الصغرى البناء ل 3D المضافة Micromanufacturing

Summary

يقدم هذه الورقة مضافة استراتيجية 3D micromanufacturing (وهو ما يسمى 'البناء الجزئي') لتصنيع مرنة نظام إلكترونية صغيرة (ممس) الهياكل والأجهزة. هذا النهج ينطوي على التجمع القائم على الطباعة نقل المواد متناهية الصغر / النانو بالتعاون مع تقنيات المواد الرابطة تمكين الصلب الحرارية السريع.

Abstract

نقل الطباعة هي طريقة لنقل المواد متناهية الصغر / النانو الصلبة (وتسمى هنا "الأحبار ') من ركيزة حيث يتم إنشاؤها لأنها ركيزة المختلفة من خلال الاستفادة من الطوابع المرنة. نقل الطباعة يتيح دمج مواد غير متجانسة لصنع هياكل مثيل له أو أنظمة وظيفية التي تم العثور عليها في الأجهزة الحديثة المتقدمة مثل خلايا شمسية مرنة ولمط والمصفوفات LED. أثناء الطباعة نقل يسلك ميزات فريدة من نوعها في قدرة التجمع المواد، واستخدام طبقات لاصقة أو تعديل السطح مثل ترسب الذاتي تجميعها أحادي الطبقة (SAM) على ركائز لتعزيز عمليات الطباعة يعيق التكيف على نطاق واسع في microassembly نظام إلكترونية صغيرة (ممس) الهياكل والأجهزة. للتغلب على هذا القصور، وضعنا على الوضع المتقدم لنقل الطباعة التي تجمع حتمي الأجسام الميكروسكيل الفردية فقط من خلال السيطرة على منطقة الاتصال السطحدون أي تغيير السطح. لعدم وجود طبقة لاصقة أو أي تعديل آخر وعمليات المواد الرابطة اللاحقة ضمان الترابط الميكانيكية فحسب، ولكن أيضا اتصال الحرارية والكهربائية بين المواد تجميعها، والذي يفتح المزيد من التطبيقات المختلفة في التكيف في بناء الأجهزة ممس غير عادية.

Introduction

أنظمة ميكانيكية إلكترونية صغيرة (ممس)، مثل التصغير على نطاق واسع آلات 3D العاديين، لا غنى عنها للنهوض التقنيات الحديثة من خلال توفير تحسينات في الأداء وخفض التكاليف ^1،2 التصنيع. ومع ذلك، فإن المعدل الحالي للتقدم التكنولوجي في ممس لا يمكن الحفاظ عليها دون الابتكارات المستمرة في تقنيات التصنيع ^3-6. التصنيع الدقيق متجانسة مشتركة تعتمد في المقام الأول على طبقة تلو طبقة العمليات المتقدمة لصناعة الدوائر المتكاملة (IC). وكانت هذه الطريقة ناجحة جدا في تمكين انتاج كميات كبيرة من الأجهزة ممس عالية الأداء. ومع ذلك، ونظرا لالمعقدة طبقة تلو طبقة وطبيعة مطروح electrochemically، تصنيع شكل بتنوع الهياكل والأجهزة 3D ممس، في حين من السهل في macroworld، هي صعبة للغاية لتحقيق استخدام هذا التصنيع الدقيق متجانسة. لتمكين أكثر مرونة التصنيع الدقيق 3D مع تعقيد عملية أقل، ونحن ديفيمتخطى مضافة استراتيجية micromanufacturing 3D (وهو ما يسمى 'الصغيرة / نانو البناء') الذي ينطوي على التجمع القائم على الطباعة نقل المواد متناهية الصغر / النانو بالتعاون مع تقنيات المواد الرابطة تمكين الصلب الحرارية السريع.

نقل الطباعة هي طريقة لنقل المواد الصلبة الميكروسكيل (أي 'الأحبار الصلبة') من ركيزة حيث يتم إنشاؤها أو أنها نمت إلى ركيزة مختلفة باستخدام التصاق الجافة التي تسيطر عليها من الطوابع المرنة. الإجراء نموذجية من الأحجار الصغيرة تبدأ الطباعة نقل. الأحبار الصلبة الجاهزة هي نقل المطبوعة باستخدام ختم microtip التي هي شكل متقدم من الطوابع المرنة وصلب الهياكل المطبوعة في وقت لاحق باستخدام الصلب الحرارية السريع (RTA) لتعزيز الحبر الحبر والحبر الركيزة الالتصاق. هذا النهج يتيح للتصنيع بناء الهياكل الميكروسكيل غير عادية، والأجهزة التي لا يمكن استيعابها باستخدام metho الأخرى القائمةس ^7.

يوفر الصغرى البناء العديد من الميزات الجذابة غير موجودة في غيرها من الطرق: (أ) القدرة على دمج الأحبار الصلبة الوظيفية والهيكلية المواد المختلفة لتجميع أجهزة الاستشعار والمحركات ممس كل متكامل داخل هيكل 3D؛ (ب) واجهات من الأحبار الصلبة تجميعها يمكن أن تؤدي وظيفة والاتصالات الكهربائية والحرارية ^9،10؛ (ج) القرار المكانية التجمع يمكن أن تكون عالية (~ 1 ميكرون) من خلال الاستفادة من عمليات الطباعة الحجرية عالية قابلة للتطوير ومفهومة جيدا لتوليد الأحبار الصلبة ومراحل الميكانيكية عالية الدقة لنقل الطباعة ^(7)؛ و (د) يمكن أن تكون متكاملة الأحبار الصلبة الوظيفية والهيكلية على حد سواء ركائز صلبة ومرنة في مستو أو هندستها منحني الأضلاع.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. أقنعة تصميم لتلفيق الركيزة المانحة

1. تصميم قناع مع هندسة المرجوة. الى افتعال 100 ميكرومتر مربع × 100 ميكرون الوحدات الفردية السيليكون، واستخلاص مجموعة من 100 ميكرون × 100 ميكرومتر مربع.
2. تصميم قناع الثاني مع الهندسة متطابقة، مع كل جانب من تمديد إضافي 15 ميكرون. لمجموعة من 100 ميكرون × 100 ميكرون مربع، واستخلاص مجموعة من 130 ميكرون س 130 ميكرون الساحات التي يمكن أن تغطي الساحات في الخطوة 1.1.
3. تصميم الهندسة مرساة. رسم أربعة 20 ميكرومتر × 40 ميكرون المستطيلات، كل تركزت على طول حافة واحدة من مربع. وضع الهياكل بحيث يغطي 15 ميكرون الأول الأصلي 100 ميكرومتر مربع × 100 ميكرون في الخطوة 1.1 و 25 ميكرومتر المتبقية يمتد إلى الخارج (كما هو موضح في الشكل 2).
   ملاحظة: أي الشكل والأبعاد يمكن استخدامها طالما أن الاتصالات مرساة كلا من المواد منقوشة والركيزة. واحدة من نهاية هذا مرساة يغطي المنشأآل الهندسة في الخطوة 1.1 وعلى الطرف الآخر ينبغي أن تمتد من الهندسة في الخطوة 1.2.

2. إعداد استرجاعها الركيزة المانحة

1. إعداد ف نوع السيليكون مخدر على عازل (SOI) رقاقة مع الجهاز 3 ميكرون سماكة طبقة، مع المقاومة ورقة من 1-20 Ω • سم مربع وسمك طبقة أكسيد من 1 ميكرون. ملاحظة: يمكن لمختلف التطبيقات يتم تبديل هذه المعلمات.
2. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) وإرفاق قناع مصممة في الخطوة 1.1.
3. باستخدام ايون النقش على رد الفعل (ري) الصك، نمط طبقة الجهاز من رقاقة SOI وإزالة قناع مقاومة للضوء. بعد هذه الخطوة، قد تتعرض المنطقة محفورا ري طبقة أكسيد مربع (الشكل 2A).
4. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم مع قناع في الخطوة 1.2.
5. حرارة الرقاقة عند 125 درجة مئوية لمدة 90 ثانية على طبق ساخن.
6. تزج الرقاقة في49٪ HF لمدة 50 ثانية لحفر طبقة أكسيد مربع يتعرض من الخطوة 2.3. بعد التجفيف تماما، وإزالة مقاومة للضوء اخفاء (الشكل 2B).
7. معطف تدور (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم رسو من الخطوة 1.3.
8. حرارة الرقاقة عند 125 درجة مئوية لمدة 90 ثانية على طبق ساخن.
9. تزج في 49٪ HF لمدة 50 دقيقة. هذه الخطوة يحفر طبقة أكسيد مربع المتبقية تحت المتبقية طبقة السيليكون منقوشة الجهاز، مما أدى إلى تعليق الوحدات الفردية السيليكون على مقاومة للضوء (الشكل 2C).

3. أقنعة تصميم لختم Microtip

1. تصميم قناع مع واحدة 100 × 100 ميكرومتر ميكرومتر مربع.
2. تصميم قناع مع عدة ميكرون 12 × 12 ميكرون الساحات داخل 100 × 100 ميكرومتر ميكرومتر المنطقة.

4. جعل قالب لختم Microtip

1. تنظيف رقاقة السيليكون مع التوجه البلورية <1-0-0>، ديبوالجلوس 100 نانومتر من نيتريد السيليكون باستخدام البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية (PECVD) المعدات.
2. تدور معطف مقاومة للضوء (AZ5214، 3،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، 1.5 ميكرومتر سميكة) ونمط تصميم مع قناع في الخطوة 3.2.
3. نمط طبقة نيتريد السيليكون باستخدام 10:01 التخزين المؤقت أوكسيد ضوئي (البنك المركزي البريطاني).
4. حل 80 غرام من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) في 170 مل من الماء منزوع الأيونات و 40 مل من الكحول الآيزوبروبيل (IPA) خليط كوب.
5. تسخين كوه، IPA، وخليط الماء عند 80 درجة مئوية على طبق ساخن.
6. وضع عموديا الرقاقة استعداد في الدورق مع KOH الخليط إلى حفر السيليكون يتعرض في البنية البلورية (معدل الحفر حوالي 1 ميكرون / دقيقة).
7. بعد محفورا السيليكون تتعرض بشكل كامل، وإزالة رقاقة من KOH الخليط، حفر بعيدا نيتريد السيليكون باستخدام HF، وأداء RCA 1 و 2 RCA تنظيف (الشكل 3A).
8. تدور معطف مع SU-8 100 ونمط مع قناع على استعداد من الخطوة 3.1 مع الوصفة التالية: 3،000 صمساء لمدة 1 دقيقة، خبز لينة عند 65 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة و 95 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، مع تعرض 550 ميغا جول / سم ^2، وآخر خبز عند 65 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة و 95 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة (الشكل 3B ).
9. بعد الشفاء من SU-8 100 بالكامل، وتطبيق أحادي الطبقة من (tridecafluoro-1-،1،2،3 tetrahydro الأوكتيل)-1-trichlorosilane بإسقاط 3-5 قطرات من (tridecafluoro-1، 1،2،3 - tetrahydro الأوكتيل)-1-trichlorosilane في وعاء الفراغ ووضع الرقاقة في جرة وتطبيق فراغ.

5. مكررة وختم Microtip باستخدام القالب

1. مزيج polydimethylsiloxane (PDMS) قاعدة وكيل علاج مع نسبة 5:1.
2. ديغا الخليط عن طريق وضعها في وعاء فراغ.
3. صب جزء صغير من خليط PDMS degassed على العفن، والسماح للإنحسر PDMS لتحقيق أعلى سطح مستو (الشكل 3C).
4. وضع القالب مع PDMS في الفرن عند 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة لعلاج تماما PDMS.
5. إزالة العفن منالفرن وقشر قبالة PDMS (الشكل 3D).

6. استرداد الحبر من الركيزة المانحة وطباعة في المنطقة المستهدفة

1. وضع الركيزة المانحة على، مراحل الترجمة ذ التناوب و x بمحركات مجهزة المجهر.
2. إرفاق ختم microtip إلى مرحلة متعدية العمودي مستقلة.
3. تحت المجهر، محاذاة ختم microtip مع الحبر سي على الركيزة المانحة باستخدام متعدية ومراحل التناوب. وعلاوة على ذلك، لا محاذاة إمالة بين سطح microtip والحبر سي عن طريق ضبط مرحلة آماله. بعد ذلك، وجلب الطابع microtip وصولا الى اجراء اتصالات.
4. جلب ببطء الطابع microtip إلى مزيد من الانخفاض بعد الاتصال الأولي، بحيث يتم انهارت نصائح صغيرة تماما والسطح كله هو على اتصال مع الحبر على الركيزة سي المانحة.
5. بسرعة رفع المرحلة ض، كسر المراسي ويرجع ذلك إلى منطقة التماس كبير بين الطابع microtip والحبر سي، لصetrieve الحبر سي من الركيزة المانحة وإرفاقه ختم microtip.
   ملاحظة: عندما ختم microtip خالية من أي إجهاد، وmicrotip مضغوط يستعيد شكله الأصلي هرمي، مما يجعل الاتصال مع الحد الأدنى من الحبر سي استردادها.
6. وضع الركيزة المتلقي على حرف X، Y مرحلة الترجمة ومحاذاة الحبر سي استرجاع تحت ختم microtip في الموقع المطلوب.
7. تنحدر المرحلة ض حتى الحبر سي استرجاع بالكاد يجعل الاتصال مع الركيزة المتلقي.
8. بعد إجراء الاتصال، رفع ببطء المرحلة ض للافراج عن الحبر سي، والطباعة على الموقع المطلوب.

7. عملية التسنيد

1. برنامج فرن التلدين الحراري السريع لدورة من RT تصل إلى 950 درجة مئوية في 90 ثانية، لا تزال في 950 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة ويبرد لRT (عن طريق إزالة أي إمدادات الحرارة في الفرن).
2. وضع الركيزة المتلقي المطبوعة في الفرن في بيئة الهواء المحيط ويصلب في 950 °مئوية لمدة 10 دقيقة لسي سي الترابط أو على 360 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لسي والاتحاد الافريقي الترابط.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

الصغرى البناء تمكن التكامل المواد غير المتجانسة لتوليد هياكل ممس التي هي صعبة للغاية أو مستحيلة لتحقيقه من خلال عمليات التصنيع الدقيق متجانسة. من أجل إثبات قدرتها، هي ملفقة هيكل (يسمى 'إبريق الشاي الصغيرة') فقط من خلال البناء الصغيرة. الشكل 4A هو صورة الم?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

الصغرى والبناء، وعرضت في الشكل 4، ينطوي على الانصهار السيليكون الترابط في خطوة الترابط المادية. ويتحقق الترابط السيليكون الانصهار من خلال وضع العينة في فرن التلدين الحراري السريع (RTA الفرن) وتسخين العينة في 950 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. هذا الشرط الصلب على حد س?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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