מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Summary

נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה "מיקרו בנייה") עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול.

Abstract

העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים מיקרו / ננו (המכונים במסמך "דיו") ממצע שבו הם נוצרו למצע שונה על ידי שימוש בבולי אלסטומרי. העברת הדפסה מאפשרת שילוב של חומרים הטרוגניים לפברק מערכות תפקודיות מבנים שאין דומים או שנמצאים במכשירים מתקדמים אחרונים, כגון תאים סולריים גמישים ומתיחים ומערכי LED. בעוד הדפסת העברה מפגינה תכונות ייחודיות ביכולת הרכבה חומר, השימוש בשכבות דבק או שינוי פני השטח כגון תצהיר של monolayer עצמית התאספו (SAM) על מצעים לשיפור תהליכי הדפסה מעכבת ההסתגלות רחבה שלה ברכבות מייקרו מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. כדי להתגבר על חסרון זה, פיתחנו מצב מתקדם של הדפסת ההעברה שdeterministically מרכיב אובייקטי microscale אדם אך ורק באמצעות שליטה בשטח מגע פני השטחללא כל שינוי פני השטח. היעדר שכבת דבק או שינוי אחר ותהליכי המליטה החומרים הבאים להבטיח מליטה מכאנית לא רק, אבל גם חיבור תרמי וחשמלי בין חומרים שנאספו, אשר פותח עוד יותר יישומים שונים בהסתגלות בבניית התקני MEMS יוצא דופן.

Introduction

מערכות מייקרו (MEMS), כגון המזעור של מכונות 3D רגילות בקנה מידה גדולה, הם חיוניים לקידום טכנולוגיות מודרניות על ידי אספקת שיפורי ביצועים ^ו1,2 הפחתת עלות ייצור. עם זאת, בקצב הנוכחי של התקדמות טכנולוגית בMEMS לא יכול להישמר ללא חידושים מתמידים בטכנולוגיות ייצור ^3-6. microfabrication מונוליטי הנפוץ מסתמך בעיקר על שכבה אחר שכבת תהליכים שפותחו עבור הייצור של מעגלים משולבים (IC). שיטה זו הייתה מוצלחת למדי הבמאפשר ייצור המוני של התקני MEMS ביצועים גבוהים. עם זאת, בשלה מורכב שכבה אחר שכבה וטבע אלקטרוכימי תוסף, ייצור של מבני 3D MEMS diversely בצורת והתקנים, ואילו קל בmacroworld, הוא מאוד מאתגר להשיג באמצעות microfabrication מונוליטי זה. כדי לאפשר microfabrication 3D גמיש יותר עם מורכבות פחות תהליך, אנחנו developed אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה "מיקרו / ננו בנייה '), אשר כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול.

העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים microscale (כלומר, 'דיו מוצק') ממצע שבו הם נוצרו או גדלו מצע שונה באמצעות הדבקה יבשה מבוקרת של בולי אלסטומרי. ההליך האופייני למייקרו בנייה מתחיל עם העברת הדפסה. דיו מוצק טרומי הוא העברה המודפסת באמצעות חותמת microtip שהיא צורה מתקדמת של בולי אלסטומרי והמבנים המודפסים לאחר מכן הם annealed באמצעות חישול תרמית מהיר (להרכבה עצמית) כדי לשפר את דיו דיו והידבקות דיו מצע. גישת ייצור זה מאפשרת הבנייה של מבנים חריגים microscale ומכשירים שלא ניתן לאכלס באמצעות metho הקיים אחר⁷ DS.

מיקרו בנייה מספקת מספר תכונות אטרקטיביות לא קיימים בשיטות אחרות: (א) את היכולת לשלב דיו מוצק תפקודי והמבני של חומרים שונים כדי להרכיב חיישני MEMS ומפעילה משולבים בתוך כל מבנה 3D; (ב) את הממשקים של דיו מוצק שנאסף יכולים לתפקד כמו מגעים חשמליים ותרמית ^9,10; (ג) ברזולוציה מרחבית ההרכבה יכולה להיות גבוהה (~ 1 מיקרומטר) על ידי ניצול תהליכי יתוגרפיות הפערים מדרגי והבינו היטב ליצירת דיו מוצק ושלבים מכאניים מאוד מדויקים להעברת הדפסת ^7; ו (ד) דיו מוצק תפקודי והמבני יכול להיות משולב בשני מצעים קשיחים וגמישים במישוריים או גיאומטריות עקומות.

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

Protocol

מסכות עיצוב 1. לייצור של תשתית תורמות

1. עיצוב מסכה עם גיאומטריה רצויה. לפברק 100 x 100 מיקרומטר יחידות בודדות מיקרומטר מרובעים סיליקון, לצייר מערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים.
2. עיצוב מסכה שנייה עם גיאומטריה זהה, כאשר כל צד הארכה החוצה 15 מיקרומטר נוסף. למערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים, לצייר מערך של 130 מיקרומטר x 130 מיקרומטר ריבועים שיכולים לכסות את הריבועים בשלב 1.1.
3. עיצוב הגיאומטריה העוגן. לצייר ארבעה 20 מיקרומטר x 40 מיקרומטר מלבנים, כל אחד מרוכז לאורך קצה אחד של כיכר. הנח את המבנים כך ש15 מיקרומטר הראשון מכסה את 100 מיקרומטר המקורי x 100 מיקרומטר המרובע בשלב 1.1 ו25 מיקרומטר שנותר משתרע כלפי חוץ (כפי שמוצג באיור 2).
   הערה: כל צורה וממדים יכולים לשמש עוד אנשי הקשר העוגן גם את החומר בדוגמת ואת המצע. קצה אחד של עוגן זה מכסה את המקורהגיאומטריה אל בשלב 1.1 ואת הקצה השני צריכה להרחיב את הגיאומטריה בשלב 1.2.

2. הכן תשתית תורמות לשחזור

1. הכן סיליקון מסומם מסוג p ברקיק מבודד (SOI) בעובי של 3 מיקרומטר מכשיר שכבה, עם התנגדות גיליון של 1-20 עובי שכבת תחמוצת סנטימטר • Ω וקופסא של 1 מיקרומטר. הערה: ליישומים שונים ניתן לשנות פרמטרים אלה.
2. photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל"ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר העבה) ולצרף את המסכה שנועדה בשלב 1.1.
3. שימוש בתחריט יון תגובה (ורי) מכשיר, דפוס שכבת המכשיר של פרוסות סיליקון SOI ולהסיר מסיכת photoresist. לאחר שלב זה, האזור חרוט רי חשף את שכבת תחמוצת התיבה (איור 2 א).
4. photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל"ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 1.2.
5. מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית.
6. לטבול את פרוסות לתוךHF 49% ל50 שניות כדי לחרוט את שכבת תחמוצת התיבה נחשפה מצעד 2.3. לאחר ייבוש מוחלט, הסר את photoresist המיסוך (איור 2).
7. מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל"ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) ודפוס עיצוב העיגון משלב 1.3.
8. מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית.
9. לטבול לתוך HF 49% ל50 דקות. צעד זה etches שכבת תחמוצת התיבה שנותרה מתחת לסיליקון שכבת מכשיר בדוגמת שנותר, וכתוצאה מיחידות בודדות סיליקון תלויים על photoresist (איור 2 ג).

3. מסכות עיצוב לבול microtip

1. עיצוב מסכה עם 100 מיקרומטר אחד x 100 מיקרומטר מרובע.
2. עיצוב מסכה עם מיקרומטר 12 x 12 מיקרומטר ריבועים מרובים בתוך אזור מיקרומטר x 100 100 מיקרומטר.

4. להפוך את התבנית לבול microtip

1. יש לנקות את פרוסות סיליקון עם אורינטצית גבישים של <1-0-0>, Depoלשבת של סיליקון ניטריד 100 ננומטר באמצעות פלזמה משופרת כימית החמקן הפקדת ציוד (PECVD).
2. photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל"ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 3.2.
3. תבנית שכבת סיליקון ניטריד באמצעות 10:01 נאגר אוקסיד etchant (BOE).
4. ממיסים 80 גרם של אשלגן הידרוקסידי (KOH) ב170 מיליליטר של מים deionized ו40 מיליליטר של אלכוהול תערובת (IPA) כוס.
5. מחממים את KOH, IPA, ותערובת מים על 80 מעלות צלזיוס על פלטה חשמלית.
6. במאונך למקם את פרוסות מוכנות בכוס עם תערובת KOH כדי לחרוט הסיליקון החשוף במבנה הגבישי (שיעור תחריט הוא סביב 1 מיקרומטר / min).
7. לאחר הסיליקון החשוף חקוק במלואם, להסיר את רקיק מתערובת KOH, לחרוט משם סיליקון ניטריד באמצעות HF, ולבצע RCA 1 וRCA 2 ניקיון (איור 3 א).
8. ספין מעיל עם SU-8 100 ודפוס עם המסיכה מוכנה משלב 3.1 עם המתכון הבא: 3,000 rבערב 1 דקות, לאפות רך על 65 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ו95 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות, לחשוף עם 550 mJ / ² סנטימטר, והודעה אופה בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ו95 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות (איור 3B ).
9. לאחר SU-8 100 הוא נרפא לחלוטין, להחיל monolayer של (octyl ,1,2,3-tetrahydro tridecafluoro-1)-1-trichlorosilane ידי הטלת 3-5 טיפות (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichlorosilane לתוך צנצנת ואקום והצבת רקיק בצנצנת וליישם את הוואקום.

5. כפל בול microtip שימוש עובש

1. מערבבים polydimethylsiloxane בסיס (PDMS) וסוכן ריפוי עם היחס של 5:1.
2. דגה את התערובת על ידי הצבתו בתוך צנצנת ואקום.
3. יוצקים חלק קטן מתערובת PDMS degassed על התבנית ולתת reflow PDMS כדי להשיג משטח עליון שטוח (איור 3 ג).
4. מניחים את התבנית עם PDMS בתנור ב C ° 70 לשעה 2 כדי לרפא לחלוטין PDMS.
5. הסר את התבנית מןתנור ולקלף את PDMS (איור 3D).

6. אחזר דיו מהתשתית התורם והדפסה באזור היעד

1. מניחים את מצע התורם על שלבים ממונעים סיבובי וx, y-תרגום מצויד במיקרוסקופ.
2. צרף את חותמת microtip לבמת translational האנכי עצמאית.
3. מתחת למיקרוסקופ, ויישר את חותמת microtip עם דיו סי על מצע התורם באמצעות translational ושלבי סיבוב. יתר על כן, לעשות יישור ההטיה בין משטח microtip והדיו Si ידי התאמת שלב הטיה. לאחר מכן, להביא את חותמת microtip למטה כדי ליצור קשר.
4. לאט לאט מביא את חותמת microtip מטה נוסף לאחר יצירת קשר ראשוני, כך שטיפים קטנים התמוטטו באופן מלא והשטח כולו הוא במגע עם דיו סי על מצע תורם.
5. במהירות להעלות את שלב z, לשבור את העוגנים בשל שטח מגע הגדול בין חותמת microtip והדיו Si, לretrieve דיו Si מן מצע התורם ולצרף אותו לחותמת microtip.
   הערה: כאשר חותמת microtip היא חופשית מכל לחץ, microtip הדחוס משחזר לצורת הפירמידה המקורית שלה, מה שהופך את קשר מינימאלי עם דיו Si מאוחזר.
6. מניחים את מצע המקלט על x, y-שלב תרגום וליישר את דיו Si אחזר תחת חותמת microtip במיקום הרצוי.
7. יורד בשלב z עד שדיו Si לאחזר בקושי יוצר קשר עם מצע המקלט.
8. לאחר יצירת קשר, להעלות לאט את שלב z כדי לשחרר את דיו Si, מדפיס אותו על המיקום הרצוי.

7. תהליך מליטה

1. תכנית תנור מהיר חישול תרמית למחזור מRT עד 950 מעלות צלזיוס ב90 שניות, תישאר ב950 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ולקרר לRT (על ידי הסרת כל אספקת חום בתנור).
2. מניחים את מצע המקלט המודפס בכבשן בסביבת סביבת אוויר ולחשל ב950 °צלזיוס למשך 10 דקות למליטת Si-Si או ב-C ° 360 ל30 דקות למליטת Si-Au.

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

תוצאות

מיקרו-בנייה מאפשרת שילוב חומרים הטרוגניות כדי ליצור מבני MEMS, כי הם מאוד מאתגרים או בלתי אפשריים להשיג על ידי תהליכי microfabrication מונוליטי. כדי להמחיש את היכולת שלו, מבנה (שנקרא 'קומקום מיקרו ") הוא מפוברק אך ורק באמצעות מיקרו-בנייה. איור 4A הוא תמונת מיקרוסקופ ...

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

Discussion

מיקרו בנייה, מוצגת באיור 4, כרוך מליטה היתוך סיליקון בצעד מליטה חומר. המליטה היתוך הסיליקון מושגת על ידי הצבת הדוגמא בתנור חישול תרמית מהירה (תנור להרכבה עצמית) וחימום המדגם ב950 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. מצב חישול זה גם לאימוץ בין סי - סי וסי - SiO ₂ המליטה

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