Micro-metselwerk voor 3D Additive micromanufacturing
Summary
Dit artikel introduceert een 3D additief micromanufacturing strategie (zogenaamde "micro-metselwerk ') voor de flexibele productie van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Deze benadering houdt in transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.
Abstract
Transfer printen is een methode om vast micro / nanoschaal materialen (hierin genoemd "inkten") vanaf een substraat waar zij gegenereerd een ander substraat door gebruik elastomere stempels. Transferdruk maakt de integratie van heterogene materialen unexampled structuren of functionele systemen die worden gevonden in recente geavanceerde apparaten zoals flexibele en uitrekbare zonnecellen en LED arrays fabriceren. Terwijl transferdruk vertoont unieke eigenschappen materiaal assemblage vermogen, het gebruik van hechtmiddel lagen of oppervlaktemodificatie zoals afzetting van zelf-geassembleerde monolaag (SAM) op substraten voor het verbeteren drukprocessen belemmert zijn brede adaptatie microassemblage van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Om deze tekortkoming te overwinnen, ontwikkelden we een geavanceerde manier van overdracht afdrukken die deterministisch assembleert individuele microschaal objecten uitsluitend via het beheersen contactoppervlakzonder enige oppervlakte verandering. Het ontbreken van een kleeflaag of andere aanpassing en de daaropvolgende materiaal verlijmingsprocessen zorgen niet alleen mechanische hechting, maar ook thermische en elektrische verbinding tussen samengestelde materialen, die verder opent diverse toepassingen in aanpassing bouwen ongebruikelijke MEMS.
Introduction
Micro-elektromechanische systemen (MEMS), zoals de miniaturisatie van grootschalige gewone 3D machines zijn onmisbaar voor de bevordering van moderne technologieën door prestatieverbeteringen en productiekosten verminderen 1,2. Echter, het huidige tempo van de technologische vooruitgang in MEMS niet worden gehandhaafd zonder continue innovaties in productietechnologieën 3-6. Gemeenschappelijk monolithisch microfabricage vooral steunt op laag-voor-laag werkwijzen ontwikkeld voor de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen (IC). Deze methode is zeer succesvol op het mogelijk maken massaproductie van hoogwaardige MEMS apparaten. Echter, vanwege de complexe laag-voor-laag en elektrochemisch subtractieve aard, de productie van divers-vormige 3D MEMS-structuren en-apparaten, terwijl gemakkelijk in de macroworld, is zeer uitdagend te bereiken met behulp van deze monolithische microfabrication. Om flexibeler 3D microfabrication stellen met minder complexiteit van het proces, we ontwikkeld een 3D additief micromanufacturing strategie (de zogenaamde "micro / nano-metselwerk '), die een transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen gaat in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.
Transfer printen is een methode om vaste microschaal (dwz, "vaste inkt ') brengen van een substraat waar zij gegenereerd gekweekt of een ander substraat met gecontroleerde droge hechting van elastomere stempels. De typische werkwijze van micro-metselwerk begint met transfer printen. Geprefabriceerde massieve inkten zijn overdracht afgedrukt met een microtip stempel dat is een geavanceerde vorm van elastomeer postzegels en de gedrukte structuren worden vervolgens gegloeid behulp snel thermisch gloeien (RTA) om inkt-inkt en inkt-substraat adhesie te verbeteren. Deze productie-aanpak maakt de bouw van ongewone microschaal structuren en apparaten die niet kunnen worden ondergebracht gebruik van andere bestaande methodiekds 7.
Micro-metselwerk biedt verschillende aantrekkelijke functies niet in andere werkwijzen: (a) het vermogen om functionele en structurele vaste inkten van verschillende materialen integreren MEMS sensoren monteren en alle actuatoren geïntegreerd in de 3D structuur; (B) de interfaces van verzamelde vaste inkten kunnen fungeren als elektrische en thermische contacten 9,10; (C) het verzamelen ruimtelijke resolutie kan hoog (~ 1 micrometer) worden door gebruik te maken van zeer schaalbaar en goed begrepen lithografische processen voor het genereren van vaste inkt en zeer nauwkeurige mechanische podia voor transfer printen 7; en (d) de functionele en structurele vaste inkten kan worden geïntegreerd op zowel harde en flexibele substraten in vlakke of gebogen geometrieën.
Protocol
Representative Results
Discussion
Micro-metselwerk, weergegeven in figuur 4, omvat silicium smeltlassen in een materiaal hechtingsstap. Silicium smelthechting wordt bereikt door het monster in een snelle thermische gloeioven (RTA oven) en verwarmen van het monster bij 950 ° C gedurende 10 minuten. Dit gloeien voorwaarde is zowel adoptable tussen Si – Si en Si – SiO 2 bonding 10,11. Ook de Au gebonden met een Si strip in figuur 5C neemt eutectische hechting en derhalve de hechting temperatuur rond …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).
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 |
References
- Stix, G. Toward “Point one. Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).
- Appenzeler, T. The Man Who Dared to Think Small. Science. 254, 1300-1301 (1991).
- Madou, M. J. Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization. , (2002).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).
- Judy, J. W. Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications. Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).
- Jain, V. K. . Micromanufacturing Process. , (2012).
- Keum, H., et al. Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication. J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).
- Keum, H., Chung, H., Kim, S. Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining. ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).
- Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching. Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).
- Klaassen, E. H., et al. Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures. Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).
- Barth, P. W. Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures. Sens Actuators. A21 – A23, 919-926 (1990).
