Micro-muratura per 3D Additivo Micromanufacturing

Summary

Questo articolo introduce una strategia 3D additivo micromanufacturing (chiamato 'micro-massoneria') per la fabbricazione flessibile del sistema microelettromeccanici (MEMS) strutture e dispositivi. Questo approccio comporta il trasferimento di montaggio a base di stampa, di materiali micro / nanoscala in combinazione con tecniche rapide materiale di incollaggio ricottura abilitato termici.

Abstract

Stampa transfer è un metodo per trasferire materiali micro / nanoscala solidi (qui chiamati "inchiostri") da un substrato in cui sono generati ad un substrato diverso utilizzando Stamp elastomerici. Stampa transfer consente l'integrazione di materiali eterogenei per fabbricare strutture unexampled o sistemi funzionali che si trovano in dispositivi avanzati recenti come celle solari flessibili ed estensibili e array LED. Durante la stampa transfer presenta caratteristiche uniche nella capacità di assemblaggio materiale, l'uso di strati adesivi o la modifica della superficie, come la deposizione di monostrati auto-assemblati (SAM) su substrati per migliorare i processi di stampa ostacola la sua vasta adattamento in microstruttura del sistema microelettromeccanici (MEMS) strutture e dispositivi. Per ovviare a questo inconveniente, abbiamo sviluppato una modalità avanzata di stampa a trasferimento che assembla in modo deterministico oggetti microscala singoli esclusivamente attraverso il controllo superficie di area di contattosenza alcuna alterazione superficiale. L'assenza di uno strato adesivo o altra modificazione e processi materiale legante successive garantire non solo legame meccanico, ma anche il collegamento elettrico e termico tra materiali assemblati, che apre ulteriormente varie applicazioni in adattamento a costruire dispositivi MEMS insoliti.

Introduction

Sistemi microelettromeccanici (MEMS), come la miniaturizzazione su larga scala macchine 3D ordinarie, sono indispensabili per far progredire le tecnologie moderne, fornendo miglioramenti delle prestazioni e ^1,2 di riduzione dei costi di produzione. Tuttavia, l'attuale tasso di progresso tecnologico in MEMS non può essere mantenuta senza continue innovazioni nelle tecnologie di produzione ^3-6. Microfabbricazione monolitico comune si basa principalmente su processi layer-by-layer sviluppati per la fabbricazione di circuiti integrati (IC). Questo metodo ha avuto successo a permettere la produzione di massa di dispositivi MEMS ad alte prestazioni. Tuttavia, a causa della sua complessa layer-by-layer e natura elettrochimica sottrattiva, fabbricazione di forma-diversamente strutture e dispositivi MEMS 3D, mentre facile nel macroworld, è molto difficile da realizzare utilizzando questo microfabbricazione monolitico. Per attivare microfabbricazione 3D più flessibile con la complessità meno di processo, ci DEVEluppato una strategia 3D additivo micromanufacturing (chiamato 'micro / nano-massoneria'), che coinvolge un gruppo basato su stampa, trasferimento di materiali micro / nanoscala in combinazione con tecniche rapide materiale di incollaggio ricottura abilitato termici.

Stampa transfer è un metodo per trasferire materiali solidi microscala (ossia 'inchiostri solidi ») da un substrato in cui sono generati o coltivate su un substrato diverso utilizzando adesione secco controllata di Stamp elastomerici. La procedura tipica di micro-muratura inizia con stampa transfer. Inchiostri solidi prefabbricate sono il trasferimento stampato con un timbro microtip che è una forma avanzata di francobolli elastomerici e le strutture stampate sono successivamente ricotto con una rapida ricottura termica (RTA) che permettono di migliorare inchiostro inchiostro e ink-substrato adesione. Questo approccio produttivo consente la costruzione di strutture microscala insoliti e dispositivi che non possono essere ospitati con altre metodologia esistenteds ^7.

Micro-massoneria fornisce diverse caratteristiche interessanti non presenti in altri metodi: (a) la capacità di integrare inchiostri solidi funzionali e strutturali di materiali dissimili da montare sensori MEMS e attuatori tutto integrato all'interno della struttura 3D; (B) le interfacce di inchiostri solidi assemblati possono funzionare come contatti elettrici e termici ^9,10; (C) la risoluzione spaziale assemblaggio può essere elevata (~ 1 micron) utilizzando processi litografici altamente scalabili e di facile comprensione per la generazione di inchiostri solidi e fasi meccaniche altamente precisi per stampa transfer ^7; e (d) inchiostri solidi funzionali e strutturali possono essere integrati su entrambi i substrati rigidi e flessibili in planare o geometrie curvilinee.

Protocol

1. Maschere di progettazione per la fabbricazione di donatori substrato

1. Progettare una maschera con geometria desiderata. Per fabbricare 100 micron x 100 micron unità individuali silicio quadri, disegnare una matrice di 100 micron x 100 micron quadrati.
2. Progettare una seconda maschera con una geometria identica, con ogni lato che si estende su un ulteriore 15 micron. Per la serie di 100 micron x 100 micron quadrati, disegnare un array di 130 micron x 130 micron quadrati in grado di coprire le piazze nella fase 1.1.
3. Progettare la geometria di ancoraggio. Disegna quattro 20 micron x 40 micron rettangoli, ognuno incentrato lungo un bordo di un quadrato. Posizionare le strutture in modo che il primo 15 micron copre l'originale 100 micron x 100 micron quadrato nel passo 1.1 e il restante 25 micron si estende verso l'esterno (come mostrato in Figura 2).
   NOTA: Qualsiasi forma e le dimensioni possono essere usati fino a quando i contatti di ancoraggio sia il materiale modellato e il substrato. Un'estremità di questa ancora copre l'origineAl geometria nel passaggio 1.1 e l'altra estremità deve estendere la geometria nel passaggio 1.2.

2. Preparare Retrievable donatori substrato

1. Preparare un silicio drogato di tipo p su isolante (SOI) wafer con 3 dispositivo micron spessore, con resistenza dello strato di 1-20 Ω • cm e scatola spessore dello strato di ossido di 1 micron. NOTA: Per le varie applicazioni di questi parametri possono essere modificati.
2. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) e fissare la maschera progettata nella fase 1.1.
3. Utilizzando una incisione a ioni reattivi (RIE) strumento, modello strato periferica del wafer SOI e rimuovere la maschera di fotoresist. Dopo questo passo, la regione inciso RIE ha esposto lo strato di ossido di dialogo (Figura 2A).
4. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) ed il modello con la mascherina disegnata nel passaggio 1.2.
5. Riscaldare il wafer a 125 ° C per 90 secondi su una piastra calda.
6. Immergere il wafer in49% HF per 50 sec per incidere lo strato di ossido casella esposto dal punto 2.3. Dopo completa essiccazione, rimuovere il photoresist mascheratura (Figura 2B).
7. Cappotto Spin (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) e il modello il disegno di ancoraggio dal punto 1.3.
8. Riscaldare il wafer a 125 ° C per 90 secondi su una piastra calda.
9. Immergetevi nel 49% HF per 50 min. Questo passaggio incide lo strato di ossido casella restante sotto il restante silicio strato modellato dispositivo, con conseguente sospensione silicio unità individuali sul photoresist (Figura 2C).

3. Maschere di design per uno Stamp microtip

1. Progettare una maschera con un solo 100 micron x 100 micron quadrati.
2. Progettare una maschera con più 12 micron x 12 micron quadrati all'interno di un 100 micron x 100 micron zona.

4. Fare la muffa per uno Stamp microtip

1. Pulire un wafer di silicio con orientazione cristallina <1-0-0>, deposit 100 nm di nitruro di silicio utilizzando Plasma avanzata Chemical Vapor Deposition (PECVD) attrezzature.
2. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) ed il modello con la mascherina disegnata nel passaggio 3.2.
3. Motivo dello strato di nitruro di silicio utilizzando 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
4. Sciogliere 80 g di idrossido di potassio (KOH) in 170 ml di acqua deionizzata e 40 ml di alcool isopropilico (IPA) miscela un becher.
5. Riscaldare la, IPA, e miscela acqua KOH al 80 ° C su una piastra calda.
6. Posizionare verticalmente il wafer preparati nel beker con miscela KOH per incidere il silicio esposto a struttura cristallina (velocità di attacco è di circa 1 micron / min).
7. Dopo il silicio esposto è completamente inciso, rimuovere il wafer da miscela di KOH, etch via il nitruro di silicio con HF ed eseguire RCA 1 e 2 RCA pulizia (Figura 3A).
8. Spin cappotto con SU-8 100 e modello con la maschera preparata dal punto 3.1 con il seguente ricetta: 3.000 rpm per 1 min, cuocere morbido a 65 ° C per 10 min e 95 ° C per 30 min, esporre con 550 mJ / cm ^2, e post cuocere in forno a 65 ° C per 1 minuto e 95 ° C per 10 min (Figura 3B ).
9. Dopo il SU-8 100 è completamente guarito, applicare un monostrato di (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetraidro ottil)-1-triclorosilano facendo cadere 3-5 gocce di (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetraidro ottil)-1-triclorosilano in un vaso vuoto e mettendo il wafer nel vaso e applicando il vuoto.

5. Duplicare uno Stamp microtip utilizzando uno stampo

1. Mescolare polidimetilsilossano (PDMS) base e il catalizzatore con il rapporto di 5:1.
2. Degassarla miscela ponendolo in un vaso vuoto.
3. Versare una piccola porzione della miscela degasato PDMS sullo stampo e lasciare che il riflusso PDMS per ottenere una superficie superiore piana (Figura 3C).
4. Collocare lo stampo con PDMS nel forno a 70 ° C per 2 ore per curare completamente il PDMS.
5. Rimuovere lo stampo dallaforno e sbucciare le PDMS off (Figura 3D).

6. Recuperare inchiostro dal supporto dei donatori e stampa sullo Spazio target

1. Posizionare il substrato donatore, su fasi y-rototraslazione ed x motorizzato provvisto di un microscopio.
2. Attaccare il timbro microtip ad una fase di traslazione verticale indipendente.
3. Al microscopio, allineare il timbro micropunte con l'inchiostro sul substrato di Si donatore mediante traslazione e rotazione fasi. Inoltre, fare l'allineamento inclinazione tra la superficie microtip e l'inchiostro Si regolando una fase di ribaltamento. Successivamente, portare il timbro microtip giù per fare contatto.
4. Lentamente portare il timbro micropunte ridurre ulteriormente dopo il contatto iniziale, in modo che le piccole punte sono completamente crollati e l'intera superficie è a contatto con l'inchiostro Si su substrato donatore.
5. Aumentare rapidamente la fase z, rompendo le ancore a causa della grande area di contatto tra il timbro micropunte e l'inchiostro Si, per rRECUPERO l'inchiostro Si dal substrato donatore e allegarlo al timbro microtip.
   NOTA: Quando il timbro microtip è priva di qualsiasi stress, la microtip compresso restituisce alla sua forma piramidale originale, rendendo minimo contatto con l'inchiostro Si recuperato.
6. Posizionare il ricevitore su un substrato x, y-stadio traduzione e allineare l'inchiostro Si recuperato sotto il timbro micropunte nella posizione desiderata.
7. Scendere la fase z finché l'inchiostro Si recuperato rende a malapena contatto con il substrato ricevitore.
8. Dopo il contatto, sollevare lentamente la fase z per rilasciare l'inchiostro Si, stampandolo sulla posizione desiderata.

7. Processo di incollaggio

1. Programmare un forno di ricottura termica rapida ciclare da RT fino a 950 ° C in 90 sec, rimangono a 950 ° C per 10 minuti e raffreddare a RT (eliminando qualsiasi fornitura di calore nel forno).
2. Posizionare il substrato ricevente stampato in forno in un ambiente di aria ambiente e ricottura a 950 °C per 10 min per Si-Si incollaggio oa 360 ° C per 30 min per Si-Au bonding.

Representative Results

Micro-massoneria consente l'integrazione di materiale eterogeneo per generare strutture MEMS che sono molto difficili o impossibili da raggiungere da processi di microfabbricazione monolitici. Al fine di dimostrare la sua capacità, una struttura (chiamato 'micro teiera') è realizzato esclusivamente mediante micro-muratura. Figura 4A è un'immagine al microscopio ottico di inchiostri di Si fabbricato su un substrato donatore. Gli inchiostri progettati sono dischi con diverse dimensioni realizzati in un'unica silicio cristallino, che sono i mattoni del micro teiera. Una volta che un substrato donatore viene preparato indipendentemente, dischi sono trasferimento stampato su un substrato ricevente e ricotto strato per strato utilizzando un timbro micropunte come mostrato nella Figura 4B. La regione interna della micro teiera è cava come può essere visto da ogni disco assemblato. Inoltre, la delicatezza dei processi di micro-muratura è inoltre testato da stampa a trasferimento e ricottura un phot piuttosto squisitoonic piastrine di cristallo (Figure 4C-E). Superfici Photonic vengono prima modellati con nanoimprint litografia e fatti come inchiostri trasferibili su un substrato donatore, come indicato nel protocollo. Una volta che l'inchiostro è completamente preparato, la piastrina cristallo fotonico è trasferito su quattro anelli SI con 50 micron di spessore, formando una tabella come configurazione illustrata nella figura 4E.

Oltre a micro-muratura per gli inchiostri di silicio, le immagini in Figura 5 mostrano alcuni esempi di micro-massoneria adottate per montare film sottili di Au. Figura 5A è l'immagine al microscopio ottico di preparati 400 spessore film Au nm su un substrato donatore. Questi inchiostri sono ulteriormente elaborati e testati per trasferire stampa su una superficie Au (Figura 5B), nonché su una superficie di Si (Figura 5C).

Di importanza fondamentale con questo micro-muratura per Au insieme di film sottile è che, in assenza di qualsiasi strato adesivo, tegli trasferire film Au stampate presentano conduttanza elettrica con il substrato ricevente. Anche se è difficile da raggiungere forte legame meccanico tra il trasferimento stampato Au film e un Au superficie del ricevitore, i componenti sono tenuti in posizione con la forza di van der Waal e mostrano grande conduttanza elettrica senza alcun ulteriore trattamento (Figura 5B) ^9.

Viceversa, l'integrazione eterogenea di film sottili Au con una superficie di Si passa anche attraverso la stampa transfer e ricottura termica rapida approssimativamente Si-Au temperatura eutettica. Attraverso il processo di ricottura, resistenza di contatto all'interfaccia Si-Au è significativamente ridotta simile a quella di sputtering depositato campione causa Si-Au eutettica bonding. Con misurazione linea di trasmissione (TLM) esperimenti, questa affermazione è stata motivata (Figura 5C) ^10.

Figura 1. Flusso di processo generale di micro-muratura ^7. Come fase di preparazione, un substrato donatore, un timbro, e un substrato ricevente sono preparati in modo indipendente. (A) Una volta che tutti i diversi componenti sono disposti, prima un timbro a micropunte è attaccato ad un vetrino trasparente capovolto tale che le micropunte nel timbro sono rivolto verso il basso. Dopo lo stamp è posizionato correttamente, il substrato donatore si trova su un x, asse y stadio e il timbro è allineato con inchiostri sul substrato donatore attraverso un microscopio. (B) Successivamente, il timbro sia ridotto al substrato donatore e un precarico viene applicato sullo stampo, in modo che tutti micropunte del timbro sono completamente crollati. (C) Successivamente, il timbro viene rapidamente sollevato e l'inchiostro viene recuperato e fissata a un timbro. (D) Per stampare il reperimentoinchiostro ed il timbro con l'inchiostro viene cautamente allineato area bersaglio e abbassato in modo tale che l'inchiostro entra in contatto con il substrato ricevente dolcemente mentre le punte sono parzialmente crollati. (E) Mentre l'inchiostro è in contatto con il substrato ricevente, la timbro è sollevato lentamente. Grazie alla grande van der Waals sull'interfaccia inchiostro-ricevitore di all'interfaccia timbro-inchiostro, l'inchiostro rimane sul substrato ricevente. (F) Il substrato ricevente con gli inchiostri assemblati viene spostato in un forno di ricottura termica rapida e ricotto a 950 ° C per 10 min per Si-Si incollaggio oa 360 ° C per Si-Au legame per 30 min. La fase di ricottura dopo la fase di stampa transfer completa la procedura di micro-muratura. Riprodotto con il permesso di Keum et al. ⁷ cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Schema di preparazione del substrato donatore. (A) su un wafer SOI, lo strato dispositivo è modellato in dimensioni e geometria desiderate. (B) A seguito HF processo di incisione a umido elimina l'esposto SiO ₂ strati box fatta eccezione per le regioni sotto la Si modellata. (C) Il photoresist viene filata e modellato per formare ancore. (D) Successivamente, il substrato viene immerso in HF a etch via il residuo SiO _2. Dopo un tempo sufficiente in HF, la serie di inchiostri quadrati SI è sospesa e free standing con solo ancore photoresist sul substrato donatore. Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Schema di timbro fabbricazione ^7. (A) Al fine di rendere uno stampo per timbri MicroTip, un wafer di silicio viene pulita e micropits a forma di piccola piramide vengono creati sul wafer attraverso KOH incisione. (B) Dopo l'incisione è fatto, la superficie del wafer viene pulita tramite RCA 2 processo di pulizia seguita da applicare e patterning SU8 per formare una cavità sopra le micropunte. Successivamente, un monostrato di triclorosilano è rivestito sullo stampo per promuovere il seguente processo di stampaggio PDMS / demolding facendo cadere 3-5 gocce di triclorosilano in un vaso vuoto e posizionare il wafer ed aspirando il vaso vuoto. (C) Una volta che il rivestimento è fatto , il precursore PDMS viene versato e curata in forno. (D) Il PDMS indurito viene semplicemente staccata dallo stampo per completareil processo di formatura per un timbro micropunte. Riprodotto con il permesso di Keum et al. ⁷ cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Lavori Rappresentante in Si micro-massoneria ^7. (A) immagini al microscopio ottico di forma ad anello inchiostri di silicio su un substrato donatore, (B) microscopio elettronico a scansione (SEM) di una struttura teiera micro formata da micro-muratura, ( C) Illustrazione di micro-muratura di una superficie fotonica silicio su quattro anelli Si, (immagini D, E) SEM delle nanostrutture sulla superficie fotonica (D) e la superficie di silicio fotonico montato su quattro anelli di silicio (E). Riprodotto con il permesso di Keum et al. ⁷ cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Lavori Rappresentante in Au micro-massoneria ^8. (A) Optical vista microscopico del substrato donatore preparato con inchiostri Au recuperati nella fila superiore e pronti per essere recuperati in fila in basso, (B) SEM immagine di un trasferimento film stampato Au su una superficie modellata Au, (C) immagine SEM di trasferimento stampato Au film su una striscia modellata Si. Riprodotto con il permesso di Keum et al. ⁸ottenere = "_blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

Micro-muratura, illustrato nella figura 4, prevede l'incollaggio fusione di silicio in una fase di saldatura del materiale. Silicon legame di fusione si ottiene ponendo il campione in un forno di ricottura termica rapida (forno RTA) e riscaldamento del campione a 950 ° C per 10 min. Questa condizione di ricottura è sia adottabile tra Si - Si e Si - SiO ₂ bonding ^10,11. In alternativa, l'Au legato con una striscia di Si come si trova nella Figura 5C adotta eutettica di legame, e quindi la temperatura di legame è attorno alla temperatura eutettica Si-Au (363 ° C) per 30 min ^8. Per garantire eutettica bonding, prima di stampare inchiostri Au su una striscia di Si, la striscia Si deve essere accuratamente detersa con 49% HF per evitare qualsiasi impurità come l'ossido nativo all'interfaccia del Au e Si. Essere in grado di assemblare Au film con micro-massoneria migliora enormemente ampio adattamento del micro-massoneria sistema produttivo since introduce un tipo di materiale metallico. Grazie alla sua bassa resistenza di contatto elettrico con il silicio, può essere utilizzato come elettrodo nei dispositivi MEMS finalizzati nonché una flessione membrana sospesa come presentato in Keum et al. ⁹

Gli inchiostri trasferibili sviluppati sono attualmente limitati a Si e Au ed i materiali dei loro corrispondenti substrati ricevitore sono Si e SiO ₂ per il Si e Au e Si per Au. Nel complesso, formato grande area di contatto tra un substrato e un ricevitore risultati inchiostro nella facilità in fase di stampa. Tuttavia, la stampa di un inchiostro mentre parzialmente a contatto la superficie è anche possibile, con conseguente struttura sospesa, come mostrato in figura 4E.

Mentre micro-massoneria è un nuovo approccio di microfabbricazione, vi sono ancora limiti da superare nel processo. Primo e più lontano è la produzione di scalabilità poiché l'attuale assemblea deterministica di inchiostri solidi è condotta individualely piuttosto che allo stesso tempo. Inoltre, poiché il legame di fusione del silicio è esercitata in alta temperatura, differenze di Si e SiO ₂ coefficiente di dilatazione termica, possono causare instabilità / delaminazione nell'interfaccia. Queste limitazioni devono essere ulteriormente indagato per più ampio adattamento della tecnica di micro-muratura.

Come illustrato nella figura 4, micro-muratura ha un'influenza immensa sui processi MEMS convenzionali, che si basano principalmente sulla microfabbricazione monolitico, attraverso la sua capacità di additivi e produzione flessibile di tre strutture microscala unidimensionale che rappresenta inedite. Inoltre, micro-muratura ha la capacità di manipolare tratti delicati in microscala senza danneggiare la superficie perché utilizza Stamp elastomeriche morbide. I lavori futuri include la stampa a trasferimento parallelo per ridurre i tempi di assemblaggio, i processi di legame localizzati abilitati dal laser-assistita ricottura, ed estendendo tale processo subacqueoSE MEMS materiali come SiO _2, Si _x N _y, Al, ecc.

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