Micro-metselwerk voor 3D Additive micromanufacturing

Summary

Dit artikel introduceert een 3D additief micromanufacturing strategie (zogenaamde "micro-metselwerk ') voor de flexibele productie van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Deze benadering houdt in transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Abstract

Transfer printen is een methode om vast micro / nanoschaal materialen (hierin genoemd "inkten") vanaf een substraat waar zij gegenereerd een ander substraat door gebruik elastomere stempels. Transferdruk maakt de integratie van heterogene materialen unexampled structuren of functionele systemen die worden gevonden in recente geavanceerde apparaten zoals flexibele en uitrekbare zonnecellen en LED arrays fabriceren. Terwijl transferdruk vertoont unieke eigenschappen materiaal assemblage vermogen, het gebruik van hechtmiddel lagen of oppervlaktemodificatie zoals afzetting van zelf-geassembleerde monolaag (SAM) op substraten voor het verbeteren drukprocessen belemmert zijn brede adaptatie microassemblage van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Om deze tekortkoming te overwinnen, ontwikkelden we een geavanceerde manier van overdracht afdrukken die deterministisch assembleert individuele microschaal objecten uitsluitend via het beheersen contactoppervlakzonder enige oppervlakte verandering. Het ontbreken van een kleeflaag of andere aanpassing en de daaropvolgende materiaal verlijmingsprocessen zorgen niet alleen mechanische hechting, maar ook thermische en elektrische verbinding tussen samengestelde materialen, die verder opent diverse toepassingen in aanpassing bouwen ongebruikelijke MEMS.

Introduction

Micro-elektromechanische systemen (MEMS), zoals de miniaturisatie van grootschalige gewone 3D machines zijn onmisbaar voor de bevordering van moderne technologieën door prestatieverbeteringen en productiekosten verminderen ^1,2. Echter, het huidige tempo van de technologische vooruitgang in MEMS niet worden gehandhaafd zonder continue innovaties in productietechnologieën ^3-6. Gemeenschappelijk monolithisch microfabricage vooral steunt op laag-voor-laag werkwijzen ontwikkeld voor de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen (IC). Deze methode is zeer succesvol op het mogelijk maken massaproductie van hoogwaardige MEMS apparaten. Echter, vanwege de complexe laag-voor-laag en elektrochemisch subtractieve aard, de productie van divers-vormige 3D MEMS-structuren en-apparaten, terwijl gemakkelijk in de macroworld, is zeer uitdagend te bereiken met behulp van deze monolithische microfabrication. Om flexibeler 3D microfabrication stellen met minder complexiteit van het proces, we ontwikkeld een 3D additief micromanufacturing strategie (de zogenaamde "micro / nano-metselwerk '), die een transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen gaat in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Transfer printen is een methode om vaste microschaal (dwz, "vaste inkt ') brengen van een substraat waar zij gegenereerd gekweekt of een ander substraat met gecontroleerde droge hechting van elastomere stempels. De typische werkwijze van micro-metselwerk begint met transfer printen. Geprefabriceerde massieve inkten zijn overdracht afgedrukt met een microtip stempel dat is een geavanceerde vorm van elastomeer postzegels en de gedrukte structuren worden vervolgens gegloeid behulp snel thermisch gloeien (RTA) om inkt-inkt en inkt-substraat adhesie te verbeteren. Deze productie-aanpak maakt de bouw van ongewone microschaal structuren en apparaten die niet kunnen worden ondergebracht gebruik van andere bestaande methodiekds ^7.

Micro-metselwerk biedt verschillende aantrekkelijke functies niet in andere werkwijzen: (a) het vermogen om functionele en structurele vaste inkten van verschillende materialen integreren MEMS sensoren monteren en alle actuatoren geïntegreerd in de 3D structuur; (B) de interfaces van verzamelde vaste inkten kunnen fungeren als elektrische en thermische contacten ^9,10; (C) het verzamelen ruimtelijke resolutie kan hoog (~ 1 micrometer) worden door gebruik te maken van zeer schaalbaar en goed begrepen lithografische processen voor het genereren van vaste inkt en zeer nauwkeurige mechanische podia voor transfer printen ^7; en (d) de functionele en structurele vaste inkten kan worden geïntegreerd op zowel harde en flexibele substraten in vlakke of gebogen geometrieën.

Protocol

1. Ontwerp Maskers voor Fabricage van donorsubstraat

1. Ontwerp een masker met de gewenste geometrie. Te fabriceren 100 micrometer x 100 micrometer vierkante silicium afzonderlijke eenheden, trekken een reeks van 100 micrometer x 100 micrometer pleinen.
2. Ontwerp een tweede masker met een identieke geometrie, waarbij elk der partijen de uitbreiding van een aanvullende 15 micrometer. Voor de serie van 100 micrometer x 100 micrometer pleinen, trekken een reeks van 130 micrometer x 130 micrometer vierkantjes die de pleinen kan dekken in stap 1.1.
3. Ontwerp de anker geometrie. Trek vier 20 micrometer x 40 micrometer rechthoeken, elk gecentreerd langs een rand van een plein. Plaats de structuren zodat de eerste 15 urn omvat de oorspronkelijke 100 urn x 100 urn vierkante in stap 1.1 en de resterende 25 urn buitenwaarts uitstrekt (zie figuur 2).
   OPMERKING: vorm en afmetingen kan worden gebruikt, zolang als anker contactpunten voor de gestructureerde materiaal en het substraat. Een uiteinde van dit anker omvat de oorsprongal geometrie in stap 1.1 en het andere uiteinde moet zich uitstrekken van de geometrie in stap 1.2.

2. Bereid opvraagbare donorsubstraat

1. Bereid een p-type gedoteerd silicium op isolator (SOI) wafer met 3 urn apparaat laagdikte met laagweerstand van 1-20 Ω • cm en doos dikte van 1 urn oxidelaag. OPMERKING: Voor diverse toepassingen deze parameters kunnen worden gewijzigd.
2. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en bevestig het masker ontworpen in stap 1.1.
3. Met behulp van een reactief ion etsen (RIE) instrument, patroon van het apparaat laag van de SOI wafer en verwijder fotoresistmasker. Na deze stap heeft de RIE geëtst gebied bloot geven oxidelaag (Figuur 2A).
4. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en patroon met masker ontworpen in stap 1.2.
5. Verwarm de wafer bij 125 ° C gedurende 90 seconden op een hete plaat.
6. Dompel de wafer in49% HF gedurende 50 seconden blootgestelde box oxidelaag uit stap 2.3 etsen. Na volledig drogen, verwijder de masking fotolak (Figuur 2B).
7. Spin jas (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en het patroon van de verankering ontwerp uit stap 1.3.
8. Verwarm de wafer bij 125 ° C gedurende 90 seconden op een hete plaat.
9. Onder te dompelen in 49% HF gedurende 50 minuten. Deze stap etsen geven oxidelaag nog onder het resterende patroon apparaat laag silicium, wat resulteert in verlaagde silicium afzonderlijke eenheden van de fotoresist (figuur 2C).

3. Ontwerp Maskers voor een Microtip Stamp

1. Ontwerp een masker met een enkele 100 micrometer x 100 micrometer plein.
2. Ontwerp een masker met meerdere 12 micrometer x 12 micrometer vierkantjes in een 100 micrometer x 100 micrometer gebied.

4. Maak de mal voor een Microtip Stamp

1. Reinig een silicium wafer met kristallijne oriëntatie van <1-0-0>, depozitten 100 nm van siliciumnitride met behulp van Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) apparatuur.
2. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en patroon met masker ontworpen in stap 3.2.
3. Patroon de siliciumnitridelaag behulp 10:01 gebufferde Oxide Etchant (BOE).
4. Los op in 170 ml gedeïoniseerd water en 40 ml isopropylalcohol (IPA) mengsel een bekerglas 80 g kaliumhydroxide (KOH).
5. Verhit de KOH, IPA en water mengsel bij 80 ° C op een hete plaat.
6. Verticaal Plaats de voorbereide wafer in het bekerglas met KOH mengsel blootgestelde silicium etsen in kristallijne structuur (etssnelheid is ongeveer 1 um / min).
7. Na de blootgestelde silicium volledig geëtst, verwijder de wafer uit KOH mengsel, etsen het siliciumnitride weg met behulp van HF, en het uitvoeren van RCA 1 en 2 RCA reiniging (figuur 3A).
8. Spin jas met SU-8 100 en patroon met de voorbereide masker uit stap 3.1 met volgende recept: 3000 omwuur gedurende 1 min, zacht bakken bij 65 ° C gedurende 10 min en 95 ° C gedurende 30 minuten, blootgesteld aan 550 mJ / cm ^2, en na bakken bij 65 ° C gedurende 1 min en 95 ° C gedurende 10 min (figuur 3B ).
9. Na de SU-8 100 volledig is uitgehard, breng dan een monolaag (tridecafluor-1 ,1,2,3-tetrahydro octyl)-1-trichloorsilaan by dropping 3-5 druppels (tridecafluor-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichloorsilaan in een vacuüm pot en plaatsen van de wafer in de pot en toepassing van vacuüm.

5. Dupliceren Microtip Stempel Met behulp van een mal

1. Meng polydimethylsiloxaan (PDMS) basis en verharder met de verhouding van 5:01.
2. Ontgas het mengsel door het in een vacuüm pot.
3. Voor een klein gedeelte van de ontgaste PDMS mengsel in de vorm en laat de PDMS reflow een vlak bovenoppervlak (figuur 3C) te bereiken.
4. Plaats de vorm met PDMS in de oven op 70 ° C gedurende 2 uur volledig uitharden de PDMS.
5. Verwijder de mal van deoven en schil de PDMS uit (Figuur 3D).

6. Haal de inkt van de Donor van de ondergrond en Afdrukken in het doelgebied

1. Plaats de donor substraat op gemotoriseerde rotatie en x, y-vertaling fasen uitgerust met een microscoop.
2. Bevestig de microtip stempel aan een onafhankelijke verticale translationeel podium.
3. Onder de microscoop, lijnt de microtip stempel met de Si inkt op de donor substraat met behulp van translatie en rotatie fasen. Bovendien doen de kantelen afstemming tussen de microtip oppervlak en de Si inkt door het aanpassen van een kantelende podium. Daarna brengen de microtip stempel omlaag om contact te maken.
4. Langzaam breng de micropunt stempel nadere na eerste contact, zodat kleine uiteinden volledig ingeklapt en het gehele oppervlak in contact met de inkt Si donor substraat.
5. Snel verhogen de z fase breken van de ankers door het grote contactoppervlak tussen de micropunt stempel en Si inkt, retrieve de Si inkt van de donor substraat en bevestig deze aan de microtip stempel.
   OPMERKING: Als de microtip stempel is vrij van stress, de gecomprimeerde microtip herstelt in zijn oorspronkelijke piramidevorm, waardoor minimaal contact met de opgehaalde Si inkt.
6. Plaats de ontvanger substraat op een x, y-vertaling podium en lijn de opgehaalde Si inkt onder microtip stempel op de gewenste plaats.
7. Daal de z fase totdat de opgehaalde Si inkt maakt nauwelijks contact met de ontvanger substraat.
8. Nadat contact langzaam de z stadium Si inkt los te drukken op de gewenste locatie.

7. Bonding Proces

1. Programmeer een snelle thermische gloeioven eerst veranderen van kamertemperatuur tot 950 ° C in 90 seconden blijven bij 950 ° C gedurende 10 min en afkoelen tot kamertemperatuur (door het verwijderen warmtetoevoer in de oven).
2. Plaats de afgedrukte ontvanger substraat in de oven in een lucht omgeving en gloeien bij 950 °C gedurende 10 min voor Si-Si binding en bij 360 ° C gedurende 30 min voor Si-Au binding.

Representative Results

Micro-metselwerk maakt heterogeen materiaal integratie MEMS structuren die zijn zeer uitdagend of onmogelijk te bereiken door monolithische microfabrication processen te genereren. Om zijn bekwaamheid te bewijzen, is een structuur (een zogenaamde 'micro theepot') vervaardigd uitsluitend door middel van micro-metselwerk. Figuur 4A is een optische microscoop beeld van gefabriceerde Si inkten op een donor substraat. De ontworpen inkten zijn schijven met verschillende afmetingen gemaakt van monokristallijn silicium, die de bouwstenen van de micro theepot zijn. Zodra een donor substraat onafhankelijk bereid schijven zijn afgedrukt overdracht op een ontvanger substraat en uitgegloeid laag voor laag gebruik van een micropunt stempel zoals getoond in figuur 4B. Het binnenste gebied van de micro theepot hol zoals blijkt uit elke schijf gemonteerd. Verder wordt de delicate micro-metselwerk processen ook getest door transfer printen en hybridiseren van een nogal prachtige photONIC kristal bloedplaatjes (figuren 4C-E). Fotonische oppervlakken zijn eerste patroon met nanoimprint lithografie en maakte zo overdraagbaar inkten op een donor substraat zoals beschreven in het protocol. Zodra de inkt volledig is bereid, wordt het fotonisch kristal plaatjes overgebracht naar vier Si ringen met 50 urn dikte, waarbij een tabel configuratie zoals getoond in figuur 4E.

Naast micro-metselwerk voor silicium inkten, afbeeldingen in figuur 5 zijn voorbeelden van micro-metselwerk aangenomen om dunne Au films monteren. Figuur 5A is een optische microscoop beeld van geprepareerde 400 nm dikke Au films op een donor substraat. Deze inkten worden verder verwerkt en getest op druk brengen op een Au oppervlak (figuur 5B), en op een Si oppervlak (figuur 5C).

Van groot belang met deze micro-metselwerk voor Au dunne film assemblage is dat bij het ontbreken van een kleeflaag, thij overbrengen afgedrukte Au films vertonen elektrische geleiding met de ontvanger substraat. Hoewel het moeilijk is om sterke mechanische hechting tussen afgedrukt overdracht Au films en ontvanger Au oppervlak te verkrijgen, worden componenten op hun plaats gehouden door van der Waals kracht en vertonen goede elektrische geleiding zonder verdere bewerking (figuur 5B) ^9.

Omgekeerd is heterogene integratie van Au dunne films met een Si oppervlak ook bereikt door transfer printen en snelle thermische gloeien bij ongeveer Si-Au eutectische temperatuur. Door het uitgloeiproces wordt contactweerstand op het Si-Au-interface aanzienlijk verminderd lijkt op die van sputteren afgezette monster door Si-Au eutectische hechting. Door transmissie-line meting (TLM) experimenten, werd deze claim onderbouwd (figuur 5C) ^10.

Figuur 1. Algemene procesflow van micro-metselwerk ^7. Als bereidingsstap wordt een donor substraat, een stempel, en een ontvanger substraat onafhankelijk bereid. (A) Wanneer alle verschillende componenten zijn aangebracht, eerst een micropunt stempel wordt een transparante glasplaatje gelegd verbonden omgekeerd zodat de micropunten in de stempel zijn naar beneden gericht. Nadat de stempel stevig is geplaatst, wordt de donor substraat op een x, y-as fase en de stempel in lijn met inkten op de donor substraat door een microscoop. (B) vervolgens wordt de stempel teruggebracht tot de donor substraat en een voorspanning wordt aangebracht op het stempel, zodat alle micropunten in de stempel volledig ingeklapt. (C) Daarna wordt de stempel snel gelegd en de inkt wordt opgehaald en aan een stempel. (D) Om het gegevensbestand, afdrukkened inkt, het stempel met de inkt wordt voorzichtig afgestemd op specifieke richten en verlaagd zodat de inkt in contact met de ontvanger substraat voorzichtig terwijl de uiteinden gedeeltelijk samengevouwen. (E) Terwijl de inkt in contact met de ontvanger substraat de stempel wordt langzaam verhoogd. Vanwege de grotere van der Waals interactie op inkt-ontvanger-interface dan aan stempel-inkt-interface, de inkt die op de ontvanger substraat. (F) De ontvanger substraat met de samengestelde inkt wordt verplaatst naar een snelle thermische gloeioven en gegloeid bij 950 ° C gedurende 10 min voor Si-Si binding en bij 360 ° C gedurende Si-Au binding gedurende 30 minuten. De annealingsstap na de transfer printen stap de micro-metselwerk voltooid. Overgenomen met toestemming van Keum et al.. ⁷ Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2. Schematische voorstelling van donor voorbereiding van de ondergrond. (A) op een SOI wafer, wordt het apparaat laag patroon in de gewenste afmetingen en geometrie. (B) Een volgende HF nat etsen proces verwijdert de blootgestelde SiO ₂ doos lagen met uitzondering van de regio's onder de gevormde Si. (C) De fotoresist wordt gesponnen en gevormd ankers vormen. (D) Vervolgens wordt het substraat ondergedompeld in HF weg te etsen het resterende _SiO2. Na voldoende tijd in HF, wordt de array van Si vierkante inkten geschorst en vrijstaande met slechts fotolak ankers op de donor substraat. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3. Schematische frankering fabricage ^7. (A) Om een mal voor micropunt stempels, een Si-wafel wordt gereinigd en kleine piramidevormige microputjes worden geregistreerd op de wafer door KOH etsen. (B) Na het etsen wordt uitgevoerd, het oppervlak van de wafel wordt gereinigd door RCA 2 reinigingsproces gevolgd door het toepassen en patroonvorming SU8 een holte via micropunten vormen. Vervolgens wordt een monolaag van trichloorsilaan aangebracht op de mal om de volgende PDMS vormen / vormlosproces bevorderen door vallen 3-5 druppels trichloorsilaan in een vacuüm pot en plaatsen van de wafer en het vacuüm zuigen pot. (C) Wanneer de bekleding wordt gedaan De PDMS precursor wordt gegoten en uitgehard in de oven. (D) De uitgeharde PDMS wordt eenvoudig afgepeld van de matrijs te vullende mal voorbereidingsproces voor een microtip stempel. Overgenomen met toestemming van Keum et al.. ⁷ Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4. Vertegenwoordiger werk in Si micro-metselwerk ^7. (A) optische microscoop beelden van ringvorm Si inkten op een donor substraat, (B) Scanning elektronenmicroscoop (SEM) afbeelding van een micro theepot structuur gevormd door micro-metselwerk, ( C) Illustratie van micro-metselwerk van silicium fotonische oppervlak Si vier ringen, (D, E) SEM beelden van de nanostructuren van de fotonische oppervlak (D) en de gemonteerde silicium fotonische oppervlak vier siliconen ringen (E). Overgenomen met toestemming van Keum et al.. ⁷ Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 5. Vertegenwoordiger werk in Au micro-metselwerk ^8. (A) Optische microscopisch beeld van de bereide donor substraat met SEM beeld van een overdracht bedrukte folie Au Au inkten teruggevonden in bovenste rij en klaar in de onderste rij om te worden opgehaald, (B) op een patroon Au oppervlak (C) SEM beeld van overdracht gedrukt Au films op een patroon Si strip. Overgenomen met toestemming van Keum et al.. ⁸krijgen = "_blank"> Klik hier voor een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Discussion

Micro-metselwerk, weergegeven in figuur 4, omvat silicium smeltlassen in een materiaal hechtingsstap. Silicium smelthechting wordt bereikt door het monster in een snelle thermische gloeioven (RTA oven) en verwarmen van het monster bij 950 ° C gedurende 10 minuten. Dit gloeien voorwaarde is zowel adoptable tussen Si - Si en Si - SiO ₂ bonding ^10,11. Ook de Au gebonden met een Si strip in figuur 5C neemt eutectische hechting en derhalve de hechting temperatuur rond het Si-Au eutectische temperatuur (363 ° C) gedurende 30 min. ^8. Om eutectische hechting te kunnen waarborgen, voorafgaand aan het afdrukken van Au inkten op een Si-strook, de Si strip moet grondig worden gereinigd met 49% HF om alle verontreinigingen, zoals natuurlijke oxidelaag op het grensvlak van de Au en Si te voorkomen. In staat zijn om Au films monteren met micro-metselwerk enorm verbetert brede aanpassing van de micro-metselwerk productie regeling since introduceert een metaal soort materiaal. Door de lage elektrische contactweerstand met silicium, kan het worden gebruikt als een elektrode in de definitieve MEMS en een opgehangen membraan buiging zoals uiteengezet in Keum et al.. ⁹

Overdraagbaar inkten ontwikkeld zijn momenteel beperkt tot Si en Au en de materialen van hun bijbehorende ontvanger substraten Si en SiO ₂ voor Si en Au en Si voor Au. Algemeen groter contactoppervlak tussen een ontvanger substraat en een inkt leidt gemak in de afdrukstap. Echter, het afdrukken van een inkt tijdens contact gedeeltelijk het oppervlak is ook mogelijk, wat resulteert in verlaagde structuur, zoals in figuur 4E.

Terwijl micro-metselwerk is een nieuwe benadering van microfabrication, zijn er nog beperkingen te overwinnen in het proces. Eerste en verreweg de meeste is de productie schaalbaarheid aangezien de huidige deterministische montage van vaste inkt wordt uitgevoerd individuelely plaats tegelijk. Ook, omdat het silicium smeltbinding wordt uitgeoefend hoge temperatuur verschillen in Si en _SiO2 thermische uitzettingscoëfficiënt kan tot knikken / delaminatie in de interface. Deze beperkingen moeten verder worden onderzocht voor meer brede aanpassing van de micro-metselwerk techniek.

Zoals weergegeven in figuur 4, micro-metselwerk heeft een enorme invloed op de conventionele MEMS processen, die voornamelijk gebaseerd op monolithische microfabrication, door middel van haar unieke additieve en flexibele productie capaciteit van driedimensionale microscopische structuren die voorheen ongezien. Bovendien micro-metselwerk heeft de mogelijkheid om delicate functies manipuleren microschaal zonder deze te beschadigen omdat het gebruik maakt zachte elastomere stempels. Toekomstige werk omvat parallelle overdracht printen naar assemblage verkorten, gelokaliseerde verlijmingsprocessen ingeschakeld laser-assisted gloeien, en de uitbreiding van dit proces duikerse MEMS materialen zoals SiO _{2, SixNy,} Al, enzovoort.

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