使用引線鍵合器轉移印刷納米材料和微結構

1、概述

1.將納米材料和微結構從其原始製造基板向新的主體基板進行可擴展且經濟高效的轉移是實現異類集成功能系統（如傳感器，光子學和電子學）的關鍵挑戰。

2.Published 28 October 2019 • © 2019 IOP Publishing Ltd
Journal of Micromechanics and Microengineering, Volume 29, Number 12

3.該方法利用常規的引線鍵合工具轉移印刷碳納米管（CNT）和硅微結構。標準的球形縫線焊接循環被用做可擴展和高速的取放操做，以實現材料轉移。

4.成功轉移了單壁CNT（100m直徑的貼片）從其生長基板到聚二甲基硅氧烷，聚對二甲苯或Au /聚對二甲苯電極基板，並在硅基板上實現由CNT製成的場致發射陰極。場發射測量結果代表CNT電極具備出色的發射性能。此外，咱們展現了高速焊線機在將硅微結構（60 m 60 m 20 m）從絕緣體襯底上的原始硅轉移到新的宿主襯底上的轉移印刷中的實用性。目標基板上CNT貼片和硅微結構的放置精度達到4米 這些結果代表，使用已創建的且極具成本效益的半導體引線鍵合基礎設施進行納米材料和微結構的轉移印刷，以實現集成微系統和柔性電子學的潛力。

5.爲了推動異構集成技術實現實際應用中，納米材料和微結構的並行傳送的各類方法已經被提出，其中包括晶片鍵合[ 9 - 14 ]，絲網印刷[ 15 - 18 ]，和轉移印花[ 4，19 - 25]。

6.晶片鍵合已用於外延生長III-V族化合物半導體（例如GaAs和GaN）的轉移到硅（Si）或其它基材對硅光子和光伏應用[ 9 - 14 ]。這些方法是可擴展的，並可能與CMOS基板兼容。可是，對於集成不一樣尺寸的設備或在不一樣尺寸的晶圓上製造的材料進行集成，晶圓鍵合工藝可能不是一種具備成本效益的解決方案。

做爲一種替代方法，絲網印刷已在印刷行業中長期使用，其優勢是成本低廉且可擴展。

由CNT，納米線，氧化石墨烯和其餘導電材料製成的油墨已被證實可用於實現顯示器，晶體管和基於紙張的傳感器

與晶圓鍵合和絲網印刷方法相比，轉移印刷在基材類型/尺寸和待轉移材料的選擇方面更具通用性。在轉移印刷中，一般使用由彈性體（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS））製成的壓模，經過控制材料壓印和材料與基材的粘附力之間的相對大小來實現材料的可靠拾取或放置

 

 

然而，所報道的轉移印刷工藝一般涉及手動操做和/或定製工具，以實現可靠且精確地拾取，放置和釋放轉移印刷結構。

 

將利用現有的高速，高精度和經濟高效的製造工具和基礎設施，提出了一種使用常規高速引線鍵合工具對單壁碳納米管（SWCNT）和Si微結構進行可縮放轉移印刷的方法。引線鍵合很是快，半導體行業中用於在半導體管芯和管芯封裝之間造成電鏈接的經濟高效且行之有效的封裝工藝。

 

 

使用商用高速全自動引線鍵合工具將SWCNT轉移印刷到PDMS，聚對二甲苯，Au /聚對二甲苯和硅基板上的可行性，並在柔性電子和場發射應用中具備潛在的應用前景。

 

從絕緣體上的原始硅（SOI）襯底上轉移了Si微觀結構的轉移印刷，在該襯底上製造了微結構並轉移到了新的宿主襯底上。

 

2、具體內容

1.使用焊線機的轉移過程的通常原理

 

 

 

 咱們使用了商業和未經修改的高速自動引線鍵合機（ESEC 3100+，瑞士ESEC Ltd.）以及金絲（25/50）m直徑）以很是規的「拾取和放置」方式展現了SWCNT和Si微結構到新主體襯底的高通量轉移和異質集成。

咱們使用了商業和未經修改的高速自動引線鍵合機（ESEC 3100+，瑞士ESEC Ltd.）以及金絲（25/50）m直徑）以很是規的「拾取和放置」方式展現了SWCNT和Si微結構到新主體襯底的高通量轉移和異質集成。使用「球形鍵合」和「縫合鍵合」操做來拾取或放置CNT或Si微結構，而不是造成引線鍵合。將全部引線鍵合操做期間的基板溫度設置爲70 ，從而使轉移過程成爲低溫過程。

（2）工藝步驟

2.2。材料準備

2.2.1。CNT貼劑的製備。

經過在硝酸纖維素膜（如下稱爲源襯底）上的氣溶膠化學氣相沉積（CVD）合成SWCNT。

SWCNT的直徑爲〜2nm，而且SWCNT的層厚度爲〜110nm

圖案化CNT層

用飛秒脈衝激光器（精神燒蝕®一4-SHG，光譜物理，340飛秒脈衝寬度）

在低功率/脈衝能量範圍（24 nJ脈衝能量，100 kHz重複頻率）下的近紅外輻射（1040 nm）用於選擇性去除CNT層，而不會影響下面的硝化纖維素底物，從而避免了硝化纖維素碎片的產生。

 

PDMS和聚對二甲苯基質的製備

2.2.3。用於CNT場發射陰極的Si基質的製備

（3）轉印過程

 

圖1.  使用打線機將CNT貼片從源基板轉移到目標基板的轉移印刷示意圖。轉移印刷工藝包括兩個引線鍵合循環，其中步驟（a），（b）以及步驟（c）和（d）分別屬於第一和第二引線鍵合循環。（a）經過電子熄火（EFO）造成一個自由空氣球（FAB），而後進行虛擬「球焊」以使FAB「印章」變平。（b）虛擬「縫合鍵」以從源基板上拾取CNT貼片。（c）經過使EFO電流流過與目標基板相鄰的接地線，而後進行虛擬「球焊」以將CNT貼片放置在目標基板上，來防止FAB造成。（d）假的「縫合債券」

圖1中示出了經過引線鍵合器將CNT從其源基板轉印到目標基板的方法。轉移印刷工藝包括兩個連續執行的標準引線鍵合循環。

第一個週期始於FAB（200米直徑）。接下來，在硅表面上執行虛擬「球焊」（3500 mN，50 ms）以使FAB的底部變平，隨後將其用做轉印的「印記」。在將導線毛細管定心在CNT貼片上方後，利用虛擬「縫合鍵」（1200 mN，50 ms）拾取CNT貼片。與在虛擬「縫合鍵合」過程當中因爲緊密接觸和大面積接觸而致使的CNT束與Au-stamp（範德華力）之間的粘附力相比，多孔硝化纖維素基材對CNT束的粘附力相對較弱。這有助於Au FAB拾取CNT貼劑，相似於先前工做中證實的幹轉移機制[ 33]。第二個焊線循環開始於經過使EFO電流流過與目標基板相鄰的接地線來防止FAB造成，而不是影響先前生成的FAB。因爲接地線僅放置在目標基板附近而且遠離Si基板（圖1（a）），所以不會影響下一個CNT傳輸週期的FAB造成。而後，經過虛擬「球形鍵合」（100 mN，100 ms）實現CNT貼片在目標基板上的放置，而且經過虛擬「縫線鍵合」（3000 mN，超聲波能量（50毫秒）。在第二個引線鍵合週期以後，將生成新的引線，並準備用於下一個轉移打印週期。經過在每一個轉印循環中造成乾淨的印模，這能夠確保在CNT樣品上印模效果的可重複性。

 

碳納米管轉移印刷金的FAB

 

 

圖2.  使用引線鍵合機將帶有CNT貼片的Au FAB轉移印刷到目標基材上的插圖。轉移過程基於單個引線鍵合週期。（a）經過電子熄火造成FAB，而後進行虛擬「球焊」以直接從源基板拾取CNT貼片。（b）虛擬「縫合結合」，將FAB和CNT貼片固定到目標基板的貫通基板孔中，並在下一個傳輸週期中撕裂導線。

 

使用引線鍵合機將Si微觀結構從源SOI基板轉移到目標基板

 

 

圖4。 使用引線鍵合機將Si微觀結構從源SOI基板轉移到目標基板的插圖。轉移印刷工藝包括兩個引線鍵合循環，其中步驟（a），（b）以及步驟（c）和（d）分別屬於第一和第二引線鍵合循環。（a）經過電子熄火（EFO）造成FAB，而後進行虛擬「球焊」以使FAB「印章」變平，並用乾燥的MHDA（16-巰基十六烷酸）粘合劑爲FAB上墨。（b）虛擬「縫合鍵」，經過破壞狹窄的BOX支撐柱從SOI供體襯底上拾取硅微結構（管芯）。（c）經過將EFO電流設置爲幾乎爲零來進行虛擬「 FAB造成」，而後進行虛擬「球焊」以將Si裸片放置在目標基板的粘合層上。

 三討論

 

 

爲了證實所提出的轉移印刷方法的可行性和可重複性，咱們分別在PDMS，聚對二甲苯和Au /聚對二甲苯基材上進行了二十個轉移過程。轉移過程以前和以後的CNT貼片如圖5所示。在圖5（b）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中清楚地看到了由變形的Au FAB拾取的CNT斑塊，而且所有成功轉移到了PDMS，聚對二甲苯和Au / parylene基體上（圖5（c）） – （e））。對於全部測試的基板，所達到的放置精度均在4 m之內，接近於引線鍵合機的指定對準精度（3 m，3 ）。

 

 

 

圖5.  傳輸過程先後的CNT補丁。（a）在經過毫微微激光燒蝕造成圖案以後，在其原始生長基質（硝酸纖維素膜）上的一系列CNT貼片（直徑100 m ）的光學圖像。CNT貼片之間的間距爲250 m。（b）在第一引線鍵合循環以後，由扁平的Au FAB（直徑200 m）拾取的CNT貼片的SEM圖像（圖1）。插圖：CNT的特寫SEM圖像。（c）轉移到PDMS基板上的CNT貼片陣列的光學圖像。（d）轉移到聚對二甲苯襯底上的CNT貼片陣列的光學圖像。（e）轉移到聚對二甲苯襯底上的Au電極頂部的CNT貼片的光學圖像。

 

爲了證實在硅微結構上應用轉移印刷方法的可行性和可靠性，咱們對製得的硅管芯進行了三十次轉移循環。對於每一個轉移循環，因爲硫醇-Au半共價鍵[ 40 ] ，Au FAB的頂表面變平並附着了MHDA [ 40 ]（圖8（a）））。MHDA自組裝單層（SAM）能夠很容易地在Au表面上造成，而在咱們的狀況下，因爲過量供應了乾燥的MHDA粘合劑，附着的MDHA能夠是單層或多層。MHDA的羧基尾基使平整的Au頂表面具備親水性，從而改善了平整的Au球與Si模的頂部自然氧化物之間的親和力。能夠在圖8（b）和（c）中看到在轉移以後在SOI襯底上製備的Si管芯和BOX支撐柱的殘留物。圖8（d）圖中顯示了在平坦的Au球表面上附着的Si模具，證實了咱們轉移原理的可行性。因爲與管芯-金球親和力相比，管芯與管芯之間的粘協力更強，所以硅管芯最終以93.3％的高產率轉移到玻璃基板上的粘合劑層上。所提出的轉移印刷方法的優勢在於，即便第一次轉移嘗試失敗，額外的轉移週期也能夠彌補目標基板上缺乏的芯片。轉移後，MHDA塗層的殘留物當即殘留在Si管芯的頂面上。然而，如圖8（e）和（f）所示，經過在異丙醇（IPA）中漂洗很容易除去這些殘留物。

 

 

圖8.  使用引線鍵合機轉移印刷硅芯片的結果。（a）壓在乾燥的MHDA粘合劑上後，在平坦的Au球表面上造成的MHDA塗層的示意圖。（b）在SOI襯底上製備的Si管芯的光學圖像。（c）在經過引線鍵合去除Si管芯以後，支撐BOX柱的殘餘物的光學圖像。（d）附着在扁平Au球上的Si芯片的SEM圖像。（e）轉移到玻璃基板上的粘合劑層上的硅模3 3陣列（間距200 m ）的光學圖像，頂部殘留MHDA粘合劑。（f）在異丙醇中清洗後，（e）中硅晶粒的光學圖像。

 

4。結論

咱們提出了一種可擴展的通用方法，經過使用常規的引線鍵合工具將碳納米管和超小型硅芯片從其製造基板轉移到主機基板上進行轉移印刷，從而實現異構集成。咱們證實了引線鍵合機能夠用做實現材料轉移的高通量和靈活的取放工具。實驗結果證實了將碳納米管轉移到PDMS，聚對二甲苯和金/聚對二甲苯電極基板上的可行性，以及經過引線鍵合器將CNT集成爲剛性基板做爲場致發射體。所以，該轉移方法能夠潛在地用於製造基於CNT的柔性電子和電子源。此外，咱們還演示了經過引線鍵合器成功地將Si微觀結構從SOI製造襯底轉移到主體襯底的過程，這顯示了在剛性半導體微結構（例如LED）的3D異構集成中應用的潛力。咱們認爲，也能夠進一步研究引線鍵合工具，以實現其餘納米材料和微結構的轉移。