مقالة منهجية

الصغرى البناء ل 3D المضافة Micromanufacturing

DOI:

10.3791/51974

⸱

أغسطس 1, 2014

 , 
1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذه الورقة مضافة استراتيجية 3D micromanufacturing (وهو ما يسمى 'البناء الجزئي') لتصنيع مرنة نظام إلكترونية صغيرة (ممس) الهياكل والأجهزة. هذا النهج ينطوي على التجمع القائم على الطباعة نقل المواد متناهية الصغر / النانو بالتعاون مع تقنيات المواد الرابطة تمكين الصلب الحرارية السريع.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقل الطباعة هي طريقة لنقل المواد متناهية الصغر / النانو الصلبة (وتسمى هنا "الأحبار ') من ركيزة حيث يتم إنشاؤها لأنها ركيزة المختلفة من خلال الاستفادة من الطوابع المرنة. نقل الطباعة يتيح دمج مواد غير متجانسة لصنع هياكل مثيل له أو أنظمة وظيفية التي تم العثور عليها في الأجهزة الحديثة المتقدمة مثل خلايا شمسية مرنة ولمط والمصفوفات LED. أثناء الطباعة نقل يسلك ميزات فريدة من نوعها في قدرة التجمع المواد، واستخدام طبقات لاصقة أو تعديل السطح مثل ترسب الذاتي تجميعها أحادي الطبقة (SAM) على ركائز لتعزيز عمليات الطباعة يعيق التكيف على نطاق واسع في microassembly نظام إلكترونية صغيرة (ممس) الهياكل والأجهزة. للتغلب على هذا القصور، وضعنا على الوضع المتقدم لنقل الطباعة التي تجمع حتمي الأجسام الميكروسكيل الفردية فقط من خلال السيطرة على منطقة الاتصال السطحدون أي تغيير السطح. لعدم وجود طبقة لاصقة أو أي تعديل آخر وعمليات المواد الرابطة اللاحقة ضمان الترابط الميكانيكية فحسب، ولكن أيضا اتصال الحرارية والكهربائية بين المواد تجميعها، والذي يفتح المزيد من التطبيقات المختلفة في التكيف في بناء الأجهزة ممس غير عادية.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أنظمة ميكانيكية إلكترونية صغيرة (ممس)، مثل التصغير على نطاق واسع آلات 3D العاديين، لا غنى عنها للنهوض التقنيات الحديثة من خلال توفير تحسينات في الأداء وخفض التكاليف 1،2 التصنيع. ومع ذلك، فإن المعدل الحالي للتقدم التكنولوجي في ممس لا يمكن الحفاظ عليها دون الابتكارات المستمرة في تقنيات التصنيع 3-6. التصنيع الدقيق متجانسة مشتركة تعتمد في المقام الأول على طبقة تلو طبقة العمليات المتقدمة لصناعة الدوائر المتكاملة (IC). وكانت هذه الطريقة ناجحة جدا في تمكين انتاج كميات كبيرة من الأجهزة ممس عالية الأداء. ومع ذلك، ونظرا لالمعقدة طبقة تلو طبقة وطبيعة مطروح electrochemically، تصنيع شكل بتنوع الهياكل والأجهزة 3D ممس، في حين من السهل في macroworld، هي صعبة للغاية لتحقيق استخدام هذا التصنيع الدقيق متجانسة. لتمكين أكثر مرونة التصنيع الدقيق 3D مع تعقيد عملية أقل، ونحن ديفيمتخطى مضافة استراتيجية micromanufacturing 3D (وهو ما يسمى 'الصغيرة / نانو البناء') الذي ينطوي على التجمع القائم على الطباعة نقل المواد متناهية الصغر / النانو بالتعاون مع تقنيات المواد الرابطة تمكين الصلب الحرارية السريع.

نقل الطباعة هي طريقة لنقل المواد الصلبة الميكروسكيل (أي 'الأحبار الصلبة') من ركيزة حيث يتم إنشاؤها أو أنها نمت إلى ركيزة مختلفة باستخدام التصاق الجافة التي تسيطر عليها من الطوابع المرنة. الإجراء نموذجية من الأحجار الصغيرة تبدأ الطباعة نقل. الأحبار الصلبة الجاهزة هي نقل المطبوعة باستخدام ختم microtip التي هي شكل متقدم من الطوابع المرنة وصلب الهياكل المطبوعة في وقت لاحق باستخدام الصلب الحرارية السريع (RTA) لتعزيز الحبر الحبر والحبر الركيزة الالتصاق. هذا النهج يتيح للتصنيع بناء الهياكل الميكروسكيل غير عادية، والأجهزة التي لا يمكن استيعابها باستخدام metho الأخرى القائمةس 7.

يوفر الصغرى البناء العديد من الميزات الجذابة غير موجودة في غيرها من الطرق: (أ) القدرة على دمج الأحبار الصلبة الوظيفية والهيكلية المواد المختلفة لتجميع أجهزة الاستشعار والمحركات ممس كل متكامل داخل هيكل 3D؛ (ب) واجهات من الأحبار الصلبة تجميعها يمكن أن تؤدي وظيفة والاتصالات الكهربائية والحرارية 9،10؛ (ج) القرار المكانية التجمع يمكن أن تكون عالية (~ 1 ميكرون) من خلال الاستفادة من عمليات الطباعة الحجرية عالية قابلة للتطوير ومفهومة جيدا لتوليد الأحبار الصلبة ومراحل الميكانيكية عالية الدقة لنقل الطباعة (7)؛ و (د) يمكن أن تكون متكاملة الأحبار الصلبة الوظيفية والهيكلية على حد سواء ركائز صلبة ومرنة في مستو أو هندستها منحني الأضلاع.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. أقنعة تصميم لتلفيق الركيزة المانحة

  1. تصميم قناع مع هندسة المرجوة. الى افتعال 100 ميكرومتر مربع × 100 ميكرون الوحدات الفردية السيليكون، واستخلاص مجموعة من 100 ميكرون × 100 ميكرومتر مربع.
  2. تصميم قناع الثاني مع الهندسة متطابقة، مع كل جانب من تمديد إضافي 15 ميكرون. لمجموعة من 100 ميكرون × 100 ميكرون مربع، واستخلاص مجموعة من 130 ميكرون س 130 ميكرون الساحات التي يمكن أن تغطي الساحات في الخطوة 1.1.
  3. تصميم الهندسة مرساة. رسم أربعة 20 ميكرومتر × 40 ميكرون المستطيلات، كل تركزت على طول حافة واحدة من مربع. وضع الهياكل بحيث يغطي 15 ميكرون الأول الأصلي 100 ميكرومتر مربع × 100 ميكرون في الخطوة 1.1 و 25 ميكرومتر المتبقية يمتد إلى الخارج (كما هو موضح في الشكل 2).
    ملاحظة: أي الشكل والأبعاد يمكن استخدامها طالما أن الاتصالات مرساة كلا من المواد منقوشة والركيزة. واحدة من نهاية هذا مرساة يغطي المنشأآل الهندسة في الخطوة 1.1 وعلى الطرف الآخر ينبغي أن تمتد من الهندسة في الخطوة 1.2.

2. إعداد استرجاعها الركيزة المانحة

  1. إعداد ف نوع السيليكون مخدر على عازل (SOI) رقاقة مع الجهاز 3 ميكرون سماكة طبقة، مع المقاومة ورقة من 1-20 Ω • سم مربع وسمك طبقة أكسيد من 1 ميكرون. ملاحظة: يمكن لمختلف التطبيقات يتم تبديل هذه المعلمات.
  2. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) وإرفاق قناع مصممة في الخطوة 1.1.
  3. باستخدام ايون النقش على رد الفعل (ري) الصك، نمط طبقة الجهاز من رقاقة SOI وإزالة قناع مقاومة للضوء. بعد هذه الخطوة، قد تتعرض المنطقة محفورا ري طبقة أكسيد مربع (الشكل 2A).
  4. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم مع قناع في الخطوة 1.2.
  5. حرارة الرقاقة عند 125 درجة مئوية لمدة 90 ثانية على طبق ساخن.
  6. تزج الرقاقة في49٪ HF لمدة 50 ثانية لحفر طبقة أكسيد مربع يتعرض من الخطوة 2.3. بعد التجفيف تماما، وإزالة مقاومة للضوء اخفاء (الشكل 2B).
  7. معطف تدور (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم رسو من الخطوة 1.3.
  8. حرارة الرقاقة عند 125 درجة مئوية لمدة 90 ثانية على طبق ساخن.
  9. تزج في 49٪ HF لمدة 50 دقيقة. هذه الخطوة يحفر طبقة أكسيد مربع المتبقية تحت المتبقية طبقة السيليكون منقوشة الجهاز، مما أدى إلى تعليق الوحدات الفردية السيليكون على مقاومة للضوء (الشكل 2C).

3. أقنعة تصميم لختم Microtip

  1. تصميم قناع مع واحدة 100 × 100 ميكرومتر ميكرومتر مربع.
  2. تصميم قناع مع عدة ميكرون 12 × 12 ميكرون الساحات داخل 100 × 100 ميكرومتر ميكرومتر المنطقة.

4. جعل قالب لختم Microtip

  1. تنظيف رقاقة السيليكون مع التوجه البلورية <1-0-0>، ديبوالجلوس 100 نانومتر من نيتريد السيليكون باستخدام البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية (PECVD) المعدات.
  2. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم مع قناع في الخطوة 3.2.
  3. نمط طبقة نيتريد السيليكون باستخدام 10:01 التخزين المؤقت أوكسيد ضوئي (البنك المركزي البريطاني).
  4. حل 80 غرام من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) في 170 مل من الماء منزوع الأيونات و 40 مل من الكحول الآيزوبروبيل (IPA) خليط كوب.
  5. تسخين كوه، IPA، وخليط الماء عند 80 درجة مئوية على طبق ساخن.
  6. وضع عموديا الرقاقة استعداد في الدورق مع KOH الخليط إلى حفر السيليكون يتعرض في البنية البلورية (معدل الحفر حوالي 1 ميكرون / دقيقة).
  7. بعد محفورا السيليكون تتعرض بشكل كامل، وإزالة رقاقة من KOH الخليط، حفر بعيدا نيتريد السيليكون باستخدام HF، وأداء RCA 1 و 2 RCA تنظيف (الشكل 3A).
  8. تدور معطف مع SU-8 100 ونمط مع قناع على استعداد من الخطوة 3.1 مع الوصفة التالية: 3،000 صمساء لمدة 1 دقيقة، خبز لينة عند 65 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة و 95 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، مع تعرض 550 ميغا جول / سم 2، وآخر خبز عند 65 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة و 95 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة (الشكل 3B ).
  9. بعد الشفاء من SU-8 100 بالكامل، وتطبيق أحادي الطبقة من (tridecafluoro-1-،1،2،3 tetrahydro الأوكتيل)-1-trichlorosilane بإسقاط 3-5 قطرات من (tridecafluoro-1، 1،2،3 - tetrahydro الأوكتيل)-1-trichlorosilane في وعاء الفراغ ووضع الرقاقة في جرة وتطبيق فراغ.

5. مكررة وختم Microtip باستخدام القالب

  1. مزيج polydimethylsiloxane (PDMS) قاعدة وكيل علاج مع نسبة 5:1.
  2. ديغا الخليط عن طريق وضعها في وعاء فراغ.
  3. صب جزء صغير من خليط PDMS degassed على العفن، والسماح للإنحسر PDMS لتحقيق أعلى سطح مستو (الشكل 3C).
  4. وضع القالب مع PDMS في الفرن عند 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة لعلاج تماما PDMS.
  5. إزالة العفن منالفرن وقشر قبالة PDMS (الشكل 3D).

6. استرداد الحبر من الركيزة المانحة وطباعة في المنطقة المستهدفة

  1. وضع الركيزة المانحة على، مراحل الترجمة ذ التناوب و x بمحركات مجهزة المجهر.
  2. إرفاق ختم microtip إلى مرحلة متعدية العمودي مستقلة.
  3. تحت المجهر، محاذاة ختم microtip مع الحبر سي على الركيزة المانحة باستخدام متعدية ومراحل التناوب. وعلاوة على ذلك، لا محاذاة إمالة بين سطح microtip والحبر سي عن طريق ضبط مرحلة آماله. بعد ذلك، وجلب الطابع microtip وصولا الى اجراء اتصالات.
  4. جلب ببطء الطابع microtip إلى مزيد من الانخفاض بعد الاتصال الأولي، بحيث يتم انهارت نصائح صغيرة تماما والسطح كله هو على اتصال مع الحبر على الركيزة سي المانحة.
  5. بسرعة رفع المرحلة ض، كسر المراسي ويرجع ذلك إلى منطقة التماس كبير بين الطابع microtip والحبر سي، لصetrieve الحبر سي من الركيزة المانحة وإرفاقه ختم microtip.
    ملاحظة: عندما ختم microtip خالية من أي إجهاد، وmicrotip مضغوط يستعيد شكله الأصلي هرمي، مما يجعل الاتصال مع الحد الأدنى من الحبر سي استردادها.
  6. وضع الركيزة المتلقي على حرف X، Y مرحلة الترجمة ومحاذاة الحبر سي استرجاع تحت ختم microtip في الموقع المطلوب.
  7. تنحدر المرحلة ض حتى الحبر سي استرجاع بالكاد يجعل الاتصال مع الركيزة المتلقي.
  8. بعد إجراء الاتصال، رفع ببطء المرحلة ض للافراج عن الحبر سي، والطباعة على الموقع المطلوب.

7. عملية التسنيد

  1. برنامج فرن التلدين الحراري السريع لدورة من RT تصل إلى 950 درجة مئوية في 90 ثانية، لا تزال في 950 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة ويبرد لRT (عن طريق إزالة أي إمدادات الحرارة في الفرن).
  2. وضع الركيزة المتلقي المطبوعة في الفرن في بيئة الهواء المحيط ويصلب في 950 °مئوية لمدة 10 دقيقة لسي سي الترابط أو على 360 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لسي والاتحاد الافريقي الترابط.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الصغرى البناء تمكن التكامل المواد غير المتجانسة لتوليد هياكل ممس التي هي صعبة للغاية أو مستحيلة لتحقيقه من خلال عمليات التصنيع الدقيق متجانسة. من أجل إثبات قدرتها، هي ملفقة هيكل (يسمى 'إبريق الشاي الصغيرة') فقط من خلال البناء الصغيرة. الشكل 4A هو صورة المجهر الضوئي من الأحبار سي ملفقة على ركيزة من الجهات المانحة. الأحبار مصممة على أقراص ذات أبعاد مختلفة مصنوعة من السليكون البلوري واحد، والتي هي لبنات بناء إبريق الشاي الصغيرة. بعد الانتهاء من إعداد ركيزة المانحة بش...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الصغرى والبناء، وعرضت في الشكل 4، ينطوي على الانصهار السيليكون الترابط في خطوة الترابط المادية. ويتحقق الترابط السيليكون الانصهار من خلال وضع العينة في فرن التلدين الحراري السريع (RTA الفرن) وتسخين العينة في 950 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. هذا الشرط الصلب على حد سواء بين تبنيهم سي - سي سي و- شافي 2 الترابط 10،11. بدلا من ذلك، والاتحاد الافريقي المستعبدين مع شريط سي كما هو موجود في الشكل 5C تتبنى سهل الانصهار الترابط، وبالتالي ف...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل من قبل NSF (CMMI-1351370).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
Az 5214Clariant1.5 مم بسمك مقاوم للضوء
Su8-100Microchem100 مم مقاوم للضوء المستخدم في القالب
Sylgard 184Dow CorningPDMS مختلط لتصنيع ختم
حمض الهيدروفلوريكحمض هانيويللحفر طبقة أكسيد السيليكون
على عازلالركيزة المانحة Ultrasil
كيميائية ثلاثي كلورو سيلانSigma-Aldrichالمصنعة تستخدم للمساعدة في تقشير PDMS من العفن
مادة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Stix, G. Toward “Point one. Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).
  2. Appenzeler, T. The Man Who Dared to Think Small. Science. 254, 1300-1301 (1991).
  3. Madou, M. J. Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2002).
  4. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).
  5. Judy, J. W. Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications. Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).
  6. Jain, V. K. Micromanufacturing Process. , CRC Press. (2012).
  7. Keum, H., et al. Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication. J Micromech Microeng. 22, 55018(2012).
  8. Keum, H., Chung, H., Kim, S. Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining. ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061(2013).
  9. Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching. Appl Phys Lett. 100, 211904(2012).
  10. Klaassen, E. H., et al. Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures. Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).
  11. Barth, P. W. Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures. Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

MEMS

مقالات ذات صلة