Micro-murværk til 3D-Additive Micromanufacturing

Summary

Dette papir introducerer et 3D-additiv micromanufacturing strategi (såkaldt »mikro-murværk) for fleksibel fremstilling af microelectromechanical-system (MEMS) strukturer og enheder. Denne tilgang indebærer overførsel trykning-baserede samling af mikro / nanoskala materialer i forbindelse med hurtige termiske annealing-aktiveret materiale bonding teknikker.

Abstract

Overførsel trykning er en metode til at overføre faste mikro / nanoskala materialer (heri kaldet "blæk") fra et substrat, hvor de er genereret til et andet substrat ved anvendelse af elastomere stempler. Overførsel trykning muliggør integration af heterogene materialer til at fremstille unexampled strukturer eller funktionelle systemer, der findes i de seneste avancerede enheder, såsom fleksible og strækbare solceller og LED-arrays. Mens transfertrykning udviser unikke egenskaber i væsentlig samling kapacitet, anvendelse af klæbemiddellag eller overflademodifikation, såsom aflejring af selv-samlet monolag (SAM) på substrater til forbedring trykprocesser hindrer dens brede tilpasning mikroapplikationer af microelectromechanical system (MEMS) strukturer og enheder. For at overvinde denne mangel, har vi udviklet en avanceret form for overførsel trykning som deterministisk samler individuelle mikroskala objekter udelukkende gennem kontrollerende overfladekontaktarealuden nogen overflade ændring. Fraværet af et klæbelag eller anden ændring og de efterfølgende materiale limning processer sikrer ikke kun mekanisk binding, men også termisk og elektrisk forbindelse mellem forsamlede materialer, hvilket yderligere åbner forskellige applikationer i tilpasning i opbygningen usædvanlige MEMS enheder.

Introduction

Microelectromechanical systemer (MEMS), såsom miniaturisering af store almindelige 3D-maskiner, er uundværlige for at fremme moderne teknologi ved at give forbedringer af ydeevnen og nedbringelse produktionsomkostningerne ^1,2. Dog kan den nuværende sats på teknologiske fremskridt i MEMS ikke opretholdes uden løbende innovationer i produktionsteknologier ^3-6. Fælles monolitisk microfabrication primært bygger på lag-for-lag processer er udviklet til fremstilling af integrerede kredsløb (IC). Denne metode har været ret vellykket på at sætte masseproduktion af højtydende MEMS enheder. Men på grund af sin komplekse lag-for-lag og elektrokemisk subtraktiv natur, fremstilling af forskelligt formede 3D MEMS strukturer og enheder, mens let i macroworld, er meget udfordrende at opnå med denne monolitisk mikrofabrikation. At muliggøre en mere fleksibel 3D microfabrication med mindre proces kompleksitet, vi developed en 3D tilsætningsstof micromanufacturing strategi (såkaldt »mikro / nano-murværk«), som indebærer en overførsel trykning baseret samling af mikro / nanoskala materialer i forbindelse med hurtige termiske annealing-aktiveret materiale bonding teknikker.

Overførsel trykning er en metode til at overføre faste mikroskala materialer (dvs. »fast blæk ') fra et substrat, hvor de genereres eller vokset til et andet substrat ved hjælp af kontrolleret tør vedhæftning af elastomere stempler. Den typiske procedure af mikro-murværk starter med overførsel trykning. Præfabrikerede massive blæk er overførsel udskrives ved hjælp af en mikrospids stempel, der er en avanceret form for elastomere stempler og de trykte strukturer efterfølgende udglødet hjælp hurtig termisk udglødning (RTA) at øge blæk-blæk og blæk-substrat vedhæftning. Denne fremstillings metode muliggør opførelse af usædvanlige mikroskala strukturer og enheder, der ikke kan rummes hjælp andre eksisterende methods ^7.

Micro-murværk giver flere attraktive funktioner, der ikke er til stede i andre metoder: (a) evnen til at integrere funktionelle og strukturelle heldækkende blæk af uens materialer at samle MEMS sensorer og aktuatorer alle integreret i 3D-struktur; (B) grænseflader samlet heldækkende blæk kan fungere som elektriske og termiske kontakter ^9,10; (C) samling rumlig opløsning kan være høj (~ 1 mM) ved at udnytte højt skalerbare og velforståede litografiske processer til at generere massive blæk og yderst præcise mekaniske trin for overførsel trykning ^7; og (d) funktionelle og strukturelle heldækkende blæk kan integreres på begge stive og fleksible substrater i plane eller buede geometrier.

Protocol

1.. Design Masker til Fabrikation af donorsubstrat Design en maske med ønskede geometri. At fabrikere 100 mM x 100 mM kvadrat silicium enkelte enheder, tegne en vifte af 100 mM x 100 mM firkanter. Design en anden maske med en identisk geometri, med hver side strækker sig ud en ekstra 15 pm. For den vifte af 100 mM x 100 mM pladser, tegne en vifte af 130 um x 130 um firkanter, der kan dække de pladser i trin 1.1. Design anker geometri. Tegn fire 20 um x 40 um rektangler, hver centreret l…

Representative Results

Micro-murværk muliggør heterogent materiale integration at generere MEMS strukturer, der er meget udfordrende eller umuligt at opnå ved monolitiske microfabrication processer. For at demonstrere sin kapacitet, er en struktur (kaldet et "mikro tepotte") fremstillet udelukkende gennem mikro-murværk. 4A er et optisk mikroskop billede af fabrikerede Si blæk på en donor substrat. De designede blæk er diske med forskellige dimensioner lavet af enkelt krystallinsk silicium, som er byggestenene…

Discussion

Micro-murværk, præsenteret i figur 4, indebærer silicium smeltebinding i et materiale bonding skridt. Silicon smeltebinding opnås ved at anbringe prøven i en hurtig termisk annealing ovn (RTA ovnen), og opvarmning af prøven ved 950 ° C i 10 min. Denne udglødning betingelse er både adoptable mellem Si – Si og Si – _SiO2 bonding ^10,11. Alternativt Au fastgjort med et Si bånd, som findes i figur 5C vedtager eutektisk limning, og derfor limning temperatur er o…

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