Micro-metselwerk voor 3D Additive micromanufacturing

Samenvatting

Dit artikel introduceert een 3D additief micromanufacturing strategie (zogenaamde "micro-metselwerk ') voor de flexibele productie van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Deze benadering houdt in transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Samenvatting

Transfer printen is een methode om vast micro / nanoschaal materialen (hierin genoemd "inkten") vanaf een substraat waar zij gegenereerd een ander substraat door gebruik elastomere stempels. Transferdruk maakt de integratie van heterogene materialen unexampled structuren of functionele systemen die worden gevonden in recente geavanceerde apparaten zoals flexibele en uitrekbare zonnecellen en LED arrays fabriceren. Terwijl transferdruk vertoont unieke eigenschappen materiaal assemblage vermogen, het gebruik van hechtmiddel lagen of oppervlaktemodificatie zoals afzetting van zelf-geassembleerde monolaag (SAM) op substraten voor het verbeteren drukprocessen belemmert zijn brede adaptatie microassemblage van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Om deze tekortkoming te overwinnen, ontwikkelden we een geavanceerde manier van overdracht afdrukken die deterministisch assembleert individuele microschaal objecten uitsluitend via het beheersen contactoppervlakzonder enige oppervlakte verandering. Het ontbreken van een kleeflaag of andere aanpassing en de daaropvolgende materiaal verlijmingsprocessen zorgen niet alleen mechanische hechting, maar ook thermische en elektrische verbinding tussen samengestelde materialen, die verder opent diverse toepassingen in aanpassing bouwen ongebruikelijke MEMS.

Inleiding

Micro-elektromechanische systemen (MEMS), zoals de miniaturisatie van grootschalige gewone 3D machines zijn onmisbaar voor de bevordering van moderne technologieën door prestatieverbeteringen en productiekosten verminderen ^1,2. Echter, het huidige tempo van de technologische vooruitgang in MEMS niet worden gehandhaafd zonder continue innovaties in productietechnologieën ^3-6. Gemeenschappelijk monolithisch microfabricage vooral steunt op laag-voor-laag werkwijzen ontwikkeld voor de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen (IC). Deze methode is zeer succesvol op het mogelijk maken massaproductie van hoogwaardige MEMS apparaten. Echter, vanwege de complexe laag-voor-laag en elektrochemisch subtractieve aard, de productie van divers-vormige 3D MEMS-structuren en-apparaten, terwijl gemakkelijk in de macroworld, is zeer uitdagend te bereiken met behulp van deze monolithische microfabrication. Om flexibeler 3D microfabrication stellen met minder complexiteit van het proces, we ontwikkeld een 3D additief micromanufacturing strategie (de zogenaamde "micro / nano-metselwerk '), die een transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen gaat in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Transfer printen is een methode om vaste microschaal (dwz, "vaste inkt ') brengen van een substraat waar zij gegenereerd gekweekt of een ander substraat met gecontroleerde droge hechting van elastomere stempels. De typische werkwijze van micro-metselwerk begint met transfer printen. Geprefabriceerde massieve inkten zijn overdracht afgedrukt met een microtip stempel dat is een geavanceerde vorm van elastomeer postzegels en de gedrukte structuren worden vervolgens gegloeid behulp snel thermisch gloeien (RTA) om inkt-inkt en inkt-substraat adhesie te verbeteren. Deze productie-aanpak maakt de bouw van ongewone microschaal structuren en apparaten die niet kunnen worden ondergebracht gebruik van andere bestaande methodiekds ^7.

Micro-metselwerk biedt verschillende aantrekkelijke functies niet in andere werkwijzen: (a) het vermogen om functionele en structurele vaste inkten van verschillende materialen integreren MEMS sensoren monteren en alle actuatoren geïntegreerd in de 3D structuur; (B) de interfaces van verzamelde vaste inkten kunnen fungeren als elektrische en thermische contacten ^9,10; (C) het verzamelen ruimtelijke resolutie kan hoog (~ 1 micrometer) worden door gebruik te maken van zeer schaalbaar en goed begrepen lithografische processen voor het genereren van vaste inkt en zeer nauwkeurige mechanische podia voor transfer printen ^7; en (d) de functionele en structurele vaste inkten kan worden geïntegreerd op zowel harde en flexibele substraten in vlakke of gebogen geometrieën.

Protocol

1. Ontwerp Maskers voor Fabricage van donorsubstraat

1. Ontwerp een masker met de gewenste geometrie. Te fabriceren 100 micrometer x 100 micrometer vierkante silicium afzonderlijke eenheden, trekken een reeks van 100 micrometer x 100 micrometer pleinen.
2. Ontwerp een tweede masker met een identieke geometrie, waarbij elk der partijen de uitbreiding van een aanvullende 15 micrometer. Voor de serie van 100 micrometer x 100 micrometer pleinen, trekken een reeks van 130 micrometer x 130 micrometer vierkantjes die de pleinen kan dekken in stap 1.1.
3. Ontwerp de anker geometrie. Trek vier 20 micrometer x 40 micrometer rechthoeken, elk gecentreerd langs een rand van een plein. Plaats de structuren zodat de eerste 15 urn omvat de oorspronkelijke 100 urn x 100 urn vierkante in stap 1.1 en de resterende 25 urn buitenwaarts uitstrekt (zie figuur 2).
   OPMERKING: vorm en afmetingen kan worden gebruikt, zolang als anker contactpunten voor de gestructureerde materiaal en het substraat. Een uiteinde van dit anker omvat de oorsprongal geometrie in stap 1.1 en het andere uiteinde moet zich uitstrekken van de geometrie in stap 1.2.

2. Bereid opvraagbare donorsubstraat

1. Bereid een p-type gedoteerd silicium op isolator (SOI) wafer met 3 urn apparaat laagdikte met laagweerstand van 1-20 Ω • cm en doos dikte van 1 urn oxidelaag. OPMERKING: Voor diverse toepassingen deze parameters kunnen worden gewijzigd.
2. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en bevestig het masker ontworpen in stap 1.1.
3. Met behulp van een reactief ion etsen (RIE) instrument, patroon van het apparaat laag van de SOI wafer en verwijder fotoresistmasker. Na deze stap heeft de RIE geëtst gebied bloot geven oxidelaag (Figuur 2A).
4. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en patroon met masker ontworpen in stap 1.2.
5. Verwarm de wafer bij 125 ° C gedurende 90 seconden op een hete plaat.
6. Dompel de wafer in49% HF gedurende 50 seconden blootgestelde box oxidelaag uit stap 2.3 etsen. Na volledig drogen, verwijder de masking fotolak (Figuur 2B).
7. Spin jas (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en het patroon van de verankering ontwerp uit stap 1.3.
8. Verwarm de wafer bij 125 ° C gedurende 90 seconden op een hete plaat.
9. Onder te dompelen in 49% HF gedurende 50 minuten. Deze stap etsen geven oxidelaag nog onder het resterende patroon apparaat laag silicium, wat resulteert in verlaagde silicium afzonderlijke eenheden van de fotoresist (figuur 2C).

3. Ontwerp Maskers voor een Microtip Stamp

1. Ontwerp een masker met een enkele 100 micrometer x 100 micrometer plein.
2. Ontwerp een masker met meerdere 12 micrometer x 12 micrometer vierkantjes in een 100 micrometer x 100 micrometer gebied.

4. Maak de mal voor een Microtip Stamp

1. Reinig een silicium wafer met kristallijne oriëntatie van <1-0-0>, depozitten 100 nm van siliciumnitride met behulp van Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) apparatuur.
2. Spin jas fotolak (AZ5214, 3000 rpm voor 30 sec, 1,5 micrometer dik) en patroon met masker ontworpen in stap 3.2.
3. Patroon de siliciumnitridelaag behulp 10:01 gebufferde Oxide Etchant (BOE).
4. Los op in 170 ml gedeïoniseerd water en 40 ml isopropylalcohol (IPA) mengsel een bekerglas 80 g kaliumhydroxide (KOH).
5. Verhit de KOH, IPA en water mengsel bij 80 ° C op een hete plaat.
6. Verticaal Plaats de voorbereide wafer in het bekerglas met KOH mengsel blootgestelde silicium etsen in kristallijne structuur (etssnelheid is ongeveer 1 um / min).
7. Na de blootgestelde silicium volledig geëtst, verwijder de wafer uit KOH mengsel, etsen het siliciumnitride weg met behulp van HF, en het uitvoeren van RCA 1 en 2 RCA reiniging (figuur 3A).
8. Spin jas met SU-8 100 en patroon met de voorbereide masker uit stap 3.1 met volgende recept: 3000 omwuur gedurende 1 min, zacht bakken bij 65 ° C gedurende 10 min en 95 ° C gedurende 30 minuten, blootgesteld aan 550 mJ / cm ^2, en na bakken bij 65 ° C gedurende 1 min en 95 ° C gedurende 10 min (figuur 3B ).
9. Na de SU-8 100 volledig is uitgehard, breng dan een monolaag (tridecafluor-1 ,1,2,3-tetrahydro octyl)-1-trichloorsilaan by dropping 3-5 druppels (tridecafluor-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichloorsilaan in een vacuüm pot en plaatsen van de wafer in de pot en toepassing van vacuüm.

5. Dupliceren Microtip Stempel Met behulp van een mal

1. Meng polydimethylsiloxaan (PDMS) basis en verharder met de verhouding van 5:01.
2. Ontgas het mengsel door het in een vacuüm pot.
3. Voor een klein gedeelte van de ontgaste PDMS mengsel in de vorm en laat de PDMS reflow een vlak bovenoppervlak (figuur 3C) te bereiken.
4. Plaats de vorm met PDMS in de oven op 70 ° C gedurende 2 uur volledig uitharden de PDMS.
5. Verwijder de mal van deoven en schil de PDMS uit (Figuur 3D).

6. Haal de inkt van de Donor van de ondergrond en Afdrukken in het doelgebied

1. Plaats de donor substraat op gemotoriseerde rotatie en x, y-vertaling fasen uitgerust met een microscoop.
2. Bevestig de microtip stempel aan een onafhankelijke verticale translationeel podium.
3. Onder de microscoop, lijnt de microtip stempel met de Si inkt op de donor substraat met behulp van translatie en rotatie fasen. Bovendien doen de kantelen afstemming tussen de microtip oppervlak en de Si inkt door het aanpassen van een kantelende podium. Daarna brengen de microtip stempel omlaag om contact te maken.
4. Langzaam breng de micropunt stempel nadere na eerste contact, zodat kleine uiteinden volledig ingeklapt en het gehele oppervlak in contact met de inkt Si donor substraat.
5. Snel verhogen de z fase breken van de ankers door het grote contactoppervlak tussen de micropunt stempel en Si inkt, retrieve de Si inkt van de donor substraat en bevestig deze aan de microtip stempel.
   OPMERKING: Als de microtip stempel is vrij van stress, de gecomprimeerde microtip herstelt in zijn oorspronkelijke piramidevorm, waardoor minimaal contact met de opgehaalde Si inkt.
6. Plaats de ontvanger substraat op een x, y-vertaling podium en lijn de opgehaalde Si inkt onder microtip stempel op de gewenste plaats.
7. Daal de z fase totdat de opgehaalde Si inkt maakt nauwelijks contact met de ontvanger substraat.
8. Nadat contact langzaam de z stadium Si inkt los te drukken op de gewenste locatie.

7. Bonding Proces

1. Programmeer een snelle thermische gloeioven eerst veranderen van kamertemperatuur tot 950 ° C in 90 seconden blijven bij 950 ° C gedurende 10 min en afkoelen tot kamertemperatuur (door het verwijderen warmtetoevoer in de oven).
2. Plaats de afgedrukte ontvanger substraat in de oven in een lucht omgeving en gloeien bij 950 °C gedurende 10 min voor Si-Si binding en bij 360 ° C gedurende 30 min voor Si-Au binding.

Resultaten

Micro-metselwerk maakt heterogeen materiaal integratie MEMS structuren die zijn zeer uitdagend of onmogelijk te bereiken door monolithische microfabrication processen te genereren. Om zijn bekwaamheid te bewijzen, is een structuur (een zogenaamde 'micro theepot') vervaardigd uitsluitend door middel van micro-metselwerk. Figuur 4A is een optische microscoop beeld van gefabriceerde Si inkten op een donor substraat. De ontworpen inkten zijn schijven met verschillende afmetingen gemaakt van monokris...

Discussie

Micro-metselwerk, weergegeven in figuur 4, omvat silicium smeltlassen in een materiaal hechtingsstap. Silicium smelthechting wordt bereikt door het monster in een snelle thermische gloeioven (RTA oven) en verwarmen van het monster bij 950 ° C gedurende 10 minuten. Dit gloeien voorwaarde is zowel adoptable tussen Si - Si en Si - SiO ₂ bonding ^10,11. Ook de Au gebonden met een Si strip in figuur 5C neemt eutectische hechting en derhalve de hechting temperatuur rond h...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Az 5214	Clariant		1.5 mm dikke Photoresist
Su8-100	Microchem		100 mm Photoresist gebruikt in mal
Sylgard 184	Dow Corning		PDMS gemengd om stempel te fabriceren
Hydrofluorzuur	Honeywell		Zuur om siliciumoxidelaag te ätzen
Silicium op isolator	Ultrasil		Donorsubstraat werd gefabriceerd
Trichlorosilaan	Sigma-Aldrich		Chemische stof gebruikt om PDMS van mal te helpen pellen