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

Microfabricated devices and systems have many exciting applications such as accelerometers for triggering the launching of airbags in cars, gyroscopes for sensing the rotations of mobile phones, and micromirror arrays for controlling light reflection in digital light projectors. These devices are currently produced using semiconductor manufacturing techniques, which are suitable for large volumes of mostly planar structures. However, they have limited economic viability for products with lower volumes, and they also constrain the three-dimensional (3D) structuring of the microdevices. Therefore, there is a need for new manufacturing techniques that are economically viable even for smaller volumes and allow truly 3D microdevice designs. To address this problem, this thesis presents developments in microfabrication and integration using two main methods: (1) The usage of sub-picosecond laser pulses for locally adding and modifying material and (2) the usage of an external magnetic field to handle fragile micrometric objects in order to assemble them into their target locations. These two methods are used for six main applications out of which four involve packaging and integrating microsystems, one involves the manufacturing of 3D microstructures, and one involves directly patterning microstructures on a surface. A key technology in the packaging and integration of microsystems, and a focus area of this thesis, is the manufacturing of through-substrate vias. They are used as electrical interconnections through device and package substrates. They allow smaller packages, which is a requirement, for example, for the Internet of Things where different types of microsensors and actuators are placed in our everyday environment. The first application related to the manufacturing of through-substrate vias is laser drilling of through-silicon holes. Laser drilling allows holes to be created where traditional etching methods might be uneconomical or unpractical. Laser drilling also allows the drilling of tilted holes, which can improve the radio-frequency performance of the vias. The second application is the magnetic assembly of metal conductors into holes in a glass substrate. Glass substrates have several benefits over silicon substrates, such as lower radio-frequency losses, but the production of through-glass vias is challenging due to the difficulty of creating regular holes through the glass. The magnetic assembly allows metal conductors to be placed into the holes in glass independent of the hole shape. This could lead to wider use of glass with its excellent properties as a packaging substrate for microsystems. The third application is through-substrate vias for high-temperature environments. These vias are manufactured by magnetically assembling metal conductors with low thermal expansion into holes in a silicon substrate. The low thermal expansion leads to reduced stresses at elevated temperatures. This could allow using through-substrate vias to reduce package sizes even in demanding high-temperature environments found, for example, in the space industry. The fourth and last application related to the packaging and integrating microsystems is the vertical assembly of microchips using an external magnetic field. Microsystem fabrication is focused on in-plane structures, but some applications require or would benefit from out-of-plane structures. Examples of such applications are a biosensor placed inside a microneedle inserted into tissue or flow sensors bending in the flow. Manufacturing the out-of-plane structures on the same substrate with other structures requires complicated manufacturing techniques and occupies a large surface area. When using the vertical assembly process, the out-of-plane structures can be manufactured on a separate substrate using standard microfabrication techniques, and the out-of-plane structures can then be assembled afterward in a vertical orientation on a receiving substrate. Manufacturing of 3D microstructures is not trivial using the standard micromanufacturing techniques. Free-form 3D printing of submicrometric features is possible using two-photon polymerization, but the material properties of polymers are not comparable to those of silica glass. This thesis demonstrates 3D printing of silica glass with submicrometric features using sub-picosecond laser pulses. This new 3D freedom in micromanufacturing could be used, for example, in building more complicated micro-opto-electro-mechanical systems. Directly patterning microstructures on a surface is possible by exposing the surface to laser pulses. These structures can affect the optical and wetting properties of the surfaces. More specifically, periodic ripple structures can act as diffraction gratings, altering the optical reflection properties of the surface. Exposure to sub-picosecond laser pulses can also cause chemical changes on the surface, and these changes can potentially affect the reflection properties. This thesis demonstrates that the chemical changes indeed affect the reflection properties, and this information could be used when manufacturing ripple patterns, for example, for security markings or for decorative use.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.QC 20200310