Micro-murværk til 3D-Additive Micromanufacturing

Summary

Dette papir introducerer et 3D-additiv micromanufacturing strategi (såkaldt »mikro-murværk) for fleksibel fremstilling af microelectromechanical-system (MEMS) strukturer og enheder. Denne tilgang indebærer overførsel trykning-baserede samling af mikro / nanoskala materialer i forbindelse med hurtige termiske annealing-aktiveret materiale bonding teknikker.

Abstract

Overførsel trykning er en metode til at overføre faste mikro / nanoskala materialer (heri kaldet "blæk") fra et substrat, hvor de er genereret til et andet substrat ved anvendelse af elastomere stempler. Overførsel trykning muliggør integration af heterogene materialer til at fremstille unexampled strukturer eller funktionelle systemer, der findes i de seneste avancerede enheder, såsom fleksible og strækbare solceller og LED-arrays. Mens transfertrykning udviser unikke egenskaber i væsentlig samling kapacitet, anvendelse af klæbemiddellag eller overflademodifikation, såsom aflejring af selv-samlet monolag (SAM) på substrater til forbedring trykprocesser hindrer dens brede tilpasning mikroapplikationer af microelectromechanical system (MEMS) strukturer og enheder. For at overvinde denne mangel, har vi udviklet en avanceret form for overførsel trykning som deterministisk samler individuelle mikroskala objekter udelukkende gennem kontrollerende overfladekontaktarealuden nogen overflade ændring. Fraværet af et klæbelag eller anden ændring og de efterfølgende materiale limning processer sikrer ikke kun mekanisk binding, men også termisk og elektrisk forbindelse mellem forsamlede materialer, hvilket yderligere åbner forskellige applikationer i tilpasning i opbygningen usædvanlige MEMS enheder.

Introduction

Microelectromechanical systemer (MEMS), såsom miniaturisering af store almindelige 3D-maskiner, er uundværlige for at fremme moderne teknologi ved at give forbedringer af ydeevnen og nedbringelse produktionsomkostningerne ^1,2. Dog kan den nuværende sats på teknologiske fremskridt i MEMS ikke opretholdes uden løbende innovationer i produktionsteknologier ^3-6. Fælles monolitisk microfabrication primært bygger på lag-for-lag processer er udviklet til fremstilling af integrerede kredsløb (IC). Denne metode har været ret vellykket på at sætte masseproduktion af højtydende MEMS enheder. Men på grund af sin komplekse lag-for-lag og elektrokemisk subtraktiv natur, fremstilling af forskelligt formede 3D MEMS strukturer og enheder, mens let i macroworld, er meget udfordrende at opnå med denne monolitisk mikrofabrikation. At muliggøre en mere fleksibel 3D microfabrication med mindre proces kompleksitet, vi developed en 3D tilsætningsstof micromanufacturing strategi (såkaldt »mikro / nano-murværk«), som indebærer en overførsel trykning baseret samling af mikro / nanoskala materialer i forbindelse med hurtige termiske annealing-aktiveret materiale bonding teknikker.

Overførsel trykning er en metode til at overføre faste mikroskala materialer (dvs. »fast blæk ') fra et substrat, hvor de genereres eller vokset til et andet substrat ved hjælp af kontrolleret tør vedhæftning af elastomere stempler. Den typiske procedure af mikro-murværk starter med overførsel trykning. Præfabrikerede massive blæk er overførsel udskrives ved hjælp af en mikrospids stempel, der er en avanceret form for elastomere stempler og de trykte strukturer efterfølgende udglødet hjælp hurtig termisk udglødning (RTA) at øge blæk-blæk og blæk-substrat vedhæftning. Denne fremstillings metode muliggør opførelse af usædvanlige mikroskala strukturer og enheder, der ikke kan rummes hjælp andre eksisterende methods ^7.

Micro-murværk giver flere attraktive funktioner, der ikke er til stede i andre metoder: (a) evnen til at integrere funktionelle og strukturelle heldækkende blæk af uens materialer at samle MEMS sensorer og aktuatorer alle integreret i 3D-struktur; (B) grænseflader samlet heldækkende blæk kan fungere som elektriske og termiske kontakter ^9,10; (C) samling rumlig opløsning kan være høj (~ 1 mM) ved at udnytte højt skalerbare og velforståede litografiske processer til at generere massive blæk og yderst præcise mekaniske trin for overførsel trykning ^7; og (d) funktionelle og strukturelle heldækkende blæk kan integreres på begge stive og fleksible substrater i plane eller buede geometrier.

Protocol

1.. Design Masker til Fabrikation af donorsubstrat

1. Design en maske med ønskede geometri. At fabrikere 100 mM x 100 mM kvadrat silicium enkelte enheder, tegne en vifte af 100 mM x 100 mM firkanter.
2. Design en anden maske med en identisk geometri, med hver side strækker sig ud en ekstra 15 pm. For den vifte af 100 mM x 100 mM pladser, tegne en vifte af 130 um x 130 um firkanter, der kan dække de pladser i trin 1.1.
3. Design anker geometri. Tegn fire 20 um x 40 um rektangler, hver centreret langs den ene kant af en firkant. Placer strukturer, således at de første 15 um dækker de oprindelige 100 um x 100 um firkant i trin 1.1, og de ​​resterende 25 um strækker sig udad (som vist i figur 2).
   BEMÆRK: form og dimensioner kan anvendes, så længe ankeret kontakter både mønstret materiale og underlaget. Den ene ende af dette anker omfatter oprindelsenal geometri i trin 1.1 og den anden ende bør udvide ud geometrien i trin 1.2.

2.. Forbered Genfindelige donorsubstrat

1. Forbered en p-type doteret silicium på isolator (SOI) wafer med 3 um enhed lagtykkelse med modstand på 1-20 Ω • cm og box oxidlag tykkelse på 1 um ark. BEMÆRK: Ved forskellige applikationer disse parametre kan ændres.
2. Spin frakke fotoresist (AZ5214, 3.000 rpm i 30 sek, 1,5 um tyk), og fastgør masken designet i trin 1.1.
3. Ved hjælp af en reaktiv ion ætsning (RIE) instrument mønster enheden lag af SOI wafer og fjerne fotoresist maske. Efter dette skridt har RIE ætset region udsat kassen oxidlag (figur 2A).
4. Spin coat fotoresist (AZ5214, 3.000 rpm i 30 sek, 1,5 um tyk) og mønster med maske designet i trin 1.2.
5. Opvarm wafer ved 125 ° C i 90 sekunder på en varm plade.
6. Fordyb wafer ind49% HF 50 sec at ætse den udsatte boksen oxidlag fra trin 2.3. Efter fuldstændig tørring fjerne maskeringen fotoresistbelagte (figur 2B).
7. Spin coat (AZ5214, 3.000 rpm i 30 sek, 1,5 um tyk) og mønster forankringen design fra trin 1.3.
8. Opvarm wafer ved 125 ° C i 90 sekunder på en varm plade.
9. Fordyb i 49% HF i 50 minutter. Dette trin ætser boksen oxidlag tilbage under den resterende mønstrede enhed lag silicium, hvilket resulterer i suspenderede silicium individuelle enheder på fotoresisten (figur 2C).

3.. Design Masker til en mikrospids Stamp

1. Design en maske med en enkelt 100 mM x 100 mM pladsen.
2. Design en maske med flere 12 um x 12 um firkanter inde i en 100 mM x 100 mM område.

4.. Gør Mold for en mikrospids Stamp

1. Rengør en silicium wafer med krystallinsk orientering <1-0-0>, deposidde 100 nm af siliciumnitrid hjælp Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) udstyr.
2. Spin frakke fotoresist (AZ5214, 3.000 rpm i 30 sek, 1,5 um tyk) og mønster med maske designet i trin 3.2.
3. Mønster siliciumnitrid lag ved hjælp 10:01 Buffered Oxide ETCHANT (BOE).
4. 80 g kaliumhydroxid (KOH) i 170 ml deioniseret vand og 40 ml isopropylalkohol (IPA) blanding et bægerglas opløses.
5. Varm KOH, IPA og vand-blanding ved 80 ° C på en varmeplade.
6. Vertikalt placere forberedt wafer i bægerglasset med KOH blanding til at ætse eksponerede silicium i krystallinsk struktur (ætsning ligger på omkring 1 um / min).
7. Efter den eksponerede silicium er fuldt ætset, fjerne wafer fra KOH-blanding, ætse væk siliciumnitrid hjælp HF og udføre RCA 1 og RCA 2 rengøring (figur 3A).
8. Spin frakke med SU-8 100 og mønster med den forberedte maske fra trin 3.1 med følgende opskrift: 3.000 rpm til 1 min, blød bages ved 65 ° C i 10 minutter og 95 ° C i 30 minutter, udsættes med 550 mJ / cm ^2, og efter ovntørring ved 65 ° C i 1 min og 95 ° C i 10 minutter (figur 3B ).
9. Efter SU-8 100 er fuldt hærdet, anvende et monolag af (tridecafluor-1 ,1,2,3-tetrahydro octyl)-1-trichlorsilan ved at droppe 3-5 dråber (tridecafluor-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichlorsilan i et vakuum krukke og placere skiven i krukken og anvende vakuum.

5.. Dubler et mikrospids Stempel Ved hjælp af en Mold

1. Bland polydimethylsiloxan (PDMS) base og hærder med forholdet 5:1.
2. Afgasses blandingen ved at placere det i et vakuum jar.
3. Hæld en lille del af den afgassede PDMS blandingen på formen og lad PDMS reflow at opnå en flad overside (figur 3C).
4. Anbring formen med PDMS i ovnen ved 70 ° C i 2 timer for at hærde fuldstændigt PDMS.
5. Fjern formen fraovn og skræl PDMS fra (figur 3D).

6.. Hent Blæk fra donorsubstratet og Udskriv på målområdet

1. Placer donorsubstrat på motoriserede rotations-og x, stadier y-oversættelse udstyret med et mikroskop.
2. Fastgør mikrospids stempel til en uafhængig lodret translationel scenen.
3. Under lup, justere mikrospids frimærket med Si blækket på donor underlaget med translationel og roterende etaper. Desuden gør den vippe overensstemmelse mellem mikrospids overflade og Si blæk ved at justere en vippe scenen. Bagefter bringe mikrospids stempel ned for at få kontakt.
4. Langsomt bringe mikrospids stempel yderligere ned efter den første kontakt, således at små tips er fuldt skjult, og hele overfladen er i kontakt med Si blæk på donorsubstrat.
5. Hurtigt hæve z scenen, bryde ankre på grund af den store kontaktflade mellem mikrospids stempel og Si blæk, til retrieve Si blæk fra donor substrat og fastgør den til mikrospids stempel.
   BEMÆRK: Når mikrospids stempel er fri for stress, den komprimerede microtip genskaber til sin oprindelige pyramideform, hvilket gør minimal kontakt med den hentede Si blæk.
6. Anbring modtageren substrat på en x, y-oversættelse scenen og tilpasse hentet Si blæk under mikrospids stempel på det ønskede sted.
7. Ned z etape indtil den hentede Si blæk knap kommer i kontakt med modtageren substrat.
8. Efter at kontakt, langsomt hæve z scenen for at frigive Si blæk, udskrive det på det ønskede sted.

7.. Limning Process

1. Program en hurtig termisk annealing ovn til at cykle fra RT op til 950 ° C i 90 sekunder, forbliver på 950 ° C i 10 min og køle ned til RT (ved at fjerne enhver varmeforsyningen i ovnen).
2. Placer den udskrevne receiver substrat i ovnen i en omgivende luft miljø og anneal ved 950 °C i 10 min for Si-Si binding eller ved 360 ° C i 30 min for Si-Au binding.

Representative Results

Micro-murværk muliggør heterogent materiale integration at generere MEMS strukturer, der er meget udfordrende eller umuligt at opnå ved monolitiske microfabrication processer. For at demonstrere sin kapacitet, er en struktur (kaldet et "mikro tepotte") fremstillet udelukkende gennem mikro-murværk. 4A er et optisk mikroskop billede af fabrikerede Si blæk på en donor substrat. De designede blæk er diske med forskellige dimensioner lavet af enkelt krystallinsk silicium, som er byggestenene i mikro tepotte. Når en donorsubstratet uafhængigt er forberedt, diske er overførsel trykt på en modtager substrat og afhærdet lag på lag udnytte en mikrospids stempel som vist i figur 4B. Det indre område af mikro tepotte er hule som det kan ses fra hvert samlet disk. Desuden er den delicateness af mikro-murværk processer også testet ved overførsel trykning og annealing et temmelig udsøgt photONIC krystal blodplader (figur 4C-E). Fotoniske overflader er først mønstret med nanoimprint litografi og lavet som overføres blæk på en donor substrat som skitseret i protokollen. Når blækket er fuldt forberedt, er fotoniske krystal trombocyt overført til fire Si ringe med 50 um tykkelse, danner en tabel som konfiguration vist i figur 4E.

Foruden mikro-murværk for silicium trykfarver billeder i figur 5 viser eksempler på mikro-murværk vedtaget at samle tynde Au film. Figur 5A er et optisk mikroskop billede af tilberedte 400 nm tyk Au film på en donor substrat. Disse trykfarver er behandlet og testet til at overføre tryk på en Au overflade (figur 5B), såvel som på en Si overflade (figur 5C) yderligere.

Af afgørende betydning med denne mikro-murværk for Au tynd film samling er, at i mangel af en klæbende lag, than overføre trykte Au film udviser elektrisk ledningsevne med modtageren substrat. Selv om det er vanskeligt at opnå en stærk mekanisk binding mellem transfer trykt Au film og en modtager Au overflade er komponenter holdes på plads ved hjælp af van der Waals kraft og udviser stor elektrisk ledningsevne uden yderligere forarbejdning (figur 5B) ^9.

Omvendt er heterogene integration af Au tynde film med en Si overflade også opnås gennem overførsel trykning og hurtig termisk udglødning ved ca Si-Au eutektisk temperatur. Gennem udglødningsprocessen, er modstand kontakt på Si-Au grænseflade væsentligt reduceret svarer til sputter deponerede prøve på grund af Si-Au eutektisk binding. Ved line måling transmission (TLM) eksperimenter, er denne påstand blevet dokumenteret (figur 5C) ^10..

Figur 1.. Generel proces flow af mikro-murværk ^7. Som forberedelse skridt er en donor substrat, et stempel, og en modtager substrat selvstændigt udarbejdet. (A) Når alle de forskellige komponenter er arrangeret, først en mikrospids frimærke er knyttet til en gennemsigtig glasplade placeret på hovedet, således at microtips i stempel peger nedad. Når stemplet er placeret sikkert er donorsubstratet placeret på en x, y-aksen fase og stempel flugter med trykfarver på donorsubstratet gennem et mikroskop. (B) Efterfølgende stempel bragt ned til donorsubstratet og en forbelastning påføres på frimærket, således at alle microtips i frimærket er fuldt kollapsede. (C) Bagefter stemplet hurtigt hævet og blækket er hentet og fastgjort til et stempel. (D) For at udskrive retrieved blæk, stempel med blæk forsigtigt tilpasset til målområdet og sænkes på en sådan, at blækket er i kontakt med modtagerens substrat forsigtigt mens spidserne er delvist kollapsede. (E) Når blækket er i kontakt med modtagerens substrat, blev stempel hæves langsomt. Grundet større van der Waals vekselvirkning ved ink-receiver brugerflade end ved stempel-blæk interface, forbliver blækket på modtageren substrat. (F) Modtageren substrat med de forsamlede blæk flyttes til en hurtig termisk annealing ovn og afhærdet ved 950 ° C i 10 min for Si-Si binding eller ved 360 ° C i Si-Au-binding i 30 min. Annealingstrinnet efter overførsel trykning trin fuldender mikro-murværk procedure. Gengivet med tilladelse fra Keum et al. ^7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2.. Skematisk af donor forberedelse af underlaget. (A) På en SOI wafer, er enheden lag mønstrede i ønskede dimensioner og geometri. (B) Et følgende HF vådætsning proces fjerner den udsatte _SiO2 kasse lag undtagen for regionerne beneath mønstret Si. (C) Fotoresisten spundet og mønstret for at danne ankre. (D) Derefter er substratet nedsænkes i HF at ætse væk resterende _SiO2. Efter tilstrækkelig tid i HF, er den vifte af Si firkantede blæk suspenderet og fritstående med kun fotoresistbelagte ankre på donorsubstratet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3.. Skematisk af stempel fabrikation ^7.. (A) For at lave en støbeform til mikrospids frimærker, er en Si wafer rengøres og lille pyramideformet micropits er skabt på wafer gennem KOH ætsning. (B) Efter ætsning er gjort, overfladen af ​​skiven renses gennem RCA 2 renseprocessen efterfulgt af anvendelse og mønster SU8 at danne et hulrum over microtips. Efterfølgende et monolag af trichlorosilan belagt på formen for at fremme følgende PDMS støbning / afformning proces ved at droppe 3-5 dråber trichlorosilan ind i et vakuum krukke og placere wafer og støvsugning vakuum krukken. (C) Når belægningen er færdig , PDMS precursor hældes og hærdes i ovnen. (D) Den hærdede PDMS simpelthen skrælles fra formen for at fuldføreformen forberedelse proces for en mikrospids stempel. Gengivet med tilladelse fra Keum et al. ^7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4.. Repræsentant arbejde i Si mikro-murværk ^7. (A) Optisk mikroskop billeder af ringform Si trykfarver på en donor substrat (B) scanning elektron mikroskop (SEM) billede af en mikro tepotte dannet af mikro-murværk, ( C) Illustration af mikro-murværk af en silicium fotoniske overflade på fire Si ringe, (D, E) SEM billeder af nanostrukturer på fotoniske overflade (D) og den samlede silicium fotoniske overflade på fire silicium ringe (E). Gengivet med tilladelse fra Keum et al. ^7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5.. Repræsentant arbejde i Au mikro-murværk ^8. (A) Optisk mikroskopisk billede af den tilberedte donorsubstrat med Au blæk hentet i øverste række og klar til at blive hentet i nederste række, (B) SEM billede af en overførsel udskrives Au film på en mønstret Au overflade, (C) SEM billede af overførsel trykt Au film på en mønstret Si strimmel. Gengivet med tilladelse fra Keum et al. ^8.få = "_blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Micro-murværk, præsenteret i figur 4, indebærer silicium smeltebinding i et materiale bonding skridt. Silicon smeltebinding opnås ved at anbringe prøven i en hurtig termisk annealing ovn (RTA ovnen), og opvarmning af prøven ved 950 ° C i 10 min. Denne udglødning betingelse er både adoptable mellem Si - Si og Si - _SiO2 bonding ^10,11. Alternativt Au fastgjort med et Si bånd, som findes i figur 5C vedtager eutektisk limning, og derfor limning temperatur er omkring Si-Au eutektisk temperatur (363 ° C) i 30 min ^8. For at sikre eutektisk limning, behov Si strimmel før udskrivning Au blæk på en Si strimmel, der grundigt rengjort med 49% HF for at undgå enhver urenhed såsom indfødte oxid ved grænsefladen af ​​Au og Si. At være i stand til at samle Au film med mikro-murværk enormt forbedrer bred tilpasning af mikro-murværk fremstillingsvirksomhed ordning since det indfører en metal type materiale. På grund af sin lave elektrisk kontakt modstand med silicium, kan det anvendes som en elektrode i de endelige MEMS enheder samt en ophængt membran flexure som præsenteret i Keum et al. ^9.

Overføres blæk udviklet er i øjeblikket begrænset til Si og Au og materialer for deres tilsvarende receiver substrater er Si og SiO ₂ for Si, og Au og Si til Au. Samlet set større kontaktflade mellem en modtager substrat og en blæk resultater i lethed i trykning trin. Men udskrive en blæk, mens delvis kontakte overfladen er også muligt, hvilket resulterer i suspenderet struktur, som vist i figur 4E.

Mens mikro-murværk er en ny tilgang microfabrication, der stadig er begrænsninger overvindes i processen. Først og langt de fleste fremstiller skalerbarhed, siden den nuværende deterministisk samling af faste blæk foregår individuelly snarere end samtidig. Også, da silicium smeltebinding udøves i høj temperatur, forskelle i Si og _SiO2 varmeudvidelseskoefficient kan resultere i foldning / delaminering i interfacet. Disse begrænsninger skal undersøges nærmere for mere bred tilpasning af mikro-murværk teknik.

Som vist i figur 4, micro-murværk har en enorm indflydelse på konventionelle MEMS processer, som primært er afhængige af monolitisk microfabrication, gennem sin unikke tilsætningsstof og fleksibel produktion evne tredimensionelle mikroskala strukturer, der er tidligere usete. Endvidere mikro-murværk har evnen til at manipulere fine funktioner i mikroskala uden at beskadige overfladen, fordi den bruger bløde elastomere stempler. Det fremtidige arbejde omfatter parallel overførsel udskrivning for at reducere montagetiden, lokaliserede bindingsprocesser aktiveret ved hjælp af laser-assisteret udglødning, og udvide denne proces til dykkerSE MEMS materialer, såsom _SiO2, Si _x N _y, Al, etc.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Az 5214	Clariant		1.5 mm thick Photoresist
Su8-100	Microchem		100 mm Photoresist used in mold
Sylgard 184	Dow Corning		PDMS mixed to fabricate stamp
Hydrofluoric acid	Honeywell		Acid to etch silicon oxide layer
Silicon on insulator	Ultrasil		Donor substrate was fabricated
Trichlorosilane	Sigma-Aldrich		Chemical used to help pealing of PDMS from mold