Summary
本論文では、微小電気機械システム（MEMS）の構造及び装置の柔軟な製造のための3D加法micromanufacturing戦略（と呼ばれる「マイクロ石造 '）を導入しています。このアプローチは、急速熱アニール·イネーブル材接合技術と組み合わせてミクロ/ナノスケール材料の転写印刷ベースの組立体を含む。
Abstract
転写印刷は、エラストマースタンプを利用して別の基板に生成された基板から（本明細書で「インク」と呼ばれる）を固体マイクロ/ナノスケール物質を転送する方法である。転写印刷は、柔軟で伸縮性太陽電池やLEDアレイなどの近年の先端デバイスで発見された前例の構造や機能のシステムを製造するために、異種材料の統合を可能にします。転写材料アセンブリ能力のユニークな特徴を示すが、印刷プロセスを強化するための接着層又は基板上のこのような自己組織化単分子膜（SAM）の堆積のような表面改質の使用は、微小電気機械システム（MEMS）構造体のマイクロアセンブリ中に広い適応を妨げるおよびデバイス。この欠点を克服するために、我々は決定論的にのみ表面接触面積を制御することによって、個々のマイクロスケール·オブジェクトを組み立てる転写印刷のアドバンスモードを開発任意の表面を変更する必要がない。接着剤層または他の修飾の非存在下およびその後材接合プロセスは、機械的結合が、さらに異常なMEMSデバイスの構築に適応で様々なアプリケーションを開き、組み立て材料間の熱的および電気的接続を確保するだけでなく。
Introduction
このような大規模な一般的な3Dマシンの小型化などの微小電気機械システム（MEMS）は、パフォーマンスの強化、製造コストの低減、1,2を提供することで、近代的な技術を推進するために不可欠である。しかし、MEMSの技術の進歩の現在のレートは、製造技術3-6の連続革新せずに維持することができません。共通のモノリシック微細加工は、主に集積回路（IC）の製造のために開発レイヤーバイレイヤープロセスに依存している。この方法は、高性能MEMSデバイスの大量生産を可能に非常に成功している。しかし、そのために複雑な層ごとの電気化学的、減法自然、多様に形の3D MEMS構造およびデバイスの製造、macroworldにおいて簡単に、このモノリシック微細加工を使用して達成することは非常に困難である間。レスプロセスの複雑さと、より柔軟な3D微細加工を可能にするために、我々はDEVE急速加熱処理が有効な材料接合技術と併せて、マイクロ/ナノスケール材料の転写印刷ベースのアセンブリを必要とする3Dの添加micromanufacturing戦略（と呼ばれる「マイクロ/ナノ石工 '）をloped。
転写印刷は、エラストマースタンプの制御された乾燥接着を用いて生成された、または異なる基板に成長させ、基板から固体マイクロスケール材料（ 即ち、「固形インク」）を転送する方法である。マイクロ石積みの典型的な手順は、転写印刷から始まります。プレハブ固体インクが転写エラストマースタンプ、プリント構造の高度な形態であるマイクロチップスタンプを使用して印刷され、続いてインクインクとインクの基板密着性を向上させるために急速熱アニール（RTA）を用いてアニールされる。この製造手法は、他の既存メトキシを用いて収容することができない異常なマイクロスケール構造及びデバイスを構築することが可能DS 7。
MEMSセンサーを組み立てるために、異なる材料の機能的および構造的ソリッドインクを統合するための（a）の能力とすべての3D構造の中に組み込まアクチュエータ;マイクロ石積みは、他の方法では存在しないいくつかの魅力的な特徴を提供します（b）は、組み立てられた固体インクのインタフェースは、電気的および熱的に接触し、9,10として機能させることができる。 （C）組立空間分解能は7を印刷する転送用の固形インクと高精度な機械式のステージを生成するための拡張性の高い、十分に理解されリソグラフィプロセスを利用して（〜1μm）を高くすることができます。および（d）の機能的および構造的な固体インクは、平面状又は曲線状の幾何学的形状に硬質および軟質両方の基板上に集積化することができる。
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Protocol
1。ドナー基板の作製のためのマスクをデザイン
- 所望の形状を有するマスクを設計します。 100ミクロン×100ミクロン四方のシリコン個々のユニットを製作するために、100ミクロン×100ミクロンの正方形の配列を描画します。
- それぞれの側が追加の15ミクロンを拡張するとともに、同一の形状を有する第二のマスクを設計します。 100ミクロン×100ミクロンの正方形の配列の場合は、ステップ1.1に正方形をカバーすることができ130μmのX130μmの正方形の配列を描画します。
- アンカージオメトリを設計します。 4 20ミクロンX 40ミクロンの長方形、正方形の1辺に沿って中心それぞれを描画します。最初の15ミクロン（ 図2に示すように）ステップ1.1で元が100μm×100μm角、残りの25ミクロンの外側に延びて覆うような構造を配置します。
NOTE：任意の形状および寸法であれば、アンカー接点パターン化された材料と基板の両方として使用することができる。このアンカーの一端は、原点をカバーステップ1.1、もう一方の端のAlジオメトリは、ステップ1.2でジオメトリを拡張する必要があります。
2。検索可能ドナー基板を準備
- 1ミクロン〜20Ωの•cmで、箱酸化物層の厚さのシート抵抗が3μmデバイス層の厚さを有するインシュレータ（SOI）ウェハ上にp型にドープされたシリコンを調製する。 NOTE：種々の用途のためにこれらのパラメータを変更することができる。
- スピンコートレジスト（AZ5214、30秒間、3,000 rpmで、太い1.5ミクロン）、ステップ1.1で設計されたマスクを添付してください。
- （RIE）装置、パターンSOIウェハのデバイス層の反応性イオンエッチングを用いてフォトレジストマスクを除去する。このステップの後、RIEエッチングされた領域は、ボックス酸化物層（ 図2A）を公開している。
- スピンコートレジスト（AZ5214、30秒間、3,000 rpmで、厚さ1.5μm）、ステップ1.2で設計されたマスクのパターン。
- ホットプレート上で90秒間125℃でウェハを加熱する。
- ウエハを浸すステップ2.3から露出ボックス酸化物層をエッチングする50秒間の49％HF。完全に乾燥させた後、マスキングフォトレジスト（ 図2B）を取り外します。
- スピンコート（AZ5214、30秒間、3,000 rpmで、厚さ1.5μm）とパターンのステップ1.3からのアンカリングデザイン。
- ホットプレート上で90秒間125℃でウェハを加熱する。
- 50分間49％のHFに浸す。このステップは、フォトレジスト（ 図2C）に懸濁させたシリコンの個別単位で得、残りのパターン化されたデバイス層のシリコンの下に残っている箱酸化物層をエッチングする。
3。マイクロチップスタンプ用のマスクをデザイン
- 正方形のシングルは100μm×100程度でマスクを設計します。
- 100ミクロン×100ミクロン領域内の複数の12ミクロンX 12ミクロンの正方形でマスクを設計します。
4。マイクロチップスタンプ用の金型を作る
- <1-0-0>の結晶方位を有するシリコンウエハを清掃し、デポプラズマを用いた窒化ケイ素の100nmの座る化学蒸着（PECVD）装置を拡張。
- スピンコートレジスト（AZ5214、30秒間、3,000 rpmで、厚さ1.5μm）、ステップ3.2で設計されたマスクのパターン。
- パターン10：01緩衝酸化物エッチング液（BOE）を用いて窒化シリコン層。
- 脱イオン水170mlのイソプロピルアルコール（IPA）の混合物をビーカー40ml中の水酸化カリウム（KOH）を80g溶解する。
- ホットプレート上で80℃でKOH、IPAおよび水の混合物を加熱する。
- 垂直方向（エッチングレートは約1μm/分である）、結晶構造中に露出したシリコンをエッチングするために、KOHの混合物とビーカーに準備されたウェハを置く。
- 露出したシリコンが完全にエッチングされた後、KOH混合物からウェーハを除去するHFを用いて窒化シリコンをエッチングし、RCA 1及び2 RCA洗浄（ 図3A）を行う。
- 以下のレシピで手順3.1から用意したマスクと、SU-8 100とパターンとのスピンコート：3000 R1分、30分、10分および95℃、65℃でソフトベーキング用の午後は、550ミリジュール/ cm 2であり、ポストベーク65℃で1分間、および10分間95°C（ 図3Bにさらす）。
- SU-8 100が完全に硬化した後、3〜5滴を滴下しての（トリデカフルオロ-1,1,2,3 - テトラヒドロオクチル）-1 - トリクロロシラン単分子層を適用（トリデカフルオロ-1,1,2,2、1,2,3 - テトラヒドロオクチル）-1 - トリクロロシラン真空瓶と瓶にウエハを配置し、真空を適用する。
5。金型を用いたマイクロチップスタンプを複製
- 5:1を有するポリジメチルシロキサン（PDMS）ベースと硬化剤を混ぜる。
- 真空瓶内に配置することによって混合物を脱気。
- 型の上に、脱気したPDMS混合物のごく一部を注ぎ、PDMSリフローは平坦な上面（ 図3C）を達成するためにしてみましょう。
- 完全にPDMSを硬化させるために2時間、70℃のオーブンで、PDMS金型を配置します。
- から金型を削除するオーブン、PDMSをはがします（ 図3D）。
6。ドナー基板からインクを取得し、対象地域へのプリント
- 顕微鏡を備えた電動式の回転とX、y方向への平行移動ステージ上にドナー基板を配置します。
- 独立した垂直の並進ステージにマイクロチップスタンプを添付してください。
- 顕微鏡下で、並進および回転ステージを使用ドナー基板上にSiインクでマイクロチップスタンプを揃える。さらに、傾斜ステージを調整することにより、マイクロチップ表面とSiインクとの傾斜の位置合わせを行う。その後、接触するようにマイクロチップスタンプをダウンさせる。
- 小さな先端が完全に折り畳まれており、表面全体がドナー基板上にシリコンインクと接触するようにゆっくりと、最初の接触後にシャットダウンさらにマイクロチップスタンプをもたらす。
- rについても、マイクロチップスタンプとSiインクとの間に大きな接触面積のためにアンカーを壊し、zの段を迅速に上昇させるドナー基板からのSiインクをetrieveとマイクロチップスタンプに添付します。
注：マイクロチップスタンプがストレスのない場合には、圧縮されたマイクロチップを取り出すシリコンインクとの最小限の接触を作る、元のピラミッド型の形状に復元します。 - X、Y方向への平行移動ステージにレシーバ基板を配置し、所望の位置にマイクロチップ·スタンプの下で取得されたSiインクを合わせます。
- 検索されたシリコンインクはほとんどレシーバ基板に接触するまでのzステージを下る。
- 接触を行った後、徐々に所望の位置の上に印刷し、シリコンインクを放出するためのzステージを上げる。
7。接合プロセス
- プログラム90秒で950℃までの室温から順番に高速熱アニール炉は、10分間950℃で維持し、（炉内の任意の熱供給を削除することで）室温まで冷却。
- 950℃の周囲環境やアニール炉で印刷レシーバ基板を配置のSi-Si結合のために又はSi-Auボンディングのために30分間、360℃で10分間、C。
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Representative Results
マイクロ石積みは、モノリシックマイクロ加工プロセスによって達成することが非常に困難または不可能であるMEMS構造を生成するために、異種材料の統合を可能にします。その能力を実証するために、（「マイクロ急須」と呼ばれる）の構造は、単に微細プレストレストを経て製造される。 図4Aは、ドナー基板上に作製されたシリコンインクの光学顕微鏡画像である。設計されたインクは、マイクロティーポットのビルディングブロックである単結晶シリコンで作られた、異なる次元を持つディスクです。ドナー基板は、独立して調製されたら、図4Bに示すように、ディスクは、マイクロチップを利用してスタンプ層によってレシーバ基板上に転写印刷し、焼成体層である。マイクロティーポットの内側領域は、各組み立てディスクから分かるように中空である。さらに、マイクロ石工プロセスの華奢も転写印刷、むしろ絶妙PHOTをアニールすることによってテストされているプロピオン結晶血小板（ 図4C-E）。フォトニック表面は最初のナノインプリントリソグラフィでパターン化し、プロトコルに概説されているようにドナー基板上に転写可能インクとして作られています。インクが完全に準備されると、フォトニック結晶血小板は、 図4（e）に示すようなテーブル構成を形成し、50μmの厚さを持つ4つのSi環上に転写される。
別に、薄いAu膜を組み立てるために採用マイクロプレストレスト図5に示す例において、シリコンインク、画像用マイクロプレストレストする。 図5Aは、ドナー基板上に調製された厚さ400nmのAu膜の光学顕微鏡画像である。これらのインクは、さらに処 理され、テストAu表面に印刷を転送する（ 図5B）と同様に、Si表面（ 図5C）にあります。
Au薄膜アセンブリは任意の接着剤層が存在しない場合には、T点であるため、このマイクロ石造で極めて重要で彼は、印刷Au膜をレシーバ基板との電気伝導度を示す移す。それは転写印刷Au膜と受信機Au表面との間に強い機械的結合を達成することは困難であるが、構成要素は、ファンデルワールス力によって適所に保持し、任意のさらなる処理（ 図5B）9せずに大きな電気伝導度を呈するている。
逆に、Si表面のAu薄膜のヘテロ集積はまた、転写印刷と略のSi-Auの共晶温度で急速熱アニーリングによって達成される。アニーリングプロセスを介してのSi-Au界面での接触抵抗が大きく起因したSi-Auの共晶接合にスパッタ堆積したサンプルのものと同様に低減される。送電線測定（TLM）の実験では、この主張は（ 図5C）10 を立証されています。
図1。マイクロ石造 7 の一般的なプロセスフロー 。準備段階として、ドナー基板、スタンプ、およびレシーバ基板は、独立して調製される。（A）ワンス異なる成分の全てが第マイクロチップスタンプが逆さまに配置された透明なガラススライドに取り付けられ、配置されているように、マイクロチップスタンプに下向きされています。スタンプは確実に配置された後に、ドナー基板は、X、Y軸ステージ上に配置され、スタンプが顕微鏡を通してドナー基板上のインクを用いて整列される。（B）次に、スタンプをドナー基板に下げられ、予圧は、スタンプ内のすべてのマイクロチップが完全に折りたたまれるように、スタンプに適用される。（C）その後、スタンプを迅速に上昇させ、インクがスタンプに取得され、取り付けられている。（D）retrievを印刷するためにオピニオンインク、インクでスタンプを注意深く領域を標的とするように整列され、先端が部分的に折りたたまれつつインクを穏やかレシーバ基板と接触するように下げられる。（E）インクをレシーバ基板と接触している間、スタンプは、徐々に上昇させる。 （F）。スタンプインク界面におけるよりインキ-受容体界面における大きなファンデルワールス相互作用により、インクはレシーバ基板上に残るによる組み立てられたインクとレシーバ基板は、急速熱アニール炉に移動し、950℃でアニールする30分間のSi-Auボンディング用のSi-Si結合のために、もしくは360℃で10分間、C。転写印刷工程後のアニール工程は、マイクロプレストレスト手順を終了する。クムらからの許可を得て複製。7 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図2ドナー基板の準備の回路図（A）SOIウェーハでは、デバイス層は、所望の寸法および形状にパターニングする。（B）以下のHFウェットエッチングプロセスは、下の領域を除いて露出したSiO 2ボックス層を除去するパターン化されたSi（C）フォトレジストがスピンし、アンカーを形成する。（D）その後、基板は、残りのSiO 2をエッチングするためにHFに浸漬される。 HF中に十分な時間が経過した後、Siの広場インクの配列が中断され、ドナー基板上のみにフォトレジストアンカーを有する自立は、この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図3のスタンプの製造 7 の回路図（A）マイクロチップスタンプ用の金型を作るためには、Siウエハを洗浄し、小さなピラミッド状のマイクロピットがKOHエッチングによってウエハ上に作成される。（B）では 、エッチングが行われた後、ウエハの表面をマイクロチップ上に空洞を形成するように塗布し、パターニングSU8、続いて2 RCA洗浄プロセスを介して洗浄される。次いで、トリクロロシランの単層は、真空ジャーにトリクロロシランの3〜5滴を滴下し、ウェーハを載置し、真空瓶を真空引きすることにより、以下のPDMS成形/離型工程を促進するために、金型に塗布する。塗布が行われる（C）たら、PDMS前駆体を注入し、オーブンで硬化される。（D）硬化したPDMSは、単に完了するために金型から剥離するマイクロチップ·スタンプ用の金型の製造方法。クムらからの許可を得て複製。7 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
シリコンマイクロプレストレスト 7 における図4の代表的な作品。（A）ドナー基板上にリング状のSiインクの光学顕微鏡像、（B）マイクロプレストレストによって形成されたマイクロティーポット構造の走査電子顕微鏡（SEM）画像（ 4の4つのシリコンリング上のシリコンフォトニック表面の微小石積みのC）のイラスト、（D、E）のフォトニック表面のナノ構造体のSEM像（D）と、組み立てたシリコンフォトニック表面シリコンリング（E）。クムらからの許可を得て複製。7 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
金マイクロ石工 8 の図5。代表作 。一番上の行に取得され、下段に取り出すことができる状態になり金インク、（B）の Au膜を印刷、転送のSEM像でプリペアドナー基板の（A）の光学顕微鏡を見るパターン化されたAu表面上に、パターン化されたSiストリップ上にAu膜を転写印刷の（C）SEM像。クムらからの許可を得て複製。8= "_blank"を得る>この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
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Discussion
図4に示すマイクロ石工は、材料接合工程において、シリコンフュージョンボンディングを含む。シリコン融合接合は、急速熱アニール炉（RTA炉）中に試料を入れ、10分間950℃で試料を加熱することによって達成される。 SiとSiの- - SiO 2のボンディング10,11このアニール条件は、Siとの採用可能でもある。あるいは、 図5Cに見られるように、Siと結合したAuストリップは、共晶接合を採用しているので、接合温度を30分間8用のSi-Auの共晶温度（363°C）程度である。共晶接合を確実にするために、従来のSiストリップ上にAuインクを印刷するに、Siストリップが完全に、例えばAuとSiとの界面での自然酸化物のような任意の不純物を防止するために、49％HFで消毒する必要がある。マイクロ石工とAu膜を組み立てることができることは、非常に微細石工の製造スキームのsincの幅広い適応性が向上Eそれは材料の金属の種類を紹介します。クムらにより提示されたシリコンとの低い接触電気抵抗のため、ファイナライズMEMSデバイスにおける電極ならびに懸架膜の撓みとして使用することができる。9
開発された譲渡インクは、現在のSiとAuに限定し、それに対応する受信機の基板の材料は、SiとSiO 2 Siのため、およびAuのためのAuとSiのあるされています。レシーバ基板と印刷工程の容易さのインクとの間の総合的な結果、より大きな接触面積。しかし、部分的に面接触しながらインクを印刷すると、図4Eに示されているように、懸濁した構造をもたらすことも可能である。
マイクロ石工は微細加工の斬新なアプローチですが、まだプロセスにおいて克服には限界がある。固体インクの現在の決定論的アセンブリは、個々に行われているため第一とこれまでで最も拡張性を製造している同時にLYではなく。シリコン融合ボンディング高温行使されるので、SiとSiO 2の熱膨張係数の差は、界面/剥離座屈を生じ得る。これらの制限は、さらにマイクロ石造技術のより広範な適応のために調査する必要がある。
図4に示したように、マイクロ石工は、主にそのユニークな添加剤と、以前に見えない3次元マイクロ構造の柔軟な製造能力を通じて、モノリシック微細加工に依存している従来のMEMSプロセスに計り知れない影響を与えている。さらに、マイクロ石工は、柔らかいエラストマースタンプを使用するため、表面を損傷することなく、マイクロスケールで繊細な特徴を操作する能力を有する。今後の研究は、組立時間を低減する並列転写印刷を含む、レーザ支援アニーリング、およびダイバーに、このプロセスを拡張することによって有効に局在化結合プロセスそれは、例えば、 などのSiO 2のSi のx N yを、Alなどの材料をMEMS。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Az 5214 | Clariant | 1.5 mm thick Photoresist | |
| Su8-100 | Microchem | 100 mm Photoresist used in mold | |
| Sylgard 184 | Dow Corning | PDMS mixed to fabricate stamp | |
| Hydrofluoric acid | Honeywell | Acid to etch silicon oxide layer | |
| Silicon on insulator | Ultrasil | Donor substrate was fabricated | |
| Trichlorosilane | Sigma-Aldrich | Chemical used to help pealing of PDMS from mold |
References
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