Mikro murverk för 3D Tillsats mikrotillverkning

Summary

Denna uppsats presenterar en 3D additiv mikrotillverkning strategi (kallas "mikro murverk ') för flexibel tillverkning av mikroelektromekaniska systemet (MEMS) konstruktioner och anordningar. Detta synsätt innebär överföring utskrift baserad montering av mikro / nanomaterial i samband med snabba termiska glödgning-aktiverade material bindningstekniker.

Abstract

Transfertryck är en metod för att överföra fasta mikro / nanoskala material (häri kallade "bläck") från ett substrat, där de genereras till ett annat substrat genom att utnyttja elastomera stämplar. Överför utskrift möjliggör integration av heterogena material för att tillverka lösa strukturer eller funktionella system som finns i de senaste avancerade enheter såsom flexibla och töjbara solceller och LED-arrayer. Medan transfertryck uppvisar unika egenskaper i materialmonteringskapacitet, användningen av bindemedelsskikten eller modifiering yta såsom deponering av själv-monterade monolager (SAM) på substrat för att förbättra tryckprocesser hindrar dess breda anpassning i mikromontage av microelectromechanical systemet (MEMS) strukturer och enheter. För att övervinna denna brist, har vi utvecklat ett avancerat läge för transfertryck som deterministiskt monterar enskilda mikroskala objekt enbart genom att styra ytan kontaktytautan någon yta förändring. Frånvaron av ett självhäftande skikt eller annan modifiering och de efterföljande material bindningsprocesser säkerställa inte bara mekanisk bindning, utan även termisk och elektrisk anslutning mellan sammansatta material, vilket ytterligare öppnar olika applikationer i anpassningen i att bygga ovanliga MEMS-enheter.

Introduction

Mikroelektromekaniska system (MEMS), såsom miniatyrisering av storskaliga vanliga 3D-maskiner, är oumbärlig för att främja modern teknik genom att ge prestandaförbättringar och minskning av tillverkningskostnaden ^1,2. Däremot kan inte upprätthållas i nuvarande takt av tekniska framsteg inom MEMS utan kontinuerliga innovationer inom tillverkningstekniker ^3-6. Gemensam monolitisk mikro stöder sig främst på lager-för-lager processer som utvecklats för tillverkning av integrerade kretsar (IC). Denna metod har varit ganska framgångsrika i att möjliggöra massproduktion av högpresterande MEMS-enheter. Men på grund av sin komplexa lager-på-lager-och elektrokemiskt subtraktiv natur, tillverkning av mångsidigt formade 3D MEMS-strukturer och enheter, medan lätt i macroworld, är mycket svårt att uppnå med denna monolitiska mikrofabrikation. För att möjliggöra en mer flexibel 3D mikrofabrikation med mindre process komplexitet, vi utveckvecklade en 3D additiv mikrotillverkning strategi (kallas "mikro / nano-murverk"), som innebär en överföring utskrift baserad montering av mikro / nanomaterial i samband med snabb termisk glödgning-aktiverade material bindningstekniker.

Transfer utskrift är en metod för att överföra fasta mikroskala material (dvs "fasta bläck") från ett substrat där de genereras eller vuxit till ett annat substrat med hjälp av kontrollerade torr vidhäftning av elastomer frimärken. Det typiska förfarandet för mikro murverk börjar med transfertryck. Prefabricerade fasta bläck är skicka tryckt med hjälp av en mikro stämpel som är en avancerad form av elastomer frimärken och tryckta konstruktioner därefter glödgas med hjälp av snabb termisk glödgning (RTA) för att öka bläck-bläck och bläck-substrat vidhäftning. Denna tillverknings metod möjliggör byggandet av ovanliga mikroskala konstruktioner och anordningar som inte kan bo med hjälp av andra befintliga methods ^7.

Mikro murverk ger flera attraktiva funktioner som inte finns i andra metoder: (a) förmågan att integrera funktionella och strukturella fasta bläck av olika material för att montera MEMS-sensorer och ställdon alla integrerade i 3D-strukturen; (B) gränssnitt monterade fast bläck kan fungera som elektriska och termiska kontakter ^9,10; (C) Samman rumsliga upplösningen kan vara hög (~ 1 mm) genom att använda högt skalbara och väl förstådda litografiska processer för att generera massiva tryckfärger och högt exakta mekaniska steg för överföring utskrift ^7; och (d) funktionella och strukturella fast bläck kan integreras på både styva och flexibla substrat i plana eller krökta geometrier.

Protocol

1. Design Masker för Tillverkning av Donor Substrat

1. Designa en mask med önskad geometri. För att tillverka 100 ìm x 100 ìm kvadrat kisel individuella enheter, rita en matris med 100 ìm x 100 ìm rutor.
2. Designa en andra mask med en identisk geometri, med varje sida som sträcker sig ut ytterligare 15 um. För samling av 100 ìm x 100 ìm rutor, rita en matris med 130 ìm x 130 ìm rutor som kan täcka rutorna i steg 1.1.
3. Plan ankaret geometri. Rita fyra 20 ìm x 40 ìm rektanglar, var centrerad längs ena kanten av en kvadrat. Placera de strukturer så att den första 15 um omfattar den ursprungliga 100 um x 100 um kvadrat i steg 1,1 och den återstående 25 ^ m sträcker sig utåt (såsom visas i figur 2).
   NOTERA: Alla form och dimensioner kan användas så länge som förankrings kontakter både det mönstrade materialet och substratet. En ände av detta ankare omfattar ursprungetal geometri i steg 1,1 och den andra änden ska sträcka ut geometrin i steg 1.2.

2. Förbered hämtas Donor Substrat

1. Bered en p-typ dopad kisel på isolator (SOI) wafer med 3 um anordningslager tjocklek, med ytresistans av 1-20 Ω • cm och låda oxidskikttjocklek av 1 | im. NOTERA: För olika tillämpningar av dessa parametrar kan ändras.
2. Spin coat fotoresist (AZ5214, 3000 rpm under 30 sek, 1,5 ^ m tjock) och fäst mask i steg 1,1.
3. Med hjälp av en reaktiv jon etsning (RIE) instrument, mönster enhetens lagret av SOI rånet och ta bort fotoresistmask. Efter detta steg har RIE etsade region utsatt boxen oxidskiktet (Figur 2A).
4. Spin coat fotoresist (AZ5214, 3000 rpm under 30 sek, 1,5 ^ m tjock) och mönster med mask utformad i steg 1,2.
5. Värm wafer vid 125 ° C under 90 sek på en varm platta.
6. Doppa skivan i49% HF i 50 sek för att etsa det exponerade rutan oxidskiktet från steg 2.3. Efter fullständigt torkning avlägsna maskerings fotoresist (Figur 2B).
7. Spin coat (AZ5214, 3000 rpm under 30 sek, 1,5 ^ m tjock) och mönsterförankrings design från steg 1,3.
8. Värm wafer vid 125 ° C under 90 sek på en varm platta.
9. Doppa i 49% HF i 50 min. Detta steg etsar lådan oxidskiktet kvar under resterande mönstrade enhet lager kisel, vilket resulterar i suspenderade kisel enskilda enheter på fotoresist (figur 2C).

3. Design Masker för en mikro Stamp

1. Designa en mask med en 100 ìm x 100 ìm kvadrat.
2. Designa en mask med flera 12 ìm x 12 ìm rutor inuti en 100 ìm x 100 ìm område.

4. Gör Mold för en mikro Stamp

1. Rengör en kiselskiva med kristallin orientering <1-0-0>, Depositter 100 nm av kiselnitrid använda Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) utrustning.
2. Spin coat fotoresist (AZ5214, 3000 rpm under 30 sek, 1,5 ^ m tjock) och mönster med mask utformad i steg 3,2.
3. Mönster kiselnitridskiktet med hjälp 10:01 buffrat Oxide Etchant (BOE).
4. Lös upp 80 g kaliumhydroxid (KOH) i 170 ml avjoniserat vatten och 40 ml isopropylalkohol (IPA)-blandning en bägare.
5. Värm KOH, IPA och vattenblandningen vid 80 ° C på en värmeplatta.
6. Vertikalt placera den preparerade oblat i bägaren med KOH blandning för att etsa det exponerade kisel i kristallstruktur (etsningshastigheten är cirka 1 ^ m / min).
7. Efter den exponerade kisel är helt etsas bort skivan från KOH blandning, etsa bort kiselnitrid använder HF, och utföra RCA 1 och RCA 2 rengöring (Figur 3A).
8. Spin rock med SU-8 100 och mönster med den förberedda mask från steg 3.1 med följande recept: 3000 vPM för 1 min, mjuk torkning vid 65 ° C under 10 min och 95 ° C under 30 min, exponera med 550 mJ / cm ^2, och efter torkning vid 65 ° C under 1 min och 95 ° C under 10 min (Fig. 3B ).
9. Efter SU-8 100 är fullt härdad, applicera ett monoskikt av (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetrahydro oktyl)-1-triklorsilan, genom att tappa 3-5 droppar (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahvdro oktyl)-1-triklorsilan i ett vakuumkärl och att placera skivan i burken och anbringande av vakuum.

5. Duplicera en mikrostämpel med hjälp av en Mold

1. Blanda polydimetylsiloxan (PDMS) bas och härdare med förhållandet 5:1.
2. Avgasa blandningen genom att placera det i ett vakuum burk.
3. Häll en liten del av den avgasade PDMS blandningen på formen och låt PDMS återflöde för att åstadkomma en platt övre yta (figur 3C).
4. Placera formen med PDMS i ugnen vid 70 ° C i 2 timmar för att helt bota PDMS.
5. Ta bort mögel frånugn och skala PDMS bort (figur 3D).

6. Hämta Bläck från Donor Substrat och Skriv ut på målområdet

1. Placera givarsubstrat på motoriserade roterande och x, scener y-översättnings utrustad med ett mikroskop.
2. Fäst microtip stämpeln till en oberoende vertikal translationell skede.
3. Under mikroskop, rikta in microtip stämpel med Si bläck på givaren underlaget med hjälp av translations-och rotationssteg. Dessutom gör den att luta inriktningen mellan microtip ytan och Si bläck genom att justera en lutande scen. Efteråt föra microtip stämpel ner för att få kontakt.
4. Långsamt upp mikrospetsen stämpel ned ytterligare efter initial kontakt, så att små spetsar är helt kollapsade och hela ytan är i kontakt med den Si bläck på donatorsubstrat.
5. Snabbt höja z skede bryta ankarna beroende på den stora kontaktytan mellan mikrospets stämpel och Si-bläck, med retrieve Si bläck från donatorsubstrat och anslut den till microtip stämpeln.
   OBS: När microtip stämpeln är fri från stress, återställer komprimerade microtip till sin ursprungliga pyramidform, vilket gör minimal kontakt med den hämtade Si bläck.
6. Placera mottagaren substratet på ett x, y-översättning skede och rikta den hämtade Si bläck under microtip stämpeln på önskad plats.
7. Descend z stadiet tills hämtade Si bläck får knappt kontakt med mottagaren substratet.
8. Efter att göra kontakt, sakta höja Z-steget för att frigöra Si bläck, skriva ut den på önskad plats.

7. Bindningsprocess

1. Programmera en snabb termisk glödgningsugn att cykla från RT upp till 950 ° C i 90 sek, ligger kvar på 950 ° C i 10 minuter och svalna till rumstemperatur (genom att ta bort någon värmetillförsel i ugnen).
2. Placera den utskrivna mottagaren substratet i ugnen i en omgivande luftmiljö, och glödgning vid 950 °C under 10 min för Si-Si-bindning eller vid 360 ° C under 30 min för Si-Au bindning.

Representative Results

Mikro murverk möjliggör heterogena material integration att generera MEMS strukturer som är mycket utmanande eller omöjligt att uppnå med monolitiska mikrotillverkningsprocesser. För att visa sin förmåga, är en struktur (som kallas en "mikro tekanna") tillverkas enbart genom mikro murverk. Figur 4A är ett optiskt mikroskop bild av fabricerade Si bläck på en donator substrat. De designade bläck är skivor med olika dimensioner gjorda av enstaka kristallint kisel, som är byggstenar i den mikro tekanna. En i ett donatorsubstrat oberoende är beredd, skivor är överföring skrivs ut på en mottagare substrat och glödgat skikt för skikt med användning av en mikrospets stämpel såsom visas i fig. 4B. Det inre området av mikro tekannan är ihålig såsom kan ses från alla monterade skivan. Vidare är delicateness mikromurverks processer också testas genom överföringstryckning och glödgning av en ganska utsökt PhotONIC kristall trombocyter (figur 4C-E). Fotoniska ytor först mönstrad med nanoimprintlitografi och gjorde som överförbara bläck på en donator substrat som beskrivs i protokollet. När bläcket är helt förberedd, är den fotoniska kristaller trombocyter överförs på fyra Si ringar med 50 ìm tjocklek, som bildar en tabell liknande konfiguration som visas i figur 4E.

Förutom mikro murverk för silikonfärger, bilder i figur 5 visar exempel på mikro murverk som antagits för att montera tunna Au filmer. Figur 5A är ett optiskt mikroskop bild av beredda 400 nm tjocka Au filmer på en donator substrat. Dessa bläck bearbetas ytterligare och testas för att överföra tryck på en Au yta (Figur 5B), samt på en Si-yta (figur 5C).

Av central betydelse med denna mikro murverk för Au tunn film församling är att i avsaknad av självhäftande skikt, than överlåta tryckt Au filmer uppvisar elektrisk ledningsförmåga med mottagaren substratet. Även om det är svårt att uppnå en stark mekanisk bindning mellan överförings tryckt Au filmer och en mottagare Au yta, är komponenter som hålls på plats genom van der Waals kraft och uppvisar stor elektrisk ledningsförmåga utan vidare bearbetning (figur 5B) ^9.

Omvänt är heterogen integration av Au tunna filmer med en Si-yta också genom transfertryck och snabb termisk glödgning vid cirka Si-Au eutektiska temperaturen. Genom glödgningsprocessen är kontaktmotståndet hos Si-Au-gränssnittet signifikant reducerad liknande den hos sputter deponerade provet på grund av Si-Au eutektisk bondning. Genom att kraftledningen mätning (TLM) experiment, har detta påstående styrkas (figur 5C) ^10.

Figur 1. Allmän processflöde av mikro-murverk ^7. Som en förberedelse steg, är en donator substrat, en stämpel och en mottagare substrat oberoende förberedd. (A) När alla de olika komponenterna är ordnade först en mikrostämpel är ansluten till en transparent glasskiva placeras upp och ned så att Micro i stämpeln pekar nedåt. Efter det att stämpeln är ordentligt placerad drivs donatorsubstrat placerade på en x, y-axelsteget och stämpel är inriktad med bläck på donatorsubstrat genom ett mikroskop. (B) Därefter stämpeln bringas ned till donatorsubstrat och en förspänning appliceras på frimärket, så att alla Micro i stämpeln är helt kollapsat. (C) Efteråt stämpeln snabbt upp och bläcket hämtas och fäst vid en stämpel. (D) För att skriva ut retrieved bläck, stämpeln med bläcket försiktigt i linje för att rikta, och sänks, så att bläcket kommer i kontakt med mottagaren substrat försiktigt medan spetsarna är delvis kollapsat. (E) Under det att bläck är i kontakt med mottagaren substrat, varvid stämpel höjs långsamt. På grund av större van der Waals-interaktion vid bläck-mottagare gränssnitt än på stämpel-bläck gränssnitt, förblir bläcket på mottagaren substratet. (F) Mottagaren substrat med de församlade bläck flyttas till en snabb termisk glödgning ugnen och glödgas vid 950 ° C under 10 min för Si-Si-bindning eller vid 360 ° C under Si-Au-bindning i 30 min. Glödgningssteget efter transfertrycksteget bordar mikro murverk förfarande. Reproducerad med tillstånd från Keum et al. ⁷ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. Schematisk bild av donatorsubstrat förberedelse. (A) På en SOI wafer är enheten skiktet mönstras till önskade dimensioner och geometri. (B) En följande HF våtetsning process tar bort den exponerade SiO ₂ box lager med undantag för de regioner nedanför den mönstrad Si. (C) Fotoresisten spinns och mönstrade för att bilda ankare. (D) Efteråt substratet nedsänkt i HF att etsa bort de återstående SiO _2. Efter tillräckligt lång tid i HF, är den rad av Si kvadrat bläck avbrytas och fristående med enbart fotoresist ankare på givarsubstrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Schematisk av stämpel fabricering ^7. (A) I syfte att göra en form för mikrospets stämplar är en Si-skiva rengöras och små pyramidformade micropits skapas på skivan genom KOH-etsning. (B) Efter etsningen är klar, ytan av wafern rengörs genom RCA två rengöringsprocess följt av applicering och mönstring SU8 för att bilda en hålighet över Micro. Därefter görs ett monoskikt av triklorsilan belagt på formen för att främja följande PDMS gjutning / urformning processen genom att droppa 3-5 droppar av triklorsilan i ett vakuumkärl och att placera skivan och dammsugning vakuum burk. (C) När beläggningen sker , PDMS-prekursor hälles och härdades i ugnen. (D) Den härdade PDMS enkelt avskalas från formen för att slutföraformens framställningsförfarande för en mikrostämpel. Reproducerad med tillstånd från Keum et al. ⁷ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Representant arbete i Si mikro murverk ^7. (A) Optiska mikroskop bilder av ringformade Si bläck på en donator substrat, (B) Svepelektronmikroskop (SEM) bild av en mikro tekanna struktur som bildas av mikro murverk, ( C) Illustration av mikro murverk av en kiselfotoniska yta på fyra Si ringar, (D, E) SEM-bilder av nanostrukturer på fotoniska ytan (D) och det sammansatta kisel fotoniska yta på fyra silikonringar (E). Reproducerad med tillstånd från Keum et al. ⁷ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. Representant arbete i Au mikro murverk ^8. (A) Optisk mikroskopisk bild av det beredda donatorsubstrat med Au bläck hämtas i översta raden och redo att hämtas i nedre raden, (B) SEM-bild av en överlåtelse tryckt Au-film på en mönstrad Au yta, (C) SEM-bild av skicka tryckt Au filmer på en mönstrad Si remsa. Reproducerad med tillstånd från Keum et al. ⁸få = "_blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Micro-murverk, presenteras i figur 4, innebär kisel smältbindning i ett material bindningssteget. Kisel smältbindning uppnås genom att placera provet i en snabb termisk glödgning ugn (RTA-ugn) och upphettning av provet vid 950 ° C under 10 min. Denna glödgning tillstånd är både adoptable mellan Si - Si och Si - SiO ₂ bindning ^10,11. Alternativt kan Au bunden med en Si-remsa som finns i figur 5C antar eutektisk bondning, och därför är bindningstemperaturen runt Si-Au eutektiska temperaturen (363 ° C) under 30 min ^8. För att säkerställa eutektisk bindning, före tryckning Au bläck på en Si-remsa, behöver Si band som noggrant rengöras med 49% HF för att förhindra föroreningar såsom infödda oxid vid gränssnittet för Au och Si. Att kunna montera Au filmer med mikro murverk enormt förbättrar bred anpassning av mikro murverk tillverkningssystemet since införs en metall typ av material. På grund av dess låg elektrisk kontaktresistans med kisel, kan den användas som en elektrod i de färdiga MEMS-enheter samt en upphängd membran böjning som presenteras i Keum et al. ⁹

Överförbara bläck utvecklas är för närvarande begränsade till Si och Au och materialen i deras motsvarande mottagare substrat är Si och SiO ₂ för Si, och Au och Si för Au. Totalt sett större kontaktyta mellan en mottagare substrat och en bläck medför lätthet i tryckningssteget. Men att skriva en färg medan delvis i kontakt med ytan är också möjligt, vilket resulterar i upphängd struktur, vilket visas i figur 4E.

Medan mikro murverk är en ny metod för mikrofabrikation, fortfarande finns det begränsningar för att övervinna i processen. Först och långt mest tillverkar skalbarhet eftersom den nuvarande deterministiska montering av fasta bläck sker individuellly snarare än vid samma tidpunkt. Dessutom, eftersom kiselfusionsbindning utförs i hög temperatur, skillnader i Si och SiO ₂ värmeutvidgningskoefficient kan resultera i buckling / delaminering i gränssnittet. Dessa begränsningar måste undersökas vidare för mer omfattande anpassning av mikro murverk teknik.

Som visas i figur 4, har mikro murverk en enorm inverkan på konventionella MEMS processer, som i huvudsak är beroende av monolitiska mikrofabrikation, genom sin unika additiv och flexibel kapacitet för tillverkning av tredimensionella mikroskala strukturer som är tidigare osedda. Dessutom har mikro murverk förmågan att manipulera fina drag i mikroskala utan att skada ytan eftersom den använder mjuka elastomer frimärken. Framtida arbete inkluderar parallell överföring utskrift för att minska monteringstiden, lokaliserade bindningsprocesser möjliggörs av laserassisterad glödgning, och utvidga denna process till dykarese MEMS material som SiO _2, Si _x N _y, Al, osv.

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