Micro-mur for 3D Additiv Micromanufacturing

Summary

Denne artikkelen introduserer en 3D additiv Micromanufacturing strategi (kalt "micro-mur ') for fleksibel produksjon av mikroelektromekaniske system (MEMS) strukturer og enheter. Denne tilnærmingen innebærer overføring utskrift basert montering av mikro / nanoskala materialer i forbindelse med raske termisk annealing-aktivert materialet bonding teknikker.

Abstract

Overføring utskrift er en metode for å overføre faste mikro / nanoskala materiale (heri kalt "blekk") fra et substrat, hvor de er generert i en forskjellig substrat ved å benytte elastomere stempler. Overfør utskrift muliggjør integrasjon av heterogene materialer for å dikte unexampled strukturer eller funksjonelle systemer som er funnet i de siste avanserte enheter som fleksibel og tøyelig solceller og LED-matriser. Mens overføring utskrift oppviser unike egenskaper i materialet montering evne, anvendelse av selvklebende sjikt eller overflatemodifisering som avsetning av selv-sammensatte monosjikt (SAM) på substrater for å øke trykkprosesser hindrer dens bredeste tilpasning i samensatte i mikroelektromekaniske system (MEMS) strukturer og enheter. For å overvinne denne brist, utviklet vi en avansert modus for overføring utskrift som deter samler individuelle mikroobjekter utelukkende gjennom å kontrollere overflatekontaktområdetuten noen overflate endring. Fraværet av et klebende lag eller en annen modifikasjon, og de etterfølgende materiale bindingsprosesser sikrer ikke bare mekanisk binding, men også termisk og elektrisk forbindelse mellom sammensatte materialer, som videre åpner forskjellige anvendelser i tilpasning i å bygge uvanlige MEMS-enheter.

Introduction

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS), for eksempel miniatyrisering av storskala vanlige 3D-maskiner, er uunnværlig for å fremme moderne teknologi ved å gi ytelsesforbedringer og produksjons kostnadsreduksjon ^1,2. Imidlertid kan dagens sats på teknologisk utvikling i MEMS ikke opprettholdes uten kontinuerlige innovasjoner i produksjonsteknologier ^3-6. Vanlige monolittisk microfabrication primært er avhengig av lag-for-lag prosesser som er utviklet for fremstilling av integrerte kretser (IC). Denne metoden har vært ganske vellykket mot slik at masseproduksjon av høy ytelse MEMS-enheter. Men, på grunn av sin komplekse lag-på-lag og elektrokjemisk subtractive natur, produksjon av diversely-formet 3D MEMS strukturer og enheter, mens lett i macroworld, er svært utfordrende å oppnå ved hjelp av dette monolittisk microfabrication. For å muliggjøre mer fleksibel 3D microfabrication med mindre prosess kompleksitet, vi utvikloped en 3D additiv Micromanufacturing strategi (kalt 'mikro / nano-mur ") som innebærer en overføring utskrift basert montering av mikro / nanoskala materialer i forbindelse med raske termisk annealing-aktivert materialet bonding teknikker.

Overføring utskrift er en metode for å overføre faste mikro materialer (dvs. 'fast blekk') fra et substrat, hvor de er generert, eller dyrket på et annet substrat ved hjelp av kontrollert tørr adhesjon av elastomere stempler. Den vanlige prosedyren av mikro-mur starter med overføring utskrift. Prefabrikkerte solide blekk er overføring skrevet ut på en mikrotip stempel som er en avansert form for elastomer frimerker og de trykte strukturer senere blir glødet bruker rask termisk annealing (RTA) for å forbedre blekk-blekk og blekk-substrat vedheft. Denne produksjons tilnærmingen gjør bygging av uvanlige mikrostrukturer og enheter som ikke kan innkvarteres bruker andre eksisterende methods ^7.

Micro-mur gir flere attraktive funksjoner som ikke finnes i andre metoder: (a) muligheten til å integrere funksjonelle og strukturelle fast blekk av ulike materialer for å montere MEMS-sensorer og aktuatorer alle integrert i 3D struktur; (B) grensesnittene av sammensatte fast blekk kan fungere som elektriske og termiske kontakter ^9,10; (C) sammenstillingen romlig oppløsning kan være høy (~ 1 mm) ved bruk av meget-skalerbare og godt forstått litografiske prosesser for generering av fast blekk og svært nøyaktige mekaniske trinn for overføring teknikker ^7; og (d) funksjonelle og strukturelle fast blekk kan integreres både stive og fleksible substrater i plane eller krumlinjet geometrier.

Protocol

En. Design Masker Fabrikasjon av Donor Underlag

1. Design en maske med ønsket geometri. Å dikte 100 mikrometer x 100 mikrometer kvadrat silisium enkelte enheter, tegne en rekke 100 mikrometer x 100 mikrometer firkanter.
2. Designe en andre maske med en identisk geometri, og hver strekker seg ut med ytterligere 15 mikrometer. For rekken av 100 mikrometer x 100 mikrometer firkanter, tegne en rekke 130 mikrometer x 130 mikrometer firkanter som kan dekke rutene i trinn 1.1.
3. Design anker geometri. Tegn fire 20 mikrometer x 40 mikrometer rektangler, hver sentrert langs den ene kanten av en firkant. Plasser de strukturer, slik at de første 15 mikrometer dekker den opprinnelige 100 pm x 100 pm kvadrat i trinn 1.1, og de ​​resterende 25 mikrometer strekker seg utover (som vist i figur 2).
   NOTE: Alle form og dimensjoner kan brukes så lenge som de ankerkontakter både det mønstrede materiale og substratet. En ende av dette anker omfatter opprinnelsenal geometri i trinn 1.1, og den andre ende skulle strekke seg ut geometrien i trinn 1.2.

To. Forbered gjenfinnes Donor Substrat

1. Forbered en p-type dopet silisium på isolator (SOI) wafer med tre mikrometer enhet tykkelse, med ark motstand på 1-20 Ω • cm og boksen oksid tykkelse på 1 mikrometer. MERK: For ulike applikasjoner disse parametrene kan endres.
2. Spin frakk fotoresist (AZ5214, 3000 rpm for 30 sek, 1,5 mikrometer tykk) og feste masken utformet i trinn 1.1.
3. Ved hjelp av en reaktiv ione etsing (RIE) instrument, mønster enhets lag av SOI-skiven og fjerne fotoresist-maske. Etter dette trinnet, har RIE etset regionen utsatt boksen oksidlag (Figur 2A).
4. Spin frakk fotoresist (AZ5214, 3000 rpm for 30 sek, 1,5 mikrometer tykk) og mønster med maske laget i trinn 1.2.
5. Varm skiven ved 125 ° C i 90 sekunder på en varm plate.
6. Fordyp wafer inn49% HF for 50 sek å etse eksponert boksen oksid lag fra trinn 2.3. Etter fullstendig tørking, fjerne maskerings fotoresist (figur 2B).
7. Spin coat (AZ5214, 3000 rpm for 30 sek, 1,5 mikrometer tykk) og mønster forankrings utforming fra trinn 1.3.
8. Varm skiven ved 125 ° C i 90 sekunder på en varm plate.
9. Senke det i 49% HF for 50 min. Dette trinnet etser boksen oksidlaget er igjen under den gjenværende mønstrede lag silisium-enheten, noe som resulterer i suspendert silisiumenkeltheter på fotoresisten (figur 2C).

Tre. Design Masker for en mikrotip Stamp

1. Design en maske med en enkelt 100 mikrometer x 100 mikrometer torget.
2. Design en maske med flere 12 mikrometer x 12 mikrometer firkanter inne i en 100 mikrometer x 100 mikrometer området.

4. Gjør Mold for en mikrotip Stamp

1. Rengjør en silisiumskive med krystallinsk orientering av <1-0-0>, depositte 100 nm av silisiumnitrid hjelp Plasma Enhanced Chemical Vapor Nedfall (PECVD) utstyr.
2. Spin frakk fotoresist (AZ5214, 3000 rpm for 30 sek, 1,5 mikrometer tykk) og mønster med maske laget i trinn 3.2.
3. Mønster silisiumnitridlaget hjelp 10:01 Buffered Oxide etchant (BOE).
4. Oppløs 80 g kaliumhydroksyd (KOH) i 170 ml deionisert vann og 40 ml isopropylalkohol (IPA) blandingen et begerglass.
5. Varm opp KOH, IPA og vann-blanding ved 80 ° C på en varm plate.
6. Vertikalt plassere den preparerte skive i begeret med KOH blandingen å etse de eksponerte silisium i krystallstrukturen (etsning frekvens er rundt 1 mikrometer / min).
7. Etter den eksponerte silisium er fullt etset, fjerne wafer fra KOH blanding, etse bort silisiumnitrid hjelp HF, og utføre RCA 1 og RCA to rengjøring (figur 3A).
8. Spin frakk med SU-8 100 og mønster med forberedt maske fra trinn 3.1 med følgende oppskrift: 3000 rpm i 1 min, myk bake ved 65 ° C i 10 min og 95 ° C i 30 min, eksponere med 550 mJ / cm ^2, og etter bake ved 65 ° C i 1 min og 95 ° C i 10 min (Figur 3B ).
9. Etter SU-8 100 er ferdig herdet, bruke en monolayer av (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetrahydro oktyl)-1-trichlorosilane ved å slippe 3-5 dråper (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahydro oktyl)-1-triklorsilan i en vakuum-krukke og plassere skiven på glasset og påføring av vakuum.

5. Kopiere en mikrotip Stamp Bruke en Mold

1. Bland polydimetylsiloksan (PDMS) base og herder med forholdet 05:01.
2. Avgasse blandingen ved å plassere den i en vakuum-krukke.
3. Hell over en liten del av den avgassede PDMS blandingen i formen og la PDMS gjenflyt for å oppnå en flat overflate (figur 3C).
4. Plasser formen med PDMS i ovnen ved 70 ° C i 2 timer for å full kurere PDMS.
5. Fjerne mugg fraovnen og skrelle PDMS av (Figur 3D).

6. Hent Ink fra Donor Underlag og Skriv ut på målområde

1. Plasser donor underlaget på motoriserte rotasjons-og x, y-oversettelse etapper utstyrt med et mikroskop.
2. Fest mikrotip stempel til en uavhengig vertikal translasjonell scenen.
3. Under mikroskopet, justere mikrotip stempel med Si blekk på donor underlaget med translasjonsforskning og rotasjons etapper. Videre gjør den vippe innretting mellom mikrotip overflaten og Si blekk ved å justere en fase skråstilling. Etterpå bringe mikrotip stempel ned for å ta kontakt.
4. Sakte bringe mikrotip stempel ned ytterligere i det første kontakt, slik at små tips er fullstendig skjult, og hele overflaten er i kontakt med Si blekk på donor substrat.
5. Raskt heve z stadium, bryte ankrene på grunn av den store kontaktflaten mellom mikrotip stempel og Si blekk, for å rENTE E Si blekk fra donor underlaget og fest den til mikrotip stempel.
   MERK: Når mikrotip stempel er fri for stress, gjenoppretter komprimerte mikrotip til sin opprinnelige pyramideform, noe som gjør minimal kontakt med den hentes Si blekk.
6. Plasser mottakeren underlaget på en x, y-oversettelse scenen og justere hentet Si blekk under mikrotip stempel på ønsket sted.
7. Ned z scenen før hentet Si blekket gjør knapt kontakt med mottakeren underlaget.
8. Etter å ta kontakt, sakte heve z scenen for å frigjøre Si blekk, skriver det på ønsket sted.

7. Bonding Process

1. Program en hurtig termisk annealing ovn til syklus fra RT til 950 ° C i 90 sek, gjenstår ved 950 ° C i 10 min og avkjøles til RT (ved å fjerne en hvilken som helst varmetilførselen i en ovn).
2. Plasser den trykte mottaker substratet i en ovn ved en omgivelsesluftmiljø og anneal ved 950 °C i 10 min for Si-Si-binding, eller ved 360 ° C i 30 min for Si-Au binding.

Representative Results

Micro-mur gjør at heterogene materialet integrering å generere MEMS strukturer som er svært utfordrende eller umulig å oppnå ved monolittisk microfabrication prosesser. For å demonstrere dens evne, er en konstruksjon (kalt en "micro tekanne ') fremstilt utelukkende gjennom mikro murverk. Figur 4A viser et optisk mikroskopbilde av fabrikerte Si blekk på en donor substrat. De designede blekk er plater med ulike dimensjoner laget av single krystallinsk silisium, som er byggesteinene i mikro tekanne. Når en giver substrat er uavhengig fremstilt, plater er overføring trykkes på et mottaker-substrat og herdet i lag på lag benytte en mikrotip stempel som vist i figur 4B. Det indre område av mikro tekanne er hul slik det fremgår fra hver sammensatt plate. Videre er delicate av mikro-mur prosesser også testet av overføring utskrift og gløding en ganske utsøkt photonic krystall blodplater (Tall 4C-E). Fotoniske overflater er første mønstret med nanoimprint litografi og gjort som overfør blekk på en donor substrat som skissert i protokollen. Når blekket er helt klargjort, blir den fotoniske krystaller blodplate overført til fire Si-ringer med 50 um tykkelse, som danner et bord slik konfigurasjon er vist i figur 4E.

Bortsett fra mikro-mur for silisium blekk, bilder i Figur 5 viser eksempler på mikro-mur vedtatt å montere tynne Au filmer. Figur 5A er en optisk mikroskop bilde av preparerte 400 nm tykk Au filmer på en donor underlaget. Disse trykkfarger blir videre bearbeidet og testet for å overføre trykk på en Au overflate (figur 5B), så vel som på en Si overflate (figur 5C).

Sentralt med denne mikro-mur for Au tynn film forsamlingen er at i mangel på noe klebende laget, tHan overfører trykte Au filmer oppviser elektrisk ledningsevne med mottakeren substratet. Mens det er vanskelig å oppnå en sterk mekanisk binding mellom overførings trykt Au filmer og en mottaker Au overflate, er komponenter som holdes på plass ved van der Waals styrke og utviser god elektrisk ledningsevne uten ytterligere behandling (figur 5B) ^9.

Motsatt, er heterogen integrasjon av Au tynne filmer med et Si overflaten også oppnås gjennom overføring utskrift og rask termisk avspenning ved ca Si-Au eutektisk temperatur. Gjennom annealing prosessen, er kontaktmotstanden i den Si-Au-grensesnittet betydelig redusert lik som frese deponerte prøven som følge av Si-Au eutektisk binding. Ved overføring linje måling (TLM) eksperimenter, har denne påstanden blitt underbygget (figur 5C) ^10.

Figur 1. Generell prosessflyt av mikro-murverk ^7. Som en forberedelse for trinn, er en donor-substrat, et stempel, og en mottaker-substrat fremstilt uavhengig av hverandre. (A) Når alle de forskjellige komponenter er anordnet, først en mikrotip stempel er festet til en gjennomsiktig glass-slide plasseres opp-ned slik at microtips i stempel peker nedover. Etter at stempelet er trygt plassert, blir donor substratet plassert på en x, y-aksen trinn og stempelet er på linje med blekk på donor substratet gjennom et mikroskop. (B) Deretter blir stempelet ført ned til donor-substrat og en forspenning er brukt på frimerket, slik at alle microtips i frimerket er fullt kollapset. (C) Etterpå er stempelet raskt hevet og blekket blir hentet og festet til et stempel. (D) For å skrive ut retrieved blekk, stempel med blekket blir forsiktig justert til målområdet og senkes på en slik at blekket kommer i kontakt med mottaker-substrat forsiktig mens spissene er delvis falt sammen. (E) mens blekket er i kontakt med mottaker-substrat, en stempel er hevet sakte. På grunn av større van der Waals interaksjoner ved blekk-mottaker grensesnitt enn ved stempel-ink-grensesnittet, blir blekket på mottaker substratet. (F) Mottakeren substrat med de sammensatte blekk føres til en hurtig termisk annealing ovnen og glødet ved 950 ° C i 10 min for Si-Si-binding, eller ved 360 ° C i Si-Au binding i 30 min. Glødetrinnet etter overføringen trykking trinnet fullfører mikro murverk prosedyre. Gjengitt med tillatelse fra Keum et al. ⁷ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Skjematisk av donor forbehandling. (A) På en SOI wafer, enheten er laget mønstret til ønskede dimensjoner og geometri. (B) A følgende HF våt etsing prosessen fjerner den eksponerte SiO ₂ boks lag med unntak av regionene under den mønstret Si. (C) Et fotoresist er spunnet og mønstret for å danne forankringer. (D) Deretter blir substratet neddykket i HF for å etse bort de gjenværende SiO _2. Etter tilstrekkelig tid i HF, er rekken av Si kvadrat blekk suspendert og frittstående med bare fotoresist ankere på donor underlaget. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3.. Skjematisk av stempel fabrikasjon ^7. (A) For å gjøre en form for mikrotip frimerker, er en Si wafer rengjort og liten pyramide formet micropits er opprettet på wafer gjennom KOH etsing. (B) Etter etsning er ferdig, overflaten av skiven er renset gjennom RCA to renseprosess fulgt av påføring og mønstring SU8 for å danne et hulrom i de microtips. Deretter blir et monolag av triklorsilan belagt på formen for å fremme følgende PDMS støping / demolding prosessen ved å slippe 3-5 dråper av triklorsilan i en vakuum-krukke og plassere skiven og støvsuging vakuum jar. (C) Etter at belegget er gjort , PDMS forløper helles og herdet i ovnen. (D) Det herdede PDMS er ganske enkelt skrelles av fra støpeformen for å fullføremold forberedelsesprosessen for en mikrotip stempel. Gjengitt med tillatelse fra Keum et al. ⁷ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fig. 4. Representative arbeid i Si mikro murverk ^7. (A) Optisk mikroskopbilder av ringform Si blekk på en donor substrat, (B) Scanning elektronmikroskop (SEM) bilde av en mikro tekanne struktur dannet av mikro-mur, ( C) illustrasjon av mikro-mur av en silisium fotoniske overflate på fire Si-ringer, (D, E) SEM bilder av nanostrukturer på fotoniske overflaten (D), og den sammensatte silisium fotoniske overflate på fire silisium ringer (E). Gjengitt med tillatelse fra Keum et al. ⁷ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5. Representant arbeid i Au mikro-mur ^åtte. (A) Optisk mikroskopisk visning av den tilberedte donor underlaget med Au blekk hentes i øverste rad og klar til å bli hentet i nederste rad, (B) SEM bilde av en overføring trykt Au film på en mønstret Au overflate, (C) SEM bilde av overføring trykt Au filmer på en mønstret Si stripe. Gjengitt med tillatelse fra Keum et al. ⁸få = "_blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Mikro-mur, presentert i figur 4, omfatter silisium-fusion bonding i et materiale bonding trinn. Silisium fusion bonding oppnås ved å plassere prøven i en hurtig termisk Annealing ovn (RTA ovn) og oppvarming av prøven ved 950 ° C i 10 min. Dette annealing tilstanden er både adoptable mellom Si - Si og Si - SiO ₂ bonding ^10,11. Alternativt kan den Au limt med en Si strimmel som finnes i figur 5C fatter eutektisk binding, og derfor er den binding temperaturen rundt Si-Au eutektisk temperatur (363 ° C) i 30 min ^8.. For å sikre eutektisk binding, før teknikker Au blekk på et Si bånd, må Si stripen for å bli grundig renset med 49% HF for å hindre enhver urenhet som opprinnelig oksyd ved grenseflaten av Au og Si. Å kunne sette sammen Au filmer med mikro-mur enormt forbedrer bred tilrettelegging av mikro-mur produksjon ordningen since den introduserer et metall type materiale. På grunn av sin lave elektriske overgangsmotstand med silisium, kan den brukes som en elektrode i de endelige MEMS-enheter så vel som en opphengt membran bøyning som vist i Keum et al. ^9.

Overfør blekk som er utviklet er i dag begrenset til Si og Au og materialer av deres tilsvarende mottaker underlag er Si og SiO ₂ for Si, og Au og Si for Au. Overall, større kontaktflate mellom en mottaker substrat og en blekk resultater i letthet i utskriften trinn. Imidlertid teknikker en blekk, mens delvis kontakter overflaten er også mulig, noe som resulterer i suspendert struktur, som vist i figur 4E.

Mens mikro-mur er en ny tilnærming av microfabrication, det er fortsatt begrensninger for å overvinne i prosessen. Først og langt de fleste er produksjon skalerbarhet ettersom dagens determinis montering av fast blekk er gjennomført individuellely snarere enn på samme tid. Også, siden silisium fusion bonding utøves på høy temperatur, forskjeller i Si og SiO ₂ varmeutvidelseskoeffisient kan medføre knekking / delaminering i grensesnittet. Disse begrensningene må utredes videre for mer bred tilpasning av mikro-mur teknikk.

Som vist i figur 4, har mikro-murverk en enorm innvirkning på konvensjonelle MEMS-prosesser, som i det vesentlige er avhengige av monolittiske microfabrication, gjennom sin unike additiv og fleksibel produksjon evnen av tredimensjonale mikrostrukturer som er tidligere ukjent. Videre har mikro murverk muligheten til å manipulere ømfintlige funksjoner i mikroskala uten å skade overflaten fordi den bruker myke elastomere stempler. Fremtidig arbeid omfatter parallell overføring utskrift for å redusere monteringstiden, lokaliserte bonding prosesser som aktiveres av laser-assistert avspenning, og utvide denne prosessen til dykkerse MEMS materialer som SiO _2, Si _x N _y, Al, etc.

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