Microfabrication and Integration Using Sub-Picosecond Laser Pulses and Magnetic Assembly

Tid: Fr 2020-04-03 kl 10.00

Plats: Due to Corona it is not possible to attend this defense in person, instead attend via this link: (English)

Ämnesområde: Elektro- och systemteknik

Respondent: Miku Laakso , Mikro- och nanosystemteknik

Opponent: Assistant Professor Massimo Mastrangeli, Delft University of Technology (TU Delft)

Handledare: Professor Frank Niklaus, Mikro- och nanosystemteknik

Abstract

Enheter och system i mikroformat har många spännande applikationer, såsom accelerometrar för att utlösa krockkuddar i bilar, gyroskop för att avkänna rotation hos mobiltelefoner och matriser av mikrospeglar för att kontrollera ljusreflektion i digitala projektorer. Dessa anordningar framställs för närvarande med tillverkningstekniker för halvledare, som är lämpliga för stora volymer av mestadels plana strukturer. Dessa tekniker är emellertid inte kostnadseffektiva för produkter med lägre volymer och begränsar den tredimensionella (3D) struktureringen av mikroenheter. Därför finns det ett behov av nya tillverkningstekniker som är lönsamma även för mindre volymer och som verkligen möjliggör 3D strukturering av mikroenheter. För att hantera detta problem presenterar denna avhandling utveckling inom mikrofabrikation och integration med hjälp av två huvudmetoder: (1) Användning av laserpulser kortare än en pikosekund för att lägga till och modifiera material och (2) användningen av ett yttre magnetfält för att hantering av ömtåliga mikrometerstora föremål för att montera dem på deras måldestinationer. Dessa två metoder används, i denna avhandling, för sex huvudapplikationer, varav fyra involverar förpackning och integrering av mikrosystem, en involverar tillverkning av 3D-mikrostrukturer och en involverar direkt mönstrade mikrostrukturer på en yta.

Ett viktigt teknologiområde inom förpackning och integration av mikrosystem, samt ett huvudområde i denna avhandling, är tillverkningen av elektriska anslutningar genom olika substrat. De används som elektriska sammankopplingar genom komponenter och substrat. De möjliggör mindre komponenter, vilket är ett krav, till exempel för ”Sakernas Internet” (”Internet of Things”) där olika typer av mikrosensorer och aktuatorer placeras i vår omgivning. Den första tillämpningen relaterad till tillverkning av substratgenomföringar är laserborrning av genomgående hål i kiselsubstrat. Laserborrning gör det möjligt att framställa hål där traditionella etsningsmetoder kan vara oekonomiska eller opraktiska. Laserborrning tillåter också framställning av vinklade hål, vilket kan förbättra elektriska genomföringars radiofrekvensprestanda. Den andra tillämpningen rör magnetisk montering av metalledare i hål i ett glassubstrat. Glassubstrat har flera materialegenskaper som är bättre jämfört med kiselsubstrat, exempelvis lägre radiofrekvensförluster, men framställning av genomföringar i glas är utmanande på grund av svårigheten att skapa väldefinierade hål i glas. Med hjälp av magnet-baserad montering kan metalledare placeras i hål oberoende av hålens kvalitet i glassubstratet. Denna metod kan leda till en bredare användning av glassubstratet, med deras utmärkta egenskaper, inom paketering av mikrosystem. Den tredje tillämpningen, som beskrivs i denna avhandling, är substratgenomföringar för användning vid höga temperaturer. Dessa tillverkas genom magnetisk montering av metalledare med låg termisk expansionbenägenhet i hål i kiselsubstrat. Dessa kiselgenomföringar har visats kunna minska de mekaniska spänningarna vid höga temperaturer. Detta skulle möjliggöra användning av substratgenomföringar för att minska komponentförpackningar även för mycket krävande högtemperaturmiljöer, som till exempel inom rymdindustrin.

Den fjärde och sista applikationen relaterad till förpackning och integration av mikrosystem rör vertikal sammansättning av mikrochips med hjälp av ett yttre magnetfält. Tillverkning av mikrosystem är normalt inriktade på plana strukturer, men vissa tillämpningar kräver strukturer utanför komponentens huvudsakliga plan. Exempel på sådana tillämpningar är en biosensor placerad i en mikronål införd i vävnad eller flödessensorer som böjer sig i ett flöde. Tillverkning av vertikala konstruktioner från samma substrat med plana strukturer kräver komplicerade tillverkningstekniker och tar stor yta från mikrochips. Genom att vertikalt sammanföra olika delar kan konstruktioner utanför planet tillverkas på ett separat substrat med hjälp av standardmikrofabrikationstekniker och sedan monteras vertikalt till ett annat substrat med plana strukturer.

Det är inte trivialt att tillverka 3D-mikrostrukturer med hjälp av standardmikrofabrikationstekniker. Med en alternativ metod så kan mikrostrukturer ”3D-printas” med hjälp av tvåfotonpolymerisationsteknik, men polymerers materialegenskaper är i många avseenden sämre än många icke-organiska material. Denna avhandling visar hur strukturer i kiseldioxidglas med goda optiska egenskaper kan ”3D-printas” med strukturer mindre än en mikrometer med hjälp av laserpulser kortare än en pikosekund. Denna nya 3D-frihet vid mikrofabrikation kan till exempel användas för att bygga avancerade mikro-opto-elektromekaniska system.

Det är möjligt att direkt mönstra mikrostrukturer på en yta genom att utsätta ytan för laserpulser. Dessa strukturer kan påverka ytans optiska egenskaper och vätningsegenskaper. Mer specifikt kan periodiska vågmönster fungera som diffraktionsgitter som förändrar ytans optiska reflektionsegenskaper. Exponering för laserpulser kortare än en pikosekund kan också orsaka kemiska förändringar på ytan, och dessa förändringar kan potentiellt påverka reflektionsegenskaperna. Denna avhandling visar hur man genom exponering med laserpulser kortare än en pikosekund kan orsaka kemiska ytförändringar på ytan och hur dessa förändringar påverkar de optiska reflektionsegenskaperna. Denna teknik kan användas för tillverkning av vågmönster, till exempel för säkerhetsmarkeringar eller för dekorativ användning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-269539