Micro-mur for 3D Additiv Micromanufacturing

Summary

Denne artikkelen introduserer en 3D additiv Micromanufacturing strategi (kalt "micro-mur ') for fleksibel produksjon av mikroelektromekaniske system (MEMS) strukturer og enheter. Denne tilnærmingen innebærer overføring utskrift basert montering av mikro / nanoskala materialer i forbindelse med raske termisk annealing-aktivert materialet bonding teknikker.

Abstract

Overføring utskrift er en metode for å overføre faste mikro / nanoskala materiale (heri kalt "blekk") fra et substrat, hvor de er generert i en forskjellig substrat ved å benytte elastomere stempler. Overfør utskrift muliggjør integrasjon av heterogene materialer for å dikte unexampled strukturer eller funksjonelle systemer som er funnet i de siste avanserte enheter som fleksibel og tøyelig solceller og LED-matriser. Mens overføring utskrift oppviser unike egenskaper i materialet montering evne, anvendelse av selvklebende sjikt eller overflatemodifisering som avsetning av selv-sammensatte monosjikt (SAM) på substrater for å øke trykkprosesser hindrer dens bredeste tilpasning i samensatte i mikroelektromekaniske system (MEMS) strukturer og enheter. For å overvinne denne brist, utviklet vi en avansert modus for overføring utskrift som deter samler individuelle mikroobjekter utelukkende gjennom å kontrollere overflatekontaktområdetuten noen overflate endring. Fraværet av et klebende lag eller en annen modifikasjon, og de etterfølgende materiale bindingsprosesser sikrer ikke bare mekanisk binding, men også termisk og elektrisk forbindelse mellom sammensatte materialer, som videre åpner forskjellige anvendelser i tilpasning i å bygge uvanlige MEMS-enheter.

Introduction

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS), for eksempel miniatyrisering av storskala vanlige 3D-maskiner, er uunnværlig for å fremme moderne teknologi ved å gi ytelsesforbedringer og produksjons kostnadsreduksjon ^1,2. Imidlertid kan dagens sats på teknologisk utvikling i MEMS ikke opprettholdes uten kontinuerlige innovasjoner i produksjonsteknologier ^3-6. Vanlige monolittisk microfabrication primært er avhengig av lag-for-lag prosesser som er utviklet for fremstilling av integrerte kretser (IC). Denne metoden har vært ganske vellykket mot slik at masseproduksjon av høy ytelse MEMS-enheter. Men, på grunn av sin komplekse lag-på-lag og elektrokjemisk subtractive natur, produksjon av diversely-formet 3D MEMS strukturer og enheter, mens lett i macroworld, er svært utfordrende å oppnå ved hjelp av dette monolittisk microfabrication. For å muliggjøre mer fleksibel 3D microfabrication med mindre prosess kompleksitet, vi utvikloped en 3D additiv Micromanufacturing strategi (kalt 'mikro / nano-mur ") som innebærer en overføring utskrift basert montering av mikro / nanoskala materialer i forbindelse med raske termisk annealing-aktivert materialet bonding teknikker.

Overføring utskrift er en metode for å overføre faste mikro materialer (dvs. 'fast blekk') fra et substrat, hvor de er generert, eller dyrket på et annet substrat ved hjelp av kontrollert tørr adhesjon av elastomere stempler. Den vanlige prosedyren av mikro-mur starter med overføring utskrift. Prefabrikkerte solide blekk er overføring skrevet ut på en mikrotip stempel som er en avansert form for elastomer frimerker og de trykte strukturer senere blir glødet bruker rask termisk annealing (RTA) for å forbedre blekk-blekk og blekk-substrat vedheft. Denne produksjons tilnærmingen gjør bygging av uvanlige mikrostrukturer og enheter som ikke kan innkvarteres bruker andre eksisterende methods ^7.

Micro-mur gir flere attraktive funksjoner som ikke finnes i andre metoder: (a) muligheten til å integrere funksjonelle og strukturelle fast blekk av ulike materialer for å montere MEMS-sensorer og aktuatorer alle integrert i 3D struktur; (B) grensesnittene av sammensatte fast blekk kan fungere som elektriske og termiske kontakter ^9,10; (C) sammenstillingen romlig oppløsning kan være høy (~ 1 mm) ved bruk av meget-skalerbare og godt forstått litografiske prosesser for generering av fast blekk og svært nøyaktige mekaniske trinn for overføring teknikker ^7; og (d) funksjonelle og strukturelle fast blekk kan integreres både stive og fleksible substrater i plane eller krumlinjet geometrier.

Protocol

En. Design Masker Fabrikasjon av Donor Underlag Design en maske med ønsket geometri. Å dikte 100 mikrometer x 100 mikrometer kvadrat silisium enkelte enheter, tegne en rekke 100 mikrometer x 100 mikrometer firkanter. Designe en andre maske med en identisk geometri, og hver strekker seg ut med ytterligere 15 mikrometer. For rekken av 100 mikrometer x 100 mikrometer firkanter, tegne en rekke 130 mikrometer x 130 mikrometer firkanter som kan dekke rutene i trinn 1.1. Design anker geometri. …

Representative Results

Micro-mur gjør at heterogene materialet integrering å generere MEMS strukturer som er svært utfordrende eller umulig å oppnå ved monolittisk microfabrication prosesser. For å demonstrere dens evne, er en konstruksjon (kalt en "micro tekanne ') fremstilt utelukkende gjennom mikro murverk. Figur 4A viser et optisk mikroskopbilde av fabrikerte Si blekk på en donor substrat. De designede blekk er plater med ulike dimensjoner laget av single krystallinsk silisium, som er byggesteinene i mikro…

Discussion

Mikro-mur, presentert i figur 4, omfatter silisium-fusion bonding i et materiale bonding trinn. Silisium fusion bonding oppnås ved å plassere prøven i en hurtig termisk Annealing ovn (RTA ovn) og oppvarming av prøven ved 950 ° C i 10 min. Dette annealing tilstanden er både adoptable mellom Si – Si og Si – SiO ₂ bonding ^10,11. Alternativt kan den Au limt med en Si strimmel som finnes i figur 5C fatter eutektisk binding, og derfor er den binding temperaturen ru…

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