ES2287719T3 - Procedimiento para la produccion de un dispositivo por capas micromecanizado. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado que comprende una capa de membrana y una primera capa en un lado de la capa de membrana y una segunda capa en el lado opuesto de la capa de membrana, en el que el procedimiento comprende las etapas siguientes: a) se aplica una capa de membrana en un sustrato; b) se abre una ventana en el sustrato para liberar la capa de membrana con el fin de permitir la adición de capas desde los dos lados de la capa de membrana mientras que el sustrato es formado en un marco que soporta la capa de membrana durante el procesamiento; c) por lo menos se añade una capa en cada lado de la membrana bien simultáneamente o bien un lado cada vez; d) el dispositivo es extraído y retirado del marco del sustrato.

Description

Procedimiento para la producción de un dispositivo por capas micromecanizado.

Campo técnico

La invención se refiere a un procedimiento para la producción de un dispositivo por capas micromecanizado que comprende una capa de membrana y una primera capa en un lado de la capa de membrana y una segunda capa en el lado opuesto de la capa de membrana.

Antecedentes de la invención

La fabricación por lotes de dispositivos muy pequeños, como dispositivos electrónicos, sensores y actuadores puede estar basada en los sistemas de manipulación de obleas, donde la oblea funciona como un sustrato sobre el cual es fabricado el dispositivo durante las etapas de producción. La producción de tales dispositivos es realizada principalmente utilizando un procedimiento de apilado. El dispositivo es construido apilando capa sobre capa. Cada capa puede ser de diferente material, tener un espesor diferente y puede ser continuo sobre el dispositivo o estar confinado lateralmente. La forma lateral de la capa puede definirse mediante la inclusión de una etapa de estampado basada en tecnologías de microfabricación y fotolitografía estándar. Las etapas normales del proceso de microfabricación son por ejemplo la difusión de iones, oxidación, deposición de material usando por ejemplo recubrimiento centrífugo, procedimientos de deposición físicos y químicos, eliminación de materiales usando por ejemplo procedimientos de grabado húmedo o seco. Para una visión de conjunto de tales procedimientos consúltese G.T.A. Kovacs, K. Petersen y M. Albin "Silicon micromachining; Sensors to systems", Analytical chemistry, 1996, 68, p. 407A-412A. En la última etapa el dispositivo puede retirarse del sustrato. Los procedimientos normales son el corte y la capa de sacrificio. También se usa un procedimiento conocido como "adhesión diferencial".

En el corte, el dispositivo, tal como circuitos integrados (chip de ordenador) que ha sido construido en una oblea de silicio, a continuación es cortado utilizando una sierra. En este caso el sustrato se convierte en una parte del producto. Esto puede ser una desventaja, ya que las propiedades adecuadas para que un material soporte un dispositivo durante el procesamiento no coinciden necesariamente con las propiedades requeridas para el dispositivo final.

El procedimiento de la capa de sacrificio usa una capa de sacrificio intermedia entre el sustrato y el dispositivo. El dispositivo se construye sobre la capa de sacrificio. A continuación, el dispositivo es retirado del sustrato eliminando la capa de sacrificio, por ejemplo, disolviendo la capa usando un gel grabador o solvente adecuado. Estos geles grabadores o solventes pueden dañar las capas del dispositivo. También, el proceso de eliminación puede llevar horas para dispositivos de gran área.

El procedimiento de adhesión diferencial está basado en la pobre adhesión entre la capa superior del sustrato y la capa inferior del dispositivo. El dispositivo se construye utilizando las etapas de microfabricación indicadas anteriormente. Como última etapa en la producción el dispositivo es retirado del sustrato, desprendiéndolo del mismo. La técnica de la adhesión diferencial se describe en la patente US 6.103.399.

Sin embargo, todos los procedimientos de producción anteriores tienen la desventaja de que estos procesos son procesos de abajo hacia arriba. Sólo una cara está disponible para el procesamiento. Las capas se añaden una sobre la otra en una cara del dispositivo. Esto significa que los materiales sensibles que se añaden en la parte inferior de los dispositivos podrían ser dañados por sustancias químicas durante el procedimiento. Debido al diseño del dispositivo, estas capas no pueden ser añadidas en una etapa posterior en el procedimiento, ya que esto significa que estarán en la parte superior del dispositivo. La inversión de las etapas del procedimiento, es decir, empezando con las "capas superiores" en el sustrato no siempre es posible. Es por ejemplo el caso para los procedimientos tales como la galvanización y la electropolimerización donde se necesita una capa semilla conductora de electricidad. El dispositivo sólo puede construirse como un sustrato/capa semilla/capa galvanizada y no viceversa.

Resumen de la invención

Por lo tanto es un objeto de la invención resolver los problemas descritos anteriormente.

Los problemas se resuelven mediante el procedimiento según la invención que comprende las siguientes etapas:

a) una capa de membrana es aplicada en un sustrato.

b) se abre una ventana en el sustrato de manera que se libera la capa de membrana con el fin de permitir la adición de capas desde ambos lados de la capa de membrana mientras que el sustrato se convierte en un marco que soporta la capa de membrana durante el procesamiento;

c) por lo menos una capa es añadida en cada lado de la membrana simultáneamente o en un lado cada vez;

d) el dispositivo es cortado y retirado del marco del sustrato.

El término membrana se refiere a una fina película de una o más capas de material que en algún momento durante el proceso cuelga libremente entre las partes del sustrato y es accesible para el procesamiento desde ambos lados.

La expresión dispositivos por capas se refiere no sólo a productos que comprenden varias capas de película fina sino también a dispositivos que comprenden otros componentes no continuos diferentes a películas, tales como estructuras estampadas lateralmente.

El procedimiento según la invención hace las dos caras del dispositivo accesibles para el procesamiento. De esta manera puede tener lugar una mayor libertad de elección del procesamiento. Las capas de material que son sensibles a las sustancias químicas usadas en el proceso pueden ser depositadas en una etapa posterior.

Una ventaja adicional del procedimiento según la invención es que la invención hace posible el corte del dispositivo sin procesamiento adicional, por ejemplo grabadores.

Otra ventaja del procedimiento según la presente invención es que el sustrato no forma parte del dispositivo final. Según el procedimiento el dispositivo es recortado del marco de soporte. Esto es una ventaja sobre la técnica anterior, ya que un dispositivo que comprende el sustrato cuando está siendo usado sería tan grueso que el dispositivo posiblemente no funcionaría.

Todavía otra ventaja del procedimiento según la presente invención es que el procedimiento es adecuado para la fabricación por lotes de dispositivos frágiles.

Pueden usarse diferentes procedimientos para realizar la etapa b) del procedimiento que incluye cualquiera de los procedimientos siguientes: ablación por láser, grabado químico húmedo, disolución y grabado seco incluyendo grabado por iones reactivos y grabado por pulverización de iones.

Pueden usarse diferentes procedimientos para realizar la etapa d) de entre los procedimientos que incluyen cualquiera de los procedimientos siguientes: grabado químico húmedo, grabado seco incluyendo grabado de iones reactivos y grabado por pulverización de iones, corte/serrado, corte con tijeras o cuchillo, ablación láser, o punzonado.

La etapa d) se puede dividir en dos etapas, en las que el dispositivo es parcialmente extraído en una primera etapa, a continuación es activado, seguido de una etapa en la que el dispositivo es extraído completamente del sustrato. La etapa d) puede ser también una acción de una etapa, después de la cual el dispositivo es activado en una etapa siguiente e) después de la extracción del dispositivo.

El procedimiento puede comprender etapas adicionales además de las etapas a) a d). Por ejemplo, una etapa de estampado para alterar las dimensiones laterales de una capa añadida, usando por ejemplo fotolitografía o litografía blanda.

El sustrato puede ser de material polimérico, material semiconductor, por ejemplo silicio o metal, incluyendo aleaciones, como el titanio, acero inoxidable. Otros materiales como el vidrio también son adecuados para la capa del sustrato.

Las capas del dispositivo, es decir, todas/cualquiera de las capas del dispositivo final, la capa de membrana y las capas añadidas posteriormente, pueden estar realizadas en materiales diferentes elegidos en función del uso. Por ejemplo, las capas del dispositivo pueden consistir en capas de metales, óxidos metálicos o una aleación de metales, incluyendo oro, platino, titanio, acero inoxidable, óxidos de aluminio y una aleación de níquel-titanio. También pueden usarse cerámicas, como hidroxiapatita, como capa del dispositivo. Otros materiales adecuados para las capas del dispositivo son los polímeros conductores, incluyendo pirrol, anilina, tiofeno, polímeros fenilen, parafenilen y vinilen y copolímeros de los mismos, incluyendo formas sustituidas de los diferentes monómeros.

También los polímeros tales como la poliimida, poliamida, poliuretano, politetrafluoroetileno, polidimetilsiloxano (caucho de silicio), polimetilmetacrilato, poliésteres, policloruro de vinilo, y polietileno, incluyendo copolímeros y formas sustituidas de los diferentes monómeros de los mismos, epoxis y resinas resultan adecuados como capas del dispositivo.

La invención se refiere asimismo a un dispositivo producido mediante el procedimiento anterior en el que el dispositivo es un microactuador. Esto significa que es un actuador que tiene una dimensión lateral en la escala del micrómetro al centímetro y un espesor en la escala del nanómetro al milímetro.

Preferentemente, pero no necesariamente, las etapas del procedimiento a) a d) se realizan en orden alfabético.

Según una forma de realización de la invención la capa de membrana del dispositivo es depositada en el sustrato. A continuación, el sustrato es eliminado selectivamente, por ejemplo, mediante grabado químico húmedo, bajo la capa de membrana sobre un área que por lo menos es ligeramente más grande que el tamaño del dispositivo final. Ahora, la membrana cuelga libremente en el marco de soporte del sustrato y es accesible desde ambos lados para un procesamiento adicional, tal como la adición de una o más capas en cualquiera de los lados o en ambos lados. En la última etapa el dispositivo es retirado del marco.

Descripción de las figuras

La Figura 1 muestra de manera esquemática las etapas de producción según una forma de realización de la invención.

La Figura 2 muestra un dispositivo después de ser retirado del sustrato y el dispositivo en un estado activado.

La Figura 3 muestra de manera esquemática las etapas de producción según una segunda forma de realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

La Figura 1 da a conocer una forma de realización de la invención. En la Figura 1 las etapas de producción se muestran de manera esquemática. A modo de ejemplo, se muestra el procedimiento de producción de un actuador de polímero electroactivo. Sin embargo, la invención no está limitada a la fabricación de dichos dispositivos.

A modo de sustrato 1, se usa una lámina gruesa de titanio. El sustrato puede ser de diferentes configuraciones, como obleas, piezas, láminas y discos y de diferentes materiales incluyendo metales, semiconductores, plásticos y vidrio. Asimismo, el sustrato puede estar formado en otras configuraciones, siempre que se cumplan los parámetros que lo permitan. Supóngase que hay un área plana en el sustrato para la adición de capas. El sustrato 1 exhibe un primer lado A y un segundo lado opuesto B. En el lado A del sustrato 1, se deposita una capa de membrana 2 de oro usando por ejemplo evaporación térmica o pulverización de iones (Figura 1A). A continuación, se deposita una capa de material fotorressistivo 3 en una manera convencional en ambos lados del sustrato 1 (Figura 1B). Usando fotolitografía estándar, se abre un patrón en el lado B del sustrato 1 (Figura 1C). A continuación, el sustrato de titanio 1 es grabado químicamente en húmedo. El sustrato 1 es grabado hasta que se alcanza la capa de oro 2. Ahora, se ha fabricado una membrana de oro, que puede ser procesada en cualquiera o en ambas caras (Figura 1D). Con el fin de realizar el dispositivo actuador, el procesamiento del dispositivo es continuado en el lado B del sustrato 1 mientras que la capa fotorresistiva de protección 3 en el lado A no es retirada. Esta capa de material fotorresistivo 3 protegerá el lado A durante el procesamiento del lado B. Una capa de polipirrol 4 es depositada en el lado B de la capa de oro 2 usando electropolimerización a partir de un electrolito acuoso que contiene monómeros de pirrol y una sal (Figura 1E).

La capa fotorresistiva de protección 3 es retirada (Figura 1F) y se deposita una capa de polímero estructural 5 en el lado A, por ejemplo usando recubrimiento centrífugo (Figura 1G).

Ahora el actuador 6 está finalizado y puede extraerse del sustrato 1 en su forma lateral final (Figura 1H). Esto puede llevarse a cabo por ejemplo usando grabado químico húmedo, grabado de iones reactivos, serrado, corte con tijeras o cuchillo, ablación por láser o punzonado. La Figura 1I muestra el dispositivo finalizado extraído.

La Figura 2 muestra como se activará el actuador 6 cuando ha sido extraído y retirado del sustrato 1. En la Figura 2A el actuador 6 está en su estado recién producido e inactivo. En la figura 2B el actuador ha sido activado y está en un estado plegado. Este tipo de actuador es activado electromecánicamente. Puede encontrarse más información acerca de estos actuadores de polímero electromecánicos en E. Smela, "Microfabrication o PPy microactuators and other conjugated polymer devices", J. Micromech. Microeng., 1999, 9(1), pp. 1-18.

El esquema del proceso descrito anteriormente es un ejemplo de la fabricación de un dispositivo, en este caso un actuador de polímero electromecánico. El procedimiento no está limitado al proceso de fabricación de un actuador de 3 capas. Los expertos en la materia reconocen que son posibles otras combinaciones. Las capas 2, 4 y 5 pueden, cada una de ellas, comprender varias capas, materiales o espesores. Las capas 4 y 5 no tienen que ser capas continuas sino que pueden también comprender estructuras estampadas por ejemplo elementos con forma de viga o barra. Las estructuras se pueden añadir en cualquiera de los lados o en ambos lados. La Figura 3 muestra un ejemplo de un dispositivo de este tipo. En este caso se usan cuatro materiales, siendo dos de ellos estampados. No se muestran las etapas de fabricación de la membrana, pero pueden realizarse de una manera que se corresponde a la mostrada en las Figuras 1A a 1D, en las que el material fotorresistivo ha sido eliminado, es decir, la estructura mostrada en la Figura 1D pero sin el material fotorresistivo es el punto de partida en la Figura 3A. Después de la fabricación de la membrana, se depositan estructuras estampadas 7 de un cuarto material en el lado A de la membrana (Figura 3A). A continuación, se deposita una segunda capa 4 en el lado B (Figura 3B), seguido por una tercera capa estampada 5 en el lado A (Figura 3C). Finalmente, el dispositivo 8 es extraído del sustrato 1 (Figura 3D). La Figura 3E muestra el dispositivo finalizado 8, que puede ser usado fuera del sustrato.

La adición de materiales al dispositivo puede realizarse en un lado cada vez como se muestra en la Figura 1 y la Figura 3, pero también en ambos lados simultáneamente. Algunos procedimientos de deposición, como la deposición electromecánica en un sustrato conductor, requieren que cuando se procesa un único lado, el otro lado esté protegido con el fin de no depositar también en ese lado. Por ejemplo, una capa de material fotorresistivo podría ser usada para este fin como se muestra en la Figura 1D y la Figura 1E. Otros procedimientos de deposición, incluyendo el recubrimiento centrífugo y la deposición física por vapor, solo cubren un lado y no necesitan dicha capa de protección, como se muestra en las Figuras 1F a 1G. La secuencia de los lados a los que se añaden los materiales no es importante para el procedimiento, pero depende de los parámetros del proceso como los materiales a añadir, el dispositivo y los procedimientos de producción. Podrían depositarse todos los materiales primero en un lado y finalizar en el otro lado, o depositar en cada lado alternadamente. El término alternadamente se refiere a que una o varias capas son depositadas en un lado y a continuación en el otro lado.

En otra forma de realización de la invención el dispositivo, por ejemplo un microactuador, es fabricado según la etapa "a" a la "c" (Figura 1A a 1G). A continuación el dispositivo es extraído parcialmente seguido por un procesamiento adicional. A continuación, el dispositivo es extraído completamente y de esta manera es retirado del sustrato. Ahora que el dispositivo ha sido retirado de su marco de soporte, puede ser usado como se pretendía, por ejemplo como un microactuador. Una ventaja de este procedimiento es que varios microactuadores pueden ser activados en una acción.

En la figuras se muestra la fabricación de un dispositivo. El procedimiento incluye la fabricación por lotes de muchos dispositivos de ese tipo simultáneamente teniendo muchos dispositivos de este tipo en un único sustrato. Los dispositivos que se fabrican simultáneamente pueden ser idénticos o diferentes.

Claims (13)

1. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado que comprende una capa de membrana y una primera capa en un lado de la capa de membrana y una segunda capa en el lado opuesto de la capa de membrana, en el que el procedimiento comprende las etapas siguientes:

a) se aplica una capa de membrana en un sustrato;

b) se abre una ventana en el sustrato para liberar la capa de membrana con el fin de permitir la adición de capas desde los dos lados de la capa de membrana mientras que el sustrato es formado en un marco que soporta la capa de membrana durante el procesamiento;

c) por lo menos se añade una capa en cada lado de la membrana bien simultáneamente o bien un lado cada vez;

d) el dispositivo es extraído y retirado del marco del sustrato.

2. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según la reivindicación 1 en el que la etapa b) se realiza mediante cualquiera de los procedimientos siguientes: ablación por láser, grabado químico húmedo, solvación, grabado seco incluyendo grabado por iones reactivos y grabado por pulverización de iones.

3. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que la etapa d) es realizada mediante cualquiera de los procedimientos siguientes: grabado químico húmedo, grabado por iones reactivos, corte/serrado, corte con tijeras o cuchillo, ablación por láser o punzonado.

4. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que las etapas a-d pueden comprender una etapa de estampado, para alterar las dimensiones laterales, usando por ejemplo fotolitografía o litografía blanda.

5. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el sustrato está realizado en un material polimérico, material semiconductor como silicio, metal como el titanio y una aleación como acero inoxidable o vidrio.

6. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el procedimiento puede incluir la adición de capas adicionales en el que cualquiera de las capas, incluyendo la capa o las capas de membrana, pueden comprender una capa de un metal, óxidos de metal, o una aleación de metales, incluyendo oro, platino, titanio, acero inoxidable, óxido de aluminio y una aleación de níquel-titanio. También pueden usarse cerámicas como hidroxiapatita como capa del dispositivo.

7. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el procedimiento puede incluir la adición de capas adicionales en el que cualquiera de las capas, incluyendo la capa o las capas de membrana pueden comprender una capa de un polímero conductor, incluyendo pirrol, anilina, tiofeno, polímeros fenilen, parafenilen y vinilen y copolímeros de los mismos, incluyendo las formas sustituidas de los diferentes monómeros.

8. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el procedimiento puede incluir la adición de capas adicionales en el que cualquiera de las capas, incluyendo la capa o las capas de membrana pueden comprender una capa de un polímero que incluye poliimida, poliamida, poliuretano, politetrafluoroetileno, polidimetilsiloxano (caucho de silicio), polimetilmetacrilato, poliésteres, policloruro de vinilo y polietileno incluyendo los copolímeros y las formas sustituidas de los diferentes monómeros de los mismos, epoxis, resinas y compuestos.

9. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la primera etapa realizada a) comprende la deposición de la primera capa del dispositivo en la capa de sustrato; a continuación, en la etapa b) retirándose selectivamente el sustrato, por ejemplo, mediante grabado químico húmedo, bajo la primera capa sobre un área que por lo menos es ligeramente mayor que el tamaño del dispositivo final; a continuación, en la etapa c) cuando la membrana cuelga libremente en el marco de soporte del sustrato y es accesible desde los dos lados para el procesamiento adicional, además por lo menos una capa es añadida en cada lado de la membrana bien simultáneamente o bien en un lado cada vez; a continuación en la etapa d) el dispositivo es retirado del marco.

10. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la etapa d) es dividida en dos etapas, en las que el dispositivo es extraído parcialmente en una primera etapa, a continuación activado, seguido de una etapa en la que el dispositivo es extraído completamente del sustrato.

11. Procedimiento para producir un dispositivo por capas micromecanizado según las reivindicaciones 1 a 9 en el que el dispositivo es un actuador y en el que el procedimiento comprende una etapa e) en la que el actuador es activado a continuación de la etapa d).

12. Dispositivo producido mediante el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Dispositivo según la reivindicación 12 en el que el dispositivo es un microactuador.