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MICROMECÂNICAMICROMÁQUINAS MICROSISTEMASLuiz Otávio Saraiva Ferreira

Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS

Sumário

• Revisão Histórica

– Tecnologia de Silício e suas aplicações

• Tecnologia LIGA

• Dispositivos e Aplicações

Campus do L N L S

Escritórios

Prédio do Acelerador

Fábrica

L N L S

•Laboratório Nacional•Multidisciplinar•Tecnologia•Ciência

História da Microfabricação• Descendente da Microeletrônica.

• Primeiro Dispositivo - Anos 60: Resonistor.

Microusinagem de Substrato

• Anos 60 - 70.

• Cavidades de Silício.

Cromatógrafo de Gas

Coluna de Eletroforese

InjeçãoSeparação Lab Oakridge

Membranas de Silício

Sensor de Pressão.

Haste Massa

Hastes em Balanço

• Acelerômetros

Barras de Torsão

25mm

Receita de Microusinagem (1)

• Substrato: Si <100>

• Máscara protetora: filme de SiO2 de 1µm.

• Corrosivo: KOH : H2O 25 : 100 em massa.

• Equipamento:– béquer de 1 litro com tampa.– termômetro.– chapa-quente com agitador magnético.

Receita de Microusinagem (2)

• Abrir janelas de corrosão no SiO2.

• (alinhar as janelas com o chanfro da bolacha)

• Aquecer o corrosivo a 80oC.

• Mergulhar a bolacha de Si no corrosivo.

• (colocar a bolacha na vertical)

• A taxa de corrosão é de aprox. 1µm por minuto.

• Remover do corrosivo e lavar em água corrente.

Início da Microusinagem

Fim da Microusinagem

Caracterização do Scanner

Scanner no Eletroimã

Varredura de Frequência

Microusinagem em Superfície (1)

Sandia

Microusinagem em Superfície (2)

Sandia

Microusinagem em Superfície (3)

Sandia

Microusinagem em Superfície (4)

Sandia

Microusinagem em Superfície (5)

Sandia

Microusinagem em Superfície (6)

Sandia

Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA

Resiste

Substrato

EXPOSIÇÃO

Substrato

Estrutura de resiste (Molde Primário)

REVELAÇÃO

Luz Síncrotron

Máscara para raios-x

Padrão Absorvedor

LITOGRAFIA

Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA

ELETROFORMAÇÃO

Metal

Estrutura de resiste

Substrato

MOLDE SECUNDÁRIO

Cavidade do Molde

ELETROFORMAÇÃO

Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA

ENCHIMENTO DO MOLDE

Molde Secundário

Material Moldado

Placa de Injeção

Orifício de Injeção

DESMOLDAGEM

Microestruturas de Polímero

MOLDAGEM POLÍMEROS

TERMO-MOLDAGEM

Molde p/ Termo Moldagem

Material Moldado

Estrutura de Polímero (Molde Perdido)DESMOLDAGEM

APLICAÇÃO DE LAMA

Lama Cerâmica

Estrutura de Polímero(Molde Perdido)

Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA

QUEIMA

Microestrutura de Cerâmica

MOLDAGEM CERÂMICA

ELETROFORMAÇÃO

Metal

Estrutura de Polímero

Placa com orifícios

Orifícios de Injeção

POLIMENTOMicroestrutura Metálica

Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA

MOLDAGEM METAIS

Microfabricação e Luz Síncrotron

• Aplicação tecnológica direta mais importante da luz síncrotron.

LITOGRAFIA PROFUNDA POR RAIOS-X

Litografia Profunda

• É a base da tecnologia LIGA de microfabricação.

• Resistes desde 5 microns até milhares de microns de espessura.

• Litografia por UV ou por Raios-X.– UV: razão de aspecto < 20.– Raios-X: razão de aspecto <150.

Litografia Profunda por Raios-X

Elevada Razão-de-Aspecto: mais de 100:1

Grande Precisão: erro de verticalidade típico de 0,1m para cada 200 m de espessura do filme.

Superfícies com qualidade óptica: rugosidade da ordem de 30nm.

Filmes de até vários centímetros, dependendo da energia dos raios-x.

Características da Fonte do LNLS

Energia de Injeção :120MeV.

Energia Final :1.37GeV.

Abertura Vertical do Feixe: 5mRad.

Abertura Horizontal do Feixe: Até 30mRad, limitada por janela em 10mRad na linha de litografia (XRL).

Características da Fonte do LNLS

• Comprimento-de-onda crítico: c = 5.9Å @ 1,37GeV.

cc

c

• Energia crítica:c = 2,08keV @ 1,37GeV,

onde

Geração dos Raios-X no Síncrotron

• Feixe eletrônico de alta energia acelerado por campo magnético.

Feixe de Elétrons Dipolo

Luz Síncrotron

Máscaras

Absorvedor: 3-15m de Au.

Substrato: membrana de Si, Si3N4, Kapton, etc.

SilícioDifusão Boro

Corrosão KOH

Filme metálico

ResisteLitografiaEletrodeposição

Moldura

Máscara de KaptonAbsorvedor: 2m

de Au.

Substrato: membrana de Kapton de 25m.

Eletrodeposição

• Filmes de– Au,– Ni,– Cu.

Banhos ácidos ou neutros.

Espessuras de até 500m.

Requer processo de baixo stress.

A Tecnologia LIGA do LNLS

• Inicialmente à base de resiste SU-8.

• Litografia profunda por UV.

• Litografia profunda por raios-x.

• Processo de um nível de litografia.

• Dispositivos de polímero (SU-8).

• Dispositivos de metal (cobre).

Engrenagem de Polímero - 1

Projeto do Disposistivo

Engrenagem de Polímero - 2

Desenho da Máscara

Engrenagem de Polímero - 3

Espalhamento

do resiste (SU-8)

Resiste

Base condutora

Silício

Engrenagem de Polímero - 4

Esposição a UV

ou raios-x

Resiste não exposto

Base condutora

Silício

Resiste exposto

Engrenagem de Polímero - 5

Revelação

Resiste exposto

Base condutora

Silício

Engrenagem de Polímero - 6

Resultado Final

(Litografia Profunda UV)

Resiste exposto

Feita no BRASIL - LNLS

470µm

Engrenagem de Polímero - 7

Resultado Final

(Litografia Profunda por raios-x)

Resiste exposto

Feita no BRASIL - LNLS

470µm

Engrenagem de 1mm (SU-8)

Resultados SU-8 de 125µm com RX

Engrenagens (detalhe)

Espiral (detalhe)

Peneira (detalhe)

Postes (detalhe)

Molde de fieira (detalhe)

Tubo vertical

Resultados SU-8 125µm com UV

Engrenagens (detalhe)

Peneira (detalhe)

Postes (detalhe)

Tubos (detalhe)

Moldes p/ fios (detalhe)

Engrenagens 2mm e 4mm

Espiral

Turbina

Micromáquinas

MICROMÁQUINAS 1

MICROMÁQUINAS 2

Sistemas Químicos - 1

Sistemas Químicos - 2

Dispositivos de Polímero

MUSA99/01

Eletroformação

Formas para Eletroformação

Dispositivos de Metal (cobre) 1

Dispositivos de Metal (cobre) 2

MUSA99/01

Outros Dispositivos LIGA• Extraidos do livro “Fundamentals of

Microfabrication”, de Marc Madou,

Acelerômetros

Fluxômetros

Lentes de Fresnel

Fieiras

Conectores

Guias de Ondas Fieiras

Micro Turbina Hidráulica

Feita na Alemanha - IMT

Micro Relé

Contatos

BobinaFeito no IMT -

Alemanha

Chave Opto-Mecânica

Feito no IMT Alemanha

Micro Bomba de Diafragma

Feita na Alemanha - IMT

Microlentes de PMMA

Feito no IMT Alemanha

Micro Motor Elétrico 1

Feito no IMT - Alemanha

Micro Motor Elétrico 2

Feito no IMT Alemanha

Transdutor de UltrasomMatriz de 70x70 colunas de PZT com 100µm de lado por 400µm de altura.

Feito no IMT - Alemanha

Tecnologia LIGA no Brasil• O LNLS tem uma estação de litografia

profunda por raios-x à disposição dos usuários.

• Já temos processo para produção de microestruturas de polímero SU-8 e cobre.

• Foi realizada a primeira rodada do Projeto Multiusuário LIGA do LNLS (Projeto MUSA), que terá uma rodada semestral.

Conclusão

• Um novo campo de trabalho.

• Grandes oportunidades de inovação.

• Requer infraestrutura mais barata que microeletrônica.

• Mercado crescendo quase 20% ao ano.

• 34 bilhões de dólares em 2002.

• Área multidisciplinar.