Micro-maçonnerie pour la 3D Additif Microfabrication

Résumé

Cet article introduit un additif stratégie de microfabrication 3D (appelé «micro-maçonnerie») pour la fabrication flexible de microsystème électromécanique (MEMS) de structures et de dispositifs. Cette approche implique le transfert assemblage à base de matériaux d'impression micro / nanométriques en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.

Résumé

Impression par transfert est une méthode pour transférer des matériaux micro / nanométriques solides (appelés «encres») à partir d'un substrat où ils sont générés à un substrat différent en utilisant des tampons élastomères. impression de transfert permet l'intégration de matériaux hétérogènes pour fabriquer des structures ou des systèmes fonctionnels sans exemple que l'on trouve dans les appareils de pointe récents, tels que les cellules solaires flexibles et extensibles et les tableaux LED. Lors de l'impression de transfert présente des caractéristiques uniques de la capacité d'assemblage matériel, l'utilisation de couches adhésives ou la modification de surface tels que le dépôt de l'auto-assemblage monocouche (SAM) sur des substrats pour l'amélioration des processus d'impression entrave sa grande capacité d'adaptation à micro-assemblage de microsystème électromécanique (MEMS) structures et des dispositifs. Pour pallier cet inconvénient, nous avons développé un mode avancé de l'impression de transfert qui assemble déterministe objets micrométriques individuels uniquement par le contrôle de la zone de contact de surfacesans aucune altération de la surface. L'absence d'une couche adhésive ou d'une autre modification, et les procédés de liaison de matériau ultérieures assurer non seulement une liaison mécanique, mais aussi la connexion électrique et thermique entre les matériaux assemblés, qui s'ouvre en outre diverses applications dans la construction de l'adaptation dans des dispositifs MEMS inhabituelles.

Introduction

Systèmes micro-électromécaniques (MEMS), tels que la miniaturisation des grandes machines 3D ordinaires, sont indispensables pour faire progresser les technologies modernes en offrant des améliorations de performance et de réduction des coûts de fabrication ^1,2. Cependant, le taux actuel de l'avancement technologique dans les MEMS ne peut être maintenue sans innovations continues dans les technologies de fabrication ^3-6. Microfabrication monolithique commune se fonde principalement sur les processus couche par couche développés pour la fabrication de circuits intégrés (IC). Cette méthode a très bien réussi à permettre la production de masse de dispositifs MEMS de haute performance. Toutefois, en raison de sa complexité couche par couche et de la nature électrochimique soustractive, la fabrication de structures en forme de diversement et des dispositifs MEMS 3D, alors que dans le macromonde facile, est très difficile à réaliser en utilisant cette microfabrication monolithique. Pour permettre plus de souplesse microfabrication 3D avec la complexité moins de processus, nous DEVEloppé un additif stratégie de microfabrication 3D (appelée «micro / nano-maçonnerie '), qui implique un assemblage de matériaux micro / nanométriques à base d'impression-transfert en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.

impression de transfert est une méthode pour transférer des matériaux à micro-solide ('encres solides ») à partir d'un substrat où ils sont générés ou cultivées sur un substrat différent en utilisant adhérence à sec contrôlée de timbres élastomères. La procédure typique de micro-maçonnerie commence par l'impression par transfert. Encres solides préfabriqués sont transfert imprimé à l'aide d'un timbre à micropointes qui est une forme avancée de timbres élastomères et les structures imprimées sont ensuite recuites utilisant le recuit thermique rapide (RTA) pour améliorer encre et encre de-adhérence au substrat. Cette approche de fabrication permet la construction de structures micrométriques inhabituelles et des dispositifs qui ne peuvent être satisfaites en utilisant d'autres métho existantds ^7.

Micro-maçonnerie propose plusieurs caractéristiques intéressantes ne sont pas présents dans d'autres méthodes: (a) la capacité d'intégrer les encres solides fonctionnelles et structurelles de matériaux différents pour assembler capteurs MEMS et actionneurs tout intégré dans la structure 3D; (B) les interfaces des encres solides assemblés peuvent fonctionner comme des contacts électriques et thermiques ^9,10; (C) la résolution spatiale de l'ensemble peut être élevé (~ 1 um) en utilisant des procédés lithographiques hautement évolutives et bien compris pour générer encres solides et les étapes mécaniques très précises pour impression par transfert ^7; et (d) des encres solides fonctionnelles et structurelles peuvent être intégrés sur deux substrats rigides et flexibles dans des géométries planes ou curvilignes.

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Protocole

1. Design Masques pour la fabrication de substrat donneur

1. Concevoir un masque avec la géométrie désirée. Pour fabriquer 100 um x 100 um carrés silicium unités individuelles, établir un réseau de 100 um x 100 um carrés.
2. Concevoir un second masque avec une géométrie identique, avec de chaque côté s'étendant sur une somme supplémentaire de 15 um. Pour le tableau de 100 um x 100 um carrés, tracer un tableau de 130 um x 130 um carrés qui peuvent couvrir les places à l'étape 1.1.
3. Concevoir la géométrie d'ancrage. Dessinez quatre 20 um x 40 um rectangles, centrés chacun sur un bord d'un carré. Placez les structures ainsi que les 15 premiers um couvre l'original 100 um x 100 um place dans l'étape 1.1 et 25 micromètres restant s'étend vers l'extérieur (comme le montre la figure 2).
   Remarque: Toutes les formes et dimensions peuvent être utilisés aussi longtemps que les contacts d'ancrage à la fois le matériau à motif et le substrat. Une extrémité de cette ancre couvre l'origineal géométrie dans l'étape 1.1 et l'autre extrémité s'étende en dehors de la géométrie à l'étape 1.2.

2. Préparer substrat donneur récupérable

1. Préparer un silicium de type p dopé sur isolant (SOI) avec plaquette 3 um d'épaisseur de couche de dispositif, avec une résistance de 1 à 20 Ω • cm et la boîte épaisseur de la couche d'oxyde de 1 um feuille. REMARQUE: Pour diverses applications, ces paramètres peuvent être modifiés.
2. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et attacher le masque conçu à l'étape 1.1.
3. L'utilisation d'une gravure ionique réactive (RIE) instrument, le motif de la couche de dispositif de la plaquette SOI et retirer le masque de résine photosensible. Après cette étape, la région gravée RIE a exposé la couche d'oxyde de boîte (Figure 2A).
4. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle avec un masque conçu à l'étape 1.2.
5. Chauffer la plaquette à 125 ° C pendant 90 secondes sur une plaque chauffante.
6. Plonger la plaquette dans49% de HF pendant 50 sec pour graver la couche exposée de l'oxyde de boîte de l'étape 2.3. Après tout séchage, enlever le masque photosensible (figure 2B).
7. manteau de Spin (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle de la conception d'ancrage de l'étape 1.3.
8. Chauffer la plaquette à 125 ° C pendant 90 secondes sur une plaque chauffante.
9. Immergez-vous dans 49% HF pendant 50 min. Cette étape grave la couche d'oxyde de boîte restant en dessous de la couche restante du dispositif à motifs de silicium, résultant en suspension silicium unités individuelles sur la résine photosensible (Figure 2C).

3. Conception Masques à un timbre de Microtip

1. Concevoir un masque avec un seul 100 x 100 um um carré.
2. Concevoir un masque avec de multiples 12 um x 12 um carrés à l'intérieur de 100 um x 100 um zone.

4. Faire le moule pour un timbre Microtip

1. Nettoyer une plaquette de silicium avec une orientation cristalline <1-0-0>, depos'asseoir à 100 nm de nitrure de silicium en utilisant Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) équipement.
2. Spin manteau photosensible (AZ5214, 3000 tours par minute pendant 30 secondes, 1,5 um d'épaisseur) et le modèle avec un masque conçu à l'étape 3.2.
3. Motif de la couche de nitrure de silicium en utilisant 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
4. Dissoudre 80 g d'hydroxyde de potassium (KOH) dans 170 ml d'eau déminéralisée et 40 ml d'alcool isopropylique d'un mélange de bêcher (IPA).
5. Chauffer l', IPA, mélange d'eau et de KOH à 80 ° C sur une plaque chauffante.
6. Verticalement placer la plaquette préparée dans le bécher avec le mélange de KOH pour graver le silicium exposé dans la structure cristalline (vitesse d'attaque est d'environ 1 pm / min).
7. Après le silicium exposé est entièrement gravée, retirez la plaquette de mélange KOH, graver loin le nitrure de silicium en utilisant HF, et effectuer RCA 1 et RCA 2 nettoyage (figure 3A).
8. Spin manteau avec SU-8 100 et le modèle avec le masque préparés à partir de l'étape 3.1 avec la recette suivante: 3000 rh pendant 1 min, cuisson douce à 65 ° C pendant 10 min et 95 ° C pendant 30 min, exposer de 550 mJ / cm ^2, et post-cuisson à 65 ° C pendant 1 min et 95 ° C pendant 10 min (figure 3B ).
9. Après le SU-8 de 100 soit complètement durci, appliquer une monocouche de (tridécafluoro-1 ,1,2,3-tétrahydro octyl)-1-trichlorosilane en laissant tomber des gouttes de 3-5 (tridécafluoro-1, 1,2,3 - tétrahydro octyl)-1-trichlorosilane dans un récipient à vide et placer la plaquette dans le pot et en appliquant le vide.

5. Dupliquer un timbre Microtip utilisant un moule

1. Mélanger le polydiméthylsiloxane (PDMS) de base et l'agent de durcissement avec le rapport de 5:1.
2. Dégazer le mélange en le plaçant dans une fiole à vide.
3. Verser une petite partie du mélange PDMS dégazé sur le moule et laissez la refusion PDMS pour obtenir une surface supérieure plane (figure 3C).
4. Placer le moule avec le PDMS dans le four à 70 ° C pendant 2 heures pour durcir complètement le PDMS.
5. Retirer le moule de l'four et éplucher les PDMS off (figure 3D).

6. Récupérer encre du substrat donneur et imprimer sur la zone cible

1. Placez le substrat donneur sur, les étapes y traduction de rotation et x motorisés équipés d'un microscope.
2. Attacher le timbre à micropointes à un étage de translation verticale indépendante.
3. Sous le microscope, aligner le timbre à micropointes avec l'encre de Si sur le substrat donneur en utilisant de translation et de rotation étapes. En outre, faire l'alignement de basculement entre la surface de la micro-pointe et l'encre de Si par une étape de réglage d'inclinaison. Ensuite, mettre le timbre de micro-pointes vers le bas pour prendre contact.
4. Porter lentement le timbre à micropointes plus bas après le contact initial, de sorte que les petits conseils sont entièrement effondrées et toute la surface est en contact avec l'encre Si le substrat donneur.
5. Élever rapidement la phase de z, la rupture des points d'ancrage en raison de la grande surface de contact entre le tampon à micropointes et l'encre de Si, à rEXTRACTION D'l'encre Si le substrat donneur et le joindre à la marque de micro-pointes.
   NOTE: Lorsque le tampon de micro-pointes est libre de toute contrainte, la micro-pointe comprimé restitue à sa forme d'origine pyramidale, la prise de contact minimal avec l'encre Si récupérées.
6. Placez le substrat du récepteur sur un x, y stade-traduction et aligner l'encre Si récupérée sous le timbre de micro-pointes à l'endroit désiré.
7. Descendez l'étape de z jusqu'à ce que l'encre Si récupérée fait à peine contact avec le substrat du récepteur.
8. Après la prise de contact, soulevez lentement la phase de z pour libérer l'encre Si, de l'imprimer sur l'endroit désiré.

7. Processus de collage

1. Programme d'un recuit thermique rapide du four à cycles de RT jusqu'à 950 ° C en 90 sec, reste à 950 ° C pendant 10 min et refroidi à la température ambiante (par élimination de tout apport de chaleur dans le four).
2. Placer le substrat récepteur imprimé dans le four dans un environnement d'air ambiant et un recuit à 950 °C pendant 10 minutes pour la liaison Si-Si ou à 360 ° C pendant 30 minutes pour la liaison Si-Au.

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Résultats

Micro-maçonnerie permet l'intégration de matériaux hétérogènes pour générer des structures MEMS qui sont très difficile ou impossible à réaliser par des procédés de microfabrication monolithiques. Afin de démontrer sa capacité, une structure (appelée «micro théière ') est fabriqué uniquement à travers des micro-maçonnerie. Figure 4A est une image de microscope optique des encres de silicium fabriquées sur un substrat donneur. Les encres sont conçues disques de dimensions ...

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Discussion

Micro-maçonnerie, présenté sur la figure 4, comprend la liaison par fusion du silicium dans une étape de liaison matérielle. La liaison par fusion du silicium est obtenue en plaçant l'échantillon dans un four de recuit thermique rapide (RTA four) et en chauffant l'échantillon à 950 ° C pendant 10 min. Cette condition de recuit à la fois adoptable entre Si - Si et Si - SiO ₂ liaison ^10,11. En variante, l'Au collée avec une bande de Si que l'on trouve sur ...

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matériels

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