Micro-muratura per 3D Additivo Micromanufacturing

Riepilogo

Questo articolo introduce una strategia 3D additivo micromanufacturing (chiamato 'micro-massoneria') per la fabbricazione flessibile del sistema microelettromeccanici (MEMS) strutture e dispositivi. Questo approccio comporta il trasferimento di montaggio a base di stampa, di materiali micro / nanoscala in combinazione con tecniche rapide materiale di incollaggio ricottura abilitato termici.

Abstract

Stampa transfer è un metodo per trasferire materiali micro / nanoscala solidi (qui chiamati "inchiostri") da un substrato in cui sono generati ad un substrato diverso utilizzando Stamp elastomerici. Stampa transfer consente l'integrazione di materiali eterogenei per fabbricare strutture unexampled o sistemi funzionali che si trovano in dispositivi avanzati recenti come celle solari flessibili ed estensibili e array LED. Durante la stampa transfer presenta caratteristiche uniche nella capacità di assemblaggio materiale, l'uso di strati adesivi o la modifica della superficie, come la deposizione di monostrati auto-assemblati (SAM) su substrati per migliorare i processi di stampa ostacola la sua vasta adattamento in microstruttura del sistema microelettromeccanici (MEMS) strutture e dispositivi. Per ovviare a questo inconveniente, abbiamo sviluppato una modalità avanzata di stampa a trasferimento che assembla in modo deterministico oggetti microscala singoli esclusivamente attraverso il controllo superficie di area di contattosenza alcuna alterazione superficiale. L'assenza di uno strato adesivo o altra modificazione e processi materiale legante successive garantire non solo legame meccanico, ma anche il collegamento elettrico e termico tra materiali assemblati, che apre ulteriormente varie applicazioni in adattamento a costruire dispositivi MEMS insoliti.

Introduzione

Sistemi microelettromeccanici (MEMS), come la miniaturizzazione su larga scala macchine 3D ordinarie, sono indispensabili per far progredire le tecnologie moderne, fornendo miglioramenti delle prestazioni e ^1,2 di riduzione dei costi di produzione. Tuttavia, l'attuale tasso di progresso tecnologico in MEMS non può essere mantenuta senza continue innovazioni nelle tecnologie di produzione ^3-6. Microfabbricazione monolitico comune si basa principalmente su processi layer-by-layer sviluppati per la fabbricazione di circuiti integrati (IC). Questo metodo ha avuto successo a permettere la produzione di massa di dispositivi MEMS ad alte prestazioni. Tuttavia, a causa della sua complessa layer-by-layer e natura elettrochimica sottrattiva, fabbricazione di forma-diversamente strutture e dispositivi MEMS 3D, mentre facile nel macroworld, è molto difficile da realizzare utilizzando questo microfabbricazione monolitico. Per attivare microfabbricazione 3D più flessibile con la complessità meno di processo, ci DEVEluppato una strategia 3D additivo micromanufacturing (chiamato 'micro / nano-massoneria'), che coinvolge un gruppo basato su stampa, trasferimento di materiali micro / nanoscala in combinazione con tecniche rapide materiale di incollaggio ricottura abilitato termici.

Stampa transfer è un metodo per trasferire materiali solidi microscala (ossia 'inchiostri solidi ») da un substrato in cui sono generati o coltivate su un substrato diverso utilizzando adesione secco controllata di Stamp elastomerici. La procedura tipica di micro-muratura inizia con stampa transfer. Inchiostri solidi prefabbricate sono il trasferimento stampato con un timbro microtip che è una forma avanzata di francobolli elastomerici e le strutture stampate sono successivamente ricotto con una rapida ricottura termica (RTA) che permettono di migliorare inchiostro inchiostro e ink-substrato adesione. Questo approccio produttivo consente la costruzione di strutture microscala insoliti e dispositivi che non possono essere ospitati con altre metodologia esistenteds ^7.

Micro-massoneria fornisce diverse caratteristiche interessanti non presenti in altri metodi: (a) la capacità di integrare inchiostri solidi funzionali e strutturali di materiali dissimili da montare sensori MEMS e attuatori tutto integrato all'interno della struttura 3D; (B) le interfacce di inchiostri solidi assemblati possono funzionare come contatti elettrici e termici ^9,10; (C) la risoluzione spaziale assemblaggio può essere elevata (~ 1 micron) utilizzando processi litografici altamente scalabili e di facile comprensione per la generazione di inchiostri solidi e fasi meccaniche altamente precisi per stampa transfer ^7; e (d) inchiostri solidi funzionali e strutturali possono essere integrati su entrambi i substrati rigidi e flessibili in planare o geometrie curvilinee.

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Protocollo

1. Maschere di progettazione per la fabbricazione di donatori substrato

1. Progettare una maschera con geometria desiderata. Per fabbricare 100 micron x 100 micron unità individuali silicio quadri, disegnare una matrice di 100 micron x 100 micron quadrati.
2. Progettare una seconda maschera con una geometria identica, con ogni lato che si estende su un ulteriore 15 micron. Per la serie di 100 micron x 100 micron quadrati, disegnare un array di 130 micron x 130 micron quadrati in grado di coprire le piazze nella fase 1.1.
3. Progettare la geometria di ancoraggio. Disegna quattro 20 micron x 40 micron rettangoli, ognuno incentrato lungo un bordo di un quadrato. Posizionare le strutture in modo che il primo 15 micron copre l'originale 100 micron x 100 micron quadrato nel passo 1.1 e il restante 25 micron si estende verso l'esterno (come mostrato in Figura 2).
   NOTA: Qualsiasi forma e le dimensioni possono essere usati fino a quando i contatti di ancoraggio sia il materiale modellato e il substrato. Un'estremità di questa ancora copre l'origineAl geometria nel passaggio 1.1 e l'altra estremità deve estendere la geometria nel passaggio 1.2.

2. Preparare Retrievable donatori substrato

1. Preparare un silicio drogato di tipo p su isolante (SOI) wafer con 3 dispositivo micron spessore, con resistenza dello strato di 1-20 Ω • cm e scatola spessore dello strato di ossido di 1 micron. NOTA: Per le varie applicazioni di questi parametri possono essere modificati.
2. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) e fissare la maschera progettata nella fase 1.1.
3. Utilizzando una incisione a ioni reattivi (RIE) strumento, modello strato periferica del wafer SOI e rimuovere la maschera di fotoresist. Dopo questo passo, la regione inciso RIE ha esposto lo strato di ossido di dialogo (Figura 2A).
4. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) ed il modello con la mascherina disegnata nel passaggio 1.2.
5. Riscaldare il wafer a 125 ° C per 90 secondi su una piastra calda.
6. Immergere il wafer in49% HF per 50 sec per incidere lo strato di ossido casella esposto dal punto 2.3. Dopo completa essiccazione, rimuovere il photoresist mascheratura (Figura 2B).
7. Cappotto Spin (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) e il modello il disegno di ancoraggio dal punto 1.3.
8. Riscaldare il wafer a 125 ° C per 90 secondi su una piastra calda.
9. Immergetevi nel 49% HF per 50 min. Questo passaggio incide lo strato di ossido casella restante sotto il restante silicio strato modellato dispositivo, con conseguente sospensione silicio unità individuali sul photoresist (Figura 2C).

3. Maschere di design per uno Stamp microtip

1. Progettare una maschera con un solo 100 micron x 100 micron quadrati.
2. Progettare una maschera con più 12 micron x 12 micron quadrati all'interno di un 100 micron x 100 micron zona.

4. Fare la muffa per uno Stamp microtip

1. Pulire un wafer di silicio con orientazione cristallina <1-0-0>, deposit 100 nm di nitruro di silicio utilizzando Plasma avanzata Chemical Vapor Deposition (PECVD) attrezzature.
2. Spin cappotto photoresist (AZ5214, 3.000 rpm per 30 sec, 1,5 micron di spessore) ed il modello con la mascherina disegnata nel passaggio 3.2.
3. Motivo dello strato di nitruro di silicio utilizzando 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
4. Sciogliere 80 g di idrossido di potassio (KOH) in 170 ml di acqua deionizzata e 40 ml di alcool isopropilico (IPA) miscela un becher.
5. Riscaldare la, IPA, e miscela acqua KOH al 80 ° C su una piastra calda.
6. Posizionare verticalmente il wafer preparati nel beker con miscela KOH per incidere il silicio esposto a struttura cristallina (velocità di attacco è di circa 1 micron / min).
7. Dopo il silicio esposto è completamente inciso, rimuovere il wafer da miscela di KOH, etch via il nitruro di silicio con HF ed eseguire RCA 1 e 2 RCA pulizia (Figura 3A).
8. Spin cappotto con SU-8 100 e modello con la maschera preparata dal punto 3.1 con il seguente ricetta: 3.000 rpm per 1 min, cuocere morbido a 65 ° C per 10 min e 95 ° C per 30 min, esporre con 550 mJ / cm ^2, e post cuocere in forno a 65 ° C per 1 minuto e 95 ° C per 10 min (Figura 3B ).
9. Dopo il SU-8 100 è completamente guarito, applicare un monostrato di (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetraidro ottil)-1-triclorosilano facendo cadere 3-5 gocce di (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetraidro ottil)-1-triclorosilano in un vaso vuoto e mettendo il wafer nel vaso e applicando il vuoto.

5. Duplicare uno Stamp microtip utilizzando uno stampo

1. Mescolare polidimetilsilossano (PDMS) base e il catalizzatore con il rapporto di 5:1.
2. Degassarla miscela ponendolo in un vaso vuoto.
3. Versare una piccola porzione della miscela degasato PDMS sullo stampo e lasciare che il riflusso PDMS per ottenere una superficie superiore piana (Figura 3C).
4. Collocare lo stampo con PDMS nel forno a 70 ° C per 2 ore per curare completamente il PDMS.
5. Rimuovere lo stampo dallaforno e sbucciare le PDMS off (Figura 3D).

6. Recuperare inchiostro dal supporto dei donatori e stampa sullo Spazio target

1. Posizionare il substrato donatore, su fasi y-rototraslazione ed x motorizzato provvisto di un microscopio.
2. Attaccare il timbro microtip ad una fase di traslazione verticale indipendente.
3. Al microscopio, allineare il timbro micropunte con l'inchiostro sul substrato di Si donatore mediante traslazione e rotazione fasi. Inoltre, fare l'allineamento inclinazione tra la superficie microtip e l'inchiostro Si regolando una fase di ribaltamento. Successivamente, portare il timbro microtip giù per fare contatto.
4. Lentamente portare il timbro micropunte ridurre ulteriormente dopo il contatto iniziale, in modo che le piccole punte sono completamente crollati e l'intera superficie è a contatto con l'inchiostro Si su substrato donatore.
5. Aumentare rapidamente la fase z, rompendo le ancore a causa della grande area di contatto tra il timbro micropunte e l'inchiostro Si, per rRECUPERO l'inchiostro Si dal substrato donatore e allegarlo al timbro microtip.
   NOTA: Quando il timbro microtip è priva di qualsiasi stress, la microtip compresso restituisce alla sua forma piramidale originale, rendendo minimo contatto con l'inchiostro Si recuperato.
6. Posizionare il ricevitore su un substrato x, y-stadio traduzione e allineare l'inchiostro Si recuperato sotto il timbro micropunte nella posizione desiderata.
7. Scendere la fase z finché l'inchiostro Si recuperato rende a malapena contatto con il substrato ricevitore.
8. Dopo il contatto, sollevare lentamente la fase z per rilasciare l'inchiostro Si, stampandolo sulla posizione desiderata.

7. Processo di incollaggio

1. Programmare un forno di ricottura termica rapida ciclare da RT fino a 950 ° C in 90 sec, rimangono a 950 ° C per 10 minuti e raffreddare a RT (eliminando qualsiasi fornitura di calore nel forno).
2. Posizionare il substrato ricevente stampato in forno in un ambiente di aria ambiente e ricottura a 950 °C per 10 min per Si-Si incollaggio oa 360 ° C per 30 min per Si-Au bonding.

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Risultati

Micro-massoneria consente l'integrazione di materiale eterogeneo per generare strutture MEMS che sono molto difficili o impossibili da raggiungere da processi di microfabbricazione monolitici. Al fine di dimostrare la sua capacità, una struttura (chiamato 'micro teiera') è realizzato esclusivamente mediante micro-muratura. Figura 4A è un'immagine al microscopio ottico di inchiostri di Si fabbricato su un substrato donatore. Gli inchiostri progettati sono dischi con diverse dimensioni ...

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Discussione

Micro-muratura, illustrato nella figura 4, prevede l'incollaggio fusione di silicio in una fase di saldatura del materiale. Silicon legame di fusione si ottiene ponendo il campione in un forno di ricottura termica rapida (forno RTA) e riscaldamento del campione a 950 ° C per 10 min. Questa condizione di ricottura è sia adottabile tra Si - Si e Si - SiO ₂ bonding ^10,11. In alternativa, l'Au legato con una striscia di Si come si trova nella Figura 5C adotta...

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Materiali

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