2017年1月杂志俱乐部:应力引导先进3D微加工

徐盛，加州大学圣地亚哥分校

1.介绍

传统的微加工技术是二维的，如光刻和电子束光刻，可以在平面晶圆和薄膜上生成图案。然而，我们的世界是3D的。在3D中合成和组装功能材料和设备以获得更好的性能和性能是一个未满足的需求。现有的3D微加工方法，包括直接激光书写[1]、干涉光刻[2]、掠角沉积[3]、喷墨印刷[4]，线上光刻[5]，使用模板[6]，以及自组装［7］，已被证明在各个方面都是有效和有价值的，但它们要么不能扩大规模，要么仅限于某些类别的材料。应力已经成为一种强大的手段，在制造基于各种材料的3D微结构方面提供了前所未有的能力oN大规模。我在这个讨论线程中，我从文献中强调了一些应力引导3D微加工的代表性例子，以说明它们的独特之处以及补充传统微加工方法的能力．

2.残余应力驱动弯曲和卷取

剩余压力在薄膜中，当不受约束时，会将二维材料和设备弯曲成管状和螺旋状。剩余压力可能是外延生长过程中的晶格失配，热膨胀系数的差异，或后处理后材料的非均匀/各向异性模量分布。

2.1按生长/沉积

由于晶体半导体材料晶格常数的有限差异，会有残余压力在外延衬底上生长的晶体薄膜中(图1a)(8、9)．根据它们的相关大小压力如果生长薄膜中的晶格常数小于/大于外延衬底中的晶格常数，则可以是拉伸/压缩的。当强调薄膜是从底层基材上分离出来的残余物压力将驱动薄膜卷曲成管状或螺旋状(图1b)。它作为一种功能器件适用于晶体半导体甚至多层材料(10、11)，但它只能生成有限的几何形状，如管状和螺旋状，因此设备集成的例子有限。

图1所示。(a)残余应力诱发弯曲示意图。在这种情况下，顶层有张力压力底层是压缩的压力．当它们被释放时，顶层收缩，底层膨胀，导致向上卷曲;(b)非晶态Cr包覆的p型晶体Si双层层三维结构的SEM图像(9、12)．

2.2通过后处理

后处理与光刻或印刷相结合，会产生不均匀/各向异性的模量分布，因此会产生残留压力在物料中，当温度改变时，物料被溶剂膨胀，或溶剂蒸发。

例如，用光刻，度年代的交联的聚合物前体在整个表面上是不同的(图2)年代高交联度的材料比低交联度的材料具有更高的刚性和热膨胀系数。当周围温度发生变化时，残留压力在硬/软边界处产生。剩余压力将材料弯曲，并通过战略性地控制这些硬和软区域的分布，可以实现材料的不同几何形状[13]．

图2。(a)嵌入式非均匀刚度制作工艺示意图。(1)在涂有牺牲层的硅片上，(2)浇铸光敏聚合物薄膜，并通过第一光掩膜暴露在小剂量的紫外线下，随后通过第二光掩膜暴露在大剂量的紫外线下。(4)将图案膜(5)冲洗以去除未交联的材料，(6)将其浸入水溶液中使其从基质中释放并诱导膨胀，其中Ω表示面积膨胀比。(b)图案板的可逆热致动，但通过不同的途径[13]．

在另一个例子中，一个软聚合物基体是嵌入纤维素纤维。当它们从喷嘴中挤出时，即在基板上印刷时，这些纤维通过流场驱动的自组装排列［14］．纤维在聚合物基体中的排列导致打印聚合物的各向异性模量。因此，当浸入溶剂时，印刷的聚合物在预定义的布局和配置中将会膨胀各向异性导致曲面(图3)。

图3。(a)在直接墨水书写过程中，流场诱导纤维素纤维排列的示意图，以及随后对各向异性刚度E和膨胀应变α的影响，从而导致各向异性变形行为。(b)一朵花的仿生肿胀结构(左图)，展示了受本地兰花(右图)启发的一系列形态(比例尺5毫米)［14］．

这种方法可以产生广泛的结构和构型，但仅限于使用较少的非晶或复合多晶材料富尔语在高性能电子设备。

3.预紧弹性基板的压缩屈曲

它利用预拉伸弹性基板的压缩力来制造3D微结构．具体来说,二维前驱体材料粘合在预应变弹性体衬底上。当预应变释放时，压应力将迫使未粘结的材料进入来第三维度。这个过程是可逆的。当基底被拉伸时，三维结构可以坍塌并再次变成二维结构。前驱体材料可以均匀或选择性地粘合在预紧弹性体上，从而导致不同的几何和功能结果。

3.1粘接均匀

统一的结合需要S是前体材料留在在整个过程中与弹性基板紧密接触而不分层。的结果波浪的几何形状，如波浪周期和振幅，取决于多种因素的组合，包括的基板和前驱体的预应变水平、模量和厚度年代．此策略单轴适用于两者[15]和双轴[16]预紧衬底(图4)。该策略的演示示例包括硅膜(15、16)，硅纳米线年代(17、18)、ZnO纳米丝带[19]和碳纳米管(20、21)．当预应变水平相对较小(通常<10%)时，该策略效果良好，超过该水平，前驱体开始从基体上分层或断裂。

图4。在预应变弹性基板上制造二维“波浪形”半导体纳米膜的步骤示意图．底部是硅纳米膜中二维波浪形结构的光学显微照片[16]．

3.2具有选择性键合

为了使结构能够承受较大的预应变水平，一种称为s的方法可以使用选择性键合。在这种情况下，前体是保税通过设计的一组位置通过不可逆的共价键连接到预紧的衬底上，而前驱体的其余部分在衬底上是独立的(或通过弱范德华力结合)(图5)(22、23)．这减少了粘合区域的应变局部化，并允许在衬底中应用更大的预应变水平，假设在均匀粘合的情况下。这段时间扣结构是由球场决定的吗的选择性焊接位置，幅值由预应变水平控制。此外，它给了我们一个自由度来设计前驱体的自由站立区域，如二维布局(图5 b)(24、25)，厚度[26]，层数[27]，因此它们可以导致不同的配置和功能。

图5。(a)线性二维布局的屈曲硅膜阵列的SEM图像[22](b)蛇形二维布局的双层螺旋阵列[24]．这两种情况都是选择性成键。

这种方法适用于一般类别的材料，包括金属，聚合物，甚至器件级单晶硅，只要它们与标准的二维微加工兼容。这个过程是高度并行的，因为所有的前体可以同时扣在一个批次。前驱体必须很薄，以便前驱体中的峰值应变很小，以避免任何断裂。

4.讨论

应力已经证明了制造先进的3D微结构的巨大潜力，具有与现有方法互补的特点。它允许以并行，高通量的方式集成各种材料，包括高性能单晶半导体。然而，目前所展示的结构和功能仍然有限。该方向的进一步发展将从通过应变大小和分布、二维前驱体布局的逆向工程来制造任意结构，到前驱体的可能战略性顺序弯曲/屈曲。随着越来越多的结构可以作为构建模块，新的设备和功能自然会出现随之而来．

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