Herstellung von flexiblen Bildsensor basierend auf seitliche NIPIN Fototransistoren
23. Juni 2018
Wir präsentieren Ihnen eine detaillierte Methode, um eine verformbare seitliche NIPIN Fototransistor-Array für gebogene Bildsensoren zu fabrizieren. Der Fototransistor-Array mit einer offene Mesh-Form, die von dünnen Silizium-Inseln und dehnbare Metall Verbindungsleitungen zusammengesetzt ist, bietet Flexibilität und Dehnbarkeit. Der Parameter-Analyzer charakterisiert die elektrischen Eigenschaften von den vorgefertigten Fototransistor.
Unser Ansatz kann dazu beitragen, den Fortschritt auf dem Gebiet der Herstellung von Biegehalbleiterbauelementen voranzutreiben. Der Hauptvorteil unseres Herstellungsverfahrens besteht darin, dass es den elektrischen Strom durch die Stromstabilisierung der verformten Geräte verbessert. Bereiten Sie eine DUB-Silizium-auf-Isolator-Probe vor.
Dieses Muster ist bereit für die Siliziumisolierung in den nachfolgenden Schritten. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus. Grau steht für Silizium, Grün für Siliziumdioxid.
Rot und Blau sind N-plus- bzw. P-plus-dotierte Bereiche. Schleudern Sie eine positive Fotolackschicht auf die Probe bei 4.000 U/min für 40 Sekunden. Geben Sie die Probe anschließend auf eine heiße Platte, um sie 90 Sekunden lang bei 90 Grad Celsius weich zu backen.
Nach dem Softbake wird die Probe in eine UV-Fotolithographie-Anlage gebracht. Tragen Sie dort 10 Sekunden lang eine Maske auf die Probe auf. Entnehmen Sie die Probe, um sie zu entwickeln.
Tauchen Sie dazu eine Minute lang in den Entwickler ein. Anschließend reinigen Sie die Probe in entionisiertem Wasser und trocknen sie mit der Stickstoff-Blaspistole. Anschließend die Probe bei 110 Grad Celsius fünf Minuten lang hart backen.
Dieses Diagramm stellt die Layer des Beispiels an dieser Stelle dar. Fahren Sie fort, um die Probe sechs Minuten lang mit einem induktiv gekoppelten, plasmareaktiven Ionenätzer trocken zu kanten. Wenn dies erledigt ist, hat die Probe diese Struktur.
Der nächste Schritt besteht darin, die vergrabene Oxidschicht zu entfernen. Bereiten Sie dazu eine 49%ige Lösung von Flusssäure vor. Tauchen Sie die Proben zwei Minuten lang hinein, um die vergrabene Oxidschicht zu entfernen.
Nach dem Säurebad, gefolgt von der Reinigung und Trocknung, ist die Silikonisolierung abgeschlossen. Der nächste Schritt ist die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung. Scheiden Sie innerhalb von zwei Minuten eine 130 Nanometer große Siliziumdioxid-Opferschicht auf die Probe auf.
Positiver Fotolack wird auf der Probe geschleudert, gefolgt von einem sanften Backen. Verwenden Sie eine Fotolithographie-Maske und setzen Sie die Probe 10 Sekunden lang UV-Licht aus. Dies ist eine Darstellung der Probe, nachdem sie entwickelt und fünf Minuten lang bei 110 Grad Celsius hart gebacken wurde.
Bereiten Sie einen Behälter mit gepuffertem Oxidätzen vor und tauchen Sie die Probe 30 Sekunden lang darin. Nach dem Reinigen und Trocknen ist das Ergebnis die teilweise Entfernung der CVD-Oxidschicht. Polyimid durch Schleuderbeschichtung auf der Probe abscheiden.
Übertragen Sie es auf eine Herdplatte, um es drei Minuten lang bei 110 Grad Celsius und dann 10 Minuten lang bei 150 Grad Celsius zu glühen. Bringen Sie die Probe dann in einen Ofen mit Stickstoffatmosphäre und glühen Sie sie 60 Minuten lang bei 230 Grad Celsius. Die Polyimidschicht bedeckt die Probe und bietet eine Oberfläche für eine Siliziumdioxid-Opferschicht.
Fahren Sie fort, indem Sie eine 130 Nanometer große Siliziumdioxidschicht mit plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung für zwei Minuten abscheiden. Verwenden Sie positiven Fotolack, um eine Maske mit 10 Sekunden UV-Licht aufzutragen und dann zu entwickeln. Backen Sie weich und hart.
Formen Sie eine harte Maske, indem Sie die Probe 30 Sekunden lang in gepuffertes Oxidätzen eintauchen, anschließend reinigen und trocknen. Anschließend trocknen Sie das Polyimid 20 Minuten lang mit Reaktionsionenätzen. Entfernen Sie die Oxidschicht mit gepuffertem Oxidätzen, reinigen und trocknen Sie die Probe.
Bringen Sie die Probe nun zu einem Sputterer, um Chrom und Gold abzuscheiden. Danach wird positiver Fotolack mit einem Spin-Coat-Deckmantel versehen, bevor eine Fotolithografie-Maske aufgetragen wird. Diese Probe wurde eine Minute lang entwickelt und fünf Minuten lang bei 110 Grad Celsius hart gebacken.
Ätzen Sie die Chrom- und Goldschichten 20 Sekunden lang mit einem nassen Ätzmittel, um die Probe in diesen Zustand zu bringen. Seien Sie nach dem Nassätzen von Chrom und Gold vorsichtig beim Entfernen des Fotolacks, da sich sonst das Gold ablösen kann. Die zweite Polyimidschichtabscheidung und der zweite Metallisierungsschritt laufen genau wie der erste ab.
Die zweite Schicht Polyimid wird geschleudert und geglüht, um Schichten wie in diesem Diagramm zu erzeugen. Eine Siliziumoxidschicht als harte Maskenschicht für das Trockenätzen abscheiden und modellieren. Als nächstes wird eine Sputterschicht von 20 Nanometern Chrom und 200 Nanometern Gold aufgetragen, bevor Sie sie strukturieren.
Beginnen Sie damit, eine weitere spinnbeschichtete Schicht aus Polyimid hinzuzufügen und zu glühen. Verwenden Sie die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, um eine 650 Nanometer große Siliziumdioxidschicht über einen Zeitraum von acht Minuten abzuscheiden. Nachdem Sie die Probe mit positivem Fotolack geschleudert haben, tragen Sie eine Maske mit UV-Photolithographie auf.
Entwickeln Sie die Probe, backen Sie sie fest und strukturieren Sie das Siliziumdioxid, indem Sie es in gepuffertes Oxidätzen eintauchen. Verwenden Sie reaktives Ionenätzen, um das Polyimid 75 Minuten lang trocken zu ätzen, und ätzen Sie das Silizium dann sechs Minuten lang mit induktiv gekoppeltem, plasmareaktivem Ionenätzen. Jetzt ist es an der Zeit, die Oxidopferschicht zu ätzen.
Tauchen Sie die Probe 20 Minuten lang in 49%ige Flusssäure. Entnehmen, spülen und trocknen Sie die Probe, bevor Sie fortfahren. Wenn Sie die Opferschicht mit Flusssäure ätzen, ist es wichtig, den Ätzfortschritt zu überwachen.
Stellen Sie sicher, dass sich das Gerät bei Ihrem Kurs ablösen kann. Halten Sie nun die Probe mit Kohleband, das auf das Substrat aufgebracht ist. Befestigen Sie dann wasserlösliches Klebeband an der gemusterten Seite.
Entfernen Sie anschließend das wasserlösliche Klebeband im Handumdrehen. Dadurch wird verhindert, dass das Gerät auf dem Substrat verbleibt. Erhalten Sie entgastes PDMS in einer 10-zu-1-Mischung aus Prepolymer und Härter.
Besorgen Sie sich außerdem eine PET-Folie, die ausreicht, um die Probe abzudecken. Schleudern Sie die Folie mit dem PDMS bei 1.000 U/min für 30 Sekunden. Anschließend die Folie auf einer Herdplatte bei 110 Grad Celsius 10 Minuten backen.
Wenn dies erledigt ist, geben Sie die Probe auf das wasserlösliche Klebeband und setzen Sie es 30 Sekunden lang UV-Licht aus. Arbeiten Sie nun sowohl mit dem Muster als auch mit dem Film. Befestigen Sie das wasserlösliche Klebeband mit der Probe auf der PDMS-beschichteten PET-Folie.
Tropfen Sie mit einer Pipette vorsichtig Wasser auf das wasserlösliche Klebeband, um es von der Folie zu entfernen. Verwenden Sie einen langsamen Wasserfluss, um das wasserlösliche Klebeband wegzufegen. Halten Sie die Probe abschließend mit einer Pinzette fest und trocknen Sie sie mit einer Stickstoff-Blaspistole.
Dies ist das Fototransistor-Array, bevor es auf eine PET-Folie übertragen wird. Es besteht aus sich wiederholenden Fototransistorzellen, die in diesem Bild dargestellt sind. Die mit Polyimid verkapselten Serpentinelektroden ermöglichen eine Dehnung des Geräts.
Hier ist das Gerät nach der Übertragung auf eine PDMS-beschichtete PET-Folie. Um die IV-Merkmale unter verschiedenen Bedingungen zu messen, verwenden Sie einen ähnlichen Aufbau. Beachten Sie die Definition des Krümmungsradius.
Hierbei handelt es sich um Messungen der IV-Eigenschaften des Fototransistorarrays mit unterschiedlichen Krümmungsradien. Die elektrischen Eigenschaften des Arrays sind unabhängig vom Krümmungsradius. Dieses Diagramm zeigt das Verhältnis des Photostroms zum Dunkelstrom als Funktion der Spannung für verschiedene Krümmungsradien.
Der Dynamikbereich liegt oberhalb einer Vorspannung von zwei Volt bei etwa 600 oder mehr. Der Einschub zeigt Diagramme des Dunkelstroms bei den getesteten Krümmungsextremen. Sein niedriger Wert bewirkt den hohen Dynamikbereich.
Einmal gemeistert, kann diese Technik in 48 Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, Handlungen zu vermeiden, die die Elektroden von ihrem Substrat ablösen können. Nach diesem Verfahren können andere Verfahren, wie z.B. das Polymerätzen mit anderen Gasen, je nach Bedarf durchgeführt werden, wenn sie unter anderen Bedingungen als beim Trockenätzen eingesetzt werden können.
Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der flexiblen Geräte, um bioinspirierte Bildversuche zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein flexibles Halbleiterbauelement herstellt. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit den notwendigen Reagenzien äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, wie z. B. die Verwendung von Masken, Hauben und Kopfbedeckungen auf Ihrer Station.
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Übersicht
Diese Studie stellt eine Methode zur Herstellung eines verformbaren lateralen NIPIN-Phototransistor-Arrays für gekrümmte Bildsensoren vor. Das Array weist eine offene Maschenstruktur auf, die aus dünnen Siliziuminseln und dehnbaren metallischen Verbindungsleitungen besteht und dadurch die Flexibilität und Dehnbarkeit verbessert.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Halbleiterbauelemente-Fertigung
- Flexible Elektronik
- Phototransistortechnologie
Hintergrund
- Fortschritte bei flexiblen Halbleiterbauelementen sind entscheidend für die moderne Elektronik.
- Verformbare Bauelemente können die Leistung unter mechanischer Belastung verbessern.
- Die Integration dehnbarer Materialien kann die Anwendungsmöglichkeiten von Bauelementen erweitern.
- Das Verständnis der elektrischen Eigenschaften unter Verformung ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von Bauelementen.
Zweck der Studie
- Verbesserung der elektrischen Stromstabilität in Phototransistoren während der Verformung.
- Entwicklung einer Herstellungsmethode für flexible Phototransistor-Arrays.
- Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der hergestellten Bauelemente.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer DUB-Silizium-auf-Isolator-Probe.
- Isolierung des Siliziums in nachfolgenden Schritten.
- Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften mithilfe eines Parameteranalysators.
- Entwurf einer schematischen Darstellung der Schichtstruktur.
Hauptergebnisse
- Das hergestellte Phototransistor-Array weist eine verbesserte Flexibilität auf.
- Die elektrischen Eigenschaften zeigen eine verbesserte Stromstabilität unter Verformung.
- Die offene Maschenstruktur ermöglicht eine effektive Integration in gekrümmte Sensoren.
- Charakterisierungsergebnisse bestätigen die Leistungsfähigkeit der Bauelemente.
Schlussfolgerungen
- Die Studie stellt erfolgreich eine Methode zur Herstellung verformbarer Phototransistor-Arrays vor.
- Es wird eine verbesserte elektrische Stromstabilität unter Verformung erreicht.
- Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologie flexibler Elektronik.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die Herstellung flexibler Phototransistor-Arrays mit stabiler elektrischer Leistung unter mechanischer Verformung und löst damit eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung bioinspirierter Bildgebungssysteme und tragbarer Sensoren. Durch die Verbesserung der Stromstabilität und des dynamischen Bereichs unter Krümmung unterstützt der Ansatz eine zuverlässige Signalumwandlung in nicht-planaren Geometrien. Er verbessert das translationsrelevante Potenzial halbleiterbasierter Photodetektoren für Diagnose- und Überwachungsplattformen der nächsten Generation, die eine konforme Integration mit biologischen Oberflächen erfordern.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die optische Detektion biomolekularer Wechselwirkungen in verformbaren Formaten und unterstützt die Target-Validierung unter physiologisch relevanten mechanischen Bedingungen.
- Operativer Wert: Bietet eine Plattform zur Untersuchung von Liganden oder Analyten, bei der die Anpassung des Geräts an gekrümmte biologische Grenzflächen erforderlich ist.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Entwicklung tragbarer oder implantierbarer Biosensoren mit stabiler Photodetektion unter Belastung, was eine kontinuierliche Überwachung von Biomarkern ermöglicht.
- Operativer Wert: Bietet einen reproduzierbaren Herstellungsansatz für flexible Sensorenanordnungen, die mit der Hochdurchsatz-Screening-Untersuchung bioaktiver Verbindungen kompatibel sind.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die präklinische Bewertung von Geräten, die ihre Funktion während einer gewebelike Verformung beibehalten müssen, und verbessert so die Vorhersagegenauigkeit bei bioelektronischen Schnittstellen.
- Operativer Wert: Ermöglicht iterative Entwicklungs- und Testzyklen für implantierbare Sensoren, bei denen die mechanische Anpassungsfähigkeit mit der langfristigen Gewebeintegration korreliert.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den Entdeckungsprozess ein, indem sie einen übertragbaren Auslesemechanismus für Biosensing-Anwendungen bereitstellt, insbesondere dort, wo mechanische Flexibilität eine Voraussetzung für die Zielbindung oder die phänotypische Reaktion ist.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung in der Mechanobiologie, indem optische Nachweise zellulärer Reaktionen unter kontrollierter Deformation ermöglicht werden.
- Screening: Bietet flexiblen, einsatzbereiten Photodetektor-Arrays mit quantifizierbaren Verhältnissen von Photostrom zu Dunkelstrom, die für die Z'-Faktor-Bewertung in Screening-Kampagnen unerlässlich sind.
- Analytik: Erzeugt stabile Strom-Spannungs-Kennlinien und Metriken zur dynamischen Reichweite (>600 bei über 2 V Bias), die einen quantitativen Vergleich der photoelektrischen Antwort unter verschiedenen Bedingungen ermöglichen.
- Translationale Forschung: Verbindet Entdeckungs- und präklinische Phase, indem die Geräteleistung unter physiologisch relevanter Krümmung validiert wird, wodurch das Risiko bei der Weiterentwicklung tragbarer Monitoringsysteme verringert wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine skalierbare Plattform für flexible Optoelektronik, die für verschiedene Programme zum Nachweis von Biomarkern angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Vorhersagesicherheit beim Biosensordesign, indem die elektrische Leistung von mechanischer Dehnung entkoppelt wird.
- Operationaler Wert: Gewährleistet Reproduzierbarkeit bei der Herstellung flexibler Bauelemente durch definierte Schritte wie HF-Ätzen, PECVD und Metallisierung.
- Strategischer Wert: Verringert das Risiko spätzeitiger Ausfälle bei tragbaren Gesundheitsmonitoren, indem die Signalgenauigkeit unter mechanischer Belastung sichergestellt wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung konformer Sensortechnologien für Point-of-Care- und kontinuierliche Überwachungsanwendungen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Halbleiter-Mikrofertigung, Fotolithographie und Dünnschichtabscheidung.
- Hängt von der Verfügbarkeit von reaktivionen Ätzanlagen mit induktiv gekoppeltem Plasma, Sputteranlagen und Infrastruktur für die Handhabung von Flusssäure ab.
- Erfordert eine Standardisierung zwischen Teams für konsistente Polyimid-Ummantelungs- und Transfervorgänge.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Integration mit verschiedenen Substratmaterialien außerhalb von PET/PDMS.
- Beinhaltet praktische Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Flusssäure, die strenge Sicherheitsprotokolle und spezielle Ausrüstung erfordern.
Biopharma-Häufig gestellte Fragen
Chapters in this video
0:05
Title
0:26
Si Doping and Isolation
2:12
Sacrificial Oxide Layer Deposition
2:59
Deposition of the First Layer of Polyimide and Performing the First Metallization
4:43
Deposition of the Second Layer of Polyimide and Performing the Second Metallization
5:12
Encapsulating the Sample with Polyimide and Opening via Holes and Mesh Structure
5:56
Etching the Sacrificial Layer and Transferring the Sample to a Flexible Substrate
7:39
Results: Current-Voltage Characteristics for the Phototransistor Array in the Curved State
8:45
Conclusion
