procedeul: L i t h o g r a p h i e , G a l v a n o f o r m u n g , Abformung (litografie, galvanoplastie, modelare/turnare).Procedeul si-a gasit numeroase aplicatii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile si prisme din PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice siroti dintate din nichel formate pe un substrat separat si asamblate ulterior cu arborii, p r i s m e h e x a g o n a l e d i n n i c h e l , d u z e p e n t r u t r a g e r e a f i b r e l o r d i n m a t e r i a l e p l a s t i c e , microturbine din nichel sau cupru cu fibra optica integrata pentru masurarea turatieiturbinei, micromotoare magnetice, micromotoare electrostatice.

*Descrierea procedeului pentru structuri spatiale 2 1/2D si 3DProcesul tehnologic schematic de obtinere a microstructurilor prin procedeulLIGA rezulta din figura 3.1.Spre deosebire de procesele de microstructurare superficiala a siliciului, pe care s-au bazat celelalte prelucrari micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimea stratului de rezist corespunde cu inaltimea dorita a microstructurii, deci va fi de catevas u t e d e m i c r o m e t r i ; substratul se prefera a fi metalic, iar daca este un dielectric s a u semiconductor el va fi acoperit inainte cu un strat metalic subtire care sa-i confere p r o p r i e t a t i c o n d u c t i v e ; r e z i s t u l u t i l i z a t e s t e P M M A ( d e n u m i r e a c o m e r c i a l a : PLEXIGLAS); masca prin intermediul careia este configurat stratul de rezist este oconstructie speciala, astfel incat sa aiba calitati absorbante sau transparente p e n t r u radiatia utilizata; radiatia X sincrotronica folosita, de lungime de unda 0,1..2 nm arecalitatea de a fi foarte puternica.Zonele expuse radiatiei X vor deveni usor solubile in developant, deci PMMAlucreaza ca un rezist pozitiv.Etapele de expunere si developare reprezinta faza de LITOGRAFIE.Utilizand depunerea galvanica rezulta un profil negativ al formei obtinute dinrezist: se poate depune cupru, nichel, aur sau orice alt metal; depunerea este selectiva sise face pe substratul conductiv neacoperit de configuratia din rezist. Rigiditatea formeid e p i n d e d e g r o s i m e a s t r a t u l u i m e t a l i c c a r e a c o p e r a m o d e l u l . A c e a s t a e s t e e t a p a d e GALVANIZARE.In continuare, prin aplicarea unei placi de injectare prin reteaua careia se poateinjecta material plastic, se pot obtine rapid si ieftin numeroase copii din polimeri; este faza de MODELARE/TURNARE/INJECTARE.

Poate urma o a doua galvanizare care va copia in n e g a t i v p r o f i l u l structurilordin polimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalica de turnare, acoperita in p r e a l a b i l c u u n s t r a t d e s e p a r a r e , v a s e r v i d r e p t e l e c t r o d , i a r d e p u n e r e a g a l v a n i c a v a reprezenta copia independenta metalica.Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice;se obtin astfel piese unicat a caror desprindere de pe model se va face prin distrugerea acestuia.

Pentru obtinerea microstructurilor 3D exista mai multe variante care se deosebesc intre ele prin etapa de expunere.

** Masca pentru radiatie X sincrotronica

Masca pentru radiatie X sincrotronica are trei componente distincte: - u n s u p o r t c u r a d i a t i a X ; - u n m a t e r i a l m a r e ; - o r a m a c a r e m e c a n i c a ; c a t m a i m a r e c u t r a n s p a r e n t a g r o s i m e a c a t l a m a i

a b s o r b a n t s a

a s i g u r e

r i g i d i t a t e a

Dintre materialele suport care stabilesc conditiile de mai sus se utilizeaza siliciulsi titanul, sau beriliul si nitrura de bor.

Ca material absorbant se recomanda aur, wolfram sau tantal. Structura absorbanta poate fi obtinuta prin procedee substractive sau aditive (lift-off).Principalele etape ale tehnologiei de realizare a mastii pentru procedeul LIGAsunt :- o b t i n e r e a s u p o r t u l u i ; -structurarea stratului de rezist pentru masca intermediara; - d e p u n e r e a g a l v a n i c a a s t r u c t u r i i a b s o r b a n t e ;

- c o p i e r e a m a s t i i i n t e r m e d i a r e p e m a s c a d e l u c r u . Rama, care sustine suportul structurii absorbante sau membrana transparenta laraze X, poate fi confectionata din INVAR(aliaj cu 18% Co, 28% Ni, 54% Fe) si esteformata o data cu suportul.M a s c a d e l u c r u e s t e o s t r u c t u r a a s e m a n a t o a r e m a s t i i i n t e r m e d i a r e c u s i n g u r a deosebire ca structura absorbanta are o inaltime mult mai mare(aproximativ 10..20 m).S u c c e s i u n e a etapelor arata modul de transpunere a profilului mastii intermediare i n stratul gros de PMMA.3.3 Depunerea galvanica pentru obtinerea microstructurilor Stratul gros de PMMA depus si developat poate c o n s t i t u i e l i n s u s i o microstructura din polimer.Oricare ar fi destinatia depunerii, dificultatile ridicate de microgalvanizare sunturmatoarele: - a d e r e n t a i n s u f i c i e n t a c a r e a r p u t e a d u c e l a d e s p r i n d e r e a microstructurilor; -depunerile metalice sunt favorizate de slaba a d e r e n t a s i m o d i f i c a dimensiunile si profilul microstructurii; -tensiunile interne dus la deformarea microstructurii; - l i p s a d e u n i f o r m i t a t e a s t r a t u l u i d e p u s -raportul foarte mare intre inaltimea si latimea m i c r o s t r u c t u r i i f a c e ca depunerile metalice in canalele f o a r t e i n g u s t e s a n u f i e uniforme ; -degajarea hidrogenului in timpul depunerii f a v o r i z e a z a f o e m a r e a structurilor poroase sau chiar structuri incompleteMetalul din care se realizeaza cel mai adesea microstructurile prin procedeulLIGA este nichelul.

***Celula de microgalvanizareCelula de microgalvanizare trebuie sa asigure depunerea metalului in cele maii n g u s t e a d a n c i t u r i . S e d e p u n e p r i n m i c r o g a l v a n i z a r e aur(masti necesare LIGA),c u p r u ( m i c r o b o b i n e ) , a l i a j e nichel-cobalt, aliaje fier-nichel ( m i c r o m o t o a r e electromagnetice).La realizarea formei de presare sau injectare cu rigiditate sporita se va procedaastfel: - pe o placa de baza este realizata microstructura din rezist (PMMA) p r i n l i t o g r a f i e adanca cu radiatie X sincrotronica (a);

- se obtine negativul metalic din nichel (b); - prelucrarea mecanica finala trebuie sa micsoreze abaterile de p l a n e i t a t e a l e p l a c i i rigidizate (c);

-degajarea hidrogenului in timpul depunerii f a v o r i z e a z a f o e m a r e a structurilor poroase sau chiar structuri incomplete. Metalul din care se realizeaza cel mai adesea microstructurile prin procedeulLIGA este nichelul.

-

Placa de baza este indepartata prin prelucrare mecanica, pentru a elibera microstructuradin rezist (d); - microstructura din rezist este indepartata prin dizolvare sau corodare uscata (e).

*****Microinjectarea

Polimerii utilizati pentru obtinerea microstructurilor pot fi: - t e r m o r i g i z i ( P o l i u r e t a n U P ) ; t e r m o p l a s t i c i ( P o l i c l o r u r a d e v i n i l P V C , A c r i l i n i t r i l A B S , Polimetilmetacrilat PMMA) Instalatiile de injectare sau presare folosite pentru e t a p a d e f o r m a r e a microstructurilor din polimeri nu se deosebesc de cele clasice, ci nuami ciclul de lucrueste adaptat raportului foarte mare intre adancimea structurii si dimensiunea sa minimatransversala.

******Aplicatii ale procedeului LIGA

Procedeul LIGA se refera exclusiv la structuri a caror inaltime depaseste 100msi ajunge la 1 mm, si care au nevoie, in etapa de litografiere, de radiatie X sincrotronica. Reproducerea microstructurilor spatiale Pentru obtinerea matritelor in vederea multiplicarii discurilor audio, compact-discurilor, a video-discurilor etc. Stratul de lac fotosensibil (lac acrilic sau rasina epoxidica) este uniformizat prin presare cu substratul. La expunere in UV lacul va polimeriza si se va intari, preluand profilul suprafetei cu care a venit in contact; rezulta astfel copia in negativ a originalului.

Matrite de multiplicare a discurilorPentru obtinerea matritelor de multiplicare a discurilor de pick-up si a discurilor cu citire optica se porneste de la un model diferit dar este urmata aceeasi sucesiune deoperatii. La discurile de citire optica modelul este format dintr-un suport de sticla polisataacoperit cu un strat de lac fotosensibil.Inregistrarea se face cu un laser de argon cu =458nm, al carui spot este focalizat pe suprafata lacului fotosensibil.Lacul fotosensibil este pozitiv, deci prin expunere devine solubil in developant;aceasta a fost etapa de litografie utilizand expunere cu fascicul laser.3 .

Componente din PMMAPMMA rezistul folosit in procesul LIGA are si proprietati optice (PLEXIGLAS);d e aceea a fost folosit si pentru obtinerea microlentilelor, m i c r o p r i s m e l o r s i a a l t o r component.

Membrane metaliceMembranele metalice cu grosimi de 5..500m, cu orificii de diferite forme sid i m e n s i u n i , c o n f e c t i o n a t e d i n m e t a l e p u r e , s u n t p r o d u s u l i d e a l p e n t r u a p l i c a r e a procedeului LIGA.P e n t r u p i e s e m e t a l i c e c u p r o f i l c o m p l e x i n p l a n s i g r o s i m i c u p r i n s e i n t r e 5 s i 300m (discuri incrementale metalice, masti pentru depuneri, saibe elastice de contact,lamele de contact etc.) poate fi utilizat procedeul clasic de galvanoplastie.

MicrobobineMicrobobinele sunt din cupru. Infasurarea trebuie realizata pe un strat izolator p e n t r u a i m p i e d i c a s c u r t c i r c u i t a r e a . D u p a e t a p e l e d e litografie adanca cu radiatie Xsincrotronica si galvanizare urmata de d i z o l v a r e a f o r m e i d e P M M A , e s t e i n d e p a r t a t stratul de titan dintre

spirele bobinei prin corodare uscata sau chiar umeda. Controlulcorodarii bobinei este asigurat prin masurarea inductivitatii bobinei.

Microstructuri metalice mobileMicrostructurile se impart in doua mari categorii:- m i c r o s t r u c t u r i c o m p l e t i n d e p e n d e n t e c a r e s u n t a s a m b l a t e i n micromecanisme;- m i c r o s t r u c t u r i l i b e r e l a u n u l d i n c a p e t e s i f i x a t e c u c e l a l a l t c a p a t la substartPrincipala tehnica pe care se bazeaza tehnologia acestor microstructuri metalicemobile este aceea a starturilor de sacrificiu.Substartul pe care sunt ele construite se recomanda sa fie izolator : o placheta desiliciu acoperita cu un strat izolator sau o pacheta de ceramica. Pe suprafata suportului sedepune, prin evaporare termica in vid sau pulverizare, un strat metalic care va trebui saserveasca drept electrod, la depunerea galvanica.Stratul e sacrificiu trebuie sa indeplineasca mai multe cerinte: - b u n a c a p a c i t a t e d e c o n f i g u r a r e ; -buna aderenta la rezistul utilizat pentru l i t o g r a f i a a d a n c a c u r a z a X; - b u n a a d e r e n t a l a s t r a t u l g a l v a n i c ; - b u n e c a l i t a t i d e i n i t i e r e a d e p u n e r i i ; - c a p a c i t a t e a d e a f i u s o r s a c r i f i c a t .

Micromotor magnetic planarMicromotorul magnetic planar este un exemplu de constructie hibrida la care polii statorului, arborele rotorului si arborii rotilor dintate sunt realizati din nichel direct31 pe substrat; rotorul si rotile dintate sunt realizate din nichel ca structuri independente; inurma asamblarii rezulta microstructura completa .

MicroturbinaMicroturbina este confectionata odata cu locasul fix in care ea se roteste, ca siarborele care o centreaza, prin tehnica straturilor de sacrificiu. Pentru a reduce frecarea dintre arbore si corpul turbinei, alezajul acesteia poate ficonfigurat astfel incat sa se realizeze un lagar de alunecare cu aer. Elemente elastice de asamblare

Elementele elastice de asamblare pot fi confectionate din nichel, pentru fixareaf i b r e l o r o p t i c e s a u m i c r o c o n t a c t e . E l e m e n t u l e l a s t i c e s t e e l i b e r a t d e s u p o r t p r i n construirea lui pe un strat de sacrificiu. Intreaga inaltime a microstructurii este de 70m.

Structuri obtinute prin tehnici de lucru combinateMinireductorul utilizat in ceasornicarie este un ansamblu obtinut din componenterealizate cu tehnici foarte variate.Pinionul si roata dintata sunt obtinute prin prelucrari mecanice de precizie si apoiasamblate in lagare de safir. Diametrele fusurilor sunt de 160 si 100m.Micromotorul este realizat in doua variante: cu rotor rigid si cu rotorflexibil.