방법 논문

3D 첨가제 Micromanufacturing에 대한 마이크로 벽돌

DOI:

10.3791/51974

⸱

2014년 8월 1일

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

이 논문에서

요약

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이 논문은 미세 전자 기계 시스템 (MEMS) 구조 및 장치의 유연한 제작을위한 3D 첨가제 micromanufacturing 전략 (라고 '마이크로 벽돌')을 소개합니다. 이 접근법은 급속 열 어닐링 사용 재료 본딩 기술과 함께 마이크로 / 나노 스케일 물질의 전사 인쇄 기반 어셈블리를 포함한다.

초록

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전사 인쇄는 이들이 탄성 스탬프를 이용하여 서로 다른 기판에 생성되는 기판으로부터 (본원에서 '잉크'라고 함) 솔리드 마이크로 / 나노 재료를 전송하는 방법이다. 전사 인쇄는 유연하고 신축성 태양 전지와 LED 배열과 같은 최근의 진보 된 장치에서 발견되는 전례 구조 나 기능적인 시스템을 조작하는 이종 재료의 통합을 가능하게한다. 전사 인쇄 재료 조립 기능에 고유의 기능을 발휘하는 동안, 같은 인쇄 공정 향상을위한 기판에 자기 조립 단분자막 (SAM)의 증착 등의 접착제 층의 사용 또는 표면 개질은 미세 전자 기계 시스템의 마이크로 어셈블리 (MEMS) 구조의 넓은 적응을 방해 및 장치. 이러한 단점을 극복하기 위해, 우리는 결정 성 전적으로 표면 접촉 면적을 제어하는​​ 마이크로 통해 개별 개체를 조립 전사 인쇄의 고급 모드를 개발어떤 표면 변경없이. 접착제 층 또는 다른 변형 및 후속 물질 본딩 공정의 부재뿐만 아니라 기계적 본딩을 보장하지만, 더 특이한 MEMS 디바이스 구축에 적응 다양한 애플리케이션을 열어 조립 물질 사이 또한 열적 및 전기적 접속.

서론

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이러한 큰 규모의 일반 3D 기계의 소형화 등의 미세 전자 기계 시스템 (MEMS)은, 성능 향상 및 제조 비용 절감 1,2를 제공하여 현대 기술의 발전을 위해 필수적이다. 그러나, MEMS의 기술적 진보의 속도는 현재 제조 기술 3-6 연속 혁신없이 유지 될 수 없다. 일반적인 모노 리식 미세는 주로 집적 회로 (IC)의 제조를 위해 개발 된 계층 별 프로세스에 의존한다. 이 방법은 고성능 MEMS 디바이스의 대량 생산을 가능하게에서 매우 성공적이었다. 그러나, 때문에 그것의 복잡한 계층 별 및 전기 감산 자연, 다양 모양의 3D MEMS 구조 및 장치의 제조, macroworld 쉬운,이 모 놀리 식 미세을 사용하여 달성하기 매우 어려운된다. 이하 공정의 복잡성과보다 유연한 3 차원 미세 가공을 가능하게하기 위해, 우리는 WCDMA 단말기를 개발,급속 열 어닐링을 사용 재료 본딩 기술과 함께 마이크로 / 나노 재료의 전사 인쇄 기반 어셈블리를 포함 3D 첨가제 micromanufacturing 전략 (칭했다 '마이크로 / 나노 석공') loped.

전사 인쇄는 그들이 엘라스토머 스탬프 제어 건식 접착을 이용하여 생성하거나 다른 기판에 성장되는 기판으로부터 마이크로 고체 물질 (즉, '단색 잉크')를 전송하는 방법이다. 마이크로 벽돌의 일반적인 절차는 전송 인쇄를 시작합니다. 조립식 고체 잉크는 진보 엘라스토머 스탬프의 형태 및 구조를 이후에 인쇄 잉크, 잉크 및 잉크 - 기판의 접착 성을 향상시키기 위해 급속 열 어닐 (RTA)를 이용하여 어닐링이다 microtip을 스탬프를 사용하여 인쇄 된 전사이다. 이 제조 방법은 기존의 다른 메 톡시를 사용 수용 될 수없는 특이한 마이크로 구조 및 장치의 구성을 가능하게DS 7.

MEMS 센서를 조립하는 이질 재료의 기능적 및 구조적 단색 잉크를 통합하기 (a) 기능 및 모든 3 차원 구조 내에 집적 액츄에이터; : 마이크로 벽돌은 다른 방법에없는 여러 가지 매력적인 기능을 제공한다 (b) 조립 된 단색 잉크의 인터페이스는 전기적 및 열적 접점 9,10로서 기능 할 수있다; (C) 조립 공간 해상도는 7 인쇄를 전송 고체 잉크와 고정밀도의 기계적인 단계를 생성하기위한 확장 성이 뛰어난 잘 이해 리소그래피 공정을 이용하여 (~ 1 μm의) 고 할 수있다; 및 (d) 기능 및 구조 고체 잉크는 평면이나 곡선 형상 모두 강성과 유연한 기판에 통합 할 수 있습니다.

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프로토콜

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도너 기판의 제조 1. 디자인 마스크

  1. 원하는 형상을 가진 마스크​​를 디자인합니다. 100 μm의 × 100 μm의 사각 실리콘 개별 유닛을 조작 100 μm의 × 100 μm의 사각형의 배열을 그립니다.
  2. 각 측이 추가로 15 μm의를 연장으로, 동일한 형상과 두 번째 마스크를 디자인합니다. 100 μm의 × 100 μm의 제곱의 배열의 경우, 단계 1.1에서 사각형을 커버 할 수있는 130 μm의 X 130 μm의 사각형의 배열을 그립니다.
  3. 앵커 형상을 디자인합니다. 네 20 μm의 × 40 μm의 직사각형, 정사각형의 한 가장자리를 중심으로 각을 그립니다. 처음 15 μm의 단계 1.1 × 100 μm의 광장 원래 100 μm의를 설명하고 있습니다 (그림 2 참조) 나머지 25 μm의 바깥쪽으로 나오도록 구조를 놓습니다.
    NOTE : 임의의 형상 및 치수는 앵커 콘택트 패터닝 재료와 기판 둘만큼 사용될 수있다. 이 앵커의 일단은 원점을 커버단계 1.1과 다른 쪽 끝을 알 형상 단계 1.2 형상을 확장해야합니다.

2. 검색 가능한 도너 기판을 준비

  1. 1 μM의 1-20 Ω의 • cm의 박스 및 산화막 두께의 시트 저항을 가진 3 μm 인 장치 층 두께와 절연체 (SOI) 웨이퍼 상에 p 형 도핑 된 실리콘을 준비한다. 참고 : 다양한 응용 프로그램의 경우 이러한 매개 변수를 변경할 수 있습니다.
  2. 스핀 코팅 포토 레지스트 (AZ5214, 30 초 동안 3,000 rpm으로, 두께 1.5 μm의) 단계 1.1에서 디자인 마스크를 부착합니다.
  3. (RIE) 악기, 패턴 SOI 웨이퍼의 장치 층 반응성 이온 에칭을 사용하여 포토 레지스트 마스크를 제거합니다. 이 단계 후에, RIE 에칭 영역은 박스 산화물 층 (도 2A)를 노출하고있다.
  4. 스핀 코팅 포토 레지스트 (AZ5214, 30 초 동안 3,000 RPM, 1.5 μm의 두께) 단계 1.2 설계 마스크 및 패턴입니다.
  5. 핫 플레이트에 90 초 동안 125 ° C에서 웨이퍼를 가열한다.
  6. 웨이퍼에 빠져단계 2.3에서 노출 박스 산화물 층을 에칭하기 위해 50 초 동안 49 %의 HF. 완전 건조 후, 마스크, 포토 레지스트 (그림 2B)를 제거합니다.
  7. 스핀 코트 (AZ5214, 30 초 동안 3,000 RPM, 1.5 μm의 두께)과 패턴 단계 1.3의 고정 디자인.
  8. 핫 플레이트에 90 초 동안 125 ° C에서 웨이퍼를 가열한다.
  9. 50 분 동안 49 % HF에 빠져. 이 단계는 포토 레지스트 (도 2c)에 현탁 실리콘 개별 유닛의 결과 잔존 패터닝 장치 층 아래에 남아있는 실리콘의 박스 산화물 층을 에칭한다.

마이크로 팁 스탬프 3. 디자인 마스크

  1. 광장 한 100 μm의 × 100 μm의와 마스크를 디자인합니다.
  2. 100 μm의 × 100 μm의 영역 안에 여러 개의 12 μm의 × 12 μm의 사각형 마스크를 디자인합니다.

4. 마이크로 팁 스탬프의 금형을 확인

  1. <1-0-0>의 결정 방향으로 실리콘 웨이퍼를 청소, 증언플라즈마 (PECVD) 장비 화학 기상 증착을 강화하여 실리콘 질화물의 100 nm의 앉아.
  2. 스핀 코팅 포토 레지스트 (AZ5214, 30 초 동안 3,000 RPM, 1.5 μm의 두께) 단계 3.2 설계 마스크 및 패턴입니다.
  3. 본 10시 1분 버퍼 산화물에 천트 (BOE)를 사용하여 실리콘 질화물 층.
  4. 탈 이온수 170 ㎖ 및 이소 프로필 알코올 (IPA)의 혼합물 40 ㎖의 비커에 수산화 칼륨 (KOH)의 80g을 녹인다.
  5. 핫 플레이트에 80 ° C에서 KOH, IPA와 물 혼합물을 가열한다.
  6. 수직 (에칭 속도가 약 1 μm의 / 분입니다) 결정 구조에 노출 된 실리콘을 에칭 KOH의 혼합물을 비커에 제조 된 웨이퍼를 배치합니다.
  7. 노출 된 실리콘은 완전히 에칭 후, KOH 혼합물로부터 웨이퍼를 제거하는 HF를 사용하여 실리콘 질화막을 에칭하여, 그리고 (도 3a)을 RCA 세정 한 RCA 및 2를 수행한다.
  8. 다음 레시피 3.1 단계에서 제조 된 마스크와 SU-8 (100) 및 패턴 코트를 스핀 : 3,000 R1 분, 30 분, 10 분, 95 ° C, 65 ° C에서 부드러운 빵에 대한 오후, 550 엠제이 / cm 2 및 포스트 빵을 65 ° C에서 1 분 및 10 분 동안 95 ° C (그림 (b)에 노출 ).
  9. SU-8 (100)가 완전히 경화 한 후, 3 ~ 5 방울을 떨어 뜨려의 (트리 데카-1 ,1,2,3-테트라 하이드로 옥틸)-1-트리클로로 실란 단일 층을 적용 (트리 데카-1, 1,2,3 - 테트라 옥틸 진공 항아리로 페닐) -1 - 트리클로로 실란 및 항아리에 웨이퍼를 배치하고, 진공을 적용.

5. 금형을 사용하여 마이크로 팁 스탬프를 복제

  1. 5:1 비율로 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)베이스와 경화제를 혼합한다.
  2. 진공 용기에 배치하여 혼합물을 탈기.
  3. 금형에 가스가 제거 된 PDMS 혼합물의 작은 부분을 붓고 PDMS 리플 로우는 평평한 표면 (그림 3C)를 달성하기 위해 수 있습니다.
  4. 완전히 PDMS를 치료하기 위해 2 시간 동안 70 ° C에서 오븐에 PDMS와 곰팡이를 놓습니다.
  5. 에서 곰팡이를 제거오븐 PDMS를 벗겨 (그림 3D).

6. 도너 기판에서 잉크를 검색하고 대상 지역에 인쇄

  1. 현미경을 갖춘 전동 회전 및 X, Y-번역 단계에 도너 기판을 놓습니다.
  2. 독립적 인 수직 번역 단계로 마이크로 팁 스탬프를 연결합니다.
  3. 현미경, 병진 및 회전 단계를 사용 도너 기판에 실리콘 잉크로 마이크로 팁 스탬프를 맞 춥니 다. 또한, 마이크로 팁의 표면 및 틸트 스테이지를 조정하여 실리콘 잉크 사이 경사 배향을 다한다. 그 후, 연락을 할 수있는 마이크로 팁 스탬프를 가져옵니다.
  4. 작은 팁이 완전히 붕괴 표면 전체 기증자의 기판 상에 실리콘 잉크와 접촉되도록 천천히, 초기 접촉 후 더 아래 마이크로 팁 스탬프를 가져옵니다.
  5. 빠르게 R로 인해 마이크로 팁 스탬프와 실리콘 잉크의 큰 접촉 면적에 앵커를 깨고, Z 스테이지를 마련도너 기판에서 실리콘 잉크를 etrieve 및 마이크로 팁 스탬프에 연결합니다.
    주 : 마이크로 팁 스탬프 스트레스없는 경우, 압축 된 마이크로 팁은 검색시 잉크와 최소한의 접촉을 원래 피라미드 모양으로 복원합니다.
  6. X, Y-번역 무대에 수신기 기판을 배치하고 원하는 위치에서 마이크로 팁 스탬프에서 검색시 잉크를 맞 춥니 다.
  7. 검색시 잉크가 거의 수신기 기판과 접촉 할 때까지 Z 무대를 내려.
  8. 접촉을 한 후, 천천히 원하는 위치에 인쇄, 실리콘 잉크를 해제 Z 스테이지를 올립니다.

7. 접합 공정

  1. 프로그램 90 초에서 950 ° C까지 RT에서 순환 급속 가열로는 10 분 동안 950 ° C로 유지하고 (퍼니스의 모든 열 공급을 제거하여) RT까지 냉각.
  2. 950 °에서의 주변 공기 환경 및 어닐링에 노에서 인쇄 수신기 기판을 놓고시 -시 본딩 또는 Si-오 결합을위한 30 분 동안 360 ° C에서 10 분 동안 C.

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결과

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마이크로 벽돌 모 놀리 식 미세 공정에 의해 달성하는 것은 매우 어렵거나 불가능하다 MEMS 구조를 생성하는 이종 재료의 통합을 가능하게한다. 그 능력을 발휘하기 위하여, (a '마이크로 주전자'라고도 함) 구조.도 4a는 도너 기판 상에 제조시 잉크의 광학 현미경 이미지는 오직 마이크로 벽돌을 통해 제조된다. 디자인 잉크는 마이크로 주전자의 빌딩 블록입니다 단결정 실리콘으로 다른 차원의 디스크입니다. 도너 기판을 독립적으로 제조되면, 디스크는 리시버 기판 및도 4b에 도시 된 바와 같이 마이크로 팁 스탬프를 이용하여 계층 별 어닐링 층상에 인쇄 된 전사이다. 마이크로 주전자의 내측 영역은 각각의 조립 된 디스크로부터 알 수있는 바와 같이 중공이다. 또한, 마이크로 벽돌 프로세스의 가녀 리고도 전사 인쇄와 다소 절묘한 사 ž 어닐링에 따라 시험 할 때,ONIC 결정 혈소판 (그림 4C-E). 광 표면이 먼저 나노 임프린트 리소그래피로 패...

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토론

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도 4에 제시된 마이크로 벽돌은, 소재 본딩 공정에서 실리콘 융착을 포함한다. 실리콘 융착은 급속 가열로 중에 시료를 삽입 (RTA 퍼니스)와 10 분 동안 950 ° C에서 시료를 가열함으로써 달성된다. Si 및 실리콘 - - SiO2로 본딩 10,11이 어닐 조건은 모두 채용 할시 사이이다. 대안으로,도 5c에서 볼 수있는 실리콘 스트립과 결합의 Au가 공융 본딩을 채용하고 있으므로, 접합 온도는 30 분에 대한 8시 - 오 공융 온도 (363 ° C)의 주위이다. 공융 본딩을 보장하기 위해, 종래의 Si 스트립의 Au 잉크를 인쇄하는, 실리콘 스트립 철저 등의 Au 및 Si의 계면에서의 자연 산화물과 같은 임의의 불순물을 방지하기 위하여 49 % HF로 정화 할 필요가있다. 마이크로 벽돌과 금 영화를 조립 할 수 있다는 것은 상당히 마이크로 벽돌 제조 방식 SINC의 넓은 적응을 향상전자는 재료의 금속 ...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 작업은 NSF(CMMI-1351370)의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Az 5214Clariant1.5mm 두께의 포토레지스트
Su8-100Microchem100mm 몰드에 사용되는 포토레지스트
Sylgard 184Dow CorningPDMS 스탬프 제조에
화 수소산HoneywellAcid를 에칭 실리콘 산화물 층 실리콘
절연체Ultrasil공여체 기판은 날조된
Trichlorosilane시그마 Aldrich형에서 PDMS의 벗겨지는 것을 돕기 위하여 이용되는 화학물질
혼합 불

참고문헌

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