Fertigung im Mikromaßstab / Mikrofertigung / Mikrobearbeitung / MEMS

MICROMANUFACTURING, MICROSCALE MANUFACTURING, MICROFABRICATION or MICROMACHINING refers to our processes suitable for making tiny devices and products in the micron or microns of dimensions. Manchmal können die Gesamtabmessungen eines mikrogefertigten Produkts größer sein, aber wir verwenden diesen Begriff immer noch, um auf die beteiligten Prinzipien und Prozesse zu verweisen. Wir verwenden den Mikrofertigungsansatz, um die folgenden Arten von Geräten herzustellen:

 

 

 

Mikroelektronische Geräte: Typische Beispiele sind Halbleiterchips, die nach elektrischen und elektronischen Prinzipien funktionieren.

 

Mikromechanische Geräte: Dies sind Produkte, die rein mechanischer Natur sind, wie z. B. sehr kleine Zahnräder und Scharniere.

 

Mikroelektromechanische Bauelemente: Wir verwenden Mikrofertigungstechniken, um mechanische, elektrische und elektronische Elemente auf sehr kleinen Längenskalen zu kombinieren. Die meisten unserer Sensoren gehören zu dieser Kategorie.

 

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS): Diese mikroelektromechanischen Geräte enthalten auch ein integriertes elektrisches System in einem Produkt. Unsere beliebten kommerziellen Produkte in dieser Kategorie sind MEMS-Beschleunigungsmesser, Airbagsensoren und digitale Mikrospiegelgeräte.

 

 

 

Je nach herzustellendem Produkt setzen wir eines der folgenden wichtigen Mikrofertigungsverfahren ein:

 

BULK MICROMACHINING: Dies ist ein relativ älteres Verfahren, das orientierungsabhängige Ätzungen auf einkristallinem Silizium verwendet. Der Ansatz der Bulk-Mikrobearbeitung basiert auf dem Herunterätzen einer Oberfläche und dem Stoppen auf bestimmten Kristallflächen, dotierten Bereichen und ätzbaren Filmen, um die erforderliche Struktur zu bilden. Typische Produkte, die wir mit Hilfe der Massenmikrobearbeitungstechnik in der Mikrofertigung herstellen können, sind:

 

- Winzige Ausleger

 

- V-Nuten in Silikon zur Ausrichtung und Fixierung von Lichtwellenleitern.

 

OBERFLÄCHENMIKROBEARBEITUNG: Leider ist die Massenmikrobearbeitung auf einkristalline Materialien beschränkt, da polykristalline Materialien mit Nassätzmitteln nicht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen Richtungen bearbeitet werden können. Daher zeichnet sich die Oberflächenmikrobearbeitung als Alternative zur Massenmikrobearbeitung aus. Eine Abstandshalter- oder Opferschicht wie Phosphorsilikatglas wird unter Verwendung eines CVD-Prozesses auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden. Allgemein gesprochen werden strukturelle Dünnfilmschichten aus Polysilizium, Metall, Metalllegierungen, Dielektrika auf der Abstandsschicht abgeschieden. Unter Verwendung von Trockenätztechniken werden die strukturellen Dünnfilmschichten gemustert, und Nassätzen wird verwendet, um die Opferschicht zu entfernen, wodurch freistehende Strukturen wie Ausleger entstehen. Es ist auch möglich, Kombinationen von Massen- und Oberflächenmikrobearbeitungstechniken zu verwenden, um einige Designs in Produkte umzuwandeln. Typische Produkte, die für die Mikrofertigung unter Verwendung einer Kombination der beiden oben genannten Techniken geeignet sind:

 

- Mikrolampen in submilimetrischer Größe (in der Größenordnung von 0,1 mm Größe)

 

- Drucksensor

 

- Mikropumpen

 

- Mikromotoren

 

- Aktuatoren

 

- Mikrofluidströmungsgeräte

 

Um hohe vertikale Strukturen zu erhalten, wird die Mikrofertigung manchmal horizontal an großen flachen Strukturen durchgeführt, und dann werden die Strukturen unter Verwendung von Techniken wie Zentrifugieren oder Mikromontage mit Sonden in eine aufrechte Position gedreht oder gefaltet. Dennoch können sehr hohe Strukturen in einkristallinem Silizium erhalten werden, indem Siliziumschmelzbonden und tiefes reaktives Ionenätzen verwendet werden. Der Mikrofertigungsprozess Deep Reactive Ion Etching (DRIE) wird auf zwei separaten Wafern durchgeführt, dann ausgerichtet und schmelzverbunden, um sehr hohe Strukturen zu erzeugen, die andernfalls unmöglich wären.

 

 

 

LIGA-MIKROFERTIGUNGSVERFAHREN: Das LIGA-Verfahren kombiniert Röntgenstrahl-Lithographie, Elektroabscheidung, Formgebung und umfasst im Allgemeinen die folgenden Schritte:

 

 

 

1. Eine einige hundert Mikrometer dicke Polymethylmethacrylat (PMMA)-Resistschicht wird auf das primäre Substrat aufgebracht.

 

2. Das PMMA wird unter Verwendung von kollimierten Röntgenstrahlen entwickelt.

 

3. Metall wird auf das primäre Substrat galvanisch abgeschieden.

 

4. PMMA wird abgelöst und eine freistehende Metallstruktur bleibt zurück.

 

5. Wir verwenden die verbleibende Metallstruktur als Form und führen das Spritzgießen von Kunststoffen durch.

 

 

 

Wenn Sie die fünf oben genannten grundlegenden Schritte analysieren, können wir mit den LIGA-Mikrofertigungs- / Mikrobearbeitungstechniken Folgendes erhalten:

 

 

 

- Freistehende Metallkonstruktionen

 

- Spritzgegossene Kunststoffstrukturen

 

- Unter Verwendung einer spritzgegossenen Struktur als Rohling können wir Metallteile im Feinguss oder Keramikteile im Schlickergussverfahren gießen.

 

 

 

Die LIGA-Mikrofertigungs-/Mikrobearbeitungsprozesse sind zeitaufwändig und teuer. Die LIGA-Mikrobearbeitung stellt jedoch diese Submikrometer-Präzisionsformen her, die verwendet werden können, um die gewünschten Strukturen mit deutlichen Vorteilen zu replizieren. Mit der LIGA-Mikrofertigung können beispielsweise sehr starke Miniaturmagnete aus Seltenerdpulvern hergestellt werden. Die Seltenerdpulver werden mit einem Epoxidbindemittel gemischt und in die PMMA-Form gepresst, unter hohem Druck ausgehärtet, unter starken Magnetfeldern magnetisiert und schließlich wird das PMMA aufgelöst, wobei die winzigen starken Seltenerdmagnete zurückbleiben, die eines der Wunder von sind Mikrofertigung / Mikrobearbeitung. Wir sind auch in der Lage, MEMS-Mikrofertigungs-/Mikrobearbeitungstechniken auf mehreren Ebenen durch Diffusionsbonden im Wafermaßstab zu entwickeln. Grundsätzlich können wir überhängende Geometrien innerhalb von MEMS-Vorrichtungen haben, indem wir ein Batch-Diffusionsverbindungs- und Freigabeverfahren verwenden. Zum Beispiel bereiten wir zwei gemusterte und galvanogeformte PMMA-Schichten vor, wobei das PMMA anschließend freigesetzt wird. Als nächstes werden die Wafer mit Führungsstiften einander zugewandt ausgerichtet und in einer Heißpresse zusammengepresst. Die Opferschicht auf einem der Substrate wird weggeätzt, was dazu führt, dass eine der Schichten an die andere gebondet wird. Andere nicht-LIGA-basierte Mikrofertigungstechniken stehen uns ebenfalls zur Herstellung verschiedener komplexer Mehrschichtstrukturen zur Verfügung.

 

 

 

SOLID FREEFORM MICROFABRICATION PROCESSES: Additive Micromanufacturing wird für Rapid Prototyping eingesetzt. Durch dieses Mikrobearbeitungsverfahren können komplexe 3D-Strukturen erhalten werden, und es findet kein Materialabtrag statt. Der Mikrostereolithographieprozess verwendet flüssige duroplastische Polymere, Photoinitiator und eine hochfokussierte Laserquelle mit einem Durchmesser von nur 1 Mikrometer und Schichtdicken von etwa 10 Mikrometer. Diese Mikrofertigungstechnik ist jedoch auf die Herstellung von nichtleitenden Polymerstrukturen beschränkt. Ein weiteres Mikrofertigungsverfahren, nämlich „Instant Masking“ oder auch als „Electrochemical Fabrication“ oder EFAB bekannt, beinhaltet die Herstellung einer Elastomermaske unter Verwendung von Fotolithografie. Die Maske wird dann in einem Elektroabscheidungsbad gegen das Substrat gedrückt, so dass sich das Elastomer an das Substrat anpasst und Plattierungslösung in Kontaktbereichen ausschließt. Nicht maskierte Bereiche werden spiegelbildlich zur Maske galvanisch abgeschieden. Unter Verwendung eines Opferfüllers werden komplexe 3D-Formen mikrogefertigt. Diese Mikrofertigungs- / Mikrobearbeitungsmethode mit „sofortiger Maskierung“ ermöglicht auch die Herstellung von Überhängen, Wölbungen usw.