Summary
Este artigo apresenta uma estratégia micromanufactura aditivo 3D (chamado de "micro-alvenaria ') para a fabricação flexível de sistema microeletromecânicos (MEMS) estruturas e dispositivos. Esta abordagem envolve a montagem de base de impressão por transferência de materiais micro / nanoescala em conjunção com as técnicas de ligação de material compatível com o tratamento térmico rápido.
Abstract
De impressão por transferência é um método para transferir materiais micro / nanoescala sólidos (aqui chamado "tintas") a partir de um substrato, onde elas são geradas para um substrato diferente, utilizando carimbos elastoméricos. Impressão de transferência permite a integração de materiais heterogêneos para o fabrico de estruturas ou sistemas funcionais sem exemplo, que são encontrados nos últimos dispositivos avançados, tais como células solares flexíveis e elásticos e matrizes de LED. Durante a impressão de transferência apresenta características únicas na capacidade de montagem de materiais, a utilização de camadas adesivas ou a modificação da superfície, tais como a deposição de auto-montagem em monocamada (SAM) em substratos para melhorar os processos de impressão dificulta a sua adaptação em larga micromontagem do sistema microeletromecânico (MEMS) estruturas e dispositivos. Para superar esta lacuna, foi desenvolvido um modo avançado de impressão de transferência que deterministically reúne objetos em microescala individuais unicamente através controlar a área de contato da superfície, sem qualquer alteração na superfície. A ausência de uma camada adesiva ou outra modificação e os processos de ligação de material subseqüentes garantir não só a fixação mecânica, mas também conexão térmica e elétrica entre os materiais reunidos, o que abre mais diversas aplicações em adaptação na construção de dispositivos MEMS incomuns.
Introduction
Sistemas microeletromecânicos (MEMS), como a miniaturização das máquinas 3D comuns em grande escala, são indispensáveis para o avanço de tecnologias modernas, proporcionando melhorias de desempenho e redução de 1,2 custo de fabricação. No entanto, o ritmo atual de avanço tecnológico em MEMS não pode ser mantida sem inovações contínuas das tecnologias de fabrico 3-6. Microfabricação monolítico comum baseia-se principalmente em processos de camada-a-camada desenvolvidas para a fabricação de circuitos integrados (CI). Este método tem sido bastante bem sucedido a permitir a produção em massa de dispositivos MEMS de alto desempenho. No entanto, devido à sua complexa camada por camada e natureza eletroquimicamente subtrativo, fabricação de forma de diversamente estruturas e dispositivos de MEMS em 3D, enquanto fácil no mundo macro, é muito difícil de conseguir usar este microfabricação monolítico. Para habilitar mais flexível microfabricação 3D com menos complexidade do processo, que desenvolvido uma estratégia micromanufactura aditivo 3D (chamado de "micro / nano-alvenaria"), que envolve um conjunto baseado em impressão de transferência de materiais micro / nanoescala em conjunto com técnicas de colagem de material compatível com o tratamento térmico rápidos.
De impressão por transferência é um método para transferir material em microescala sólidos (isto é, «tintas sólidas ') a partir de um substrato, onde elas são geradas ou crescido para um substrato diferente, utilizando adesão seca controlada de carimbos elastoméricos. O procedimento típico de micro-alvenaria começa com a impressão de transferência. Tintas sólidas pré-fabricadas são transferência impresso usando um selo microtip que é uma forma avançada de carimbos elastoméricos e as estruturas impressas são posteriormente recozido com tratamento térmico rápido (RTA) para melhorar a tinta de tinta e aderência da tinta-substrato. Esta abordagem permite a produção da construção de estruturas em microescala incomuns e dispositivos que não podem ser acomodados utilizando outro metodo existenteds 7.
Micro-alvenaria proporciona várias características atraentes que não estão presentes em outros métodos: (a) a capacidade de integrar tintas sólidas funcionais e estruturais de materiais diferentes para montar os sensores MEMS e atuadores todos integrados dentro da estrutura 3D; (B) as interfaces de tintas sólidas montados pode funcionar como contatos elétricos e térmicos 9,10; (C) a resolução espacial de montagem pode ser alto (~ 1 mm), utilizando processos litográficos altamente escaláveis e bem compreendidas para a geração de tintas sólidas e estágios mecânicos altamente precisos para a transferência de impressão 7; e (d) as tintas sólidas funcionais e estruturais podem ser integrados em ambos os substratos rígidos e flexíveis no plano ou geometrias curvilíneas.
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Protocol
1. Máscaras de projeto para fabricação de substrato Donor
- Projete uma máscara com geometria desejada. Para fabricar 100 mm x 100 mm unidades individuais de silício quadrados, desenhe uma matriz de 100 mm x 100 mm quadrados.
- Projetar uma segunda máscara com uma geometria idêntica, com cada lado que se estende um adicional de 15 mm. Para a matriz de 100 mm x 100 mm quadrados, desenhe uma matriz de 130 um x 130 mM quadrados que podem cobrir os quadrados no passo 1.1.
- Projete a geometria âncora. Desenhar quatro 20 um x 40 um rectângulos, cada centrado ao longo de uma borda de um quadrado. Coloque as estruturas de modo que o primeiro 15 mM mM cobre o original de 100 x 100 mm quadrado no passo 1.1 e os restantes 25 mM estende para fora (como mostrado na Figura 2).
NOTA: Qualquer forma e as dimensões podem ser utilizados, desde que os contactos de ancoragem, tanto o material de modelado e o substrato. Uma das extremidades desta âncora cobre a origemai geometria na etapa 1.1 e a outra extremidade deve prolongar para fora a geometria no passo 1.2.
2. Prepare Retrievable Substrato Donor
- Prepare um silício dopado tipo p em isolante (SOI) wafer com 3 mm de espessura de camada do dispositivo, com resistência de folha de 1-20 Ω • cm e espessura da camada de óxido de caixa de 1 mícron. NOTA: Para várias aplicações destes parâmetros podem ser alterados.
- Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e anexar a máscara projetada no passo 1.1.
- Usando uma corrosão iônica reativa (RIE) instrumento padrão da camada de bolacha SOI dispositivo e remova a máscara de fotorresiste. Após esta etapa, a região gravado o RIE expôs a camada de óxido de caixa (Figura 2A).
- Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e padrão com máscara projetada no passo 1.2.
- Aquece-se a bolacha em 125 ° C durante 90 segundos sobre uma placa quente.
- Mergulhe a hóstia no49% HF por 50 segundos para gravar a camada de óxido de caixa exposto a partir do passo 2.3. Após secagem completa, remover o material fotosensitivo de mascaramento (Figura 2B).
- Revestimento de rotação (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, de 1,5 mm de espessura) e padrão de concepção de ancoragem da etapa 1.3.
- Aquece-se a bolacha em 125 ° C durante 90 segundos sobre uma placa quente.
- Mergulhe em 49% HF por 50 min. Este passo grava a camada de óxido de quadro remanescente por debaixo da camada de silício dispositivo modelado restante, resultando em suspensão unidades individuais de silício sobre a foto-resistente (Figura 2C).
3. Máscaras de design para um selo MicroTip
- Projete uma máscara com um único 100 mm x 100 mm quadrado.
- Projete uma máscara com múltiplas 12 um x 12 mM quadrados dentro de uma 100 mm x 100 área mM.
4. Fazer o molde para um selo MicroTip
- Limpe uma pastilha de silício com orientação cristalina de <1-0-0>, deposentar-se 100 nm de nitreto de silício usando Plasma aprimorado Chemical Vapor Deposition (PECVD) equipamentos.
- Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e padrão com máscara projetada no passo 3.2.
- Padrão da camada de nitreto de silício usando 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
- Dissolve-se 80 g de hidróxido de potássio (KOH) em 170 ml de água desionizada e 40 ml de álcool isopropílico (IPA) mistura numa proveta.
- Aquecer o KOH, o IPA, e mistura de água a 80 ° C sobre uma placa quente.
- Verticalmente colocar a pastilha preparada no recipiente com a mistura de KOH para gravar o silício exposta na estrutura cristalina (taxa de condicionamento é de cerca de 1 mM / min).
- Após o silício exposto está totalmente gravado, remover a bolacha de mistura de KOH, gravar fora do nitreto de silício, utilizando HF, e executar RCA 1 e 2 RCA limpeza (Figura 3A).
- Gire casaco com SU-8 100 e padrão com a máscara preparada a partir do passo 3.1 com seguinte receita: 3000 rh durante 1 min, coza suave a 65 ° C durante 10 min e 95 ° C durante 30 min, expor com 550 mJ / cm 2, e pós estufa a 65 ° C durante 1 min e 95 ° C durante 10 minutos (Figura 3B ).
- Após o SU-8 100 está totalmente curada, aplicar uma monocamada de (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetra-hidro octil)-1-triclorossilano, largando 3-5 gotas de (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetra octil)-1-triclorossilano em um frasco de vácuo e de colocação da bolacha no frasco e aplicação do vácuo.
5. Duplicar um Selo MicroTip Usando um molde
- Mistura de polidimetilsiloxano (PDMS) de base e agente de cura com a relação de 5:1.
- Degas a mistura, colocando-o em um frasco de vácuo.
- Despeje uma pequena porção da mistura de PDMS desgaseificado no molde e permitir que o refluxo de PDMS de alcançar uma superfície de topo plana (Figura 3C).
- Coloque o molde com PDMS em estufa a 70 ° C durante 2 horas para curar totalmente o PDMS.
- Retirar o molde daforno e descascar as PDMS off (Figura 3D).
6. Recuperar tinta a partir do substrato de Doadores e Imprimir na área alvo
- Coloque o substrato doador para estágios, y-tradução de rotação e x motorizados equipados com um microscópio.
- Fixe o selo microtip a um estágio de translação vertical independente.
- Sob o microscópio, alinhar o selo microponta com a tinta sobre o substrato de Si doador utilizando translação e rotação fases. Além disso, fazer o alinhamento de inclinação entre a superfície e a microponta tinta Si ajustando uma fase de inclinação. Em seguida, leve o selo microtip para baixo para fazer contato.
- Lentamente traga o selo microtip ainda mais para baixo após o contato inicial, de modo que pequenas dicas são totalmente em colapso e toda a superfície está em contato com a tinta Si no substrato doador.
- Elevar rapidamente o palco z, quebrando as âncoras devido à grande área de contato entre o selo ea tinta microtip Si, para rECOLHER a tinta Si do substrato doador e anexá-lo ao selo microtip.
NOTA: Quando o selo microtip está livre de qualquer estresse, o microtip comprimido restaura à sua forma piramidal original, tornando o mínimo de contato com a tinta Si recuperado. - Colocar o substrato receptor para um x, fase y-tradução e alinhar a tinta Si recuperado sob o selo de microponta na posição desejada.
- Desça do palco z até que a tinta Si recuperado mal faz contato com o substrato receptor.
- Após a tomada de contacto, elevar-se lentamente a fase de z para libertar a tinta Si, imprimindo-o no local desejado.
7. Processo de colagem
- Programa de um forno de tratamento térmico rápido a partir de ciclo de RT-se a 950 ° C em 90 segundos, e continuam a 950 ° C durante 10 min e arrefecer à temperatura ambiente (removendo qualquer fonte de calor no forno).
- Colocar o substrato receptor impresso no forno num ambiente de ar ambiente e de recozimento a 950 °C durante 10 min para Si-Si de ligação ou a 360 ° C durante 30 min para Si-Au colagem.
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Representative Results
Micro-alvenaria permite a integração material heterogêneo para gerar estruturas MEMS que são muito desafiador ou impossível de alcançar por meio de processos de microfabricação monolíticas. De modo a demonstrar a sua capacidade de, uma estrutura (chamado um "micro bule ') é fabricada exclusivamente por meio de micro-alvenaria. Figura 4A é uma imagem de microscópio óptico de tintas fabricadas de Si sobre um substrato de dador. As tintas são projetadas discos com diferentes dimensões feitos de silício cristalino único, que são os blocos de construção do micro bule. Depois de um substrato dador é preparado de forma independente, os discos são a transferência impressa sobre um substrato receptor e camada por camada recozidos utilizando um selo microponta como mostrado na Figura 4B. A região interna do micro bule é oco, como pode ser visto a partir de cada disco montado. Além disso, a delicadeza dos processos de micro-de alvenaria também é testada pela impressão de transferência e recozimento um phot bastante requintadoplaquetas cristal onic (Figuras 4C-E). Superfícies fotônicos são primeiramente modelado com litografia de nanoimpressão e fez como tintas transferíveis sobre um substrato doador, conforme descrito no protocolo. Uma vez que a tinta está completamente preparado, a plaqueta de cristal fotónica é transferido para quatro anéis de Si com a espessura de 50 um, formando um quadro como configuração mostrada na Figura 4E.
Além de micro-alvenaria para as tintas de silício, as imagens da Figura 5 mostram exemplos de micro-alvenaria adotada para montar finas Au filmes. Figura 5A é uma imagem do microscópio óptico de preparados 400 nm de espessura Au filmes sobre um substrato doador. Essas tintas são posteriormente tratados e testados para transferir cópia para uma superfície Au (Figura 5B), bem como sobre uma superfície Si (Figura 5C).
De importância fundamental com este micro-alvenaria para a montagem de película fina Au é que, na ausência de qualquer camada adesiva, tele transferir impressos Au filmes apresentam condutância elétrica com o substrato receptor. Enquanto, é difícil conseguir um forte ligação mecânica entre a transferência impressa Au filmes e um receptor de superfície Au, os componentes são mantidos no lugar através da força de van der Waal e apresentam grande condutância eléctrica, sem qualquer processamento adicional (Figura 5B) 9.
Por outro lado, a integração heterogênea de Au filmes finos com uma superfície de Si também é conseguido através de impressão de transferência e tratamento térmico rápido em cerca de Si-Au temperatura eutética. Por meio do processo de recozimento, a resistência de contacto na interface Si-Au é significativamente reduzida semelhante ao da pulverização catódica depositada amostra devido a Si-Au eutética colagem. Por medida de linha de transmissão (TLM) experimentos, esta alegação foi confirmada (Figura 5C) 10.
Figura 1. Fluxo do processo geral de micro-alvenaria 7. Como um passo de preparação, um substrato dador, um selo e um substrato receptor são preparados de forma independente. (A) Depois de todos os diferentes componentes estão dispostos, um primeiro selo microponta está ligado a uma lâmina de vidro transparente colocado de cabeça para baixo de modo a que os micropontas no carimbo estão apontando para baixo. Após o selo está bem colocado, o substrato doador fica em um x, palco eixo y eo carimbo está alinhado com tintas sobre o substrato doador através de um microscópio. (B) Em seguida, o selo é trazida para o substrato doador e uma pré-carga é aplicada sobre o selo, de modo que todos os micropontas do selo são totalmente recolhida. (C) Depois disso, o selo é rapidamente elevada e a tinta é recuperada e ligado a um selo. (D) No fim de imprimir a retrieved tinta, o selo com a tinta é cuidadosamente alinhado com a área alvo e reduzido em tais que a tinta entra em contacto com o substrato receptor suavemente enquanto as pontas são parcialmente colapsado. (E) Enquanto a tinta está em contacto com o substrato receptor, o selo é levantada lentamente. Devido à maior interacção de van der Waals na interface tinta-receptor do que a interface de carimbo de tinta, a tinta permanece sobre o substrato receptor. (F) O substrato do receptor com as tintas montados é transferida para um forno de tratamento térmico rápido e recozido a 950 ° C durante 10 min para Si-Si de ligação ou a 360 ° C durante Si-Au ligação durante 30 min. A etapa de recozimento após a etapa de impressão de transferência completa o procedimento de micro-alvenaria. Reproduzido com permissão de Keum et al. 7 Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Esquema de preparação do substrato doador. (A) em um wafer de SOI, a camada de dispositivo é padronizada em dimensões e geometria desejados. (B) A seguinte processo de corrosão úmida HF remove a camada caixa SiO2 exposto, exceto para as regiões abaixo da modelado Si. (C) O revestimento fotoprotector é fiado e modelado para formar âncoras. (D) Depois disso, o substrato é imerso em HF para gravar fora do restante SiO 2. Após um tempo suficiente em HF, a matriz de tintas quadrados Si é suspenso e livre de pé com apenas âncoras fotossensíveis sobre o substrato doador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Esquemático da fabricação de selo 7. (A) A fim de fazer um molde para selos MicroTip, uma lâmina de silício é limpa e pequena pirâmide micropits forma são criadas no wafer através KOH gravura. (B) após o condicionamento é feito, a superfície da bolacha é limpo por meio de RCA 2 processo de limpeza seguido de aplicação e padrões SU8 para formar uma cavidade ao longo dos micropontas. Subsequentemente, uma monocamada de triclorosilano é revestida sobre o molde para promover o processo de moldagem seguinte PDMS / desmoldagem deixando cair 3-5 gotas de triclorossilano num frasco de vácuo e de colocação da bolacha e aspirar o frasco de vácuo. (C) Uma vez que o revestimento é feito , o precursor de PDMS é vertida e curada no forno. (D) O PDMS curada é simplesmente arrancada do molde para completaro processo de preparação de moldes para um selo microtip. Reproduzido com permissão de Keum et al. 7 Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Trabalho Figura 4. Representante em Si micro-alvenaria 7. (A) imagens de microscópio óptico de forma anel Si tintas sobre um substrato doador, (B) microscópio eletrônico de varredura (MEV) da imagem de uma estrutura bule micro formada por micro-alvenaria, ( C) Ilustração de micro-alvenaria de uma superfície de silício fotônico em quatro anéis de Si, (imagens D, E) SEM das nanoestruturas na superfície fotônico (D) eo silício fotônico superfície montado em quatro anéis de silicone (E). Reproduzido com permissão de Keum et al. 7 Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Trabalho Figura 5. Representante na Au micro-alvenaria 8. (A) visão microscópica óptica do substrato doador preparado com imagem SEM de uma transferência impresso Au Au filme tintas recuperadas na linha de cima e pronto a ser recuperado na linha de fundo, (B) em uma superfície padronizada Au, (C) imagem SEM de transferência impresso Au filmes em uma tira de Si padronizada. Reproduzido com permissão de Keum et al. 8obter = "_blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Micro-alvenaria, apresentado na Figura 4, envolve a ligação de fusão de silício em um passo de ligação de material. Ligação de fusão de silício é obtido por colocação da amostra num forno de recozimento térmico rápido (forno RTA) e aquecer a amostra a 950 ° C durante 10 min. Esta condição de recozimento é tanto adotáveis entre Si - Si e Si - SiO2 ligação 10,11. Alternativamente, o Au ligado com uma tira de Si, como visto na Figura 5C adopta eutética de ligação, e por conseguinte, a temperatura de ligação é de cerca de a temperatura eutéctica de Si-Au (363 ° C) durante 30 minutos 8. Para garantir eutética ligação, antes de imprimir tintas de Au numa tira de Si, a tira de Si deve ser cuidadosamente lavado com 49% de HF, a fim de evitar que qualquer impureza, como o óxido nativo na interface do Au e Si. Ser capaz de montar Au filmes com micro-alvenaria melhora imensamente ampla adaptação do esquema de fabricação de micro-alvenaria since introduz um tipo de metal do material. Devido à sua baixa resistência ao contacto eléctrico com o silício, que pode ser utilizado como um eléctrodo em dispositivos MEMS finalizados, bem como uma flexão da membrana suspensa tal como apresentado na Keum et al. 9
Tintas transferíveis desenvolvidos estão atualmente limitados a Si e Au e os materiais de seus substratos do receptor correspondentes são Si e SiO 2 para Si, e Au e Si para Au. No geral, maior área de contato entre um substrato receptor e uma tinta resulta em facilidade na etapa de impressão. No entanto, a impressão de uma tinta ao contactar parcialmente a superfície também é possível, resultando na estrutura de suspensão, tal como demonstrado na Figura 4E.
Enquanto micro-maçonaria é uma nova abordagem de microfabricação, ainda existem limitações a serem superadas no processo. Em primeiro lugar e mais longe é a fabricação de escalabilidade desde a montagem determinista atual de tintas sólidas é conduzida indivíduoly, em vez de ao mesmo tempo. Além disso, uma vez que a ligação de fusão de silício é exercido em alta temperatura, as diferenças de Si e SiO 2 coeficiente de expansão térmica pode provocar deformação / deslaminação na interface. Estas limitações devem ser mais investigadas por mais ampla adaptação da técnica de micro-alvenaria.
Conforme apresentado na Figura 4, micro-alvenaria tem uma enorme influência sobre os processos de MEMS convencionais, que dependem principalmente de microfabricação monolítico, através de seu aditivo única e capacidade de produção flexível de três estruturas microescala dimensionais que é inédito. Além disso, micro-alvenaria tem a capacidade de manipular traços delicados em microescala sem danificar a superfície, porque ele usa selos elastoméricos macios. Trabalhos futuros incluem a impressão de transferência paralelo para reduzir o tempo de montagem, processos de ligação localizados habilitados pelo recozimento assistida por laser, e estendendo-se este processo para mergulhadorsi MEMS materiais tais como SiO 2, Si x N y, Al, etc.
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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 |
References
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- Appenzeler, T. The Man Who Dared to Think Small. Science. 254, 1300-1301 (1991).
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