Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire de microsystèmes 2 LMIS2)

Développement et étude d'une technique de microsablage à haute résolution

Pawlowski, Anne-Gabrielle ; Gijs, Martin (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3293.

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    Summary
    We have used powder blasting as a technique to structure brittle materials like glass using an erosion resistant mask. The study of the erosion rate shows that the erosion of glass is maximum at a normal incidence of the powder beam while the erosion rate of metals and elastomers is minimum. A metallic contact mask is very resistant, easy to use, but its resolution as defined by its manufacturing process (laser ablation) is limited. The resolution of the mask depends on the thickness of the metal piece. However due to the stress generated by the powder blasting technnique, the metal mask used must have an important thickness (about 0,5 mm), which limits the resolution (50 μm). The photolithographic masking method we developed allows to increase the resolution. We have demonstrated that the erosion resistance of Polydimethylsiloxane (PDMS), an elastomer very frequently used in microsystems realisation is excellent, and that the use of a photosensitve epoxy resist like SU8 allows to define high-resolution structures. The replication quality is good as the majority of structures defined in PDMS have the same size compared to the features defined by the SU8. In our process, the SU8 is patterned into a mould structure that is filled with PDMS. The SU8, has a similar erosion behavior as glass and is quickly removed by powder blasting. The resolution of the process determined by the particle size ; we have used particles with 10 μm diameter to explore the ultimate limits of powder blasting. The study of the etching by powder blasting shows that the etching rate changes with the width of the channel and the etching time. Furthermore, dimensions of channels or hole structures change during powder blasting, they are increased by the underetching effect. This underetching depends on the depth of the channels and can induce changes in resolution.The erosion mask resistance is function of the thickness of the mask, of the etching time and of the applied pressure. We typically have chosen a PDMS mask thickness of 50 μm. When the applied pressure of the powder jet increases, the PDMS erosion is more important. When an energetic particle impacts on the PDMS, the glass underneath the mask can be damaged and the resolution of the structures is decreased. Experimentally, this PDMS/SU8 mask is resistant and efficient for an applied pressure up to 200 kPa and for a glass erosion depth of 300 μm for large channels. The minimum feature size is 20 μm, but this depends also on the shape ; for example triangular holes are only well defined for a minimum dimension of 60 μm.
    Résumé
    La technique de microstructuration par sablage a été adaptée à la structuration de matériaux fragiles comme le verre, grâce au développement de masques résistants à l'érosion. L'étude du comportement, face à l'érosion de différents matériaux, montre que pour une incidence normale du faisceau de particules, l'érosion du verre est maximale alors que celle d'un métal ou d'un élastomère est minimale. Le masque métallique, simple d'utilisation et très résistant, est souvent employé mais sa résolution, liée au mode de structuration (par ablation laser) est limitée. La résolution du masque dépend de l'épaisseur de la plaque de métal, mais en raison des contraintes générées dans le masque lors de la gravure, ce type de masque est le plus souvent utilisé sous une forme assez épaisse, de l'ordre de 0,5 mm, ce qui limite la résolution aux environs de 100 μm. L'usage de la photolithographie permet d'améliorer la résolution du masque en abaissant la dimension de la plus petite structure réalisée. Nous avons montré d'une part, qu'un élastomère, très utilisé lors de la réalisation de structures en microtechnique, et connu sous le nom de polydiméthylsiloxane (PDMS) possède une résistance à l'érosion excellente bien que non aisément structurable. D'autre part, nous avons montré qu'une résine époxy photosensible, connue sous le nom de SU8, permet d'obtenir une résolution de l'ordre de 10 μm et se comporte comme le verre face à l'érosion. Ces deux caractéristiques, nous ont permis d'élaborer un nouveau masque en PDMS/SU8. Le SU8, fragile une fois polymérisé est utilisé, comme moule pour structurer le PDMS destiné à protéger le verre, puis il est érodé par microsablage. Ce nouveau masque, en association avec des particules de 10 μm, permet d'obtenir une résolution maximale de 20 μm et assure une bonne qualité de reproduction des structures. L'étude de la gravure par microsablage avec ce masque de PDMS/SU8 met en évidence que la vitesse de gravure dépend de la largeur des canaux et change avec le temps de gravure. Les dimensions des structures varient lors de la gravure, car, à cause de la sous-gravure, elles peuvent être élargies ou réduites. Nous avons montré que cette sous-gravure, qui est fonction de la profondeur gravée des canaux, peut causer une altération de la résolution du procédé, en détruisant certaines structures. La caractérisation du masque, nous a montré en outre, que la résistance du PDMS dépend de l'épaisseur du masque, du temps de gravure et de la pression appliquée. En effet, lorsque la pression appliquée augmente, le taux d'érosion du PDMS est plus important et sa sélectivité diminue, ce qui diminue la résistance du masque. Et de ce fait, si une particule très énergétique impacte le PDMS, alors le verre situé sous le PDMS peut être impacté. Un des apports de ce travail a été de montrer, que le masque de PDMS/SU8 d'une épaisseur de 50 μm, utilisé pour la première fois pour le microsablage, est performant pour une pression de 200 kPa avec des particules de 10 μm. Un autre a été de montrer que la sous-gravure est à prendre en compte lors de l'agencement des structures pour minimiser les dommages sur la résolution, qui est améliorée avec ce procédé jusqu'à 20 μm. Enfin, la résolution dépend de la forme des structures.