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 JoVE Applied Physics

बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

, ,

Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

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Cite this Article: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates. J. Vis. Exp. (65), e3725, doi:10.3791/3725 (2012).

Protocol: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

MPL की ए Schematics

macropunching विधि "काटने" और "ड्राइंग" आपरेशन भी शामिल है. "काटने" आपरेशन तेज धार उत्तल संरचनाओं के molds को गोद ले और तीन बुनियादी कदम (1 छवि (A1-A3)) शामिल हैं. सबसे पहले, एक कठोर सब्सट्रेट (छवि 1 (A1)) पर एक शीट धातु जगह है. दूसरा, एक उच्च शक्ति द्वारा एक सी और शारीरिक संपर्क में सब्सट्रेट ढालना लाने. इस दूसरे चरण के दौरान, सीधे धातु उत्तल ढालना संरचनाओं के नीचे के भाग के पहले पड़ोसी धातु से बंद द्वारा उत्तल ढालना संरचनाओं, कटौती और फिर सब्सट्रेट में अवतल पैटर्न के नीचे करने के लिए नीचे धक्का दे दिया (1 छवि (A2) ). अंत में, मोल्ड और सब्सट्रेट अलग, शीट धातु के patterning के (छवि 1 (A3)) को पूरा करने. "ड्राइंग" आपरेशन एक इसी तरह के निर्माण की प्रक्रिया का उपयोग करता है. हालांकि, यह दौर धार उत्तल संरचनाओं के molds (छवि 1 (B1)) को गोद ले. इसके अलावा,लागू प्रविष्टि बल और गति बहुत छोटे और "काटने" ऑपरेशन में उनके समकक्षों की तुलना में कम कर रहे हैं. इन मतभेदों उत्तल संरचनाओं के तहत शीट धातु के हिस्से में मौजूद तनाव को कम करते हैं. नतीजतन, शीट धातु के इस भाग के नीचे धक्का दे दिया जाता है लेकिन नहीं "ड्राइंग" ऑपरेशन में काट (1 छवि (B2-B3)).

MPL (1 छवि (C1-C3)) (i) "काटने" आपरेशन में एक सी एक मध्यवर्ती बहुलक की एक परत और एक मुद्रित किया जा सामग्री की एक परत के साथ लेपित सब्सट्रेट कांच संक्रमण तापमान ऊपर गर्म कर रहे हैं ( टी छ: नरम तापमान मध्यवर्ती बहुलक और नीचे टी मीटर (पिघलने तापमान) या लक्षित सामग्री के छ टी (छवि 1 (C1))), (ii) ढालना और सब्सट्रेट उच्च दबाव से शारीरिक संपर्क में लाया जाता है , बाद ठंडा (छवि 1 (C2)) द्वारा पीछा किया, और (iii) जब वे अपने तापमान नीचे है अलग हो रहे हैंमध्यवर्ती बहुलक टी जी, मोल्ड से पैटर्न लक्षित परत (छवि 1 (C3)) करने के लिए स्थानांतरण को पूरा करने. MPL की "ड्राइंग" ऑपरेशन (1 छवि (डी 1 - डी 3)) निर्माण करने के लिए इसी तरह के कदम है "काटने. फिर भी, "ड्राइंग" नरम PDMS नए नए साँचे का उपयोग करता है. यह भी एक छोटे प्रविष्टि बल, एक कम प्रविष्टि गति, और एक उच्च मुद्रण तापमान (जो मध्यवर्ती बहुलक का चिपचिपापन कम करती है और इस तरह अपनी गतिशीलता बढ़ जाती है) शामिल है. तदनुसार, सब्सट्रेट सतह तनाव और मध्यवर्ती बहुलक का उच्च गतिशीलता के कारण वक्र की शीर्ष सतह पर सुविधाओं. सी ढालना और साफ लगातार embossing कदम के लिए फिर से इस्तेमाल किया जा सकता है. मोल्ड एसीटोन और डि पानी के साथ साफ किया जा सकता है, और 2 एन के साथ अच्छी तरह से प्रत्येक का उपयोग करने से पहले सूखे. मामले में अवशेषों आचारण के microfeatures में रहते हैं, यह Nanostrip समाधान और डि पानी के साथ साफ किया जा सकता है, और 2 एन के साथ सूख.

बी घनMPL में धातु उत्पन्न करने के लिए ऑपरेशन tting और पॉलिमर micropatterns आयोजन

  1. एक सब्सट्रेट पर एकल परत microstructures: छवि में सचित्र प्रक्रिया का उपयोग कर. 1 (C1-C3), microstructures की एक परत के सब्सट्रेट पर उत्पन्न होता है. निर्माण के दौरान, सब्सट्रेट मध्यवर्ती बहुलक की एक परत के साथ लेपित है, कोटिंग एक ही सामग्री की एक परत बहुलक या धातु का आयोजन या एकाधिक सामग्री की एक परत द्वारा पीछा किया. तदनुसार, गर्म embossing बाद, एकल या एकाधिक सामग्री की microstructures एक परत के सब्सट्रेट पर निर्मित है. निर्माण नीचे विस्तृत है.
    1. बनाना आवश्यक को पारंपरिक यूवी लिथोग्राफी की (2a छवि) का उपयोग आयामों की सी molds के. सी ढालना है fabricating के विवरण 4 में रिपोर्ट कर रहे हैं चित्र. 2 (A1-a4) सी प्रक्रियाओं के लिए इस्तेमाल किया molds के लेआउट दिखा.
    2. 500 माइक्रोन x 170 मिमी x 1 आयाम की एक गैर का आयोजन PMMA शीट का प्रयोग करेंमध्यवर्ती परत के रूप में 70 मिमी, और यह एक कठोर, फ्लैट सब्सट्रेट पर जगह है.
      1. एक ही सामग्री के microstructures उत्पन्न: स्पिन कोट PMMA शीट या जमा अल 100-500 एनएम के एक मोटाई के लिए थर्मल वाष्पीकरण का उपयोग पर बहुलक (PPy, PEDOT या SPANI) के आयोजन.
      2. स्पिन कोट (2000 rpm पर) PPy, PEDOT (2500 rpm पर) और SPANI (1500 rpm पर): PMMA शीट के विभिन्न भागों पर कई आयोजन बहुलक सामग्री के microstructures बनाना. पहले कोटिंग स्पिन पहले PMMA शीट पर एक स्थान पर बहुलक परत का आयोजन, चिपकने वाला टेप का उपयोग अन्य क्षेत्रों को कवर किया. आयोजन बहुलक कोटिंग अन्य परतों के लिए, पिछले कोटिंग्स और खाली क्षेत्रों चिपकने वाला टेप के द्वारा कवर किया जाना चाहिए. इस प्रक्रिया सब्सट्रेट पर वांछित स्थान पर कोट कई परतों के लिए दोहराया जाना चाहिए. लेपित की PPy, PEDOT और SPANI 500 एनएम, 5 माइक्रोन और 200 एनएम मोटी, क्रमशः रहे हैं.
    4. एक गर्म embossing machi सब्सट्रेट का उपयोग एम्बॉसफ़िल्टरपूर्वोत्तर (मॉडल: हेक्स 01/LT, JENOPTIK Mikrotechnik कंपनी के) (छवि 2b). तापमान बल, और ढालना प्रविष्टि समय 130-160 डिग्री सेल्सियस, 1500-1800 और एन 120-200 है, क्रमशः. ° सी 1.5 मिमी / मिनट की गति के साथ 80-95 में demolding प्रदर्शन करते हैं. एक ही सामग्री की एक परत की microstructures परिणाम चित्र में दिखाए जाते हैं. 2 (C1-C3). एकाधिक सामग्री की एक परत की microstructures परिणाम चित्र में दिए गए हैं. 2 (d2 - डी 3).
  2. PPy microwires की एक नमी संवेदक के रूप में आवेदन
    1. 1500 rpm पर कोट की PPy स्पिन करने के लिए 1 माइक्रोन मोटी क्षेत्र 1 x 1 2 सेमी की एक फिल्म उत्पन्न और चालकता माप के लिए एजी epoxy का उपयोग फिल्म के विपरीत छोर पर दो बाहरी तारों को जोड़ने के लिए.
    2. 1500 rpm पर कोट स्पिन माइक्रोन की मोटाई 1 PPy फिल्म उत्पन्न. चरण 4 में मानकों के साथ उभार लंबाई की PPy 5000 माइक्रोन 300 माइक्रोन चौड़ाई microwires उत्पन्न करने के लिए और दो को समाप्त करने के लिए बाहरी संपर्क के तारों देते हैं प्रदर्शन करनाएक एकल एजी epoxy का उपयोग कर microwire की है.
    3. PPy और नमी मीटर और humidifier के साथ एक airtight दस्ताना बॉक्स के अंदर फिल्म microwire सेंसर रखें. humidifier का दस्ताना बॉक्स के अंदर नमी का स्तर नियंत्रित वृद्धि की अनुमति होगी. चतुर्थ माप के लिए प्रत्येक संवेदक के लिए एक Keithley है जांच स्टेशन (छवि 2e) संपर्क तारों देते हैं.
    4. प्रत्येक निम्न सूत्र का उपयोग संवेदक की संवेदनशीलता की गणना:
      एक समीकरण
      जहां, अनुसंधान च और आर मैं फिल्म और microwire सेंसर के अंतिम और प्रारंभिक resistances, क्रमशः रहे हैं. फिल्म और microwire सेंसर के लिए प्रत्येक नमी के स्तर पर मैं R (कमरे के तापमान पर) के आधार नमी के स्तर पर और अनुसंधान च उपाय.
    5. अंजीर. 2f संवेदनशीलता (/ ΔR - आर) 48% से 85% सापेक्ष आर्द्रता के लिए 8 में किया मापन के परिणामों से पता चलता है.यह देखा गया है कि PPy microwire संवेदक की संवेदनशीलता 48% से 58% के लिए फिल्म सेंसर की तुलना में अधिक था. 58% के अलावा फिल्म और microwire सेंसर की संवेदनशीलता के समान थे.
  3. सब्सट्रेट पर एक बहु परत microstructures: चित्र में दिखाया प्रक्रिया के आधार पर. 1 (C1-C3), ऊपर परत के दो और तीन पॉलिमर / धातु परतों, क्रमशः, बहु परत microstructures उत्पन्न करने का एक संयोजन द्वारा बदल दिया है. युक्ति लेआउट छवि में दिखाया गया है. 3 (A1-A2). निर्माण नीचे विस्तृत है.
    1. आवश्यक को पारंपरिक यूवी लिथोग्राफी की (3b छवि) का उपयोग आयामों की एक सी मोल्ड बनाना.
    2. एक गैर का आयोजन आयामों के PMMA शीट का प्रयोग करें 500 माइक्रोन x 170 मिमी x मध्यवर्ती परत के रूप में 170 मिमी, और यह एक कठोर, फ्लैट सब्सट्रेट पर जगह है.
      1. दो परत PPy PEDOT heterojunction उत्पन्न: 1000 rpm पर (i) के स्पिन कोट PMMA शीट पर PEDOT 10 माइक्रोन मोटी परत प्राप्त करने के लिए, (ii) के बाद के चरणों सेंकना1 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर trate, (iii) 1500 rpm पर स्पिन कोट PEDOT परत पर 1 माइक्रोन मोटी PPy फिल्म प्राप्त करने के लिए, और (iv) के 5 मिनट के लिए सेंकना 80 ° C पर सब्सट्रेट.
      2. दो परत अल PEDOT डायोड उत्पन्न: (i) 1000 rpm पर स्पिन कोट PMMA शीट पर PEDOT 10 माइक्रोन मोटी परत प्राप्त करने के लिए, (ii) 80 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे के लिए सब्सट्रेट, सेंकना और ( iii) कोट थर्मल वाष्पीकरण द्वारा PEDOT परत पर एक 200 एनएम मोटी अल फिल्म.
      3. तीन परत PEDOT - PMMA PEDOT capacitors के उत्पन्न करने के लिए: 1000 rpm पर (i) के स्पिन कोट PMMA शीट पर एक 10 माइक्रोन मोटी PEDOT परत प्राप्त, (ii) में 80 सब्सट्रेट सेंकना ° 1 ज के लिए सी, (iii) हज़ार rpm के कई बार स्पिन कोट मोटाई का एक PMMA फिल्म PEDOT परत पर 15-20 माइक्रोन (iv) में 80 सब्सट्रेट सेंकना के प्राप्त करने के लिए ° 2500 rpm के में 30 मिनट, (v) के स्पिन कोट के लिए सी PMMA फिल्म पर 2-3 माइक्रोन मोटाई के PEDOT परत प्राप्त करने के लिए, और (vi) सेंकना 80 में सब्सट्रेट ° 5 मिनट के लिए सी.
    3. गर्म embossing machi का उपयोग सब्सट्रेट एम्बॉसफ़िल्टरपूर्वोत्तर. तापमान बल, और ढालना प्रविष्टि समय 140-150 डिग्री सेल्सियस, 1500-2000 और एन 150-200 है, क्रमशः. ° सी 1.5 मिमी / मिनट की गति के साथ 80-95 में demolding प्रदर्शन करते हैं. परिणाम चित्र में दिखाए जाते हैं. 3 (cf) 11.
  4. उत्पन्न बहु परत की microstructures आवेदन
    1. PPy / PEDOT heterojunction
      1. Heterojunction 2.1 कदम के बाद प्राप्त संरचनाओं के चतुर्थ मापन के लिए एक Keithly जांच स्टेशन का प्रयोग करें. PEDOT परत पर आधारित है और एक पूर्वाग्रह संभावित (-20 वी 20 वी) PPy परत करने के लिए लागू किया जाता है.
      2. अंजीर. 3 (G1) से पता चलता है [9,11] PPy / PEDOT heterojunction में चतुर्थ विशेषताओं, आगे और रिवर्स PPy / PEDOT heterojunction के टूटने voltages 5 वी -8 वी थे, क्रमशः. शोधन अनुपात में 24 से 10 था वी. आदर्श कारक 8.88 के बराबर था.
    2. अल / PEDOT heterojunction
      1. चतुर्थ के लिए एक Keithly जांच स्टेशन का प्रयोग करें/ अल PEDOT heterojunction संरचना की माप 2.2 कदम के बाद प्राप्त की. अल परत पर आधारित है और एक पूर्वाग्रह संभावित (-5 वी करने के लिए 5 वी) में PEDOT परत करने के लिए लागू किया जाता है.
      2. अंजीर. 3 (G2) अल PEDOT / 11 में कमरे के तापमान पर मापा जंक्शन के चतुर्थ विशेषताओं से पता चलता है, आगे और रिवर्स टूटने voltages 3 और -2.5 वी, क्रमशः. अल / PEDOT heterojunction के सुधार के अनुपात 1 से 2 वी. इस जंक्शन के लिए आदर्श कारक से 19 की गणना की गई.
    3. PEDOT / / PMMA PEDOT संधारित्र
      1. PEDOT / / PMMA PEDOT 2.3 कदम के बाद प्राप्त संधारित्र के CV माप के लिए एक Keithly जांच स्टेशन का प्रयोग करें.
      2. अंजीर. 3 (G3) PEDOT / PMMA PEDOT / 11 में कमरे के तापमान पर मापा संधारित्र सी वी दिखाता है. संधारित्र के कम आवृत्ति पूर्वाग्रह पर मापा समाई .06 के बारे में पीएफ था, जबकि एक सैद्धांतिक गणना की मात्रा 1.38 पीएफ था.

    सी. धातु की उप माइक्रोन Ppatterns को पैदा करने के लिए MPL ऑपरेशन काटना और पॉलिमर का आयोजन

    छवि में सचित्र प्रक्रिया पर आधारित है. 1 (C1-C3), सी उप माइक्रोन सुविधाओं के साथ नए नए साँचे धातु और पॉलिमर का आयोजन वांछित पैटर्न उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है. निर्माण नीचे विस्तृत है.

    1. उप माइक्रोन केंद्रित आयन बीम (FIB) लिथोग्राफी का उपयोग सुविधाओं के साथ एक सिलिकॉन मोल्ड बनाना. सी molds के दो विभिन्न प्रकार, 100 चौड़ाई और 500 एनएम के, 1 की गहराई - 1.5 माइक्रोन, 20 माइक्रोन और 1 माइक्रोन की पिच की लंबाई, उत्पन्न कर रहे हैं.
    2. उपयोग से पहले सिलिकॉन मोल्ड की सतह तैयारी: (i) के डि पानी, एसीटोन और कमरे के तापमान पर Nanostrip अच्छी तरह समाधान के साथ ढालना कुल्ला, सूखी नाइट्रोजन गैस और सेंकना के साथ 30 कमरे के तापमान को ठंडा करने के बाद मिनट के लिए 150 ° सी में उड़ा, और (ii) यदि मोल्ड ऊपर सफाई कदम के बाद साफ नहीं है, यह ऑक्सीजन प्लाज्मा साफ के अधीन है. नुस्खा के रूप में है- 7 मिनट 300 वाट पर प्लाज्मा बिजली, ऑक्सीजन, में SCCM 80 और 5 की अवधि में प्रवाह दर: निम्नानुसार है.
      1. कोट PMMA परत: 3000 rpm पर स्पिन कोट PMMA (9% chlorobenzene में आणविक वजन 495 कश्मीर) समाधान के बारे में 1.2 माइक्रोन की मोटाई को प्राप्त करने के लिए, 150 पर वफ़र सेंकना ° 1 ज और उसे शांत करने के लिए, और बेनकाब की अनुमति के लिए सी डब्ल्यू 50 SCCM ऑक्सीजन का प्रवाह करने के लिए अगले कदम के लिए यह हाइड्रोफिलिक दर के साथ 300 पर 3 मिनट के लिए PMMA ऑक्सीजन प्लाज्मा लेपित सतह.
        1. स्पिन - कोट PPy (01:02 (वी / वी) द्वारा डि पानी के साथ पतला) 3000 rpm पर समाधान के बारे में 75 एनएम के एक मोटाई प्राप्त करने के लिए और 60 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे के लिए सब्सट्रेट PPy परत इलाज के लिए सेंकना.
        2. 10-25 एनएम sputtering बयान का उपयोग कर के एक मोटाई की एक Au फिल्म के कोट.
      1. PPy निम्न चरणों का उपयोग कर तार उत्पन्न करता है.
        1. छाप 500 एनएम चौड़ा सी चैनल: 1 मिमी / मिनट की गति के साथ 160 ° C पर imprinting और प्रदर्शन 600 है की अवधि के मोड का उपयोग कर सम्मिलितगर्म embossing मशीन में स्थिति नियंत्रण. अधिकतम इस्तेमाल किया बल इस मामले में 1085 एन.
        2. छाप 100 एनएम चौड़ा सी चैनल: 1mm/min की गति के साथ 140 डिग्री सेल्सियस imprinting और प्रदर्शन की अवधि 500 ​​है गर्म embossing मशीन में बल नियंत्रण के मोड का उपयोग कर सम्मिलित. 2300 में एन उभार बल फिक्स
      2. Au 100 एनएम चौड़ा चैनलों के साथ एक सी ढालना nanowires उपयोग उत्पन्न: 160 ° C पर imprinting 1mm/min की गति के साथ प्रदर्शन और 700 की अवधि गर्म embossing मशीन में बल नियंत्रण मोड का उपयोग कर सम्मिलित है. 2300 में एन उभार बल फिक्स
      3. 4.1-4.2 कदम के लिए, 95 ° के साथ सी 3 मिमी / मिनट की गति पर demolding करते हैं. परिणाम चित्र में दिखाए जाते हैं. 4.

    डी. MPL ऑपरेशन पॉलिमर और सी Substrates sidewalls पर micropatterns उत्पन्न करने के लिए आकर्षित किया था.

    छवि में प्रक्रिया के बाद. 1 (डी 1 - डी 3), "ड्राइंग" आपरेशनAu और एचडीपीई microchannels के sidewalls पर PDMS micropatterns उत्पन्न किया. एचडीपीई सब्सट्रेट पर इसी सामग्री Au या PDMS, जो imprinting दौरान मध्यवर्ती परत बहुलक की सतह प्रोफ़ाइल के बाद है. निर्माण नीचे विस्तृत है.

    1. एचडीपीई चैनलों पर Au sidewall पैटर्न
      1. 3000 rpm पर स्पिन के कोट के लिए एक 1.5 मिमी मोटी एचडीपीई पत्रक (1.5 मिमी x 40 मिमी x 40 मिमी) पर एक सकारात्मक photoresist (S1813) के 1 माइक्रोन मोटी परत प्राप्त करने के लिए.
      2. यूवी लिथोग्राफी का उपयोग करने के लिए S1813 परत (5 छवि (अब)) में मुखौटा पैटर्न हस्तांतरण. मुखौटा पैटर्न 10 x 10 माइक्रोन 2 (छवि 7a) डॉट्स और 110 माइक्रोन चौड़ा लाइनों से मिलकर बनता है.
      3. S1813 एक थर्मल बाष्पीकरण (छवि 5c) का उपयोग परत पर एक 100 एनएम मोटी Au फिल्म कोट.
      4. कुल्ला एसीटोन, एचडीपीई पत्रक (छवि 5d) Au पैटर्न छोड़ने के साथ S1813 निकालें.
      5. एचडीपीई चादर temperat को गर्मीउरे रेंज 131-136 डिग्री सेल्सियस के एक गर्म थाली है, जो थोड़ा एचडीपीई टी जी (यानी, 128 ° सी), लेकिन नीचे टी Au के मीटर (यानी, 1063 डिग्री सेल्सियस) (छवि 5e) की तुलना में अधिक है पर.
      6. 1 घंटा बाद ठंडा (छवि 5f) द्वारा पीछा के लिए एक सी प्रबलित PDMS 16 ढालना AU नमूनों एचडीपीई चादर छाप 40-120 kPa दबाव रेंज के साथ, का प्रयोग करें.
      7. मोल्ड और एचडीपीई चादर जब उनके तापमान एचडीपीई की टी जी नीचे हैं अलग, PDMS ढालना से पैटर्न सब्सट्रेट करने के लिए स्थानांतरण को पूरा करने. Au पैटर्न, जो एचडीपीई चादर में PDMS ढालना द्वारा धकेल रहे हैं, और sidewalls गठन microstructures (छवि 5g) के नीचे सतहों पर रहते हैं. PDMS मोल्ड और Au के पैटर्न के बीच संबंध की संख्या के बाद से एचडीपीई चादर और Au पैटर्न के बीच की तुलना में कमजोर हैं, Au पैटर्न PDMS मोल्ड करने के लिए छड़ी नहीं है और एचडीपीई सतह पर रहते हैं. इस प्रक्रिया के परिणाम में छवि में दिखाया जाता है. 7 (ई.पू.) 12.
    2. एचडीपीई चैनल sidewalls पर PDMS micropillars
      1. 3000 rpm पर स्पिन - कोट करने के लिए एक एसयू 8 ढालना पर एक S1813 की 1 माइक्रोन मोटी परत (6a छवि) प्राप्त करने के लिए. SU-8 ढालना पारंपरिक यूवी 17 लिथोग्राफी का उपयोग कर उत्पन्न होता है.
      2. स्पिन - कोट (PDMS और उसके इलाज के एजेंट के बीच अनुपात 10:01 है) PDMS SU-8 S1813-लेपित ढालना पर 1000 rpm पर, और 85 ° C पर एक गर्म थाली पर 3 घंटे के लिए नमूना सेंकना करने के लिए नीचे ठंडा करके कमरे के तापमान (छवि 6b).
      3. SU-8 ढालना से एसीटोन साथ S1813 नक़्क़ाशी, micropillar का गठन PDMS फिल्म (6C छवि) की पीढ़ी को पूरा करके पतली PDMS फिल्म रिलीज.
      4. एक 1.5 मिमी मोटी एचडीपीई पत्रक (6d छवि) पर micropillar का गठन PDMS फिल्म रखें.
      5. दोनों PDMS फिल्म और एचडीपीई चादर पर 140 डिग्री सेल्सियस में 52.5 kPa (6E छवि) के दबाव के साथ अल मोल्ड (गोल किनारों के साथ) डालें. मुद्रणसमय 1 ज रहा है. 140 डिग्री सेल्सियस, PDMS फिल्म नरम एचडीपीई चादर में ढालना द्वारा धक्का दिया है.
      6. बाद नमूना नीचे कमरे अल मोल्ड हटाने के बाद तापमान के लिए ठंडा है, एक चैनल के एचडीपीई चादर पर उत्पन्न होता है. इस micropillar का गठन PDMS फिल्म का हिस्सा नीचे और चैनल के दो sidewalls (छवि 6f) को सौंप दिया है. परिणाम चित्र में दिखाए जाते हैं. 7 (df) 15.
      7. एचडीपीई चैनल चित्र अंदर PDMS micropillars के शीर्ष पर रखा एक पानी की छोटी बूंद के संपर्क कोण उपाय. 7 (GH) औसत संपर्क कोण 145.5 ° 15 के रूप में मापा से पता चलता है.

    ई. प्रतिनिधि परिणाम

    सारांश में, MPL के परिणाम के नीचे सूचीबद्ध हैं:

    1. एकल परत का आयोजन बहुलक और धातु micropatterns चित्र में के रूप में गठन किया गया. 2 (B1-B3, C2-C3).
    2. PPy फिल्म और microwire नमी में परिणाम संवेदनअंजीर. 2d.
    3. एकाधिक बहुलक और धातु micropatterns आयोजित परत छवि में के रूप में गठन किया गया. 3 (cf).
    4. जंक्शन छवि में लक्षण वर्णन परिणाम है. 3 (G1-G3).
    5. 100 - और 500 एनएम विस्तृत PPy तारों चित्र में के रूप में गठन किया गया. 4 (अब).
    6. 100 एनएम विस्तृत Au nanowires छवि में के रूप में गठन किया गया. 4c.
    7. Au पैटर्न के रूप में छवि में 300 माइक्रोन चौड़े और 42 माइक्रोन गहरी एचडीपीई चैनलों पर उत्पन्न किया गया. 7 (ई.पू.).
    8. PDMS micropillars के रूप में छवि में 1 मिमी चौड़ा और 1 मिमी गहरी एचडीपीई चैनलों के ऊपर और नीचे, और sidewall के सतहों पर उत्पन्न किया गया. 7 (df).
    9. पानी संपर्क कोण छवि में एचडीपीई चैनल के अंदर मापा. 7 (GH).

    चित्रा 1
    चित्रा 1 शीट धातु का में उत्तल macropatterns के के सृजन में "काटने" (पार अनुभाग schematics) की प्रक्रिया: (A1) सब्सट्रेट के शीर्ष पर एक पत्रक धातु जगह (A2) सब्सट्रेट में ढालना सम्मिलित करने के लिए, और (A3) अलग मोल्ड और सब्सट्रेट. "ड्राइंग अवतल macropatterns के निर्माण में" प्रक्रिया: (B1) के सब्सट्रेट पर जगह एक पत्रक धातु (B2) सब्सट्रेट में ढालना सम्मिलित करने के लिए, और (ख 3) ढालना और सब्सट्रेट अलग. उत्तल संरचनाओं के निर्माण में MPL विधि (पार अनुभाग schematics) की "काटने" ऑपरेशन: (C1) गर्मी सब्सट्रेट, (C2) सब्सट्रेट में ढालना सम्मिलित करने के लिए, और (C3) मोल्ड और सब्सट्रेट अलग. अवतल संरचनाओं के निर्माण में MPL दृष्टिकोण की "ड्राइंग" ऑपरेशन: (d1) गर्मी सब्सट्रेट, (D2) सब्सट्रेट में ढालना सम्मिलित करने के लिए, और (डी 3) ढालना और सब्सट्रेट अलग.

    चित्रा 2
    चित्रा 2 सी molds के डिजाइन (ऊपर देखें): (A1) सीधे लाइनों, वर्ग डॉट्स (A2), (A3) पुलिंदा संरचनाओं, और (A4) चक्करदार लाइनों.(ख) गर्म embossing मशीन. उत्पन्न अल संरचनाओं की SEM छवियों लाइनों (C1) 10 माइक्रोन चौड़ा, (C2) 20 × 20 में माइक्रोन 2 डॉट्स, और ट्रस (C3) संरचनाओं. कई संरचनाओं से मिलकर की microstructures (d1) योजनाबद्ध (D2) 300 माइक्रोन चौड़ा सीधे, (डी 3) 50 माइक्रोन चौड़ा PPy, PEDOT की चक्करदार microwire पैटर्न, और SPANI साथ निर्मित MPL की "काटने" आपरेशन का उपयोग . (ङ) नमी प्रयोगात्मक स्थापना संवेदन, और (च) नमी संवेदन PPy फिल्म और microwire सेंसर 4, 7, 8 के साथ परिणाम. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहाँ क्लिक करें .

    चित्रा 3
    चित्रा 3: लेआउट (A1) दो (A2) तीन परत उपकरणों, (ख) एक सी मोल्ड के लेआउट (ऊपर देखें) बहु परत उपकरणों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया, (ग) SEM की छवि एक 300 माइक्रोन चौड़ा, MICROLINE के आकार PPY - PEDOT heterojunction, और सीएलose के पार वर्गों के विचारों SEM के: (घ) PPy PEDOT heterojunction, (ए) अल PEDOT डायोड, (च) संधारित्र PEDOT PMMA - PEDOT heterojunction लक्षण वर्णन परिणाम: (G1) / PPy PEDOT (g2 ) अल / PEDOT, और (G3) PEDOT / PMMA / 9,11 PEDOT.

    चित्रा 4
    चित्रा 4 (क) उभरा 500 एनएम चौड़ा PPy तारों की AFM के स्कैन, (ख) उभरा 100 एनएम विस्तृत PPy लाइनों और (ग) 100 एनएम विस्तृत Au तारों के SEM छवियों के लिए यहाँ क्लिक करें बड़ा देखने के लिए आंकड़ा .

    चित्रा 5
    चित्रा 5 Au पैटर्न के साथ एक एचडीपीई सब्सट्रेट का निर्माण: (अब) वांछित सुविधाओं की एक मुखौटा का उपयोग कर, बेनकाब और S1813 परत का विकास, जमा (सीडी) Au और S1813 परत को हटाने, (एफई) substrates के निशान का उपयोग करते हुए एक सी प्रबलित PDMS ढालना, और (छ) के बाद demolडिंग, sidewall Au 12 सुविधाओं का मिलकर पैटर्न के साथ एक सब्सट्रेट.

    चित्रा 6
    चित्रा 6 micropillars साथ PDMS फिल्म का निर्माण: (क) एक - र 8 मोल्ड बनाना, (ख) स्पिन कोट और एक PDMS परत के इलाज, (ग) र-8 ढालना से PDMS परत को हटाने, (घ) अल सब्सट्रेट का उपयोग ढालना चिन्ह, और (एफई) demolding के बाद, के sidewall PDMS micropillars मिलकर पैटर्न के साथ एक सब्सट्रेट, 15 प्राप्त कर रहे हैं.

    7 चित्रा
    7 चित्रा Au डॉट्स के लेआउट (क), के SEM छवियों (ख) 10 10 माइक्रोन x 2 डॉट्स, और (ग) 110 माइक्रोन चौड़ा लाइनों. (घ) पार अनुभाग दृश्य: ऊपर, नीचे और sidewall surfaces1 मिमी चौड़ा एचडीपीई चैनलों पर उत्पन्न PDMS micropillars, एचडीपीई में उत्पन्न चैनल के आयाम 1 एक्स 300 माइक्रोन cm x 42 (लम्बाई चौड़ाई एक्स एक्स गहराई) माइक्रोन कीचैनल, (ङ) के शीर्ष SEM छवियों, (च) चैनल के नीचे कोने; और (GH) PDMS 12,15 खंभे पर संपर्क कोण माप परिणाम. PDMS खंभे आयाम 10 x 10 माइक्रोन x 27 माइक्रोन माइक्रोन है. एचडीपीई में चैनलों के आयामों 20 मिमी x 1 मिमी x 1 मिमी (लम्बाई x चौड़ाई x ऊँचाई) कर रहे हैं.

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Discussion: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

समस्या निवारण जानकारी: पॉलिमर और धातु "काटने" आपरेशन का उपयोग करने के लिए एकल और बहु - परत micropatterns की पीढ़ी के बारे में गंभीर अंक: (1) embossing के तापमान मध्यवर्ती PMMA परत जो इष्टतम परिणाम उत्पन्न की तरलता सुनिश्चित करता है. यह सीमा के निचले सीमा पर शुरू करने के लिए सलाह दी जाती है और तापमान धीरे - धीरे वृद्धि अगर वांछित परिणाम हासिल नहीं कर रहे हैं. बहुत उच्च तापमान का आयोजन बहुलक परत के कारण करने के लिए अपने रासायनिक और / या बिजली के गुणों को बदल सकते हैं. (2) यदि imprinting बल बहुत अधिक है, यह सी ढालना embossing दौरान दरार का कारण हो सकता है, कम बल जबकि अनुचित मोल्ड भरने और बहुलक परतों में परिणाम हो कटौती बंद नहीं हो सकता है हो सकता है. (3) embossing मशीन चिन्ह के बाद ही सब्सट्रेट तापमान मूल्य सेट प्राप्त कर ली है शुरू करने के लिए क्रमादेशित किया जाना चाहिए. (4) छाप का प्रोफ़ाइल सुविधा आकार पर निर्भर करता है, बल, तापमान, और ढालना INSE चिन्हआर टी समय है, और एक और गोल करने के लिए तेज किनारों के साथ एक के बीच भिन्न हो सकते हैं. बहुलक परतों वृद्धि की संख्या के रूप में, प्रोफ़ाइल के किनारों पर गोल हो जाता है. (5) सी तेज किनारों के साथ molds करने के लिए सुनिश्चित करें कि आयोजन बहुलक / धातु परतों कटौती बंद के रूप में वांछित हैं पसंद कर रहे हैं. झुका हुआ sidewalls के साथ एक सी मोल्ड के प्रयोग की सिफारिश नहीं है. (6) का प्रयोग बहुत गहरी सी ढालना ढालना और बहुलक परत (ओं) के बीच stiction कारण हो सकता है. यदि ढालना भी उथले है यह ऊपर परत (ओं) की "काटने" प्राप्त करने में सक्षम नहीं हो सकता है. (7) यह अनुशंसित है कि एक stiction विरोधी फिल्म (जैसे, Teflon) सब्सट्रेट से आसानी से demolding प्रक्रिया के दौरान यह अलग करने के लिए सी ढालना पर लेपित किया जाना चाहिए. (8) कम ढालना डालने के समय के "काटने" में परिणाम नहीं और ढालना प्रोफ़ाइल गोल किया जा सकता है हो सकता है. यदि सुविधा आकार छोटा है, अब डालने के समय की जरूरत है और इसके विपरीत. (9) मोटा आयोजन बहुलक / धातु फिल्मों और यंत्रवत् हैं पतले लोगों की तुलना में मजबूत है. हालांकि, कॉमऊपर परत bined मोटाई में मध्यवर्ती PMMA परत की मोटाई से अधिक नहीं होना चाहिए. (10) नीचे Demolding तापमान 105 चाहिए डिग्री सेल्सियस (PMMA टी जी). एक उच्च मूल्य के बाद घुमावदार demolding और एक कम मूल्य किया जा रहा है सब्सट्रेट में परिणाम हो सकता है सी ढालना सब्सट्रेट करने के लिए छड़ी करने के लिए और अलग तोड़ने के कारण हो सकता है.

उप माइक्रोन PPy और Au तारों की पीढ़ी के बारे में महत्वपूर्ण अंक: (1) पहली बार के लिए सी का उपयोग कर molds से पहले, मिट्टी की कोई AFM और SEM स्कैन प्रदर्शन किया जाना चाहिए. यह सिलिकॉन मोल्ड के प्राचीन सतह को बनाए रखने के लिए आवश्यक है. (2) इस तरह के NanoStrip समाधान या ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग कर के रूप में आक्रामक सफाई प्रक्रियाओं से बचा जाना चाहिए के रूप में सिलिकॉन मोल्ड की सतह खुरदरापन में वृद्धि की संभावना है. यह सिलिकॉन मोल्ड और आयोजन बहुलक परत के बीच stiction उत्पन्न हो सकता है. (3) शीर्ष परत की मोटाई (बहुलक या धातु का आयोजन) ढालना की गहराई से कम होना चाहिएकिनारों पर परत के काटने बंद के लिए. इन्सुलेट बहुलक परत की मोटाई पर ऐसी कोई सीमा है. (4) सिलिकॉन मोल्ड की सतह खुरदरापन कम से कम होना चाहिए. सिलिकॉन मोल्ड के मामले में किसी न किसी सतह प्रसंस्करण या संदूषण के कारण है, मोल्ड और सब्सट्रेट के बीच सही संपर्क नहीं हो, अनुचित पैटर्न हस्तांतरण में जिसके परिणामस्वरूप हो सकता है.

एचडीपीई चैनलों पर Au micropatterns की पीढ़ी के बारे में महत्वपूर्ण अंक: (1) उच्च embossing तापमान (≥ 136 डिग्री सेल्सियस), Au लाइनों वक्र एचडीपीई नरम है सतह का पालन नहीं करते. (2) उच्च ढालना गहराई (≥ 42 माइक्रोन), Au लाइनों एचडीपीई 12 तनाव को कारण चैनलों के किनारों को तोड़ सकता है.

PDMS micropillars साथ एचडीपीई चैनलों की पीढ़ी के बारे में महत्वपूर्ण अंक: (1) यदि PDMS micropillars की ऊंचाई बड़ी है, यह नीचे SU-8 ढालना से रिहाई के बाद गिर सकता है. (2) PDMS स्तंभों के उच्च पहलू अनुपात"ड्राइंग" 15 कदम के दौरान क्षतिग्रस्त है.

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Disclosures: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgements: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

इस काम में भाग NSF के NSFDMI - 0508454 / LEQSF (2006) Pfund-53-NSF CMMI 0,811,888 और 0,900,595 अनुदान-NSF CMMI के माध्यम से समर्थित किया गया था.

Materials: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

Name Company Catalog Number Comments
PMMA Sigma-Aldrich 495C9 The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions.
PPy Sigma-Aldrich -- 5% by weight in water. Used as received.
PEDOT-PSS H. C. Starck Co. Baytron P HC V4 Proprietary solvent. Used as received.
SPANI Sigma-Aldrich -- Water soluble form. Used as received.
Hot embossing machine JenoptikMikrotechnik Co. HEX 01/LT
Sputter machine Cressington Co. 208HR
FIB machine Carl Zeiss, Inc. FIB Crossbeam 1540 XB
Spin coater Headway Research Inc. PWM32-PS-R790 Spinner System
RIE machine Technics MicroRIE Co. --
Photoresist Shipley Co. S1813
PDMS Dow Corning Sylgard 184 Silicone elastomer kit
HDPE sheet US Plastic Corp. --
PMMA sheet Cyro Co. --
Double-sided adhesive tape Scotch Co. --
Single-sided tape Delphon Co. Ultratape # 1310
Glass micropipettes FHC, Inc. 30-30-1
Clip Office Depot Bulldog clip
Humidifier Vicks Co. Filter free humidifier

References: बहुलक substrates पर माइक्रो और submicron पैटर्न उत्पन्न करने के लिए लिथोग्राफी Micropunching

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  3. Adhikari, B. & Majumdar, S. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699 (2004).
  4. Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., & Luo, C. An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers. Microsystem Technologies. 13 (8), 1175 (2007).
  5. Madou, M. Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, (1995).
  6. Bustillo, J.M., Howe, R.T., & Muller, R.S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552 (1998).
  7. Liu, X. & Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677 (2007).
  8. Chakraborty, A. & Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737 (2009).
  9. Chakraborty, A., Liu, X., & Luo, C. Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications., Mason, E.C. & Weber, A.P., Eds., Nova Science Publishers, Inc., (2011).
  10. Poddar, R. & Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687 (2006).
  11. Liu, X., Chakraborty, A., & Luo, C. Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research., Martingale, J.P., Ed., Nova Science Publishers, Inc., 127-139 (2008).
  12. Liu, X. & Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96 (2009).
  13. Liu, X., Chakraborty, A., & Luo, C. Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025 (2010).
  14. Chakraborty, A., Liu, X., & Luo, C. Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer. Sensors and Actuators A., Accepted, (2011).
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