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Universidad Nacional Autonoma de Mexico

Facultad de Ciencias

FOTOLITOGRAFIA LINEAL A ESCALASSUB-MICROMETRICAS

T E S I SQUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

FISICO

PRESENTA:DAHI LUDIM HERNANDEZ ROA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. NASER QURESHI

2010

Hoja de Datos del Jurado1. Datos del alumno.

Apellido paterno: HernandezApellido materno: RoaNombres: Dahi LudimTelefono: 54216145Universidad: Universidad Nacional Autonoma de MexicoFacultad: CienciasCarrera: FısicaNumero de Cuenta: 099145925

2. Datos del tutor.Grado: Dr.Nombre: NaserApellido Paterno: Qureshi

3. Datos del sinodal 1.Grado: Dr.Nombre: OlekApellido Paterno: Kolokolshek

4. Datos del sinodal 2.Grado: Dr.Nombre: MaximinoApellido Paterno: AvendanoApellido Materno: Alejo

5. Datos del sinodal 3.Grado: Dr.Nombre: Vıctor ManuelApellido Paterno: VelazquezApellido Materno: Aguilar

6. Datos del sinodal 4.Grado: Dr.Nombre: FranciscoApellido Paterno: MoralesApellido Materno: Leal

7. Datos del sinodal 5.Grado: Dr.Nombre: SalvadorApellido Paterno: CuevasApellido Materno:

8. Datos del Trabajo escrito.Titulo: Fotolitografıa Lineal a Escalas Sub-MicrometricasNumero de paginas:Ano: 2010

Agradecimientos

agradezco a:

Dedicatoria

Dedico esta tesis a:

Prologo

El hombre ha enfrentado el mundo de la Nanociencia con todas las herramientas que ha tenido a sualcance, todas ellas derivadas de las diferentes disciplinas que el hombre ha desarrollado como lo son laFısica, Quımica, Matematicas, Biologıa, e Ingenierias etc., en el caso de la Fısica y en particular de la Optica,el area de la Microoptica le ha dado al mundo de la nanociencia, una perspectiva totalmente diferente a todaslas demas.

La Microoptica ha surgido como una nueva brecha en el ambito de la ciencia durante los ultimos 10 a 20anos, teniendo un desarrollo gradual no solo en el ambito de la investigacion, sino que ademas en el aspectotecnologico, teniendo ası una gran demanda en el campo industrial.

El termino Microoptica, nos indica el estudio de la optica a nivel de micras y nanometros, ademas existeuna relacion muy estrecha con dos areas de trabajo, que son: la Electronica y la Micromecanica, es decir,estas tres disciplinas en conjunto le dieron un gran avance al mundo de la tecnologıa, apartir de los anos 60’sal desarrollar los Circuitos Integrados (CI), y los Microchip.

La tecnica de fabricacion que fue utilizada para desarrollar toda esta tecnologıa es muy importante, y esconocida como Tecnica Litografica, o simplemente Litografıa, tambien tiene otros nombres como LitografıaOptica, Microlitografıa o Fotolitografıa , aunque en realidad se refieren al mismo tema.

En Mexico y en la UNAM existe una necesidad urgente de hacer instrumentacion para la fabricacion dedispositivos electronicos, mecanicos y opticos con resolucion nanometrica, con el fin de realizar investigacionde nanoestructuras y el desarrollo de dispositivos nanometricos.

La falta de cuartos limpios y de laboratorios de nanofabricacion representan una desventaja para lananociencia Mexicana ante la competencia internacional.Por lo tanto la presente Tesis forma parte de unproyecto actualmente activo en el CCADET, en el que se desarrollan nuevas tecnicas e intrumentos quepermitan fabricar dispositivos sub-micrometricos usando principios fısicos nuevos y otros ya comprobados.

Indice general

Agradecimientos 3

Dedicatoria 4

Prologo 5

Indice de Figuras 7

Introduccion 10

1. Antecedentes 121.1. ¿Que es la Litografıa y la Fotolitografıa? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2. Tipos de Litografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3. Litografıa Optica o Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.4. Litografıa por Haz de Electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.5. Litografıa por haz de iones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6. Litografıa por Rayos X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7. Fotolitografıa de Escritura Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2. Principios Fısicos 212.1. Difraccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2. Limite de Resolucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3. Coherencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4. Apertura Numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5. Fotoresina SU-8 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.6. Efectos de la Luz Incidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. Desarrollo de Trabajo 373.1. Funcionamiento General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2. Mecanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3. Electronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4. Motores de Pasos PaP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.5. Como se Generan los Micro Pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.6. Tarjeta NI-USB-6009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.7. Motor PaP, ZSS-25 Tipo Hıbrido de 2 fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.8. Etapa de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.9. Optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.10. Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6

INDICE GENERAL 7

4. Resultados 784.1. Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2. Grabados con el Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5. Conclusiones 91

Apendices 93

Bibliografıa 111

Indice de figuras

1.1. Proceso de la Fotolitografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2. Tecnicas Litograficas mas importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1. Amplificacion y resolucion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2. Criterio de Resolucion de Rayleighs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3. Resolviendo el poder de resolucion de una lente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4. Espectro de Emision del Mercurio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5. Difraccion de la Luz a traves de una avertura. En la imagen θ = θmax . . . . . . . . . . . . . 272.6. Velocidad de centrifugado vs Espesor. (SU-8 2000 Spin Speed vs Thickness) . . . . . . . . . . 302.7. Velocidad de centrifugado vs Espesor. (SU-8 2000 Spin Speed vs Thickness) . . . . . . . . . . 302.8. Estructura Molecular de Glycidyl ether of Bisphenol A-SU-8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.9. Representacion esquematica de la reflexion multiple [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.10. Amplitud e Intensidad de las ondas incidentes [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1. Plano del Sistema de Fotolitografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.2. Plano del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3. Plano del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4. Planos de la Base Superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.5. Planos de la Base Inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6. Planos de las paredes del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.7. Plano con las Dimensiones del Resorte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8. Estructura final del Resorte Acoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9. Plano del Sistema Optico Completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.10. Plano de la base del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.11. Plano de la Base Primaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.12. Planos de la Base superior del sistema optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.13. Plano de la platina corrediza y de los sujetadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.14. Base de la lente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.15. Sistema de movimiento en X, Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.16. Plano del eje X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.17. Plano del eje Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.18. Plano de la Base para el Spin Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.19. Motor Pap Unipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.20. Motor con sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.21. Motores PaP unipolares: (a) con 5 hilos, (b) con 6 hilos, (c) con 8 hilos . . . . . . . . . . . . 583.22. Motor Pap Bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.23. Motor bipolar con sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.24. Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.25. Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas a 2 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.26. Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas a 5 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

8

INDICE DE FIGURAS 9

3.27. Tarjeta NI-USB-6009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.28. Motor PaP, ZSS-25 Tipo Hıbrido de 2 fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.29. Conexiones del motor PaP ZSS-25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.30. Etapa de Potencia para una sola Bobina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.31. Esquema de la Etapa Optica y Trayectoria de Luz UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.32. Esquema de como conseguir el foco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.33. Imagen del Cuarto Limpio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.34. Bases para la fotoresina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.35. Bases para la fotoresina dentro del Spin Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.36. Plancha de Horneado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.37. Sistema de Fotolitografıa, Laser y Etapa de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.38. Vitrina donde se lleva a cabo el revelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.1. Vista Superior del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2. Vista Lateral Derecha del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.3. Vista Lateral Izquierda del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.4. Vista Frontal del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.5. Vista Trasera del Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.6. Etapa de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.7. Lineas hechas con el Sistema de Fotolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.8. Recuadro con la seccion a analizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.9. Imagen de Microscopia optica por reflexion con una magnificacion de 183 . . . . . . . . . . . 864.10. Imagen de Microscopia optica por reflexion con una magnificacion de 1052 . . . . . . . . . . . 864.11. Imagen de Microscopia optica por reflexion con una magnificacion de 183 . . . . . . . . . . . 874.12. Imagen de Microscopia optica por reflexion con una magnificacion de 1052 . . . . . . . . . . . 874.13. Perfiles Topograficos del SU-8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.14. Vista tridimensional del Perfil Topografico rotado 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.15. Vista tridimensional del Perfil Topografico rotado 180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.16. Vista tridimensional del Perfil Topografico rotado 270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.17. Vista tridimensional del Perfil Topografico rotado 360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Introduccion

Esta tesis muestra la realizacion de un Sistema de Fotolitografıa de bajo costo y de facil manejo, conel objetivo de incurrir en el mundo de la Nanociencia desde una perspectiva diferente a la que se conoce,dando una aportacion concisa al presentar el sistema terminado y en buen funcionamiento para la realizacionde pruebas en los campos de la Microlitografıa, Microoptica, Microondas, Fotonica y todas las areas dondepueda ser util; apoyando de esta manera los trabajos de investigacion que se desarrollan en los Grupos deFotonica de Microondas y Sistemas Opticos del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnologico de laUNAM.

Las aplicaciones principales de este equipo, estaran enfocadas a las siguientes actividades en concreto:Poder almacenar informacion y tener la oportunidad de fabricar Microherramienta para usos futuros. Losmateriales necesarios (elementos, monturas, lentes, herramientas y equipo, etc.) ya han sido comprados enel CCADET y gran parte del trabajo consistio en construir las partes mecanicas y electricas en el taller deestudiantes, y conocer las tecnicas de fabricacion Litografica que existen; ası como la caracterizacion de lafotoresina SU-8.

La realizacion de esta tesis estuvo dividido en 4 areas de trabajo:

1.-Diseno y Mecanica.2.-Electronica.3.-Optica.4.-Fotolitografıa.

Ademas del apoyo de un Software hecho en LabVIEW para la automatizacion de las platinas y algunosconceptos e informacion de la Fisicoquımica para entender de una manera muy sencilla los procesos deabsorcion de las fotoresinas (polımeros transparentes), cuando son modificadas es decir endurecidas (cross-liking es el termino en ingles), en el caso de una resina tipo negativa y disuelta o removida en el caso de unaresina tipo positivo, al ser excitadas con luz UV.

En el caso de la Mecanica se disenaron y construyeron unos acopladores de aluminio,ası como la cajaque compone el cuerpo del dispositivo donde se colocaron las platinas comerciales(que haran el recorrido enlos ejes X-Y ), tambien se costruyeron las monturas para las lentes necesarias y los soportes que sujetan yconecta a los acopladores con las platinas y la caja, (el material de todas las piezas hechas es de aluminio).

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naser

Inserted Text

Litografia permite fabricar estructuras sobre medida, mientras la sintesis quimica, que es mucho mas usada, produce nanoestructuras de manera aleatoria.

Para el caso del desplazamiento en el eje Z, se diseno y construyo una pequena base corredisa que sedesplazara con un tornillo de paso micrometrico, (se explicara con mas detalle en la seccion de mecanica delcapitulo tres).

Para el area de la Electronica se fabrico una etapa de potencia de bajo ruido y muy sencilla que consta dedos circuitos integrados, 1.- El LM675 para la etapa de potencia y 2.- El OP27G para acoplar el sistema(seexplicara con mas detalle en su respectiva seccion). Como la senal (programada en LabVIEW,) es muy debily no es lo suficientemente potente para mover los motores se requiere de esta etapa de potencia.

Para poder comunicar (se necesita una interfaz apropiada) a la computadora con la etapa de potenciase utilizaron dos Tarjetas de Adquisicion de Datos (DAQ NI-USB-6009 de National Instruments), la cualesconvierten una senal digital (en mi caso un pulso de seno y coseno seccionado tan chico como se quiera) enuna senal analogica (en mi caso un voltaje que pueda ser regulado), una para el eje X y otra para el eje Y; de esta manera no tenemos la necesidad de comprar los drivers o licencias de los motores, ademas de queesta es una manera muy facil y rapida de controlar los motores de una manera tan precisa como se quiera ose desee.

A diferencia de gran parte de los instrumentos comerciales, este instrumento fue basado en el principio deiluminacion directa con un laser UV enfocado, algo que implica estudiar en detalle la fısica de enfocamientoUV, absorcion en materiales como: fotoresina o resist y nanoposicionamiento de muestra.

En el caso de la Fotolitografıa, la actividad principal fue aplicar el instrumento en pruebas de fabricacionde componentes opticos. Las aplicaciones son muchas pero se presentan dos aplicaciones basicas: la primeratiene que ver con el almacenamiento de informacion con optica y la segunda es fabricar objetos o estructurasa escalas micrometricas. Para ello fue necesario conocer la estructura basica del polımero (fotoresina de tiponegativo), es decir, conocer como reacciona dicho fotoresina al ser excitado con la luz UV, tambien aprendı atrabajar con esta fotoresina SU-8,(punto que se vera con mas detalle en el capıtulo dos y tres).

Capıtulo 1

Antecedentes

1.1. ¿Que es la Litografıa y la Fotolitografıa?

La palabra Litografıa, se deriva de dos palabras griegas, litos (piedra o roca) y grafıa (escritura), refi-riendose al proceso inventado en 1796 por Aloys Senefelder, quien descubrio que al tratar un pedazo de roca(el uso una piedra caliza de Bavaria), apropiadamente con tinta y quımicos pudo transferir la imagen talladaen la piedra a un pedazo de papel [1].

Despues en los anos 60’s esta tecnica fue retomada y modificada por la Industria de la Electronica aldisenar y construir los Microchips y los Circuitos Integrados (C.I.) utilizando una fuente de luz, lo cualpermitıa alcanzar las dimensiones de milimetros y micras que se requerian para dichos componentes; dandoleası un nuevo significado a la Litografıa, conocido como Fotolitografıa.

Mas que un significado como tal, la Fotolitografıa la podrıamos entender como una secuencia de pasos(tecnica) los cuales te permiten transferir o copiar un diseno y plasmarlo en alguna superficie plana de algunmaterial, sustrato o resina, que sean sensibles a la fuente de luz que se este utilizando.

Entendiendo a la Fotolitografıa como esto, nosotros podemos hacer una gran division para esta tecnica,es decir, hay dos tipos de procesos de Fabricacion Fotolitografica que pueden ser distinguidos, fotolitografıacon mascara y fotolitografıa de escaneo o tambien llamada fotolitografıa de escritura directa [6] (que sera elcaso de esta Tesis).

En el caso de la Fotolitografıa con mascara: el modelo o imagen que se desea grabar en la superficie odentro del material sensitivo esta ya disenado previamente en esta mascarilla que tambien es sensible a lafuente de luz que se esta utilizando, sirviendo de esta manera como un molde o plantilla de diseno.

En el caso de la Fotolitografıa por escaneo o escritura directa las mascaras no son usadas, realizando deesta manera un grabado directo en la superficie o dentro del material [6].

La fig. 1a muestra una pelıcula delgada de algun material (p.e. dioxido de silicio) sobre un substrato dealgun otro material (p.e. una oblea de silicio). Se desea que parte del oxido sea selectivamente removido demanera que solo permanezca en areas particulares sobre la oblea de silicio (ver figura 1.1 y fig.1f).

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CAPITULO 1. ANTECEDENTES 13

Luego se cubre la oblea con un polımero fotoresist (fotoresina o resist) que es sensible a la luz ultravioleta(ver fig.1b). La luz ultravioleta es entonces dirigida hacia la fotoresina con algun sistema optico (ver fig.1c).La resina es entonces activada y adquiere el patron que se desea. (ver fig.1d).

Hay dos tipos de fotoresina: positiva y negativa. Cuando la luz ultravioleta incide sobre la resina positivala debilita, de manera que cuando la resina es eliminada se tiene la transferencia de una imagen positiva.Lo contrario ocurre con la resina negativa. Cuando la luz ultravioleta incide sobre la resina la endurece, demodo que cuando la resina que no fue expuesta es eliminada y ası se tiene una imagen negativa del diseno opatron original.

Despues algun revelador (una solucion quımica o algun otro metodo) es usado para remover el oxidodonde esten expuestas las aberturas en la resina (ver fig.1e).

Figura 1.1: Proceso de la Fotolitografia


1.2. Tipos de Litografıa

Existen por lo menos cuatro diferentes tecnicas Litograficas que sobresalen y solo dare una descripcionbreve de cada una de ellas ya que esta Tesis sera solo a nivel introductorio y solo se enfocara en una deellas. Los tipos de Litografıa pueden ser catalogados deacuerdo al radio de exposicion que puedan alcanzar:Litografıa de UV u Optica,(que sera el caso de esta Tesis), Litografıa de Haz de Electrones, Litografıa de Hazde Iones y Litografıa de Rayos X, como se muestra en la Figura 1.2.

de litografia.pdf

Figura 1.2: Tecnicas Litograficas mas importantes


A su vez cada una de estas tecnicas Litograficas tienen categorıas que se muestran a continuacion. LaFotolitografıa o Litografıa Optica se podrıa dividir en tres categorias: 1.- Impresion de Contacto , 2.- Impresionde Proximidad y 3) Proyeccion Directa; ası mismo la Litografıa de Haz de Electrones tiene las categorias de:1.- Escritura Directa y 2.- Proyeccion Impresa (ELIPS).

En el caso de la Litografıa de Haz de Iones se ha empezado a desarrollar a lo largo de tres areas: 1)Enfocamiento de haz de iones, FIB, (escritura directa), 2) Flujo de iones atraves de una mascara (paso yrepeticion) y 3) Paso de Reduccion. Los factores que influyen en la utilizacion de una u otra tecnica es laresolucion que se desee alcanzar, el area que se puede trabajar y la productividad que se quiera lograr [2].

1.3. Litografıa Optica o Fotolitografıa

La Litografıa Optica es generalmente la tecnica Litografica mas efectiva en costos cuando es capaz dereunir todos los requerimientos tecnicos.

Esta escritura en paralelo resulta en una gran ventaja de produccion al utilizar resinas de sensibilidadmoderada; normalmente se utilizan resinas de tipo positivo con un alto grado de sensibilidad, un alto contraste,una excelente adhesion a la oblea de silicio y una buena resistencia para el grabado en seco, y ademas detodo esto con un bajo costo de produccion [2].

Cabe aclarar que yo utilice una resina de tipo negativo donde se cumplen las mismas caracterısticas quepara la resina de tipo positivo, la razon por la cual utilizo una resina de tipo negativo es que deseamos que elmaterial se quede y permanezca en la obleas de silicio logrando de esta manera estructuras bidimencionalesde escalas sub-micrometricas.

Por otro lado las primeras limitaciones que se presentan en esta tecnica son la resolucion debido a ladifraccion y las reflexiones de la resina, ya que la resolucion debida al lımite de difraccion puede hacer que laimagen proyectada en la resina sea tan nıtida o borrosa, ası como una mala formacion de la imagen. [2].

Impresion de Contacto y Proximidad (Contact/Proximity Priting) La impresion de contactorepresenta un sistema optico de bajo costo ya que el equipo y el proceso de fabricacion son simples, y laproduccion a su vez es grande. La primera desventaja es el bajo rendimiento causado por el contacto entrela resina y la mascara, por otro lado el registro de llegada de la luz incidente sobre el campo de trabajoes extremadamente largo. La impresion de contacto tiene una resolucion muy alta pero se ve directamenteafectada por el contacto directo de la mascara. [2].


La impresion de Proximidad disminuye un poco este defecto de contacto, al permitir un espacio entre lamascara y la resina, esta distancia es llamada “gap”. Sin embargo la resolucion es severamente afectada porla difraccion ya que es incrementada rapidamente por la separacion entre la mascara y la resina. El mınimode ancho de linea esta dado por la ecuacion [2]:

LWmin = Q(λg/2)1/2 (1.1)

Donde Q es una constante, λ es la longitud de onda, y g (de gap) es la distancia mascara-resina. Laecuacion (1.1) es valida solo cuando λ2 ≤ gλ LW 2. El tiempo de exposicion para una oblea ya preparada,es del orden de 10 segundos, y el tiempo de produccion es determinado primordialmente por el tiempo querequiere el operador para alinear la mascara con la oblea [2].

Proyeccion Directa La Proyeccion Directa elimina el problema de alta densidad asociado con el con-tacto y la proximidad de la mascara con la resina, esto se debe a una segunda lente que es usada en estacategorıa, la funcion de esta lente es que la imagen de la mascara se imprima dentro de la oblea. Este sistemaproyecta la imagen a un factor de 1X lo que incrementa, usando principalmente lentes de reflexion y unsistema de escaneo para reducir la distorsion.

El limite de ancho de linea para este sistema es igual a k1λ/NA, donde k1 es una constante de propor-cionalidad, λ es la longitud de onda y NA es la apertura numerica de la proyeccion de la lente. El valor dek1 ha sido determinado por la experiencia con un valor promedio de 0,81 (unidades adimencionales) usandoresinas de tipo promedio. La produccion para este tipo de Litografıa es de 80 obleas por hora dependiendodel tiempo de alineacion [2].

1.4. Litografıa por Haz de Electrones

La litografıa por haz de electrones (Electron Beam Lithography, EBL) aparece a finales de los anos sesentasy actualmente se ha convertido en un proceso estandar de fabricacion de nanoestructuras. Su funcionamientose basa en cambiar las propiedades de una capa de resina PMMA mediante la exposicion selectiva a un hazde electrones.

Las ventajas de utilizar haces de electrones son que los electrones son faciles de manipular (mediantelentes electromagneticas) y los haces de electrones son de pocos nanometros de diametro. Ademas se puedenmover y posicionar los haces de electrones con mucha precision.


Para crear los haces de electrones en los equipos actuales generalmente se utilizan microscopios electronicosde barrido (SEM, scanning electron microscope), estos equipos proporcionan haces de electrones con diametrosmuy pequenos (de 1 a 20 nm).

El microscopio de electrones de barrido esta formado por una columna central que contiene la fuente deelectrones, los detectores y el conjunto de lentes necesarios para colimar los haces de electrones; un sistemade vacıo y el sistema electronico de control y visualizacion (actualmente compuesto por un ordenador) [3, 5].Nos centraremos en el funcionamiento de la columna central.

El haz de electrones se produce en una fuente de electrones; la fuente puede ser una fuente de emisionde campo o estar formada por un filamento de tungsteno. Aplicando alto voltaje (tıpicamente entre 2 y 25kV) los electrones son acelerados. El sistema de vacıo es necesario para evitar que haya moleculas en lasproximidades del haz que lo dispersen. Con un sistema de lentes colimadoras, el haz pasa de tener unos 50nm de diametro a 5 nm.

Al bombardear con el haz de electrones la superficie de la muestra interacciona con este y emite electrones.Estos electrones son recolectados por el detector y contienen mucha informacion sobre las caracterısticas dela muestra en ese punto.

Moviendo el haz a lo largo de la muestra se consigue informacion de toda ella. La evolucion de los detectorespermite distinguir actualmente entre los electrones primarios y secundarios, de forma que se obtiene mayorinformacion sobre la muestra.

La litografıa por haz de electrones se trata de un proceso de escritura directa, que utiliza el haz puntualdel microscopio formado por electrones para definir el patron. El haz que se utiliza, es el mismo que utilizael SEM para hacer imagenes de alta resolucion. Para realizar el proceso litografico es necesario incluir en elsistema del SEM una interfase para dirigir e interrumpir el haz.

Utilizando una resina de alta resolucion y baja sensibilidad (resina PMMA), se estan obteniendo enmuchos laboratorios resultados con dimensiones por debajo de los 30nm logrando una alta produccion. Seha demostrado que con esta tecnica se pueden obtener dimensiones de hasta 7nm.


1.5. Litografıa por haz de iones

El haz focalizado de iones o FIB (Focus Ion Beam) puede utilizarse tanto como herramienta litograficasobre una capa intermedia (generalmente PMMA), como para grabar directamente sobre el sustrato [3, 4].

El uso de los haces de iones es muy reciente, en 1959 Feynman sugiere por primera vez el uso de haces deiones. Fue hasta 1975 que se consigue tener una fuente de iones de alta potencia y el primer microscopio deiones de barrido es construido en dicho ano [3, 4].

La parte principal de un equipo de haz focalizado de iones, es su fuente. Las fuentes mas usuales, suelenestar formadas por un filamento de tungsteno, que se carga con iones desde un pequeno deposito con metallıquido. Aplicando alta tension electrostatica entre el filamento y un electrodo de extraccion se consigue queel lıquido forme un cono muy afilado (conocido como cono de Taylor). La emision de este cono es muy establey puede focalizarse en un diametro muy pequeno.

Las fuentes de metal lıquido son las que limitan esta tecnologıa, porque es necesario que los metales tenganun punto de fusion bajo, ası se suele usar Galio, Bismuto, Germanio o Mercurio. Utilizando tensiones masaltas, se pueden usar fuentes de iones gaseosas, como Argon, Helio o Xenon.

Se pueden conseguir haces de diametros de 10nm con corrientes de 10 a 11 Am. Una vez que los ionesse extraen de la fuente, pasan por un sistema de enfoque y son dirigidos a la superficie de la muestra en unproceso en serie, de modo que se exponen o atacan la capa intermedia o bien se graban directamente en elsustrato [3, 4].

Las aplicaciones caracterısticas del FIB han sido la reparacion de circuitos integrados, dado que permitecortar pistas y depositar nuevos contactos, de forma que puede arreglar cortocircuitos e introducir contactosen puntos que sea necesarios, junto con esta aplicacion se utiliza para la fabricacion de microsistemas, pre-paracion de secciones de muestras para microscopıa de transmision de electrones (TEM), o deposicion localde materiales. En los ultimos anos se estan desarrollando aplicaciones para la nanofabricacion [3, 5].

1.6. Litografıa por Rayos X

La Litografıa de rayos X es la proxima generacion de litografıa que se supone sustituira a la optica yque ha sido desarrollada por la industria de los semiconductores [9]. Usando esta tecnica ya se han fabricadoalgunos microprocesadores experimentales. La corta longitud de onda utilizada, de solo 0,8 nm, superara,con creces, los lımites de difraccion que condicionan la resolucion de la litografıa optica. El funcionamientoes como en cualquier sistema de litografıa.


Los rayos X iluminan una mascara colocada en las proximidades de una oblea recubierta por una sustancia.En principio, no se usan lentes, tan solo un rudimentario colimador de espejos. Los rayos X son radiadosdesde una fuente compacta de radiacion permitiendo una rapida exposicion de la oblea.

La litografıa de rayos X profunda usa longitudes de onda aun mas corta, unas 8 veces menor, de unos0,1 nm. Con procedimientos modificados, se pueden fabricar estructuras de mayor profundidad superficial,algunas veces estructuras de tres dimensiones, pero con una reducida resolucion en el detalle.

La mascara que se usa en el litografiado es un material que absorbe los rayos X, generalmente elaboradacon oro o compuestos de talio o tugsteno, sobre una membrana que es transparente a los rayos X, usualmentecarburo de silicio o diamante. El patron de la mascara es grabado directamente con litografıa de electronesradiados sobre una resina capa que esta elaborada siguiendo los procesos convencionales en la fabricacion desemiconductores.

1.7. Fotolitografıa de Escritura Directa

La escritura directa se hace mediante Rayos X, Haz de iones o La luz UV de un laser (que sera el caso deesta Tesis), normalmente con un diametro para el spot de salida del laser de entre 0,25µm a 0,60µm. Existendos tipos de escritura directa:1) Scanneo por Rastreo (SR) y 2) Scanneo por vectores (SV). En el caso del SRel rayo atraviesa una seccion muy pequena por completo de la oblea, y el rayo de luz incidente es prendido yapagado, como el modelo o patron lo requiera. El tiempo de exposicion Texp, para una oblea es proporcionalal numero de pixeles por tiempo [2]:

Texp = (nA/d2)(ν/S) (1.2)

Donde n es el numero de seccion/oblea, A es el area total de las secciones, ν es la sensibilidad de la resina,d es el diametro del rayo del laser, y S es la densidad de flujo del foton [2, 7] . El tiempo total de escriturase incrementa rapidamente ası como la resolucion si d se hace mas pequena.

En suma, el tiempo total requerido para procesar una oblea debe incluir: 1) El tiempo necesario pararesolver la amplificacion de desviacion previo a cada exposicion, 2) El tiempo de movimiento del area detrabajo y 3) El tiempo para grabar o no las obleas. La produccion es por lo tanto menor que 0.12 % obleaspor hora [2].

En el caso del SV la produccion se mejora por que solo se graba lo que se requiere o se demanda delpatron original, ha diferencia del sistema de Scaneo por Rastro. En este caso el tiempo de exposicion Texp,es igual a [2]:

Texp = (nAP/d2)(ν/S) (1.3)


Donde P es la fraccion de la superficie total que se expone, donde tipicamente el 20 % del total de seccionpor area es trabajada. La produccion en este caso es incrementada a un 0.59 % de obleas por hora, sin perdidasde resolucion [2].

La alta resolucion es posible haciendo que el diametro del rayo sea mas pequeno, por otro lado el tiemporequerido para exponer un modelo o patron se incrementa rapidamente debido al incremento del numero depixeles por tiempo. [2].

Dado lo reciente de esta tecnologıa, el analisis de los diferentes parametros, tanto asociados al material,como a la fısica que interactua y el proceso directo de la Fotolitografıa, estan aun en un estudio inicial. Noobstante, es una tecnologıa de procesado rapido que tendra un impacto fundamental a medio plazo en lafabricacion de dispositivos opticos integrados en volumen.

Entre los parametros relativos a las propiedades del material y a la fısica de la interaccion se incluirıanlas propiedades opticas lineales y no-lineales del material, la duracion del pulso y la densidad de potencia depico empleada y el origen de las modificaciones de ındice.

Entre los parametros relativos al procesado (a una determinada longitud de onda y duracion de pulso) seincluirıan, la geometrıa de irradiacion, la energıa por pulso, la frecuencia de repeticion y velocidad de barridode la muestra.

Capıtulo 2

Principios Fısicos

Al considerar los principios fısicos de la optica para la formacion de imagenes es importante mencionarel rol que juegan los fenomenos opticos tales como: Difraccion atraves de una apertura circular, Intensidad,Apertura Numerica, Coherencia y Limite de Resolucion de una imagen, todo esto para determinar la calidadde la imagen que se proyecta en un plano, es decir, que tan nıtida es la figura o el patron que se desea grabaro formar en la superficie o dentro de la fotoresina.

2.1. Difraccion

La difraccion es un fenomeno caracterıstico del movimiento ondulatorio que se presenta cuando una ondaes distorsionada por un obstaculo como una pantalla con una pequena abertura, una rendija o un objetopequeno.

El efecto de la difraccion se hace mas notable cuando el tamano de las aberturas o de los obstaculos escomparable a la longitud de onda. Por esta razon, habitualmente no es posible observar a simple vista ladifraccion de la luz, ya que la mayorıa de los objetos interpuestos son mucho mayores que la longitud de ondade la luz (del orden de 0,5µm).

Los fenomenos de difraccion se dividen en dos tipos. En la difraccion de Fraunhofer los rayos incidentessobre una abertura son paralelos y que se observa el diagrama de difraccion a una distancia suficientementegrande para que efectivamente se reciban solo rayos difractados paralelos.

En la difraccion de Fresnel, los rayos incidentes se originan en una fuente puntual, bien se observan en unpunto del espacio cerca del obstaculo, o bien ambas cosas. El diagrama de difraccion es la distribucion de laintensidad de la luz difractada en un plano de observacion determinado.

21

CAPITULO 2. PRINCIPIOS FISICOS 22

Difraccion de Fraunhofer por una abertura circular Cuando en una pantalla se proyecta una fuentede luz que atraviesa una abertura circular de diametro D, esta inciden perpendicularmente en forma de ondasplanas, donde el diagrama de difraccion que se forma consiste en un disco central brillante, denominadodisco de Airy, rodeado por anillos oscuros y brillantes que se alternan. Cuando λ D el semiangulo θcorrespondiente al primer anillo oscuro esta dado por:

θ = 1,22λ/D (2.1)

y el radio del disco de Airy sobre una pantalla situada a una distancia d es:

ρ = 1,22λd/D (2.2)

El poder de resolucion de una abertura circular segun el criterio de Rayleigh es:

θR = 1,22λ/D (2.3)

2.2. Limite de Resolucion

Al cambiar la distancia focal de la lente, podemos modificar la amplificacion de la imagen, pero no mejorala resolucion. El tamano relativo de los patrones de difraccion y sus separaciones no se modifica [2]. Esto seilustra en la Figura 2.1. Dos imagenes se dice que se resolvera cuando la intensidad en la region sombreadau oscura entre sus imagenes correspondan a un valor especıfico por debajo de la intensidad en los maximosprincipales.

Figura 2.1: Amplificacion y resolucion.


La lente inferior tiene doble longitud focal que la superior. Debido a ellos las imagenes de dos estrellas seforman en A2 y B2 al doble de distancia que A1 y B1. Los patrones de difracion provocados por la aberturaD que es la misma en ambos casos aumentan simplemente en escala en el tamano lineal, de manera que nohay ganancia en la resolucion.

Rayleigh sugirio que el criterio de resolucion angular se define como el angulo entre dos fuentes puntualescuando el maximo principal del patron de difraccion por una fuente puntual cae en el primer mınimo o unanillo oscuro de la otra. Esto se muestra en la Figura 2.2 Esto es la ecuacion (2,3).

Figura 2.2: Criterio de Resolucion de Rayleighs

Cuando la separacion de dos imagenes que consiste en un patron de difraccion es grande en comparacioncon el diametro de sus discos de Airy, cada una de las curvas individuales de intensidad luminosa centralesestan bien definidos y separados. Como los objetos se acercan demasiado, las dos curvas de intensidad sesuperponen de tal manera que los discos de Airy parecen ser una sola imagen en la observacion y no sepuede resolver por separado. Si la luz es incoherente, no hay efectos de interferencia entre las dos imagenesy se pueden sumar las intensidades. Para iluminacion coherente, los campos electricos debido a las ondas dedifraccion provenientes de las aberturas de vecinos se sumaran y luego al cuadrado para obtener la intensidad[2].

Rayleigh define el criterio de resolucion de dos imagenes como la distancia de separacion mınima entreellas, tal que el primer anillo de Airy de cada una sean perfectamente bien distinguidos, esta distancia entre losdos objetos se puede calcular. Sea R la distancia de separacion entre dos puntos objeto O y O′. De acuerdocon la optica geometrica, deberıa haber dos imagenes punto por punto de los dos objetos. Sin embargo,debido a la difraccion de las respectivas imagenes consisten en un disco de Airy con el angulo de separaciondefinido por la ecuacion (2,3) donde el maximo principal de una imagen cae en el primer mınimo de la otra,satisfaciendo el criterio de Rayleigh. La onda de difraccion de O′ a I tiene intensidad cero (que es el primeranillo oscuro de su disco) y los rayos extremos O′BI y OAI difieren en longitud del camino en 1, 22λ [2].


En la figura 2.3, el camino optico O′B es mas grande que OB o OA por Rsen(i), y O′A es mas corto porRsen(i). Esto significa que la diferencia de camino de los rayos del extremos O′ es 2Rsen(i), e igualando estacon 1, 22λ y despejando R nos queda:

Figura 2.3: Resolviendo el poder de resolucion de una lente

R = (1,22λ)/(2sen(i)) (2.4)

Dado que el ındice de refraccion n, entre el objeto y el objetivo puede no ser la unidad.(i.e en el vacıodonde n = 1):

R = (1,22λ)/(2nsen(i)) (2.5)

lo cual se reduce a:

R = (0,61λ)/(nsen(i)) (2.6)

El fısico aleman, Ernst Abbe propuso que nsen(i) puede ser la Apertura Numerica (NA) de la lenteobjetivo. La luz difractada de la retıcula es recolectada por la lente del objetivo de proyeccion de la imagen,si los rayos estan dentro del angulo de aceptacion de la lente objetivo.

En la practica, el valor mas grande de la Apertura Numerica se puede obtener alrededor de 1, 6, restringidopor la limitada disponibilidad de lıquidos de inmersion con un ındice de refraccion superior a 1, 5. Ası, ellimite teorico de resolucion entre dos puntos objeto es [2]:

R = (0,61λ)/NA (2.7)


La ecuacion 2,7 asume que la luz dispersada por dos puntos objeto es independiente de la fase.Abbe sabıa que esta suposicion no era lo adecuado para dos puntos iluminados por la luz de un condensador

(es decir, que no se auto-ilumina), por lo que el lımite de resolucion fue dada por [2]:

R = (0,50λ)/NA (2.8)

Actualmente las descripciones reales de la resolucion en la microlitografıa, trata a los coeficientes de lasecuaciones 2,7 y 2,8 como una variable, k1, que depende del tamano y la forma caracterıstica del objeto, elproceso quımico utilizado y el estado del plano de la imagen (por ejemplo, la reflectividad al sustrato, de lallanura topograficas y planaridad, ası como el desenfoque del plano de la imagen, etc.)[2]

Para k1 con un valor tıpico igual a 0,61 es considerado el lımite de resolucion en virtud de las condicionesde la lınea piloto, aunque se han demostrado valores con una menor resolucion a k1, en la actualidad el valorde k1 es de 0,81 para la produccion en masa. Finalmente queda una expresion para el Limite de Resolucioncomo [2]:

R = (k1λ)/NA (2.9)

2.3. Coherencia

Varios parametros importantes asociados con el sistema de iluminacion en un Sistema de Impresion Directaafectan al rendimiento de la exposicion litografica. Estos incluyen (1) La intensidad (brillo), (2) longitud deonda, (3) El ancho de banda, y (4) La coherencia. Los tres primeros parametros estan determinados por eltipo de fuente que se este utilizando y su temperatura de funcionamiento.

Por ejemplo el Tungsteno, emite fotones que van desde el rango de frecuencia del infrarrojo a bajastemperaturas hasta las frecuencias cercanas al UV a temperaturas mas altas. Por lo tanto nuevas herramientasde exposicion litografica optica requieren fuentes de luz de alta intensidad para maximizar su rendimiento.[4].

Practicamente todos los equipos de fotolitografıa utiliza el arco de mercurio de alta presion, que hademostrado ser de una gran fiabilidad,con una fuente de alta intensidad. El espectro de arco del MercurioHg se compone de muchas lıneas agudas (Figura 2.4), cada uno con una intensidad caracterıstica. Estaslongitudes de onda especıficas se pueden seleccionar por medio de filtros [4].

La capacidad para seleccionar las longitudes de onda individuales es un requisito importante como lentesrefractivas que requieren un ancho de banda muy estrecha para evitar la degradacion de la imagen causadapor la aberracion cromatica [4].

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cambiar titulo e.g. caracteristicas de la luz


Los terminos linea-G, linea-H, y linea-I se refiere a los sistemas disenados para funcionar a los 436nm,405nm y 365nm, respectivamente. Debido a que los Sistemas de Proyeccion Directa se basan en la opticade reflexion, no estan limitados por la aberracion cromatica y son capaces de utilizar la salida completa delespectro de la luz para la exposicion [4].

Figura 2.4: Espectro de Emision del Mercurio.

En la figura los valores corresponden a: 436nm = linea-G, 405nm = linea-H, 365nm = linea-I.

2.4. Apertura Numerica

La luz que pasa a traves de una lente se difracta en una serie de ordenes correspondientes a las diferentesfrecuencias espaciales del patron. Tambien para la reconstruccion de una imagen perfecta se requiere quetodos los rayos que se colectan por la lente de proyeccion sean recombinados en el plano de la imagen. Sinembargo el angulo de difraccion (θ) que corresponde a un aumento de n ordenes dado, con n cada vez mayor,esto se debe a que las lentes no tienen aberturas infinitamente grandes.

Los ordenes difractados con angulos mayores que el angulo crıtico (θmax) esta definido por el angulo dela maxima aceptacion de la lente (Figura 2.5), estos ordenes de difraccion no se colectan en el plano de laimagen, y como consecuencia el contraste de la imagen proyectada se vera afectada. Es evidente que cuantomayor sea el valor de (θmax), mayor sera el numero de rayo colectados que la lente pueda recoger durante unperıodo espacial determinado, y cuanto mayor sea el contraste de la imagen proyectada [4].


Figura 2.5: Difraccion de la Luz a traves de una avertura. En la imagen θ = θmax

Una lente de proyeccion se disena generalmente para producir una imagen con magnificacion MT , quedetermina la posicion espacial del objeto y la imagen en relacion con la lente. La Apertura Numerica de lalente de proyeccion (NAp) se define en terminos del angulo del cono maximo de rayos ψmax subtendido porel diametro maximo de la pupila en el plano de la imagen,[4]. En concreto, se define como:

NAp = nsenψmax (2.10)

donde n es el ındice de refraccion de la imagen en el espacio y es generalmente igual a la unidad.

Los angulos, ψmax y θmax son funcionalmente relacionados a traves del aumento y son iguales en aumentopor unidad. La Apertura Numerica por lo tanto se define como la “aceptacion” del angulo de una lente.Cuanto mayor sea la Apertura Numerica de una lente de proyeccion, mayor sera el numero de ordenes dedifraccion (y por lo tanto la cantidad de informacion difractada), que puede ser recogida y posteriormenteprocesada. Asimismo, la Apertura Numerica del condensador NAc: viene dada por [4]:

NAc = nsenθc (2.11)

donde θc es el angulo conico maximo subtendido por la fuente.

Hemos discutido cualitativamente varios conceptos que son importantes para desarrollar una comprensionde la tecnica de proyeccion directa. Estos conceptos se resumen a continuacion:

1. La coherencia espacial se refiere a la extension finita en el espacio de una fuente de luz que a su vezafecta la correlacion de fase resultante entre dos puntos espaciados lateralmente en el campo de luz. Unafuente puntual es espacialmente coherente porque es una relacion de fase especıfica entre todos los puntosdel frente de onda que emana. Una fuente de infinita extension se dice que es incoherente. Entre estos dosextremos se encuentra el dominio de la coherencia parcial, que tiene una importancia considerable en lapractica de los sistemas de imagenes litograficas [4].

2. La difraccion se refiere a la aparente desviacion de la luz de la propagacion rectilınea cuando pasa porun obstaculo, como un borde opaco. La expresion “aparente” desviacion se utiliza porque de hecho la luz noes “desviada”, pero si se divide de la propagacion rectilınea como una consecuencia natural de la forma enque se propaga (principio de Huygens). El efecto de difraccion se produce cuando existe una limitacion enancho del rayo de luz [4].


3. La informacion espacial de un objeto solo se encuentra en la luz difractada [4].

4.La lente de proyeccion forma dos patrones distintos de interes. Uno es el patron de difraccion de Fraun-hofer del plano objeto que se forma en el plano focal conjugado al plano de la fuente, y la otra es la imagendel objeto formada en el plano conjugado del plano objeto [4].

El patron de difraccion de Fraunhofer es identico a la transformada de Fourier de la funcion de aperturadel objeto, que se define en terminos de la fuente de area por unidad de fuerza en el plano objeto [4].

5. La cantidad de informacion espaciales recogida a partir de la mascara por la lente de proyeccion, esdecir, el grado de filtrado espacial, esta determinada por la apertura numerica de la lente, cuanto mayor seala apertura numerica de la lente mayor su resolucion [4].

2.5. Fotoresina SU-8 2000

En la ciencia de la miniaturizacion para obtener estructuras en 2D y 3D se requiere primordialmente deun material especilizado, que cumpla con propiedades de cambio amplias, ası como una alta resolucion.

Este material se llama resist (resina) o fotoresist, un polimero de radicales libres de tipo positivo o tiponegativo, creado exclusivamente para la manofactura de circuitos integrados. La resina SU-8 fue originalmentedesarrollada y patentada por IBM .

Actualmente la fotoresina SU-8 2000 con un alto contraste basada en una resina de tipo epoxica es idealpara la fabricacion de microcomponentes y otras aplicaciones de la microelectronica. La resina SU-8 2000 esuna formula mejorada de la resina SU-8 que ha sido ampliamente utilizada por los productores de MEMSpor muchos anos.

El uso de un secado mas rapido, los resultados de los disolventes y la calidad del sistema de coberturahan aumentado el rendimiento del proceso. La SU-8 2000 esta disponible en doce viscosidades, con espesoresde capa de 0, 5 a 200 micras.

La SU-8 2000 tiene excelentes caracterısticas de imagen y es capaz de producir estructuras con aspectode muy alta proporcion, ademas la SU-8 2000 tiene una transmision optima para longitudes de onda entrelos 350 y 400 nm, lo que hace que sea ideal para obtener imagenes cercanas a las paredes verticales en laspelıculas de gran espesor.


Caracterısticas de la Fotoresina SU-8 2000

♣ Tiene una alta resolucion de imagen.

♣ Alcanza espesores de 0,5 y 200 µm en una sola capa.

♣ Mejora de las propiedades de revestimiento.

♣ Un secado mas rapido para un mayor rendimiento.

♣ El tratamiento o proceso es muy cercano al UV (350-400 nm) .

♣ Se puede trabajar en las paredes laterales verticales.

Procesamiento de guıa. (Processing Guidelines) La SU-8 2000 es comunmente expuesta a longitu-des de onda de UV (350 − 400nm) de radiacion, aunque la linea-I (365 nm) es la longitud de onda masrecomendada. Ademas esta fotoresina tambien puede ser expuesta con haz de electrones o rayos X.

Tras la exposicion, el entrecruzamiento (cross-linking) sucede en dos etapas. (1) La formacion de un acidofuerte (es decir un endurecimiento) durante el paso de la exposicion, seguido por (2) un acido catalizadotermicamente llevando al entrecruzamiento durante la coccion posterior a la exposicion (PEB). Un procesonormal es: Deposito y planarizacion, cocer al horno suave, exponer (PEB), revelar, volver a cocer y finalmenteenjuagar y secar.

Preparacion del Sustrato. (Substrate Preparation) Para obtener un maximo proceso de fiabilidadlos sustratos (las obleas de silicio) deben estar limpios y secos antes de aplicar la SU-8 2000. Para obtenermejores resultados, los sustratos deben ser limpiados con humeda (usando H2SO4&H2O2), seguida de unenjuague con agua desionizada.

Planarizacion o Capa (Coat) La SU-8 2000 esta disponible en doce viscosidades estandar. En estedocumento se mencionan solo seis productos:

La SU-8 2000.5, SU-8 de 2002 (que sera la que utilice ), SU-8 2005, SU-8 2007, SU-8 2010 y SU-8 2015.Las Figuras 2.6 y 2.7 proporcionan la informacion necesaria para seleccionar la SU-8 2000 adecuada y lascondiciones de la velocidad de centrifugado (spin speed), para lograr el espesor de la pelıcula o capa deseado.En la Tabla 1 se muestran los diferentes grados de viscosidad de acuerdo al tipo de resina.

Recomendaciones del Programa 1.) Dispensar 1ml de resist o resina por cada pulgada (25mm) undiametro del sustrato.

2.) La velocidad a 500rpm durante 5− 10 segundos en aceleracion de 100rpm/s.

3.) La velocidad a 2000rpm durante 30 segundos con la aceleracion de la 300rpm/s.


Figura 2.6: Velocidad de centrifugado vs Espesor. (SU-8 2000 Spin Speed vs Thickness)

Figura 2.7: Velocidad de centrifugado vs Espesor. (SU-8 2000 Spin Speed vs Thickness)

Removiendo los excesos de material en las orillas de la muestra. (Edge Bead Removal(EBR))Durante el proceso de planarizacion (coat process) una acumulacion de resina se puede producir en el bordedel sustrato. Con el fin de minimizar la contaminacion de la zona de coccion, esta capa gruesa debe sereliminada. Esto se puede lograr mediante el uso de un pequeno flujo de solvente (MicroChem’sEBR PG) enel borde de la oblea, ya sea en la parte superior o inferior. La mayorıa de las maquinas de giro automaticoahora tienen esta caracterıstica y se puede programar para hacer esto automaticamente.


Tabla 2.1:Viscosidad SU-8 2000

Horneado Suave (Soft Bake) Con un buen control termico en la parrilla y la uniformidad del calenta-miento se recomienda para su uso durante el paso de horneado o cocido suave.

Los Hornos o las parrillas convecionales no se recomiendan. Durante el horneado una capa dura se puedeformar en la resina. Esta capa puede impedir la evolucion del disolvente, lo que resulta en un secado incompletode la pelıcula y / o por lo tanto se amplian los tiempos de cocido.

En la Tabla 2. se muestran las temperaturas recomendadas para el horneado suave y los tiempos para lasdistintas SU-8 2000, con los de capa seleccionada.

Nota: Para optimizar los tiempos de horneado retire la oblea de la placa despues del plazo indicado y dejeque se enfrıe a temperatura ambiente.

Tabla 2.2:Tiempo del Horneado Suave

Exposicion. (Exposure) Para obtener paredes verticales en la SU-8 2000, le recomendamos el uso de unfiltro paso largo para eliminar la radiacion UV por debajo de los 350nm. Con el filtro recomendado (PL-360-LP) de Optica Omega (www.omegafilters.com) o Asahi Technoglassfilters V-42, mas radiacion UV-D35(www.atgc.co.jp), un aumento del tiempo de exposicion de aproximadamente 40 es necesaria para alcanzarla dosis de exposicion optima.


Nota: Con una exposicion optima, una imagen latente visible se vera en la pelıcula dentro de 5-15 segundosdespues de ser colocada sobre la placa calefactora PEB y no antes.

Tabla 2.3:Dosis de Exposicion

Estructura Molecular de la Fotoresina SU-8 En la siguiente figura se muestra la estructura molecularde la resina epoxica SU-8 tenemos que el primer grupo funcional donde esta el O , CH , 2 veces el CH2 yO (Oxigeno, Carbono e Hidrogeno) pertenece al Glycidyl. Para el caso del ether se tiene O , CH , 2 veces elCH2 como se ve en la figura 2.8; y finalmente el Bisphenol que esta dado por el O, anillo H3C − C − CH3,anillo y O.

Figura 2.8: Estructura Molecular de Glycidyl ether of Bisphenol A-SU-8


Horneado despues de la exposicion. (Post Exposure Bake (PEB)) La PEB debe realizarse justodespues de la exposicion. En la Tabla 4. se muestra los tiempos y las temperaturas recomendadas.

Nota: Despues de 1 minuto de la PEB a 95C, una imagen de la mascara debe ser visible en el SU-8 2000.Si la imagen no se ve claramente durante o despues del PEB esto significa que la exposicion fue insuficiente,o el horneado o ambos.

Tabla 2.4:Tiempos de Horneado despues de la exposicion

Revelado. (Development) La fotoresina SU-8 2000 ha sido disenada para uso de inmersion, spray oaerosol, todos estos procesos desarrollados por MicroChem’s SU-8. Otros desarrollos basados en los solventescomo el lactato de etilo y el alcohol de diacetanol tambien se puede utilizar.

Los tiempos de revelado para los procesos de inmersion se muestran en la Tabla 5 . Estos tiempos dedesarrollo son aproximados, ya que las tasas reales de disolucion pueden variar ampliamente en funcion de laagitacion.

Tabla 2.5: Tiempos de revelado para la fotoresina SU-8

Enjuague y secado. (Rise and Dry) El Lavado o enguaje de la imagen revelada se hace con una solucionfresca durante aproximadamente 10 segundos, seguido de un segundo lavado con alcohol isopropılico (IPA)por otros 10 segundos. Finalmente secar con aire filtrado, o aire a presion, o nitrogeno.


2.6. Efectos de la Luz Incidente

La intensidad de luz que incide sobre la resina y que es absorbida, esta determinada por la ley de Bee. Sinembargo la distribucion de intensidad en la resina no solo es determinada por las caracterısticas de absorcionde la resina, sino tambien por la composicion del material del sustrato [4].

Considere la luz incidente de la imagen normalmente dentro de una pelıcula debilmente absorbente deespesor d, es decir un reflector semi-perfecto como se muestra en la Figura 2.9. La luz que incide sobre lapelıcula (rayos 1) se absorbe, ya que pasa a traves de la pelıcula (rayo 2) [4].

La luz que llega a la interfaz de resina-sustrato se refleja de nuevo en la resina (rayos 3) donde se vuelvea absorber. La cantidad de luz reflejada hacia la pelıcula depende de las propiedades opticas (reflectividad)del sustrato. Un porcentaje del rayo 3 que llega a la interfaz de la resina-aire se refleja de vuelta a la resina(rayos 4), y ası sucesivamente hasta que toda la luz ha sido absorbida [4].

Figura 2.9: Representacion esquematica de la reflexion multiple [4]


Esta multiplicacion de rayos reflejados interfieren entre sı para producir ondas estacionarias con maximosy mınimos de intensidad locales dentro de la pelıcula como se muestra en la Figura 2.10. La Amplitud deE23 en la Figura 2.10 es la suma de las amplitudes de las ondas 2 y 3. Los efectos de absorcion han sidodescuidados [4].

Figura 2.10: Amplitud e Intensidad de las ondas incidentes [4]

En la grafica Amplitud vs Posicion: La combinacion de las ondas 2 y 3 producen una onda de amplitudE23. En la grafica Intensidad vs Posicion: El perfil de intensidad I23, con Imax y Imin que corresponden alespesor de la resina del rendimiento de intensidades maximas y mınimas dentro de la pelıcula [4].


Por causa de Cuthbert [30], podemos escribir la funcion envolvente para la intensidad de la onda estacio-naria resultante como [4]:

I23 = 4I2sen2k(d− z) (2.12)

Donde k = 2πn/λ (n es el indice refracion de la fotoresina), y d es el espesor de la pelıcula. Medido desdela interfaz de reflexion, la localizacion de los maximos de intensidad llamados antinodos estan dadas por lassiguientes condiciones [4]:

n(d− z) = λ/4, 3λ/4, ..., (2N + 1)λ/4 (2.13)

Las regiones donde las amplitudes de luz interfieren destructivamente se llaman nodos, que ocurren cuando[4]:

n(d− z) = λ/2, λ, ..., Nλ/2 (2.14)

La distancia entre los nodos es igual a λ/2n . Cuando todas las reflexiones son tomadas en consideracion,la amplitud del patron de la onda estacionaria depende del espesor de la pelıcula. La ubicacion de los nodosy anti-nodos siguen siendo las mismas ecuaciones (2.13) y (2.14) . El maximo de intensidad se logra cuandoel espesor esta dado por [4]:

nd = (2N2 + 1)λ/4 (2.15)

mientras que el mınimo de intensidad se produce en espesores dados por [4]:

nd = N2λ/2 (2.16)

Donde N2 = 0, 1, 2, 3, ..... Las dos funciones envolventes de intensidad se han dibujado en la Figura 2.10,donde el espesor de la pelıcula es evidentemente importante [4].

Capıtulo 3

Desarrollo de Trabajo

Como se menciona en la introduccion de esta Tesis, el proposito Principal fue disenar y construir unSistema de Fotolitografıa de bajo costo, para ello se propuso un plan de trabajo multidisciplinario, donde nosolo se aplicaron conocimientos teoricos de la Fısica sino que ademas hubo aportaciones de la Electronica yde la Fisicoquımica.

Por otro lado el manejo y aprendizaje de programas como LabVIEW para la automatizacion de las platinasy AutoCAD para el diseno de las piezas mecanicas. Ademas de todo el trabajo practico que se requiere paraun cuarto limpio (se explicara con detalle en la seccion de Fotolitogarfıa).

El desarrollo practico de esta Tesis estuvo dividido en cuatro areas de trabajo:

1.-Diseno y Mecanica.2.-Electronica.3.-Optica.4.-Fotolitografıa.

Cada una de estas etapas se fueron desarrollando por separado y en el orden establecido. Se presenta acontinuacion el funcionamiento general del sistema ası como el desarrollo particular de cada una de estasareas.

Todos las piezas mecanicas fueron maquinadas en el taller mecanico del Laboratorio de Fotonica deMicroondas del CCADET, la etapa de potencia y la automatizacion la lleve acabo en el Laboratorio yamencionado, ası como la optica; y finalmente la Fotolitografıa que fue desarrollada entre el cuarto limpio(tambien perteneciente al Lab.) y el Lab. Fotonica de Microondas.

37

CAPITULO 3. DESARROLLO DE TRABAJO 38

3.1. Funcionamiento General

En el siguiente diagrama se muestra el Funcionamiento general del sistema de Foltolitografıa:

Señal Generada Por LabVIEW.

Láser UV

PreparaciónDela Fotoresina.

Tarjetas DAQ.

Etapa de Potencia.

SistemaDe

Fotolitografía.

Camino óptico

Deposito

Planarización

Pre-Cocido

Grabado

Cocido

Revelado

Diagrama del Funcionamiento General del Sistema

Primero se generan las senales seno y coseno desde LabVIEW donde se introducen y registran todos losparametros de la senal como: numero de pasos, la distancia total de recorrido, el numero total de pasos, eltiempo de espera entre cada paso, y la amplitud para cada senal.

Una vez que se han introducido todos estos datos, se ejecuta el programa con todos los parametrosrequeridos, mandando las senales a la tarjeta DAQ, donde seran convertidas, las senales digitales a senalesanalogicas.

Para poder amplificar estas senales (ahora voltaje) y darles la potencia que requieren o demandan losmotores se utiliza una etapa de potencia para poder desplazar las platinas con la precision deseada. De estamanera el sistema ya esta automatizado y por lo tanto podemos alcanzar las escalas de micras y sub-micrasque demanda este trabajo.


Por otra parte en el caso de la Optica, una vez que todos los elementos: El laser, El divisor de haz (unprisma) , El atenuador, Los espejos y finalmente la lente del Sistema de Fotolitografıa ) estan debidamentealineados sobre la mesa optica.

Se enciende la fuente de poder del laser con una espera de 10 a 15 min. para que se termalise el medioactivo del laser, es decir, que alcance su temperatura optima de funcionamiento que es de 32C, despues conel control del laser se registra la frecuencia y el numero de pulsos que se deseen, activando el boton de starpara tener un pulso continuo con los datos requeridos o tambien nos da la opcion de hacerlo manualmentepresionando el boton (single shot), de esta manera se tiene un haz pulsado es decir, se emite un solo pulsocuando se presiona este boton.

Una vez que tengo listas estas dos secciones (electronica y optica) el Sistema esta listo para hacer laFotolitografıa. En el cuarto limpio preparo todo lo relacionado con la resina (SU-8 2000). Donde el protocoloa seguir es el siguiente; (aclaro que seguı solo los pasos necesarios omitiendo los opcionales):

1.-Deposito de la fotoresina SU-8 (Substrate Pretreat)

2.-Planarizacion o capa , (coat)

3.-Pre-Cocido o Secado, (Soft Bake)

4.-Exposicion o Grabado, (Expose)

5.-Cocido despues de la exposicion (Post Expose Bake)

6.-Revelado, (Develop)

7.-Secado, (Rinse and Dry)

Finalmente con la implementacion de estas cuatro areas se tiene un Sistema de Fotolitografıa donde sepuede realizar de una manera basica esta tecnica de Micro y Nanofabricacion, y ası de esta manera podertrabajar en el area de la nanociencia en la UNAM y en Mexico, desde una perspectiva diferente.


3.2. Mecanica

Esta seccion es quizas la parte mas importante de mi trabajo ya que de ella se desprenden todas las demasareas, sin contar que contiene al sistema optico el cual cuenta con un mecanismo de facil manejo, ademasde que es practicamente donde se llevara acabo la etapa final de este trabajo, que es la Fotolitografıa. Cabemencionar que se opto por tener un desplazamiento de alta precision en las platinas donde va ha ir colocadala fotoresina, con esto el sistema optico queda fijo una vez que se ha obtenido el foco (se explicara en laseccion de optica), teniendo de esta manera un sistema diferente a los comerciales ya que la mayorıa de ellosdejan fija la muestra y lo que mueven es el laser o la fuente de luz que esten utilizando con algun arreglo deespejos o sistema optico.

En las figuras 3.1 y 3.2 se muestra el plano general del Sistema de Fotolitografıa a escala real del sistemaya fabricado.

Figura 3.1: Plano del Sistema de Fotolitografa


Figura 3.2: Plano del Sistema de Fotolitografıa


El Sistema Mecanico esta conformado de la siguiente manera:

♣ Estructura y cuerpo del Sistema de Fotolitografıa.

♣ Acopladores para los motores con las platinas.

♣ Sistema Optico.

♣ Monturas para sujetar los motores con los acopladores y las platinas.

Estructura y cuerpo del sistema de Fotolitografıa. El cuerpo del sistema esta conformado por dosplacas de aluminio que serviran para las bases del sistema, teniendo una dimension de 15cm de largo por 10cmde ancho, se cortaron y tornearon en el taller mecanico del Lab. de Fotonica de Microondas. La base inferiorsolo tiene las perforaciones para sujetar (con tornillos micrometricos M5) tanto a las platinas corredizas comoa las paredes del sistema, que seran cuatro piezas de aluminio dos paredes frontales y dos paredes posteriores,por otro lado la base superior tiene un corte en forma de cuadro, para que el sistema optico pueda entrarhasta la base superior de las platinas, donde estara colocada la fotoresina, ver figura 3.3:

Figura 3.3: Plano del Sistema de Fotolitografıa

Aquı en este primer plano se muestra solo la caja del Sistema de Fotolitografıa. Aquı seran ensambladaslas platinas corredizas y el sistema optico.


Figura 3.4: Planos de la Base Superior

La base superior consta de seis perforaciones para los tornillos milimetricos (M5) que sujetaran a lasparedes, tambien tiene dos perforaciones mas para sujetar la base del sistema optico. Las dimensiones delcuadro son de 6,5cm, como se muestra en la figura.

Figura 3.5: Planos de la Base Inferior

La base inferior consta de seis perforaciones para los tornillos milimetricos (M5) que sujetaran a lasparedes, tambien tiene dos perforaciones mas para sujetar a las platinas corredizas.


Figura 3.6: Planos de las paredes del Sistema

Las paredes frontales llevan sus perforaciones en el centro de sus caras, mientras que la paredes posterioreslas llevan en las esquinas.


Acopladores para los motores con las platinas. Lo que hice aquı fue construir unos acopladores dealuminio, estos fueron los mas difıciles de maquinar dado su diseno y estructura ver figura 3.7.

Figura 3.7: Plano con las Dimensiones del Resorte

Para maquinar los acopladores, se siguen los siguientes pasos:

1) Se carean ambas bases de los tubos de aluminio y se pule la superficie, dejando listos los cilindros conun diametro de 2cm y una altura de 5cm, (estas dos acciones de carear y de pulir se hacen en el torno).

2) En una cara se perfora con una broca de 0,8cm de diametro a una profundidad de 4cm, por la otracara se perfora con un broca de 0,2cm a una profundidad de 1cm. (esta paso tambien se realiza en el torno).

Ahora los cilindro estan listos para ser cortados como se describe a continuacion.

3) Una vez que el cilindro esta colocado en la fresadora con la cara hacia arriba que tiene la perforacionde 0,8cm, se procede a cortar con una sierra de acero inoxidable con un diametro de pulgada y media y unespesor de 1mm, donde los cortes seran de la siguiente manera.

4) El primer movimiento de la sierra es hacia abajo comenzando desde la base a una profundidad de 1cm,una vez fijada esta distancia el segundo movimiento sera un corte hacia adentro del cilindro con un avancepromedio de entre un 1mm y 1,5mm, una vez que la sierra esta adentro el cilindro, este se movera de lado alado perpendicular a la sierra, hasta alcanzar una profundidad total de 14mm para cada corte.

5) Despues el cilindro se gira 180, y se baja 1,5mm y se repite lo del paso anterior, de esta manera seintercalan los cortes hasta hacer 19 de ellos, logrando ası la flexibilidad y rigidez que se necesita. Ver figura3.8:

Figura 3.8: Estructura final del Resorte Acoplador


Sistema Optico. Para el Sistema Optico se diseno y construyo una montura corrediza verticalmente, enel extremo inferior tiene la base que sujeta a la lente que enfoca el laser, en una posicion perpendicular a lamontura vertical (formando una L); en el extremo superior tiene al tornillo milimetrico que hace la funciondel desplazamiento en el eje Z de arriba abajo y viceversa vease figura 3.9:

Figura 3.9: Plano del Sistema Optico Completo

El Sistema optico esta sujeto a la caja del Sistema de Fotolitografıa con la escuadra que forman la basedel sistema optico y la base primaria del sistema corredizo, estas dos piezas se unieron con dos tornillos (M4),mientras que la base del sitema optico tiene dos perforaciones (M5), para que se sujete a la caja del Sistemade Fotolitografıa.


Figura 3.10: Plano de la base del sistema

La estructura del sistema optico esta formada por dos bloques rectangulares de aluminio formando unaescuadra por la base del sistema optico en posicion horizontal y la base primaria del sistema optico en posicionvertical, estas estan sujetas por dos tornillos milimetricos (M4).

Si observamos la figura 3.9, se puede notar que la base primaria del sistema optico esta en el filo de labase del sistema optico y la razon de esto es que el plano vertical que se forma con la union de estas dospiezas sea lo mas limpio o liso que se pueda, ya que el desplazamiento de la platina de la figura 3.13 tiene queser sin ningun tipo de friccion. Y ası pueda hacer su recorrido de arriba a abajo sin ningun contra tiempo.

Por otro lado la base que esta acostada tiene dos perforaciones mas para los tornillos (M6), que fijaranesta base con la base superior de la caja o cuerpo del sistema. Esta base se fijara de tal forma que que todala estructura vertical quede flotando para que la base donde va la lente no pegue con el cuadro de la caja odel cuerpo del sistema y tampoco con la base superior de las platinas.


Figura 3.11: Plano de la Base Primaria

Aquı en la figura 3.11 se muestran las dimensiones de la base primaria del sistema optico. Esta pieza tienecuatro perforaciones en sentido horizontal para fijar a los sujetadores con tornillos milimetricos (M3), en elextremo superior tiene dos perforaciones (M3) para sujetar la base del tornillo milimetrico que desplazara ala estructura corrediza, en la cara de abajo es donde estan las perforaciones para los tornillos (M4) y quesujetan a la base primaria con la base horizontal del sistema optico.

Figura 3.12: Planos de la Base superior del sistema optico


Para la base superior ademas de los tornillo que sujetan a la pieza y el tornillo micrometrico que desplazaa la platina tiene tambien dos tornillos (M3) en posicion horizontal en cada uno de sus extremos laterales,la posicion de estos tornillos es importante ya que juntos sostendran a los resortes (no los acopladores) queharan la funcion de regresar a la platina cuando esta va subiendo, es por eso la importancia de estos tornillosextra.

Figura 3.13: Plano de la platina corrediza y de los sujetadores

Lo mas importante quizas para el caso de los sujetadores y de la platina es que estuvieran perfectamentelisos, para lo cual se les dedico especial atencion en este punto; los sujetadores tiene sus respectivas perfo-raciones para que queden fijos a la base primaria como se muestra en al figura 3.9, el hecho de tener estoscuatro tornillos, nos dan a su vez cierto grado de libertad para el desplazamiento de la platina, ademas paraque su recorrido se mas optimo entre la base primaria y los sujetadores se coloco un poco de grasa parallantas de bicicleta.

Por otro lado la platina corrediza tiene un tornillo (M3) atravesado por los costados ya que este tornillosujeta los extremos de los resortes que vienen de los tornillos de la base superior. Consiguiendo de esta maneraque la platina corrediza se desplace hacia arriba si ası se desea.


Figura 3.14: Base de la lente

Para la base de la lente, como se ve en la figuara 3.14, se maquino de esta forma por dos razones. Laprimera tiene que ver con el extremo superior que es donde esta la lente, aquı se le hicieron estos cortes (quese pueden ver en la figura 3.14), para que se tuviera un mejor control o manejo de las muestras (la fotoresina)una vez que esta fija en la base de las platinas, de lo contrario tendrıamos que subir toda la base para poderllegar a la muestra, lo cual implicarıa estar consiguiendo el foco cada vez que se desee hacer un grabado ouna exposicion.

Por otro lado, en el extremo inferior se maquino un recuadro con las siguientes dimensiones: mide 7.96mm de ancho por 14.06 mm de largo, y esta a una distancia de 4.50 mm del extremo inferior, este recuadroatraviesa por completo a la base de la lente. Ademas de este recuadro, la base tiene unas ranuras en formade ovalos en cada uno de sus costados, las dimensiones de los ovalos son de 14.14 mm de largo por 3.95 mmde ancho, estos ovalos tambien atraviesan los costados llegando hasta el recuadro.

Este recuadro es la segunda razon de porque es que se maquino de esta manera ya que aquı es donde entrala platina corrediza que tiene una perforacion (M3), en su extremo inferior, de esta manera el tornillo sujetaa la base de la lente con la platina corrediza, dandonos dos grados de libertad: 1) que se puede mover a lolargo del recuadro (14.06 mm), y 2) que se puede tener un recorrido angular respecto a la platina corrediza.

Por otro lado ademas de la perforacion para la lente, hay que mencionar que la lente tiene un diametro de4.45 mm y el tamano del diametro de la perforacion es de 4 mm, y la razon de esto es que la lente estara en lacara que quede boca abajo, como la lente es plano convexa (una cara de la lente es curva y la otra es plana),se maquino una especie de caja, que no es otra cosa que hacer una perforacion (con una profundidad de 2mm), con el diametro exacto de la lente ahı mismo donde ya tiene la perforacion con el diametro de 4 mm,para que la lente solamente embone y el lado plano de la lente quede boca abajo.

La lente esta sujeta con un material llamado berilio cobre en forma de lamina que tendra una perforacionaproximada al diametro de la lente y de su otro extremo esta sujeta la base de la lente con un tornillo (M2),pero desde el extremo opuesto el que mide 1.7 cm haciendo una especie como de palanca que solo presione ala lente dentro de la caja. La razon de esto es que la lente no sea contaminada con algun pegamento y puedamodificar las caracterısticas opticas de la lente.


Monturas para sujetar los motores con los acopladores y las platinas. Para sujetar los motores conlos acopladores y las platinas se hizo lo siguiente. Del lado de la base del acoplador que tiene una perforacionde 8 mm se embona con el brazo de la platina comercial y se sujeta con un prisionero (un tornillo M3), en laotra base, que tiene la perforacion de 2 mm se embona la flecha del motor y se sujeta igual con un prisionero,con esto las tres piezas estan sujetas entre si. Como los tornillos micrometricos de las platinas ya estan firmes,lo que se necesita ahora es sujetar a los motores y que queden fijos para que los acopladores puedan hacer sutrabajo, que es alinear la flecha del motor con el tornillo de la platina. Ahora para darle rigidez a los motoresse plantearon dos opciones, igual de eficaces.

Figura 3.15: Sistema de movimiento en X, Y

Aquı en la figura 3.15 se muestra solo el plano del sistema de movimiento de presicion para los respectivosejes, mientras que en las figuras siguientes se detallara cada uno de los ejes por separado.


Figura 3.16: Plano del eje X

La idea principal de este sistema de movimiento, es que el recorrido que tengan los tornillos de las platinasjunto con la deformacion de los acopladores sea libre, es decir que no tenga contacto con ninguna otra pieza,practicamente que queden volando, para garantizar que el desplazamiento que se produzca sea solo por losmicro-pasos que genere el motor junto con el programa. Para lograr esto se hizo lo siguiente:

Como ya mencione, las tres piezas ya estan fijas (platina, acoplador y motor) y realmente lo unico quenecesito es fijar los motores. Para el caso del eje X utilice un barra de aluminio (que es la base inferior) de15 cm de largo por 2.5 cm de ancho, para este caso la barra esta sujeta a la platina de abajo que es la quecorresponde al eje Y; la manera de sujetar la barra con la platina fue la siguiente, se fabricaron dos escuadrasde aluminio de 90, para que una de las caras quedara en un costado de la barra y al otra cara quedara enel costado de la platina, lo mismo del otro extremo sujetando con tornillos (M3).

De esta manera ya tengo un brazo, que es lo suficientemente rıgido y lo que es mas importante que estaa nivel de la base del tornillo micrometrico de la platina como se ve en la figura 3.16, ahora lo que resta esnivelar al motor con el tornillo, y para esto se tiene esta primera opcion.

Nuevamente haciendo mano de el material berilio cobre fabrique un cinturon que servira como abrazaderapara el motor y que esta sujeto (el cinturon) con tornillos (M3) a los costados de las barras, finalmente conun tornillo (M5), que entrara de abajo hacia arriba con paso micrometrico como se muestra en la figura 3.16nos dara la altura que requerimos y a su vez quedara presionado con el cinturon de berilio cobre.


Figura 3.17: Plano del eje Y

Para el caso del eje Y, se diseno otra estructura dadas las condiciones del Sistema de Fotolitografıa.Nuevamente con una barra de aluminio de 6 cm de largo por 2.5 cm de ancho, se fijo a la base inferiordel Sistema de Fotolitografıa, nuevamente con dos escuadras de aluminio de 90, la razon de esto es que, laplatina se ajusto con el plano superior de la base inferior del Sistema de Fotolitografıa.

Para sujetar al motor del eje Y se diseno y fabrico lo siguiente. La base de aluminio de la figura 3.17, esuna barra de aluminio de 5.5 cm de largo por 2.5 cm de ancho, donde a una altura de 2.5 cm se hizo unaperforacion con un diametro de 2.5 cm para que embonara justo el acoplador y aquı surgio un detalle, elprisionero que sujeta a la flecha del motor con el acoplador tiene que ser sin cabeza ya que el recorrido delacoplador es practicamente dentro de esta pieza. Ahora para sujetar al motor con esta pieza se hicieron unasperforaciones (M2) en la pieza de aluminio ya que el motor trae cuatro perforaciones en el cuadrado (veranexo de motor), el diametro de estas perforaciones es justo de 2 mm facilitando el trabajo de conseguir lasbrocas y machuelos adecuados. De esta manera el motor ya esta fijo ahora lo que resta es ajustar la alturadel motor unido al acoplador con el tornillo micrometrico, y para ellos se hizo lo siguiente:

Como se muestra en la figura 3.17 la base de aluminio esta en posicion vertical respecto a la base inferior,por lo cual se barrenaron dos ovalos en el extremo inferior de la base de aluminio, con dimensiones de 8 mmde largo por 4 mm de ancho para que los tornillos (M4) tengan juego y no solamente sujeten estas dos piezas,sino que ademas se pueda nivelar la altura del motor; por esta razon, esos 8 mm de recorrido pueden ajustartanto al acoplador como al motor, a la altura a la altura del tornillo micrometrico de la platina.


Base para las Obleas y el Spin Coating. Para este caso se maquino una base de aluminio, donde sepudieran colocar las obleas de silicio ver la figura 3.18, dado el tamano de las obleas, y el tamano de la basedel spin caoting este ultimo es demasiado grande comparado con el tamano de las obleas que no rebasan los9 mm2.

La base superior tiene que maquinarse con mucho cuidado procurando que el fresasdo de la cara sea lomas perpendicular a su normal, es decir que la base sea completamente plana y que no este inclinada o delado, porque de lo contrario a la hora de depositar la fotoresina se irıa de lado y el Spin Coating no servirıade nada.

Figura 3.18: Plano de la Base para el Spin Coating

Esta pieza es muy importante, ya que en gran medida, el resultado de que la fotoresina se distribuya deuna manera uniforme sobre la oblea va a depender de que tan bien se haya maquinado esta pieza. Lo primeroque se hace es cortar un tubo de aluminio con el diametro ya establecido (2.51cm) con una altura de 3.5cm con la razon de que se pueda agarrar con las prensas del torno; una vez que las bases ya estan careadas,se comienza a devastar hasta tener un altura de 2.5 cm aproximadamente, para comenzar a devastar haciadentro hasta tener un cilindro de 0.35 cm de diametro y un altura de 0.94 cm como se ve en la figura 3.18.

Despues con mucho cuidado se comienza a perforar con una broca de 0.5 mm, para lo cual se tienen quebajar las revoluciones del torno para no romper la broca y que quede atascada en la pieza y se eche a perder.

Finalmente para poder carear la base superior, se fabrico una pieza extra, que es un anillo de aluminiocon un corte en un extremo, para que pueda presionar a la pieza que se va a trabajar y sirva como unaagarradera; esto no va garantizar que el careado de la base sera perfectamente perpendicular a su normal.Por ultimo se pule con una lija de agua de 600 y fibra para trastes.


3.3. Electronica

Antes de pasar directamente a la etapa de potencia, primero les mostrare los elementos que componenesta seccion (motores, tarjetas DAQ, Fuente de alimentacion y circuitos integrados), con el fin de entendercada una de sus funciones y sus aportaciones, primero por separado y despues en conjunto, integrando deesta manera dicha seccion. Ademas de que dare las razones por la cuales decidı utilizar los elementos que acontinuacion presento.

3.4. Motores de Pasos PaP

Los motores de pasos (PaP), tienen un comportamiento diferente al de los motores de DC, un motor DCgira a una velocidad establecida, es decir giran libremente a una velocidad relativamente alta y para lograrque giren una fraccion de vuelta o una cantidad precisa de vueltas resulta muy difıcil y ademas muy pocopractico.

Este tipo de motores, no alcanzan inmediatamente su velocidad nominal, hay que tomar en cuenta querequieren de un tiempo de arranque, debido a que la inercia mecanica no les permite llegar a la velocidadnominal de inmediato, ademas, cuando se les deja de suministrar energıa, continuan girando, esto debidotambien a la inercia. Es por ello que utilice motores especiales de pasos (PaP).

Por lo general, todas las bobinas del motor PaP son parte del estator, mientras que el rotor puede serya sea un iman permanente o en el caso de los motores de reluctancia variable, un cilindro solido con unmecanizado en forma de dientes construido con un material magneticamente blando.

Estos motores, no giran libremente por sı mismos y como su nombre lo indica, avanzan girando porpequenos pasos, tambien difieren de los motores de DC en la relacion entre velocidad y torque (par motor opar de giro).

Los motores PaP tienen una caracterıstica adicional, los torques de paro y de mantenimiento, no existenen los motores de DC, estos torques hacen que el motor P-P se mantenga firmemente en su posicion cuandono esta girando.

Esta caracterıstica es muy util cuando el motor deja de moverse, mientras esta detenido, la fuerza decarga permanece aplicada a su eje eliminandose ası la necesidad de un mecanismo de frenado. Aunque losmotores PaP funcionan controlados por un pulso de avance, el control de este tipo de motores, no se realizaunicamente aplicando directamente este pulso para que los haga avanzar.


Estos motores tienen varias bobinas y para producir el avance del paso, es necesario aplicarles una se-cuencia de pulsos adecuada, ademas si se invierte el orden de esta secuencia, el motor gira en sentido opuesto.Si los pulsos aplicados no se realizan en el orden correcto, el motor no se mueve apropiadamente, es posibleque solo zumbe y no se mueva, o puede ser que gire, pero de una manera brusca e irregular.

Esto significa que hacer girar un motor PaP, no es tan simple como hacerlo con un motor de DC, al quesolamente es necesario aplicar una corriente. Los motores PaP requieren de un circuito de control, que generela secuencia de pulsos adecuados, tanto para el avance de pasos, como para el sentido de giro, necesarias parala activacion de las bobinas.

Caracterısticas especiales de los Motores de Pasos PaP Las caracteristicas mas importantes quedefinen a estos motores son las siguientes:

♣ Par dinamico de trabajo [mN]: Es el momento maximo que el motor es capaz de desarrollar sin perderpaso, esto es, sin dejar de responder a algun pulso de excitacion del estator con la carga aplicada.

♣ Par de mantenimiento [mN]: Es el par requerido para mover un paso el rotor cuando la posicion anteriores estable; generalmente es mayor que el par dinamico y actua como freno para mantener el rotor enuna posicion estable dada.

♣ Par de paro [mN]: Es un par de freno debido a la accion del rotor, cuando las bobinas del estator estandesactivadas.

♣ Numero de pasos por vuelta (NP): Es la cantidad de pasos que realiza el rotor para realizar una vueltacompleta.

♣ Frecuencia de paso maximo: Es el maximo numero de pasos por segundo que puede recibir el motorfuncionando adecuadamente.

♣ Voltaje [V]: Es el voltaje nominal de trabajo.

♣ Resistencia electrica [Ω]: Es la resistencia de las bobinas y determina la corriente que consume el motor.

♣ Corriente de fase [A]: Es la corriente de trabajo que consume cada fase del motor.


Paso x Vueltas Grados x Pulso(α) (NP)15 247,5 483,75 961,8 2000,72 500

Tabla 3.1: De Angulos por vuelta

♣ Angulo de paso α[]: Es el avance angular que se produce en el motor por cada pulso de excitacion, semide en grados, siendo los pasos estandar mas importantes los que se muestran en la tabla 3.1:

Modo de Operacion de los Motores PaP Durante su aplicacion trabajan esencialmente bajo 4 modosde operacion:1.-Reposo, 2.-Bloqueo, 3.-Bidireccional, y 4.-Aceleracion. Ademas dependiendo de la aplicacionde estos motores, sus pasos se pueden clasificar en 3 modos de funcionamiento: 1.-Paso Completo, 2.-PasoMedio y 3.-Micro Pasos,(el requerido en esta Tesis).

Ahora, para lograr estos pasos depende de su estructura o fabricacion, las cuales se pueden clasisficarcomo:

De iman permanente: El rotor es un iman permanente en el que se mecanizan un numero de dienteslimitado por su estructura, su principal ventaja, es que su posicionamiento no varıa, estando aun sin excitaciony con carga.

De reluctancia variable: El rotor es de hierro dulce, que en condiciones de excitacion del estator y bajola accion de su campo magnetico, ofrecen menor resistencia, se mecanizan de forma similar a los de imanpermanente, su principal desventaja, es que cuando no tiene excitacion, el rotor queda libre, por lo tanto, suposicionamiento con carga depende de su inercia y no es posible predecir el punto exacto de paro.

Hıbridos: Son una combinacion de las mejores caracterısticas de los de iman permanente y reluctanciavariable, se construyen con estatores multidentados y un rotor de iman permanente. Tienen generalmente 200dientes en el rotor y giran en pasos de 1.8 aunque existen en configuraciones de 0.9 y 3.6. Dado que poseenalto torque estatico y dinamico y se mueven a muy altas velocidades de pulso, probablemente sean los masutilizados de todos los motores PaP.

Ademas de esto existe dos tipos de motores PaP de iman permantente que son:

1.- Motores Unipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se conectan en serie formandocuatro grupos de bobinas (A, B, C y D) y estas a su vez, se conectan, tambien en serie de dos en dos, yse montan sobre dos estatores diferentes. Como se muestra en la figura 3.19, del motor salen dos grupos debobinas de tres cables cada uno (grupo A-C y grupo B-D), donde un cable de cada grupo es comun a dosbobinas.


Figura 3.19: Motor Pap Unipolar

Los seis cables que salen del motor, se conectan a un circuito de control, el cual, se comporta de manerageneral como si fueran cuatro interruptores electronicos que al ser activados o desactivados, proporcionan laalimentacion de los cuatro grupos de bobinas del estator. Como se muestra en la figura 3.20:

Figura 3.20: Motor con sistema de control

Una secuencia adecuada de funcionamiento de estos interruptores, produce la cantidad de pasos y sentidoque se desea. Dependiendo de la forma de conexion de las bobinas, este tipo de motores se clasifican como semuestra en la figura.

Figura 3.21: Motores PaP unipolares: (a) con 5 hilos, (b) con 6 hilos, (c) con 8 hilos


2.- Motores Bipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se conectan en paralelo formandosolamente dos grupos de bobinas (A y B), que se montan sobre dos estatores diferentes. Como se muestra enla figura del motor salen dos grupos de bobinas que corresponden a dos cables para cada grupo.

Figura 3.22: Motor Pap Bipolar

Los cuatro cables que salen del motor, se conectan a un circuito de control, el cual, se comporta demanera general como si fueran cuatro interruptores electronicos dobles, que permiten cambiar la polaridadde la alimentacion de las bobinas. Con la activacion y desactivacion adecuada de los interruptores, se obtienela secuencia para que el motor gire en un sentido o en otro, la figura muestra esta representacion.

Figura 3.23: Motor bipolar con sistema de control

Ahora estos motores necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio dedireccion del flujo de corriente a traves de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.

Como se muestra en la figura 3.23 es necesario utilizar un puente H por cada bobina del motor, por lotanto, se requieren dos Puentes H iguales. Como este tipo de motores no tienen el doble embobinado delos motores unipolares (en estos se utiliza solo una de las bobinas duplicadas a la vez, quedando la otradesactivada y por consiguiente sin ninguna utilidad).

Los motores bipolares ofrecen una mejor relacion entre torque y tamano-peso, ademas, los motores bi-polares requieren que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido, y no solo un encendido/apagadocomo en los unipolares.


Tablas de Control para los Motores PaP Estos motores funcionan con un sistema de activacion y dedesactivacion, es decir como un tipo de switcheo (prendido y apagado), dandoles la presicion requerida ala hora de su funcionamiento, es por ello que a contunuacion se presentan todas las tablas con los valoresrequeridos para el funcionamiento de dichos motores. Esto es muy importante ya que como lo vengo diciendonecesito toda la presicion posible que pueda conseguir de estos motores de pasos.

Las Tablas 2 y 3 son para los Motores Unipolares.

Numero de BobinasPasos A B C D

1 1 1 0 02 0 1 1 03 0 0 1 14 1 0 0 1

Tabla 3.2: Secuencia de Pulsos para el paso completo del motor unipolar PaP.Donde 1= Activado y 0= Desactivado

Numero de BobinasPasos A B C D

1 1 1 0 02 0 1 1 03 0 0 1 14 1 0 0 15 0 0 1 06 0 0 1 17 0 0 0 18 1 0 0 1

Tabla 3.3: Secuencia de Pulsos para el paso completo del motor unipolar PaP.Donde 1= Activado y 0= Desactivado


Las Tablas 4 y 5 son para los Motores Bipolares.

Bobina A Bobina BPasos 1A 2A 1B 2B

1 V+ V-2 V+ V-3 V- V+4 V- V+

Tabla 3.4: Secuencia de pulsos para paso completo del motor bipolar

Bobina A Bobina BPasos 1A 2A 1B 2B

1 V+ V-2 V+ V- V+ V-3 V+ V-4 V- V+ V+ V-5 V- V+6 V- V+ V- V+7 V- V+8 V+ V- V- V+

Tabla 3.5: Secuencia de pulsos para medio paso del motor bipolar

Para cambiar el sentido de giro de los motores de pasos, para todos los casos, las secuencias mostradas enlas tablas se tomas de manera inversa.Una vez que conozco perfectamente el funcionamiento de los Motoresde pasos PaP, puedo pasar a la siguiente seccion que es produccion de Micro-pasos.


3.5. Como se Generan los Micro Pasos

La generacion de micro pasos, se realiza por conmutacion continua, en donde los valores de las corrientesque circulan por las bobinas del motor son controladas en forma secuencial para lo cual se utilizan dosmetodos conocidos: 1.-Por Modulacion de Ancho de Pulso y 2.-Por Interaccion de Senos y Cosenos. La razonprincipal por la cual utilice el segundo metodo es que estas fuciones (senos y cosenos) se pueden seccionartanto como se desee ver Figura 3.24.

Recordemos que estas funciones o senales son generadas por el programa LabVIEW lo cual indica queson senales digitales para lo cual se requiere una interfaz que realice el cambio de digital a analogico (se veraen la siguiente seccion).

Ademas esta tecnica, tiene como principales ventajas la reduccion de los problemas de resonancia ymejorar la velocidad de giro. Por otro lado tienen limitaciones fısicas como problemas de linealidad y defriccion estatica del sistema mecanico, es por ello la importancia de los acopladores (detallados en la seccionde mecanica) ya que ellos resuelven de una manera satisfactoria estas limitaciones.

Figura 3.24: Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas

La amplitud maxima que genera el programa hecho en LabVIEW para los voltajes en los ejes X y Y es de5V, lo cual no es suficiente para echar a andar los motores es por eso que necesito la etapa de potencia. Paraconvertir esta senal digital a una senal analogica utilizando dos tarjetas (DAQ) de National Instruments.


Tomando en cuenta lo mencionado en la pagina anterior tenemos por la parte Mecanica los siguientesdatos:

Para el tornillo de la platina comercial tenemos que:

1V uelta = 500µm (3.1)

Al dividir estas 500 µm entre 500 pasos o secciones se obtiene:

1Paso = 500µm/500 = 1µm (3.2)

Teniendo de esta manera pasos mecanicos de 1µm.

Si ahora dividimos 1 Paso entre un numero determinado de secciones se podrıan obtener recorridos menoresa una micra.

Por otro lado utilizando el Programa hecho en Lab-VIEW. para la generacion de Micro-pasos tenemoslos siguientes valores que se utilizaron para los resultados que se muestran en esta Tesis:

♣ Microsteps = 2

♣ Distancia Total de Recorrido = 1500 µm.

♣ Retraso entre cada Paso = 1ms.

♣ Total de Pasos = 6000.

naser

Inserted Text

Explicar division de pasos para tener micropasos


En la imagen 3.25 se muestra la senal de seno y coseno con los siguientes valores con una Amplitud de22.2 V y una frecuencia de 2.14 Hz.

Figura 3.25: Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas a 2 Hz

En la imagen 3.26 se muestra la senal de seno y coseno con los siguientes valores con una Amplitud de22 V y una frecuencia de 5.15 Hz.

Figura 3.26: Senal Digital de Seno y Coseno Seccionadas a 5 Hz

naser

Inserted Text

explicar que estos son micropasos y resultan en movimiento mucho menor que 1um


3.6. Tarjeta NI-USB-6009

La razon por la cual utilice estas tarjetas es que sirven como permisos (drivers), para los motores y comoson de Nationals Instruments, la computadora que ya tiene Lab-VIEW instalado previamente, las reconocede inmediato, facilitandome el trabajo de conseguir los permisos de los motores para su funcionamiento. Acontinuacion presento algunas de sus caracterısticas electricas mas significativas:

Figura 3.27: Tarjeta NI-USB-6009

Tarjeta Adquisicion de Datos NI-USB-6009Bus USBEntradas Analogicas, (sencillo) 8Entradas Analogicas, (diferencial) 4Resolucion de entrada (bits) 14Maxima relacion de muestreo (KS/s) 48Voltaje de entrada (V) ±1 a ±20Salidas Analogicas 2Resolucion de Salida (bits) 12Relacion de salida (Hz) 150Voltaje de Salida (V) 0 a 5Lıneas Digitales I/O 12Contador de 32 bits 1Trigger Digital


Senal SenalTerminal ModoSencillo ModoDiferencial

1 GND GND2 AI 0 AI 0+3 AI 4 AI 0-4 GND GND5 AI 1 AI 1+6 AI 5 AI 1-7 GND GND8 AI 2 AI 2+9 AI 6 AI 2-10 GND GND11 AI 3 AI 3+12 AI 7 AI 3-13 GND GND14 AO 0 AO 015 AO 1 AO 116 GND GND

Tabla 3.6: Tabla Con entradas y salidas analogicas

Terminal Senal17 P0.018 P0.119 P0.220 P0.321 P0.422 P0.523 P0.624 P0.725 P1.026 P1.127 P1.228 P1.329 PFI 030 2.5V31 5v32 GND

Tabla 3.7: Tabla Con entradas y salidas digitales


Tabla 3.8: Descripcion de senales de NI-USB-6009


3.7. Motor PaP, ZSS-25 Tipo Hıbrido de 2 fases

El sistema mecanico utiliza dos motores iguales de este tipo con las siguientes caracterısticas:Motor PaP ZSS-25 Tipo Hıbrido de 2 fasesNP 200α 1.8Vop 42VI Fase 600mATerminales 8Par de Manteni-miento

13nM.m

Par de Paro 2nM.m

Figura 3.28: Motor PaP, ZSS-25 Tipo Hıbrido de 2 fases

La conexion de las bobinas del motor que se utilizaron son las de un motor bipolar con sus grupos debobinas en serie, como se muestra en la figura:

Figura 3.29: Conexiones del motor PaP ZSS-25


3.8. Etapa de Potencia

Ahora que ya conozco como se generan los micro-pasos y el tipo de motor que voy a utilizar, y elfuncionamiento de las tarjetas (DAQ), paso a la etapa de potencia. La importancia de esta etapa es quenos brinda el voltaje y la corriente necesaria para poder trabajar con los motores. La Figura 3.30 muestra elesquema basico de dicho arreglo.

Figura 3.30: Etapa de Potencia para una sola Bobina.

Como utilice dos motores de pasos, se tiene la misma configuracion que se muestra en la figura 3.30ademas como estos motores tienen dos bobinas cada uno, utilice una configuracion para cada una de lasbobinas haciendo un total de cuatro configuraciones, dos para cada motor, conformando de esta manera laEtapa de Potencia.


El circuito integrado OP27G, es un IC amplificador operacional dual y cada uno esta en configuracionsumador inversor los cuales reciben las senales de las trajetas respectivamente, donde la ganancia del voltajede cada una de estas configuraciones, se realiza a traves de los potenciometros (preset) con valor de 1MΩ;dejandola con un valor de 18 V pico a pico y una corriente de 1.5 Am, ya que este valor es suficiente paraechar a andar a los motores y ademas de que la senal no se satura, por otra parte con este voltaje los motoresse calientan a una temperatura maxima de entre 60C y 65C.

El circuitos LM375, es un amplificador de potencia (estan en configuracion de ganancia unitaria) y sonlos encargados de proporcionar la corriente que requieren los motores para lograr el desplazamiento, tantode la platina X, como la platina Y. Como la amplitud maxima en (Vx y Vy) de las senales seno y cosenogeneradas por LabView es de 5 V, los potenciometros de 10 KΩ controlan el nivel de offset de cada uno delos sumadores inversores.

El voltaje de salida del CI OP27G esta dado por la ecuacion:

Vs = −[Vi + Vin/R1]×R2 (3.3)

Para este caso los valores de las resistencias R1 y R2 son: 100kΩ y 1MΩ respectivamente. Por otro ladocomo la etapa de Potencia se alimenta con una fuente bipolar de ±16 V; la siguiente ecuacion que rige estaconfiguracion, nos muestra el voltaje de salida despues de que ha pasado por el preset de 10 kΩ.

Vs′ = [V+ + V−]× [Pd/Piz + Pd] (3.4)

Para este caso sabemos que V+ y V− es igual a 16 V. Por otro lado Pd es el sımbolo para el preset a laderecha y Piz es el preset a la izquierda, tambien hay que recordar que estos preset ( de 10 kΩ) son los quecontrolan el nivel de offset de cada uno de los sumadores inversores.

Finalmente el voltaje de salida del circuito LM375 esta dado por la siguiente ecuacion:

Vs′′ = [R5/R6]× Vs (3.5)

Donde R5 y R6 valen: 15 kΩ y 15 kΩ respectivamente, esto es debido a que los circuitos LM375 se estanutilizando como amplificadores con ganancia unitaria. Para alimentar la etapa de potencia utilice una FuenteBipolar de Voltaje (GW INSTEK) con ±16V. a 3 Am.


3.9. Optica

La parte de la Optica esta conformada por los siguientes elementos:

El Laser Pulsado que se utilizo es un Nd: YAG (del tipo Q- Switched), con una longitud de operacion deλ = 355 nm y una frecuencia de repeticion de (≈10 Hz) y una duracion de pulso de 4 ns, con una EnergıaMaxima/ pulso de 100 mJ y una Potencia de salida de 1W; por otro lado el Spot de salida del Laser es de 6mm. Un Prisma divisor de Haz de 90, un atenuador metalico, dos espejos de primera superficie, un pinholeo iris y finalmente una lente asferica plano convexa.

En la Figura 3.29 se muestra la trayectoria del Laser y se describe el experimento, es decir la etapa degrabado con el Sistema de Fotolitografıa utilizando la luz UV. El Laser como ya se menciono tiene un spotde salida de 6 mm este incide con el prisma divisor para mandar la trayectoria del laser al atenuador, dondeincidira a 5 mm de la mitad del atenuador hacia el lado donde tiene menos bano metalico, despues una vezque ha atravesado el atenuador el rayo llegara al primer espejo como se muestra en la figura 3.31 despues elrayo pasara por el pinhole que tendra un diametro de 4.5 mm que es justo el diametro de la lente, incidiendocon el segundo espejo, el cual mandara finalmente el laser hacia la lente plano convexa; que hara la funcionde enfocar la luz UV a una distancia de 3 mm. como se muestra en la figura 3.31.

Láser UV

Prisma divisor de Haz

Espejo 1

Atenuador

Iris Etapa de Potencia

Sistema de Fotolitografía

Lente

Espejo 2

Eje Y

Eje z

Eje X

Figura 3.31: Esquema de la Etapa Optica y Trayectoria de Luz UV


Para conseguir el foco de la lente (3mm). Lo que hice fue colocar un divisor de haz (un porta objetos devidrio), entre la lente y el ultimo espejo, del lado perpendicular al divisor coloque una pantalla blanca dondese vera el haz que viene de la montura de la fotoresina, la idea es desplazar con el tornillo micrometrico lamontura donde esta la lente en posicion vertical de arriba a abajo, hasta que en la pantalla se puedan apreciaranillos bien definidos, senal de que hemos conseguido el foco. Como se muestra en la figura 3.32.

Láser UVEspejo

Divisor deHaz

Montura de la Fotoresina

Pantalla Plana

Lente

Figura 3.32: Esquema de como conseguir el foco

Ahora recordando la ecuacion de la seccion 2.1 del capitulo dos, el Limite de Resolucion teorico (Rayleigh):

R = (k1λ)/NA (3.6)

Esta ecuacion coincide justo con el Limite de Resolucion Practico:

LW = (0,5λ)/NA (3.7)


Podemos notar que son practicamente las mismas con k1 = 0,5. Recordando lo de la seccion 2.1 delcapitulo dos esto nos da finalmente una expresion que equivale a:

R = LW (3.8)

Si sustituimos los valores de la Apertura Numerica de la lente (0.47) y la λ = 355nm con k1 = 0,61, nosqueda:

R = [(0,61)× (355)/0,47] = 460,7× 10−9 ≈ 0,46µm (3.9)

Con k1 = 0,81 tenemos:

R = [(0,81)× (355)/0,47] = 611,8× 10−9 ≈ 0,61µm (3.10)

Por otro lado para conocer los maximos y mınimos de Intensidad dentro de la resina SU-8 tomamos lasecuaciones 2.15 y 2.26. de la seccion 2.5.

Tenemos que para N = 0 , n = 2.02 y λ = 355 nm, sustituyendo en la ec. 2.15:

d = [(355)/4(2,02)] ≈ 43,9nm (3.11)

Que corresponde al primer maximo de Intensidad dentro de la Fotoresina SU-8.

Para el caso del primer mınimo tenemos, con N = 1 , n = 2.02 y λ = 355 nm.

d = [(355)/2(2,02)] ≈ 87,7nm (3.12)


3.10. Fotolitografıa

Para desarrollar la etapa final de Fotolitografıa se realiza dentro de un cuarto limpio ver figura 3.33 y sesigue una serie de pasos.

Cuarto Limpio Vitrina o Estante

Base del Spin Coating

Plancha para el Horneado

Sistema de Vacío

Base para el Spin Coating

Figura 3.33: Imagen del Cuarto Limpio

El protocolo ha seguir es el siguiente:

1.-Deposito de la fotoresina SU-8 (Substrate Pretreat)2.-Planarizacion o capa (coat)3.-Pre-Cocido o Secado (Soft Bake)4.-Exposicion o Grabado (Expose)5.-Cocido despues de la exposicion (Post Expose Bake)6.-Revelado (Develop)7.-Secado (Rinse and Dry)


1.-Deposito de la fotoresina SU-8 (Substrate Pretreat) y 2.-Planarizacion o capa (coat)

Lo primero en hacer es cortar la oblea de silicio en secciones de 5 mm2 a 6 mm2 aproximadamente con unapunta de diamante, despues con unas pinzas de plastico se coloca la oblea sobre la base que fue maquinadapara este proposito (vease en la seccion de mecanica y en la figura siguiente) el Spin Coating. El Spin Coatingtrabaja de la siguiente manera: primero se prende la bomba que genera vacıo, (esta es la forma de mantenerfija la oblea de silicio a la base que gira del Spin Coating), segundo se enciende y se programa. Los datospara las muestras y los resulatados que se presentan aquı son: aproximadamente para 2 ml de SU-8, con unaviscosidad de 7.5 (cSt), un espesor de 1.5 (µs), y una aceleracion de 3000 (rpm), durante un minuto.

Base para el Spin Coating

Base del Spin Coating

Figura 3.34: Bases para la fotoresina

El deposito de la resina sobre la oblea y el encendido del Spin Coating es casi al mismo tiempo, es deciren el instante en que se esta depositando la fotoresina se prende el Spin Coating, con el objetivo de que laresina se distribuya uniformemente y pueda cubrir de esta manera toda la superficie de la oblea sin dejarbolsas de aire. De esta manera se consigue una capa de aproximadamente 1.5 (µs) de espesor la fotoresina.

Base para el Spin CoatingBase para el Spin Coating

Oblea de Silicio

Figura 3.35: Bases para la fotoresina dentro del Spin Coating


Pre- Cocido o Secado (Soft Bake)

Este primer cocido u horneado es principalmente para evaporar el solvente y quitar impurezas, tambiendarle cierto grado de densidad a la capa que queda (de la fotoresina) sobre la oblea. Este pre-cocido se llevaa cabo sobre una plancha que ha sido calentada previamente a una temperatura de 95C ver figura 3.36.

Plancha del Horno o Estufa

Temperatura en ºC

Perilla para regular la

Temperatura

Figura 3.36: Plancha de Horneado

Exposicion o Grabado (Expose)

El grabado se realiza en el dispositivo fabricado, con un tiempo de 4 a 6 s. por linea.


Láser UV

Etapa de Potencia

Espejo

Figura 3.37: Sistema de Fotolitografıa, Laser y Etapa de Potencia


Cocido despues de la exposicion (Post Expose Bake)

El cocido despues de la exposicion es practicamente para endurecer por completo a la fotoresina que fueexpuesta, tambien se dejo solo por 1 minuto a 95C. Nuevamente en la misma plancha u horno del pre-cocido.

Revelado (Develop)

El revelado de las muestras se realizo en el estante del cuarto limpio ver figura 3.38, con un reveladorespecial para la fotoresina SU-8, en un vaso de precipitado se vierten unos 5 a 10 ml, despues en otro vaso sevierte agua des-ionizada, de entre unos 10 a 40 ml. Todo esto se realiza con guantes ya que el revelador estoxico y dentro del estante como se muestra en la figura 3.38.

Revelador

Agua Des-ionizada

Vasos de Precipitado

Figura 3.38: Vitrina donde se lleva a cabo el revelado

El tiempo de revelado es de aproximadamente 9 a 10 sg. y la oblea no se suelta, se mantiene sujeta conlas pinzas de plastico procurando que la oblea quede completamente sumergida pero sin dejarla caer, paraque el tiempo de revelado no exceda el tiempo establecido y quite la parte que tambien fue expuesta, es poreso que se mantiene sujeta, despues se deposita en el vaso con el agua des-ionizada y se deja durante 30 sg a1 min. (el tiempo aquı realmente no importa mucho).

Secado (Rinse and Dry)

Para el paso final que es el de secado, se lleva a cabo aqui mismo en el estante del cuarto limpio, con unabotella de aire comprimido, sin demorar mucho una vez que sacas la oblea del agua des-ionizada, presionasfirme para que el chorro de aire salga lo mas uniformemente posible y sea una sola pasada, ya que tambienpor la experiencia, si se expone mas de la cuenta con el chorro de aire se puede llevar tambien el grabado omover el diseno de su lugar.

Capıtulo 4

Resultados

4.1. Sistema de Fotolitografıa

Lente

Eje Y


Eje X

Resorte Acoplador

Resorte Acoplador

Motor

Motor

Tornillo de la Platina

Cinturón de Berilio Cobre

Sistema Óptico

Eje Z

Figura 4.1: Vista Superior del Sistema de Fotolitografıa

78

CAPITULO 4. RESULTADOS 79

Resorte Acoplador

MotorEje Y

Sistema Óptico

Eje ZPlatina Corrediza

Tornillo Micrometrico

Motor

Eje X

Platinas Comerciales

Sujetador

Figura 4.2: Vista Lateral Derecha del Sistema de Fotolitografıa

En la Figura 4.1 se puede observar El sistema de Fotolitografıa desde una vista superior, donde se puedenapreciar claramente los motores y los resortes acopladores, que son esencialmente el sistema de posiciona-miento sub-micrometrico; ası como la lente que se utilizo. En el caso de la figura 4.2 se puede apreciar eleje Y y el diseno que se realizo para este eje y su alineamiento entre los tres componentes (motor, resorte ytornillo micrometrico).


Eje Y

Motor

Sistema Óptico

Resorte Acoplador


Sujetadores

Eje Z


Platina Corrediza

Figura 4.3: Vista Lateral Izquierda del Sistema de Fotolitografıa


Eje Z

Eje X

Eje Y

Motor

Motor

Platina Corrediza

Sujetadores


Resorte Acoplador



Figura 4.4: Vista Frontal del Sistema de Fotolitografıa

Aquı en la imagen 4.4 se puede apreciar con mas claridad el sistema optico compuesto por la platinacorrediza y los sujetadores, ası como el tornillo micrometrico que nos proporciona el desplazamiento en el ejeZ; las laminas que se ven de color cobre son de un material flexible llamado Berilio Cobre y dada la flexibilidadde este material estan doblados hacia dentro haciendo una especie de cuna para presionar exclusivamente laplatina corrediza y que este solo fija a los sujetadores con el proposito de que el desplazamiento en la platinasea lo mas limpio posible, es decir sin ningun tipo de friccion o roce mecanico; es por ello que ademas depulir muy bien todas estas piezas se le puso un poco de grasa a la paredes internas de los sujetadores y de laplatina corrediza facilitando ası su recorrido de ascenso y descenso.


Motor


Resorte Acoplador



Eje X

Eje Z


Sistema Óptico

Figura 4.5: Vista Trasera del Sistema de Fotolitografıa


Etapa de Potencia

LM375

OP27G

Ventilador

Entradas de la DAQ

Salida para los Motores

Figura 4.6: Etapa de Potencia

Como se menciono en la seccion 3.8 del capitulo tres y como se muestra la configuracion de la imagen3.30. Aquı en la figura 4.6 se pueden apreciar los ocho circuitos integrados, la entrada de la senal provenientedel programa hecho en Lab-VIEW y las salidas a los motores, dos para la fase o corriente y dos para la tierra,(esto para cada motor) . Ademas de esto se le agrego un ventilador para que enfriara al disipador de aluminioy no solo esto sino que ademas la tarjeta perforada se coloco dentro de una caja de metal a una altura de 2cm de la base de la caja para que el aire pudiera circular libremente; ya que la idea de este sistema, es queeste trabajando por largos periodos de tiempo y como los IC357 se calientan demasiado fue necesario tenertodo este sistema de enfriamiento.


4.2. Grabados con el Sistema de Fotolitografıa

200 !m 180 !m

200 !m

200 !m

200 !m

200 !m

180 !m

Figura 4.7: Lineas hechas con el Sistema de Fotolitografıa

En esta imagen podemos ver claramente algunos patrones realizados con el Sistema de Fotoliotgrafıa.Como se puede apreciar casi todos los patrones tienen un grosor de 200 µm, esto se debe a que en realidadcada una de estas lineas tiene 10 pasadas es decir cada patron de 200 µm tiene 10 lineas de 20 µm. Parael caso particular de las lineas que miden 180 µm se tienen de igual forma 10 lineas de 18 µm, la diferenciaradica en la distancia focal que para esta linea el foco cambio. Por otro lado, el largo total de las lineas es de3 mm correspondientes a los datos registrados por el programa.

Hay dos posibles razones opticas por las cuales ocurrio esto. La primera es que probablemente estemosfuera de foco lo cual es muy importante ya que este fenomeno se produce justamente en el plano focal delSistema de Fotolitografıa; La segunda y por la cual creemos que sucedio ası, son justo las multiples reflexionesdentro de la fotoresina, es decir que las reflexiones de una linea se sobreponen con las reflexiones de la segundalinea y ası sucesivamente hasta formar un relieve o meseta con los valores ya mencionados.

Creemos que es la segunda razon por el analisis y las imagen que a continuacion se presentan.


Esta sección es la que se analiza a

continuación en las siguientes imágenes.

200 !m

Figura 4.8: Recuadro con la seccion a analizar

La razon de tomar esta secciones fue arbitraria sin ningun motivo en especial, sin embargo la imagen quese muestra en la figura 4.7 y aquı en la figura 4.8, se pueden analizar algunas cosas relevantes como el cambiode la distancia focal ya que el grosor de la linea de 80 µm cambio por este hecho. Por otro lado analizandola seccion de las lineas que se entre cruzan se puede observar un exceso de material SU-8 a diferencia de lastres lineas que estan separadas y aunque se ve solamente el contorno recordemos que allı hay material dadoque es una resina tipo negativa.

Es decir el exceso de materia que se logra distinguir son varias capas de SU-8 y aunque el tiempo deexposicion (de 10 a 15 s por muestra ) y de revelado (de 8 a 13 s) fue el mismo para esta oblea de silicio conlos patrones mostrados nos muestra que efectivamente lo que muestra la teorıa no se puede generalizar, enotras palabras, para tener resultados mejores es necesario crear un protocolo de trabajo para el material quese este trabajando en ese momento.


Figura 4.9: Imagen de Microscopia optica por reflexion con una magnificacion de 183

Aquı en las imagenes 4.9 y 4.10 se muestra la seccion mas limpia de una de las capas del SU-8.




Aquı en las imagenes 4.11 y 4.12 se pueden apreciar las orillas de los patrones de las imagenes anteriores.



Figura 4.13: Perfiles Topograficos del SU-8

El recuadro que se ve arriba de la figura 4.13 es una Micrografıa por Microscopia de Fuerza Atomica.Como se muestra en los perfiles se puede apreciar un comportamiento de oscilacion el cual puede ser debidoa los motores y los acopladores por un lado o tal vez a las multiples reflexiones dentro de la pelıcula delgadade SU-8. A continuacioon presento algunas imagenes tridimensionales de este comportamiento oscilatorio quese puede apreciar con toda claridad.


Figura 4.14: Vista tridimensional del Perfil Topografico rotado 90


Capıtulo 5

Conclusiones

En cuanto el Sistema en General se tiene:

Como se muestra en el capitulo 4, el objetivo general de la tesis se consiguio con gran satisfaccion, teniendoun Sistema de Fotolitografıa de bajo costo y de excelente funcionamiento, ademas de su gran versatilidadpor el tamano y peso del sistema completo ya que se puede adaptar y mover con gran facilidad en un sin fınde lugares y experimentos donde se requiera. Esto nos da la posibilidad de tenerlo en diferentes laboratorioso lugares donde se ocupe, recordando que la tecnica de Fotolitografıa que utiliza este sistema tiene la granventaja de poderse realizar al aire libre y no depender de un sistema de vacıo, lo cual complica todo paratrabajar. Con un sistema de posicionamiento sub-micrometrico de dos ejes X y Y y un sistema corredizo enel eje Z, ası como un movimiento angular entre la base de la lente y la platina corrediza; convirtiendolo ası enun sistema con cuatro grados de libertad.

Otra de las grandes ventajas de este sistema es que la resolucion optica se puede mejorar ya que la lenteno esta fija o pegada al propio sistema y se puede adaptar con gran facilidad otra lente con una aperturanumerica mayor; ası como el cambio de los acopladores para tener un recorrido o desplazamiento menor omayor al que se tiene actualmente eso si ası se desea tener estructuras mas grandes. Tambien como el Sistemase puede adaptar a cualquier experimento donde sea requerido podemos utilizar otros tipos de laser, comolos de femtosegundos que son los que utilizan actualmente en todos los paper realizados en cuanto a micro ynonofabricacion se refiere.

El dispositivo de Fotolitografıa tiene la capacidad de realizar un recorrido electro-mecanico (en los ejesX-Y) de micras y submicras con gran facilidad, como se muestra en la seccion de Mecanica y Electronica delcapitulo tres teniendo ası un barrido de muestreo de 500 mm2. Por otro lado el Limite de resolucion de lalente y la longitud de onda que utilice (λ = 355 nm), nos permite llegar a escalas sub-micrometricas con granfacilidad.

La manera de conseguir estos desplazamientos fue logrado con unas platinas comerciales a las que seles adaptaron unos autoacopladores (resortes de aluminio), ya que el desplazamiento o recorrido tuvo queser lo mas fino posible, es decir que el movimiento fuera completamente controlado en el momento, en elque los pasos de avance o de regreso sean solamente en la direccion de los ejes establecidos y no en otrasdirecciones. Por eso la importancia de los autoacopladores con los motores de pasos (motores PaP) y lasplatinas comerciales para conseguir el desplazamiento de micras y con la ayuda de un programa hecho enLabVIEW (Sistema de Micro-pasos) se lograron los pasos de submicras.

91

CAPITULO 5. CONCLUSIONES 92

En cuanto a la Mecanica se tiene lo siguiente:

El volumen total del sistema se concluyo que fuera de esas dimensiones porque se ajustaban por un ladoa las platinas comerciales y por otro lado a los motores PaP, tambien se decidio que todo el material fuera dealuminio para darle rigidez al Sistema. Hablando particularmente del sistema optico se podrıa cambiar porun sistema de nos diera el desplazamiento de una manera mas precisa, es decir que el recorrido en el eje Zesta bien calibrado dada la importancia del foco.

En el caso de los resortes acopladores fueron quizas la pieza mas difıcil de maquinar dada su estructura(seccion Acopladores para los motores con las platinas pag 45), y aunque para pasos nanometricos dichosacopladores comienzan a vibrar como se ve en la figura 4.14, los acopladores realizan su trabajo de micras ysub-micras con gran satisfaccion.

En cuanto a la Electronica se tiene lo siguiente:

Para evitar que la etapa de potencia se sature, a atraves de LabVIEW la creacion de las funciones senoy coseno se limitaron a una amplitud maxima de 5 V de esta manera la senal que reciben las bobinas delos motores de paso tiene una amplitud maxima de 18 V, los cuales son suficientes para soportar las cargasmecanicas y echar a andar los motores con una temperatura de funcionamiento de 60 C a 65 C.

El Sistema Electronico (Amplificacion, Potencia, Fuente de Alimentacion) fueron hechos a nivel de pro-totipo en tarjetas perforadas, esto se debio a que todo el proyecto estaba en una etapa inicial y aunquelos resultados fueron bastante buenos, se espera que estos mejoren todavıa mas cuando se implementen entarjetas impresas. El diseno electronico resulto tan eficiente que otros sectores del grupo de Microondas ySistemas Opticos ya estan implementando esta Etapa de Potencia. Por otra parte debido a que en cada etapadel sistema electronico se han tomado en cuenta controles de ajuste y calibracion por lo tanto el acoplamientoentre cada una de las etapas que lo conforman se ha podido llevar a cabo sin ningun contratiempo.

En cuanto a la Optica se tiene lo siguiente:

La resolucion teorica es en promedio de 1/2 µm o 500 nm, este dato se obtuvo realizando los calculos delas ecuaciones del Capitulo tres. Por otro lado las resoluciones practicas que varıan entre las 8 y 20 µm sedebe principalmente a la variacion del foco de la lente.

En cuanto a la fuente de luz que se utilizo en este trabajo vario desde un LED UV (LED370E) deTHORLABS con una potencia de 2.5 mW y λ = 375 nm. lo cual no fue suficiente para fotopolimerizar laresina. Despues utilice un Fotodiodo con una potencia de 50 mW y λ = 405 nm pero tampoco fue suficientepara genera la fotopolimerizacion. Finalmente con el Laser (Q-Switched) de QL Quantel con una potenciade 1 W y una λ = 355 nm se pudo logra la reaccion dentro de la fotoresina, aunque hay que aclarar que seutilizo un atenuador metalico dejando pasar en promedio solo el 55 por ciento de la potencia de salida dellaser.

naser

Inserted Text

diodo laser

CAPITULO 5. CONCLUSIONES 93

En cuanto a la Fotolitografıa se tiene lo siguiente:

El Sistema es adecuado para realizar estructura en 2D sin ningun problema a escalas micrometricas, almenos hasta donde hemos podido caracterizar por un lado el Sistema mismo y por otro lado la caracterizacionde la Fotoresina del Laboratorio ya que para cada estructura los valores presentados aquiı varıan (como tiempode exposicion, revelado, horneado etc. ); tambien el hecho de tener pocas pruebas no nos permite llegar amas conclusiones ademas esto seria parte de otra etapa que aquı no se considera pero esta abierta para quiendesee continuar y le interese el mundo de la microfabricacion.

Por otro lado en el caso de los objetivos secundarios, 1) Almacenamiento de informacion con una longitudde onda mucho menor a Blu-ray se logro con gran satisfaccion, el problema ahora es disenar un lector paraesta longitud de onda.

Ahora para el caso de 2) la micro y nanofabricacion el objetivo se cumplio parcialmente ya que primero setiene que caracterizar a la fotoresina y crear un protocolo de trabajo con el equipo recien fabricado y aunqueel objetivo de alcanzar las escalas sub-micrometricas si se logro con la optica y la electronica; falta muchopara poder caracterizar la fotoresina y todo el material y equipo que se necesita para hacer fotolitigrafıa.

En conclusion podrıa decir, dado que es un trabajo multidisciplinario este me permitio conocer y aprendermuchas cosas que en la carrera no se ven como lenguajes de programacion, conceptos de fısico-quimica,electronica practica y el uso de maquinaria para fresado y torneado y otras que se ven, como los conceptosteoricos que nunca quedan claros hasta que los ves o hasta que los mides y los palpas y aunque quizas no logrefabricar micro-herramientas de precision. Como una primera aproximacion estoy satisfecho con el trabajo querealice ya que me permitio crecer no solo en la parte academica sino tambien en el mundo laboral.

En conclusion esta tesis ha sido el pretexto necesario para aprender que con todas estas disciplinas enconjunto se pueden hacer cosas realmente fascinantes.

naser

Inserted Text

afinar el proceso de litografia (timpos de exposicion etc)

Apendices

94

Indice de Apendices

A. Electronica 97

B. Mecanica 104

C. Optica 107

D. Fotolitografıa 109

Apendice A

Electronica

Aquı se ven solo los datos tecnicos de los circuitos que utilice para la etapa de potencia, resaltando suscaracterısticas electricas, ası como su configuracion electronica, otra ccoas importante son los diagramas deconfiguracion (pin configuration) para realizar las conexiones adecuadas.

En el caso del motor tambien se mencionan sus caracterıstica electricas mas importantes ası como susdimensiones correspondientes.

96

LM675Power Operational AmplifierGeneral DescriptionThe LM675 is a monolithic power operational amplifier fea-turing wide bandwidth and low input offset voltage, making itequally suitable for AC and DC applications.

The LM675 is capable of delivering output currents in excessof 3 amps, operating at supply voltages of up to 60V. Thedevice overload protection consists of both internal currentlimiting and thermal shutdown. The amplifier is also internallycompensated for gains of 10 or greater.

Featuresn 3A current capabilityn AVO typically 90 dBn 5.5 MHz gain bandwidth productn 8 V/µs slew raten Wide power bandwidth 70 kHz

n 1 mV typical offset voltagen Short circuit protectionn Thermal protection with parole circuit (100% tested)n 16V–60V supply rangen Wide common mode rangen Internal output protection diodesn 90 dB ripple rejectionn Plastic power package TO-220

Applicationsn High performance power op ampn Bridge amplifiersn Motor speed controlsn Servo amplifiersn Instrument systems

Connection DiagramTO-220 Power Package (T)

00673901

*The tab is internally connected to pin 3 (−VEE)

Front ViewOrder Number LM675TSee NS Package T05D

Typical ApplicationsNon-Inverting Amplifier

00673902

May 1999LM

675P

ower

OperationalA

mplifier

© 2004 National Semiconductor Corporation DS006739 www.national.com

Absolute Maximum Ratings (Note 1)

If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.

Supply Voltage ±30V

Input Voltage −VEE to VCC

Operating Temperature 0˚C to +70˚C

Storage Temperature −65˚C to +150˚C

Junction Temperature 150˚C

Power Dissipation (Note 2) 30W

Lead Temperature(Soldering, 10 seconds) 260˚C

ESD rating to be determined.

Electrical CharacteristicsVS=±25V, TA=25˚C unless otherwise specified.

Parameter Conditions Typical Tested Limit Units

Supply Current POUT = 0W 18 50 (max) mA

Input Offset Voltage VCM = 0V 1 10 (max) mV

Input Bias Current VCM = 0V 0.2 2 (max) µA

Input Offset Current VCM = 0V 50 500 (max) nA

Open Loop Gain RL = ∞Ω 90 70 (min) dB

PSRR ∆VS = ±5V 90 70 (min) dB

CMRR VIN = ±20V 90 70 (min) dB

Output Voltage Swing RL = 8Ω ±21 ±18 (min) V

Offset Voltage Drift Versus Temperature RS < 100 kΩ 25 µV/˚C

Offset Voltage Drift Versus Output Power 25 µV/W

Output Power THD = 1%, fO = 1 kHz, RL = 8Ω 25 20 W

Gain Bandwidth Product fO = 20 kHz, AVCL = 1000 5.5 MHz

Max Slew Rate 8 V/µs

Input Common Mode Range ±22 ±20 (min) V

Note 1: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device isfunctional, but do not guarantee specific performance limits. Electrical Characteristics state DC and AC electrical specifications under particular test conditions whichguarantee specific performance limits. This assumes that the device is within the Operating Ratings. Specifications are not guaranteed for parameters where no limitis given, however, the typical value is a good indication of device performance.

Note 2: Assumes TA equal to 70˚C. For operation at higher tab temperatures, the LM675 must be derated based on a maximum junction temperature of 150˚C.

Typical Applications

Generating a Split Supply From a Single Supply

00673903

VS = ±8V → ±30V

LM67

5

www.national.com 2

Low Noise, PrecisionOperational Amplifier

OP27

Rev. F Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners.

One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2006 Analog Devices, Inc. All rights reserved.

FEATURES Low noise: 80 nV p-p (0.1 Hz to 10 Hz), 3 nV/√Hz Low drift: 0.2 μV/°C High speed: 2.8 V/μs slew rate, 8 MHz gain bandwidth Low VOS: 10 μV Excellent CMRR: 126 dB at VCM of ±11 V High open-loop gain: 1.8 million Fits OP07, 5534A sockets Available in die form

GENERAL DESCRIPTION

The OP27 precision operational amplifier combines the low offset and drift of the OP07 with both high speed and low noise. Offsets down to 25 μV and maximum drift of 0.6 μV/°C make the OP27 ideal for precision instrumentation applications. Exceptionally low noise, en = 3.5 nV/√Hz, at 10 Hz, a low 1/f noise corner frequency of 2.7 Hz, and high gain (1.8 million), allow accurate high-gain amplification of low-level signals. A gain-bandwidth product of 8 MHz and a 2.8 V/μs slew rate provide excellent dynamic accuracy in high speed, data-acquisition systems.

A low input bias current of ±10 nA is achieved by use of a bias current cancellation circuit. Over the military temperature range, this circuit typically holds IB and IOS to ±20 nA and 15 nA, respectively.

The output stage has good load driving capability. A guaranteed swing of ±10 V into 600 Ω and low output distortion make the OP27 an excellent choice for professional audio applications.

(Continued on Page 3)

PIN CONFIGURATIONS

V+

OUT

NC

4V– (CASE)

BAL

BAL 1

–IN 2

+IN 3

OP27

NC = NO CONNECT 0031

7-00

1

Figure 1. 8-Lead TO-99 (J-Suffix)

8

7

6

5

1

2

3

4

NC = NO CONNECT

VOS TRIM

–IN

+IN

VOS TRIM

V+

OUT

NCV–

OP27

0031

7-00

2

Figure 2. 8-Lead CERDIP – Glass Hermetic Seal (Z-Suffix),

8-Lead PDIP (P-Suffix), 8-Lead SO (S-Suffix)

FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM

VOS ADJ.

NONINVERTINGINPUT (+)

INVERTINGINPUT (–)

V–

V+

Q2B

R21

Q3

Q2AQ1A Q1B

R4

R11

R3 1 8

.

R1 AND R2 ARE PERMANENTLYADJUSTED AT WAFER TEST FORMINIMUM OFFSET VOLTAGE

1

Q6

Q21

C2

R23 R24

Q23 Q24

Q22

R5

Q11 Q12

Q27 Q28

C1

R9

R12C3 C4

Q26

Q20 Q19

Q46

Q45

OUTPUT

0031

7-00

3

Figure 3.

ZSS 19 to 56

2-Phase Hybrid Stepper Motor

Ste

pp

er M

oto

rs

Types / Mechanical Characteristics

ZSS Precision Stepper Motors

The proven series of ZSS two-phase hybrid stepper motors come into operation in many different application ranges: mechanical engineering, positioning and handling, food and packaging, etc.

The holding torques amount from 3.8 to 700 mNm.

The ZSS stepper motor's standard number of steps/rev. is 200, depending on the motor size 8, 24, 56, 72 or 500 steps/rev. are available.

When installed appropriately and wired correctly, the ZSS stepper motors contribute to fulfill the EMC requirements of the entire system.

ZSS 19

ZSS 20

ZSS 25

ZSS 26

ZSS 32

ZSS 33

ZSS 41

ZSS 41/1

ZSS 42

ZSS 42/1

ZSS 43

ZSS 43/1

ZSS 52

ZSS 56

ZSS 57

Fre

e w

ire e

nds

Wei

ght

radi

al

axia

l

Rot

or m

ass

iner

tia

Permissiblebearing

load

Det

ent t

orqu

e

Hol

ding

torq

ue

Type

mNm mNm -4 210 kg m

optionalstandard

N N kg

Standard windings

A

0.3 / / 1.2

0.3 / 0.6 / 1.2

0.3 / / 1.2

0.3 / 0.6 / 1.2

/ / 2.5

0.6 / 1.2 / 2.5

0.6 / 1.2 / 2.5

0.6 / 1.2 / 2.5

0.6 / / 2.5

0.6 / / 2.5

0.6 / 1.2 / 2.5

0.6 / 1.2 / 2.5

1.2 /

1.2 / 2.5

1.2 /

0.6

0.6

0.6 1.2

1.2

1.2

2.5

2.5

red = popular types

Siz

e

Pro

tect

ive

cove

r

19

25

32

42

52

56

0.04

0.065

0.07

0.11

0.15

0.23

0.26

0.26

0.32

0.32

0.47

0.47

0.65

0.7

0.9

3

3

5

5

15

15

40

40

40

40

40

40

70

80

80

3

3

5

5

5

5

20

20

20

20

20

20

25

40

40

8 24 56 72 200 500

Number of steps

3.8

5

13

25

50

75

100

100

140

140

260

260

450

500

700

0.9

1

2

2.2

3

3.3

4

4

5

5

7

7

13

30

50

0.0009

0.0016

0.0025

0.006

0.01

0.018

0.025

0.025

0.045

0.045

0.077

0.077

0.15

0.17

0.24

3) 3)

Electricalconnection

1) Separate data sheets being prepared.

2) ZSS 41/1, 42/1, 43/1, 52, 56, 57: Terminal plate with earthing screw

2)

Overview: Extensions

Stepper motor

Geared stepper motor GPL low-backlash planetary gears

1)PLG planetary gears 1)HD Harmonic Drive gears

1)GSR worm gears

1)Stepper motor with motor brake Permanent magnet brake for 24VDC

supply voltage

1)Stepper motor with encoder Standard resolution 500 lines3-channel optical incremental encoder

3) Bipolar mode

4)

4)

Technical Information2-phase hybrid stepper motors

Standard number of steps 200 / step angle 1,8°

Special numbers of steps depending on the motor size: 8, 24, 56, 72 or 500

Standard type: 8-leads

Wiring as 4-lead stepper motor for bipolar control mode with parallel orin series connected windings

Wiring as 5- or 6-lead steppermotor for unipolar control mode

Holding torques from 3.8 to 700 mNm

Protection mode

IP 40 for ZSS with free wire ends

IP 50 for ZSS with protective cover

Permiss. surface temperature –20 to +120 °C

Design voltage

42 V for ZSS 19 – 33, 41, 42, 43

100 V für ZSS 41/1, 42/1, 43/1, 52 – 57 (with earthing screw)

Insulation class F acc. to VDE 0530

Test voltage ZSS 19 – 52: 700 V (1 min)ZSS 56 – 57: 1500 V (1 min)

Optional:

2nd shaft (IP 40)

4-, 5- or 6-lead stepper motorwiring

On request:

Cable output radial or flange side

Customized shaft design

Special windings

ZSS / 09-1 US

The ZSS stepper motors are also available with a mounted heat sink.

Depending on the motor's mounting position, a heat sink with radial fins (K1) or axial fins (K2) can be selected.

The use of a K1 heat sink increases the stepper motor's thermal dissipation surface by a factor of approx. 3.9.

With a K2 heat sink, it is increased by a factor of approx. 3.4.

A heat sink can be mounted subsequently, preferable by phytron.

Optional Heat Sink

Dimensioned Drawings / Heat Sinks

ZSS Standard Motor Flange

K1 Heat Sink for ZSS 19 to 57 K2 Heat Sink for ZSS 19 to 57

ZSS 42 withProtective Cover

ZSS 19 withFree Wire Ends

Fig. 5

Fig. 2

ZSS 19 to 33 Stepper Motors with Free Wire Ends

Fig. 1

ZSS 41 to 57 Stepper Motors with Protective Cover

Ø G

1

Ø G

2

Ø A

F2

D

F1

E

B1

Ø G

1

Ø A

Ø G

2

F2

C

B2

E

D

F1Fig. 6

M K

N

M

K

Fig. 3 Fig. 4

R

Ø P

R

Ø P

ZSS Designs

ZSS / 09-1-US / 2

Phytron, Inc.600 Blair Park Rd, Suite 220, Williston, VT 05495 USA

Tel 802-872-1600 Fax 802-872-0311 [email protected] www.phytron.com

Apendice B

Mecanica

Para la parte mecanica se muestra el plano hecho en autoCAD de las platinas comerciales, ya que todolo demas fue disenado y construido en el CCADET UNAM.

102

APENDICE B. MECANICA 103

Apendice C

Optica

Para la parte de la optica solo se corrobora los datos importantes como apertura numerica de la lente,distancia focal y dimensiones especificas de dicho elemento.

En la pagina 107 se muestran los calculos realizados para las magnificaciones opticas que se muestran enlos resultados del capitulo cuatro.

104

www.thorlabs.com

Linear Translation

Rotation

Goniometers

Optics

Optical Elements

Polarization Optics

Optical Isolators

Optical Systems

Optics Kits

TECHNOLOGY

CHAPTERS

Spherical Lenses

Achromatic Lenses

Aspheric Lenses

Cylindrical Lenses

Microlens Arrays

Mirrors

Spectral Filters

ND Filters

Beamsplitters

Prisms

Gratings

Windows

Diffusers

SECTIONS

632

A414 f = 3.30 mm and 0.47 NA

Ø4.50

3.95

3.52

5.98

ASP(1)ASP(2)

A414Unmounted Lens

Ø3.68 Ø6.22Ø4.78

4.70

1.91

THREAD M6-0.5

A414TMMounted Lens

Unmounted, AR-Coated Aspheric Lenses

Mounted, AR-Coated Aspheric Lenses

ITEM# $ £ € RMB DESCRIPTION

A414-A $ 81.55 £ 56.60 € 72,50 ¥ 688.70 Lens, AR-Coated: 350 - 700 nmA414-B $ 81.55 £ 56.60 € 72,50 ¥ 688.70 Lens, AR-Coated: 650 - 1050 nmA414-C $ 81.55 £ 56.60 € 72,50 ¥ 688.70 Lens, AR-Coated: 1050 - 1620 nm

ITEM# $ £ € RMB DESCRIPTION

A414TM-A $ 86.55 £ 60.00 € 76,90 ¥ 730.90 Mounted Lens, AR-Coated: 350 - 700 nmA414TM-B $ 86.55 £ 60.00 € 76,90 ¥ 730.90 Mounted Lens, AR-Coated: 650 - 1050 nmA414TM-C $ 86.55 £ 60.00 € 76,90 ¥ 730.90 Mounted Lens, AR-Coated: 1050 - 1620 nm

Rochester Precision Molded GlassAspheric LensOptical Design Specifications Design Wavelength: 670 nm Numerical Aperture: 0.47 Clear Aperture: Ø3.52 mm Effective Focal Length: 3.30 mm Working Distance: 1.94 mm Laser Window Thickness: 0.25 mm Laser Window Material/Index:

N-BK7/1.517 Magnification: Infinite RMS WFE (Typical):* 0.128 Waves Surface Quality: 40-20 Scratch-Dig Glass (Hoya): N-SF57*Wavefront error is averaged over full aperture

R k A4 A6 A8 A10

ASP (1) -4.37 -0.7375985 2.9258960E-03 2.7938690E-04 2.4618570E-05 -8.2589900E-06

ASP (2) 4.37 -0.7375985 -2.9258960E-03 -2.7938690E-04 -2.4618570E-05 8.2589960E-06

Aspheric Coefficients

Laser Diodes Benchtop Laser Diode Drivers

See Page 1032 See Page 1178

World’s best collection of laser diodes,all shipping from stock. Wavelenghtsfrom 405 nm to 1550 nm. Outputpowers up to 1 W.

Laser Diode and TEC drivers tomeet every need. Drive currentsfrom 20 mA to 4 A available.Compatible with all laser diodepolarities. Constant current andconstant power mode operation.

In laser diode systems, difficulties with spherical aberration correction arecompounded by the beam’s high divergence angle. Since individual spherical lensescan refract light at only small angles before spherical aberration is introduced,three or four elements are often required to collimate laser diode light. In contrast,a single aspheric lens collimates without introducing spherical aberration.

Since ASP(1) is identical to ASP(2), so lensorientation is not a concern when mounting

PleaseSee

Page 626 for

AR CoatingCurve

All Dimensions are in Millimeters

OEM’sThorlabs stocks alarge number ofuncoated lenses. Ifyour applicationrequires a customcoating, pleasecontact us directlyfor price andavailability. Customhousings are alsoavailable.

4.50[0.177] A

A

ISOMETRIC VIEW

2.97[0.118]

3.95[0.156] 1.94

[0.076]

3.52CLEAR APERTURE

[0.139]

SECTION A-A SCALE 8 : 1

S1S2

2 4 6 8 10

ASPHERIC COEFFICIENTS

ASPHERIC LENSEQUATION

R k A A A A AS1 4.37 -0.7375985 - -2.9258960E-03 -2.7938690E-04 -2.4618570E-05 8.2589900E-06S2 -4.37 -0.7375985 - 2.9258960E-03 2.7938690E-04 2.4618570E-05 -8.2589900E-06

D

5 4 3 2 1

A414-A

MATERIAL:

PART NO.

PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL

DRAWNENG APPR.MFG APPR.

NAMETITLE:

SIZEA

REV.

SCALE: 8:1 SHEET 1 OF 1

2958-E01

THE INFORMATION CONTAINED IN THISDRAWING IS THE SOLE PROPERTY OFTHORLABS, INC. ANY REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE WITHOUTTHE WRITTEN PERMISSION OFTHORLABS, INC. IS PROHIBITED.

DWG. NO.

SFGDJDD

11/16/2009DATE

12/05/200912/17/2009

THORLABS INC. PO BOX 366NEWTON NJ

SPECIFICATIONS:

DESIGN WAVELENGTH: 670nmEFFECTIVE FOCAL LENGTH: 3.30mm EFL TOLERANCE: ±1%NUMERICAL APERTURE: 0.47WORKING DISTANCE: 1.94mmDIAMETER TOLERANCE: +0.00mm/-0.04mmCENTER THICKNESS TOLERANCE: ±0.015mmSURFACE QUALITY: 40-20 SCRATCH-DIGRMS WFE: 0.128 WAVESMAGNIFICATION: INFINITEREFRACTIVE INDEX (AT DESIGN WAVELENGTH): 1.833COATING(S1&S2): BBAR Ravg<0.5% FROM 350-700nm -A COATED ASPHERIC

COLLIMATING LENS EFL=3.30mm

N-SF57 [in]ALL DIMENSIONS ARE IN mm THIS DRAWING IS FOR INFORMATION ONLYNOT INTENDED FOR MANUFACTURING

APENDICE C. OPTICA 107

Magnificación Óptica del acoplamiento de los objetivos y la cámara CCD del microscopio óptico

auxiliar del SPM. APO 10 Intervalo según el corrimiento focal del CCD 183X a 1052X WI = tamaño de imagen WO = tamaño del objeto

= (Magnificación)

Características Equipo: Marca: Park Scientific Instruments Modelo: AutoProbe CP Técnica: Microscopia de Fuerza Atómica en Modo Contacto

Apendice D

Fotolitografıa

Para la perte de la Fotolitografıa utilice una resina epoxica de la marca Micro-Chem, donde lo masimportante es que sea una resina de tipo negativo, y una constante dielectrica de 4.1 a 1 GHz. tambienmostrar que es un buen dielectrico y que tiene una lata resistividad.

Todas las caracterısticas de mayor importancia estan ya registradas en el capitulo dos.

108

SU-8 Permanent Photoresists

Resist Description

Property SU-8 2000 SU-8 3000

Tone Negative Negative

Max Single Coat Thickness, µm 250 100

Aspect Ratio 10:1 5:1

Storage Condition/Life 15-30ºC/1 yr 15-30ºC/ 1 yr

Film Mechanical Properties*Property SU-8 2000 SU-8 3000

Softening point, DMA (°C) 210 200

Thermal Stability in Nitrogen, onset/5% weight loss (°C) 295/327 277/357

Thermal Stability in Air, onset/5% weight loss (°C) 279/311

Young’s Modulus (GPa) 2.0 2.0

Coeff. of Thermal Expansion, CTE (ppm/°C) 52 52

Elongation at Break (%) 6.5 4.8

Tensile Strength (MPa) 60 73

Thermal Conductivity (W/m.ºK) 0.3 0.2

Film Electrical Properties*

Property SU-8 2000 SU-8 3000

Dielectric Constant, 1 GHz, 50% RH 4.1 3.2

Dielectric loss, 1 GHz 0.015 0.033

Volume Resistivity (Ω.cm) 2.8 x 1016 1.8 x 1016

Surface Resistivity (Ω.cm) 1.8 x 1017 5.1 x 1016

Dielectric Strength (V/µm) 112 115

*All samples hardbaked at 150°C/30 min

SU-8 Permanent Photoresists

Adhesion- Shear Analysis

Substrate SU-8 2000 (MPa)

SU-8 3000 (MPa)

Si 53 71

SiN 43 73

GaAs 66 78

Al/Cu (99/1) 23 43

Cu 38 80

Cu with AP-300 adhesion promoter 56 -

Glass with HMDS prime poor 44

Au 29 47

Glass poor 23

Glass/Al2O3 with AP-300 adhesion promoter 92 -

Ni 45 48

80Quartz 61

Bibliografıa

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