SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J....

62
Author: J Date: 28 Versie: 3. M.Sc. The Group: T Committe Ing J.W. B Referenc Period: N SURFA anarthanan S august 2010 .0 esis University Transducer Sc ee: Prof.Dr.ir Berenschot, D e: Nov. 2009 – au ACE TE undaram y of Twente cience and Tec r. M. Elwens Dr. J. Snoeijer. ugust 2010 NSION DI chnology Gro spoek, Dr.ir. DRIVEN IMENSI up L. Abelmann N FABRI ONAL M n, Dr.ir. N.R. CATION MICROS Tas, Dr.ir. J N OF TH STRUCT J.W. van Ho HREETURES onschoten,

Transcript of SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J....

Page 1: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Author: JDate: 28 Versie: 3.

 M.Sc. The  Group:  TCommitteIng J.W. BReferencPeriod: N

SURFA

anarthanan Saugust 2010 .0 

esis University

Transducer Scee:  Prof.Dr.irBerenschot, De: Nov. 2009 – au

ACE TE

undaram 

y of Twente 

cience and Tecr.  M.  ElwensDr. J. Snoeijer. 

ugust 2010 

NSION 

DI

chnology Grospoek,  Dr.ir. 

DRIVEN

IMENSI

up L.  Abelmann

N FABRI

ONAL M

n,  Dr.ir.  N.R. 

CATION

MICROS

Tas,  Dr.ir.  J

N OF TH

STRUCT

J.W.  van  Ho

HREE‐TURES

 

onschoten,  

Page 2: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 2 

TABLE OF CONTENT 1  Introduction.................................................................................................................................................... 3 

1.1  motivation ............................................................................................................................................. 3 

1.2  Outline of this project ............................................................................................................................ 4 

2  Theory ............................................................................................................................................................ 5 

2.1  Capillary forces ...................................................................................................................................... 5 

2.1.1  Folding with capillary forces .............................................................................................................. 6 

2.1.2  Effects of different contact angles .................................................................................................. 12 

2.1.3  Varying the structural dimension .................................................................................................... 14 

3  Folding templates ......................................................................................................................................... 15 

3.1  Method ................................................................................................................................................ 15 

3.1.1  Design of the templates .................................................................................................................. 15 

3.1.2  Cleanroom processes ...................................................................................................................... 17 

3.1.3  Experimental setup ......................................................................................................................... 18 

3.2  Results ................................................................................................................................................. 19 

3.2.1  First results folding structures with more the 2 flaps. .................................................................... 19 

3.2.2  Results of folding of prism ............................................................................................................... 19 

4  Folding with different contact angle ............................................................................................................ 22 

4.1  method ................................................................................................................................................ 22 

4.1.1  white light measurement using lateral scanning interferometry ................................................... 22 

4.2  Results ................................................................................................................................................. 24 

5  Varying design of the prisms ........................................................................................................................ 25 

5.1  Problem definition ............................................................................................................................... 25 

5.1.1  Torsion in folding ............................................................................................................................. 25 

5.1.2  Folding without symmetry .............................................................................................................. 26 

5.1.3  Varying contact area ....................................................................................................................... 28 

5.1.4  Lifting objects out of the plane ....................................................................................................... 28 

5.2  Results ................................................................................................................................................. 29 

5.2.1  Torsion in folding ............................................................................................................................. 30 

5.2.2  Folding without symmetry .............................................................................................................. 30 

5.2.3  Varying contact area ....................................................................................................................... 32 

5.2.4  Lifting objects out of the plane ....................................................................................................... 34 

6  Conclusion .................................................................................................................................................... 36 

6.1  Recommendation ................................................................................................................................ 37 

7  Bibliography ................................................................................................................................................. 38 

8  Appendix – process documents ................................................................................................................... 39 

Page 3: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

 

1 INT

1.1 M

The  inven

compute

has more

transistor

single sili

A process

technolog

scale of t

mobile p

same tec

the figure

will be dr

FIGURE 1 S

IN SIZE FRO

In this re

nitride lik

folding m

of water 

We all kn

surface te

an silicon

 

ension driven

TRODUCTI

MOTIVATION

ntion of the t

r. Even more,

e  capacity  tha

r, but also by 

con chip. This

s technology i

gy creates  sm

these mechan

hones, which

chnology as co

e. This planar

ramatically inc

SCANNING ELECT

OM 0.5 MM TO 1 

eport we will d

ke the ancient

method has to 

drops to fold 

now  the smal

ension of the 

n nitride temp

 fabrication o

ON 

 

transistor  led 

 everyone can

an a  supercom

the invention

s technology is

is Micro Elect

mall mechanic

nical devices. 

h  react  to mo

omputer chip

r disposition o

creased if the

TRON MICROSCO

MM. (1) 

discuss a met

t Japanese tec

be as such th

the structure

ll  insects  that

water. This sa

plate into a str

 

of three‐dimen

to a revoluti

n have a comp

mputer of  the

n of the whole

s now mature

ro Mechanica

cal  systems w

These system

vement, or h

s, all the com

of the structu

re was a way 

OPE IMAGE OF A 

thod to create

chnique called

hat a small str

s. This is beca

t walk on  the

ame force can

ructure like a p

nsional micros

on which ma

puter in his po

e 70’s. This a

e process that

e and is being 

al Systems, als

which  interact

ms are used  in

have a compa

mponents  lay 

ures  limits the

to create ME

SPIDER MITE ON

e three dime

d origami. The

ructure can be

ause capillary 

e water,  this  i

n be used to fo

pyramid.  

structures

de possible t

ocket nowada

all was possib

t was needed

used to deve

so called MEM

 electrically. 

n sensors and

ss  function. T

planar on the

e possibilities 

MS devices th

N A POLYSILICON

nsional struct

e structures a

e folded. The 

forces becom

s possible du

old structures

hat almost ev

ays, the conte

ble not only b

 to make mill

lop new types

MS. As the na

Figure 1 gives

can also be f

These structu

e surface. Also

of this techn

hat stood up fr

N MEMS GEAR‐T

tures by foldin

re of course o

method we u

me dominant a

e  the capillar

s. One single d

very househo

emporary mob

by  the  inventi

lions of transi

s of technolog

me already im

s an  impressi

found  in cont

ures are made

o this can bee

nology. The po

rom the surfa

TRAIN. SPIDER M

ng flat pieces

on a micro sca

use is the capi

at smaller scal

ry  force also 

drop is enoug

Page 3 

ld owns a 

bile phone 

ion of  the 

stors on a 

gies. 

mplies this 

ion of  the 

temporary 

e with  the 

en seen  in 

ossibilities 

ace. 

MITES RANGE 

s of silicon 

ale, so the 

llary force 

es. 

called  the 

h to fold a 

Page 4: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 4 

1.2 OUTLINE OF THIS PROJECT 

In this project we are going to fold a template made in silicon nitride using standard IC technology and fold this 

into three dimensional structures. Folding will be done by using the capillary forces of water drops. At first we 

will determine the theoretical forces working on these structures when a drop of water is placed on them, and 

assess whether these structures can be made to fold. And if they fold, will these structures stay folded? We will 

determine  the  folding  rate and how different surface parameters will  influence  this  rate. The structures and 

theoretical model are already created and determined.  

The  folding of  the structures  led  to new effects which we will  investigate experimentally. Effects  that posed 

new  questions were  that  of  the  structures  stayed  folded  after  folding  and  that  the  structures  kept  folding 

seamlessly every single  time. We will  look at  the stiffness of hinges,  the geometry,  the manner  in which we 

dispense water and the surface characteristics of the structures. Getting a clear picture of the forces that play 

role. 

All these experiments will give enough data to give an understanding on the folding of silicon nitride structures. 

In addition to all this we will try to  lift the  logo of the university out of the plane, and try dispense a drop of 

water through a channel, instead of dispensing water off hollow fiber used in the experiments  

We will discuss the created model of folding in chapter 2. In this chapter the theory behind capillary folding and 

how  this  force  can  be  harnessed    for  folding  structures.  The  setup  and  the  method  how  we  did  these 

experiments are elaborated  in chapter 3.1. Different experiments are spread out over different chapters and 

have sub  results. This  is  the chronological order  in which  the experiments were done. Results of  the Simple 

folding experiments can be found in chapter3.2, experiments with variation of the structure parameters can be 

found in chapters 4.2 and 5.2. This is followed by an overall conclusion and recommendations. 

   

Page 5: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

2 TH

2.1 CA

The  force

capillarie

regardles

everywhe

water str

that wet 

with a for

This all ca

the same

in the  flu

their sha

minimiza

FIGURE 2 LI

Every liqu

where th

liquid air 

give an a

factor. Th

example 

walk on w

inner wal

ension driven

HEORY 

APILLARY FO

e we use  to 

s. When thes

ss  of  gravity.

ere in their sy

riders to walk

glasses stick t

rce of 10N, so

an be explain

e liquid. Molec

uid as  illustrat

pes to minim

tion of the int

IQUID AIR INTER

uid is specific 

he  liquid react

interface. The

ngle to the sh

hese forces be

of this scaling

water. Or if w

ll of the straw

Air 

Liquid 

 fabrication o

ORCES 

fold  structure

e tubes are p

  This  phenom

stem. But the

k on water. Sa

to flat surface

o hold a glass p

ed by the fac

cules on the s

ted  in Figure 

mize the expos

terface manif

FACE, TOP MOLE

how it reacts 

ts to the solid

ese interface 

hape of the dr

ecome domin

g is a small in

we would look

w, and if we loo

of three‐dimen

es  is  the  sam

placed in a bat

menon  is  use

e same force c

ame force  is r

es. A drop of w

plate of 1 kg 

ct that molecu

surface will ha

2. This  is an 

sed surface. T

ests in formin

ECULE IS NOT HA

to the solid s

d  is called to s

forces depen

roplet on a so

ant when we 

nsect that can

k at a straw w

ok at a shorel

nsional micros

me  force  that 

th of water, t

ed  by  plants

can be witness

responsible  fo

water with a 

ules in liquids 

ave half less m

unfavorable e

The exposed s

ng of droplets.

APPY BECAUSE IT 

surfaces. This 

solid  liquid  in

d on the liqui

lid plane. This

scale down, a

n walk on wat

with water we

ine we will no

structures

can  be  seen

the water will

  to  get  wate

sed as surface

or sticky hair 

radius of 1 cm

want to be s

molecules surr

energy state. 

surface  is also

IS NOT SURROU

has a lot to do

terface, and 

id. A contact a

s angle relates

and thus beco

ter using surfa

will see that 

ot see this effe

in  really  nar

tend to flow 

er  with  nutri

e tension, this

when coming

m can hold tw

urrounded by

rounding them

This  is the re

o called the  li

 

NDED BY SAME K

o with surface

how the  liqui

angle measure

s directly to th

ome favorable

ace tension, b

the water sta

ect. As shown

rrow  tubes,  a

 into the tube

ients  from  th

s phenomena 

g out of the s

wo glass plates

y other molec

m than other 

eason that  flu

iquid air  inter

KIND OF MOLEC

e tension. The

d reacts to ai

ement of the 

he solid liquid

e In this appli

but an elepha

ands higher a

n in Figure 3. 

Page 5 

also  called 

e upwards 

he  soil  to 

is used by 

shower or 

s together 

cules from 

molecules 

uids adjust 

rface. This 

ULES 

e interface 

ir  is called 

liquid will 

d interface 

cation. An 

ant cannot 

gainst the 

Page 6: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 6 

 

FIGURE 3 DIFFERENCE BETWEEN WATER IN A TUBE AND LARGE WATER BODIES. THERE IS A CLEAR EFFECT ON THE EDGE OF THE TUBE 

BUT THERE NONE ON THE EDGE OF A SHORELINE 

When drop is placed on a surface the drop can form a thin film or become a drop. This depends on the surface 

and liquid characteristics. This is quantified by the contact angle θc.  

When a drop tends to become a thin film on a surface we call this fully wetting. When considering water it will 

fully wet a SiN surface. This is the material our templates are made of. Other liquids will react differently to this 

surface and may form a droplet. In this case the contact angle of the drop with the surface can be measured by 

viewing the drop. 

2.1.1 FOLDING WITH CAPILLARY FORCES It was proven  recently  (2)  that when a drop of water  is put on a  thin sheet of polymer,  the polymer would 

spontaneously wrap. This is due to that the drop will try to minimize the water air interface, the capillary force 

will  fold  the polymer  sheet  as  shown  in  Figure  4. As  you  can  see  in  the  figure  the  sheet of plastic  is on  a 

millimeter scale. After folding the water will totally evaporate. As already explained in the previous chapter this 

effect should become larger when we scale down to micrometers. 

Water between shorelines

Water in a vertically 

placed capillary 

millimeters 

meters 

Page 7: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 4 W

FOLDING O

There  wa

solder. Pl

(3). This w

hinges. F

using wat

By using 

in Figure 

productio

the prod

object as

most righ

same size

ension driven

WRAPPING  OF D

ON A MILIMETER 

as  a  demons

lacing solid so

was scaled do

or  folding  it w

ter. 

water on tem

5(a) to  (d). T

on by convent

uction proces

s shown  in Fig

ht top templat

e, namely 50µ

 fabrication o

ROP  OF WATER 

SCALE. 

tration  of  as

older on the h

own to scale o

would be gre

mplates the TS

The design of 

tional lithogra

sses  can be  f

gure 5(b). The

te results in th

µm. 

of three‐dimen

WITH SQUARE A

sembling mil

hinges and me

of 100nm. Pro

at  if we could

ST group alrea

the template

aphic process

found  in  chap

e top center t

he cube as sh

nsional micros

AND TRIANGULA

limeter  sized

elting the sold

oblem with th

d combine th

ady folded var

es are shown 

es, and there

pter 3.1.  Fold

template resu

own in Figure

structures

R SHEETS OF PDM

  structures  u

der made the

his technique 

e scale of the

rious structure

in Figure 5(a

efore it is desi

ing  the  long 

ults  in the sha

e 5 (d). The bla

MS (POLYDIMETH

using  capillary

e structures st

is that the so

e  last techniq

es (4) with the

). These temp

gned in plana

structure  res

pe as shown 

ack bar in the

HYLSILOXANE ) E

y  effects  usin

tand up from 

older will be l

que and the b

e use of wate

plates are des

ar manner. M

sults  in  a pris

in Figure 5 (c

ese figures are

Page 7 

EXAMPLE OF 

ng molten 

the plane 

eft on the 

benefits of 

er. As seen 

signed for 

ore about 

m  shaped 

c) and the 

e all of the 

Page 8: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 5 (A

ZOOM IN O

The prism

made. Be

just take 

and the v

figure the

thickness

and then

transition

different 

shown in 

We will m

structure

progressi

model wh

angle tha

circle. Th

the hinge

ension driven

A) DESIGN TEMP

ON THE HINGES (D

m  structure  is

ecause a prism

the front view

volume of wa

e flaps are be

s. Structures c

 opens, or the

ns  are  shown

angles and t

 Figure 9 is sh

make the follo

e  is  fully wett

ion of folding 

here we again

at flaps make 

e angle of thi

e, t is the thick

 fabrication o

PLATES (B) FOLDE

D) 

s  specially de

m structure is 

w. By doing th

ter on the str

nt slightly. Th

can behave in

e hinges are l

n  in  figure  8 

he water men

hown in Figure

owing assump

ting  and  the 

we need to d

n take the fro

when folding

s piece of this

kness of the h

of three‐dimen

ED PRISM (C) OP

signed  to ver

much longer 

his simplificat

ructure. A fron

e hinge is dep

two manners

loose enough

and  Figure  9

niscus  is show

e 5 (b). An arti

tions, the edg

drop  covers  t

define the follo

ont view of a p

g. The curvatu

s circle is θ. F

inge; if we tak

nsional micros

EN AND FOLDED

rify  the  two d

than that it is

tion the variab

nt view of the

picted as a th

s, either the h

 so that the s

9.  In  these  fig

wn as a thin  l

ist impression

ges of the dro

the whole  su

owing dimens

prism to simp

ure of the men

Figure 6 shows

ke l0 as a part 

structures

D HALF A DODECA

dimensional  t

s wide, we can

bles we can d

e template of

inner line, l0 i

hinges are too

structure can 

gures  the  flap

line. The end 

n of the folded

oplet is pinned

urface  of  the 

sions as show

plify the mode

niscus on the 

s the bending

of a circle the

AEDER (C) FOLDE

heoretical mo

n neglect long

istinguish are

a prism is sh

s the length o

o stiff and the

fold complete

ps  are  shown

result of the 

d prism is show

d down on the

structure.  To

wn in Figure 10

el. W is the w

structure can

g of a hinge, w

en R is the rad

ED AND OPENED

odel  the grou

gitudinal dime

e the angles o

own in Figure

of the hinge a

e structure fol

ely. These tw

n  schematical

  folding prog

wn in Figure 7

e edges of the

o  form  a mod

0. This figure s

width of the fla

n be seen as a

where l0 is the

dius of this cir

Page 8 

 

D CUBE WITH 

up already 

ension and 

f the flaps 

e 6, in this 

nd t is the 

ds al little 

o types of 

ly making 

ression as 

7. 

e flap. The 

del  of  the 

shows the 

aps, φ the 

a part of a 

e length of 

rcle. 

Page 9: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 6 B

FIGURE 7 A

 

ension driven

ENDING A THE H

ARTISTS IMPRESS

R

 fabrication o

HINGE, WHERE l0 

ION OF A FOLDE

t

l0

of three‐dimen

 

IS THE LENGTH O

D PRISM 

nsional micros

OF THE HINGE, T

structures

THE THICKNESS A

 

AND φ THE ANGGLE THAT THE HIN

Page 9 

 

NGE MAKES  

Page 10: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 10 

 

 

figure 8 schematic overview of the front view of a prism while Folding and opening progresses 

 

Figure 9 schematic overview of the front view of a prism while Folding progresses 

 

 

 

Page 11: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 10 

THE MENIS

THE MENIS

A droplet

bending t

interface 

the bend

results in

written a

Where 

volume a

with:

FIGURE 11 

If we min

how the 

ension driven

THE VARIABLES 

SCUS AS A PART O

CUS WHEN ENOU

t  placed  on  t

the flaps. The

of the drople

ding stiffness. 

 a bending en

s

 is the

and  in our  sim

PHASE DIAGRAM

nimize the ene

equilibrium a

θ 

 fabrication o

FOR THE MODEL

OF A CIRCLE THE

UGH WATER IS E

the  surface w

e total energy

et. The bendin

E  is the Youn

nergy per unit

. If we n

 balance betw

mplification  th

M OF THE EVOLUT

ergy   in resp

angle change 

φ w

of three‐dimen

L, w IS THE WIDT

N θ IS THE ANGL

VAPORATED AN

will  tend  to m

of the system

ng energy of 

ng’s modulus 

t length as:

normalize this 

ween mechan

he  surface S a

sin 2

TION OF EQUILIB

ect to   resu

depends on t

w

nsional micros

TH OF A FLAP, φ

LE OF THE TIP OF

D THE STRUCTUR

minimize  the 

m consists of 

a curved plat

and υ the Po

. Th

 per unit leng

nical bending f

as constant,  t

 and 

 

BRIUM STATES A

lting in an equ

the stiffness p

w

θ

structures

φ IS THE ANGLE T

F THIS PART. RIGH

RE DID NOT FOLD

liquid  air  inte

the elastic en

e can be writ

oisson’s ratio. 

he surface ene

th: 

forces and ca

the  relation o

 is the norm

S FUNCTION OF V

uilibrium angl

parameter . 

φw

 

THAT THE FLAP T

HT FIGURE SHOW

D COMPLETELY 

erface  and de

nergy in the h

ten as   and

Bending the 

ergy of the liq

 

pillary forces.

of  the angles 

malized cross s

VOLUME  

e of  . As w

For a certain 

TAKES, WHEN CO

WS THE CONCAV

eform  the  str

inges and the

d where 

flaps over th

uid air interfa

. When taking

   and   can 

section.

we can see in 

stiffness of t

Page 11 

ONSIDERING. 

E SHAPE OF. 

ructure  by 

e liquid‐air 

 is 

he angle φ 

ace can be 

g the total 

be  found 

Figure 11, 

the hinges 

Page 12: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 12 

the  flaps bend due  to evaporation of  the droplet  to a certain angle and  then open again after attaining  the 

equilibrium angle   ,  this  is shown  in Figure 11 as  the  line where  . For a certain  lesser stiffness  the 

flaps fold completely  into a prism. The  in this case  is reached when completely folded. This  is depicted as 

the  line . The stiffness   is  the threshold stiffness value where we get the  transition  from  folding and 

opening into folding completely. For angles   smaller then 2 3  the flaps will not close completely and will 

open  again  after  reaching  this  angle.  At  the  angle  =2 3  the  flaps  close  completely  this  corresponds 

to √3.  Reducing   any  further will  result  in  a   not  larger  than  1.39  rad,  leading  to  a  discontinuous 

transition in the diagram. This means that the structure will abruptly reopen again. 

In Figure 11 we see that for   the interface shape transitions from a convex in to a concave shape. On the 

transition point the angle of the interface will be zero ( 0), from this we can find  .   has a minimum for 

=2 3  and this results in  √3. Note that there is a gap between after that  =2 3 . According to 

this model after the gap the structure should fold open. 

2.1.2 EFFECTS OF DIFFERENT CONTACT ANGLES Previous experiments we used the fully wetting surfaces. This means that the contact angle of the water with 

the surface of the structures is pinned down at the edges and the angle that the water makes with the edge is 

totally dependent on the volume of water.  

For not fully wetting surface the curvature of the meniscus is dependent on the contact angle this is shown in 

Figure  12.  Looking  at  this  figure  one might  observe  that  there  is  an  dependency  between  θ  and  θc.  This 

dependence  is  clearly  illustrated  in  Figure  13. We  can  deduce  from  this  figure  that  α=180o‐90o‐φ‐½  θ  and 

α=90o‐θc, this results in ½ θ=θc – φ. Substituting this in the energy function formulated in the previous chapter 

will  result  in 

.  This  means  that  now  the  energy  is  not  dependent  on  θ  but 

dependent on θc.  

 

FIGURE 12 SCHEMATIC OVERVIEW OF THE MODEL AND VARIABLES WHEN THE  LIQUID  IS NOT FULLY WETTING  .  θC  IS THE CONTACT 

ANGLE, W IS THE WIDTH OF A FLAP, φ IS THE ANGLE THAT THE FLAP TAKES, WHEN CONSIDERING THE MENISCUS AS A PART OF A CIRCLE 

THEN θ IS THE ANGLE OF THE TIP OF THIS PART. RIGHT FIGURE SHOWS THE CONCAVE SHAPE OF THE MENISCUS WHEN ENOUGH WATER 

IS EVAPORATED AND THE STRUCTURE DID NOT FOLD COMPLETELY. 

   

φ w

θ 

φw

w

w

θ

θc

θc

Page 13: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

It was alr

fixed con

the maxim

then see 

previous 

FIGURE 13 

FIGURE 14 

ension driven

ready proven 

ntact angle  it 

mum point of

how this ma

model the qu

HOW CONTACT A

MAXIMUM EQU

φeq,ma

φ

 fabrication o

that folding s

is not necess

f the progress

ximum equili

uestion arises 

ANGLE IS RELATE

ILIBRIUM ANGLE

½ θ 

θc 

½ w 

ax1 

φeq,max2 

φeq,max3 

of three‐dimen

structures are

ary to perfor

sion lies, the m

brium angle c

whether the e

ED TO θ 

ES FOR DIFFEREN

φ 

α

nsional micros

e following th

m all the ang

maximum equ

changes for d

experimental 

 

NT CONTACT ANG

structures

e theoretical 

gle measurem

uilibrium angle

ifferent conta

results will fo

 

GLES 

model, so to 

ents. We nee

e φeq , as show

act angles θc. 

ollow this mod

see the effec

ed to determ

wn in figure 1

in Figure 15.

del. 

Page 13 

ct of the a 

ine where 

4. We can 

 As  in the 

Page 14: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 15 

2.1.3 VExperime

folded. S

fact that 

we need 

FIGURE 16 G

Another 

end up se

effect to 

design in 

a view on

 

ension driven

HOW THE MAXIM

VARYING THEents done  rev

EM picture sh

structures sta

change the ar

GLUING  RESIDU

effect  is  that 

eamless over 

the limit by i

such a way t

n the force tha

 fabrication o

MUM ANGLE CHA

E STRUCTURA

veal new phe

how that ther

ay folded. To 

re over which

 IN THE SEAM OF

the structure

nanometers. 

ntroducing ne

hat an additio

at play a role 

 

of three‐dimen

ANGES DUE TO T

L DIMENSION

nomena whic

e are some m

get a better i

 the flaps are 

F A FOLDED CUBE

e  fold seamle

This is a huge

ew designs wh

onal torsion fo

in this folding

nsional micros

THE CHANGE OF C

N ch need  to b

material on the

dea about th

glued togeth

essly every sin

e accuracy tha

hich will test 

orce is neede

g mechanism.

structures

CONTACT ANGLE

be  examined 

e edge of the

e amount of f

er. 

ngle  time. The

at is created b

different kind

d to fold seam

 

more.  The  st

fold. This mig

force that is h

e  flaps move 

y the capillary

ds of distortio

mlessly. This e

ructures  that

ght be the ca

holding the fla

over microm

y force. We pu

ons. We will c

extra hurdle w

Page 14 

t  fold  stay 

use of the 

aps folded 

 

meters and 

ushed this 

hange the 

will give us 

Page 15: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 15 

3 FOLDING TEMPLATES 

3.1 METHOD 

3.1.1 DESIGN OF THE TEMPLATES Now we have explained  the  theoretical model we need  to design and construct  the  templates  to verify  the 

model. Design of the templates were done in CleWin and are depicted in Figure 17 and Figure 18. There were 

different sets of structures with different hinge types. We varied the hinges so that we can experiment with 

different stiffness’s. There are  two types of hinges, one  type  is  the solid version,  this  is a hinge made out of 

150nm of  SiN.  The  second  type of hinge  is  also made of 150nm  SiN but  they  are not  solid, 8  small hinges 

connect  the  flap with a  length of 10µm. Both  these designs are shown  in Figure 18. Also  the width of  these 

hinges are varied. Every single type of hinge will result in a different  . The varieties of this set is listed in Table 

1.  

The   of the perforated hinges are proportional to  length of the hinges holding the flaps together divided by 

the total length of structure. So how bigger the holes in the length, how smaller the factor  . 

Typeofhinge Hingewidth(µm) Flapwidth(µm) ß 

Solid 3  80 5,08 

Solid 5  80 3,05 

Solid 8  80 1,90 

Solid 15  80 1,02 

Solid 5  50 4,88 

Solid 8  50 3,05 

Solid 12  50 0,20 

10µmhinges 10  80 0,24 

10µmhinges 20  80 0,12 

10µmhinges 6  80 0,27 

10µmhinges,5µmgap 25  80 0,07 TABLE 1 TYPES OF DIFFERENT HINGES USED FOR DIFFERENT SETS OF STRUCTURES 

Page 16: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

 

FIGURE 17 

PYRAMID 

FIGURE 18 

 

ension driven

DIFFERENT STRU

  

DESIGN PRISM S

 fabrication o

UCTURE TEMPLAT

               

TRUCTURE (A) SO

 

of three‐dimen

TES, FIRST ONE I

OLID HINGE (B) H

nsional micros

 

 

IS A CUBE, THREE

 

HINGE WITH HOL

structures

E SIDED PYRAMI

LES 

D, HALF A DODEECAEDER AND A 

Page 16 

FOUR SIDED 

Page 17: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 17 

3.1.2 CLEANROOM PROCESSES As  already  discussed  the  templates  are  created  using  contemporary  cleanroom  processes.  The  process 

document for creating these structures can be found in the appendix. Here we can see that the following takes 

place. On a silicon wafer a SiN layer of 1µm is deposited and etched away by plasma etching, leaving grooves 

for the hinges on the surface of the Silicon wafer. On top of this another SiN layer is deposited of 100 nm. This 

layer  is also deposited between  the  flaps  forming  the hinge. Everything but  the  templates are ethed away, 

leaving a SiN template on the surface of the silicon wafer. The total structure is then isotropically underetched, 

the  left over Silicon  form  the pillar on which  the  template  rest. Simplified  step by  step overview  is given  in 

Figure 19. 

    

Blank Silicon wafer 

 

Adding SiN layer 

 

Etching away the hinges 

 

Adding SiN layer 

 

 

Etching away everything but the template 

 

 

underetching 

FIGURE 19 SIMPLIFIED STEP BY STEP OVERVIEW OF THE PROCESS NEEDED TO CREATE TEMPLATES 

   

Page 18: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

3.1.3 To get th

just abou

created t

couple of

50µm and

big strong

The setup

relation t

probe m

structure

FIGURE 20 

Using thi

that take

measured

three tim

were com

the mode

 

ension driven

EXPERIMENTA

e structure to

ut 300µm  in w

that can dispe

f hundreds of

d a larger one

g fiber, to form

p consists furt

to the table. P

akes  it  possi

e. On the micr

PHOTO OF THE S

s setup we w

es place. We m

d  frame by  fr

mes the angle,

mpensated fo

el as discussed

 fabrication o

AL SETUP o fold, one mu

width, and th

ense small am

f micrometers

e with an inne

m the nozzle. 

ther of a tabl

Previously me

ble  to move 

oscope a ccd 

SETUP WITH THE 

will add a drop

measured the 

rame by hand

, the average 

r the viewing

d in the previo

 

of three‐dimen

ust get a drop

e drop must

mount of wate

s in diameter.

er diameter of

The big fiber

e with a micr

entioned fiber

the  fiber m

camera is plac

IMPORTANT CO

p of water on 

angles that t

d using a com

was taken of

 angle and pl

ous chapter u

nsional micros

p of water on t

not be much

er through a n

 To do so we 

f 50µm, the b

is then conne

oscope. This 

r is fixed on a

icrometers  a

ced, the feed 

OMPONENTS HIG

the set of str

the flaps make

mputer  softwa

f these three 

lotted  in a gra

sing these exp

structures

the template.

 bigger than 

nozzle which i

uses hollow 

igger one is st

ected to a pum

microscope is

a probe and fe

t  a  time  and

is recorded o

HLIGHTED 

ructures and c

e with the ba

are. For every

measuremen

aph. The ques

perimental re

 As explained

that. Therefo

s small enoug

fibers, on wit

tronger. The t

mp. 

s placed at an

ed by a pump

d maneuver  t

n the comput

create a set o

se of the stru

y  flap on ever

nts as the actu

stion  is wheth

sults. 

d before the te

ore the setup 

gh to generate

th an outer di

thin fiber is sli

n angle of 60 d

p with demi w

the  tip  just  a

ter.  

of movies of t

ucture. The an

ry  frame we 

ual angle. The

her we can re

Page 18 

emplate is 

has to be 

e drops of 

ameter of 

id into the 

degrees in 

water. This 

above  the 

 

he folding 

ngles were 

measured 

ese angles 

econstruct 

Page 19: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

3.2 R

3.2.1 First expe

not repro

remarkab

Some str

Confirmin

other wa

structure

puddle do

their orig

held its fo

If water i

the  flaps 

bounce b

FIGURE 21 T

3.2.2 Initial fold

heat of th

folded co

movies  ta

shown in

flap is me

measurem

structure

We did s

well. This

edges we

ension driven

ESULTS 

FIRST RESULTeriments on t

oducible  in  th

ble. 

uctures had s

ng that the fo

y around. Wh

e floated on th

ownward. So 

ginal position.

orm even whe

is added to th

will  fold dow

back to their o

TRIANGLE PYRAM

RESULTS OF Fding of prisms

he lights mad

ompletely. The

aken  showed

 Figure 22. Th

easured. The 

ments were  t

e folded fully. 

see some phe

s happened e

ere pulled tog

 fabrication o

TS FOLDING ST

these were no

he amount of 

stiff hinges du

olding angle w

hen administe

he surface of t

we had down

 This last obs

en the water w

he cavity the f

wn as  shown 

original state. 

MID WITH WATE

FOLDING OF P

s was a succe

e the drop ev

e set with the

  that  the ang

he measureme

measuremen

taken per  fla

enomena wort

every time. Th

ether by the c

of three‐dimen

TRUCTURES W

ot that succes

time  I  took  t

ue to design a

would  increase

ering an amou

this puddle. W

nward folding

ervation cont

was evaporate

flaps will floa

in Figure 21.

ER IN CAVITY, (B) 

PRISM ss. It is fairly e

vaporate it wa

e array of 10µ

gle of  the  flap

ent is done at

ts are compe

p  and  averag

th mentioning

he meniscus o

capillary force

nsional micros

WITH MORE TH

ssful. Although

to do  the exp

and didn’t fold

e when the h

unt of water in

When this pud

. After all the 

tradicts the ob

ed. See Figure

t on the surfa

. After all  the

 THE WATER IN T

easy to place 

as clear that t

m hinges fold

ps  increased 

t both flaps, a

ensated for th

ged.  Table 2  i

g, the structu

of water guid

es, and the str

structures

HE 2 FLAPS.h the group h

periment. The

d into the full

hinges are  less

nto the cavity

ddle dried up 

water had ev

bservation of 

e 5d. 

ace of the wa

e water  is eva

THE CAVITY IS PU

a drop on the

he flaps bend

ded all comple

until  they  clo

and the angle 

e angle of the

is  similar  to  T

ures that folde

ed both edge

ructure folds s

had successful

ere were som

 structures bu

s stiff. Folding

below the st

the flaps follo

aporated the 

the cube that

ater and when

aporated  in  th

ULLING THE FLAP

e structure wit

ded and at som

etely. Frame b

osed  seamless

of the flaps in

e microscope

Table  1 but w

ed completely

es of the flaps

seamlessly. 

lly folded a cu

me phenomen

ut they bende

g action also 

ructure the fl

owed the surf

 flaps jumped

t was folded. 

n the water e

he  cavity  the

PS OF THE TEMPL

th the setup. 

me type of hi

by frame analy

sly. Measurem

n relation to t

. On every fra

we  added wh

y, folded seam

s to each oth

Page 19 

ube it was 

a  that are 

ed a little. 

works the 

aps of the 

face of the 

d back into 

This cube 

vaporates 

  flaps will 

 

LATE DOWN 

While the 

nges even 

ysis of the 

ments are 

the center 

ame three 

hether  the 

mlessly as 

er. So the 

Page 20: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 22 

Other  hi

measurem

structure

FIGURE 23 

 

2

4

6

8

10

12

14

16an

gles in degrees

0

5

10

15

20

25

30

35

angles in degrees

ension driven

MEASUREMENT 

nges  which 

ment done o

e behave in wh

MEASUREMENT 

0

20

40

60

80

00

20

40

60

0

0

5

0

5

0

5

0

5

20 25 3

 fabrication o

OF FULLY FOLDIN

were  solid  a

n a  structure

hich manner. 

OF FOLDING AN

 

20

30 35 40 45

of three‐dimen

NG, TAKEN FROM

nd  were  nar

e  that doesn’t

In this case a 

D OPENING, TAK

40

frame

5 50 55 60

frame

nsional micros

M A MOVIE THAT

rrow  were  to

t  fold  comple

maximum an

KEN FROM A MO

60

es

65 70 75

es

structures

T PROGRESSED 5

oo  stiff  for  f

etely. The  tab

gle of 32 degr

VIE THAT PROGR

80

80 85 90 9

FRAMES PER SEC

fully  folding. 

le beneath  th

rees is achieve

RESSED 5 FRAME

100

95

COND. 

Figure  23  s

his  figure  sho

ed by both fla

ES PER SECOND 

angle ri

angle le

angle 

angle 

Page 20 

hows  the 

ows which 

aps. 

ght flap

eft flap

rightflap

left flap

 

 

Page 21: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 21 

 

Typeofhinge Hingewidth Flapwidth(µm) ß foldingSolid 3  80 5,08  

Solid 5  80 3,05  

Solid 8  80 1,90  

Solid 15 80 1,02 Fully 

Solid 5  50 4,88  

Solid 8  50 3,05  

Solid 12 50 0,20 Fully 

10µmhinges 10 80 0,24 Fully 

10µmhinges 20 80 0,12 Fully 

10µmhinges 6  80 0,27 Fully 

10µmhinges,5µmgap

25 80 0,07 Fully 

TABLE 2 FOLDING OF DIFFERENT STRUCTURES 

We can convert  the measurements done  frame by  frame, a  time progression,  in  to a measurement done on 

variation of the water volume. This is exactly how we setup the theoretical model and these measurements will 

give the measurement point for constructing the graph shown in Figure 24. 

 

FIGURE 24 MEASURED PHASE DIAGRAM OF THE EVOLUTION OF EQUILIBRIUM STATES AS FUNCTION OF VOLUME (4) 

It  is  striking  that  the  simplification  of  the model  has  so  little  influence  that  the  actually measured  values 

correspond almost exactly  to  the model. Simplifications  like  totally  ignoring a whole dimension do not make 

the theoretical model deviate from the measured values.  

   

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

normalised volume

eq (

rad

)

= 1.8

= 1.5

= 0.07 = 0.8

Page 22: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 22 

4 FOLDING WITH DIFFERENT CONTACT ANGLE 

4.1 METHOD 

To determine the effects of a defined contact on the folding of the structure we need to use liquids that have a 

defined contact angle on SiN. Or we need to change the surface of the SiN so that water has a contact angle on 

the this surface. After drafting a list of liquids with different contact angles we came to a conclusion that not all 

liquids were appropriate to use in my setup due to safety reasons.  

Changing  the  property  of  a  surface  can  be  done  by  depositing  a  layer  of  Fluor  Carbon.  Fluor  Carbon  is 

hydrophobic and the thickness of the  layer determines the amount of hydrophobeness and thus the contact 

angle of the liquid on this surface. A layer of FC can be deposited by using a Reactive Ion Etching chamber (RIE) 

(5).  

The results of some reference experiments done on an empty silicon en SiN surface are depicted in Figure 25. 

We decided  to do  the  folding measurements by putting  the  samples  in  the RIE chamber between 0 and 10 

minutes.  

 

 

FIGURE 25 VARYING OF CONTACT ANGLE DUE TO TIME OF FC DEPOSITION 

Changing the surface into hydrophobic means that the drop of water coming from the fiber might cling to the 

fiber and not want to stick to the surface. To overcome this we have coated the fiber also with FC, this is done 

by submersing the fiber into liquid FC. The fiber did not clog by this layer of FC. 

4.1.1 WHITE LIGHT MEASUREMENT USING LATERAL SCANNING INTERFEROMETRY To change the contact angle we chose to deposit a FC layer onto the structures. The question rised whether the 

flaps on  the  structure would bend  to  the extra  force asserted by  the elasticity of  the FC  layer. To measure 

whether  this  is  the case, whitelight measurements using  lateral  scanning  interferometry were conducted on 

the structures. This will give a clear indication of the orientation of the flaps. The interferometer measures the 

horizontal distance of the surface. 

0

20

40

60

80

100

120

60 30 10

Angle (degrees)

Time (minutes)

Si : Contact angle water

SiN : Contact angle water

Page 23: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 26 

Figure 26

angle of t

not addit

 

ension driven

INTERFEROMETE

6 shows one o

the flaps of 0

tionally increa

 fabrication o

ER MEASUREMEN

of the actual m

.06 degrees. T

ase the angle o

 

of three‐dimen

NT OF THE  FLAPS

measurement

This we concl

of the flaps. 

nsional micros

t done on the 

luded as negl

structures

structures. T

ectable. This 

here was an a

means that a

average incre

adding a layer

Page 23 

 

ase of the 

 of FC will 

Page 24: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 24 

4.2 RESULTS 

We did  the  same  folding experiments  as  in  the previous experiments, and  this  time we  looked only  to  the 

maximum  of each set. We got similar results as shown in Figure 22 and Figure 23, and from these results we 

looked at the maximum angle attained. We managed to do this experiment for two different hinge stiffness’s. 

The  results  of  the measurement  are  depicted  In  Figure  27.  The  solid  line  is  the  theoretical  and  expected 

progression of    to variation of the contact angle  . The crosses are the measured points. 

 

FIGURE 27 MAXIMUM ANGLE FOR DIFFERENT CONTACT ANGLES (4) 

Again  it  is  striking  that we get   measurements  that  fit  the model despite of  the  simplifications. We actually 

conclude  that  capillary properties doe  follow  the model, and  thus  this process  is predictable and useful  for 

fabrication of three dimensional structures on this scale. 

   

0 0.5 1 1.5 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

c (rad)

max

(ra

d)

Page 25: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

5 VA

5.1 P

5.1.1 TWe have 

hurdles. O

lateral di

shown in 

structure

rear whe

folding p

close sea

FIGURE 28 S

ension driven

ARYING DE

ROBLEM DE

TORSION IN Fseen that ev

One of these 

rection.  In ot

 Figure 28 wil

e would close 

re the structu

rocess Other 

mlessly, and m

STRUCTURE WIT

D1 

D2 

 fabrication o

SIGN OF T

EFINITION 

FOLDING very time the 

hurdles is to 

her words  if 

l the structur

seamlessly, a

ure was D1 in

scenario  for 

may open aga

 

TH DECREASING F

of three‐dimen

THE PRISM

prism fold th

see whether 

we design fla

e fold seamle

at the front w

 width, the h

this design  is

ain. 

FLAP WIDTHS 

nsional micros

MS 

e fold seamle

the capillary 

aps of the pris

ssly. This wou

where the wid

inge would b

s  that  the hin

structures

essly. To put t

forces will ov

sm with decre

uld result in a 

dth  is D2 the h

e pressed dow

nge would no

this to the tes

vercome the r

easing flap wi

folding like sh

hinges would 

wnwards. add

ot give way an

st we have m

rotational for

idth over the

hown in Figur

 stretch out a

ding extra stra

nd  the  struct

Page 25 

ade some 

rces in the 

  length as 

e 29 if the 

and at the 

ain on the 

ure won’t 

Page 26: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 29 

The diffe

not be an

5.1.2 Next set 

shown in

And  if th

meet hal

same, in t

ension driven

DISTORTION OF 

rence betwee

ny influence o

FOLDING WIT

of structures 

 Figure 30, th

ey do they ca

fway of the o

the second ca

Rear vie

Fro

 fabrication o

THE HINGES 

en D1 and D2 

f other effect

THOUT SYMM

have flaps of 

he width D2 is

an fold  in two

other flap as s

ase the angles

ew 

ont view 

of three‐dimen

are not more

s other than t

ETRY different wid

s larger than D

o ways, the e

shown in Figu

s will be differ

nsional micros

e than the hin

the bending  a

dth, the left fla

D1. Again we 

nds of the fla

ure 31. In the 

rent, ɸ1 is not

structures

ge width of 5

and stretching

ap will have a

will test whe

aps meet each

first case bot

t equal to ɸ2.

µm. This is ch

g of hinges. 

a smaller widt

ther these fla

ht other, or o

th the angles 

hosen so that 

th then the rig

aps will fold se

one end of th

of the flaps w

Page 26 

 

there will 

ght one as 

eamlessly. 

e flap will 

will be the 

Page 27: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 30 S

 

 

FIGURE 32 (

FIGURE 31 

ension driven

STRUCTURE WIT

(A) STANDARD 4

 

POSSIBLE OUTCO

D1 D

 fabrication o

 

TH DIFFERENT FLA

45 ANGLE EDGE (B

 

Option

OME FOR FOLDIN

D2 

of three‐dimen

AP WIDTHS 

B) FLEXIBLE EDGE

n 1 

NG A STRUCTURE

nsional micros

E WITH DIFFEREN

structures

NT FLAP WIDTHS

optiion 2 

Page 27 

 

 

Page 28: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

5.1.3 VThird  typ

structure

the conta

hinge stif

structure

structure

We will c

is varied f

FIGURE 33 S

FIGURE 34 S

5.1.4

ension driven

VARYING CONpe  of  structur

es tend to stay

act surface of

ffness and co

es  folding and

es together.  

create three se

from 20 µm to

STRUCTURE WIT

STRUCTURE WIT

LIFTING OBJE

 fabrication o

NTACT AREA res will  have 

y folded desp

f the flaps and

ontact area co

d opening aga

ets of three d

o the full 390µ

TH VARYING CON

TH VARYING CON

ECTS OUT OF T

of three‐dimen

a  varying  co

pite of the ela

d we will vary

ombination w

ain. This will g

different conta

µm. 

NTACT SURFACE

NTACT SURFACE F

THE PLANE 

nsional micros

ntact  surface

astic forces  in 

y the elasticit

will be on  the 

give us  inform

act angles. Ev

FOLDED 

structures

e.  Previous  ex

the hinges. T

ty of the hing

transition of 

mation of  the

very set consis

 

d

d

d

d

xperiments  ha

To test this ph

es  . We will t

structures al

e quantity of  t

sts of twenty v

ave  shown  th

henomena we

try to determ

ways staying 

the  forces ke

variations of d

 

Page 28 

hat  folded 

e will vary 

mine which 

folded  to 

eeping  the 

d where d 

Page 29: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

Last but n

created s

from the 

will be et

This desig

to perfor

etching n

the etcha

underetc

FIGURE 35 S

FIGURE 36 W

5.2 R

ension driven

not least we w

structures wit

plane and we

tched free fro

gn has a smal

rm well. With

not to free the

ant to reach  i

hing. This stru

STRUCTURE WIT

WHERE IT CAN G

ESULTS 

 fabrication o

will try to lift 

h the letters o

e will have a m

m the underly

ll hole in the e

hout  the hole 

e right flap fro

n the center 

ucture suppor

TH A LETTER 

GO WRONG WITH

of three‐dimen

a structure o

of the univers

micro billboar

ying silicon, an

extension tha

the addition

om the cente

of the arm.  I

rts the flaps th

H UNDERETCHING

nsional micros

of the surface

sity on the fla

rd. In the sam

nd thus hang 

at is holding t

  to  the  struct

r flap as show

n this figure t

hat lay on top

 

 

G

structures

using this fol

ps. When the

e time that th

freely like the

he letter. This

ture which ho

wn in Figure 3

the white sha

p. 

lding action. F

e flaps fold the

he flaps are u

e flaps. 

s hole is made

olds  the  lette

36. The hole w

ape  is the stru

For this exper

ese letters wi

nder etched t

e for the und

er  can  cause  t

will make it po

ucture that  is

Page 29 

riment we 

ll be lifted 

the letters 

er etching 

the under 

ossible for 

s  left after 

Page 30: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 30 

5.2.1 TORSION IN FOLDING Folding experiments confirm seamless  folding. This means  that  the hinges stretch and  fold where needed  to 

facilitate this. We can conclude that the capillary forces are large enough to force the hinges. 

5.2.2 FOLDING WITHOUT SYMMETRY Folding with  flaps of different widths  resulted  in some  remarkable  results. As already stated  in  the previous 

chapter the folding could have gone in two ways. From the measurements of the optical microscope it looked 

like that the folding occurs in the manner as depicted as option 2 in Figure 32b. Further experiments revealed 

the full extent of the mechanics in this folding. 

In the very first measurements we saw that the flaps will take a maximum angle and fold back when the hinges 

were stiff enough. This is due the torque on the flaps. We have determined that the capillary effect administers 

a force on the flaps, the folding occurs not when the this force is larger than the counter acting elastic force of 

the hinges, but when the width of the flaps times the capillary force is larger than the elastic force. This means 

a fully folding structure won’t fully fold when the flaps are made less wide. This is shown in Figure 37.  

Another way to explain this is by using the model we used in the previous chapter. We have a factor   which is 

dependant  on  the width  of  the  flaps w: .  This means  that when we  change  the w we  change  the 

folding property of the flap. In this case in such a way that it will not bend through to close. 

 

FIGURE 37 CAPILARY FORCE VS ELASTICITY FORCE, THIS SIMPLIFIED MODEL SHOWS HOW TORQUE IS RELATED TO THE LENGTH OF THE 

FLAP. 

We have witnessed that a smaller flap takes a maximum angle, while the normal and larger flap keeps folding 

and  then  crashing  into  the  flap with  the maximum  angle.  The  larger  flap  doesn’t  have  the width  to  fold 

seamlessly over  the a  flap  that would  stop  the  folding. This  shown  in  frames  taken  from a measurement  in 

Figure 38. Here you can see that the right flap stays on the same angle while the left flap keeps on folding, in 

the end it will collapse and not stay folded. 

T=Fcapilary∙L1 

L1 

L2

T=Felastic∙L2 

Central flap 

Folding flap 

Page 31: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 38 A

Although

which ap

previous 

maximum

FIGURE 39 S

ension driven

ASYMETRIC FOLD

 the width dif

pear to fold n

example, und

m angle, this is

SEM PICTURE OF

 fabrication o

DING, RIGHT FLA

fference betw

normally (Figu

der a SEM the

s shown in Fig

F ASYMETRIC FOL

of three‐dimen

AP REACHES A MA

ween flaps in t

ure 39), where

 it is clear tha

gure 40. 

LDED STRUCTUR

nsional micros

 

AXIMUM ANGLE

his figure is d

e the differen

at the left flap

 

structures

AND STOPS FOL

ramatic, this p

ce in width ar

 crashed into 

DING 

phenomena o

re not that dr

the right flap

occurs also in 

ramatic as sho

p that stood st

Page 31 

structures 

own in the 

teady on a 

Page 32: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 40 

FLAP. 

5.2.3 VThis expe

contact a

stayed fo

solid hing

µm2.  Onl

structure

µm2 the l

area of 7

used in th

This mea

Where 

µm  this i

µm leads

and gives

SEM pict

middle th

ension driven

CRASHING PHEN

VARYING CONeriment consis

area and every

olded for all c

ge  resulted  in

ly  three  type

es revealed tha

ast 7 structur

720 µm2 and w

he calculation

n that for the

is an equilibri

s to  4.4∙10‐5 J

s us a measure

ures of  folded

he flaps will no

 fabrication o

NOMENA, RIGHT

NTACT AREA sted of three 

y variation wa

ontact areas. 

n all  structure

es  of  structur

at due to the 

res open at 68

we assume th

ns. 

 energy 

10  and w

um point, this

J/m2 . This is t

e for the force

d structure w

ot stay closed

of three‐dimen

T FLAP REACHED

sets, with thre

as repeated te

So we can co

es opening  fo

res  fell  in  thi

manufacturin

80 µm2. Becau

hat the deviat

with   θ = 2/3 

s means that 

the minimum

es that the glu

with reduced c

nsional micros

 A MAXIMUM A

ee different h

en times in te

onclude that t

or all  contact 

is  category.  R

ng process the

use the majori

tion  is due to 

12

π ≈2 we get 

a structure th

m energy per s

uing substanc

contact area

structures

ANGLE AND THE 

hinge types. Ev

n rows. The h

the hinges we

area’s except

Repeating  thi

ere is a deviat

ity of the stru

production p

 

Ub=4∙10‐5 J/m

hat folds seam

square area n

e has to asser

is shown  in F

LEFT FLAP CLOSE

very set had t

hinges with ho

eren’t stiff en

t  for contact 

s  experiment

ion. The first t

cture only sta

process we wi

m2. For a conta

mlessly over t

eeded to kee

rt.  

Figure 41. For

ED  INTO THE ST

twenty variati

oles in them f

nough. The se

area’s  larger

t  for  the  ten

three rows op

ay closed with

ill take this va

act area of 72

he whole leng

ep the structu

r any  larger h

Page 32 

 

EADY RIGHT 

ons of the 

folded and 

t with the 

than 720 

n  identical 

pen at 720 

h a contact 

alue to be 

20 µm x 1 

gth of 800 

ure folded, 

ole  in  the 

Page 33: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 41 

There wa

middle of

need a la

FIGURE 42 

We made

Where w

length) . 

height wh

The  disto

requiring

expressio

the lengt

dimensio

the same

ension driven

FOLDED STRUCT

as an unexpec

f the folded f

rge force.  

BENDING IN THE

e an estimatio

w(x) describes 

E is the Youn

hen taking the

ortion  is  appr

g  0 0,

on for 

h of the flaps

. We  meas

ons we get 602

e of the whole

 fabrication o

URE WITH SMAL

cted effect wh

flaps for very 

E MIDDLE OF FOL

on by taking u

the deformat

g’s modulus  

e crosssection

roximated  by 

s. Figure 43 sh

sure  a  maxim

2 N/m for q. T

e width. If yo

of three‐dimen

LLER CONTACT AR

hile doing the

large gaps. A 

LDED STRUCTURE

sing the Euler

tion along the

and I is the s

n of a flap, 1 µ

a  4th  order  p

0,

. Here u is t

hows the w(x)

mum  distortio

This model ass

u look carefu

nsional micros

REA 

ese experimen

A SiN flap of 8

ES 

r‐Bernoulli eq

e x direction o

second mome

µm and b is th

polynomial: 

0, 0 0

the distortion

) when the va

on  of  2.4µm

sumes that th

lly you might 

structures

nts. As shown

0 by 725 µm 

uation: 

 

of the flap, q is

ent of area. In

e width of the

0,

n, L is the leng

alues are filled

m  from  Figure

e whole flap b

see that in F

 in Figure 42 

is very rigid. 

s the distribut

this case 

e flap: 80µm. 

.  Solvi

,

gth of the flap

d in. Now that

e  42.  Filling 

bends as a wh

igure 42 the b

there is bend

To deform th

ted load (forc

, wher

ing  this  funct

,  we

ps and x the p

t w(x) is know

in  the  value

hole, and the 

bending on th

Page 33 

 

ding in the 

his flap we 

 

ce per unit 

re h is the 

tion when 

  acquire 

osition on 

wn we find 

es  for  the 

bending is 

he edge is 

Page 34: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

larger tha

flaps. We

resulting 

510,5 N/

really larg

FIGURE 43 A

1572 N/m

We need

related to

look at th

the flap, 

using the

whole len

µm2) we 

If we  com

constant 

seperatio

1572 N/m

5.2.4 As you m

letter wit

images of

Figure 44

underetc

ension driven

an the bendin

e redo the cal

in a q of 419

m Multiplying

ge for such sm

APPROXIMATION

m2. This is a m

 to keep into 

o the distance

he torque on 

510.5 N/m w

e formula for 

ngth of 800µm

get 0.83∙107N

mpare  this  fo

which  is  bet

on is the rough

m2. This is a m

LIFTING OBJEmight have see

th the same e

f the lifted let

4b shows the 

hing through 

 fabrication o

ng on the hin

culation for t

9N/m. We tak

g  this with  th

mall device. 

N OF THE DISTOR

uch smalle th

account the t

e over the fla

the right loca

we get a force 

energy Ub  , w

m and then d

N/m2 for the ad

orce with  van 

tween  10‐19  a

hness betwee

uch smalle th

ECTS OUT OF T

en on the cov

experimental 

tters.  

hole we mad

this hole can 

of three‐dimen

ge side. This 

he amount be

ke the average

he  length of  t

RTION 

han the adhesi

torque that is 

ap. So when w

ation of the st

of 36.5 N/m 

where  ∙eviding by th

dhesive force 

der Waals  fo

and  1020,  and

en to plates an

han the adhesi

THE PLANE er and in Figu

setup as used

e in the desig

also be seen i

nsional micros

is to be expe

ending as it is

e value as go

he structure 

 

ion force, and

asserted on t

we compare t

tructure. If we

at L2. To calcu

∙ . So this g

e minimal su

 needed to ke

orce, which  is

d  h  is  the  sur

nd in our case

ion force, and

ure 44b, this e

d in the whole

gn so that und

in this figure a

structures

ected because

s on the hinge

od estimation

of 720 µm  re

d we must con

the structure.

two different 

e take the fac

ulate the torq

gets us a F of

rface that nee

eep the flaps t

s given as 

rface  seperati

e we will assu

d we must con

experiment w

e project we m

deretching wo

as I have high

e on this side 

e side of the f

n of the force

esults  in a  for

nclude that ot

 Figure 37 sho

forces on this

tor   times t

que we need t

7.5 N/m  . W

ed to keep th

together. 

 (6), wh

ion  between 

me it 15nm. T

nclude that ot

as a success a

made Scannin

ould free the 

lighted it with

the hinges p

flaps, which i

e asserted on 

rce of 0.37 N

ther forces pla

ows how mom

s structure w

he force at th

to calculate t

When taking th

he flaps toget

here A  is  the

to  plates.  Th

This results in 

ther forces pla

as well. After 

ng Electron M

arm. The effe

h a white circl

Page 34 

ull on the 

s 1.67µm, 

the flaps: 

. Which  is 

ay a role. 

mentum is 

we need to 

he edge of 

he energy 

his for the 

her(720x1 

 Hamaker 

he  surface 

a force of 

ay a role. 

lifting the 

Microscope 

ect of this 

e. 

Page 35: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 44 (

If lifting f

pull the le

FIGURE 45 (

FIGURE 46 T

 

ension driven

(A) HOLE IN THE 

fails the struct

etter to the fl

(A) LIFTING OF LE

TOP VIEW OF LIF

 fabrication o

ARM WAS NEED

ture won’t ret

oor of the cav

ETTER FAILED (B)

FTER LETTERS 

 

of three‐dimen

DED FOR ETCHING

turn to its orig

vity, and gluin

) LIFTED LETTER O

nsional micros

G  FREE THE ARM

ginal position 

ng the letter to

 

structures

M WITH THE LETT

because wate

o the floor. Re

ER (B) LIFTED 'LE

er will come u

esults of this is

ETTER ‘TWENTE’ 

under the stru

s shown in Fig

Page 35 

 

ucture and 

gure 45a. 

 

Page 36: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 36 

6 CONCLUSION In earlier work  it was already proven that folding with capillary  forces  is a easy and predictive way to create 

three dimensional micro structures. But these works were with  liquids that solidified and were  left behind  in 

the  structure.  The  decision  was  made  to  overcome  this  by  using  demi  water  for  folding.  Which  would 

evaporate totally and leave nothing behind. A theoretical model was made for predicting the folding behavior 

of the structures. 

From experiments it was clear that the folding mechanism followed the theoretical model almost to the letter. 

Experiments done with variation of the contact angle by changing the surface characteristics of the structures 

revealed  the  folding progression  followed  the deviations as expected  in  the  theoretical model. Experiments 

with varying contact angles revealed that the capillary force  is 70 times  larger than the force asserted by the 

hinges. Making them ideal for folding. 

The choice for using water was made because  in theory nothing will be  left behind  in the structures because 

the water evaporates.  In our experiments  it became clear that a residue  is  left  in the seam of the structures. 

Further experiments revealed that this residue has an adhesive  force of 0.83∙107 N/m2. Which  is much  larger 

than the van der Waals power, which  is 1571 N/m2. So we can conclude that other  forces play a role  in this 

adhesion. 

We  need  to  determine what  this  consists  of. One might  think  of  a  combination  of  adhesive  forces  of  the 

material with for example electrostatic forces. Further experimentation is needed. 

Experiment with contact area variation resulted also in an unexpected bending of the flaps. As shown in Figure 

42. We estimated the force needed to bend a flap as 0.37 N. Illustrating once again that the capillary forces are 

really large. 

When the structures fold completely, every single time the flaps of the structure folds seamlessly. To test this 

further new structures where created with varying flap widths over the length. Still the flaps folded seamlessly, 

meaning that the hinges were stretched out on one end and folded on the other end. Concluding once again 

that the capillary forces are really large. 

Experiments were done trying to lift added structures to the normal folding structure. It was no problem to lift 

this added structure from the plane. We made a micro billboard for “University Twente” and lifted this out of 

the plane. This opens new opportunities we could try create more elaborate self‐assembling structures which 

work on this principle. 

   

Page 37: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

6.1 R

There are

the struc

keeping  t

together.

any other

der Waal

We have 

every sing

nozzle lik

the midd

experime

FIGURE 47 T

FIGURE 48 T

 Close up

created h

of water 

the drop 

channel s

ension driven

ECOMMEND

e still some un

cture  from  fol

this  structure

. Folding expe

r forces keepi

s interaction. 

to consider n

gle template 

ke that of an i

dle  of  the  str

ents. Figure 48

TEMPLATE OF A 

TOPVIEW OF STR

p  images mad

have a diamet

on the chann

 of water  to 

so that gravity

 fabrication o

DATION 

nanswered qu

ding back. W

es  from  foldin

eriments with

ng these stru

new ways of d

is not a good 

nkjet printer.

ructure.  For  t

8 and Figure 4

CUBE WITH A CH

RUCTURES WITH 

e by a SEM s

ter of 34µm. I

nel did not res

get  through 

y will generate

of three‐dimen

uestions. Like w

We have to an

ng  back.  It  is 

hout this subs

cture togethe

elivering wate

method for m

 Or delivering

his  last  solut

49 are SEM ph

HANNEL (TOPVIEW

CHANNELS 

how us the ri

nitial experim

sult in the wa

the  channel, 

e enough pres

nsional micros

what is the su

alyze this sub

  probable  th

stance need t

er. One can th

er droplets to

mass producti

g water from 

tion  the  grou

hotos showing

W LEFT OPTICAL

idges created

ments by holdi

ater flowing t

  a  suggestion

ssure to get th

structures

ubstance that 

bstance to ge

at more  than

o be perform

ink of electro

 the structure

on. We could

the bottom o

p  has  already

g the structure

L MICROSCOPE, S

 by this proce

ing this struct

hrough the ch

n would be  to

he water thro

is left on the 

t a clear  idea

n  just  the  glu

med to determ

static forces, 

e. Positioning 

consider deli

of the structur

y made  some

es from differe

SIDE VIEW ELECTR

ess  is shown 

ture upside do

hannel. The p

o  create  a  co

ugh the chann

seam, which 

a of the  force

ue  is  keeping 

mine whether 

hydrogen bon

a fiber from t

ivering water 

re through a c

e  samples  to 

rent angles. 

RON MICROSCOP

in Figure 49. 

own and putt

pressure is too

olumn of wat

nels. 

Page 37 

is keeping 

s that are 

the  flaps 

there are 

nds or van 

the top for 

through a 

channel in 

do  initial 

 

PE)  

 

The holes 

ing a drop 

o large for 

ter on  the 

Page 38: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface te

FIGURE 49 C

 

7 BIB1. www.m

2. Capilla

Lionel Do

3. MEMS

4. Elastoc

Ondarçuh

5. Applica

1994, Sen

6. Casimi

L. Klimch

7. MATER

8. Surface

Yeatman

systems, 

9.  Pierre

Science+B

10. Critica

s.l. : Ame

 

 

 

ension driven

CHANNEL 

BLIOGRAP

mems.sandia

ary Origami: S

oppler, Jose´ B

. R.R.A. Syms

capillary fabri

hu, R. G. P. Sa

ations of  fluo

nsors and Act

ir and van der

hitskaya, U. M

RIALS ANALYS

e Tension‐Pow

, Victor M. B

2003. 

e‐Gille  de  Ge

Business Med

al Review: Ad

erican Vacuum

 fabrication o

HY .gov, Sandia N

Spontaneous 

Bico, Benoıˆt 

, E.M. Yeatma

ication of thre

anders, J. Sun

orocarbon pol

uators, Vol. 19

r Waals forces

Mohideen and 

IS OF FLUORO

wered Self‐Ass

Bright and Ge

nnes,  Fançoi

dia, Inc., 2003.

dhesion in surf

m Society, 199

 

of three‐dimen

National Labo

Wrapping of 

Roman, and C

an, V.M. BRig

ee‐dimensiona

daram, M. Elw

lymers  in mic

994, pp. 136‐1

s between two

V. M. Mostep

OCARBON FILM

sembly of Mic

orge M. Whit

se  Brochard‐

face micromec

7. S0734‐211X

nsional micros

oratories SUM

f a Droplet wi

Charles N. Ba

ght, and G.M. 

al microstruct

wenspoek, an

cromechanics 

140. 

o plates or a s

panenko. 200

MS. J. Elders, 

crostructures—

tesides. Vol. 

‐Wyart.  Capil

chanical struc

X(97)02301‐9

structures

MMiT(TM) Tec

ith an Elastic 

roud. 156103

Whitesides. 1

tures. J. W. va

nd N. R. Tas. 9

and microma

sphere lens ab

00, PHYSICAL R

H. V. Jansert 

—The State‐of

12 No. 4, s.l.

llarity  and W

ctures. Mabou

9. 

chnologies.  

Sheet. Charlo

3, s.l. : Physica

12,4, 2003. 

an Honschote

97, 2010, APP

achining.  Jans

bove a plate m

REVIEW A. 

and M. Elwen

f‐the‐Art. Rich

: Journal of M

Wetting  Pheno

udian, Roya a

otte Py, Paul

al Review Lette

en, J. W. Bere

PLIED PHYSICS

sen, H.V.,  et 

made of real m

nspoek.  

hard R. A. Sym

Microelectrom

omena.  Paris 

and Howe, Ro

Page 38 

 

 Reverdy, 

ers, 2007. 

nschot, T. 

 LETTERS. 

al.,  et  al. 

metals. G. 

ms, Eric M. 

mechanical 

:  Springer 

oger T. 15, 

Page 39: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 39 

8 APPENDIX – PROCESS DOCUMENTS  

   

Page 40: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 1 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

 Capillary origami. Approach 3.  Silicon nitride structure on a silicon support with flap deviations  1. Introduction  1.1 Design description 1.2 Explanation of typical process steps 1.3 Masks 2. Mask layout (overview) 3. Process outline wafer 4. Specific design parameters 5. Procesparameters 5.1 Wafer selection 5.2 Top wafer processing 5.3 Bottom wafer processing 5.4 Anodic bonding 6. Processdata form  

Page 41: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

1  

1.1  This Hons The are ftheylengttheroverhingrelat 

Figure

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

Introduc

Design d

structure is dschoten. 

flaps in thesefive differenty tend to foldth.  You can e might be torcome this toe on one endtively relaxed

e 1 structure w

D1

D2

r

aram

ction

descriptio

developed o

e structures t type of strud seamlessly. see this in Fiorsion in theoroidal force d of the strucd. 

with decreasing 

 

on

n the structu

are shaped ductures. One So this strucgure 1 where hinges. Queor will therecture will be 

 flap widths 

Revision

Rev. byFile

ure defined i

differently totype of struccture is madee the width Destion is whete be a seam. Istretched ou

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

n the proces

o assess diffecture will tese of flaps thaD1 is larger tther these flaIf they wouldut while the 

mment approach

s document 

rent aspectst torsion. What decrease inhan D2.Wheaps will closed close seamhinge on the

: 2 of 23: 2010‐0

3.doc

of J.W. van 

s of folding. Then the flapsn width overen these flapse seamlessly lessly then the other end w

3

05‐05

There s fold,  the s fold and he will be 

Page 42: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 3 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

   Next type of  structures have flaps of different width, the left flap will have a smaller width then the right one as shown in Figure 3, the width D2 is larger than D1. Again we will test whether these flaps will fold seamlessly. And if they do they can fold in two ways, the ends of the flaps meet eacht other, or one end of the flap will meet halfway of the other flap as shown in Figure 4. In the first case both the angles of the flaps will be the same, in the second case the angles will be different, ɸ1 is not equal to ɸ2. 

Rear view 

Front view 

Figure 2 distortion of the hinges

Page 43: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

Figure

  Thirdthat phenhing 

Figure

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

e 3 structure w

d type of strufolded strucnomena we wes to see wh

e 4 possible ou

D1 

r

aram

with different fla

uctures will hctures tend towill vary the hat kind of ef

tcome for foldi

D2 

 ap widths 

have a varyino stay foldedcontact surfaffect these va

ing a structure 

Revision

Rev. byFile

ng contact sud despite of tace of the flaariables have

with different f

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

rface. Previohe elastic foaps and we we. 

flap widths

mment approach

ous experimerces in the hwill vary the e

: 4 of 23: 2010‐0

3.doc

ents have shoinges. To teselasticity of t

3

05‐05

own st this the 

Page 44: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

Figure

The flapsfoldeedgeoverprop

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

e 5 structure w

edges of thes (Figure 6 a)ed the stay foes as shown ircome unaligperly. 

r

aram

with varying con

e flaps make c. This is beneolded. To tesin Figure 6 b gment and er

d

ntact surface 

contact realleficial for thest how this pand Figure 7rrors in proce

d

d

Revision

Rev. byFile

y well due toe adhesive prroperty varie7. The edges essing. Small

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

o the 45 degrroperties of tes we devisehave to be aer form facto

d

mment approach

rees slope onthese structud a structureat least 5µm ors will not b

d

d

: 5 of 23: 2010‐0

3.doc

n the edges oures. Ones the with flexiblin width duebe produces 

3

05‐05

 

of the hey are e e to 

d

d

Page 45: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

Figure

  

Figur

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

e 7 structures w

re 6 (a) standard

r

aram

with flexible ed

d 45 angle edge

 dges 

 

e (b) flexible ed

Revision

Rev. byFile

dge

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

mment approach

: 6 of 23: 2010‐0

3.doc

 

3

05‐05

Page 46: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 Last expefold timeand  This undethe uwill m

Figure

 

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

but not leasteriment we cthese letterse that the flapthus hang fre

design has aer etching tounder etchinmake it poss

e 8 structure w

r

aram

t we will try created strucs will be liftedps are undereely like the 

a small hole i perform weg not to freeible for the e

with a letter 

to lift a strucctures with thd from the pr etched the lflaps. 

n the ‘arm’ tell. The additie the right flaetchant to re

Revision

Rev. byFile

cture of the she letters of tplane and weletters will be

hat is holdinion to the strap from the ceach in the ce

 

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

surface usingthe universit will have a me etched free

g the letter. ructure whiccenter flap asenter of the a

mment approach

g this folding ty on the flapmicro billboae from the u

This hole is mh holds the ls shown in Fiarm. 

: 7 of 23: 2010‐0

3.doc

action. For tps. When theard. In the sanderlying sili

made for theetter can cauigure 9. The h

3

05‐05

this e flaps me icon, 

e use hole 

Page 47: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

Figure

1.2   In stsilicoprevsilico As alit is ninter 

1.3  Exam ThreFOLDGEOUND         

    

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

e 9 where it can

Explana

ep 20, plasmon wafer.  Thvent stiction oon is complet

lready statednecessary torrupted. 

Masks

mple: 

ee masks are D    :M    :D:        

                

r

aram

n go wrong wit

ation of typ

ma etching byhis etching teof the free sttely removed

d in the prev make a hole

needed: :  Defin:             Defin

Defin

                   

th underetching

pical proce

y (SF6, Oxfordechnique doetanding strucd by the plas

ious paragrae in the arm s

nition of foldnition of finanition of spac

 

Revision

Rev. byFile

 g

ess steps

d ) is chosen es not affect tctures by adhma underetc

ph, when usso that the u

ding locationsl geometriesce in the silic

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

as process sthe silicon nihesion due toch under the

ing the strucunder etching

s.  s of the structcon to be und

 

mment approach

tep for the uitride structuo capillary fo folding flaps

cture with theg process wo

tures deretched  

: 8 of 23: 2010‐0

3.doc

underetchingure. We are aorces, since ths. 

e arm and leon’t get 

  UN GE FO

3

05‐05

g of the able to he 

tters, 

ND EOM OLD

Page 48: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

   

2

   Filen

Figupurp  

posit

 

3    

Ste

1.  

2.  

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

Mask lay

name: maske

re above: paple = UND) 

tion  de

DeOuDe

Process

ep 

Substra(#subs0

Cleanin(#cleanEtching(#etch0

r

aram

yout (ove

erCapOr_fluid

rt of the mas

scription 

efinition of unutline of the gefinition of fo

s outline

Process 

ate selection001) 

ng Standard n003)  g HF (1%) use028) 

erview)

dchannelvJ3.

sk showing s

nderetchinggeometriesolding lines 

wafer

description 

n ‐ Silicon <10

er made  

Revision

Rev. byFile

.cif 

ome of the s

 

00> OSP  

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

structures (re

code 

UND GEOM FOLD 

 

  

 

mment approach

ed = GEOM; g

layer 

 

Cross‐sect

: 9 of 23: 2010‐0

3.doc

green = FOLD

inside whi

Inside whiInside blacInside whi

tion after pro

3

05‐05

 D; 

te / black 

te ck te  

ocess 

  

Page 49: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 10 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

3.   LPCVD SiRN ‐ low‐depostion rate (#depo002)  

4.   Lithography ‐ Olin 907‐17 (#lith057)  Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009)  Plasma etching SiN (Etske) (#etch004) 

 

 

5.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017)  Cleaning Standard (#clean003)  Etching HF (1%) user made  (#etch028) 

 

 

6.   LPCVD SiRN ‐ low‐depostion rate (#depo002) 

7.   Lithography ‐ Olin 907‐17 (#lith057)  Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009) Plasma etching SiN  (Etske) (#Etch 072)  

 

8.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017)  Cleaning Standard (#clean003)  

 

9.   Lithography ‐ Olin 907‐17 (#lith057)  Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009)  Etching HF (1%) user made  (#etch028) Plasma etching of Silicon ‐ standard (Oxford) (#etch013) 

 

 

10.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017)   

 

Page 50: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 11 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

   

     

Page 51: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projec

ProjecAutho

 

4

   

ctnr. : Number

ct : Project or : J.Sunda

Specific

75µ

r

aram

c design

µm

paramet

 

Revision

Rev. byFile

ers  

75µm

: 01Page

: J.Sundaram:procesdocum

mment approach

75µm

: 12 of 2: 2010‐0

3.doc

23

05‐05

 

Page 52: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 13 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

5 Process parameters   Top wafer:   p‐type, <100> oriented, DSP      

5.1 Wafer selection (only a top wafer)   

Step  Process  Process parameters  Design related parameters and Remarks 

1.   Substrate selection ‐ Silicon <100> OSP  (#subs001) 

CR112B / Wafer Storage Cupboard Supplier: Orientation: <100> Diameter: 100mm Thickness: 525µm +/‐ 25µm Polished: Single side Resistivity: 5‐10Ωcm Type: p 

silicon wafer 

2.   Cleaning Standard (#clean003) 

CR112B / Wet‐Bench 131 HNO3 (100%) Selectipur: MERCK HNO3 (69%) VLSI: MERCK  • Beaker 1: fumic HNO3 (100%), 5min • Beaker 2: fumic HNO3 (100%), 5min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Beaker 3: boiling (95°C) HNO3 (69%), 10min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

wet chemical cleaning of the wafer 

3.   Etching HF (1%) user made  (#etch028) 

CR116B / Wet‐Bench 2 HF (1%) VLSI: MERCK 112629.500 • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

4.   LPCVD SiRN ‐ low‐depostion rate (#depo002) 

CR125C / Tempress LPCVD new system 2007 

program: SiRN01/N2 Tube: G3  • Use 5‐8 boat fillers in front and back of the boat to achieve specifications • SiH2Cl2 flow: 77.5 sccm • NH3 flow: 20 sccm 

Thickness SiRN: 1000 nm 

Page 53: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 14 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 • temperature: 820/850/870°C• pressure: 150 mTorr • deposition rate: ± 4  nm/min • Nf: ± 2.18 • Stress (range): 200‐280 Mpa • Boat position 12: 200 MPa (centre of the boat) •Boat position 1: 280 MPa (front of the boat) • Uniformity/wafer: <2% • Uniformity over the boat: (20 wafers): < 8% 

 

5.   Lithography ‐ Olin 907‐17 (#lith057) 

CR112B / Suss Micro Tech Spinner (Delta 20) Hotplate 120 °C: • Dehydration bake (120°C): 5min HexaMethylDiSilazane (HMDS): • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Olin 907‐17: • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Hotplate 95 °C: • Prebake (95°C): 90s  CR117B / EVG 620 Electronic Vision Group 620 Mask Aligner: • Hg‐lamp: 12 mW/cm 2 • Exposure Time: 4sec  CR112B / Wet‐Bench 11 Hotplate 120°C (CR112B or CR117B): • After Exposure Bake (120°C): 60sec Developer OPD4262: • Time: 30sec in Beaker 1 • Time: 15‐30sec in Beaker 2 • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

Mask FOLD 

6.   Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009) 

CR112B / Hotplate 120°C • Time: 30min 

 

7.   Plasma etching SiN (Etske) (#etch004)   

CR102A / Elektrotech PF310/340 Dirty chamber Styros electrode • Electrode temp.: 10°C • CHF3 flow: 25sccm 

 

Page 54: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 15 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

  • O2 flow: 5sccm • pressure: 10mTorr • power: 75W Etchrate SiN = 50nm/min (for VDC=‐460V) Etchrate SiN = 75 nm/min (for VDC = ‐580V) Etchrate Olin resist = 95nm/min If DC‐Bias < 375V apply chamber clean (#etch003) 

8.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017) 

CR102A / Tepla 300EBarrel Etcher (2.45 GHz) Multipurpose sytem • O2 flow: 200sccm (50%) • Power: 500W • Pressure: 1.2 mbar • Time: 10 min for 1‐3 wafers, 400 nm/min • Time: 20 min  for 4‐10 wafers • End point detection by visual inspection of the plasma color.  • Blue color means still photoresist on the wafer, purple means clean. 

 

9.   Cleaning Standard (#clean003) 

CR112B / Wet‐Bench 131 HNO3 (100%) Selectipur: MERCK HNO3 (69%) VLSI: MERCK  • Beaker 1: fumic HNO3 (100%), 5min • Beaker 2: fumic HNO3 (100%), 5min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Beaker 3: boiling (95°C) HNO3 (69%), 10min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

10.   Etching HF (1%) user made  (#etch028) 

CR116B / Wet‐Bench 2 HF (1%) VLSI: MERCK 112629.500 • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

11.   LPCVD SiRN ‐ low‐depostion rate (#depo002) 

CR125C / Tempress LPCVD new system 2007 

program: SiRN01/N2 Tube: G3  • Use 5‐8 boat fillers in front and back of the boat to achieve specifications • SiH2Cl2 flow: 77.5 sccm • NH3 flow: 20 sccm 

200 nm thickness SiRN  (to be varied for different wafers)   Note: in the first run, the thickness was 100 nm 

Page 55: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 16 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

• temperature: 820/850/870°C • pressure: 150 mTorr • deposition rate: ± 4  nm/min • Nf: ± 2.18 • Stress (range): 200‐280 Mpa • Boat position 12: 200 MPa (centre of the boat) •Boat position 1: 280 MPa (front of the boat) • Uniformity/wafer: <2% • Uniformity over the boat: (20 wafers): < 8% 

 

12.   Lithography ‐ Olin 908‐35 (#lith059) 

CR112B / Suss Micro Tech Spinner (Delta 20) Hotplate 120 °C: • Dehydration bake (120°C): 5min HexaMethylDiSilazane (HMDS): • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Olin 908‐35: • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Hotplate 95 °C: • Prebake (95°C): 120s  CR117B / EVG 620 Electronic Vision Group 620 Mask Aligner: • Hg‐lamp: 12 mW/cm 2 • Exposure Time: 9sec  CR112B / Wet‐Bench 11 Hotplate 120°C (CR112B or CR117B): • After Exposure Bake (120°C): 60sec Developer OPD4262: • Time: 30sec in Beaker 1 • Time: 15‐30sec in Beaker 2 • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

13.   Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009) 

CR112B / Hotplate 120°C • Time: 30min 

 

14.   Plasma etching SiN  (Etske) (#Etch 072) 

CR102/ Electrotech PF310/340  Application: roughening of SiRN for Pt adhesion  remarks: If Silicon surface is exposed to plasma us a short etch time 

Mask GEOM 

Page 56: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 17 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

Sputter directly after etching step Pt layer (maximum delay time 10 min)  Dirty chamber Styros electrode • Electrode : 10 °C • SF6: 30 sccm • O2: 5 sccm • pressure: 40 mTorr • Power: 60 Watt • Time: 30 sec  

15.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017) 

CR102A / Tepla 300EBarrel Etcher (2.45 GHz) Multipurpose sytem • O2 flow: 200sccm (50%) • Power: 500W • Pressure: 1.2 mbar • Time: 10 min for 1‐3 wafers, 400 nm/min • Time: 20 min  for 4‐10 wafers • End point detection by visual inspection of the plasma color.  • Blue color means still photoresist on the wafer, purple means clean. 

 

 

16.   Cleaning Standard (#clean003)  

CR112B / Wet‐Bench 131HNO3 (100%) Selectipur: MERCK HNO3 (69%) VLSI: MERCK  • Beaker 1: fumic HNO3 (100%), 5min • Beaker 2: fumic HNO3 (100%), 5min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Beaker 3: boiling (95°C) HNO3 (69%), 10min • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

 

17.   Lithography ‐ Olin 908‐35 (#lith059) 

CR112B / Suss Micro Tech Spinner (Delta 20) Hotplate 120 °C: • Dehydration bake (120°C): 5min HexaMethylDiSilazane (HMDS): • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Olin 908‐35: • Spin program: 4 (4000rpm, 20sec) Hotplate 95 °C: • Prebake (95°C): 120s  CR117B / EVG 620 Electronic Vision Group 620 Mask Aligner: • Hg‐lamp: 12 mW/cm 2 • Exposure Time: 9sec 

Mask UND 

Page 57: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 18 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

CR112B / Wet‐Bench 11 Hotplate 120°C (CR112B or CR117B): • After Exposure Bake (120°C): 60sec Developer OPD4262: • Time: 30sec in Beaker 1 • Time: 15‐30sec in Beaker 2 • Quick Dump Rinse <0.1µS • Spin drying 

18.   Lithography ‐ Postbake standard  (#lith009) 

CR112B / Hotplate 120°C• Time: 30min 

 

19.   Plasma etching of Silicon ‐ release (Oxford) (#etch070) 

CR102A / Oxford Plasmalab 100 ICPApplication: release of membranes and cantilever SLE = poly‐silicon  • Temp.: 20°C • SF6 flow: 120sccm • CM pressure: 10mTorr • ICP power: 600W • He pressure: 20mbar  Cleaning step: Optional • CCP power: 7.5W • VDC: ‐40‐55V • Time: 1min SLE etching: xx min 

Etchrate SiRN: 5 nm/min 

(Mask UND) Procedure of Isotropic etching step:  

 take quarter piece. Use scotch tape to mount it on a 4” SiN wafer (thickness SiN ~ 1000nm)  etchrate measured:    Sample wafer 282 ‐ Right‐bottom t =60 min 48  micron underetch t=140 min 120 micron underetch   (RO_01) t=160 min 140 micron underetch   (RO_02) , this one is OK, so 140 micron  

20.   Stripping of Olin PR by oxygen plasma Tepla 300E (#lith017) 

CR102A / Tepla 300E Barrel Etcher (2.45 GHz) Multipurpose sytem • O2 flow: 200sccm (50%) • Power: 500W • Pressure: 1.2 mbar • Time: 10 min for 1‐3 wafers, 400 

 

Page 58: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 19 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

nm/min • Time: 20 min  for 4‐10 wafers • End point detection by visual inspection of the plasma color.  • Blue color means still photoresist on the wafer, purple means clean. 

      

Page 59: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 20 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

5.2 Wafer processing The actual cooking of the wafer processing can be performed online using the TST Technology website, which can be found on:  http://tst‐server1/tst/   

Page 60: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 21 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 

Remarks and results (Erwin): (the required changes in the process document and in the mask have been made)  ‐masks:  1)  Put names on the masks (names have been added, JvH )   2)  dimension of the hinges to critical for specific designs (changes have been made, JvH  ).   3)  if we want to do the isotropic etching on waferscale  mask 3 should be uniform    4)  now 2 times thick nitride etching   is it possible to do it in one run?   5)  for metal hinges  design should be in such a way that there is only metal on places where the  

hinges are.   Process:    Step   11) thickness of the second SiN layer was ~ 100nm: see the note (JvH) in step 11 

12) step coverage problem: next time we should use thicker resist (908‐35) because of the large step in the SiN (1 micron)  17) see step 12) use 908‐35 After step 18) is the usual HF etching not necessary  because step 19) is started with a 1 min directional etch. (see opticonal cleaning step.) 19)  Oxford system is used: see recipe below: #etch 070  

Plasma etching of Silicon ‐ release (Oxford) (#etch070) 

CR102A / Oxford Plasmalab 100 ICP Application: release of membranes and cantilever SLE = poly‐silicon  • Temp.: 20°C • SF6 flow: 120sccm • CM pressure: 10mTorr • ICP power: 600W • He pressure: 20mbar  Cleaning step: Optional • CCP power: 7.5W • VDC: ‐40‐55V • Time: 1min SLE etching: xx min 

Etchrate SiRN: 5 nm/min 

 

For the isotropic dry etching of single crystalline silicon:  Maskmaterial: 

Page 61: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 22 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 Olin 908/35 Load: only a few % of the silicon is etched away  Procedure of Isotropic etching step:  

 - take quarter piece. Use scotch tape to mount it on a 4” SiN wafer (thickness SiN ~ 

1000nm) - etchrate measured:    Sample wafer 282 ‐ Right‐bottom   t =60 min 48  micron underetch 

t=140 min 120 micron underetch   (RO_01) t=160 min 140 micron underetch   (RO_02) , this one is OK, so 140 micron  

underetch is needed to free the whole structure  

- After 90 min of etching the photoresist is not shiny anymore: temperature problem!                    

This will cause not a serious problem. After stripping the resist the structures are shiny again, see picture below. When we do this isotropic etching step on waferscale, the temperature will be constant due to good Helium backside contact and this  problem will not occur.  Another option to avoid this effect when using quarter pieces: use fomblin oil to make a good thermal contact with the dummy wafer.        

Page 62: SURFACE TE NSION DRIVEN FABRI CATION OF THREEessay.utwente.nl/69504/1/MSc. report J. Sundaram.pdf · Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures Page

Projectnr. : Number Revision : 01Page : 23 of 23

Project : Project Rev. by : J.Sundaram : 2010‐05‐05 Author : J.Sundaram File :procesdocument approach 3.doc

 SEM images:  

                                     Overview  of the mask: