Département de microtechnique (Laboratoire de microsystèmes 4 LMIS4)

Nouvelles technologies de microstructuration de type UV-LIGA et fabrication de composants micromécaniques

Lorenz, Hubert ; Renaud, Philippe (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1770.

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    Summary
    This study presents two techniques of structuration of type UV-LIGA (Lithographie, Galvanisierung und Abformung) based on the use of two thick photoresists which are a dry film resist called Riston® from DuPont and the new SU-8 negative-working resist from IBM. The relating processes to the structuration of these photoresists and some applications are presented too. The minimal resolution of the Riston® films has been found to be 30 µm for lines and trenches, and 40 µm for isolated holes in a 50 µm-thick film. A technique for the structuration of multilevel superimposed cavities has been set up. The verticality of the sidewalls (85.5°deg. to 87.5°deg) has been measured on film thicknesses between 25 and 100 µm. The SU-8 process has been studied and is presented. Some optical and mechanical properties have been analysed. We have determined a coefficient of light attenuation of 5.18 [db/mm] at 365 nm, a coefficient of thermal expansion of 52 [ppm/°C] and a biaxial modulus of 5.18 GPa. The verticality of the walls depends on the exposure energy and has been found to be higher than 89°deg. Layers from 750 nm to 2 mm can be exposed in one time, which seems to be the state-of-the art for a UV-photoresist to our knowledge. A specific process for the electroforming in multi-level superimposed cavities has been developed. With an adequate dosage of a leveling agent (coumarin) in the electrolytic Watt bath of nickel, a change in the growth rate of the high and the low level of the mold has been demonstrated. This rate is harmonised to obtain a flat deposition on the top surface of the formed structure. The UV-LIGA techniques developed in this thesis have found applications in the field of the-micromechanics. A flexible gearwheel, whose teeth are bound to the center via three integrated spring, and a multilevel gear system are the main realizations obtained by electroforming. These two structures have been used in a mechanism with a special watch mechanism and in a microreducer based on an electrostatic rotary micromotor. We have experimented with success the plastic injection of a gear system having 1.4 mm in height and 3 mm in diameter. Its mold has been electroformed on a master in SU-8. Theses microparts have demonstrated their functionality and have been mounted in commercialy-available-low-cost watches. All the process step of the LIGA technique have been established. The main advantages of this fabrication method are a better control of the tolerances and an improvement of the rugosity (against the wire electrodischarge machining technology). This technique is also cheaper and easier to start than X-LIGA.
    Résumé
    Ce travail présente des techniques de structuration de type W-LIGA (Lithographie, Galvanisierung und Abformung) basées sur l'utilisation de deux photorésists épais qui sont un film sec de la famille Riston® de DuPont et la nouvelle résine SU-8 développée originellement par LBM. Les procédés relatifs à la structuration de ces deux photorésists et des réalisations pratiques sont également présentés. La résolution minimale des films Riston® a été déterminée à 30 µm pour des lignes ou des tranchées, et à 40 µm pour des cavités isolées dans un film de 50 µm d'épaisseur. Une technique pour la structuration de micromoules multi-niveaux a été mise au point. La verticalité des flancs (85.5° à 87.5°) a été mesurée sur des épaisseurs de 25 à 100 µm. La résine SU-8 récemment commercialisée a fait l'objet d'une étude afin d'établir les étapes du procédé de structuration, ainsi que ses caractéristiques optiques et mécaniques. Nous avons déterminé un coefficient d'atténuation de 4.54 [db/mm] à 365 nm, un module d'élasticité biaxial de 5.18 GPa et un coefficient de dilatation linéaire de 52 [ppm/°C]. La verticalité des flancs dépend de la dose d'illumination et dépasse les 89°. Des couches de 750 nm à plus de 2 mm ont été exposées en une seule fois et un facteur de forme de 18 a été obtenu. De telles performances n'avaient jamais pu être réalisées par aucune autre résine UV auparavant. Un procédé spécifique permettant de pouvoir réaliser un électroformage dans des cavités comportant un relief intérieur métallisé a été mis au point. Par le dosage adéquat d'un agent nivelant (coumarine) dans la solution électrolytique (un bain de Watt de nickel), il a été démontré que le taux de croissance des parties hautes et profondes de la cavité est harmonisé afin d'obtenir un dépôt plan en surface. Les techniques UV-LIGA développées dans ce mémoire ont trouvé, entre autres, un champ d'application dans le domaine de la micromécanique. Une roue flexible, dont la denture est liée à son centre par un ressort intégré ainsi qu'un rouage à plusieurs niveaux sont les principales réalisations obtenues par un électroformage dans des moules sacrificiels. Ces deux éléments ont servi dans un mécanisme à rattrapage de jeu et respectivement dans un microréducteur basé sur un micromoteur électrostatique rotatif. Le moulage a été expérimenté avec succès par l'injection de rouages en plastiques de 1.4 mm de haut et de 3 mm de diamètre. Un micromoule a été conçu à cet effet en dupliquant par électroformage une pièce maîtresse en SU-8. Ces micro-rouages ont démontré leur fonctionnalité lors de leur montage dans un mouvement de montre à quartz. Tous les pas du procédé technologique UV-LIGA sont ainsi réalisés. Les principaux avantages de cette nouvelle méthode de fabrication de micromoules consistent en une amélioration du contrôle des tolérances et de la rugosité vis-à-vis des moules faits par l'électroérosion à fils, ainsi qu'à l'abaissement des frais de production par rapport à la méthode X-LIGA.