Micro-mampostería para 3D Aditivo Microfabricación

Resumen

Este documento presenta una estrategia 3D microfabricación aditivo (denominado «micro-albañilería ') para la fabricación flexible del sistema microelectromecánicos (MEMS) estructuras y dispositivos. Este enfoque implica el montaje basado en la impresión de transferencia de materiales micro / nanoescala en conjunción con técnicas de material de unión de recocido térmico rápido habilitado.

Resumen

Impresión por transferencia es un método para transferir materiales micro / nanoescala sólidos (en el presente documento denominados 'tintas') a partir de un sustrato en el que se generan a un sustrato diferente mediante la utilización de sellos elastoméricos. Impresión de transferencia permite la integración de materiales heterogéneos para fabricar estructuras o sistemas sin ejemplo funcionales que se encuentran en dispositivos avanzados recientes tales como las células solares flexibles y estirables y matrices de LED. Mientras que la impresión por transferencia presenta características únicas en la capacidad de montaje de material, el uso de capas de adhesivo o la modificación de la superficie tales como la deposición de auto-ensamblado monocapa (SAM) sobre sustratos para la mejora de procesos de impresión dificulta su amplia adaptación en micromontaje de sistema microelectromecánicos (MEMS) estructuras y dispositivos. Para superar este inconveniente, hemos desarrollado un modo avanzado de la impresión de la transferencia que reúne de manera determinista objetos microescala individuales únicamente a través de control de área de contacto superficialsin ninguna alteración de la superficie. La ausencia de una capa de adhesivo u otra modificación y los procesos de material de unión posteriores garantizar no sólo la unión mecánica, pero la conexión también térmica y eléctrica entre materiales ensamblados, que abre aún más diversas aplicaciones en la adaptación en la construcción de dispositivos de MEMS inusuales.

Introducción

Sistemas microelectromecánicos (MEMS), tales como la miniaturización de las máquinas ordinarias 3D a gran escala, son indispensables para el avance de las tecnologías modernas, proporcionando mejoras en el rendimiento y la reducción de ^1,2 coste de fabricación. Sin embargo, al ritmo actual de avance tecnológico en MEMS no se puede mantener sin continuas innovaciones en las tecnologías de fabricación ^{de 3-6.} Microfabricación monolítica Común se basa principalmente en los procesos capa por capa desarrollados para la fabricación de circuitos integrados (IC). Este método ha tenido bastante éxito a permitir la producción en masa de dispositivos MEMS de alto rendimiento. Sin embargo, debido a su compleja capa por capa y la naturaleza electroquímica sustractivo, la fabricación de estructuras y dispositivos 3D MEMS en forma de manera diversa, mientras que es fácil en el macromundo, es muy difícil de lograr con este microfabricación monolítica. Para activar la microfabricación 3D más flexible con menor complejidad proceso, DEVEllado una estrategia microfabricación aditivo 3D (llamado 'micro / nano-albañilería'), que consiste en un montaje basado en la impresión por transferencia de materiales micro / nanoescala en conjunción con técnicas de material de unión de recocido térmico rápido habilitado.

Impresión por transferencia es un método para transferir los materiales a microescala sólidos (es decir, 'tintas sólidas') a partir de un sustrato en el que se generan o se cultivan a un sustrato diferente mediante el uso de adherencia en seco controlada de sellos elastoméricos. El procedimiento típico de micro-mampostería se inicia con la impresión de transferencia. Tintas sólidas son prefabricadas de transferencia impresa utilizando un sello micropunta que es una forma avanzada de sellos elastoméricos y las estructuras impresas son recocidos posteriormente utilizando recocido térmico rápido (RTA) para mejorar de tinta de tinta y la adherencia-sustrato de tinta. Este enfoque de fabricación permite la construcción de estructuras de microescala inusuales y dispositivos que no pueden ser acomodados usando otra meto existenteDS ^7.

Micro-mampostería proporciona varias características atractivas que no están presentes en otras formas: (a) la capacidad de integrar las tintas sólidas funcionales y estructurales de materiales diferentes para montar los sensores MEMS y actuadores todo ello integrado dentro de la estructura 3D; (B) las interfaces de tintas sólidas ensamblados pueden funcionar como contactos eléctricos y térmicos ^9,10; (C) la resolución espacial de montaje puede ser alta (~ 1 m) mediante la utilización altamente escalables y bien entendidos procesos litográficos para la generación de tintas sólidas y etapas mecánicas altamente precisas para la transferencia de la impresión ^7; y (d) las tintas sólidas funcionales y estructurales se pueden integrar en ambos sustratos rígidos y flexibles en plano o geometrías curvilíneas.

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Protocolo

1. Diseño Máscaras para la fabricación de sustrato donador

1. Diseñar una máscara con la geometría deseada. Para fabricar 100 micras x 100 micras unidades individuales de silicio cuadrados, dibuja una serie de 100 m x 100 m cuadrados.
2. Diseñar una segunda máscara con una geometría idéntica, con cada lado que se extiende hacia fuera una suma adicional de 15 micras. Para la gama de 100 micras x 100 m cuadrados, dibuja una serie de 130 micras x 130 m cuadrados que pueden cubrir las plazas en el paso 1.1.
3. Diseño de la geometría de anclaje. Dibuja cuatro 20 micras x 40 micras rectángulos, cada uno centrado a lo largo de un borde de un cuadrado. Coloque las estructuras de manera que la primera 15 micras cubre el 100 micras original X 100 m cuadrado en el paso 1.1 y el restante 25 micras se extiende hacia fuera (como se muestra en la Figura 2).
   NOTA: Cualquier forma y dimensiones pueden ser utilizados siempre que los contactos de anclaje tanto en el material modelado y el sustrato. Un extremo de este anclaje cubre el origenAl geometría en el paso 1.1 y el otro extremo debe extenderse a cabo la geometría en el paso 1.2.

2. Preparar sustrato donador recuperable

1. Preparar un silicio dopado tipo p sobre aislante (SOI) oblea con 3 m de espesor de capa de dispositivo, con resistencia de la lámina de 1-20 Ω • cm y espesor de la capa de óxido de caja de 1 m. NOTA: Para las diversas aplicaciones de estos parámetros pueden ser alterados.
2. Girar escudo fotoprotector (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, 1,5 m de espesor) y fije la máscara diseñada en el paso 1.1.
3. El uso de un ataque por iones reactivos (RIE) instrumento, patrón de la capa de dispositivo de la oblea SOI y quitar la máscara fotoprotector. Después de este paso, la región grabado RIE ha dejado al descubierto la capa de óxido de caja (Figura 2A).
4. Girar escudo fotoprotector (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, 1,5 m de espesor) y el patrón con la máscara diseñada en el paso 1.2.
5. Calentar la oblea a 125 º C durante 90 segundos en un plato caliente.
6. Sumerja la oblea en49% de HF en 50 segundos para grabar la capa de óxido cuadro expuesto en el paso 2.3. Después de secarse por completo, retire el fotoprotector enmascaramiento (Figura 2B).
7. Escudo de centrifugado (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, 1,5 m de espesor) y el patrón del diseño de anclaje desde el paso 1.3.
8. Calentar la oblea a 125 º C durante 90 segundos en un plato caliente.
9. Sumerja en 49% de HF durante 50 min. Este paso ataca la capa de óxido de caja que queda por debajo de la capa de silicio dispositivo con dibujos restantes, resultando en unidades individuales de silicio en suspensión sobre la fotoprotección (Figura 2C).

3. Máscaras de diseño para un sello MicroTip

1. Diseñar una máscara con un solo 100 m x 100 m cuadrados.
2. Diseñar una máscara con múltiples 12 micras x 12 micras cuadrados dentro de una zona x 100 micras 100 micras.

4. Hacer el molde para un sello MicroTip

1. Limpie una oblea de silicio con orientación cristalina de <1-0-0>, deposentarse 100 nm de nitruro de silicio usando Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition equipo (PECVD).
2. Girar escudo fotoprotector (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, 1,5 m de espesor) y el patrón con la máscara diseñada en el paso 3.2.
3. Patrón de la capa de nitruro de silicio utilizando 10:01 Buffered Óxido Etchant (BOE).
4. Disolver 80 g de hidróxido de potasio (KOH) en 170 ml de agua desionizada y 40 ml de alcohol isopropílico (IPA) mezcla de un vaso de precipitados.
5. Calentar el IPA, y la mezcla de agua de KOH a 80 ° C en una placa caliente.
6. Verticalmente colocar la oblea preparada en el vaso de precipitados con la mezcla de KOH para grabar el silicio expuesto en la estructura cristalina (tasa de ataque químico es de alrededor de 1 m / min).
7. Después de que el silicio expuesto está completamente grabado al agua fuerte, eliminar la oblea de mezcla de KOH, grabar la distancia de nitruro de silicio utilizando HF, y realizar RCA 1 y RCA 2 limpieza (Figura 3A).
8. Haga girar el abrigo con SU-8 100 y el patrón con la máscara preparado desde el paso 3.1 con receta siguiente: 3000 rPM durante 1 min, hornear suave a 65 ° C durante 10 min y 95 ° C durante 30 min, a exponer con 550 mJ / cm ^2, y después de hornear a 65 ° C durante 1 min y 95 ° C durante 10 min (Figura 3B ).
9. Después de la SU-8 100 esté completamente curado, aplicar una monocapa de (tridecafluoro-1 1,2,3-tetrahidro octil)-1-triclorosilano dejando caer 3-5 gotas de (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahidro octil)-1-triclorosilano en un frasco de vacío y la colocación de la oblea en el frasco y aplicar el vacío.

5. Duplicar un sello MicroTip usando un molde

1. Mezclar polidimetilsiloxano (PDMS) de base y agente de curado con la proporción de 5:01.
2. Desgasificar la mezcla mediante la colocación en un frasco de vacío.
3. Vierta una pequeña porción de la mezcla desgasificada de PDMS en el molde y dejar que el reflujo de PDMS para lograr una superficie superior plana (Figura 3C).
4. Coloque el molde con PDMS en el horno a 70 º C durante 2 horas para curar completamente el PDMS.
5. Retire el molde delhorno y pelar las PDMS off (Figura 3D).

6. Recuperar tinta del sustrato donador e imprimir en el área objetivo

1. Coloque el sustrato donante en etapas motorizadas de rotación y X, Y-traducción equipados con un microscopio.
2. Coloque el sello micropunta a una etapa de traslación vertical de independiente.
3. Bajo el microscopio, alinear el sello micropunta con la tinta de Si sobre el sustrato donante utilizando de traslación y de rotación etapas. Por otra parte, hacer la alineación inclinación entre la superficie micropunta y la tinta de Si mediante el ajuste de una etapa de inclinación. Después, llevar el sello micropunta abajo para hacer contacto.
4. Poco a poco llevar el sello micropunta bajar aún más después del contacto inicial, por lo que las pequeñas puntas están totalmente colapsados ​​y toda la superficie está en contacto con la tinta Si el sustrato donante.
5. Elevar rápidamente la etapa Z, rompiendo los anclajes debido a la gran área de contacto entre el sello y la tinta micropunta de Si, a retrieve Si la tinta del sustrato donante y adjuntarlo a la marca de micropunta.
   NOTA: Cuando el sello micropunta es libre de cualquier estrés, la micropunta comprimido restaura a su forma original piramidal, lo que hace un mínimo contacto con la tinta Si recuperado.
6. Coloque el sustrato receptor en una etapa y-X de translación y alinear la tinta de Si recuperado bajo el sello de micropunta en la ubicación deseada.
7. Descender la etapa Z hasta que la tinta de Si recuperado apenas hace contacto con el sustrato receptor.
8. Después de hacer contacto, aumentar lentamente la etapa Z para liberar la tinta de Si, la impresión de que en la ubicación deseada.

7. Proceso de unión

1. Programa de un horno de recocido térmico rápido a ciclo de RT hasta 950 ° C en 90 segundos, se mantienen a 950 ° C durante 10 min y enfriar a RT (mediante la eliminación de cualquier suministro de calor en el horno).
2. Coloque el sustrato receptor impreso en el horno en un ambiente con aire ambiente y recocido a 950 °C durante 10 min para Si-Si de unión o a 360 ° C durante 30 min para el Si-Au unión.

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Resultados

Micro-mampostería permite la integración material heterogéneo para generar estructuras de MEMS que son muy difíciles o imposibles de alcanzar por los procesos de microfabricación monolíticos. Con el fin de demostrar su capacidad, una estructura (llamado un "tetera de micro ') se fabrica únicamente a través de micro-mampostería. Figura 4A es una imagen de microscopio óptico de las tintas de Si fabrica sobre un sustrato donante. Las tintas diseñadas son discos con diferentes dimensione...

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Discusión

Micro-mampostería, presentado en la Figura 4, implica la unión por fusión de silicio en una etapa de unión de material. Unión por fusión de silicio se consigue colocando la muestra en un horno de recocido térmico rápido (RTA horno) y calentando la muestra a 950 ° C durante 10 min. Esta condición de recocido es tanto adoptables entre Si - Si y Si - _SiO2 ^10,11 unión. Alternativamente, el Au unida con una tira de Si como se encuentra en la Figura 5C adopta ...

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Materiales

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