Mönstring Anders Elfwing 2 Mål Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och stress Micromolding och LIGA 3 Ytmönstring Samlingsnamn på ett antal tekniker som bygger på mikromönstring.
Download ReportTranscript Mönstring Anders Elfwing 2 Mål Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och stress Micromolding och LIGA 3 Ytmönstring Samlingsnamn på ett antal tekniker som bygger på mikromönstring.
Slide 1
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 2
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 3
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 4
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 5
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 6
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 7
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 8
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 9
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 10
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 11
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 12
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 13
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 14
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 15
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 16
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 17
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 18
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 19
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 20
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 21
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 22
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 23
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 24
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 25
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 26
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 27
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 28
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 29
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 30
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 31
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 32
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 33
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 34
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 35
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 36
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 37
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 38
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 39
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 40
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 41
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 42
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 43
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 44
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 45
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 46
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 47
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 48
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 49
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 50
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 51
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 52
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 53
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 2
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 3
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 4
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 5
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 6
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 7
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 8
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 9
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 10
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 11
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 12
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 13
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 14
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 15
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 16
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 17
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 18
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 19
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 20
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 21
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 22
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 23
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 24
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 25
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 26
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 27
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 28
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 29
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 30
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 31
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 32
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 33
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 34
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 35
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 36
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 37
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 38
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 39
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 40
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 41
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 42
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 43
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 44
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 45
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 46
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 47
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 48
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 49
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 50
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 51
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 52
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se
Slide 53
Mönstring
Anders Elfwing
2
Mål
Hur skapar man rörliga mikro-strukturer?
-offerlager, strukturlager och passiveringslager
Vanliga problem
-spänning och stress
Micromolding och LIGA
3
Ytmönstring
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
4
Accelerometer
5
Tillverknings Metoder
o
o
o
o
o
o
o
Tillverkningsmetoder
CVD
Fotolitografi
Torr etsning
Våt (selektiv) etsning
Processteg
Passiveringslager
Offerlager
Strukturlager
Creating Micro systems
Freestanding structures
Aim
Create a freestanding structures which are vital
parts in e.g. accelerometers
1 CVD of SiO2
2 Photolitography + dry etching of SiO2
3 CVD of Si
4 Photolitography + dry etching of
Si
5 Wet selective etching of SiO2
Si (polycrystalline)
SiO2
Base material
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
Simplest form
Addition anchor
10
Material för ytmönstring
Strukturmaterial
– Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra
strukturer i
– SiO2: Isolator, medium etshastighet i HF
– Si3N4: Låg etshastighet
– Polyimide
– Tungsten
Offer/spacer
–
–
–
–
material
SiO2
PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet
BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet
Al
Selektiv etsning
Olika
material har olika etshastigheter R
– Rs > Rm och Ri
(Rs =offerlager, Rm
=strukturmaterialet, Ri
=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
12
Tyckmätare
18
19
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
LIGA
Lithographie,
Galvanoformung, Abformung
Aim
Manufacture 3D structured polymers with
extreme aspect ration by casting in templates
created by photolithography and electroplating
Steps
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Create template (by x-ray photo litography)
Electroplating
Release
Planarization
Abformung
Release
1 Lithography
X-ray source
X-ray mask
Positive resist (typically
PMMA)
Silicon wafer
2 Electroplating
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Electroplated layer
Seed layer by
sputtering
Fotoresist
Material to be patterned
4 Planarization
Finished template
5 ”Abformung”
Polymer
6 Release
Ready structure
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
Why are x-rays used?
Where can I find a good x-ray source?
LIGA
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!
33
34
Resist för strukturerna
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
35
Färdig struktur eller mall?
37
Microgjutning
• 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
38
Compression Molding
(Hot Embossing)
1.
2.
3.
4.
Rigitt polymerlager formas efter
ett templat
Polymerlagret värms över Tg
Tryck anbringas
(storleksordningen g till ton)
Kyls under Tg → separation från
templat
Pressliknade maskin
Återkommer i mjuk litografi
39
molding
stamp
substrate
T > Tg
Hot embossing
Machine
41
Hot embossing - exempel
43
44
Injection Molding (IM)
Injektionsbehållaren trycker
in den smälta polymeren i formen.
Formen Värms över Tg för polymeren
– men < TM
– Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av
små strukturer
45
Injection molding
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
47
Exempel
Demolding
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
48
49
Molding – Att tänka på
Avgasning
Krympning
Uniform mixning
Fyllhastighet (stress)
50
Reaction Injection Molding (RIM)
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
Blandingen aktiverar polymeriseringen
Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras
Casting
Aim
Manufacture 3D structured polymers by casting
in templates created by photolithography
Steps
1.
2.
3.
4.
Create template (by photo litography)
Casting
Curing
Release
1 Photo litografi
(exposure +
development)
Light source
Fotomask
Negative Fotoresist
Template
2 Casting
Fotoresist
Material to be patterned
3 Curing
Fotoresist
Material to be patterned
3 Release
Fotoresist
Material to be patterned
Finished polymer, compare with mask and
template
Mask
Template
Polymer
Reflections
What is the most obvious benefit of casting?
Casting
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 sandwichstruktur
Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS
60
Ordlista
LIGA, molding, compression molding,
injection molding, offerlager,
passiveringslager, strukturlager
www.liu.se