This work was carried out in the framework of the project &#8220;MIRAGE,&#8221; funded by the European Commission within the FP7 program.

1. LIFT-unterstützte Flip-Chip-Bonding HINWEIS: Es gibt drei Stufen der Realisierung der LIFT-unterstützte Flip-Chip-Baugruppen, nämlich-Mikro-Bumping der Substrate mit dem LIFT-Technik, die Befestigung der optoelektronischen Chips auf die gestoßen Substrate mit Thermokompressions-Flip-Chip-Bonding-Verfahren beteiligt sind, und schließlich Verkapselung der verklebten Anordnungen. Jede dieser Stufen wird in den folgenden Abschnitten beschrieben: <ol><li> Micro-Bumping mit LIFT: <ol><li> Für Donor Zubereitung Abscheidung einer Dünnschicht aus dem Spendermaterial auf ein lasertransparentes Trägersubstrat. Für dieses Experiment wurde verdampft ein 200 nm dicker Film aus Indium-Metall auf der Oberseite der Glasträgersubstrat mit den Abmessungen: Durchmesser von 2 inch x 0,05 cm Dicke. HINWEIS: Donor Herstellungsverfahren ist abhängig von der Phase des Spendermaterial, zum Beispiel verwenden die Verdampfung und Sputtern für die Festphasen Donormaterialien und Spin-Beschichtung und Rakeln für Flüssigphasen-Spenders. </li><li> Für Empfänger Vorbereitung, verwenden Glassubstraten mit einer Größe von 5 x 5 x 0,07 cm 3 als Empfänger. Pattern diese Substrate mit den metallischen Kontaktflächen zum Verbinden der OE-Chip und Fan-out-Sondierung Strukturen mittels Photolithographie. Für dieses Experiment Muster 4 um dicke Ni-Au-Bond-Pads und Fan-out-Probing-Tracks auf Glassubstraten Empfänger. </li><li> Als nächstes legen Sie den Spender in Kontakt mit dem Empfänger und montieren Sie den Spender-Empfänger-Baugruppe auf einem computergesteuerten XY-Verschiebetisch. HINWEIS: In Abhängigkeit von der Phase des Gebermaterials (zB Feststoff (Indium) oder Flüssigkeit (Tinte / Paste)), und ihre Dicke, der Spender und der Empfängersubstrate werden bei einer optimalen Trennung, die leicht gesteuert werden kann (beispielsweise durch platziert mit metallischen Abstandhaltern). </li><li> Konzentrieren des einfallenden Laserstrahls auf dem Träger-Donor-Schnittstelle unter Verwendung einer Objektivlinse mit 160 mm Brennweite und Scannen des Strahls (20 um Punktgrße) über der Spender substrate für die Übertragung von Spender-Mikro Stöße auf die Empfänger Anleihe-Pads. Verwenden Sie einen Pikosekunden-Laserquelle von 355 nm Wellenlänge und 12 ps Pulsdauer zu Indiumhöcker auf die Empfänger Anleihe-Pads bei einer Fluenz von 270 mJ / cm 2 zu heben. Hinweis: Die Lasereigenschaften, wie Energie, keine. der Impulse, die Objektivlinse Höhenkoordinaten der genauen Stelle auf dem Empfängersubstrat zum Drucken Spender-Mikro Beulen und das gewünschte Muster übertragen werden präzise durch ein Computerprogramm gesteuert werden. Key experimentellen Parameter (zB Übertragung Einfluss) müssen im Falle der Verwendung eines anderen Laserquelle optimiert werden. </li><li> Für dickere Bodenwellen bewegen Sie den Geber auf eine frische Bereich und wiederholen Sie Schritt 1.1.4 mehrmals. Zum Beispiel, wiederholen Sie Schritt 1.1.4 sechs Mal, um einen Stapel von 6 Indium Unebenheiten auf der jeweils anderen für diesen Versuch gedruckt zu bekommen. Die endgültige angehoben Unebenheiten haben eine durchschnittliche Höhe von ~ 1,5 &amp; mgr; m und einem Durchmesser von 20 um (2). HINWEIS: Für diese experiments das Oberflächenprofil und die Dicke der Erhebungen wurden unter Verwendung eines optischen Profilometers gemessen. Es wurde geprüft, daß die Höcker hatten eine konvex / Kuppel-Morphologie mit einer mittleren Dicke von 1,5 um, gemittelt über den Höckerdurchmesser (wie gelb markiert in Figur 3). Der Grund dafür ist die Tatsache, dass der Spender geschmolzen in dem Laser bestrahlten Zone und der Pellets übertragen dann beim Erreichen der Aufnahmefläche (Indium hat einen niedrigen Schmelzpunkt) wiedererstarrten zurückzuführen. Der Vorteil davon ist, dass es zu einer guten Haftung der gedruckten Bump den VCSEL Kontaktpads führt. </li></ol></li><li> Chip zum Thermokompressionsbonden Substrat (Abbildungen 4-6): <ol><li> Verwenden Sie eine halbautomatische Flip-Chip-Bonder zum Verkleben der optoelektronischen Chips auf die gestoßen Substraten. </li><li> Laden Sie das stieß Empfänger und der Chip auf ihrer jeweiligen Vakuumplatten der Bonder gebunden werden. Setzen Sie den Chip in einem umgedreht Position, dh mit seiner aktiven Fläche facing nach unten. </li><li> Verwenden Sie ein geeignetes Aufnahmewerkzeug und richten Sie sie auf die Mitte des Chips. Verwenden Sie einen nadelförmigen Werkzeug wie in Abbildung 5 dargestellt. Als nächstes wählen Sie den Chip mit dieser Pick-up-Tool. </li><li> Ausrichten der Chipbondanschlußflächen mit den entsprechenden Kontaktflächen auf dem Empfangsmaterialsubstrat mit einer Kamera-Ausrichtungssystem. </li><li> Nach der Ausrichtung Ort des Chips auf dem Substrat. </li><li> Bewerben Wärme (~ 200 ° C) und Druck (12,5 gf / Stoß) gleichzeitig Chip zu realisieren, um elektrische und mechanische Verbindungen Substrat. </li></ol></li><li> Kapselung der Bonding-Anordnungen (Abbildungen 4-6): <ol><li> Verzichtet einen optisch transparenten Klebstoff an den Rändern der verbundenen Anordnung unter Verwendung einer Spritzennadel. Die Verkapselung erhöht die mechanische Zuverlässigkeit der verklebten Anordnungen. Verwenden Sie eine einzelne Komponente UV-härtenden Klebstoff, wie NOA 86 zum Einkapseln der gebundenen Chips. </li><li> Cure den Klebstoff mit einer UV-Lampe für ~ 30 Sekunden. </li></ol></li></ol> 2. Charakterisierung der gebundenen Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) HINWEIS: Nach der Herstellung der nächste Schritt ist, die elektro-optischen Eigenschaften der verklebten Anordnungen zu beurteilen. Die Licht-Strom-Spannungs (LIV) Kurven der Geräte aufgezeichnet post-Bindung mit einer Sonde entfernt. Folgende Schritte sind für die Prüfung einbezogen: <ol><li> Legen Sie die Flip-Chip-gebundenen Gerät auf eine maßgeschneiderte transparente Bühne. Die Bühne weist ein Loch in der Mitte für einen einfachen Zugang zu dem Licht, das durch den VCSEL emittiert wird gebohrt. </li><li> Legen Sie ein Fotodetektor (PD) unter dem transparenten Bühne und seinem aktiven Bereich mit dem gebundenen Chip mit Hilfe eines Mikroskops auszurichten. </li><li> Genau zu positionieren, die Sondierung Nadeln auf dem Ni-Au Prüfkontaktflächen mit Hilfe eines Mikroskops. </li><li> Spritzen Sie bis zu 10 mA Strom und messen Sie den Spannungsabfall über der VCSEL und das Licht durch sie mit einem Strom- / Spannungsquelle-Meter-Einheit emittiert und ein Leistungsmesser resziehungs. </li></ol>

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	<li>Davis, E., Harding, W., Schwartz, R., Coring, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+logic+technology:+versatile,+high+performance+microelectronics.">Solid logic technology: versatile, high performance microelectronics.</a> IBM J. Res. Develop. 8, 102-114 (1964).</li><li>Bigas, M., Cabruja, E., Lozano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonding+techniques+for+hybrid+active+pixel+sensors+(HAPS).">Bonding techniques for hybrid active pixel sensors (HAPS).</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 574 (2), 392-400 (2007).</li><li>Bohandy, J., Kim, B. F., Adrian, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+deposition+from+a+supported+metal+film+using+an+excimer+laser.">Metal deposition from a supported metal film using an excimer laser.</a> J. Appl. Phys. 60 (4), 1538-1539 (1986).</li><li>Kaur, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shadowgraphic+studies+of+triazene+assisted+laser-induced+forward+transfer+of+ceramic+thin+films.">Shadowgraphic studies of triazene assisted laser-induced forward transfer of ceramic thin films.</a> J. Appl. Phys. 105 (11), 113119 (2009).</li><li>Boutopoulos, C., Pandis, C., Giannakopoulos, K., Pissis, P., Zergioti, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer/carbon+nanotube+composite+patterns+via+laser+induced+forward+transfer.">Polymer/carbon nanotube composite patterns via laser induced forward transfer.</a> Appl. Physc. Lett. 96, 041104 (2010).</li><li>Xu, J., Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-assisted+forward+transfer+of+multi-spectral+nanocrystal+quantum+dot+emitters.">Laser-assisted forward transfer of multi-spectral nanocrystal quantum dot emitters.</a> Nanotechnology. 18 (2), 025403 (2007).</li><li>Doraiswamy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excimer+laser+forward+transfer+of+mammalian+cells+using+a+novel+triazene+absorbing+layer.">Excimer laser forward transfer of mammalian cells using a novel triazene absorbing layer.</a> Appl. Surf. Sci. 252 (13), 4743-4747 (2006).</li><li>Papazoglou, S., Raptis, Y. S., Chatzandroulis, S., Zergioti, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=I.A+study+on+the+pulsed+laser+printing+of+liquid+phase+exfoliated+graphene+for+organic+electronics.">I.A study on the pulsed laser printing of liquid phase exfoliated graphene for organic electronics.</a> Appl. Phys. A. , (2014).</li><li>Chatzipetrou, M., Tsekenis, G., Tsouti, V., Chatzandroulis, S., Zergioti, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biosensors+by+means+of+the+laser+induced+forward+transfer+technique.">Biosensors by means of the laser induced forward transfer technique.</a> Appl. Surf. Sci. 278, 250-254 (2013).</li><li>Stewart, J. S., Lippert, T., Nagel, M., Nuesch, F., Wokaun, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Red-green-blue+polymer+light-emitting+diode+pixels+printed+by+optimized+laser-induced+forward+transfer.">Red-green-blue polymer light-emitting diode pixels printed by optimized laser-induced forward transfer.</a> Appl. Phys. Lett. 100 (20), 203303 (2012).</li><li>Kaur, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Waveguide+mode+filters+fabricated+using+laser-induced+forward+transfer.">Waveguide mode filters fabricated using laser-induced forward transfer.</a> Opt. Express. 19 (10), 9814-9819 (2011).</li><li>Kuznetsov, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+fabrication+of+large-scale+nanoparticle+arrays+for+sensing+applications.">Laser fabrication of large-scale nanoparticle arrays for sensing applications.</a> ACS Nano. 5 (6), 4843-4849 (2011).</li><li>Rapp, L., Diallo, A. K., Alloncle, A. P., Videlot-Ackermann, C., Fages, F., Delaporte, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pulsed-laser+printing+of+organic+thin-film+transistors.">Pulsed-laser printing of organic thin-film transistors.</a> Appl. Phys. Lett. 95 (17), 171109 (2009).</li><li>Bosman, E., Kaur, K. S., Missinne, J., Van Hoe, B., Van Steenberge, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assembly+of+optoelectronics+for+efficient+chip-to-waveguide+coupling.">Assembly of optoelectronics for efficient chip-to-waveguide coupling.</a> , 630-634 (2013).</li><li>Kaur, K. S., Missinne, J., Van Steenberge, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flip-chip+bonding+of+vertical-cavity+surface-emitting+lasers+using+laser-induced+forward+transfer.">Flip-chip bonding of vertical-cavity surface-emitting lasers using laser-induced forward transfer.</a> Appl. Phys. Lett. 104 (6), 061102 (2014).</li><li>Kaur, K. S., al, e. t. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+forward+transfer+of+focussed+ion+beam+pre-machined+donors.">Laser-induced forward transfer of focussed ion beam pre-machined donors.</a> Appl. Surf. Sci. 257 (15), 6650-6653 (2011).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

In dieser Arbeit haben wir Thermokompressions-Flip-Chip-Bonden der einzelnen VCSEL-Chips unter Verwendung eines laserbasierten Direktschreibtechnik genannt LIFT demonstriert. Die Montageherstellungsschritten beteiligten Druck der Mikro Höcker aus Indium auf die Substratkontaktflächen unter Verwendung des LIFT-Technik. Dies wurde durch Thermokompressions Flip-Chip-Bonden von VCSEL-Chips auf die gestoßen Substrate und schließlich ihre Einkapselung gefolgt. Elektrische, optische und mechani...

Laser-induzierte Vorwärtstransfer (LIFT) ist ein vielseitiges Direkt schreiben additive Herstellungsverfahren für Einzelschritt-Definition-Muster und Materialtransfer mit Mikrometer- und Sub-Mikrometer-Auflösung. In dieser Veröffentlichung berichten wir die Verwendung von LIFT als Bumping-Technik für die Flip-Chip-Packaging von Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslaser (VCSEL) auf einem Chip-Maßstab. Die Flip-Chip ist eine Schlüsseltechnologie in der System Verpackung und Integration von elektronischen und optoelektronischen (OE) Komponenten. Um dichte Integration von Komponenten zu erreichen Fine-Pitch-Bindung ist von wesentlicher Bedeutung. Obwohl Feinausgleich wurde von einigen der Standardtechniken nachgewiesen, aber es gibt eine Lücke in Bezug auf Kombinieren der andere wichtige Merkmale wie Flexibilität, Wirtschaftlichkeit, Geschwindigkeit, Genauigkeit und niedrige Verarbeitungstemperatur. Um diesen Anforderungen gerecht zu zeigen wir, LIFT-unterstützten Thermokompressions-Bondverfahren für Fine-Pitch-Verklebung von OE-Komponenten. In LIFT, ein dünner Film des zu bedruckenden Materials (als Donor bezeichnet) wird auf einer Fläche eines lasertransparentes Trägersubstrat (nachfolgend als Träger bezeichnet) abgeschieden. 1 zeigt das Grundprinzip dieser Technik. Ein einfallender Laserimpuls mit ausreichender Intensität wird dann an dem Träger-Donor-Schnittstelle, die erforderlich ist, um Vorwärtsübertragungs den Spender Pixels von der bestrahlten Zone auf ein anderes Substrat Antriebskraft (im folgenden als Empfänger bezeichnet wird) in enger Nachbarschaft plaziert bietet konzentriert. LIFT wurde zum ersten Mal 1986 von Bohandy als eine Technik, um mikrometergroßen Kupferleitungen zur Reparatur beschädigter Foto-Masken 3 drucken wiesen. Seit der ersten Vorführung diese Technik hat erhebliches Interesse als Mikro-Nano-Fertigungstechnologie zur gesteuerten Musterbildung und das Drucken einer Vielzahl von Materialien wie Keramiken 4 CNTs 5, QD 6 lebende Zellen 7, Graphen gewonnenEn-8, für vielfältige Anwendungen wie zB Bio-Sensoren 9, OLEDs 10, optoelektronische Bauteile 11, Plasmonensensoren 12, Bio-Elektronik 13 und Flip-Chip-Bonding 14,15. LIFT bietet mehrere Vorteile gegenüber den bestehenden Flip-Chip-Bumping und Verbindungstechniken wie Einfachheit, Schnelligkeit, Flexibilität, Wirtschaftlichkeit, hohe Auflösung und Genauigkeit für die Flip-Chip-Verpackung von OE-Komponenten.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="663">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:161px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser source</td>
			<td style="width:161px;">3D MicroMac (3DMM)</td>
			<td style="width:119px;">2912-295</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Photodetector</td>
			<td style="width:161px;">Newport&#160;</td>
			<td style="width:119px;">818 series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Source measurement unit</td>
			<td style="width:161px;">Keithley&#160;</td>
			<td style="width:119px;">2401</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Power meter</td>
			<td style="width:161px;">Newport&#160;</td>
			<td style="width:119px;">1930</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Underfill</td>
			<td style="width:161px;">Norlands</td>
			<td style="width:119px;">NOA 86</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">UV lamp</td>
			<td style="width:161px;">Omnicure</td>
			<td style="width:119px;">Series 1000 UV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Probe station</td>
			<td style="width:161px;">Cascade Microtech</td>
			<td style="width:119px;">model 42</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Flip-chip bonder</td>
			<td style="width:161px;">Dr. Tresky</td>
			<td style="width:119px;">T-320 X</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laser-induced forward transfer for flip-chip packaging of single dies

Flip-Chip (FC) Verpackung ist eine der Schlüsseltechnologien für die Realisierung hoher Leistung, extrem miniaturisiert und mit hoher Dichte Schaltungen in der Mikroelektronik. Bei dieser Technik wird der Chip und / oder das Substrat angestoßen wird und die beiden werden über diese leitenden Erhebungen verbunden sind. Viele Bumping Techniken entwickelt worden, und seit der Einführung der Technik FC 1960 1 wie Schablonendruck, Stud-Bumping, Eindampfen und strom / Galvanisieren 2 intensiv untersucht. Trotz der Fortschritte, die diese Verfahren hergestellt sie alle von einem leiden oder mehrere Nachteile auf, die angegangen werden, wie beispielsweise Kosten, komplexe Verarbeitungsschritte, hohe Verarbeitungstemperaturen, die Herstellungszeit und vor allem die mangelnde Flexibilität benötigen. In dieser Arbeit zeigen wir eine einfache und kosteneffektive Laserbasis Höckerbildungstechnik, wie Laser-induzierte Vorwärtsübertragungs (LIFT) bekannten 3. Mit dem Lift-Technik eine Vielzahl von Bump-Materialien be in einem einzigen Schritt mit großer Flexibilität, hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit bei RT gedruckt. Darüber hinaus ermöglicht die LIFT-Bumping und Kleben auf Chip-Scale, die kritisch für die Herstellung von Ultra-Miniatur-Schaltkreis ist.

Figur 7 zeigt eine typische LIV Kurve, die von einem der vielen Flip-Chip-gebondet VCSEL Chips aufgezeichnet. Eine gute Übereinstimmung zwischen der gemessenen Lichtleistung an den Lieferanten angegebenen Werte angegeben erfolgreiche Funktionieren des gebundenen Geräte Post-Bindung. Die Kurven wurden ebenfalls aufgezeichnet Priorität und post-Verkapselung und die bei einem Vergleich wurde verifiziert, dass das Verkapselungsmittel hatte keine Auswirkung auf die Funktionalität des Chips (wie in <stron...

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Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Wir zeigen die Verwendung des Laser-induzierten Weiterleiten Transfer (LIFT) -Technik für die Flip-Chip-Montage von optoelektronischen Bauelementen. Diese Vorgehensweise stellt eine einfache, kostengünstige, Tieftemperatur, schnelle und flexible Lösung zur Feinabstands Stoßen und Verbinden auf Chipmaßstab zur Erzielung hochdichten Schaltungen für optoelektronische Anwendungen.

Laser-induzierte Vorwärtstransfer für Flip-Chip-Packaging der Einzelstümpfe

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K Aufrufe.  Ghent University-imec.  Wir zeigen die Verwendung des Laser-induzierten Weiterleiten Transfer (LIFT) -Technik für die Flip-Chip-Montage von optoelektronischen Bauelementen. Diese Vorgehensweise stellt eine einfache, kostengünstige, Tieftemperatur, schnelle und flexible Lösung zur Feinabstands Stoßen und Verbinden auf Chipmaßstab zur Erzielung hochdichten Schaltungen für optoelektronische Anwendungen. 

Serie: Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compact Quantum Dots für Einzelmolekül-Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Forschung

Ingenieurwesen

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

Die Analyse der Kontaktschnittstellen für Einzel GaN-Nanodraht-Geräte

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

Messung und Analyse von atomarem Wasserstoff und Zweiatomige Molekulare AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, und TiO Spektren nach Laser-induzierten Breakdown Optical

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle&#039;s Mapping and Quantification in Organ Tissue

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

Laserinduzierte Plasmaspektroskopie: ein neuer Ansatz für die Nanopartikel-Mapping und Quantifizierung in Organgewebe

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

Laser-induzierte Vorwärts Übertragung von Ag von Nano

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) basierte Methodik zur quantitativen Bewertung von Vorwärts- und Rücklichtlichtstreuung aus Intraokularlinsen

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new techniques capable of characterizing their dynamics. Investigating single dopants requires sub-nanometer spatial resolution, which motivates the use of scanning tunneling microscopy (STM). However, conventional STM is limited to millisecond temporal resolution. Several methods have been developed to overcome this shortcoming, including all-electronic time-resolved STM, which is used in this study to examine dopant dynamics in silicon with nanosecond resolution. The methods presented here are widely accessible and allow for local measurement of a wide variety of dynamics at the atomic scale. A novel time-resolved scanning tunneling spectroscopy technique is presented and used to efficiently search for dynamics.

We demonstrate an all-electronic method to observe nanosecond-resolved charge dynamics of dopant atoms in silicon with a scanning tunneling microscope.

Vollelektronische Nanosekunde gelöst Scanning Tunneling Microscopy: Erleichterung der Untersuchung der einzelnen Dotierstoff kostenlos Dynamik

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...