Micro-maçonnerie pour la 3D Additif Microfabrication
Summary
Cet article introduit un additif stratégie de microfabrication 3D (appelé «micro-maçonnerie») pour la fabrication flexible de microsystème électromécanique (MEMS) de structures et de dispositifs. Cette approche implique le transfert assemblage à base de matériaux d'impression micro / nanométriques en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.
Abstract
Impression par transfert est une méthode pour transférer des matériaux micro / nanométriques solides (appelés «encres») à partir d'un substrat où ils sont générés à un substrat différent en utilisant des tampons élastomères. impression de transfert permet l'intégration de matériaux hétérogènes pour fabriquer des structures ou des systèmes fonctionnels sans exemple que l'on trouve dans les appareils de pointe récents, tels que les cellules solaires flexibles et extensibles et les tableaux LED. Lors de l'impression de transfert présente des caractéristiques uniques de la capacité d'assemblage matériel, l'utilisation de couches adhésives ou la modification de surface tels que le dépôt de l'auto-assemblage monocouche (SAM) sur des substrats pour l'amélioration des processus d'impression entrave sa grande capacité d'adaptation à micro-assemblage de microsystème électromécanique (MEMS) structures et des dispositifs. Pour pallier cet inconvénient, nous avons développé un mode avancé de l'impression de transfert qui assemble déterministe objets micrométriques individuels uniquement par le contrôle de la zone de contact de surfacesans aucune altération de la surface. L'absence d'une couche adhésive ou d'une autre modification, et les procédés de liaison de matériau ultérieures assurer non seulement une liaison mécanique, mais aussi la connexion électrique et thermique entre les matériaux assemblés, qui s'ouvre en outre diverses applications dans la construction de l'adaptation dans des dispositifs MEMS inhabituelles.
Introduction
Systèmes micro-électromécaniques (MEMS), tels que la miniaturisation des grandes machines 3D ordinaires, sont indispensables pour faire progresser les technologies modernes en offrant des améliorations de performance et de réduction des coûts de fabrication 1,2. Cependant, le taux actuel de l'avancement technologique dans les MEMS ne peut être maintenue sans innovations continues dans les technologies de fabrication 3-6. Microfabrication monolithique commune se fonde principalement sur les processus couche par couche développés pour la fabrication de circuits intégrés (IC). Cette méthode a très bien réussi à permettre la production de masse de dispositifs MEMS de haute performance. Toutefois, en raison de sa complexité couche par couche et de la nature électrochimique soustractive, la fabrication de structures en forme de diversement et des dispositifs MEMS 3D, alors que dans le macromonde facile, est très difficile à réaliser en utilisant cette microfabrication monolithique. Pour permettre plus de souplesse microfabrication 3D avec la complexité moins de processus, nous DEVEloppé un additif stratégie de microfabrication 3D (appelée «micro / nano-maçonnerie '), qui implique un assemblage de matériaux micro / nanométriques à base d'impression-transfert en conjonction avec des techniques thermiques rapides de liaison de matériau recuit à extension.
impression de transfert est une méthode pour transférer des matériaux à micro-solide ('encres solides ») à partir d'un substrat où ils sont générés ou cultivées sur un substrat différent en utilisant adhérence à sec contrôlée de timbres élastomères. La procédure typique de micro-maçonnerie commence par l'impression par transfert. Encres solides préfabriqués sont transfert imprimé à l'aide d'un timbre à micropointes qui est une forme avancée de timbres élastomères et les structures imprimées sont ensuite recuites utilisant le recuit thermique rapide (RTA) pour améliorer encre et encre de-adhérence au substrat. Cette approche de fabrication permet la construction de structures micrométriques inhabituelles et des dispositifs qui ne peuvent être satisfaites en utilisant d'autres métho existantds 7.
Micro-maçonnerie propose plusieurs caractéristiques intéressantes ne sont pas présents dans d'autres méthodes: (a) la capacité d'intégrer les encres solides fonctionnelles et structurelles de matériaux différents pour assembler capteurs MEMS et actionneurs tout intégré dans la structure 3D; (B) les interfaces des encres solides assemblés peuvent fonctionner comme des contacts électriques et thermiques 9,10; (C) la résolution spatiale de l'ensemble peut être élevé (~ 1 um) en utilisant des procédés lithographiques hautement évolutives et bien compris pour générer encres solides et les étapes mécaniques très précises pour impression par transfert 7; et (d) des encres solides fonctionnelles et structurelles peuvent être intégrés sur deux substrats rigides et flexibles dans des géométries planes ou curvilignes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Micro-maçonnerie, présenté sur la figure 4, comprend la liaison par fusion du silicium dans une étape de liaison matérielle. La liaison par fusion du silicium est obtenue en plaçant l'échantillon dans un four de recuit thermique rapide (RTA four) et en chauffant l'échantillon à 950 ° C pendant 10 min. Cette condition de recuit à la fois adoptable entre Si – Si et Si – SiO 2 liaison 10,11. En variante, l'Au collée avec une bande de Si que l'on trouve sur …
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).
