Методическая статья

Микро-кладки для 3D аддитивного Micromanufacturing

DOI:

10.3791/51974

⸱

1 августа 2014 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Эта статья вводит 3D присадок Micromanufacturing стратегию (называется "микро-кладки ') для гибкого изготовления микроэлектромеханических систем (MEMS) сооружений и устройств. Этот подход включает передачи печати на основе сборку микро / нано материалов в сочетании с быстрым отжига с поддержкой методов тепловых связующего материала.

Аннотация

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

Трансферная печать это метод для передачи твердых микро / нано материалов (здесь называемые "чернила") с подложки, где они генерируются в другую подложку с использованием эластомерных марок. Трансферная печать позволяет интегрировать разнородных материалов для изготовления беспрецедентные структур или функциональных систем, которые находятся в последние передовых устройств, таких как гибкие и растяжению солнечных батарей и светодиодных массивов. В то время как трансферная печать проявляет уникальные черты в материальной возможности сборки, использование клеевых слоев или модификация поверхности, такие как отложения самоорганизующихся монослоя (SAM) на подложках для повышения процессов печати препятствует ее широкому адаптации в микросборки из микроэлектромеханических систем (MEMS) структур и устройства. Чтобы преодолеть этот недостаток, мы разработали расширенный режим печати с переносом, который детерминировано собирает отдельные объекты микромасштабной исключительно путем контроля поверхности площадь контактабез поверхностного изменения. Отсутствие клеевым слоем или иного изменения и последующих процессов связующего материала обеспечить не только механическое св зывание, но также термической и электрическое соединение между собранных материалов, которые в дальнейшем открывает различные применения в адаптации в создании необычных MEMS устройства.

Введение

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

Микроэлектромеханические системы (MEMS), такие как миниатюризации крупномасштабных обычных 3D-машин, являются необходимым условием для продвижения современных технологий, предоставляя средства повышения производительности и снижения стоимость производства 1,2. Тем не менее, нынешние темпы технического прогресса в MEMS не может быть обеспечена без непрерывных инноваций в технологии производства 3-6. Общие монолитный микротехнологий первую очередь полагается на слой за слоем процессов, разработанных для производства интегральных схем (ИС). Этот метод был достаточно успешным на то, чтобы массовое производство MEMS устройств высокой производительности. Однако в связи с его сложным слой за слоем и электрохимически субтрактивного природы, изготовление разнообразно-образных структур и устройств 3D ​​MEMS, в то время как легко в макромире, очень сложно добиться, используя эту монолитную микротехнологий. Чтобы включить более гибкий 3D микротехнологий со сложностью меньше процесса, мы развивприпрыжку 3D-присадок Micromanufacturing стратегию (называется "микро / нано-кладки»), которая предполагает передачу печати на основе сборку микро / нано материалов в сочетании с быстрым отжига с поддержкой методов тепловых связующего материала.

Передача печати представляет собой способ для передачи твердых микромасштабной материалы (т.е. 'твердые чернила') от субстрата, где они генерируются или выращенного на другой подложке с помощью контролируемого сухой адгезии эластомерных марок. Типичная процедура микро-кладки начинается с передачи печати. Сборные твердые чернила передачи, напечатанные на микронаконечник штамп, который является продвинутой формой эластомерных марок и печатные структуры отжигу при помощи быстрого термического отжига (RTA) для повышения чернильницу чернил и адгезии чернил субстрата. Этот производственный подход позволяет создавать необычные микромасштабных структуры и устройства, которые не могут быть размещены с помощью других существующих метоспуск 7.

Микро-кладки обеспечивает ряд привлекательных особенностей, которых нет в других методах: (а) способность интегрировать функциональные и структурные твердые чернила из разнородных материалов, чтобы собрать MEMS датчики и исполнительные устройства интегрированы в структуре 3D; (Б) интерфейсы собранных твердых чернил может функционировать в качестве электрических и тепловых контактов 9,10; (С) Ассамблея пространственное разрешение может быть высокой (~ 1 мкм), используя высоко-масштабируемых и хорошо понятны литографических процессов для генерации твердых чернил и высоко-точные механические этапы для передачи печати 7; и (г) функциональные и структурные твердые чернила могут быть интегрированы на жестких и гибких подложках в плоской или криволинейной геометрией.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Дизайн Маски для изготовления субстрата-донора

  1. Дизайн маску с заданной геометрией. Для изготовления 100 х 100 мкм квадратных кремниевых отдельные единицы мкм, рисовать массив 100 мкм х 100 мкм квадратов.
  2. Дизайн второй маску с идентичным геометрии, с каждой стороны растекающегося дополнительные 15 мкм. Для массива 100 мкм х 100 мкм квадратов, рисовать массив 130 мкм х 130 мкм квадратов, которые могут покрыть квадраты на стадии 1.1.
  3. Дизайн геометрию якорь. Нарисуйте четыре 20 мкм х 40 мкм прямоугольники, каждый по центру вдоль одного края квадрата. Поместите структуры так, чтобы первый 15 мкм охватывает исходную 100 мкм и длиной 100 мкм квадратную на стадии 1.1, а остальные 25 мкм проходит наружу (как показано на рисунке 2).
    Примечание: любой формы и размеры могут быть использованы до тех пор, якорных контактов как с рисунком материала и подложкой. Один конец этой якорь охватывает происхождениеаль геометрия на стадии 1.1, а другой конец должен простираться геометрию в шаге 1.2.

2. Подготовьте Retrievable субстрат доноров

  1. Подготовьте р-типа, легированный кремний на диэлектрике (SOI) пластины с мкм устройства толщиной 3 слоя, с поверхностного сопротивления 1-20 Ω • см и коробки толщиной оксидного слоя 1 мкм. ПРИМЕЧАНИЕ: Для различных приложений эти параметры могут быть изменены.
  2. Спин пальто фоторезиста (AZ5214, 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек, 1,5 мкм) и приложите маску разработанный на стадии 1.1.
  3. Использование реактивного ионного травления (РИТ) инструмент, узор слой устройство КНИ пластины и снимите фоторезиста маску. После этого шага, травлению область РИТ выставила оксидного слоя окно (рис. 2).
  4. Спин пальто фоторезиста (AZ5214, 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек, 1,5 мкм) и модели с маской разработан в шаге 1.2.
  5. Нагреть пластины при 125 ° С в течение 90 сек на горячей плите.
  6. Погрузите пластины в49% HF на 50 сек для травления подвергается оксида коробка слой из шага 2.3. После полного высыхания, удалите маскировочную фоторезиста (рис. 2б).
  7. Спин пальто (AZ5214, 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек, толщиной 1,5 мкм) и рисунок якорь дизайн с шага 1.3.
  8. Нагреть пластины при 125 ° С в течение 90 сек на горячей плите.
  9. Погрузитесь в 49% HF в течение 50 мин. Этот шаг вытравливает оксидного слоя коробка оставшиеся под оставшейся рисунком слоя устройство кремния, в результате взвешенных кремния отдельных подразделений на фоторезиста (рис. 2С).

3. Дизайн Маски для микронаконечник Stamp

  1. Дизайн маску с одного 100 мкм х 100 мкм кв.
  2. Дизайн маску с несколькими 12 мкм х 12 мкм квадратов внутри мкм области 100 мкм х 100.

4. Сделать прессформу для микронаконечник Stamp

  1. Очистите кремниевую пластину с кристаллической ориентацией <1-0-0>, депосидеть 100 нм из нитрида кремния с использованием усиленного плазмой химического осаждения паров (ПХО) оборудование.
  2. Спин пальто фоторезиста (AZ5214, 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек, 1,5 мкм) и модели с маской разработан в шаге 3.2.
  3. Шаблон слой нитрида кремния с использованием 10:01 буферизацией оксид травитель (BOE).
  4. Растворить 80 г гидроксида калия (КОН) в 170 мл деионизированной воды и 40 мл изопропилового спирта (IPA) смеси химический стакан.
  5. Кох, ПНД и смесь воды Нагреть при 80 ° С на горячей плите.
  6. Вертикально поместить подготовленную подложку в химическом стакане с КОН смеси для травления кремния в открытую кристаллической структуры (скорость травления составляет около 1 мкм / мин).
  7. После того, как подвергается кремния полностью травлению, удалить пластину из КОН смеси, травления от нитрида кремния с использованием HF, а также выполнять RCA 1 и RCA 2 очистки (рис. 3А).
  8. Спин пальто с СУ-8 100 и картины с приготовленной маски со стадии 3.1 с следующему рецепту: 3000 гвечера в течение 1 мин, мягкой выпекать при температуре 65 ° С в течение 10 мин и 95 ° С в течение 30 мин, подвергать с 550 мДж / см 2, и после выпекать при температуре 65 ° С в течение 1 мин и 95 ° С в течение 10 мин (фиг. 3B ).
  9. После того, как СУ-8 100 полностью вылечить, нанесите монослоя (тридекафтор-1 ,1,2,3-тетрагидро октил)-1-трихлорсилана путем сбрасывания 3-5 капель (тридекафтор-1, 1,2,3 - тетрагидро октил)-1-трихлорсилана в вакуумную банку и размещения пластины в банку и применение вакуума.

5. Дублирование микронаконечник штамп с использованием формы

  1. Смешайте полидиметилсилоксана (PDMS) основы и отвердителя с отношением 5:1.
  2. Дега смесь, поместив его в вакуумной банкой.
  3. Налейте небольшую часть дегазированной смеси PDMS на форму и пусть оплавлением PDMS, чтобы достичь плоскую верхнюю поверхность (фиг.3С).
  4. Поместите форму с PDMS в печи при 70 ° С в течение 2 часов, чтобы полностью вылечить PDMS.
  5. Снимите плесенипечи и чистить PDMS от (рис. 3D).

6. Получить Ink от подложки доноров и печать на целевой области

  1. Поместите доноров субстрат на моторизованных вращательных и х, этапах у-переводов, оборудованных микроскопом.
  2. Прикрепите микронаконечник штамп в самостоятельный этап вертикали поступательного.
  3. Под микроскопом выравнивания микронаконечник печать с Si чернил на подложку с использованием донорской поступательных и вращательных этапов. Кроме того, сделать наклон выравнивание между поверхностью микронаконечник и чернил Si, регулируя этап наклона. После этого довести микронаконечник штамп вниз вступить в контакт.
  4. Медленно довести микронаконечник штамп дальше вниз после первого контакта, так что небольшие подсказки полностью сложенном и вся поверхность находится в контакте с чернилами на Si субстрата-донора.
  5. Быстро поднять этап г, нарушая якоря из-за большой площади контакта между микронаконечник печатью и чернил Si, до гetrieve чернила Si от субстрата-донора и приложите его к микроострийных печатью.
    Примечание: Когда микронаконечник печать свободна от любого напряжения, сжатый микронаконечник восстанавливает свою первоначальную форму пирамидального, что делает минимальный контакт с извлеченного Si чернил.
  6. Поместите приемник субстрат на рентгеновском, стадии у-перемещений и выровнять извлеченный Si чернила под микронаконечник печатью на нужное место.
  7. Спуск на сцену г пока извлекаются Si чернила едва не вступает в контакт с приемником подложки.
  8. После установления контакта, медленно поднимите сцену г выпустить чернила Si, распечатав его на нужное место.

7. Процесс связывания

  1. Программа быстрого термического отжига печи в цикле от комнатной температуры до 950 ° С в течение 90 сек, по-прежнему при 950 ° С в течение 10 мин и охлаждают до комнатной температуры (путем удаления любой подачу тепла в печи).
  2. Поместите распечатанную приемника подложки в печи при температуре окружающей воздушной среды и отжига при 950 °C в течение 10 мин для Si-Si связи или при 360 ° С в течение 30 мин для Si-Au связи.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Микро-кладка позволяет гетерогенную интеграции материала для создания MEMS структуры, которые очень сложно или невозможно достичь с помощью монолитных процессов микротехнологий. Для того чтобы продемонстрировать свою способность, структура (называется "микро чайник ') изготавливают исключительно через микро-кладки. Фиг.4А представляет собой оптический микроскоп изображение готовых Si чернил на субстрата-донора. Разработанные чернила диски с различными размерами из монокристаллического кремния, которые я...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Микро-кладки, представлены на рисунке 4, включает кремния сплавлением в материальном стадии скрепления. Кремний сплавления достигается путем помещения образца в быстрого термического отжига (RTA печи) и нагрева образца при 950 ° С в течение 10 мин. Это условие отжига и усыновлен между Si - Si и Si - SiO 2 склеивания 10,11. В качестве альтернативы, Au соединены с полосой Si, которые содержатся в фиг.5С принимает эвтектическую склеивание и, следовательно, температура...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана NSF (CMMI-1351370).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Az 5214Clariantтолщиной 1,5 мм Фоторезист
Su8-100Microchem100 мм Фоторезист использован в пресс-форме
Sylgard 184Dow CorningPDMS смешан для изготовления штампа
Фтористоводородная кислотаHoneywellКислота для травления слоя оксида
кремния Силикон на изолятореUltrasilДонорская подложка была
изготовлен трихлорсиланаSigma-AldrichChemical, используемый для очистки PDMS от плесени

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи