通过刻蚀包含反向和双重反向凹腔或柱状结构的气体截留微结构使SiO₂/Si表面具有超疏性

我们的气体截留微结构表面（GEMS）能够截留空气，适用于各种乳液和液体，而无需考虑其表面化学性质。因此，我们认为该方法在原本需要全氟化涂层的应用中具有巨大的潜力。与3D打印和其他传统制造技术不同，光刻和干法刻蚀技术使我们能够制造出复杂的微米级悬垂、内凹及双重内凹拓扑结构。

首次使用者应使用练习晶圆，并在尝试实验前定期检查每种设计的刻蚀速率，因为刻蚀速率可能随样品尺寸而变化。制备回缩型及双重回缩型微柱和微腔是一个多步骤过程，涉及复杂的图案设计。对微加工过程进行可视化演示将有助于理解该实验方案。

通过在合适的版图软件中创建一个新文件，开始微加工过程。绘制一个包含直径为200微米圆的单元结构。将该圆以圆心间距212微米进行复制粘贴，形成一个面积为一平方厘米的方形区域内的圆形阵列。

接下来，绘制一个直径为100毫米的圆，并将1平方厘米的方形阵列置于圆内。复制此排列方式，创建一个4 × 4的方形阵列网格。圆内的图形将被转移到4英寸晶圆上。

然后将设计文件导出为适用于大规模分选系统的所需格式。进行微加工前清洗晶圆时，将一片直径为四英寸、带有2.4微米厚热氧化层的硅晶圆放入Piranha溶液中处理十分钟，随后用去离子水冲洗。接着在氮气环境中旋转干燥晶圆。

干燥后，采用气相沉积法在晶圆表面涂覆六甲基二硅氮烷，并将晶圆固定在四英寸真空卡盘上，置于匀胶机中。在晶圆上覆盖光刻胶，使用匀胶机将光刻胶均匀地铺展在晶圆表面，形成厚度为1.6 µm的薄膜。随后将涂有光刻胶的晶圆置于110 °C的热板上烘烤2分钟。

将烘烤后的晶圆转移至直接曝光系统中。用紫外线照射晶圆55毫秒，然后将曝光后的晶圆放入含有光刻胶显影液的玻璃培养皿中，使其图形显影。60秒后，用去离子水轻轻冲洗晶圆以去除多余的显影液，并在氮气环境中旋转干燥晶圆。

光刻完成后，将晶圆转移至采用八氟环丁烷和氧气混合气体的电感耦合等离子体反应离子刻蚀系统中。运行该过程约13分钟，以刻蚀暴露的二氧化硅层。为确保目标图案内二氧化硅层的厚度减小至零，使用反射仪测量残留二氧化硅的厚度，并根据二氧化硅层的厚度调整后续刻蚀步骤的持续时间。

刻蚀二氧化硅层后，将晶圆转移至深感耦合等离子体反应离子刻蚀系统中，运行该过程五个循环，使硅的刻蚀深度达到约两微米。用 piranha 溶液清洗晶圆，然后如前所述进行冲洗并甩干。使用六氟化硫进行 25 秒的各向同性刻蚀，以在二氧化硅层下方形成底切结构，随后如前所述用 piranha 溶液清洗、冲洗并甩干。

形成 undercut 后，使用高温炉系统在晶圆上生长一层 500 纳米厚的热氧化层。接着，垂直向下沉积二氧化硅 3 分钟，以去除空腔底部的热氧化层，同时在侧壁保留一层二氧化硅，最终形成双重内凹边缘。刻蚀掉多余的热生长氧化层后，重复五次 Bosch 工艺循环，将空腔加深 2 微米，然后用 piranha 溶液清洗晶圆，冲洗后旋转干燥，操作如演示所示。

为了在腔体开口处的热生长氧化层后方形成一个空腔，需对硅进行各向同性刻蚀150秒，以获得双重倒角边缘。最后一次各向同性硅刻蚀的时间必须精确调整，以在热生长氧化层后方尽可能制造出更大的空间，同时避免腔体相互合并。在形成双重倒角腔体后，执行160个循环的博世工艺，将腔体深度增加至约50微米。

将晶圆放入新鲜的piranha溶液中清洗，然后冲洗并甩干，操作如所示。将晶圆转移至50摄氏度的真空烘箱中，处理48小时。随后可将晶圆存放于洁净的氮气流动柜中。

此处展示了如图所示的具有代表性的再入式和双重再入式微腔与微柱结构。具有双重再入式微柱阵列的二氧化硅-硅表面，对水和十六烷均表现出大于150度的表观接触角，且接触角滞后极小。奇怪的是，当具有相同微柱阵列的二氧化硅-硅表面浸入相同液体中时，液体却会立即侵入。

相比之下，双层回缩型凹腔在浸入两种液体时均能截留空气。此外，共聚焦显微镜显示，这些悬垂结构能够稳定侵入的液体，并在其内部截留空气。通过微加工技术制备的由双层回缩型壁结构包围的柱状阵列，可使柱体与润湿性液体隔离，从而形成具有截留气体功能的复合微结构表面。

采用类似的方法，可以设计出能够实现商用膜功能但无需使用有害全氟化合物的膜材料，从而为更环保的工业过程开辟道路。我们可以研究蘑菇状孔穴和柱状结构在液体下截留空气的能力，以及其击穿压力等方面的性能。本实验方案涉及使用洁净室设施，以及加热板、易燃和腐蚀性化学品。

因此，必须进行安全培训并配备个人防护装备。