SE508968C2 - Förfarande för att göra elastiska kulor - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 508 968 US patent 5.064.583, al, beskriver ett förfarande för att anbringa silan släppskikt. Emellertid John J. Dagostino et. är omgivningen under anbringandet inte begränsad till att va- ra fritt från fukt, varvid formbara skikt inte produceras.

Den europeiska patentskriften 0 244 884 Al, Ponjèe Jo- hannes Jacobus, beskriver ett förfarande för att föra mycket tunna släppskikt av vattenfritt anbringad silan, men nämner inte gjutningar med Si med etsade V-spår.

Sammanfattning Uppfinningen har löst problemet med att gjuta mikrome- terstora elastiska konstruktioner med hjälp av en mikroma- skinbearbetad Si-gjutform.

Uppfinningen används för produkter inom områdena elek- tronik och opto-elektronik för elektriska och optiska kon- taktdon och mekanisk inriktning av komponenter.

Där finns också andra tillämpningsområden som erfordrar små elastiska konstruktioner med hög precision.

Uppfinningen beskriver en reproducerbar gjutteknik för att åstadkomma elastiska bulor som en perfekt återgivning av gjutformen. Spåren kan ha en 5-hörns pentaeder eller pyramid- form och bulorna kan ha en trunkerad 5-hörns pentederform el- ler trunkerad pyramidform. Gjutformen är gjord av ett eller flera spår etsade i en kiselskiva av samma typ som används vid tillverkning av IC-kretsar, med hjälp av spår etsade i en polerad sida. Ett släppmedel används, eftersom i annat fall vidhäftar elastomeren, typiskt en silikonelastomer, mycket starkt pá gjutformens yta under härdning. Släppmedlet kan va- ra exempelvis "Parylene” eller silan. När släppmedlet har an- 10 15 20 25 30 35 5os 96s bringats på gjutformen adderas den flytande icke-härdade elastomeren på gjutformen och härdas i en ugn.

Uppfinningen kan använda ett beläggningsförfarande och material för att åstadkomma ett släppmedel, som bildar ett synnerligen formbart skikt på gjutformens yta, varigenom de nanometer stora detaljerna hos topografin och gjutformens to- tala mått bevaras. Genom att använda en ovan beskriven gjut- form är det möjligt att göra elastiska bulor med mycket pre- cision. De kan gjutas till en separat konstruktion eller på de flesta substrat.

En fördel hos uppfinningen är att den använder kända ma- terial och beläggningsförfaranden för att bilda extremt form- bara skikt på Si-gjutformen så att elastomeren inte vid- häftar.

En annan fördel hos uppfinningen är att släppskiktet är extremt formbart.

En ytterligare fördel hos uppfinningen är gjutningen av mikrometerstora konstruktioner.

En ytterligare fördel hos uppfinningen är att de elas- tiska bulorna utgör en perfekt återgivning av gjutformen.

En ytterligare fördel hos uppfinningen är att det är lätt att göra i ordning släppskiktet på gjutformen.

En ytterligare fördel hos uppfinningen är att samma gjutform kan återanvändas.

Uppfinningen beskrivs nu vidare med hänvisning till den detaljerade beskrivningen av de föredragna utföringsformerna och de bifogade figurerna. 10 15 20 25 30 508 968 Kortfattad figurbeskrivning Fig. 1 visar ett tvärsnitt av en typisk gjutform med spår.

W Fig. 2 visar ett tvärsnitt av elastiska bulor gjutna på ett substrat.

Fig. 3a-b visar tvärsnitt av alternativa elastiska bulor gjutna på ett substrat.

Fig. 4 visar i ett tvärsnitt en alternativ struktur av fristående elastiska bulor.

Fig. 5a-f visar vyer ovanifrån av olika elastiska bulor.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer Uppfinningen löser problemet med att bearbeta en mikro- maskinbearbetad Si-gjutform, som formar konstruktioner eller bulor av elastomer med en màttnoggrannhet under mikrometerom- rådet, dvs en perfekt återgivning av den använda gjutformen, och kan lätt separera bulorna från gjutformen.

En gjutform 100 används för att tillverka de elastiska bulorna, se fig. 1. Den iordninggjorda gjutformen 100 är gjord är en mikromaskinbearbetad Si-skiva. Spåren i gjutfor- men 100 har gjorts på traditionellt sätt. En etsningsmask an- vänds för att göra spåren 104, 106. Beroende på etsningsmas- kens öppningsstorlek bestäms djupet och formen på spåren 104, 106, som i sin tur bestämmer storleken och formen på bulorna 202, 204, fordras ett släppmedel, se fig. 2. Innan silikon-elastomeren anbringas er- eftersom elastomeren, vanligtvis en silikon-elastomer, vidhäftar mycket kraftigt på gjutformens 10 15 20 25 30 s 508 968 100 yta under härdningen. Släppmedlet kan vara Parylene eller silan, som bildar ett släppskikt 118 som är formbart över ytan. När släppmedlet har anbringats på gjutformen 100 adde- ras den flytande icke-härdade elastomeren på gjutformen och härdas i en ugn. Bulorna 202, 204 kan bildas genom etsning av gjutformen 100, antingen så att bulorna separat bildar en tunn separat struktur, med bulorna på en eller två sidor/s, se fig. 3, eller så görs bulorna på ett godtyckligt substrat, se fig. 2.

En mer detaljerad beskrivning av hur bulor tillverkas följer nedan. Mycket väldefinierade rektangulära eller fyr- kantiga spår 104, 106 kan göras i en enda kristallin kisel- skiva, om den etsas anisotropiskt, exempelvis i (100), (110), (lll) de önskade elastiska bulorna. Ett etsningsförfarande är an- skivor. Spàrens storlek och form är exakt densamma som isotropisk etsning och användningen av (100) riktade skivor.

Mikromaskinbearbetning av spår 104, 106 i kiselskivor, och andra enskilda kristallmaterial, med anisotropisk etsning, utgör välkänd teknik. Den använda etsmasken kan bestå av ett skikt av Sign (~1600Å) och ett mellanliggande skikt av SiO2 <~5soÅ) etsmedel är 4M-lösningen KOH, etshastigheter för de tre huvudkristallriktningarna (100) (110) (111), är 100 160 : 1. 85°C. Det tar ungefär åtta timmar att etsa genom en (100) för att minska spänningar i nitriden. Ett ofta använt för vilken typiska relativa Etsningen genomförs vid 75- skiva, 2 500um tjock. Användningen av (100) riktade skivor alstrar V-spår, vars sidoväggar 110-116 åstadkommes i spåren 104, 106 i (111) plan, som har en vinkel a om 54,7° i för- hallande till en yta vinkelrät mot (100) skivan. Spårens 104, 106 bredd och läge på skivan bestäms av öppningarna i den etsmask som tillverkats genom standarprocesser för elek- tronisk produktion vid en upplösning under mikrometerområdet. 10 15 20 25 30 508 968 6 Reproducerbarheten hos masklitografi och kiseletsning är mycket hög. 204 pá som är repliker av de ovan tillverkade I fig. 2 visas mycket väldefinierade bulor 202, ett substrat 206, spåren 104, 106, gjutformen 100 har gjorts,användssläppmedlet så att det se fig. 1. Följande förfarande används. När elastiska materialet inte vidhäftar på gjutformens 100 yta.

Detta gör gjutformen 100 àteranvändningsbar. Varje gång bul- orna 202, 204 tillverkas har de samma konstruktion som tid- igare bulor gjorda av samma gjutform 100. Konstruktionen 208 som innefattar bulorna 202, 204 har exakt samma utformning, med samma mått och avstånd från varandra som i gjutformen 100. det nödvändigt att avlägsna damm och andra partiklar fràn Innan släppmedlet anbringas pà gjutformens 100 yta är ovannämnda yta. Ett mycket tunt oxidskikt blir kvar pà ytan.

Därefter doppas gjutformen 100 i en etanolvätska, som har en liten mängd silan. Silanen bildar en mono-skiktyta på gjut- formen 100, Den bildar ett mycket tunt och formbart skikt 118 genom tillväxt. Ett annat sätt att som utgör släppmedlet. anbringa släppmedlet är att använda ett gasfas-beläggnings- förfarande. Nästa steg är att täcka gjutformen 100 med en härdbar elastisksammansättning, samtidigt som tjockleken styrs genom tryckning, skrapning eller sprutning. Därefter trycks gjutformen 100 och substratet 206 ihop. Beroende pà komplexiteten hos den struktur som skall gjutas, kan luft- bubblor bli kvar i elastomeren under beläggningen. Sådana eventuella bubblor kan avlägsnas genom att placera paketet i vacuum före härdning. Det är också möjligt att inrikta sub- stratet i förhàllandetill gjutformen för att åstadkomma bulor vid en specificerad plats pä substratet. Paketet kan sedan placeras i en ugn vid en förhöjd temperatur för att härda sammansättningen, vanligtvis vid l50° under 2 timmar. Det elastomeriska materialet formas genom härdning efter spåren 104, 106 i gjutformen 100. Efter härdning separeras struk- 10 15 20 25 30 v 508 968 turen 208 från gjutformen 100. Om ett styvt substrat används måste separeringen genomföras i vakuum på grund av samman- sättningens lufttäta passning med gjutformen 100. För specifika tillämpningar kan substratet 206 vara gjort av elastiskt material, som underlättar separeringen. Dessutom kan gjutformen vara konstruerad så att bulorna 202, 204 får spetsar 302, 304, istället för att vara trunkerade. Andra möjliga konstruktioner av bulor visas i se fig. 3a, fig. 3b. Bulkonstruktionerna är inte begränsade till de som visas i fig. 2 till fig. 5.

Andra typer av högprecisionskomponenter kan göras i delar med bulor genom att använda en två delar; bulor på ett styvt eller flex- ordning: fristående gjutform i en eller ibelt substrat genom att anbringa silikonelastomeren mellan gjutformen och substratet. Användningen av det flexibla sub- stratet, såsom en polymerfolie förenklar separeringen från gjutformen, i synnerhet i fallet med komponenter över ett stort område. När så erfordras möjliggör uppfinningen iord- ningsställandet av substratet med elastomerbulor och ett mycket tunt silkonskikt mellan bulorna. Den icke-härdade elastomeren är i detta fall tryckbelagd på gjutformen, vilket möjliggör en styrd elastomertjocklek. Substratet placeras sedan ovanpå elastomerskiktet (eventuella luftbubblor kan avlägsnas med vakuum) före härdning.

Såsom nämnts ovan vidhäftar elastomerer mycket starkt på silikon och följaktligen används en mycket speciell ytbehand- ling med släppmedel för att möjliggöra separering av den här- dade silikonelastomeren från gjutformen 100. För detta ända- mål innefattar uppfinningen två alternativa förfaranden, si- lan-förfarandet och Parylen-förfarandet. Båda resulterar i en kemiskt inert yta med làg ytenergi fràn vilken silikonelasto- meren lätt kan avlägsnas. lO 3.5 20 25 30 508 968 a Silanförfarandet använder förmågan att bilda ett själv- (SAM) Innan silan anbringas pà kiselgjutformen 100, måste den ren- HCl monterat mono-skikt av silan på en yta oxiderat kisel. göras, exempelvis i två kända steg med H;O2, NH; och H2O2, lösningar, vilket ger ett tunt skikt av oblandad oxid. Gjut- formen behandlas därefter i silan, exempelvis 1% dimetyl-dik- lorsilan lösning, med etanol som lösningsmedel och rengörs därefter i etanol, där den också kan lagras före användning.

Det resulterande släppmedelsskiktet består av ett mono-skikt av silanmolekyler som ligger nära varandra på ytan förhind- rande silikonelastomeren från att vidhäfta pà gjutforemen.

Efter gjutning kan gjutformen återanvändas eller om-silaneras för att åstadkomma ett nytt släppmedelsskikt fritt från even- tuell mekanisk skada.

Det kommersiellt tillgängliga Parylene-förfarandet àsta- kommer en extremt formbar poly-para-xylylen beläggning, som enhetligt täcker spàrens kanter och undersidor. Den yta som skall beläggas, och som hålls vid rumstemperatur, utsätts för monomeránga, para-xylylen vid 0,1 Torr, som kondenseras och polymeriseras pà alla ytor som utsätts för gasen, under reak- tionen: Smälttemperaturen är 405°C, vilken möjliggör elastome- CH; = CH; _) f “CHg " 'CH^_>"] rens härdning, och där finns många andra goda egenskaper, så- som hög kemisk motstàndskraft. Parylene-skikt av godtycklig tjocklek kan göras i ordning, och för att fungera som släpp- medel behövs bara ett mycket tunt skikt. Emellertid ger àstadkommandet av en tjocklek om några tiondelar av en mikro- meter en god mekanisk stabilitet för upprepad användning av samma gjutform. 10 15 20 25 30 35 9 508 968 Naturligtvis kan inte bara silan eller Parylene användas som släppmedel. Exempelvis kan varje lämpligt självmonterat monoskikt med en icke-reaktiv spets användas.

I fig. 3 visas sidovyn av olika bulor, som kan vara gjorda på substratet 206. I en första uppsättning 300 har 304, V-formade bulor. strukturen 208 bulor 302, som är utformade som ett upp och nedvänt V, I fig. 3b visas en andra upp- sättning 312 med strukturen 208 och bulorna 314, 316, som är utformade som stift. Naturligtvis måste formen för att göra spår ha exakt samma form som bulorna i dessa figurer. Att förbereda gjutformen är något annat än att göra den första 304. som i fig. 1, uppsättningen 300 av bulor 302, Istället för att stoppa etsningen innan den når botten, fortsätter ets- ningen till de båda lutande väggarna 110-116 anligger mot varandra. Hos nästa uppsättning med 312 med bulor 314, 316 måste gjutformen göras av en <1l0> skiva.

I fig. 4 visas bulor gjorda på båda sidor om strukturen 208. Detta åstadkoms genom att använda exakt samma förfarande som beskrivs ovan, men innan silikonelastomeren härdas an- vänds en liknande eller en annan gjutform, på samma sätt som ovan, ovanpå elastomerskiktet. Den liknande gjutformen kan hal samma form som gjutformen 100, fig. 1, eller ha en annan form för att bilda spåren. Efter härdning avlägsnas de två formar- na. Strukturen 208 har bildat en uppsättning bulor 402-408, som bildar en fjärde uppsättning 400.

I fig. 5a-c visas vyn ovanifrån av de fyrkantiga bulorna 202, 302 och 314 och i fig. Sd-f visas en vy ovanifrån av rektangulära bulor 202, 302 och 314.

Ovannämnda strukturer och former av bulorna är inte be- gränsade till de som har beskrivits. De kan ha andra struktu- rer och former, som inte visas. 10 15 20 25 508 968 10 Ett annat förfarande för att åstadkomma föredragna bulor och de föredragna spåren är att använda fotolitografisk mask- ning inriktad med redan existerande strukturer, exempelvis, lasrar eller IC-kretsar. Innan de har separerats görs spåren genom antingen anisotropisk etsning eller något liknande för- farande. Liknande, men speglade spår görs av liknande eller något annat material, som används som en gjutform. Antingen denna gjutform, eller den del på vilken de elastiska bulorna fästes, täcks sedan med elastiskt material i dess för-härdade form, varefter denna del och gjutformen trycks ihop i vakuum.

Härigenom fyller det elastiska materialet spåren i gjutfor- men. Efter detta härdas det elastiska materialet med värme, eller eventuellt ljus, om gjutformen eller delen släpper ige- nom härdningsljus, och till slut skiljs gjutformen från det elastiska materialet.

Den ovan beskrivna uppfinningen kan utformas på ytterli- gare andra specifika sätt utan att avvika fràn uppfinningens anda eller väsentliga egenskaper. Följaktligen skall dessa utföringsformer i alla avseenden betraktas som illustrativa och är inte begränsande, där uppfinningen ram indikeras av de bifogade kraven, istället för av ovanstående beskrivning, och alla förändringar som faller inom betydelsen och motsva- righeten till kraven är följaktligen avsedda att falla inom ramen för dessa.

Claims (1)

10 15 20 25 30 1. ll 508 968 Patentkrav Förfarande för att tillverka bulor av en skivgjutform med spår innefattande stegen att: anbringa ett släppmedel på gjutformen, kännetecknat av att förfarandet innefattar ste- gen att: (100) yta fràn damm och andra partiklar; anbringa släppmedelskiktet (118), där det bildar rengöra gjutformens ett självmonterande monoskikt; anbringa en härdbar elasto- mer för att bilda en elastomerisk struktur (208) pà gjut- formen; härda gjutformen och strukturen; och separera strukturen från gjutformen. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att rengöringen först med PQOZ och NH3, och sedan med Hgh utförs i två steg: och HCl lösningar. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att anbringandet av släppmedelsskiktet (118) har följande steg: gjutformen (100) sätts på en vattenfri dimetylklorsilan lösning, och rengörs sedan med etanol. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att anbringande av släppskiktet (188) har följande steg: gjutformen (100) utsätts för gas, en monomerànga av para-xylylen; po- lymerisera alla ytor som utsätts för gasen; härda vid en smälttemperatur om ungefär 400°C bildande en formbar poly- para-xylen beläggning. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att förfarandet för anbringning pà den härdbara elastomeren kan vara genom tryckning, skrapning eller sprutning. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att den härdbara elastomeren kan vara en silikonelastomer. 7. 5 8 10 508 968 12 Förfarande enligt något av ovanstående krav, kännetecknat av att förfarandet innefattar steget att anbringa ett sub- strat (206) på strukturen (208) före härdning. Förfarande enligt krav 7, kännetecknat av att substratet (206) är gjort av ett flexibelt material. Förfarande enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att förfarandet innefattar steget att anbringa liknande gjut- (208) form ovanpå elestomerstrukturen före härdning.