3D Katkı Micromanufacturing için Micro-duvar

Özet

Bu kağıt mikroelektromekanik sistemi (MEMS) yapılar ve cihazlar esnek imalat için bir 3D katkı micromanufacturing stratejisi (adlandırılan 'mikro-yığma') tanıttı. Bu yaklaşım, hızlı termal tavlama-etkin malzeme yapıştırma teknikleri ile birlikte mikro / nano malzemelerin transfer baskı-tabanlı düzeneğini içerir.

Özet

Transfer baskı Elastomerik pullar kullanılarak farklı bir alt-tabaka için oluşturulan bir substrattan (Burada kullanılan "mürekkep" olarak adlandırılan) bir katı mikro / nano ölçekli malzeme transfer etmek için bir yöntemdir. Transfer baskı tür esnek ve gerilebilir güneş hücreleri ve LED diziler gibi son gelişmiş cihazlarla bulunan eşsiz yapıları veya fonksiyonel sistemleri imal etmek heterojen malzemelerin entegrasyonu sağlar. Transfer baskı malzemesi takımı yeteneği benzersiz özellikler sergiler da, bu tür baskı işlemleri arttırmak için alt-tabakalar üzerinde kendi kendine monte tek tabaka (SAM) birikimi gibi yapışkan tabakaların kullanımı veya yüzey modifikasyonu mikroelektromekanik sisteminin mikro montaj (MEMS) yapılar geniş adaptasyon engellemektedir ve cihazlar. Bu eksikliği gidermek için, biz deterministically sadece yüzey temas alanı kontrol aracılığıyla bireysel microscale nesneleri bir araya transfer baskı gelişmiş bir mod geliştirdiHerhangi bir yüzey değişiklik olmadan. Bir yapışkan tabaka veya başka bir değişiklik ve daha sonraki malzeme bağlama işlemleri yokluğu sadece mekanik bağlantı sağlamak, fakat daha fazla sıra dışı MEMS cihazları binada uyarlamasında çeşitli uygulamalar açılır monte malzemeler arasında, aynı zamanda, termal ve elektrik bağlantısı,.

Giriş

Böyle büyük ölçekli sıradan 3D makineleri minyatür olarak Mikroelektromekanik sistemler (MEMS), performans geliştirmeleri ve üretim maliyet azaltma ^1,2 sağlayarak çağdaş teknolojileri ilerleyen için vazgeçilmezdir. Ancak, MEMS teknolojik ilerleme cari oranı imalat teknolojileri ^3-6 sürekli yenilikler olmadan muhafaza edilemez. Ortak monolitik mikroimalat esas entegre devreler (IC) 'nin üretimi için geliştirilmiş katman-katman süreçlere dayanır. Bu yöntem, yüksek performanslı MEMS cihazlar seri üretimine olanak oldukça başarılı olmuştur. Bununla birlikte, bağlı karmaşık katman-katman ve elektrokimyasal eksiltici doğada, çeşitli şekillerde şeklindeki 3D MEMS yapıları ve cihazların imalatı, macroworld kolay, bu yekpare mikroimalat kullanarak elde etmek çok zor iken. Daha az işlem karmaşıklığı ile daha esnek 3D mikroimalat etkinleştirmek için, biz devehızlı termal tavlama-etkin malzeme yapıştırma teknikleri ile birlikte mikro / nano malzemelerin bir transfer baskı-tabanlı düzeneğini içeren bir 3D katkı micromanufacturing stratejisi (adlandırılır 'mikro / nano-yığma') miştir.

Transfer baskı Elastomerik pulları kontrollü kuru yapışma kullanarak oluşturulan veya farklı bir alt-tabaka için yetiştirilen bir alt-tabaka katı mikro maddeleri (örneğin, 'katı mürekkep') transfer etmek için bir yöntemdir. Mikro-duvarcılık tipik bir prosedür transfer baskı ile başlar. Prefabrik katı mürekkepler, gelişmiş bir elastomerik pul formu ve basılı yapılar sonradan mürekkep mürekkep ve mürekkep yüzey yapışmasını geliştirmek için hızlı termal tavlama (RTA) kullanılarak tavlanır bir mikrotip damga kullanarak yazdırılan transferidir. Bu üretim yaklaşımı, diğer mevcut metodoloji kullanılarak ağırladı edilemez sıradışı mikro yapıların ve cihazların yapımını sağlards ^7.

MEMS sensörleri birleştirmek için benzemez malzemelerin yapısal ve işlevsel bir katı mürekkep entegre etmek için (a) yeteneği ve 3D yapı içinde entegre aktüatörler,: Mikro duvar diğer yöntemler de mevcut olmayan çeşitli çekici özellikler sağlar (B) monte katı mürekkep arabirimleri elektriksel ve termal kontaklar ^9,10 olarak işlev görebilir; (C) montaj uzaysal çözünürlüğü ⁷ baskı transferi için katı mürekkep ve son derece hassas mekanik aşamaları üretmek için son derece ölçeklenebilir ve iyi anlaşılmış taşbaskı süreçleri kullanarak (~ 1 mikron) yüksek olabilir; ve (d) yapısal ve işlevsel bir katı mürekkepler düzlemsel veya kavisli bir geometride hem de sert ve esnek bir alt-tabakalar üzerinde entegre edilebilir.

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

Protokol

Donör Yüzey Fabrikasyon 1. Tasarımı Maskeler

1. Istenilen geometride bir maske tasarlayın. 100 mikron x 100 mikron kare silikon bireysel birimleri imal 100 mikron x 100 mikron kareler bir dizi çizmek için.
2. Her yan bir ek 15 mikron dışarı uzanan, özdeş bir geometriye sahip ikinci bir maske tasarlayın. 100 mikron x 100 mikron kareler dizisi için, adım 1.1 kareler anlatabileceğiniz 130 mikron x 130 mikron kareler bir dizi çizin.
3. Çapa geometri tasarlayın. Dört 20 mikron x 40 mikron dikdörtgenler, bir meydanın bir kenarında merkezli her çizin. İlk aşamada 15 mikron 1.1 x 100 mm kare, orijinal 100 um kapsar ve (Şekil 2'de gösterildiği gibi), geri kalan 25 um dışarıya doğru uzanır, böylece yapıların yerleştirin.
   Not: herhangi bir şekil ve boyutlar çapa temas desenli malzeme ve alt tabaka hem de sürece kullanılabilir. Bu kenedin bir ucu kökenini kapsarAdım 1.1 ve diğer ucunda El geometri adım 1.2 geometriyi uzatmak gerekir.

2.. Retrievable Donör Yüzey hazırlayın

1. 1 mikron 1-20 Ω • cm ve kutu oksit tabaka kalınlığı tabaka direnci ile 3 mikron cihaz tabaka kalınlığı ile yalıtkan (SOI) gofret bir p-tipi katkılı silikon hazırlayın. Not: Çeşitli uygulamalar için bu parametreler değiştirilebilir.
2. Spin kat fotorezist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3000 rpm, 1.5 um kalınlıkta) ve aşama 1.1 olarak tasarlanan bir maske.
3. (RIE) enstrüman, desen SOI gofret cihaz tabakası reaktif iyon aşındırma kullanma ve ışığa maskeyi kaldırın. Bu aşamadan sonra, RIE bölge kazınmış kutu oksit tabakasını (Şekil 2A) ortaya koymuştur.
4. Spin kat fotorezist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3000 rpm, 1.5 um kalınlığında) aşama 1.2 'de tasarlanmış maskesi ve desen.
5. Sıcak bir plaka üzerinde 90 saniye boyunca 125 ° C 'de gofret ısıtın.
6. Gofret içine daldırınAşama 2.3 'e maruz kaldığı kutu oksit tabakası etch 50 saniye için% 49 HF. Tamamen kuruduktan sonra, maskeleyici fotorezist (Şekil 2B) çıkarın.
7. Spin kat (AZ5214, 30 saniye boyunca 3,000 rpm, 1.5 mikron kalınlığında) ve desen adım 1.3 den ankraj tasarımı.
8. Sıcak bir plaka üzerinde 90 saniye boyunca 125 ° C 'de gofret ısıtın.
9. 50 dakika boyunca% 49 HF içine daldırın. Bu adım, fotorezist (Şekil 2C) üzerine asılı silikon ayrı birimler ile sonuçlanan geri kalan desenli tabakası, silikon aygıt altında kalan kutu oksit tabakası çözünen bir madde.

Bir Microtip Damgası için 3. Tasarımı Maskeler

1. Kare tek bir 100 mikron x 100 mikron olan bir maske tasarlayın.
2. 100 mikron x 100 mikron alanı içinde birden fazla 12 mikron x 12 mikron kareler ile bir maske tasarlayın.

4. Bir Microtip Damgası Kalıp olun

1. <1-0-0> kristal yönlendirme ile bir silikon gofret temizleyin, depoPlazma (PECVD) ekipman kimyasal buhar biriktirme Geliştirilmiş kullanarak silisyum nitrür 100 nm otur.
2. Spin kat Photoresist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3,000 rpm, 1.5 mikron kalınlığında) adım 3.2 tasarlanmış maske ile ve desen.
3. Desen 10:01 Tamponlu Oksit ETCHANT (BOE) kullanarak silisyum nitrür tabakası.
4. Iyonu giderilmiş su ve 170 ml izopropil alkol (IPA) kanşımı, bir beher içinde, 40 ml potasyum hidroksit (KOH) 80 g çözülür.
5. Sıcak bir plaka üzerinde 80 ° C'de KOH, IPA ve su karışımını ısıtın.
6. Dikey (aşındırma oranı yaklaşık 1 mm / dk) kristal yapısındaki maruz kalan silikon etch KOH karışımı ile çanak içinde hazırlanan gofret yerleştirin.
7. Maruz kalan silikon tamamen kazınmış sonra, KOH karışımından gofretin kaldırmak HF kullanılarak silisyum nitrür uzak aşındırma ve (Şekil 3A) temizleme RCA 1 ve 2 RCA gerçekleştirin.
8. Aşağıdaki reçete ile adım 3.1 'den hazırlanan maske ile SU-8 100 ve desenli ceket Spin: 3.000 r1 dakika, 30 dakika, 10 dakika ve 95 ° C'de, 65 ° C'de fırında yumuşak için pm, 550 mJ / ^cm2, ve post fırında 65 ° C sıcaklıkta 1 dakika için ve 10 dakika boyunca 95 ° C'de (Şekil 3B ile açığa .)
9. SU-8 100 tam kürünü sonra, 3-5 damla damlatılarak arasında (tridekafluoro-1, 1,2,3-tetrahidro oktil)-1-triklorosilan bir tek tabaka uygulayın (tridekafluoro-1, 1,2,3 - tetrahidro oktil bir vakum kavanoza)-1-triklorosilan ve kavanoza gofretin yerleştirilmesi ve vakum uygulanması.

5. Bir kalıp kullanarak Microtip Damga çoğaltma

1. 5:1 oranı ile polidimetilsiloksan (PDMS) taban ve sertleştirme maddesi karıştırın.
2. Vakumlu bir kavanoza yerleştirerek edilen karışım gaz çıkışına.
3. Kalıp üzerindeki PDMS gazı alınmış karışımın küçük bir kısmı dökün ve PDMS yeniden akış düz bir üst yüzey (Şekil 3C) elde etmek için izin verin.
4. Tam olarak PDMS tedavisi için 2 saat boyunca 70 ° C 'de fırında PDMS ile kalıp yerleştirin.
5. Dan kalıp çıkarmakFırın ve PDMS kalkmasına (Şekil 3D).

6.. Donör Substrat gelen Mürekkep almak ve Hedef Alan yazdırın

1. Bir mikroskop ile donatılmış motorlu dönme ve x, y-çevirme aşamasında üzerine verici alt-tabakanın yerleştirin.
2. Bağımsız bir düşey ötelenme aşamasına mikrotip damga takın.
3. Mikroskop altında, öteleme ve dönme aşamalarını kullanarak verici alt-tabaka üzerinde Si mürekkep ile mikrotip damga hizalayın. Ayrıca, mikro uçlu yüzey ve bir devirme aşamasında ayarlayarak Si mürekkebi arasında devirme hizalama yapmak. Daha sonra, temas kurmaya mikrotip damga aşağı getirmek.
4. Küçük uçlarına tamamen çökmüş ve bütün yüzey verici alt-tabaka üzerinde Si mürekkep ile temas halinde olduğu, böylece yavaş yavaş, ilk temastan sonra altındaki mikro uçlu damga getir.
5. Çabuk r nedeniyle mikro uçlu mührü ve Si mürekkep arasındaki geniş bir temas alanına çapa kırma z sahne yükseltmekdonör alt tabakadan Si mürekkep etrieve ve mikrotip damga takın.
   NOT: mikrotip damga herhangi bir stres serbest olduğunda, sıkıştırılmış mikrotip alınan Si mürekkep ile minimal temas, orijinal piramit şekline geri yükler.
6. Bir x, y-çeviri sahneye alıcı tabakayı yerleştirin ve istenen konuma mikrotip damgası altında alınan Si mürekkep hizalayın.
7. Alınan Si mürekkep ancak alıcı yüzey ile temas edinceye kadar z sahne inerler.
8. Temas yaptıktan sonra, yavaş yavaş istenilen yere yazdırarak, Si mürekkep serbest bırakmak z sahne yükseltmek.

7. Yapıştırma Süreci

1. Program 90 saniye içinde 950 ° C'ye kadar RT geçiş yapmak için hızlı bir ısıl tavlama fırını, 10 dakika boyunca 950 ° C'de kalır ve (fırındaki herhangi bir ısı kaynağı kaldırarak), oda sıcaklığına kadar soğumaya.
2. 950 ° C de bir çevre hava ortamında ve tavlama fırının basılı alıcı alt-tabakanın yerleştirinSi-Si bağı veya Si-Au bağlanma için 30 dakika boyunca 360 ° C 'de 10 dakika boyunca F.

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

Sonuçlar

Mikro-duvar monolitik mikroimalat işlemlerle elde etmek çok zor ya da imkansız olan MEMS yapıları oluşturmak için heterojen malzeme entegrasyon sağlar. Kapasitesini göstermek için, (a 'Mikro demlik' olarak adlandırılır) bir yapı. Şekil 4A, bir verici alt-tabaka üzerinde imal Si mürekkepleri bir optik mikroskop görüntüsüdür sadece mikro duvar ile imal edilir. Tasarlanmış mürekkepler mikro demlik yapı taşlarıdır tek kristal silikon yapılmış farklı boyutları ile di...

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

Tartışmalar

Şekil 4'de sunulan mikro duvar, bir madde bir bağlama aşamasında bir silikon füzyon bağı içerir. Silikon füzyon bağlama hızlı bir ısıl tavlama fırını içindeki numune yerleştirme (RTA fırın) ve 10 dakika boyunca 950 ° C 'de, numunenin ısıtılması ile elde edilir. Si ve Si - - SiO ₂ yapıştırma ^10,11 Bu tavlama durum Si arasındaki uyarlanamıyor hem de. Seçenek olarak ise, Şekil 5C de bulunan gibi bir Si şeridi ile bağlı Au ö...

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

Malzemeler

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