Secado en punto crítico, la técnica para liberación y secado de dispositivos MEMS; critical point dryer

Autor: Víctor Balderrama

En la fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS) con dimensiones micrométricas, el proceso de secado es una etapa crítica, esto es debido a que los líquidos de trabajo (por ejemplo agua, IPA, etc.) ocasionan que partes móviles del dispositivo, como cantilivers, quedan adheridos con otros componentes del dispositivo e imposibilitan los grados de movimientos. Para evitar estos problemas de adherencia de partes móviles de los dispositivos, el secado debe hacerse mediante la técnica de secado en punto crítico o «Critical Point Dryer» (CPD). El cuarto limpio de la Dirección de Microtecnologías de CIDESI Querétaro, cuenta con un equipo para realizar el proceso de secado CPD, el cual evita los problemas ocasionados por fuerzas de tensión superficial y capilaridad que pueden dañar las estructuras fabricadas, ¡te invitamos a que lo conozcas más de este interesante equipo!.

Proceso de secado de dispositivos MEMS en el sistema Crital Point Dryer ubicado en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro.

Si estas interesado en hacer uso de las instalaciones del cuarto limpio de CIDESI Querétaro, no dudes en contactarnos… Puedes visitar el siguiente link para mas información.

¿Cómo es el proceso de liberación de estructuras por Critical Point Dryer que utilizamos en la fabricación de MEMS?

Los procesos de secado que se utilizan en la fabricación de dispositivos MEMS con geometrías y dimensiones que van desde unidades de micrómetros a centenas de micrómetros, según el diseño y aplicación, requieren estar suspendidas o flotando a ciertas distancias específicas con respecto de un substrato, borde o mecanismo de accionamiento, generalmente requieren el uso de la técnica CPD.

Durante la fabricación, posterior a la etapa de micromaquinado, el secado no es recomendable que se realice bajo aire en condiciones atmosféricas cuando el dispositivo tiene partes móviles. El proceso de secado con un CPD, utiliza CO2 líquido para desplazar un líquido de transferencia, generalmente un alcohol. Una vez que es desplazado el alcohol por el CO2 líquido, se lleva a condiciones de temperatura y presión de su punto crítico (ver diagrama de fases en Fig. 1), donde posteriormente el CO2 en forma de gas es evacuado para que finalmente, la cámara del CPD regrese a condiciones atmosféricas. De este modo, logramos un proceso de secado controlado sin perjudicar los dispositivos fabricados.

Fig. 1. Diagrama de fases del dióxido de carbono. Las ventajas de usar CO2 en los procesos de CPD son las condiciones de presión y temperatura para alcanzar su punto crítico.

El equipo CPD es utilizado en diferentes proyectos de desarrollos tecnológicos y fabricación de sensores en la Dirección de Microtecnologías, ver Fig. 2.

Fig. 2. El Critical Point Dryer, ubicado en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro, es de la marca  Autosamdri Tousimis 815B – Serie B – Supercritical. El equipo está adscrito a la red de Laboratorios Nacionales CONACYT-SEDEAM desde el 2018.
Fig. 3. En la imagen se observa el llenado de la cámara del CPD con Isopropanol. Su función es ser un líquido intermediario o de transferencia, que será posteriormente remplazado por el LCO2. El IPA debe ser de alta pureza con la finalidad de evitar la contaminación de las microestructuras al momento de ser liberadas.

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Etapas del proceso de secado en punto crítico, CPD.

A continuación describimos brevemente las etapas del proceso CPD que realiza el equipo Tousimis.

  1. Apertura de cámara del CPD (Fig. 4a) y llenado con Isopropanol (IPA) (Fig. 3).
  2. Traslado e introducción de la(s) muestra(s) a la cámara de proceso y se hace nuevamente el llenado con IPA. Enseguida cerrar la cámara del CPD (Fig. 4b, 4c y 4d). La muestra puede verse a través de la mirilla del CPD (Fig. 4 e).
  3. Enfriamiento hasta alcanzar 0 °C.
  4. Llenado de la cámara con CO2 líquido. Aquí se mezcla el alcohol con el CO2 líquido.
  5. Etapa de purgado. La mezcla de alcohol y CO2 líquido se desaloja y es sustituido por CO2 líquido nuevamente para asegurar el 100%.
  6. Calentamiento. Se aplica calor a la cámara de proceso, elevando la temperatura del CO2 líquido para pasar a su estado de transición de punto crítico que está por arriba de 31°C y a una presión de 73.9 bar.
  7. Etapa de estabilización se mantiene en esta fase por unos minutos asegurando las condiciones de punto crítico.
  8. Descompresión de la cámara, el gas es desalojado del CPD lentamente.
  9. Venteo Expulsión total del CO2 gaseoso (Fig. 4 f).
  10. Extracción de la(s) muestra(s).

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Aplicaciones en las que interviene el proceso por CPD

La gran diversidad de aplicaciones de este equipo, van desde simples estructuras hasta complejas, por ejemplo implementadas en la industria aérea, automotriz, electrónica, química, farmacéutica, plásticos, alimentos, agricultura, entre otros, dependiendo de la naturaleza del proyecto. En la Fig. 5 se observa un investigador inspeccionando por microscopio digital un conjunto de microestructuras MEMS después de haber pasado por el proceso CPD.

Fig. 5. En la imagen se observa a un usuario del CPD inspeccionando visualmente los dispositivos MEMS fabricados.

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El equipo de la Dirección de Microtecnologías (DMT)
Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI)

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