MICROMECÂNICA
MICROMÁQUINAS
MICROSISTEMAS
Luiz 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
Fábrica
Escritórios
Prédio do
Acelerador
LNLS
•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
Injeção
Separação
Lab Oakridge
Membranas de Silício
Sensor de Pressão.
Hastes em Balanço
Haste
Massa
• Acelerômetros
Barras de Torsão
25mm
Receita de Microusinagem (1)
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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)
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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
Luz Síncrotron
Máscara
para raios-x
Padrão
Absorvedor
EXPOSIÇÃO
Resiste
Substrato
Estrutura de resiste
(Molde Primário)
REVELAÇÃO
LITOGRAFIA
Substrato
Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
Metal
Estrutura de
resiste
ELETROFORMAÇÃO
Cavidade
do Molde
MOLDE SECUNDÁRIO
ELETROFORMAÇÃO
Substrato
Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
Molde
Secundário
Material
Moldado
Placa de
Injeção
ENCHIMENTO DO MOLDE
Orifício de
Injeção
Microestruturas
de Polímero
DESMOLDAGEM
MOLDAGEM POLÍMEROS
Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
Molde p/ Termo
Moldagem
Lama
Cerâmica
Material
Moldado
TERMO-MOLDAGEM
DESMOLDAGEM
APLICAÇÃO DE LAMA
Estrutura de
Polímero
(Molde
Perdido)
Estrutura de Polímero
(Molde Perdido)
Microestrutura
de Cerâmica
MOLDAGEM CERÂMICA
QUEIMA
Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
Metal
Estrutura de
Polímero
Placa com
orifícios
ELETROFORMAÇÃO
Orifícios de
Injeção
Microestrutura
Metálica
POLIMENTO
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:
– Raios-X:
razão de aspecto < 20.
razão de aspecto <150.
Litografia Profunda por Raios-X
Elevada Razão-de-Aspecto: mais de 100:1
Filmes de até vários centímetros, dependendo da
energia dos raios-x.
Grande Precisão: erro de verticalidade típico de
0,1m para cada 200 m de espessura do filme.
Superfícies com qualidade óptica: rugosidade da
ordem de 30nm.
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.
• Energia crítica:
c = 2,08keV @ 1,37GeV,
onde
c  
c
c
Geração dos Raios-X no Síncrotron
• Feixe eletrônico de alta energia acelerado por
campo magnético.
Feixe de
Elétrons
Dipolo
Luz
Síncrotron
Máscaras
Absorvedor: 3-15m de Au.
Substrato: membrana de Si, Si3N4, Kapton, etc.
Filme
Corrosão
metálico
KOH
Eletrodeposição
Difusão
Resiste
Litografia
Silício
Moldura
Boro
Máscara de Kapton
Absorvedor: 2m
de Au.
Substrato: membrana de
Kapton de 25m.
Eletrodeposição
• Filmes de
– Au,
– Ni,
– Cu.
Banhos ácidos ou neutros.
Espessuras de até 500m.
Requer processo de baixo stress.
A Tecnologia LIGA do LNLS
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•
•
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 exposto
Resiste não
exposto
Base condutora
Silício
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
Espiral
Peneira
(detalhe)
(detalhe)
(detalhe)
Postes
(detalhe)
Molde de fieira
(detalhe)
Tubo vertical
Resultados SU-8 125µm com UV
Engrenagens
Peneira
Tubos
(detalhe)
(detalhe)
(detalhe)
Postes
(detalhe)
Moldes p/ fios
(detalhe)
Engrenagens 2mm e 4mm
Espiral
Micromáquinas
Turbina
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
Conectores
Fluxômetros
Fieiras
Lentes de
Fresnel
Guias de
Ondas
Fieiras
Micro Turbina Hidráulica
Feita na Alemanha - IMT
Micro Relé
Contatos
Bobina
Feito 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 Ultrasom
Matriz 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.