Micro-alvenaria para Aditivo 3D Microfabricação

Resumo

Este artigo apresenta uma estratégia micromanufactura aditivo 3D (chamado de "micro-alvenaria ') para a fabricação flexível de sistema microeletromecânicos (MEMS) estruturas e dispositivos. Esta abordagem envolve a montagem de base de impressão por transferência de materiais micro / nanoescala em conjunção com as técnicas de ligação de material compatível com o tratamento térmico rápido.

Resumo

De impressão por transferência é um método para transferir materiais micro / nanoescala sólidos (aqui chamado "tintas") a partir de um substrato, onde elas são geradas para um substrato diferente, utilizando carimbos elastoméricos. Impressão de transferência permite a integração de materiais heterogêneos para o fabrico de estruturas ou sistemas funcionais sem exemplo, que são encontrados nos últimos dispositivos avançados, tais como células solares flexíveis e elásticos e matrizes de LED. Durante a impressão de transferência apresenta características únicas na capacidade de montagem de materiais, a utilização de camadas adesivas ou a modificação da superfície, tais como a deposição de auto-montagem em monocamada (SAM) em substratos para melhorar os processos de impressão dificulta a sua adaptação em larga micromontagem do sistema microeletromecânico (MEMS) estruturas e dispositivos. Para superar esta lacuna, foi desenvolvido um modo avançado de impressão de transferência que deterministically reúne objetos em microescala individuais unicamente através controlar a área de contato da superfície, sem qualquer alteração na superfície. A ausência de uma camada adesiva ou outra modificação e os processos de ligação de material subseqüentes garantir não só a fixação mecânica, mas também conexão térmica e elétrica entre os materiais reunidos, o que abre mais diversas aplicações em adaptação na construção de dispositivos MEMS incomuns.

Introdução

Sistemas microeletromecânicos (MEMS), como a miniaturização das máquinas 3D comuns em grande escala, são indispensáveis ​​para o avanço de tecnologias modernas, proporcionando melhorias de desempenho e redução de ^1,2 custo de fabricação. No entanto, o ritmo atual de avanço tecnológico em MEMS não pode ser mantida sem inovações contínuas das tecnologias de fabrico ^3-6. Microfabricação monolítico comum baseia-se principalmente em processos de camada-a-camada desenvolvidas para a fabricação de circuitos integrados (CI). Este método tem sido bastante bem sucedido a permitir a produção em massa de dispositivos MEMS de alto desempenho. No entanto, devido à sua complexa camada por camada e natureza eletroquimicamente subtrativo, fabricação de forma de diversamente estruturas e dispositivos de MEMS em 3D, enquanto fácil no mundo macro, é muito difícil de conseguir usar este microfabricação monolítico. Para habilitar mais flexível microfabricação 3D com menos complexidade do processo, que desenvolvido uma estratégia micromanufactura aditivo 3D (chamado de "micro / nano-alvenaria"), que envolve um conjunto baseado em impressão de transferência de materiais micro / nanoescala em conjunto com técnicas de colagem de material compatível com o tratamento térmico rápidos.

De impressão por transferência é um método para transferir material em microescala sólidos (isto é, «tintas sólidas ') a partir de um substrato, onde elas são geradas ou crescido para um substrato diferente, utilizando adesão seca controlada de carimbos elastoméricos. O procedimento típico de micro-alvenaria começa com a impressão de transferência. Tintas sólidas pré-fabricadas são transferência impresso usando um selo microtip que é uma forma avançada de carimbos elastoméricos e as estruturas impressas são posteriormente recozido com tratamento térmico rápido (RTA) para melhorar a tinta de tinta e aderência da tinta-substrato. Esta abordagem permite a produção da construção de estruturas em microescala incomuns e dispositivos que não podem ser acomodados utilizando outro metodo existenteds ^7.

Micro-alvenaria proporciona várias características atraentes que não estão presentes em outros métodos: (a) a capacidade de integrar tintas sólidas funcionais e estruturais de materiais diferentes para montar os sensores MEMS e atuadores todos integrados dentro da estrutura 3D; (B) as interfaces de tintas sólidas montados pode funcionar como contatos elétricos e térmicos ^9,10; (C) a resolução espacial de montagem pode ser alto (~ 1 mm), utilizando processos litográficos altamente escaláveis ​​e bem compreendidas para a geração de tintas sólidas e estágios mecânicos altamente precisos para a transferência de impressão ^7; e (d) as tintas sólidas funcionais e estruturais podem ser integrados em ambos os substratos rígidos e flexíveis no plano ou geometrias curvilíneas.

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Protocolo

1. Máscaras de projeto para fabricação de substrato Donor

1. Projete uma máscara com geometria desejada. Para fabricar 100 mm x 100 mm unidades individuais de silício quadrados, desenhe uma matriz de 100 mm x 100 mm quadrados.
2. Projetar uma segunda máscara com uma geometria idêntica, com cada lado que se estende um adicional de 15 mm. Para a matriz de 100 mm x 100 mm quadrados, desenhe uma matriz de 130 um x 130 mM quadrados que podem cobrir os quadrados no passo 1.1.
3. Projete a geometria âncora. Desenhar quatro 20 um x 40 um rectângulos, cada centrado ao longo de uma borda de um quadrado. Coloque as estruturas de modo que o primeiro 15 mM mM cobre o original de 100 x 100 mm quadrado no passo 1.1 e os restantes 25 mM estende para fora (como mostrado na Figura 2).
   NOTA: Qualquer forma e as dimensões podem ser utilizados, desde que os contactos de ancoragem, tanto o material de modelado e o substrato. Uma das extremidades desta âncora cobre a origemai geometria na etapa 1.1 e a outra extremidade deve prolongar para fora a geometria no passo 1.2.

2. Prepare Retrievable Substrato Donor

1. Prepare um silício dopado tipo p em isolante (SOI) wafer com 3 mm de espessura de camada do dispositivo, com resistência de folha de 1-20 Ω • cm e espessura da camada de óxido de caixa de 1 mícron. NOTA: Para várias aplicações destes parâmetros podem ser alterados.
2. Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e anexar a máscara projetada no passo 1.1.
3. Usando uma corrosão iônica reativa (RIE) instrumento padrão da camada de bolacha SOI dispositivo e remova a máscara de fotorresiste. Após esta etapa, a região gravado o RIE expôs a camada de óxido de caixa (Figura 2A).
4. Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e padrão com máscara projetada no passo 1.2.
5. Aquece-se a bolacha em 125 ° C durante 90 segundos sobre uma placa quente.
6. Mergulhe a hóstia no49% HF por 50 segundos para gravar a camada de óxido de caixa exposto a partir do passo 2.3. Após secagem completa, remover o material fotosensitivo de mascaramento (Figura 2B).
7. Revestimento de rotação (AZ5214, 3000 rpm durante 30 segundos, de 1,5 mm de espessura) e padrão de concepção de ancoragem da etapa 1.3.
8. Aquece-se a bolacha em 125 ° C durante 90 segundos sobre uma placa quente.
9. Mergulhe em 49% HF por 50 min. Este passo grava a camada de óxido de quadro remanescente por debaixo da camada de silício dispositivo modelado restante, resultando em suspensão unidades individuais de silício sobre a foto-resistente (Figura 2C).

3. Máscaras de design para um selo MicroTip

1. Projete uma máscara com um único 100 mm x 100 mm quadrado.
2. Projete uma máscara com múltiplas 12 um x 12 mM quadrados dentro de uma 100 mm x 100 área mM.

4. Fazer o molde para um selo MicroTip

1. Limpe uma pastilha de silício com orientação cristalina de <1-0-0>, deposentar-se 100 nm de nitreto de silício usando Plasma aprimorado Chemical Vapor Deposition (PECVD) equipamentos.
2. Giro casaco photoresist (AZ5214, 3.000 rpm por 30 segundos, 1,5 mm de espessura) e padrão com máscara projetada no passo 3.2.
3. Padrão da camada de nitreto de silício usando 10:01 Buffered Oxide Etchant (BOE).
4. Dissolve-se 80 g de hidróxido de potássio (KOH) em 170 ml de água desionizada e 40 ml de álcool isopropílico (IPA) mistura numa proveta.
5. Aquecer o KOH, o IPA, e mistura de água a 80 ° C sobre uma placa quente.
6. Verticalmente colocar a pastilha preparada no recipiente com a mistura de KOH para gravar o silício exposta na estrutura cristalina (taxa de condicionamento é de cerca de 1 mM / min).
7. Após o silício exposto está totalmente gravado, remover a bolacha de mistura de KOH, gravar fora do nitreto de silício, utilizando HF, e executar RCA 1 e 2 RCA limpeza (Figura 3A).
8. Gire casaco com SU-8 100 e padrão com a máscara preparada a partir do passo 3.1 com seguinte receita: 3000 rh durante 1 min, coza suave a 65 ° C durante 10 min e 95 ° C durante 30 min, expor com 550 mJ / cm ^2, e pós estufa a 65 ° C durante 1 min e 95 ° C durante 10 minutos (Figura 3B ).
9. Após o SU-8 100 está totalmente curada, aplicar uma monocamada de (tridecafluoro-1 ,1,2,3-tetra-hidro octil)-1-triclorossilano, largando 3-5 gotas de (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetra octil)-1-triclorossilano em um frasco de vácuo e de colocação da bolacha no frasco e aplicação do vácuo.

5. Duplicar um Selo MicroTip Usando um molde

1. Mistura de polidimetilsiloxano (PDMS) de base e agente de cura com a relação de 5:1.
2. Degas a mistura, colocando-o em um frasco de vácuo.
3. Despeje uma pequena porção da mistura de PDMS desgaseificado no molde e permitir que o refluxo de PDMS de alcançar uma superfície de topo plana (Figura 3C).
4. Coloque o molde com PDMS em estufa a 70 ° C durante 2 horas para curar totalmente o PDMS.
5. Retirar o molde daforno e descascar as PDMS off (Figura 3D).

6. Recuperar tinta a partir do substrato de Doadores e Imprimir na área alvo

1. Coloque o substrato doador para estágios, y-tradução de rotação e x motorizados equipados com um microscópio.
2. Fixe o selo microtip a um estágio de translação vertical independente.
3. Sob o microscópio, alinhar o selo microponta com a tinta sobre o substrato de Si doador utilizando translação e rotação fases. Além disso, fazer o alinhamento de inclinação entre a superfície e a microponta tinta Si ajustando uma fase de inclinação. Em seguida, leve o selo microtip para baixo para fazer contato.
4. Lentamente traga o selo microtip ainda mais para baixo após o contato inicial, de modo que pequenas dicas são totalmente em colapso e toda a superfície está em contato com a tinta Si no substrato doador.
5. Elevar rapidamente o palco z, quebrando as âncoras devido à grande área de contato entre o selo ea tinta microtip Si, para rECOLHER a tinta Si do substrato doador e anexá-lo ao selo microtip.
   NOTA: Quando o selo microtip está livre de qualquer estresse, o microtip comprimido restaura à sua forma piramidal original, tornando o mínimo de contato com a tinta Si recuperado.
6. Colocar o substrato receptor para um x, fase y-tradução e alinhar a tinta Si recuperado sob o selo de microponta na posição desejada.
7. Desça do palco z até que a tinta Si recuperado mal faz contato com o substrato receptor.
8. Após a tomada de contacto, elevar-se lentamente a fase de z para libertar a tinta Si, imprimindo-o no local desejado.

7. Processo de colagem

1. Programa de um forno de tratamento térmico rápido a partir de ciclo de RT-se a 950 ° C em 90 segundos, e continuam a 950 ° C durante 10 min e arrefecer à temperatura ambiente (removendo qualquer fonte de calor no forno).
2. Colocar o substrato receptor impresso no forno num ambiente de ar ambiente e de recozimento a 950 °C durante 10 min para Si-Si de ligação ou a 360 ° C durante 30 min para Si-Au colagem.

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Resultados

Micro-alvenaria permite a integração material heterogêneo para gerar estruturas MEMS que são muito desafiador ou impossível de alcançar por meio de processos de microfabricação monolíticas. De modo a demonstrar a sua capacidade de, uma estrutura (chamado um "micro bule ') é fabricada exclusivamente por meio de micro-alvenaria. Figura 4A é uma imagem de microscópio óptico de tintas fabricadas de Si sobre um substrato de dador. As tintas são projetadas discos com diferentes dimensõ...

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Discussão

Micro-alvenaria, apresentado na Figura 4, envolve a ligação de fusão de silício em um passo de ligação de material. Ligação de fusão de silício é obtido por colocação da amostra num forno de recozimento térmico rápido (forno RTA) e aquecer a amostra a 950 ° C durante 10 min. Esta condição de recozimento é tanto adotáveis ​​entre Si - Si e Si - _SiO2 ligação ^10,11. Alternativamente, o Au ligado com uma tira de Si, como visto na Figura 5C ado...

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Materiais

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