Mikro murverk för 3D Tillsats mikrotillverkning

Summary

Denna uppsats presenterar en 3D additiv mikrotillverkning strategi (kallas "mikro murverk ') för flexibel tillverkning av mikroelektromekaniska systemet (MEMS) konstruktioner och anordningar. Detta synsätt innebär överföring utskrift baserad montering av mikro / nanomaterial i samband med snabba termiska glödgning-aktiverade material bindningstekniker.

Abstract

Transfertryck är en metod för att överföra fasta mikro / nanoskala material (häri kallade "bläck") från ett substrat, där de genereras till ett annat substrat genom att utnyttja elastomera stämplar. Överför utskrift möjliggör integration av heterogena material för att tillverka lösa strukturer eller funktionella system som finns i de senaste avancerade enheter såsom flexibla och töjbara solceller och LED-arrayer. Medan transfertryck uppvisar unika egenskaper i materialmonteringskapacitet, användningen av bindemedelsskikten eller modifiering yta såsom deponering av själv-monterade monolager (SAM) på substrat för att förbättra tryckprocesser hindrar dess breda anpassning i mikromontage av microelectromechanical systemet (MEMS) strukturer och enheter. För att övervinna denna brist, har vi utvecklat ett avancerat läge för transfertryck som deterministiskt monterar enskilda mikroskala objekt enbart genom att styra ytan kontaktytautan någon yta förändring. Frånvaron av ett självhäftande skikt eller annan modifiering och de efterföljande material bindningsprocesser säkerställa inte bara mekanisk bindning, utan även termisk och elektrisk anslutning mellan sammansatta material, vilket ytterligare öppnar olika applikationer i anpassningen i att bygga ovanliga MEMS-enheter.

Introduction

Mikroelektromekaniska system (MEMS), såsom miniatyrisering av storskaliga vanliga 3D-maskiner, är oumbärlig för att främja modern teknik genom att ge prestandaförbättringar och minskning av tillverkningskostnaden ^1,2. Däremot kan inte upprätthållas i nuvarande takt av tekniska framsteg inom MEMS utan kontinuerliga innovationer inom tillverkningstekniker ^3-6. Gemensam monolitisk mikro stöder sig främst på lager-för-lager processer som utvecklats för tillverkning av integrerade kretsar (IC). Denna metod har varit ganska framgångsrika i att möjliggöra massproduktion av högpresterande MEMS-enheter. Men på grund av sin komplexa lager-på-lager-och elektrokemiskt subtraktiv natur, tillverkning av mångsidigt formade 3D MEMS-strukturer och enheter, medan lätt i macroworld, är mycket svårt att uppnå med denna monolitiska mikrofabrikation. För att möjliggöra en mer flexibel 3D mikrofabrikation med mindre process komplexitet, vi utveckvecklade en 3D additiv mikrotillverkning strategi (kallas "mikro / nano-murverk"), som innebär en överföring utskrift baserad montering av mikro / nanomaterial i samband med snabb termisk glödgning-aktiverade material bindningstekniker.

Transfer utskrift är en metod för att överföra fasta mikroskala material (dvs "fasta bläck") från ett substrat där de genereras eller vuxit till ett annat substrat med hjälp av kontrollerade torr vidhäftning av elastomer frimärken. Det typiska förfarandet för mikro murverk börjar med transfertryck. Prefabricerade fasta bläck är skicka tryckt med hjälp av en mikro stämpel som är en avancerad form av elastomer frimärken och tryckta konstruktioner därefter glödgas med hjälp av snabb termisk glödgning (RTA) för att öka bläck-bläck och bläck-substrat vidhäftning. Denna tillverknings metod möjliggör byggandet av ovanliga mikroskala konstruktioner och anordningar som inte kan bo med hjälp av andra befintliga methods ^7.

Mikro murverk ger flera attraktiva funktioner som inte finns i andra metoder: (a) förmågan att integrera funktionella och strukturella fasta bläck av olika material för att montera MEMS-sensorer och ställdon alla integrerade i 3D-strukturen; (B) gränssnitt monterade fast bläck kan fungera som elektriska och termiska kontakter ^9,10; (C) Samman rumsliga upplösningen kan vara hög (~ 1 mm) genom att använda högt skalbara och väl förstådda litografiska processer för att generera massiva tryckfärger och högt exakta mekaniska steg för överföring utskrift ^7; och (d) funktionella och strukturella fast bläck kan integreras på både styva och flexibla substrat i plana eller krökta geometrier.

Protocol

1. Design Masker för Tillverkning av Donor Substrat Designa en mask med önskad geometri. För att tillverka 100 ìm x 100 ìm kvadrat kisel individuella enheter, rita en matris med 100 ìm x 100 ìm rutor. Designa en andra mask med en identisk geometri, med varje sida som sträcker sig ut ytterligare 15 um. För samling av 100 ìm x 100 ìm rutor, rita en matris med 130 ìm x 130 ìm rutor som kan täcka rutorna i steg 1.1. Plan ankaret geometri. Rita fyra 20 ìm x 40 ìm rektanglar, var…

Representative Results

Mikro murverk möjliggör heterogena material integration att generera MEMS strukturer som är mycket utmanande eller omöjligt att uppnå med monolitiska mikrotillverkningsprocesser. För att visa sin förmåga, är en struktur (som kallas en "mikro tekanna") tillverkas enbart genom mikro murverk. Figur 4A är ett optiskt mikroskop bild av fabricerade Si bläck på en donator substrat. De designade bläck är skivor med olika dimensioner gjorda av enstaka kristallint kisel, som är byggstenar…

Discussion

Micro-murverk, presenteras i figur 4, innebär kisel smältbindning i ett material bindningssteget. Kisel smältbindning uppnås genom att placera provet i en snabb termisk glödgning ugn (RTA-ugn) och upphettning av provet vid 950 ° C under 10 min. Denna glödgning tillstånd är både adoptable mellan Si – Si och Si – SiO ₂ bindning ^10,11. Alternativt kan Au bunden med en Si-remsa som finns i figur 5C antar eutektisk bondning, och därför är bindningstemperatu…

Materials

Name of Material / Equipment	Company		Comments / Description
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