Artykuł metodologiczny

Mikromurarstwo do mikroprodukcji addytywnej 3D

DOI:

10.3791/51974

⸱

1 sierpnia 2014

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten artykuł przedstawia strategię mikroprodukcji 3D addytywnej (określanej jako 'mikromurarstwo') do elastycznego wytwarzania struktur i urządzeń systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). Podejście to obejmuje montaż materiałów w mikro i nanoskali w oparciu o druk transferowy w połączeniu z technikami szybkiego łączenia materiałów z wykorzystaniem wyżarzania termicznego.

Streszczenie

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

Druk transferowy to metoda przenoszenia stałych materiałów w mikro/nanoskali (zwanych dalej 'tuszami') z podłoża, gdzie są one generowane, na inne podłoże za pomocą stempli elastomerowych. Druk transferowy umożliwia integrację niejednorodnych materiałów w celu wytworzenia nietypowych struktur lub systemów funkcjonalnych, które można znaleźć w najnowszych zaawansowanych urządzeniach, takich jak elastyczne i rozciągliwe ogniwa słoneczne i matryce LED. Podczas gdy druk transferowy wykazuje unikalne cechy w zakresie możliwości montażu materiałów, zastosowanie warstw kleju lub modyfikacji powierzchni, takich jak osadzanie samoorganizującej się monowarstwy (SAM) na podłożach w celu usprawnienia procesów drukowania, utrudnia jej szeroką adaptację w mikromontażu struktur i urządzeń systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). Aby przezwyciężyć tę wadę, opracowaliśmy zaawansowany tryb druku transferowego, który deterministycznie składa poszczególne obiekty w mikroskali wyłącznie poprzez kontrolowanie powierzchni styku bez żadnych zmian powierzchni. Brak warstwy kleju lub innej modyfikacji oraz późniejsze procesy łączenia materiałów zapewniają nie tylko wiązanie mechaniczne, ale także połączenie termiczne i elektryczne między montowanymi materiałami, co dodatkowo otwiera różne zastosowania w adaptacji w budowie nietypowych urządzeń MEMS.

Wprowadzenie

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

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), takie jak miniaturyzacja zwykłych maszyn 3D na dużą skalę, są niezbędne do rozwoju nowoczesnych technologii, zapewniając poprawę wydajności i redukcję kosztów produkcji1,2. Nie da się jednak utrzymać obecnego tempa postępu technologicznego w MEMS bez ciągłych innowacji w technologiach wytwarzania3-6. Powszechna monolityczna mikrofabrykacja opiera się przede wszystkim na procesach warstwa po warstwie opracowanych do produkcji układów scalonych (IC). Metoda ta okazała się dość skuteczna w umożliwieniu masowej produkcji wysokowydajnych urządzeń MEMS. Jednak ze względu na złożoną warstwę po warstwie i elektrochemicznie subtraktywną naturę, produkcja różnorodnie ukształtowanych struktur i urządzeń 3D MEMS, choć łatwa w makroświecie, jest bardzo trudna do osiągnięcia przy użyciu tej monolitycznej mikrofabrykacji. Aby umożliwić bardziej elastyczną mikroprodukcję 3D przy mniejszej złożoności procesu, opracowaliśmy strategię mikroprodukcji addytywnej 3D (określaną jako "mikro/nanomurarstwo"), która obejmuje montaż materiałów w mikro/nanoskali oparty na druku transferowym w połączeniu z technikami szybkiego łączenia materiałów umożliwiającymi wyżarzanie termiczne.

Druk transferowy to metoda przenoszenia stałych materiałów mikroskalowych (tj. 'stałych tuszy') z podłoża, na którym są one generowane lub hodowane na inne podłoże, za pomocą kontrolowanej suchej przyczepności stempli elastomerowych. Typowa procedura mikromurowania rozpoczyna się od druku transferowego. Prefabrykowane farby stałe są drukowane transferowo za pomocą stempla z mikrokońcówką, który jest zaawansowaną formą stempli elastomerowych, a drukowane struktury są następnie wyżarzane przy użyciu szybkiego wyżarzania termicznego (RTA) w celu zwiększenia przyczepności atrament-tusz i atrament-podłoże. Takie podejście do produkcji umożliwia konstruowanie nietypowych struktur i urządzeń w mikroskali, których nie można dostosować przy użyciu innych istniejących metod7.

Mikromurarstwo zapewnia kilka atrakcyjnych funkcji, których nie ma w innych metodach: (a) możliwość integracji funkcjonalnych i strukturalnych stałych farb z różnych materiałów w celu montażu czujników i siłowników MEMS zintegrowanych w strukturze 3D; b) interfejsy połączonych stałych farb drukarskich mogą funkcjonować jako styki elektryczne i termiczne9,10; (c) rozdzielczość przestrzenna montażu może być wysoka (~1 μm) dzięki wykorzystaniu wysoce skalowalnych i dobrze poznanych procesów litograficznych do generowania stałych farb drukarskich i wysoce precyzyjnych stolików mechanicznych do druku transferowego7; oraz (d) funkcjonalne i strukturalne atramenty stałe można integrować zarówno na sztywnych, jak i elastycznych podłożach w geometriach płaskich lub krzywoliniowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Zaprojektuj maski do produkcji substratu dawcy

  1. Zaprojektuj maskę o pożądanej geometrii. Aby wytworzyć pojedyncze jednostki krzemu kwadratowego o wymiarach 100 μm x 100 μm, narysuj tablicę kwadratów o wymiarach 100 μm x 100 μm.
  2. Zaprojektuj drugą maskę o identycznej geometrii, z każdą stroną wystającą na dodatkowe 15 μm. W przypadku tablicy kwadratów 100 μm x 100 μm narysuj tablicę kwadratów o wymiarach 130 μm x 130 μm, które mogą pokryć kwadraty w kroku 1.1.
  3. Projektowanie geometrii kotwy. Narysuj cztery prostokąty o wymiarach 20 μm x 40 μm, każdy wyśrodkowany wzdłuż jednej krawędzi kwadratu. Umieść struktury tak, aby pierwsze 15 μm pokrywało się z pierwotnym kwadratem 100 μm x 100 μm w kroku 1.1, a pozostałe 25 μm wychodziło na zewnątrz (jak pokazano na rysunku 2).
    UWAGA: Można zastosować dowolny kształt i wymiary, o ile kotwa styka się zarówno z wzorzystym materiałem, jak i z podłożem. Jeden koniec tej kotwy zakrywa oryginalną geometrię w kroku 1.1, a drugi koniec powinien wychodzić poza geometrię w kroku 1.2.

2. Przygotuj substrat dawcy do pobrania

  1. Przygotować wafel krzemowy z domieszką typu p na izolatorze (SOI) o grubości warstwy urządzenia 3 μm, o rezystancji arkusza 1-20 Ω•cm i grubości warstwy tlenku pudełka 1 μm. UWAGA: Dla różnych zastosowań parametry te można zmienić.
  2. Odkręć fotokursor (AZ5214, 3,000 obr./min przez 30 sekund, grubość 1,5 μm) i przymocuj maskę zaprojektowaną w kroku 1.1.
  3. Za pomocą przyrządu do reaktywnego trawienia jonowego (RIE) narysuj warstwę urządzenia na płytce SOI i usuń maskę fotorezystu. Po tym kroku wytrawiony obszar RIE odsłonił warstwę tlenku pudełka (rysunek 2A).
  4. Fotozystuł z powłoką wirową (AZ5214, 3 000 obr./min przez 30 sekund, grubość 1,5 μm) i wzór z maską zaprojektowaną w kroku 1.2.
  5. Podgrzej wafel w temperaturze 125 °C przez 90 sekund na gorącej płycie.
  6. Zanurz wafel w 49% HF na 50 sekund, aby wytrawić odsłoniętą warstwę tlenku pudełka z kroku 2.3. Po całkowitym wyschnięciu usuń fotorezyst maskujący (Rysunek 2B).
  7. Odwiruj powłokę (AZ5214, 3 000 obr./min przez 30 sekund, grubość 1,5 μm) i ułóż wzór kotwienia z kroku 1.3.
  8. Podgrzej wafel w temperaturze 125 °C przez 90 sekund na gorącej płycie.
  9. Zanurz się w 49% HF na 50 min. Ten etap wytrawia warstwę tlenku pudełka pozostałą pod pozostałą warstwą krzemu z wzorem urządzenia, w wyniku czego na fotorezyście powstają zawieszone pojedyncze jednostki krzemu (rysunek 2C).

3. Zaprojektuj maski na stempel z mikrokońcówką

  1. Zaprojektuj maskę z pojedynczym kwadratem o wymiarach 100 μm x 100 μm.
  2. Zaprojektuj maskę z wieloma kwadratami o wymiarach 12 μm x 12 μm w obszarze 100 μm x 100 μm.

4. Zrób formę na stempel z mikrokońcówką

  1. Oczyść płytkę krzemową o orientacji krystalicznej <1-0-0>, nałóż 100 nm azotku krzemu za pomocą sprzętu do plazmowego osadzania chemicznego z fazy gazowej (PECVD).
  2. Fotorezystor z powłoką wirową (AZ5214, 3 000 obr./min przez 30 sekund, grubość 1,5 μm) i wzór z maską zaprojektowany w kroku 3.2.
  3. Uformuj warstwę azotku krzemu za pomocą buforowanego wytrawiacza tlenkowego 10:1 (BOE).
  4. Rozpuścić 80 g wodorotlenku potasu (KOH) w 170 ml mieszaniny wody dejonizowanej i 40 ml mieszaniny alkoholu izopropylowego (IPA) w zlewce.
  5. Podgrzej mieszaninę KOH, IPA i wody w temperaturze 80 °C na płycie grzejnej.
  6. Przygotowany wafel umieścić pionowo w zlewce z mieszaniną KOH, aby wytrawić odsłonięty krzem w strukturze krystalicznej (szybkość trawienia wynosi około 1 μm/min).
  7. Po całkowitym wytrawieniu odsłoniętego krzemu wyjmij płytkę z mieszaniny KOH, wytraw azotek krzemu za pomocą HF i wykonaj czyszczenie RCA 1 i RCA 2 (Rysunek 3A).
  8. Odwiruj warstwę z SU-8 100 i ułóż wzór z przygotowaną maską z kroku 3.1 według następującego przepisu: 3 000 obr./min przez 1 min, miękkie pieczenie w temperaturze 65 °C przez 10 min i 95 °C przez 30 min, naświetlanie w 550 mJ/cm2 i pieczenie w temperaturze 65 °C przez 1 min i 95 °C przez 10 min (Rysunek 3B).
  9. Po całkowitym utwardzeniu SU-8 100 nałożyć monowarstwę (tridekafluoro-1,1,2,3-tetrahydrooktylo)-1-trichlorosilanu, wrzucając 3-5 kropli (tridekafluoro-1,1,2,3-tetrahydrooktylo)-1-trichlorosilanu do słoika próżniowego i umieszczając wafel w słoiku i stosując próżnię.

5. Powielanie stempla mikrokońcówki za pomocą formy

  1. Wymieszać bazę polidimetylosiloksanu (PDMS) i utwardzacz w stosunku 5:1.
  2. Odgazuj mieszaninę, umieszczając ją w słoiku próżniowym.
  3. Wlej niewielką porcję odgazowanej mieszaniny PDMS na formę i pozwól PDMS ponownie rozpłynąć, aby uzyskać płaską górną powierzchnię (Rysunek 3C).
  4. Umieść formę z PDMS w piekarniku w temperaturze 70 °C na 2 godziny, aby w pełni utwardzić PDMS.
  5. Wyjmij formę z piekarnika i oderwij PDMS (Rysunek 3D).

6. Pobierz atrament z podłoża dawcy i wydrukuj na obszarze docelowym

  1. Umieść substrat donorowy na zmotoryzowanych stolikach rotacyjnych i translacyjnych x,y, wyposażonych w mikroskop.
  2. Przymocuj stempel z mikrokońcówką do niezależnego pionowego stolika translacyjnego.
  3. Pod mikroskopem wyrównaj stempel z mikrokońcówki z tuszem Si na podłożu dawcy za pomocą etapów translacyjnych i rotacyjnych. Ponadto wykonaj wyrównanie nachylenia między powierzchnią mikrokońcówki a atramentem Si, regulując stopień przechylania. Następnie przyłóż stempel mikrokońcówki w dół, aby nawiązać kontakt.
  4. Powoli doprowadź stempel mikrokońcówki dalej w dół po pierwszym kontakcie, tak aby małe końcówki były całkowicie złożone, a cała powierzchnia stykała się z tuszem Si na podłożu dawcy.
  5. Szybko podnieś stolik z, łamiąc kotwice ze względu na dużą powierzchnię styku między stemplem z mikrokońcówką a atramentem Si, aby pobrać atrament Si z podłoża dawcy i przymocować go do stempla z mikrokońcówki.
    UWAGA: Gdy stempel z mikrokońcówką jest wolny od wszelkich naprężeń, ściśnięta mikrokońcówka powraca do swojego pierwotnego kształtu piramidy, zapewniając minimalny kontakt z pobranym atramentem Si.
  6. Umieść podłoże odbiornika na stoliku translacyjnym x,y i wyrównaj pobrany atrament Si pod stemplem mikrokońcówki w żądanym miejscu.
  7. Zejdź ze stolika z, aż odzyskany atrament Si ledwo zetknie się z podłożem odbiornika.
  8. Po nawiązaniu kontaktu powoli podnieś stolik z, aby uwolnić atrament Si, drukując go w żądanym miejscu.

7. Proces klejenia

  1. Zaprogramuj piec do szybkiego wyżarzania termicznego tak, aby przełączał się od RT do 950 °C w 90 sekund, pozostawał w temperaturze 950 °C przez 10 minut i schładzał do RT (poprzez usunięcie dopływu ciepła do pieca).
  2. Umieść wydrukowane podłoże odbiorcze w piecu w środowisku otaczającego powietrza i wyżarzaj w temperaturze 950 °C przez 10 minut w przypadku klejenia Si-Si lub w temperaturze 360 °C przez 30 minut w przypadku klejenia Si-Au.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Mikromurarstwo umożliwia heterogeniczną integrację materiałów w celu generowania struktur MEMS, które są bardzo trudne lub niemożliwe do osiągnięcia przez monolityczne procesy mikrofabrykacji. Aby zademonstrować jego możliwości, konstrukcja (zwana "mikrodzbankiem") jest wytwarzana wyłącznie za pomocą mikromuru. Rysunek 4A przedstawia obraz mikroskopu optycznego sfabrykowanych atramentów krzemowych na podłożu donorowym. Projektowane tusze to krążki o różnych wymiarach wykonane z krzemu monokrystalicznego,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Mikromurarstwo, przedstawione na rysunku 4, polega na łączeniu krzemu w etapie łączenia materiału. Wiązanie krzemowe uzyskuje się poprzez umieszczenie próbki w piecu do szybkiego wyżarzania termicznego (piec RTA) i ogrzewanie próbki w temperaturze 950 °C przez 10 minut. Ten warunek wyżarzania można przyjąć zarówno między wiązaniem Si – Si i Si – SiO2 10,11. Alternatywnie, Au połączone taśmą Si, jak pokazano na rysunku 5C, przyjmuje wiązanie eutektyczne, a zatem temp...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez NSF (CMMI-1351370).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Az 5214Clarianto grubości 1,5 mm Photoresist
Su8-100Microchem100 mm Photoresist stosowany w formie
Sylgard 184Dow CorningPDMS zmieszany do produkcji stempla
Kwas fluorowodorowyHoneywellKwas do wytrawiania warstwy tlenku krzemu
Krzem na izolatorzeUltrasilDonor substrate był wyprodukowany
TrichlorosilanSigma-AldrichChemical używany do usuwania PDMS z pleśni

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Transfer PrintingElastomeric StampSilicon InksReceiver SubstrateThermal Bonding3D MicrostructureMEMS FabricationPhotonic CrystalGold Films

Powiązane artykuły