จากแนวโน้มที่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนทางกลในเครื่องมือต่าง ๆ มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ตามพัฒนาการทางเทคโน-โลยีที่ก้าวหน้าขึ้นชิ้นส่วนขนาดจิ๋วหรือชิ้นส่วนส่วนจุลภาค (micro part) ได้มาเป็นตัวแปรสำคัญในการทำงานของกลไกที่ซับซ้อนต่างๆ ด้วยน้ำหนักที่เบาแข็งแรงและราคาถูก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์สูงขึ้นและราคามีแนวโน้มลดลงเนื่องจากขนาดของชิ้นส่วนในอนาคตมีแนวโน้มเล็กเกินกว่าจะสกัดได้ด้วยเครื่องจักร การผลิตชิ้นส่วนจุลภาคด้วยแสงซินโครตรอนจึงได้เข้ามามีบทบาทแทนเทคนิคการผลิตด้วยเครื่องจักรที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ด้วยเทคนิค micromachining ผ่านพลังงานทะลุทะลวงของรังสีเอ็กซ์จากแสงซินโครตรอน โครงสร้างที่ได้จะแม่นยำตามที่ออกแบบและมีความหนาเกินกว่า 1000 ไมโครเมตร อีกทั้งสามารถสร้างได้ปริมาณมากในแต่ละครั้ง ส่งผลให้ต้นทุนที่ได้มีแนวโน้มลดลงแต่ยังคงประสิทธิภาพของชิ้นส่วนจุลภาคเหล่านั้นไว้ได้เป็นอย่างดี

 

                     

www.oechsler.com                                                               www.istockphoto.com

 

การประยุกต์ใช้งานและการผลิตชิ้นส่วนจุลภาค

ชิ้นส่วนจุลภาคมีบทบาทสำคัญในภาคอุตสาหกรรมต่างๆได้แก่ ทางการแพทย์ เทคโนโลยีชีวภาพ อิเล็กทรอนิกส์ และยานยนต์ เป็นต้น โดยชิ้นส่วนที่ถูกนำไปประกอบเป็นกลไกต่างๆ จะถูกกำหนดขนาดอยู่ในระดับไมโครเมตร-มิลลิเมตร ส่งผลให้นำหนักของชิ้นส่วนเหล่านี้อยู่ในช่วงไมโครกรัม-กรัม เนื้อวัสดุสามารถผลิตด้วยวัสดุพอลิเมอร์ โลหะหรือเซรามิก ในส่วนการผลิตนั้น ปัจจุบันมีอยู่ 2 แบบ แบบแรกคือการผลิตทีละชิ้น (Serial fabrication) มีอยู่ 2 วิธีการคือการดิสชาร์จทางไฟฟ้าสกัดวัสดุ (EDM) และการสกัดด้วยแสงเลเซอร์ ซึ่งทั้ง 2วิธีการจะสามารถสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่ซับซ้อนได้ แต่จะสามารถผลิตได้ทีละชิ้นและขนาดที่เล็กที่สุดจะถูกจำกัดด้วยขนาดของหัวสกัด (> 200µm) อีกทั้งระยะเคลื่อนที่ของตัวขับเคลื่อนหัวสกัดยังส่งผลให้การย่อส่วนโครงสร้างถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพของเครื่องจักรและต้นทุนในการสร้างจำนวนมากจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แบบที่สองคือการผลิตชิ้นงานจำนวนมากในแต่ละครั้ง (Batch fabrication) เป็นการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ (IC Technology) เพื่อกำหนดลวดลายของพอลิเมอร์ไวแสงและสกัดลงในเนื้อวัสดุเพื่อสร้างโครงสร้างขึ้นมา โดยมีอยู่ 2 วิธี คือ การสกัดผลึกซิลิคอน (Silicon machining) ด้วยสารเคมีลงในเนื้อวัสดุ แต่ความหนาของแผ่นซิลิคอนและระยะเวลาในการผลิตจะเป็นข้อจำกัดสำคัญในการสร้างชิ้นส่วนจุลภาคเพื่อมาใช้งาน อีกหนึ่งวิธีการคือการใช้แสงซินโครตรอนกำหนดรูปร่างพอลิเมอร์ไวแสง (LIGA/ photo-electroforming) ด้วยการอาบรังสีเอ็กซ์จากแสงซินโครตรอนพลังงานสูงผ่านหน้ากากดูดซับรังสี ลวดลายที่ได้จะแม่นยำและเนื่องจากเป็นการใช้เทคโนโนยีสารกึ่งตัวนำ ส่งผลให้สามารถผลิตได้ครั้งละจำนวนมากในการดำเนินการ 1 รอบ

การสร้างชิ้นส่วนจุลภาคจากกระบวนการลิโกราฟีด้วยรังสีเอ็กซ์เรย์

แสงซินโครตรอนจากวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาที่แม่เหล็กโค้ง BM-6 และถูกกรองออกมาใช้งานในช่วงของรังสีเอ็กซ์ที่ระบบลำเลียงแสงลิโธกราฟีด้วยรังสีเอ็กซ์ (Deep X-ray Lithography, DXL) ที่ ระบบลำเลียงแสงที่ 6 (Beamline 6)ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) แสงที่ออกมาจะผ่านการกรองด้วยฟิลเตอร์ผลึก Be หนา 100 ไมครอนเพื่อใช้ตัดแสงย่านอื่นนอกจากรังสีเอ็กซ์เข้าสู่ท่อลำเลียงแสง ที่กั้นบริเวณสุญญากาศระดับสูงและบริเวณที่บรรจุชิ้นงานซึ่งเป็นสุญญากาศระดับต่ำถึงความดันบรรยากาศในส่วนที่เป็นสถานีทดลองออกจากกัน แสงที่ออกมาจะคงที่ในแนวราบ ดังนั้นการอาบรังสีเอ็กซ์บนวัสดุจะใช้เครื่องแสกนยึดติดชิ้นงานและเคลื่อนที่ตัดผ่านในแนวตั้งฉากกับลำแสง พร้อมกับการคำนวณพลังงานที่ตัดผ่านลำแสงในแต่ละครั้ง

 

ระบบลำเลียงแสงที่ 6 (DXL)

 

     

ห้องสุญญากาศสำหรับการฉายรังสีเอ็กซ์ลงบนชิ้นงาน      ระบบการขับเคลื่อนชิ้นงานภายในห้องสุญญากาศ

 

ระบบสแกนชิ้นงาน

 

กระบวนการสร้างชิ้นส่วนจุลภาคด้วยรังสีเอ็กซ์จะเริ่มจากการวาดลวดลาย 2 มิติในโปรแกรม CAD เช่น LayoutEditor^® และส่งไปวาดลวดลายทึบแสงบนฐานโปร่งแสงเช่นกระจกหรือฟิล์มใส ซึ่งจะเรียกว่าหน้ากากกั้นแสงอัลตราไวโอเลต (UV mask) หน้ากากนี้จะใช้ถ่ายทอดลวดลายลงบนวัสดุฐานที่โปร่งต่อรังสีเอ็กซ์เช่นกราไฟต์ แผ่นใสหรือแผ่นพอลิอิไมด์ ด้วยกระบวนการลิโกราฟีด้วยแสง UV เพื่อเปิดหลุมให้เติมวัสดุดูดซับรังสี เช่นทองหรือเงิน ลงไปด้วยการชุบโลหะด้วยไฟฟ้าจนได้ความหนาที่ต้องการ หลังจากนั้นจึงนำไปกั้นรังสีเอ็กซ์บนผิวหน้าของชั้นพอลิเมอร์ไวแสง

 

 

ออกแบบลวดลายในโปรมแกรม CAD                              สร้างหน้ากากกั้นแสงอัลตราไวโอเลต

 

  

     ถ่ายทอดลวดลายด้วยกระบวนการลิโกราฟีด้วยแสง UV          เติมโลหะที่ใช้เป็นหน้ากากดูดซับรังสีเอ็กซ์

ตัวแปรสำคัญในการสร้างโครงสร้างจุลภาคคือพอลิเมอร์ไวแสงที่ทำปฏิกิริยาแข็งตัวกับรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำจากแสงซินโครตรอน การอาบรังสีเอ็กซ์ลงบนพอลิเมอร์ไวแสงโดยมีหน้ากากดูดซับรังสีมากั้นจะสร้างความต่างในเนื้อพอลิเมอร์ ส่งผลให้บริเวณที่ไม่สัมผัสรังสีเอ็กซ์ละลายออกในสารละลายทางเคมีเฉพาะได้ และเกิดเป็นหลุมหรือโครงสร้างพอลิเมอร์เพื่อใช้เป็นชิ้นส่วนจุลภาคหรือนำไปใช้เป็นแม่พิมพ์ในการขึ้นรูปโลหะต่อไป

 

           

       สร้างเป็นหลุมพอลิเมอร์                                       สร้างเป็นโครงสร้างพอลิเมอร์

 

การขึ้นรูปโลหะในหลุมพอลิเมอร์จะถูกดำเนินการด้วยการชุบโลหะด้วยไฟฟ้าและสกัดออกให้เหลือเพียงโครงสร้างโลหะ ซึ่งในจุดนี้สามารถนำไปใช้เป็นแม่พิมพ์โลหะในการสำเนาโครงสร้าง โดยไม่จำเป็นต้องสร้างชิ้นส่วนจากการทำลิโธกราฟีด้วยรังสีเอ็กซ์อีกครั้ง หรือสามารถใช้เป็นชิ้นส่วนจุลภาคได้ด้วยการสกัดออกจากฐานและนำไปใช้งาน

 

                

                 โครงสร้างโลหะที่สกัดพอลิเมอร์ออก                                ชิ้นส่วนจุลภาคที่สกัดออกจากฐาน

 

แสงซินโครตรอนถูกนำมาใช้ประโยชน์ทางด้านการผลิตชิ้นส่วนจุลภาค โดยการอาบรังสีเอ็กซ์ที่สถานีทดลอง Deep X-ray Lithography (BL-6) พลังงานทะลุทะลวงเข้าไปในพอลิเมอร์ไวแสงระดับมากกว่า 1000 ไมโครเมตร ส่งผลให้โครงสร้างที่ได้มีความแม่นยำตามที่ออกแบบไว้และสามารถนำไปพัฒนาเป็นแม่พิมพ์โลหะในการสำเนาชิ้นส่วนเพื่อการผลิตจำนวนมากด้วยกระบวนการที่เรียกว่า X-ray LIGAซึ่งเป็นผลให้การลดต้นทุนในการสร้างชิ้นงานลดลง เหมาะกับการนำไปสร้างชิ้นงานต้นแบบและชิ้นงานในสายการผลิตในอุตสาหกรรมที่ต้องการประหยัดต้นทุน อีกทั้งยังเป็นการสนับสนุนงานวิจัยภายในประเทศให้สามารถสร้างแม่พิมพ์เพื่อสำเนาชิ้นงานขึ้นมาได้เองในอนาคต

 

กระบวนการ X-ray LIGA