使用引线键合器转移印刷纳米材料和微结构

一、概述

1.将纳米材料和微结构从其原始制造基板向新的主体基板进行可扩展且经济高效的转移是实现异类集成功能系统（如传感器，光子学和电子学）的关键挑战。

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

3.该方法利用常规的引线键合工具转移印刷碳纳米管（CNT）和硅微结构。标准的球形缝线焊接循环被用作可扩展和高速的取放操作，以实现材料转移。

4.成功转移了单壁CNT（100m直径的贴片）从其生长基板到聚二甲基硅氧烷，聚对二甲苯或Au /聚对二甲苯电极基板，并在硅基板上实现由CNT制成的场致发射阴极。场发射测量结果表明CNT电极具有出色的发射性能。此外，我们展示了高速焊线机在将硅微结构（60 m 60 m 20 m）从绝缘体衬底上的原始硅转移到新的宿主衬底上的转移印刷中的实用性。目标基板上CNT贴片和硅微结构的放置精度达到4米这些结果表明，使用已建立的且极具成本效益的半导体引线键合基础设施进行纳米材料和微结构的转移印刷，以实现集成微系统和柔性电子学的潜力。

5.为了推进异构集成技术实现实际应用中，纳米材料和微结构的并行传送的各种方法已经被提出，其中包括晶片键合[ 9 - 14 ]，丝网印刷[ 15 - 18 ]，和转移印花[ 4，19 - 25]。

6.晶片键合已用于外延生长III-V族化合物半导体（例如GaAs和GaN）的转移到硅（Si）或其它基材对硅光子和光伏应用[ 9 - 14 ]。这些方法是可扩展的，并可能与CMOS基板兼容。但是，对于集成不同尺寸的设备或在不同尺寸的晶圆上制造的材料进行集成，晶圆键合工艺可能不是一种具有成本效益的解决方案。

作为一种替代方法，丝网印刷已在印刷行业中长期使用，其优点是成本低廉且可扩展。

由CNT，纳米线，氧化石墨烯和其他导电材料制成的油墨已被证明可用于实现显示器，晶体管和基于纸张的传感器

与晶圆键合和丝网印刷方法相比，转移印刷在基材类型/尺寸和待转移材料的选择方面更具通用性。在转移印刷中，通常使用由弹性体（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS））制成的压模，通过控制材料压印和材料与基材的粘附力之间的相对大小来实现材料的可靠拾取或放置

然而，所报道的转移印刷工艺通常涉及手动操作和/或定制工具，以实现可靠且精确地拾取，放置和释放转移印刷结构。

将利用现有的高速，高精度和经济高效的制造工具和基础设施，提出了一种使用常规高速引线键合工具对单壁碳纳米管（SWCNT）和Si微结构进行可缩放转移印刷的方法。引线键合非常快，半导体行业中用于在半导体管芯和管芯封装之间形成电连接的经济高效且行之有效的封装工艺。

使用商用高速全自动引线键合工具将SWCNT转移印刷到PDMS，聚对二甲苯，Au /聚对二甲苯和硅基板上的可行性，并在柔性电子和场发射应用中具有潜在的应用前景。

从绝缘体上的原始硅（SOI）衬底上转移了Si微观结构的转移印刷，在该衬底上制造了微结构并转移到了新的宿主衬底上。

二、具体内容

1.使用焊线机的转移过程的一般原理

我们使用了商业和未经修改的高速自动引线键合机（ESEC 3100+，瑞士ESEC Ltd.）以及金丝（25/50） $\ mu$ m直径）以非常规的“拾取和放置”方式展示了SWCNT和Si微结构到新主体衬底的高通量转移和异质集成。

我们使用了商业和未经修改的高速自动引线键合机（ESEC 3100+，瑞士ESEC Ltd.）以及金丝（25/50） $\ mu$ m直径）以非常规的“拾取和放置”方式展示了SWCNT和Si微结构到新主体衬底的高通量转移和异质集成。使用“球形键合”和“缝合键合”操作来拾取或放置CNT或Si微结构，而不是形成引线键合。将所有引线键合操作期间的基板温度设置为70 ，从而使转移过程成为低温过程。

（2）工艺步骤

2.2。材料准备

2.2.1。CNT贴剂的制备。

通过在硝酸纤维素膜（以下称为源衬底）上的气溶胶化学气相沉积（CVD）合成SWCNT。

SWCNT的直径为〜2nm，并且SWCNT的层厚度为〜110nm

图案化CNT层

用飞秒脉冲激光器（精神烧蚀®一4-SHG，光谱物理，340飞秒脉冲宽度）

在低功率/脉冲能量范围（24 nJ脉冲能量，100 kHz重复频率）下的近红外辐射（1040 nm）用于选择性去除CNT层，而不会影响下面的硝化纤维素底物，从而避免了硝化纤维素碎片的产生。

PDMS和聚对二甲苯基质的制备

2.2.3。用于CNT场发射阴极的Si基质的制备

（3）转印过程

图1. 使用打线机将CNT贴片从源基板转移到目标基板的转移印刷示意图。转移印刷工艺包括两个引线键合循环，其中步骤（a），（b）以及步骤（c）和（d）分别属于第一和第二引线键合循环。（a）通过电子熄火（EFO）形成一个自由空气球（FAB），然后进行虚拟“球焊”以使FAB“印章”变平。（b）虚拟“缝合键”以从源基板上拾取CNT贴片。（c）通过使EFO电流流过与目标基板相邻的接地线，然后进行虚拟“球焊”以将CNT贴片放置在目标基板上，来防止FAB形成。（d）假的“缝合债券”

图1中示出了通过引线键合器将CNT从其源基板转印到目标基板的方法。转移印刷工艺包括两个连续执行的标准引线键合循环。

第一个周期始于FAB（200 $\ mu$ 米直径）。接下来，在硅表面上执行虚拟“球焊”（3500 mN，50 ms）以使FAB的底部变平，随后将其用作转印的“印记”。在将导线毛细管定心在CNT贴片上方后，利用虚拟“缝合键”（1200 mN，50 ms）拾取CNT贴片。与在虚拟“缝合键合”过程中由于紧密接触和大面积接触而导致的CNT束与Au-stamp（范德华力）之间的粘附力相比，多孔硝化纤维素基材对CNT束的粘附力相对较弱。这有助于Au FAB拾取CNT贴剂，类似于先前工作中证明的干转移机制[ 33]。第二个焊线循环开始于通过使EFO电流流过与目标基板相邻的接地线来防止FAB形成，而不是影响先前生成的FAB。由于接地线仅放置在目标基板附近并且远离Si基板（图1（a）），因此不会影响下一个CNT传输周期的FAB形成。然后，通过虚拟“球形键合”（100 mN，100 ms）实现CNT贴片在目标基板上的放置，并且通过虚拟“缝线键合”（3000 mN， $35 \％$ 超声波能量（50毫秒）。在第二个引线键合周期之后，将生成新的引线，并准备用于下一个转移打印周期。通过在每个转印循环中形成干净的印模，这可以确保在CNT样品上印模效果的可重复性。

碳纳米管转移印刷金的FAB

图2. 使用引线键合机将带有CNT贴片的Au FAB转移印刷到目标基材上的插图。转移过程基于单个引线键合周期。（a）通过电子熄火形成FAB，然后进行虚拟“球焊”以直接从源基板拾取CNT贴片。（b）虚拟“缝合结合”，将FAB和CNT贴片固定到目标基板的贯通基板孔中，并在下一个传输周期中撕裂导线。

使用引线键合机将Si微观结构从源SOI基板转移到目标基板

图4。使用引线键合机将Si微观结构从源SOI基板转移到目标基板的插图。转移印刷工艺包括两个引线键合循环，其中步骤（a），（b）以及步骤（c）和（d）分别属于第一和第二引线键合循环。（a）通过电子熄火（EFO）形成FAB，然后进行虚拟“球焊”以使FAB“印章”变平，并用干燥的MHDA（16-巯基十六烷酸）粘合剂为FAB上墨。（b）虚拟“缝合键”，通过破坏狭窄的BOX支撑柱从SOI供体衬底上拾取硅微结构（管芯）。（c）通过将EFO电流设置为几乎为零来进行虚拟“ FAB形成”，然后进行虚拟“球焊”以将Si裸片放置在目标基板的粘合层上。

三讨论

为了证明所提出的转移印刷方法的可行性和可重复性，我们分别在PDMS，聚对二甲苯和Au /聚对二甲苯基材上进行了二十个转移过程。转移过程之前和之后的CNT贴片如图5所示。在图5（b）的扫描电子显微镜（SEM）图像中清楚地看到了由变形的Au FAB拾取的CNT斑块，并且全部成功转移到了PDMS，聚对二甲苯和Au / parylene基体上（图5（c）） – （e））。对于所有测试的基板，所达到的放置精度均在4 m以内，接近于引线键合机的指定对准精度（3 m， $\ pm$ $\ mu$ $\ pm$ $\ mu$ $\ pm$ 3 ）。 $\ sigma$

图5. 传输过程前后的CNT补丁。（a）在通过毫微微激光烧蚀形成图案之后，在其原始生长基质（硝酸纤维素膜）上的一系列CNT贴片（直径100 m ）的光学图像。CNT贴片之间的间距为250 m。（b）在第一引线键合循环之后，由扁平的Au FAB（直径200 m）拾取的CNT贴片的SEM图像（图1）。插图：CNT的特写SEM图像。（c）转移到PDMS基板上的CNT贴片阵列的光学图像。（d）转移到聚对二甲苯衬底上的CNT贴片阵列的光学图像。（e）转移到聚对二甲苯衬底上的Au电极顶部的CNT贴片的光学图像。 $\ mu$ $\ mu$ $\ mu$

为了证明在硅微结构上应用转移印刷方法的可行性和可靠性，我们对制得的硅管芯进行了三十次转移循环。对于每个转移循环，由于硫醇-Au半共价键[ 40 ] ，Au FAB的顶表面变平并附着了MHDA [ 40 ]（图8（a）））。MHDA自组装单层（SAM）可以很容易地在Au表面上形成，而在我们的情况下，由于过量供应了干燥的MHDA粘合剂，附着的MDHA可以是单层或多层。MHDA的羧基尾基使平整的Au顶表面具有亲水性，从而改善了平整的Au球与Si模的顶部天然氧化物之间的亲和力。可以在图8（b）和（c）中看到在转移之后在SOI衬底上制备的Si管芯和BOX支撑柱的残留物。图8（d）图中显示了在平坦的Au球表面上附着的Si模具，证明了我们转移原理的可行性。由于与管芯-金球亲和力相比，管芯与管芯之间的粘合力更强，因此硅管芯最终以93.3％的高产率转移到玻璃基板上的粘合剂层上。所提出的转移印刷方法的优点在于，即使第一次转移尝试失败，额外的转移周期也可以弥补目标基板上缺少的芯片。转移后，MHDA涂层的残留物立即残留在Si管芯的顶面上。然而，如图8（e）和（f）所示，通过在异丙醇（IPA）中漂洗很容易除去这些残留物。

图8. 使用引线键合机转移印刷硅芯片的结果。（a）压在干燥的MHDA粘合剂上后，在平坦的Au球表面上形成的MHDA涂层的示意图。（b）在SOI衬底上制备的Si管芯的光学图像。（c）在通过引线键合去除Si管芯之后，支撑BOX柱的残余物的光学图像。（d）附着在扁平Au球上的Si芯片的SEM图像。（e）转移到玻璃基板上的粘合剂层上的硅模3 3阵列（间距200 m ）的光学图像，顶部残留MHDA粘合剂。（f）在异丙醇中清洗后，（e）中硅晶粒的光学图像。 $\ times$ $\ mu$

4。结论

我们提出了一种可扩展的通用方法，通过使用常规的引线键合工具将碳纳米管和超小型硅芯片从其制造基板转移到主机基板上进行转移印刷，从而实现异构集成。我们证明了引线键合机可以用作实现材料转移的高通量和灵活的取放工具。实验结果证明了将碳纳米管转移到PDMS，聚对二甲苯和金/聚对二甲苯电极基板上的可行性，以及通过引线键合器将CNT集成为刚性基板作为场致发射体。因此，该转移方法可以潜在地用于制造基于CNT的柔性电子和电子源。此外，我们还演示了通过引线键合器成功地将Si微观结构从SOI制造衬底转移到主体衬底的过程，这显示了在刚性半导体微结构（例如LED）的3D异构集成中应用的潜力。我们认为，也可以进一步研究引线键合工具，以实现其他纳米材料和微结构的转移。