Micro-maçonnerie pour la 3D Additif Microfabrication

Summary

Cet article introduit un additif stratégie de microfabrication 3D (appelé «micro-maçonnerie») pour la fabrication flexible de microsystème électromécanique (MEMS) de structures et de dispositifs. Cette approche implique le transfert assemblage à base de matériaux d'impression micro / nanométriques en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.

Abstract

Impression par transfert est une méthode pour transférer des matériaux micro / nanométriques solides (appelés «encres») à partir d'un substrat où ils sont générés à un substrat différent en utilisant des tampons élastomères. impression de transfert permet l'intégration de matériaux hétérogènes pour fabriquer des structures ou des systèmes fonctionnels sans exemple que l'on trouve dans les appareils de pointe récents, tels que les cellules solaires flexibles et extensibles et les tableaux LED. Lors de l'impression de transfert présente des caractéristiques uniques de la capacité d'assemblage matériel, l'utilisation de couches adhésives ou la modification de surface tels que le dépôt de l'auto-assemblage monocouche (SAM) sur des substrats pour l'amélioration des processus d'impression entrave sa grande capacité d'adaptation à micro-assemblage de microsystème électromécanique (MEMS) structures et des dispositifs. Pour pallier cet inconvénient, nous avons développé un mode avancé de l'impression de transfert qui assemble déterministe objets micrométriques individuels uniquement par le contrôle de la zone de contact de surfacesans aucune altération de la surface. L'absence d'une couche adhésive ou d'une autre modification, et les procédés de liaison de matériau ultérieures assurer non seulement une liaison mécanique, mais aussi la connexion électrique et thermique entre les matériaux assemblés, qui s'ouvre en outre diverses applications dans la construction de l'adaptation dans des dispositifs MEMS inhabituelles.

Introduction

Systèmes micro-électromécaniques (MEMS), tels que la miniaturisation des grandes machines 3D ordinaires, sont indispensables pour faire progresser les technologies modernes en offrant des améliorations de performance et de réduction des coûts de fabrication ^1,2. Cependant, le taux actuel de l'avancement technologique dans les MEMS ne peut être maintenue sans innovations continues dans les technologies de fabrication ^3-6. Microfabrication monolithique commune se fonde principalement sur les processus couche par couche développés pour la fabrication de circuits intégrés (IC). Cette méthode a très bien réussi à permettre la production de masse de dispositifs MEMS de haute performance. Toutefois, en raison de sa complexité couche par couche et de la nature électrochimique soustractive, la fabrication de structures en forme de diversement et des dispositifs MEMS 3D, alors que dans le macromonde facile, est très difficile à réaliser en utilisant cette microfabrication monolithique. Pour permettre plus de souplesse microfabrication 3D avec la complexité moins de processus, nous DEVEloppé un additif stratégie de microfabrication 3D (appelée «micro / nano-maçonnerie '), qui implique un assemblage de matériaux micro / nanométriques à base d'impression-transfert en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.

impression de transfert est une méthode pour transférer des matériaux à micro-solide ('encres solides ») à partir d'un substrat où ils sont générés ou cultivées sur un substrat différent en utilisant adhérence à sec contrôlée de timbres élastomères. La procédure typique de micro-maçonnerie commence par l'impression par transfert. Encres solides préfabriqués sont transfert imprimé à l'aide d'un timbre à micropointes qui est une forme avancée de timbres élastomères et les structures imprimées sont ensuite recuites utilisant le recuit thermique rapide (RTA) pour améliorer encre et encre de-adhérence au substrat. Cette approche de fabrication permet la construction de structures micrométriques inhabituelles et des dispositifs qui ne peuvent être satisfaites en utilisant d'autres métho existantds ^7.

Micro-maçonnerie propose plusieurs caractéristiques intéressantes ne sont pas présents dans d'autres méthodes: (a) la capacité d'intégrer les encres solides fonctionnelles et structurelles de matériaux différents pour assembler capteurs MEMS et actionneurs tout intégré dans la structure 3D; (B) les interfaces des encres solides assemblés peuvent fonctionner comme des contacts électriques et thermiques ^9,10; (C) la résolution spatiale de l'ensemble peut être élevé (~ 1 um) en utilisant des procédés lithographiques hautement évolutives et bien compris pour générer encres solides et les étapes mécaniques très précises pour impression par transfert ^7; et (d) des encres solides fonctionnelles et structurelles peuvent être intégrés sur deux substrats rigides et flexibles dans des géométries planes ou curvilignes.

Protocol

1. Design Masques pour la fabrication de substrat donneur

1. Concevoir un masque avec la géométrie désirée. Pour fabriquer 100 um x 100 um carrés silicium unités individuelles, établir un réseau de 100 um x 100 um carrés.
2. Concevoir un second masque avec une géométrie identique, avec de chaque côté s'étendant sur une somme supplémentaire de 15 um. Pour le tableau de 100 um x 100 um carrés, tracer un tableau de 130 um x 130 um carrés qui peuvent couvrir les places à l'étape 1.1.
3. Concevoir la géométrie d'ancrage. Dessinez quatre 20 um x 40 um rectangles, centrés chacun sur un bord d'un carré. Placez les structures ainsi que les 15 premiers um couvre l'original 100 um x 100 um place dans l'étape 1.1 et 25 micromètres restant s'étend vers l'extérieur (comme le montre la figure 2).
   Remarque: Toutes les formes et dimensions peuvent être utilisés aussi longtemps que les contacts d'ancrage à la fois le matériau à motif et le substrat. Une extrémité de cette ancre couvre l'origineal géométrie dans l'étape 1.1 et l'autre extrémité s'étende en dehors de la géométrie à l'étape 1.2.

2. Préparer substrat donneur récupérable

1. Préparer un silicium de type p dopé sur isolant (SOI) avec plaquette 3 um d'épaisseur de couche de dispositif, avec une résistance de 1 à 20 Ω • cm et la boîte épaisseur de la couche d'oxyde de 1 um feuille. REMARQUE: Pour diverses applications, ces paramètres peuvent être modifiés.
2. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et attacher le masque conçu à l'étape 1.1.
3. L'utilisation d'une gravure ionique réactive (RIE) instrument, le motif de la couche de dispositif de la plaquette SOI et retirer le masque de résine photosensible. Après cette étape, la région gravée RIE a exposé la couche d'oxyde de boîte (Figure 2A).
4. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle avec un masque conçu à l'étape 1.2.
5. Chauffer la plaquette à 125 ° C pendant 90 secondes sur une plaque chauffante.
6. Plonger la plaquette dans49% de HF pendant 50 sec pour graver la couche exposée de l'oxyde de boîte de l'étape 2.3. Après tout séchage, enlever le masque photosensible (figure 2B).
7. manteau de Spin (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle de la conception d'ancrage de l'étape 1.3.
8. Chauffer la plaquette à 125 ° C pendant 90 secondes sur une plaque chauffante.
9. Immergez-vous dans 49% HF pendant 50 min. Cette étape grave la couche d'oxyde de boîte restant en dessous de la couche restante du dispositif à motifs de silicium, résultant en suspension silicium unités individuelles sur la résine photosensible (Figure 2C).

3. Conception Masques à un timbre de Microtip

1. Concevoir un masque avec un seul 100 x 100 um um carré.
2. Concevoir un masque avec de multiples 12 um x 12 um carrés à l'intérieur de 100 um x 100 um zone.

4. Faire le moule pour un timbre Microtip

1. Nettoyer une plaquette de silicium avec une orientation cristalline <1-0-0>, depos'asseoir à 100 nm de nitrure de silicium en utilisant Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) équipement.
2. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle avec un masque conçu à l'étape 3.2.
3. Motif de la couche de nitrure de silicium en utilisant 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
4. Dissoudre 80 g d'hydroxyde de potassium (KOH) dans 170 ml d'eau déminéralisée et 40 ml d'alcool isopropylique d'un mélange de bêcher (IPA).
5. Chauffer l', IPA, mélange d'eau et de KOH à 80 ° C sur une plaque chauffante.
6. Verticalement placer la plaquette préparée dans le bécher avec le mélange de KOH pour graver le silicium exposé dans la structure cristalline (vitesse d'attaque est d'environ 1 pm / min).
7. Après le silicium exposé est entièrement gravée, retirez la plaquette de mélange KOH, graver loin le nitrure de silicium en utilisant HF, et effectuer RCA 1 et RCA 2 nettoyage (figure 3A).
8. Spin manteau avec SU-8 100 et le modèle avec le masque préparés à partir de l'étape 3.1 avec la recette suivante: 3000 rh pendant 1 min, cuisson douce à 65 ° C pendant 10 min et 95 ° C pendant 30 min, exposer de 550 mJ / cm ^2, et post-cuisson à 65 ° C pendant 1 min et 95 ° C pendant 10 min (figure 3B ).
9. Après le SU-8 de 100 soit complètement durci, appliquer une monocouche de (tridécafluoro-1 ,1,2,3-tétrahydro octyl)-1-trichlorosilane en laissant tomber des gouttes de 3-5 (tridécafluoro-1, 1,2,3 - tétrahydro octyl)-1-trichlorosilane dans un récipient à vide et placer la plaquette dans le pot et en appliquant le vide.

5. Dupliquer un timbre Microtip utilisant un moule

1. Mélanger le polydiméthylsiloxane (PDMS) de base et l'agent de durcissement avec le rapport de 5:1.
2. Dégazer le mélange en le plaçant dans une fiole à vide.
3. Verser une petite partie du mélange PDMS dégazé sur le moule et laissez la refusion PDMS pour obtenir une surface supérieure plane (figure 3C).
4. Placer le moule avec le PDMS dans le four à 70 ° C pendant 2 heures pour durcir complètement le PDMS.
5. Retirer le moule de l'four et éplucher les PDMS off (figure 3D).

6. Récupérer encre du substrat donneur et imprimer sur la zone cible

1. Placez le substrat donneur sur, les étapes y traduction de rotation et x motorisés équipés d'un microscope.
2. Attacher le timbre à micropointes à un étage de translation verticale indépendante.
3. Sous le microscope, aligner le timbre à micropointes avec l'encre de Si sur le substrat donneur en utilisant de translation et de rotation étapes. En outre, faire l'alignement de basculement entre la surface de la micro-pointe et l'encre de Si par une étape de réglage d'inclinaison. Ensuite, mettre le timbre de micro-pointes vers le bas pour prendre contact.
4. Porter lentement le timbre à micropointes plus bas après le contact initial, de sorte que les petits conseils sont entièrement effondrées et toute la surface est en contact avec l'encre Si le substrat donneur.
5. Élever rapidement la phase de z, la rupture des points d'ancrage en raison de la grande surface de contact entre le tampon à micropointes et l'encre de Si, à rEXTRACTION D'l'encre Si le substrat donneur et le joindre à la marque de micro-pointes.
   NOTE: Lorsque le tampon de micro-pointes est libre de toute contrainte, la micro-pointe comprimé restitue à sa forme d'origine pyramidale, la prise de contact minimal avec l'encre Si récupérées.
6. Placez le substrat du récepteur sur un x, y stade-traduction et aligner l'encre Si récupérée sous le timbre de micro-pointes à l'endroit désiré.
7. Descendez l'étape de z jusqu'à ce que l'encre Si récupérée fait à peine contact avec le substrat du récepteur.
8. Après la prise de contact, soulevez lentement la phase de z pour libérer l'encre Si, de l'imprimer sur l'endroit désiré.

7. Processus de collage

1. Programme d'un recuit thermique rapide du four à cycles de RT jusqu'à 950 ° C en 90 sec, reste à 950 ° C pendant 10 min et refroidi à la température ambiante (par élimination de tout apport de chaleur dans le four).
2. Placer le substrat récepteur imprimé dans le four dans un environnement d'air ambiant et un recuit à 950 °C pendant 10 minutes pour la liaison Si-Si ou à 360 ° C pendant 30 minutes pour la liaison Si-Au.

Representative Results

Micro-maçonnerie permet l'intégration de matériaux hétérogènes pour générer des structures MEMS qui sont très difficile ou impossible à réaliser par des procédés de microfabrication monolithiques. Afin de démontrer sa capacité, une structure (appelée «micro théière ') est fabriqué uniquement à travers des micro-maçonnerie. Figure 4A est une image de microscope optique des encres de silicium fabriquées sur un substrat donneur. Les encres sont conçues disques de dimensions différentes en silicium monocristallin, qui sont les blocs de construction de la micro théière. Une fois que le substrat donneur est préparé indépendamment, sont des disques de transfert imprimé sur un substrat récepteur et la couche recuite par couche en utilisant un timbre à micropointes comme représenté sur la figure 4B. La région intérieure de la micro théière est creux comme on peut le voir à partir de chaque disque assemblé. En outre, la délicatesse de procédés de micro-maçonnerie est également testée par impression par transfert et hybridation d'une phot plutôt exquiseplaquettes de cristal ONIC (figures 4C-E). Surfaces photoniques sont d'abord modelé avec la nanolithographie et fait que les encres transférables sur un substrat donneur tel que décrit dans le protocole. Une fois l'encre est entièrement préparé, le cristal photonique plaquettes est transféré sur quatre anneaux de silicium avec 50 um d'épaisseur, formant un tableau comme configuration représentée sur la figure 4E.

En plus de micro-maçonnerie pour les encres de silicium, images de la figure 5 montrent des exemples de micro-maçonnerie adoptées pour assembler minces Au films. Figure 5A est une image de microscope optique de 400 nm d'épaisseur préparés Au films sur un substrat donneur. Ces encres sont traitées ultérieurement et testés pour transférer l'impression sur une surface de Au (figure 5B), ainsi que sur une surface de Si (figure 5C).

D'une importance capitale avec ce micro-maçonnerie pour Au mince montage du film est que, en l'absence de toute couche adhésive, til transfère imprimés films présentent des Au conductance électrique avec le substrat récepteur. Bien qu'il soit difficile d'obtenir une forte liaison mécanique entre transfert imprimé Au films et un récepteur Au surface, les composants sont maintenus en place par la force de van der Waal et présentent une grande conductivité électrique sans traitement supplémentaire (figure 5B) ^9.

A l'inverse, l'intégration hétérogène de films minces avec une surface Au-Si est également atteint grâce à l'impression par transfert et un recuit thermique rapide à environ Si-Au température eutectique. Par le biais du processus de recuit, la résistance de contact à l'interface Si-Au est considérablement réduite similaire à celle de l'échantillon déposé par pulvérisation en raison de la liaison Si-Au eutectique. Par mesure de ligne de transmission (SLT) expériences, cette demande a été motivée (figure 5C) ^10.

Figure 1. Générale d'écoulement du procédé de micro-maçonnerie ^7. Comme une étape de préparation, un substrat donneur, un tampon, et un substrat récepteur sont indépendamment préparés. (A) Une fois tous les différents composants sont disposés, d'une part un timbre à micropointes est fixée à une lame de verre transparente placée à l'envers de telle sorte que les micropointes dans le timbre sont vers le bas. Après que le tampon est correctement placé, le substrat donneur est situé sur un x, le stade de l'axe y et le poinçon est aligné avec des encres sur le substrat donneur au moyen d'un microscope. (B) Par la suite, le poinçon est amené vers le bas sur le substrat donneur et une précharge est appliquée sur le tampon, de telle sorte que tous les micro-pointes dans le tampon sont entièrement effondrées. (C) Par la suite, le tampon est rapidement soulevé et l'encre est récupérée et fixée à un timbre. (D) Afin d'imprimer la retrievEncre d'ed, le tampon avec l'encre est prudemment aligné sur la zone cible et réduit en sorte que l'encre entre en contact avec le substrat récepteur doucement alors que les pointes sont affaissés. (E) tandis que l'encre est en contact avec le substrat récepteur, l' timbre est soulevée lentement. En raison de plus grand van der Waals interaction à l'interface de réception d'encre que sur l'interface tampon-encre, l'encre reste sur le substrat du récepteur. (F) Le substrat récepteur avec les encres assemblés est déplacé vers un four de recuit thermique rapide et d'un recuit à 950 ° C pendant 10 minutes pour la liaison Si-Si ou à 360 ° C pour Si-Au collage pendant 30 min. L'étape de recuit après l'étape d'impression par transfert achève la procédure de micro-maçonnerie. Reproduit avec la permission de Keum et al. ⁷ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Un procédé par voie humide de gravure HF suivant la figure 2. Schéma de préparation de substrat donneur. (A) sur une plaquette de SOI, la couche de dispositif est calqué en dimensions souhaitées et de la géométrie. (B) supprime le SiO ₂ boîte couche exposée à l'exception des régions sous la Si modelé. (C) La résine photosensible est mis en rotation et en motifs afin de former des points d'ancrage. (D) Ensuite, le substrat est immergé dans HF de graver le restant de SiO _2. Après un temps suffisant en HF, le tableau de Si encres carrés est suspendue et libre debout avec seulement ancres de résine photosensible sur le substrat donneur. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3. Schéma de timbre fabrication ^7. (A) Pour faire un moule pour les timbres de micropointes, une plaquette de silicium est nettoyée et petite pyramide microcuvettes forme sont créés sur la tranche par gravure KOH. (B) Après la gravure est réalisée, la surface de la plaquette est nettoyée par un processus de nettoyage RCA 2, suivi par l'application et la structuration SU8 à former une cavité au cours des micropointes. Par la suite, une monocouche de trichlorosilane est enduit sur ​​le moule afin de favoriser le processus de moulage de PDMS / démoulage suivant en laissant tomber 3-5 gouttes de trichlorosilane dans un récipient à vide et placer la plaquette et le pot de l'aspirateur à vide. (C) Une fois que le revêtement est fait , le précurseur PDMS est coulé et durci dans le four. (D) Le PDMS durci est simplement décollé du moule pour compléterle processus de préparation du moule pour un timbre à micropointes. Reproduit avec la permission de Keum et al. ⁷ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. Travail représentatif dans Si micro-maçonnerie ^7. (A) images de microscopie optique de forme d'anneau de Si encres sur un substrat donneur, (B) microscope électronique à balayage d'image (SEM) d'une structure de théière micro formé par des micro-maçonnerie, ( C) Illustration des micro-maçonnerie d'une surface de silicium photonique sur quatre cycles, de Si (images D, E) au MEB de nanostructures sur la surface photonique (D) et la surface du silicium photonique monté sur quatre des anneaux de silicium (E). Reproduit avec la permission de Keum et al. ⁷ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5. Travail représentatif dans Au micro-maçonnerie ^8. (A) Vue au microscope optique du substrat donneur préparé avec Au encres récupérées dans la rangée du haut et prêt à être récupéré à la ligne de fond, (B) image MEB d'un transfert imprimé Au cinéma sur une surface Au motif, (C) image MEB de transfert imprimé Au films sur une bande Si motifs. Reproduit avec la permission de Keum et al. ⁸obtenir = "_blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Micro-maçonnerie, présenté sur la figure 4, comprend la liaison par fusion du silicium dans une étape de liaison matérielle. La liaison par fusion du silicium est obtenue en plaçant l'échantillon dans un four de recuit thermique rapide (RTA four) et en chauffant l'échantillon à 950 ° C pendant 10 min. Cette condition de recuit à la fois adoptable entre Si - Si et Si - SiO ₂ liaison ^10,11. En variante, l'Au collée avec une bande de Si que l'on trouve sur la figure 5C adopte collage eutectique, et donc, la température de collage est de l'ordre de la température eutectique Si-Au (363 ° C) pendant 30 min ^8. Pour assurer la liaison eutectique, avant d'imprimer des Au encres sur une bande de Si, de Si la bande doit être parfaitement nettoyée avec 49% de HF en vue de prévenir toute impureté tel que l'oxyde natif à l'interface de l'Au et Si.. Être capable d'assembler Au films avec des micro-maçonnerie améliore incroyablement vaste adaptation de la micro-maçonnerie système de fabrication since il introduit un type de matériau métallique. En raison de sa faible résistance électrique de contact avec le silicium, il peut être utilisé comme électrode dans les dispositifs MEMS finalisés ainsi qu'une flexion de la membrane suspendue tel que présenté dans Keum et al. ⁹

Encres transférables développés sont actuellement limités à Si et Au et les matériaux de leurs substrats du récepteur correspondants sont Si et SiO ₂ pour Si et Au et Si pour Au. Dans l'ensemble, une plus grande zone de contact entre un substrat et un récepteur de résultats d'encre à l'aise dans l'étape d'impression. Cependant, l'impression d'une encre alors que partiellement en contact avec la surface est également possible, ce qui structure suspendue, comme le montre la figure 4E.

Alors que la micro-maçonnerie est une nouvelle approche de la microfabrication, il ya encore des limitations à surmonter dans le processus. D'abord et de loin le plus est la fabrication de l'évolutivité car l'ensemble déterministe actuel des encres solides est effectuée individuelly plutôt que dans le même temps. En outre, puisque la liaison par fusion de silicium est exercée à haute température, les différences de Si et SiO _2, le coefficient de dilatation thermique peut entraîner le flambement / délaminage dans l'interface. Ces limites doivent être approfondies pour plus large adaptation de la technique de micro-maçonnerie.

Comme présenté dans la figure 4, micro-maçonnerie a une immense influence sur les processus de MEMS classiques, qui reposent principalement sur ​​la microfabrication monolithique, grâce à son additif unique et la capacité de fabrication flexible de trois structures à micro-dimensionnelles qui est inédit. En outre, les micro-maçonnerie a la capacité de manipuler les traits fins à l'échelle microscopique, sans endommager la surface, car il utilise des timbres élastomères mous. Les travaux futurs incluent l'impression de transfert parallèle pour réduire le temps d'assemblage, les processus de liaison localisées permises par recuit laser assistée, et étendre ce processus à plongeursoi MEMS matériaux tels que SiO _2, 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