الطباعة النانوية الكهروكيميائية بمساعدة المعادن لرقائق السيليكون المسامية والصلبة

يوفر بروتوكولنا طريقة نمط جديدة للسيليكون تمكن من إنشاء هياكل مجهرية هرمية ثلاثية الأبعاد تمكن من تصميم العناصر الدقيقة القائمة على السطح الفوقي وتقنيات الدليل الموجي. يسمح هذا البروتوكول بتكرار هياكل 3D من القوالب البوليمرية والصلبة إلى رقائق السيليكون أحادية البلورية والمسامية في خطوة واحدة. وفي الوقت نفسه ، توفير دقة أقل من 100 نانومتر في جميع الاتجاهات الثلاثة.

السيليكون المسامي والسيليكون نفسه هي مواد رائعة لتصنيع أجهزة الاستشعار الحيوية البصرية والأجهزة البصرية بالأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك ، نتوقع أن تتوسع هذه التقنية إلى أشباه الموصلات من المجموعة III-V وحتى إلى أبعد من ذلك. يعد الختم إلى طرف الركيزة ومحاذاة الإمالة أمرا مهما للغاية للحصول على بصمة Mac موحدة.

باتباع هذا البروتوكول ، يمكن إجراء المحاذاة عن طريق تركيب ختم على الحامل أثناء ملامسته للركيزة. لإعداد ختم لبصمة Mac ، قم أولا بتنظيف القالب الرئيسي للسيليكون باستخدام محلول RCA-1 وفقا للخطوات الموضحة في البروتوكول ثم ضع قالبا رئيسيا نظيفا من السيليكون في طبق بتري بلاستيكي داخل مجفف. استخدم ماصة بلاستيكية لإضافة بضع قطرات من PFOCS إلى قارب وزن بلاستيكي ووضع قارب الوزن بجوار الطبق مع القالب الرئيسي.

قم بتشغيل مضخة التفريغ ، وافتح صمام المجفف ، وضع الفراغ لمدة 30 دقيقة. أثناء تطبيق الفراغ ، استخدم ملعقة زجاجية لخلط القاعدة وعامل المعالجة من مجموعة مطاط صناعي من السيليكون بنسبة 10 إلى واحد لمدة 10 إلى 15 دقيقة. في نهاية التجفيف ، قم بإزالة قارب الوزن من المجفف والفواصل من أسفل القالب الرئيسي للسيليكون ، ثم قم بتغطية القالب الرئيسي بعناية بطبقة من 2 إلى 3 ملليمترات من PDMS المحضر حديثا.

لتفريغ PDMS بعد فتح صمام المجفف ، ضع الفراغ لمدة 20 دقيقة إضافية أو حتى تختفي الفقاعات. في نهاية فترة الجفاف الثانية ، انقل الطبق إلى صفيحة ساخنة 80 درجة مئوية. بعد ساعتين ، استخدم مشرطا لتقليم حواف PDMS المعالجة داخل طبق Petri البلاستيكي واستخدم ملاقط لإزالة قالب PDMS بعناية من قالب السيليكون الرئيسي.

للطباعة النانوية للأشعة فوق البنفسجية المقاومة للضوء ، استخدم كاتبا لشق شريحة سيليكون 2.5 × 2.5 سم من رقاقة السيليكون ، وتنظيفها باستخدام محلول RCA-1 وفقا للخطوات الموضحة في البروتوكول ثم ضع الشريحة النظيفة على ظرف الفراغ في معطف الدوران. اضبط معلمات طلاء الدوران كما هو موضح لتطبيق طبقة مقاومة للضوء بسمك 20 ميكرومتر على الشريحة واضغط على VAC ON لتطبيق الفراغ على النظام. صب 1.5 ملليلتر من SU-8 2015 مقاومة للضوء على وسط الشريحة وأغلق غطاء معطف الدوران.

ثم اضغط على Start (ابدأ) لبدء الدوران. في نهاية الدوران ، اضغط على VAC OFF لإيقاف تشغيل الفراغ واستخدم الملقط لإزالة الشريحة المطلية بمقاومة الضوء. ضع قالب PDMS بعناية على نمط رقاقة السيليكون المطلي بمقاومة الضوء لأسفل واضغط يدويا على القالب في الشريحة.

ضع صفيحة زجاجية شفافة للأشعة فوق البنفسجية فوق PDMS لتطبيق 15 جراما لكل سنتيمتر مربع من الضغط على القالب والرقاقة وتعريض الإعداد لستة واط من ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة ساعتين. في نهاية فترة التشعيع ، استخدم ملاقط لإزالة القالب ببطء من الشريحة في الاتجاه الموازي لاتجاه نمط مقاومة الضوء المعالج. لإيداع طبقة من سبائك الذهب / الفضة بسمك 250 نانومتر على الشريحة ، قم أولا بإيداع طبقة بسماكة 20 نانومتر من الكروم وطبقة سميكة من الذهب بسماكة 50 نانومتر كما هو موضح في بروتوكول النص.

بعد ذلك ، انقر فوق GUN 1 OPEN لفتح مصراع البندقية الذهبية والفضية. اضبط وقت المعالجة على 16.5 دقيقة واضبط نقطة تعيين التيار المستمر على 58 ونقطة تعيين التردد اللاسلكي على 150. انقر فوق تدوير واضبط معدل تدفق الأرجون على 50 سنتيمترا مكعبا قياسيا في الدقيقة.

انقر فوق Argon و DC Supply و RF Supply. عندما تهضب الإشارة ، اضبط عنصر تحكم الأرجون على خمسة. انقر فوق ابدأ بسماكة صفرية لبدء تشغيل جهاز مراقبة سمك الكريستال وتمزيق السماكة على التوالي.

انقر فوق عملية موقوتة لبدء العملية التي يتم التحكم فيها بالوقت وانقر فوق PLATEN SHUTTER Solid لفتح مصراع السطح الزجاجي. انقر فوق سمك الصفر مرة أخرى. عندما ينتهي التناثر، انقر فوق صلب لإغلاق الغالق الصلب للسطح الزجاجي واضغط على مفتاح التنفيس لتنفيس غرفة الرذاذ المغنطرونية.

لإزالة سبائك ختم Mac-print المطلي بسبيكة الفضة / الذهب ، امزج أولا الماء منزوع الأيونات وحمض النيتريك بنسبة واحد إلى واحد في كوب زجاجي وضع الكأس على صفيحة ساخنة مع التحريك. اغمر حامل عينة PTFE المثقب في الخليط وقم بتسخين المحلول حتى 65 درجة مئوية مع التحريك المستمر عند 100 دورة في الدقيقة. عندما يصل المحلول إلى درجة الحرارة المستهدفة، ضع ختم Mac المطبوع بسبائك الذهب/ الفضة المزخرف في الحامل لمدة تتراوح بين دقيقتين إلى 20 دقيقة.

بعد إزالة السبائك ، قم بإخماد ختم Mac-imprint في الماء منزوع الأيونات بدرجة حرارة الغرفة لمدة دقيقة واحدة. لأداء محاذاة الختم إلى الركيزة ، ضع الختم متجها لأسفل أعلى شريحة السيليكون في الخلية الكهروكيميائية ، وأضف قطرة من SU-8 على الجزء الخلفي من الختم. أحضر قضيب PTFE على اتصال مع SU-8 وقم بعلاجه في مكانه في الظروف الجافة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة ساعتين.

الاتصال حوالي 86 ملم من موقف المنزل. لإجراء عملية طباعة Mac ، قم بتنظيف شريحة السيليكون المنقوشة باستخدام محلول RCA وفقا للخطوات الموضحة في البروتوكول ثم ضعها في وسط خلية كهروكيميائية وضع الخلية تحت قضيب PTFE مع ختم Mac-print. امزج محلول الحفر لحمض الهيدروفلوريك وبيروكسيد الهيدروجين بنسبة 17 إلى واحد داخل دورق PTFE.

بعد خمس دقائق ، استخدم ماصة بلاستيكية لإضافة محلول الحفر إلى الخلية الكهروكيميائية. لوضع طابع Mac-imprint على اتصال بشريحة النمط، قم بإسقاط الختم بمقدار 86 ملم تقريبا ثم حرك الختم لأسفل من موضع التلامس بحوالي 300 إلى 1000 ميكرومتر لتحقيق قوة التلامس المطلوبة. حافظ على ختم بصمة Mac على اتصال مع الشريحة من دقيقة إلى 30 دقيقة قبل النقر فوق الصفحة الرئيسية لإعادة القضيب إلى موضع المنزل.

استخدم ماصة لشفط محلول الحفر بعناية من الخلية وشطف شريحة السيليكون المطبوعة بكحول الأيزوبروبيل والماء منزوع الأيونات. ثم جفف الشريحة بهواء جاف نظيف. يمكن الحصول على صور المجهر الإلكتروني الماسح لدراسة الخصائص المورفولوجية لطوابع Mac المطبوعة بالذهب وأسطح السيليكون المطبوعة الناتجة.

في هذا التحليل التمثيلي ، تمت مقارنة المظهر الجانبي المقطعي للسيليكون الصلب المطبوع الذي تم الحصول عليه عن طريق مسح القوة الذرية بختم الذهب المسامي المستخدم. كانت دقة نقل الأنماط وتوليد السيليكون المسامي خلال بصمة Mac معيارين رئيسيين لتحليل النجاح التجريبي. اعتبرت بصمة Mac-imprint ناجحة إذا تم نقل نمط الطوابع بدقة إلى السيليكون ولم يتم إنشاء أي سيليكون مسامي أثناء بصمة Mac.

هنا ، يمكن ملاحظة نتائج تجربة دون المستوى الأمثل حيث حدث نقص في دقة نقل النمط وتوليد السيليكون المسامي أثناء بصمة Mac. من المهم أن نتذكر أن بصمة ماك من السيليكون تنطوي على حمض الهيدروفلوريك ، وهي مادة تهدد الحياة واتباع بروتوكول السلامة وارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة أمر بالغ الأهمية. بمجرد استخدام الطوابع المطلية بالذهب المسامي لتسهيل النقل الجماعي.

بعد هذا الإجراء ، يمكن تغيير تكوين محلول الحفر أو قوة التلامس لدراسة حركية العملية أو متانة الختم.