Micro y nanoprocesamiento | Procesado fino MEMS

1.6 Tecnología de la capa de sacrificio

La tecnología de capa de sacrificio también se conoce como tecnología de capa de separación. En la tecnología de capa de sacrificio, se forma un microcomponente sobre un sustrato de silicio mediante deposición química de vapor, se añade una capa separadora al vacío que rodea al componente y, por último, se elimina la capa separadora mediante disolución o grabado para separar el microcomponente del sustrato.

1.7 Epitaxia

El crecimiento epitaxial es una de las herramientas más importantes del micromecanizado. Se caracteriza por el hecho de que la capa epitaxial puede mantener la misma orientación cristalina que el sustrato, lo que permite llevar a cabo diversas distribuciones transversales y longitudinales de dopaje y procesos de grabado en la capa epitaxial para producir diversas estructuras.

1.8 Tecnología LIGA y cuasi-LIGA

(1) Tecnología LIGA

La técnica LIGA fue desarrollada por primera vez por el Centro Alemán de Investigación de Física Nuclear de Karlsruhe y está reconocida como una nueva técnica de microfabricación tridimensional. El paso más importante es la producción de máscaras de alta precisión, y el más importante, la litografía mediante una fuente de radiación sincrotrón, generada por un acelerador magnético de electrones con una longitud de onda de 0,2 a 0,6 nm y que produce rayos con alta densidad de energía y paralelismo.

Debido a la capacidad de penetración profunda de los rayos X, la litografía de rayos X puede producir micromáquinas de hasta 1 mm de altura con dimensiones periféricas en el rango de micras o submicras, un rango de tamaño que sólo puede conseguirse con la alta energía de las fuentes de radiación sincrotrón.

Para crear estructuras con voladizos, se ha desarrollado la tecnología LIGA de capa de sacrificio. La tecnología LIGA de capa de sacrificio es un importante método micromecánico para la fabricación de micromotores y microsensores, para la fabricación de microestructuras con voladizos y para la conexión de circuitos microelectrónicos.

Las limitaciones de la técnica LIGA son la necesidad de utilizar fuentes de rayos X de sincrotrón, el largo tiempo de procesamiento, la complejidad del proceso, el elevado coste y la dificultad de crear microestructuras con superficies curvas.

(2) Tecnología Quasi-LIGA

La tecnología LIGA tiene algunas ventajas únicas en cuanto a la amplia gama de materiales procesados y la gran precisión, pero también presenta algunos de los inconvenientes antes mencionados. Para superar los inconvenientes de LIG-

Un proceso de deficiencias tecnológicas, investigación internacional sobre tecnología cuasi LIGA, como la tecnología cuasi LIGA de silicio, litografía profunda UV, estereolitografía UV, tecnología LIGA láser, etc.

① Tecnología cuasi-LIGA de silicio. Proceso de grabado profundo en lugar de litografía profunda de rayos X de sincrotrón, seguido de posterior microelectroformado y

El proceso de microcopia, que no requiere costosas fuentes de luz de sincrotrón ni placas de máscara LIGA especiales. Mediante el uso de equipos de grabado por plasma de acoplamiento inductivo (ICD: induc-tively coupled plasma) para el grabado de plástico o silicio de alta relación de aspecto, la fundición microeléctrica directamente a partir de obleas de silicio, moldes metálicos y, a continuación, procesos de microcopia, se puede lograr una producción de gran volumen de dispositivos micromecánicos. Esta tecnología permite la fabricación de microestructuras con elevadas relaciones de aspecto en materiales distintos del silicio y una mayor compatibilidad con la tecnología microelectrónica. Este sistema se caracteriza por el uso de SF6 como principal gas de grabado y no requiere procesos de postratamiento. Esta tecnología de grabado de alta relación de aspecto supone un gran paso adelante en la aplicación de la micromecánica del silicio y permite fabricar estructuras de molde de alta relación de aspecto que antes sólo eran posibles con la tecnología LIGA.

② Tecnología LIGA láser. Se utilizan láseres excímeros a 193 nm para ablacionar directamente fotorresistencias de PMMA en lugar de la litografía de rayos X. Como el láser excímer requiere la sustitución periódica del gas de trabajo, el consumo de gas es elevado y requiere un mantenimiento frecuente, lo que también puede afectar al proceso de producción. El láser de estado sólido YAG puede utilizarse para producir un láser ultravioleta lejano de frecuencia cuádruple mediante cristales KTP y BBO para evitar las deficiencias mencionadas de los láseres de excímeros, que son capaces de funcionar a largo plazo y tienen una calidad litográfica más estable y fiable.

1.9 Técnicas especiales de microfabricación

(1) Micro EDM

El principio de la microelectroerosión no difiere fundamentalmente del de la electroerosión ordinaria. La clave de la microelectroerosión es la fabricación del microeje (electrodo de herramienta), la fuente de alimentación de descarga de microenergía, la microalimentación servo del electrodo de herramienta, la detección del estado de mecanizado, el control del sistema y el proceso de mecanizado. Dado que los microelectrodos son extremadamente difíciles o imposibles de producir, no resulta práctico utilizar el método tradicional de electroerosión para el microcontorneado 3D, por lo que se ha empezado a explorar el uso de electrodos de formas sencillas para la electroerosión de microcontorneado 3D mediante fresado CNC. Con la aplicación de la tecnología de microelectroerosión, ahora se pueden mecanizar microejes con un diámetro de 2,5 μm y microagujeros con un diámetro de 5 μm, y se pueden fabricar micromoldes para automóviles con una longitud de 0,5 mm, una anchura de 0,2 mm y una profundidad de 0,2 mm. Pueden fabricarse microengranajes con un diámetro de 0,3 mm y un módulo de 0,1 mm.

(2) Tratamiento electrolítico microfino

El mecanizado electrolítico es una técnica de fabricación que utiliza el principio de disolución electroquímica del ánodo metálico para eliminar material en forma de disolución iónica, lo que hace posible el mecanizado electrolítico para la microfabricación. La necesidad de un gran espacio de procesamiento es uno de los principales factores que limitan la precisión del procesamiento electrolítico. Si el espacio de procesamiento pudiera reducirse significativamente, la precisión del procesamiento mejoraría notablemente y aumentaría la posibilidad de microfabricación mediante electrólisis. Reduciendo la tensión de mecanizado y la concentración de electrolito, se ha logrado controlar la brecha de mecanizado a menos de 10μm. El uso de microalimentadores y electrodos de microtubos metálicos se ha utilizado para producir una capa de níquel de 0,2 mm.Se mecanizó un pequeño orificio de 0,17 mm en la placa.

El mecanizado electrolítico también se utiliza en el acabado de piezas de ejes finos. De forma similar al rectificado EDM de microelectrodos de alambre, se utiliza un alambre metálico móvil como cátodo y se pulveriza un electrolito entre el eje del ánodo y el alambre del cátodo para producir microcorrosión electroquímica en la superficie del eje. Este método ha logrado buenos resultados en el pulido de pequeños ejes de decenas de micras de diámetro.

La gama de tamaños que abarca la microfabricación electrolítica es mucho mayor que los diminutos tamaños que se consiguen con la microfabricación de silicio y la tecnología LIGA.

(3) Tratamiento microfino por ultrasonidos

Con el uso generalizado de materiales duros y quebradizos como el silicio cristalino, el vidrio óptico y la cerámica de ingeniería en micromecánica, la microfabricación tridimensional de alta precisión de materiales duros y quebradizos se ha convertido en un importante tema de investigación. Los principales métodos disponibles actualmente para el procesamiento de materiales duros y quebradizos son la litografía, la electroerosión, el procesamiento electrolítico, el procesamiento láser y el procesamiento ultrasónico. En comparación con EDM, procesamiento electrolítico, procesamiento láser, procesamiento ultrasónico no depende de la conductividad eléctrica del material y no hay efecto termofísico; en comparación con la litografía, y puede procesar una alta profundidad a la relación de anchura de la estructura tridimensional, que determina el procesamiento ultrasónico en cerámica, silicio semiconductor y otros materiales no metálicos duros y quebradizos procesamiento tiene la ventaja de

Impulso.

La microsónica tiene los mismos principios y características que la ultrasónica convencional, salvo por el pequeño tamaño del proceso. Como la amplitud requerida para la ultrasónica convencional suele estar entre 0,01 y 0,1 mm, la deformación de la piezoelectricidad o la magnetostricción es muy pequeña (de 0,005 a 0,01 mm), por lo que la amplitud debe ampliarse mediante una barra de amplitud superior gruesa y una inferior fina. En el caso de los ultrasonidos finos, las amplitudes piezoeléctricas o magnetostrictivas ya son suficientes para la microfabricación y, por tanto, no se necesita ninguna barra de amplitud.

Utilizando la tecnología de microfabricación por ultrasonidos, se han mecanizado microagujeros con un diámetro mínimo de 5 μm en materiales cerámicos de ingeniería mediante la vibración de la pieza de trabajo.

(4) Microfabricación por láser

A diferencia de los procesos especiales tradicionales, el conformado por láser no consiste en eliminar material, sino en añadirle material. Según el material procesado y el mecanismo, el conformado por láser puede dividirse en varios tipos, como el conformado por fotopolimerización, el conformado por sinterizado selectivo por láser y el conformado de sólidos estratificados.

El moldeo por fotopolimerización se basa en una resina fotosensible líquida. Una fuente de luz ultravioleta lejana se enfoca e irradia sobre la superficie de la resina líquida, y el área expuesta se polimeriza. Mediante el fotocurado pueden obtenerse microestructuras de entre 10 μm y 1 mm. Para resolver el problema de la producción por lotes, pueden utilizarse matrices de fibra óptica de precisión para producir un gran número de microestructuras a la vez:

(i) la precisión de la profundidad está limitada por el grosor de las capas colocadas; (ii) la influencia de los efectos dimensionales (viscosidad de la resina fotosensible líquida, tensión superficial); (iii) la influencia de la deformación microestructural, etc.

paraPara eliminar estos efectos, ha surgido un nuevo método de conformado por láser.

Un haz láser focalizado se escanea en tres dimensiones en un baño de resina y la resina se cura sólo cuando se supera el umbral de exposición en el punto focal, lo que permite crear microestructuras libremente móviles. Las ventajas de esta técnica son:

(1) La profundidad y la precisión periférica vienen determinadas por el tamaño del punto de enfoque del láser, y la precisión es superior a 1 μm en tres dimensiones; (2) No se necesitan piezas de soporte ni máscaras; (3) Se elimina la influencia de la viscosidad de la resina y la tensión superficial, ya que no hay piezas móviles en el depósito de resina fotosensible líquida.

(5) Electroconformado de precisión

El electroconformado de orificios se diferencia del método de corte en que se crea el núcleo del orificio, a continuación el metal electroconformado crece a su alrededor y finalmente el núcleo se retira o disuelve. En ocasiones en las que no se puede conseguir mediante el mecanizado por arranque de viruta convencional, como agujeros extremadamente finos y piezas con elevados requisitos de rugosidad superficial interna o piezas con formas de sección transversal especiales, se puede utilizar el electroconformado.

Para los machos se utilizan sobre todo aleaciones de aluminio, que se disuelven en una solución de hidróxido de sodio, mientras que el níquel permanece intacto y puede trabajarse con confianza. Para la fabricación de machos de aluminio especialmente finos, difíciles de cortar, puede utilizarse latón en su lugar, pero solo si se emplea un líquido adecuado que no corroa la superficie de níquel pero disuelva el latón rápidamente.

Cualquiera que sea la forma del orificio, su precisión dimensional y su rugosidad superficial vienen determinadas por la calidad del núcleo, por lo que no importa lo fino que sea el orificio, siempre que se pueda utilizar un determinado método de procesamiento para crear el núcleo, se puede utilizar el método de electroconformado para procesar el orificio.