Micromaquinado

El micromaquinado consiste en el proceso de cambiar la forma o propiedades de un material de pequeño tamaño del rango de los micrones para que se adapte a un fin específico (generalmente la producción de Micromaquinaria). Se parte inicialmente de un material en forma de películas finas depositadas sobre algún sustrato o de materiales macizos.

El micrón es la unidad de longitud más pequeña en la que se acotan las tolerancias de las cotas de las piezas que son rectificadas.

1 µm = 0,001 mm = 1 × 10-3 mm. 1 mm = 1000 µm.

Hay una demanda creciente de sistemas de media y micro escala en el campo de la óptica, los semiconductores y los sistemas bio-médicos. En respuesta a esta demanda, el cortado micro-mecánico está emergiendo como una alternativa viable a las técnicas de micromaquinado basadas en litografía.

De todos modos, ciertos factores limitan los materiales de las piezas de trabajo que pueden ser procesados usando métodos de micromaquinado mecánico. Para materiales difíciles de maquinar como moldes o acero, limitaciones en la herramienta de cortado en su esbeltez y resistencia son los mayores impedimentos para el uso de los métodos de micromaquinado mecánico.

Tipos de Micromaquinado

Micromaquinado superficial

que utiliza una sucesión de deposición de película delgada y grabado selectiva crea estructuras en la parte superior de un sustrato, puede realizarse el maquinaso superficial con grabado húmedo o seco

Micromecanizado de superficie es otro popular tecnología utilizada en la fabricación de dispositivos MEMS. Este proceso se puede realizar en diferentes formas, dependiendo de los materiales utilizados junto con las combinaciones de grabador. El proceso de micromecanizado de superficie se acumula el dispositivo mediante la aplicación de capas y grabado sobre una oblea. No importa el material, este proceso requiere una secuencia adecuada de las medidas alternas:

1. Se inicia con la deposición y el modelado de los materiales de película delgada estructurales que actúan como las capas mecánicas con las que las capas reales dispositivo se construirá a partir.

2. Esta capa es seguido por la deposición y el patrón de una capa de película delgada conocida como la capa de sacrificio. Estas capas de sacrificio temporal llena los espacios vacíos mientras que las capas mecánicas se están creando.

3. Una vez que todas las capas que se alternan estructurales y sacrificio se crean, el último paso es la eliminación de las capas temporales de película delgada (de sacrificio) para dar paso a la estructura mecánica.

Otros fines para la técnica de microfabricación de superficie están favorecidas, ya que adecuadamente puede producir un control dimensional preciso en sentido vertical. Esto se debe tanto a la estructura y espesor de la capa de sacrificio son eficientemente definidos y controlados por el espesor de la capa depositada. Micromecanizado de superficie también se prevé un control preciso de dimensiones en cualquier dirección horizontal, ya que la tolerancia de las capas estructurales está cuidadosamente definido por los procesos de grabado y la fotolitografía utiliza.

Oblea de uniónEste es un método en particular micromecanizado similar a la soldadura que involucra al lado de dos o más láminas, generalmente hecha de silicona, para crear lo que se conoce como una pila de varios de obleas. La oblea de silicio proceso de unión tiene tres tipos básicos: la vinculación directa / fusión, la vinculación de la oblea de campo o asistida por la unión anódica, y la vinculación a través de una capa intermedia. Todos los métodos de unión requieren sustratos plana, limpia y lisa para la vinculación de la oblea para tener éxito.

Directa / fusión de unión es la mejor opción cuando se trata de colocar dos láminas de silicio en conjunto, o el emparejamiento una oblea de silicio a otro que ya se había oxidado. El proceso de obleas contacto directo también es factible en otras combinaciones posibles, como el silicio descubierto a la oblea de silicio a través de un nitruro de silicio de película delgada sobre la superficie.

Vinculación de la oblea es extremadamente útil cuando el objetivo es crear una capa gruesa de material para aplicaciones que requieren una oblea con una mayor masa. También se le llama en aplicaciones en las propiedades de los materiales de cristal único de silicio son favorecidos por los hechos de materiales de película delgada LPCVD. Hasta la fecha,

vinculación de la oblea sigue siendo una gran alternativa en el mundo de la fabricación de MEMS.

Micromaquinado a granelMicromecanizado a granel es la forma más antigua de la tecnología de fabricación de la película fina. La técnica consiste en la eliminación selectiva de la superficie del sustrato no deseado a través del grabado. Esto deja sólo la superficie deseada sustrato para crear componentes miniaturizados de mecánica. Esto se logra a través de física oa través de medios químicos, pero el grabado químico húmedo es muy favorecida en la industria de MEMS.

En el proceso de grabado químico húmedo, la inmersión de un sustrato en una solución química reactiva posteriormente graba las regiones expuestas del sustrato en las tasas de medir. Este concepto ha ganado popularidad en el mundo de MEMS, ya que proporciona las tasas de grabar de manera significativa y selectividad para los proyectos que son menos complejos.

Micromaquinado en volumen

Es un proceso utilizado para producir micromaquinaria o sistemas microelectromecánicos (MEMS).A diferencia del micromaquinado superficial, el micromaquinado en volumen define las estructuras de forma selectiva por el grabado dentro de un sustrato. El micromaquinado en volumen produce estructuras dentro de un sustrato.

Por lo general, las obleas de silicio son utilizadas como sustratos para el micromaquinado en volumen, ya que pueden ser grabadas en mojado, formando estructuras altamente regulares. El grabado mojado generalmente utiliza solventes líquidos alcalinos, como hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) para disolver el silicio que ha quedado expuesto por el paso de enmascaramiento fotolitográfico. Estos disolventes alcalinos disuelven el silicio en una forma altamente anisotrópica, con algunas orientaciones cristalográficas disolviendo hasta 1000 veces más rápido que otras.

Este enfoque se utiliza a menudo con orientaciones cristalográficas muy específicas en la materia prima para producir silicio con ranuras en forma de V. La superficie de estos alojamientos puede ser atómicamente suavizada sin problemas si el grabado se lleva a cabo correctamente, y las dimensiones y ángulos pueden ser definidos con precisión.

Micromaquinado en Bloque

El micromaquinado en bloque comienza con una oblea de silicio u otros sustratos, que son selectivamente grabados, utilizando fotolitografía para transferir un patrón de una máscara

a la superficie, el micromaquinado en bloque realizarse con grabado húmedo o seco, aunque el grabado más común en silicio es el grabado anisotrópico mojado.

Este grabado toma ventaja del hecho de que el silicio tiene una estructura cristalina, lo que significa que sus átomos se organizan periódicamente en todas las líneas y planos. Algunos planos poseen ligaduras más débiles y son más susceptibles al grabado. El grabado resultado en piscinas que tienen paredes en ángulo, el ángulo es una función de la orientación del cristal del sustrato. Este tipo de grabado, es barato y se utiliza generalmente en investigación temprana de bajo presupuesto

Micromáquinado por haces de iones focalizados

Un haz de iones focalizado consiste en un flujo de partículas cargadas focalizadas por un campo electromagnético en un fino haz. La diferencia del haz de iones con un haz de electrones recae en su masa. El ion más liviano es el hidrógeno el cual es 1840 veces más pesado que un electrón. Los haces de iones pueden ser utilizados para procesos de litografía. De todos modos, la pesada masa de los iones también pueden directamente separar átomos de un material sólido, lo cual hace del haz de iones focalizado una herramienta de micromaquinado directo ampliamente usada y mucho más versátil.

Micromaquinaria

Las Micromáquinas son objetos mecánicos que se fabrican en la misma forma que los circuitos integrados. Ellos generalmente se considera que entre 100 nanómetros a 100 micrómetros de tamaño, aunque esto es discutible. Las solicitudes de micromáquinas incluyen acelerómetros que detectan cuando un coche ha golpeado un objeto y activar un airbag. Complejos sistemas de engranajes y palancas son otra aplicación.

La fabricación de estos dispositivos se realiza normalmente por uno o simultáneamente dos técnicas: el micromaquinado superficial y el micromaquinado en bloque.

La mayoría de las micromáquinas actúan como transductores, en otras palabras, que son o bien sensores o actuadores.

Sensores convierten la información del medio ambiente en señales eléctricas interpretables. Un ejemplo de una micromáquina es un sensor químico resonante. Un objeto mecánico ligeramente amortiguado vibra mucho más en una frecuencia que en cualquier otra, y esta frecuencia se llama su frecuencia de resonancia. Un sensor químico está recubierto con un polímero especial que atrae a ciertas moléculas, como el ántrax, y cuando esas moléculas se pegan al sensor, su masa aumenta. El aumento de masa altera la frecuencia de resonancia del objeto mecánico, lo que es detectado con circuitos.

Actuadores convierten señales eléctricas y energía en algún tipo de movimiento. Los tres tipos más comunes de actuadores son electrostáticos, térmicos y magnéticos.

Los actuadores electrostáticos usan la fuerza de la energía electrostática para mover objetos. Dos elementos mecánicos, uno que se encuentra estacionario (el estator) y uno que se mueve (el rotor) poseen dos voltajes diferentes aplicados a los mismos, lo cual crea un campo eléctrico. El campo compite con una fuerza reestablecedora en el rotor (por lo general, una fuerza de resorte producida por la flexión o estiramiento del rotor) para mover el rotor. Cuanto mayor es el campo eléctrico, más lejos se moverá el rotor.

Los actuadores térmicos hacen uso de la fuerza de expansión térmica para mover objetos. Cuando un material se calienta se expande, y su cuantía es en función de las propiedades del material. Dos objetos se pueden conectar de tal manera que un objeto se calienta más que los otros y se expande más, y ese desequilibrio crea movimiento. La dirección del movimiento depende de la relación entre los objetos. Esto se ve en un "actuador de calor", que es una viga en forma de U con un brazo amplio y un brazo angosto. Cuando una corriente pasa a través del objeto, se crea calor. El brazo estrecho se calienta más que el brazo amplio debido al hecho de que poseen la misma densidad de corriente. Dado que las dos ramas se conectan en la parte superior, el brazo caliente se extiende y empuja en la dirección del brazo frío.

Los actuadores magnéticos utilizan capas magnéticas fabricadas para crear fuerzas.

Principales aplicaciones:

Microcorte del cobre

Para procesar el cobre, especialmente en el campo de las placas de circuito impreso, los láseres de frecuencia doblada y triplicada se han convertido en herramientas muy utilizadas.

Microperforación del cobre

La tecnología de láser bombeado por diodos emite pulsos con mayor energía y permitiendo a los usuarios controlar el procesamiento del cobre mediante pulsos de alta energía, incluida la microperforación de gran rendimiento.

Perforación del diamante

En el sector de los semiconductores, las películas finas de diamante desempeñan progresivamente un papel ligeramente más importante debido a la tendencia de cada proceso de fabricación a reducir el tamaño de los paquetes, lo que precisa una capacidad de disipación del calor cada vez mayor.Las películas de diamante se caracterizan por una alta fuerza mecánica y una alta conductividad térmica.

Desbastar, dar forma de cono y modelar diamantes

Presente en el mercado de las joyas es un metodo importante en el campo del procesamiento de diamantes (con un procesamiento de diamantes brutos del 95%) y en un importante exportador de joyas, la tecnica mas utilizada es el aserrado con láser, asi como desbastar, dar forma de cono y modelar diamantes.Para todas estas aplicaciones es necesario un láser de gran precisión.

Aserrado de diamantes

En el sector de los diamantes, el láser básico reconocido internacionalmente es el láser verde bombeado por diodos pero los sistemas CNC se elaboran de forma personalizada localmente a partir de terceros, siempre teniendo en cuenta los tipos de materias primas que se deben procesar.

Los láseres consiguen que la pérdida de peso sea la menor posible y que prácticamente no surjan fisuras gracias a su gran estabilidad entre picos y a la gran capacidad de enfoque de su radiación verde polarizada (ángulo de aserrado < 1°).

Fabricación de boquillas de extrusión e hileras

El micromaquinado láser de boquillas de extrusión e hileras es el método preferido de fabricación para las fibras y los textiles modernos actuales. Los láseres consiguen orificios ahusados de gran calidad de incluso únicamente 30 µm de diámetro.Además, procesan materiales duros, incluidos los cerámicos, los metales y el diamante.Debido a su velocidad y precisión, los láseres provocan muy poco daño térmico, logrando acabados lisos con bordes afilados. La combinación de gran versatilidad, precisión y velocidad permite alcanzar un caudal de producción muy alto.

Perforación de pequeños agujeros

Mediante el micromaquinado láser se consiguen orificios ahusados de gran calidad de incluso unas pocas micras de diámetro en gran variedad de materiales.Debido a su velocidad y precisión, los láseres provocan muy poco daño térmico, logrando

acabados lisos con bordes afilados. La combinación de gran versatilidad, precisión y velocidad permite alcanzar un caudal de producción muy alto.

Microperforación de alta precisión de filtros metálicos

En los metales se pueden perforar orificios de prácticamente cualquier forma para crear filtros de todo tipo, sin rebabas ni daños en las paredes internas del tubo. A menudo, la perforación láser constituye la única forma posible de lograr orificios precisos repartidos por un patrón superpuesto controlado mediante un sofisticado programa de software.

Microsoldadura y soldadura

La microsoldadura y el sellado de tubos de titanio con tapas, son sistemas que suponen la tecnología puntera en el micromaquinado (que permite spots de únicamente 300 micras) para mantener las fuentes radiactivas cerradas en microtubos destinados a las terapias localizadas del cáncer. En lugar de efectuar una radiación completa de los pacientes, el cáncer puede ser tratado hoy en día de forma localizada, mediante el uso de pequeñas dianas emisoras que se pueden inyectar fácilmente en el ojo, el pecho, la próstata y otras zonas cancerosas.

Microsoldadura del titanio Microsoldadura del titanio

Microcorte de acero y stents

El uso de láseres de estado sólido bombeados por diodos con gran potencia de salida y alta frecuencia de repetición es muy beneficioso para el micromaquinado del acero a alta velocidad y con gran precisión.Muchos sectores industriales han establecido el micromaquinado con láser como método de fabricación preferido en muchas aplicaciones que requieren precisión en que se utiliza este material.

Microperforación de silicio Los láseres de alta potencia realizan orificios de diferentes grosores y tamaños perforados con precisión en silicio.

Impresión de patrones en películas delgadas

En los últimos años, ha surgido gran interés en el mercado por los dispositivos de películas delgadas fabricadas en sustratos de vidrio. Recientemente, el nuevo objetivo consiste en mejorar la producción de células solares a la vez que se reducen costes, adoptando sustratos metálicos flexibles con superficies mayores. Los grandes paneles se dividen en cientos de microcélulas durante los procesos de fabricación de células solares. Los patrones de subdivisión y conexión se crean capa a capa. Los láseres (ideales para el trazado desde la superficie posterior de los sustratos de vidrio) permiten un control total de cada proceso en cada capa, evitando el trazado en capas inferiores o más profundas o que se provoquen daños en las mismas.

Taladrado Láser

Agujeros pasantes de 50 µm en cinta sinterizada de un grosor de 254 µm

El taladrado láser hace posible  la fabricación de los diámetros de agujero más pequeños (por ejemplo, < 75 µm).

Corte láser

Ruptura en  sustrato cerámico sinterizado de 630 µm de grosor

Con el corte láser se crea una hendidura continua, por ejemplo, como ruptura o corte de contornos. Las características básicas de la elaboración tienen como resultado estructuras finísimas con estructuras de cantos de alto valor cualitativo.

Fisurado láser

Grosor 1 mm  fisurado y partido

En el fisurado láser se practica primero una hendidura en el material cerámico, a lo largo de la que a continuación se rompe el material. Gracias a ello se hace posible una separación limpia de segmentos con alta calidad y precisión.

Micro-elaboración de cerámica

micro-elaboración con láserLa micro-elaboración con láser gana cada vez más en importancia. La cerámica se emplea de formas múltiples en la fabricación de circuitos impresos y componentes electrónicos debido a sus extraordinarias propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas.

Producción de estructuras finísimas < 15 µm

Estructuras de sensor en material de bobina

Capas finas metálicas (Cu, Au, Al, Pd, Pt...) u orgánicas (polímeros conductores, dialécticos orgánicos...) con grosores de hasta aproximadamente 200 nm sobre sustratos flexibles o rígidos se ablacionan con ayuda del procedimiento de proyección de máscara así se estructuran.     La configuración se encuentra sobre una máscara de cuarzo y se ilustra reducida sobre el sustrato. El aplanamiento de superficie por láser garantiza los mejores rendimientos.

¿Qué es Nanofabricación?

Nanofabricación se refiere a la fabricación de estructuras con tamaño se mide en función de los nanómetros, especialmente por debajo de 20 nanómetros de lado.

La tecnología actual permite que la mayoría de nanofabricación sólo en un sentido de dos dimensiones. Un subconjunto importante de nanofabricación actuales son las tecnologías que entran en el ámbito de competencia de nanolitografía, que básicamente significa escritura de nano escala e implica un resultado de 2-dimensional. En este sentido, incluso la fotolitografía tradicional utilizado para fabricar chips de ordenador es técnicamente nanofabricación, como el tamaño se mide en función de los cientos de nanómetros. Sin embargo, nanofabricación tiende a referirse a las nuevas tecnicas de corte de borde.

Para fabricar estructuras cada vez más pequeñas se han planteado dos estrategias distintas. La primera consiste en partir de una cantidad apreciable de material e ir eliminándolo poco a poco, de forma semejante a cómo un escultor se va deshaciendo de la roca sobrante

hasta alcanzar el tamaño y forma que desea. A esta opción se le ha denominado método ’descendente’. Es de esta forma como se ha conseguido fabricar los diminutos transistores actuales, cuyas  partes más pequeñas miden unas pocas decenas de nanómetros.  Esta reducción de la materia inorgánica ’dura’, como por ejemplo el silicio de los transistores, se acerca a la nanoescala desde arriba, esculpiendo.

La segunda estrategia es la opuesta a la anterior: partir de los elementos más pequeños posibles (por ejemplo átomos o moléculas) y unirlos hasta formar  sistemas de tamaño nanométrico.  Esta metodología ha sido denominada ’ascendente’.

.

Un buen ejemplo para entender la necesidad de fabricar estructuras cada vez más pequeñas lo encontramos en la industria electrónica.  

HERRAMIENTAS PARA CONSTRUIRNANO-ESTRUCTURAS

APROXIMACION TOP-DOWNLitografía a nano-escalaNano-impresiónNano-manipulación (átomos o moléculas)

APROXIMACIONES BOTTOM-UPAuto-ensamblajeCrecimiento cristalino a nano-escalaSíntesis molecular y biológicaPolimerización

TECNICAS DE FOTOLITOGRAFIAQue es fotolitografía?Nanoimprint Lithography. En diversos sitios del mundo, se desarrollan sensores, transistores y láser con la ayuda de nanotecnología. Estos aparatos apuntan hacía un futuro de electrónica y comunicadores ultra-rápidos, aunque todavía se carece de las técnicas adecuadas de fabricación de los hallazgos logrados en el laboratorio. Simplemente a través de la impresión de una moldura dura dentro de una materia blanda, puede imprimir caracteres más pequeños que 10 nanometros. Esto parece sentar la base para nanofabricación

LITOGRAFIA DE HACES DE ELECTRONES

Longitudes de onda corta•Alta resolucion•λe=h/(2meE)1/2, 1eV→12.3 A•Escritura directa(haz enfocado + scanning)Dificultad para la producción en gran cantidadLimitación física: dispersión electrónicaSubstitución: litografía de ases iónicos enfocados (FIB)

LITOGRAFIA DE RAYOS XLongitudes de onda muy cortas (1-100 A)→ alta resoluciónλfonon = 1.24/E = 1.24/(hv)Ventajas:Puede utilizar modos simples de impresión por proximidadPara produccion en gran cantidadDisponibilidad de mascaras y fotoresistDesventajas:•Fuentes de luz costosas. Ej: radiación de sincrotrón•Dificultad de hacer mascaras de gran tamaño

NANO-LITOGRAFIA DIP PEN

LITOGRAFIA POR NANO-IMPRESION

Pasos experimentales de un proceso de nano-impresión

Preparación de la estampa

Impresión de patrones vía modo-estampa pre-diseñado

CRECIMIENTO CRSITALINO A NANO-ESCALA

TECNICAS DE CRECIMIENTO Physical Vapor Deposition (PVD)

Molecular Beamn Epitaxy (MBE) Chemical Vapor Deposition (CVD) Atomic Layer Epitaxy Crecimiento en la fase liquida

PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD)Generación de flujos atómico/molecular por procesos físicos

MODOS DE CRECIMIENTOTres caminos diferentes para poder crecer capas atomicas

La mayor parte de la comunidad científica ha llegado al convencimiento de que la opción que mayor alcance tendrá en el futuro será la de la  construcción desde abajo, a partir de unidades pequeñas.  Un método ascendente muy prometedor consiste en elegir adecuadamente las fuerzas que actúan a pequeña escala (fuerzas químicas, eléctricas, magnéticas y sofisticaciones de las anteriores que actúan entre átomos y moléculas) para que de forma autónoma se vayan componiendo las nanoestructuras que necesitemos. Esta forma de nanofabricación se denomina ’autoensamblaje’. El auto-ensamblaje es también la opción que ha elegido la naturaleza para fabricar sus componentes biológicos.

Los esquemas muestran cómo se auto-ensambla una nanopartícula magnética para su investigación en aplicaciones biomédicas. La profesora de investigación Soledad Penadés somete esta primera disolución con diferentes moléculas a distintos procesos químicos que disparan las fuerzas de interacción que hace que se unan los átomos de oro y hierro, formando un núcleo inorgánico con una envuelta de material orgánico. La escala nanométrica: el lugar de encuentro en la actualidad

Justo es ahora cuando  dos grandes campos de las ciencias naturales se están encontrando.  Por una parte, se está consiguiendo reducir el tamaño de la materia inorgánica dura, acercándose a la nanoescala desde arriba. Por otra parte, químicos orgánicos y biólogos cada vez están sintetizando y manipulando materia orgánica ’blanda’ (moléculas, polímeros,…) de mayor tamaño, acercándose a la nanoescala desde abajo.

Aunque las estructuras utilizadas en los dispositivos son todavía minerales (semiconductores, cerámicas, metales, óxidos), los sistemas más fiables y de  mejor

rendimiento  son aquellos que se encuentran en los  organismos vivos. Ahora que las dimensiones de trabajo de ambos campos están convergiendo, se está empezando a considerar el incluir las estructuras y dispositivos inspirados por la sabia naturaleza en soluciones a problemas de importancia para la sociedad actual.

Problemas con el de arriba hacia abajoproceso• El costo de las nuevas máquinasy la habitación limpiaentornos creceexponencialmente con los nuevostecnologías.• Los límites físicos de lafotolitografía sonconvertirse en un problema.• Con más pequeñas geometríasy convencionalmateriales, el calordisipación es un problema

Enfoque de abajo arriba• Lo contrario de lade arriba hacia abajo.• En lugar de tomarmaterial lejos dehacer que las estructuras, elenfoque de abajo arribaselectivamente añadeátomos para crearestructuras.

Aplicaciones de la asamblea del uno mismoproceso de Auto-emsamblaje de auto-organizaciónla deposición de silicio nanopuntos.La formación de los nanocables.transistores de nanotubos.auto-ensambladomonocapas.de nanotubos de carbonointerconexiones.