Procedeul LIGA

Pentru obţinerea microstructurilor metalice şi din polimeri, dezvoltate în spaţiu, pe 2 1/2 axe şi pe 3 axe, cu raport mare între înălţimea şi dimensiunea lor în plan, a fost făcut cunoscut, în anul 1980, procedeul LIGA. Cel care a comunicat apariţia acestui nou procedeu de lucru a fost Wolfgang Ehrfeld, de la Centrul de Cercetări Nucleare din Karlsruhe. Prima realizare a fost o minicentrifugă pentru separarea izotopilor de uraniu, din nichel, a cărei dimensiune minimă în plan era de 5 μm şi avea o înălţime de 300 μm.

Numele procedeului este un acronim al denumirilor în limba germană ale metodelor de lucru pe care se bazează procedeul: Lithographie, Galvanoformung, Abformung (litografie, galvanoplastie, modelare/turnare).

Procedeul şi-a găsit numeroase aplicaţii: zone Fresnel, elemente fluidice, lentile şi prisme din PMMA, microcontacte din nichel, microbobine din cupru, cleme metalice şi roţi dinţate din nichel formate pe un substrat separat şi asamblate ulterior cu arborii, prisme hexagonale din nichel - adaosuri metalice pentru materiale compozite, duze pentru tragerea fibrelor din materiale plastice, microturbine din nichel sau cupru - cu fibră optică integrată pentru măsurarea turaţiei turbinei, micromotoare magnetice, micromotoare electrostatice, măşti metalice pentru structurarea în plasmă a suprafeţelor asferice nanometrice.

1. Descrierea procedeului pentru structuri spaţiale 2 1/2D şi 3D

Procesul tehnologic schematic de obţinere a microstructurilor prin procedeul LIGA rezultă din fig.1.

Spre deosebire de procesele de microstructurare superficială a siliciului, pe care s-au bazat celelalte prelucrări micromecanice, la aplicarea procedeului LIGA, grosimea stratului de rezist corespunde cu înălţimea dorită a microstructurii, deci va fi de câteva sute de micrometri; substratul se preferă a fi metalic, iar daca este un dielectric sau semiconductor - el va fi acoperit înainte cu un strat metalic subţire care să-i confere proprietăţi conductive; rezistul utilizat este PMMA (denumirea comercială: PLEXIGLAS); masca prin intermediul căreia este configurat stratul de rezist este de o construcţie specială, astfel încât să aibă calităţi absorbante sau transparente pentru radiaţia utilizată; radiaţia X sincrotronică folosită, de lungime de undă 0,1...2 nm are calitatea de a fi foarte puternică - pentru a putea acţiona pe întreaga grosime foarte mare a rezistului, are o divergenţă foarte mică apreciată la ~5 mrad (practic, radiaţia este paralelă) şi aceasta permite obţinerea pereţilor verticali de mare înălţime (de altfel -litografia cu radiaţie sincrotronică poartă şi numele de "litografie adâncă").

Zonele expuse radiaţiei X vor deveni uşor solubile în developant, deci PMMA lucreaza ca un rezist pozitiv.

Fig. 8.1. Principiul procedeului LIGA:

a-pentru structuri în spaţiu 2 1/2D; b-pentru structuri în spaţiu 3D, cu înclinarea fasciculului de electroni; c-pentru structuri în sptjiu 3D, cu dublă înclinare a fasciculului de electroni; d-pentru structuri în spaţiu 3D, cu înclinare şi rotirea fasciculului de electroni înjurai axei perpendiculare pe substrat;

e-pentru structuri în spaţiu 3D, cu expunerea succesivă prin măşti de configurapi diferite.

Etapele de expunere şi developare(fig.1 a) reprezintă faza de LITOGRAFIE.

Utilizând depunerea galvanică rezultă un profil negativ al formei obţinute din rezist; se poate depune cupru, nichel, aur sau orice alt metal; depunerea este selectivă şi se face pe substratul conductiv neacoperit de configuraţia din rezist. Dacă grosimea stratului metalic depus este inferioară grosimii stratului de PMMA, după îndepărtarea rezistului se obţine microstructura metalică unicat. Dacă depunerea galvanică continuă până la acoperirea completă a modelului de PMMA, se obţine o formă cu goluri reprezentând negativul modelului. Rigiditatea formei depinde de grosimea stratului metalic care acoperă modelul. Aceasta este etapa de GALVANIZARE.

In continuare, prin aplicarea unei plăci de injectare prin reţeaua căreia se poate injecta material plastic, se pot obţine rapid şi ieftin numeroase copii din polimeri; este faza de MODELARE/TURNARE/INJECTARE.

Poate urma o a doua GALVANIZARE care va copia - în negativ - profilul structurilor din polimeri, fixate la placa de injectare. Placa metalică de turnare, acoperită în prealabil cu un strat de separare, va servi drept electrod, iar depunerea galvanică va reprezenta copia independentă metalică.

Forma din polimeri poate constitui modelul pentru presarea pulberilor ceramice; se obţin astfel piese unicat a căror desprindere de pe model se va face prin distrugerea acestuia.

Pentru obţinerea microstructurilor 3D există mai multe variante (fig.1 b, c, d, e) care se deosebesc între ele prin etapa de expunere. Radiaţia X poate fi înclinată cu unghiuri diferite faţă de suprafaţa rezistului, poate fi rotită sau expunerea se poate face secvenţial -în fiecare secvenţă folosindu-se câte o mască cu configuraţii diferite.

2. Masca pentru radiaţie X sincrotronică

Masca pentru radiaţie X sincrotronica are trei componente distincte:

- un suport cu cât mai mare transparenţă la radiaţia X, de grosime cât mai mică şi care să poată fi obţinută sub formă de membrană subţire;

- pentru asigurarea contrastului e necesar un material absorbant care să poată avea o grosime cât mai mare, fără ca precizia conturului configuraţiei să fie afectată;

- o ramă care să asigure rigiditatea mecanică necesară poziţionării, centrării şi schimbării automate a măştii.

Dintre materialele suport care îndeplinesc condiţiile de mai sus se utilizează siliciul şi titanul, dar pentru motive de stabilitate dimensională se recomandă, de asemenea, beriliul şi nitrura de bor. Grosimile de membrană care asigură transparenţă de 90% a radiaţiei sincrotronice cu lungimea de undă X=0,53 nm sunt următoarele: beriliu - 19 μm, nitrură de bor - 6,7 μm, siliciu - 0,55 μm, titan - 0,45μm.

Ca material absorbant se recomandă aur, wolfram sau tantal. Capacitatea absorbantă este apreciată prin raportul între densitatea de putere a radiaţiei rezultată la trecerea prin zona transparentă şi prin zona opacă; acest raport trebuie să depăşească valoarea 1000 pentru ca masca să fie considerată a avea contrast suficient. Grosimile uzuale sunt de ~ 17 μm - pentru aur şi ~ 18 μm - pentru wolfram.

Structura absorbantă poate fi obţinută prin procedee substractive sau aditive (lift-off) -acestea din urmă asigurând o rezoluţie mai bună, primele asigurând un traseu tehnologic mai scurt.