Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Zusammenfassung

Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. "Mikromauerwerk ') für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken.

Zusammenfassung

Transferdruck ist eine Methode zur Fest micro / nanoskaligen Materialien (hier als 'Farben') von einem Substrat, wo sie zu einem anderen Substrat durch die Nutzung elastomeren Stempel erzeugt werden, zu übertragen. Transferdruck ermöglicht die Integration von heterogenen Materialien, um beispiellose Strukturen oder funktionellen Systemen, die in den letzten fortschrittliche Geräte, wie flexible und dehnbare Solarzellen und LED-Arrays gefunden werden, herzustellen. Während Transferdruck aufweist einzigartigen Eigenschaften der Materialanordnung Fähigkeit, die Verwendung von Klebeschichten oder die Oberflächenmodifizierung, wie Abscheidung von selbstorganisierten Monoschicht (SAM) auf Substraten zur Verbesserung der Druckprozesse behindert seine breite Anpassung in Mikromontage von mikroelektromechanischen System (MEMS)-Strukturen und Vorrichtungen. Um diesen Nachteil zu überwinden, einen erweiterten Modus von Transferdruck, die deterministisch versammelt einzelnen Mikro Objekte allein durch Steuern Oberflächenkontaktbereich entwickelten wirohne Veränderung der Oberfläche. Die Abwesenheit einer Klebstoffschicht oder einer anderen Modifikation und die nachfolgende Materialverbindungsverfahren sorgen nicht nur mechanische Verbindung, sondern auch thermische und elektrische Verbindung zwischen den zusammengesetzten Materialien, die weiter öffnet verschiedene Anwendungen in Anpassung an den Aufbau ungewöhnliche MEMS-Vorrichtungen.

Einleitung

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie beispielsweise die Miniaturisierung von großen 3D gewöhnlichen Maschinen sind für die Förderung der modernen Technologien durch Leistungsverbesserungen und Fertigungskostenreduzierung ^1,2 unverzichtbar. Allerdings kann die aktuelle Rate des technologischen Fortschritts in der MEMS nicht ohne kontinuierliche Innovationen im Fertigungstechnologien ^6.3 beibehalten werden. Gemeinsamen monolithischen Mikro beruht primär auf der Schicht-für-Schicht-Prozesse für die Herstellung von integrierten Schaltungen (IC) entwickelt. Diese Methode ist sehr erfolgreich bei eine Massenproduktion von Hochleistungs MEMS-Geräte gewesen. Jedoch aufgrund seiner komplexen Schicht-für-Schicht und elektrochemisch subtraktiven Natur, die Herstellung von unterschiedlich geformten 3D-MEMS-Strukturen und Einrichtungen, während in der Makrowelt einfach, ist sehr anspruchsvoll mit diesem monolithischen Mikro zu erreichen. Um mehr flexible 3D-Mikrofabrikation mit weniger Prozesskomplexität ermöglichen, Ent wirwickelt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (als "Mikro / Nano-Mauerwerk"), die eine Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken beinhaltet.

Transferdruck ist eine Methode zur Fest mikroskaligen Materialien (dh 'solid Farben') von einem Substrat, wo sie durch die Verwendung kontrollierter Trockenhaftung von elastomeren Stempel erzeugt werden oder in ein anderes Substrat aufgewachsen zu übertragen. Die typische Vorgehensweise von Mikro-Mauerwerk beginnt mit Transferdruck. Fertig feste Tinten sind Transfer gedruckt mit einer Mikrobriefmarke, die eine fortgeschrittene Form von elastomeren Stempel und die gedruckten Strukturen werden anschließend mit Rapid Thermal Annealing (RTA), Tinte-Tusche und Tinte-Substrat-Haftung zu verbessern geglüht ist. Dieses Herstellungs Ansatz ermöglicht die Konstruktion von Mikrostrukturen und ungewöhnliche Geräte, die nicht mit anderen bestehenden metho gebracht werden könnends ^7.

Micro-Mauerwerk bietet mehrere nicht in anderen Verfahren weisen attraktive Merkmale: (a) die Fähigkeit, funktionelle und strukturelle feste Tinten unterschiedlicher Materialien zu integrieren, um MEMS-Sensoren und Aktoren montieren alle innerhalb des 3D-Struktur integriert; (B) die Schnittstellen von zusammen feste Tinten kann als elektrische und thermische Kontakte funktionieren ^9,10; (C) die Anordnung räumlicher Auflösung hohe (~ 1 um) durch Verwendung von hoch skalierbaren und gut verstanden lithographischen Verfahren zur Erzeugung fester Tinte und hochpräzise mechanische Stufen für den Transferdruck ⁷ ist; und (d) Funktions-und Struktur feste Tinten auf beiden starren und flexiblen Substraten in ebene oder gekrümmte Geometrien integriert werden.

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Protokoll

1. Design-Masken für die Herstellung von Donor-Substrat

1. Entwerfen Sie eine Maske mit der gewünschten Geometrie. Bis 100 um x 100 um ² Silizium einzelnen Einheiten herzustellen, ziehen eine Reihe von 100 um · 100 um Quadraten.
2. Entwerfen Sie eine zweite Maske mit identischer Geometrie, mit jeder Seite, die sich eine zusätzliche 15 um. Für das Array mit 100 um · 100 um Plätze, ziehen eine Reihe von 130 um x 130 um Quadrate, die die Plätze in Schritt 1.1 abdecken kann.
3. Entwerfen Sie die Ankergeometrie. Zeichnen Sie vier 20 um x 40 um Rechtecke, die jeweils entlang einer Kante eines Quadrats zentriert. Zeigen der Strukturen, so daß die ersten 15 &mgr; m umfasst die Vorlage 100 &mgr; m × 100 &mgr; m im Quadrat in Schritt 1.1 und die restlichen 25 &mgr; m erstreckt sich nach außen (wie in Fig. 2 gezeigt).
   Hinweis: Alle Formen und Abmessungen können verwendet werden, solange wie die Ankerkontakte sowohl die strukturierte Material und dem Substrat. Ein Ende des Ankers erstreckt sich die Herkunftal Geometrie in Schritt 1.1 und das andere Ende sollte erstrecken sich die Geometrie in Schritt 1.2.

2. Bereiten Retrievable Donorsubstrats

1. Vorbereitung einer p-dotierten Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer mit 3 &mgr; m Schichtdicke Vorrichtung mit Schichtwiderstand von 1-20 Ω • cm und Feld-Oxidschicht einer Dicke von 1 &mgr; m. HINWEIS: Für verschiedene Anwendungen können diese Parameter verändert werden.
2. Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und bringen Sie die in Schritt Maske 1.1 konzipiert.
3. Verwendung eines reaktiven Ionenätzens (RIE) Instrument Muster der Bauteilschicht des SOI-Wafers und die Photoresistmaske zu entfernen. Nach diesem Schritt wurde die RIE-geätzten Bereich der Oxidschicht Feld (2A) ausgesetzt ist.
4. Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 1.2 konzipiert.
5. Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte.
6. Tauchen Sie die Wafer in49% HF für 50 Sekunden ausgesetzt, um das Feld-Oxid-Schicht aus Schritt 2.3 ätzen. Nach dem vollständigen Trocknen, entfernen Sie die Maskierung Photoresist (2B).
7. Spin Mantel (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und die Verankerungsmuster-Design von Schritt 1.3.
8. Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte.
9. Tauchen Sie ein in 49% HF für 50 min. Dieser Schritt ätzt das unterhalb des verbleibenden gemusterten Siliciumbauelementschicht verbleibenden Feld-Oxidschicht, wodurch suspendiert Silizium individuellen Einheiten auf dem Photolack (Fig. 2C).

3. Design-Masken für eine Microtip Stamp

1. Entwerfen Sie eine Maske mit einer einzigen 100 um x 100 um im Quadrat.
2. Entwerfen Sie eine Maske mit mehreren 12 um x 12 um Plätze in einem 100 um · 100 um Bereich.

4. Machen Sie die Form für eine Microtip Stamp

1. Reinigen eines Silizium-Wafers mit Kristallorientierung von <1-0-0>, Depositzen 100 nm Siliziumnitrid mit Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Ausrüstung.
2. Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 3.2 konzipiert.
3. Muster der Siliziumnitrid-Schicht mit 10.01 Buffered Oxide Ätzmittel (BOE).
4. Man löst 80 g Kaliumhydroxid (KOH) in 170 ml entionisiertem Wasser und 40 ml Isopropylalkohol (IPA)-Gemisch ein Becherglas.
5. Erhitzen Sie das KOH, IPA, und Wasser-Gemisch bei 80 ° C auf einer Heizplatte.
6. Kant auf die vorbereitete Wafer in das Becherglas mit KOH Mischung auf die freiliegende Silizium im Kristallstruktur zu ätzen (Ätzrate etwa 1 &mgr; m / min).
7. Nach dem freigelegten Silizium vollständig geätzt ist, entfernen Sie den Wafer von KOH Mischung, wegätzen die Siliziumnitrid mit HF und führen RCA 1 und 2 Cinch-Reinigung (3A).
8. Spin Mantel mit SU-8-100 und Muster mit den vorbereiteten Maske von Schritt 3.1 mit folgendem Rezept: 3.000 UUhr für 1 min, weich backen bei 65 ° C für 10 min und 95 ° C für 30 min, entlarven mit 550 mJ / cm ^2, und nach backen bei 65 ° C für 1 min und 95 ° C für 10 min (3B ).
9. Nach der SU-8 100 vollständig ausgehärtet ist, gelten eine Monoschicht (Tridecafluor-1 ,1,2,3-Tetrahydro-octyl)-1-Trichlorsilan durch Fallen 3-5 Tropfen (Tridecafluor-1, 1,2,3 - Tetrahydro octyl)-1-Trichlorsilan in einem Vakuumgefäß und Platzieren der Wafer in der Glas-und Anlegen des Vakuums.

5. Duplizieren einer Microtip Stempel unter Verwendung einer Form

1. Mischen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und Härter mit dem Verhältnis von 5:1.
2. Entgasen Sie die Mischung, indem Sie es in einem Vakuumgefäß.
3. Gießen Sie einen kleinen Teil der entgasten PDMS-Gemisch auf der Form und lassen Sie die PDMS-Reflow auf eine flache Oberfläche (3C) zu erreichen.
4. Plaziere die Form mit PDMS im Ofen bei 70 ° C für 2 Stunden, um die PDMS vollständig auszuhärten.
5. Entfernen Sie die Form aus demBackofen und schälen Sie die PDMS aus (3D).

6. Abrufen Tinte aus dem Spender und Substrat-und Print auf der Zielbereich

1. Platzieren der Spendersubstrat auf motorisierte Dreh und x, y-Positionierer mit einem Mikroskop ausgestattet.
2. Befestigen Sie den Mikro Stempel zu einem unabhängigen vertikalen Translations Bühne.
3. Unter dem Mikroskop ausrichten Mikromarke mit dem Si-Tinte auf dem Donator-Substrat mit Translations-und Rotationsschritte. Weiterhin müssen die Neigungsausrichtung zwischen der Mikrospitze und der Oberfläche Si Tinte durch Einstellen eines Neigungsstufe. Danach bringen die Mikro Stempel auf Kontakt.
4. Langsam weiter nach unten bringen die Mikro Stempel nach dem ersten Kontakt, so dass kleine Tipps sind komplett zusammengebrochen und in Kontakt mit der Si-Tinte auf Donor-Substrat die gesamte Oberfläche ist.
5. Erhöhen Sie schnell die z Bühne, brechen die Anker aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen der Mikrospitze Tempel und der Si-Tinte, retrieve der Si-Tinte von der Donor-Substrat und befestigen es an der Mikrospitze Marke.
   HINWEIS: Wenn die Mikrotempel ist frei von Stress, stellt die Druckmikrospitze zu seiner ursprünglichen Pyramidenform, so minimalen Kontakt mit der abgerufenen Si Tinte.
6. Stellen Sie den Empfänger Substrat auf eine x, y-Verschiebetisch und ausrichten abgerufen Si Tinte unter der Mikrospitze Stempel an der gewünschten Stelle.
7. Abfahrt auf der Bühne, bis die z abgerufen Si Tinte macht kaum Kontakt mit dem Empfängersubstrat.
8. Nach Kontaktaufnahme, langsam erhöhen die z-Bühne, um die Si-Tinte zu lösen, Druck auf die gewünschte Stelle.

7. Bonding-Prozess

1. Programm ein schnelles thermisches Wärmebehandlungsofen zu Zyklus von RT bis 950 ° C in 90 sec, bleiben bei 950 ° C für 10 min und Abkühlen auf Raumtemperatur (durch Entfernen von Wärmezufuhr im Ofen).
2. Legen des bedruckten Empfangssubstrats in den Ofen in einer Luftumgebung und Tempern bei 950 °C für 10 min für Si-Si-Bindung oder bei 360 ° C für 30 min für Si-Au-Bindung.

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Ergebnisse

Micro-Mauerwerk ermöglicht heterogenes Material Integration in MEMS-Strukturen, die sehr herausfordernd oder unmöglich, von monolithischen Mikrofabrikationsprozesse erreichen zu generieren. Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, wird eine Struktur (eine so genannte "Mikro Teekanne ') allein durch Mikro-Mauerwerk hergestellt. 4A ist eine optische Mikroskopbild hergestellt Si-Tinten auf einer Donor-Substrat. Die Tinten sind entworfen Discs mit verschiedenen Dimensionen der einkristallinen Sili...

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Diskussion

Mikromauerwerk, in 4 dargestellt, beinhaltet Siliziumschmelzverbindungsmaterial in einem Verbindungsschritt. Silizium-Fusionsbonden, indem die Probe in einem schnellen thermischen Ofen (RTA-Ofen) und Erhitzen der Probe bei 950 ° C für 10 min erreicht. Dieses Glühen Bedingung ist sowohl Herrenlose zwischen Si - Si-und Si - SiO _2-Bindung ^10,11. Alternativ kann die Au mit einer Si Streifen gebunden, wie in 5C gefunden annimmt eutektisches Bonden, und daher ist die ...

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Materialien

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