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 Report

Transcript 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