Rendern von SiO₂/Si Oberflächen Omniphobic durch Schnitzen von Gas-Entrapping Mikrotexturen bestehend reentrant und doppelt reentrant Hohlräume oder Säulen

Unsere gaseinschlüssenden mikrotexturierten Oberflächen, oder GEMS, können sie dann Luft auf Emulsion und Flüssigkeiten einfangen, unabhängig von ihrer Oberflächenchemie. Deshalb denken wir, dass dieser Ansatz ein enormes Potenzial für Anwendungen hat, die sonst perfluorierte Beschichtungen erfordern. Im Gegensatz zu 3D-Druck und anderen herkömmlichen Fertigungstechniken können wir mit Photolithographie und Trockenätzung komplexe, mikroskalige, überhängende Wiedereintritts- und doppelt wiedereinfführende Topographien herstellen.

Erstanwender sollten Übungswafer verwenden und die Ätzraten für jeden Konstruktionstyp regelmäßig überprüfen, bevor sie ein Experiment versuchen, da sich die Rate mit der Stichprobengröße ändern kann. Die Herstellung von Wiedereintritts- und doppelt wiederkehrenden Säulen und Hohlräumen ist ein Multi-Stop-Prozess, der komplizierte Designmuster beinhaltet. Visuelle Demonstration der Mikrofertigung Zeug wird beim Verständnis des Protokolls helfen.

Starten Sie den Microfabrication-Prozess, indem Sie eine neue Datei in einem entsprechenden Layout-Softwareprogramm erstellen. Zeichnen Sie eine Einheitszelle, die aus 200 Mikrometer Diagrammkreis besteht. Kopieren Sie diesen Kreis mit einem Mittleren-zu-Mitte-Abstand von 212 Mikrometern, um ein Array von Kreisen in einem quadratischen Patch mit einer Quadratfläche von einem Zentimeter zu erstellen.

Zeichnen Sie anschließend einen Kreis mit einem Durchmesser von 100 Millimetern, und platzieren Sie das quadratische Quadratarray von einem Zentimeter innerhalb des Kreises. Replizieren Sie diese Anordnung, um ein 4 x 4 Raster von quadratischen Arrays zu erstellen. Die Features innerhalb des Kreises werden auf die Vier-Zoll-Wafer übertragen.

Exportieren Sie dann die Entwurfsdatei in das gewünschte Format für das Massenverschneidungssystem. Um Wafer für die Mikrofertigung zu reinigen, legen Sie einen Siliziumwafer mit einem Durchmesser von vier Zoll mit einer 2,4 Mikrometer dicken thermischen Oxidschicht zehn Minuten lang in Piranha-Lösung, bevor Sie mit entionisiertem Wasser abspülen. Dann drehen Sie den Wafer trocken unter einer Stickstoffumgebung.

Nach dem Trocknen verwenden Sie die Dampfphasenabscheidung, um den Wafer mit Hexamethyldisilazan zu beschichten und den Wafer an einem Vier-Zoll-Vakuum-Check in einem Spin-Coder zu montieren. Bedecken Sie den Wafer mit Photoresist und verwenden Sie den Spin-Coder, um den Photoresist gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers als 1,6 Mikrometer dicke Schicht zu verteilen. Backen Sie den Photoresist auf einer 110 Grad Celsius heißen Platte für zwei Minuten beschichtet.

Übertragen Sie den gebackenen Wafer in ein direktes Bewertungssystem. Setzen Sie den Wafer 55 Millisekunden lang ultravioletter Strahlung aus und übertragen Sie den UV-exponierten Wafer in eine Glas-Petrischale mit Photoresist-Entwickler, damit sich die Funktionen entwickeln können. Nach 60 Sekunden den Wafer vorsichtig mit entionisiertem Wasser abspülen, um überschüssige Entwickler zu entfernen, und drehen Sie den Wafer in einer Stickstoffumgebung.

Nach der Photolithographie übertragen Sie den Wafer auf ein induktiv gekoppeltes Plasma-reaktives Ionenätzsystem, das eine Mischung aus Octafluorcyclobutan und Sauerstoffgasen verwendet. Führen Sie den Prozess für ca. 13 Minuten aus, um die freiliegende Kieselsäureschicht zu ätzen. Um sicherzustellen, dass die Kieselschichtdicke innerhalb der gewünschten Muster auf Null reduziert wird, verwenden Sie ein Reflektometer, um die Dicke der verbleibenden Kieselsäure zu messen und die Dauer der nachfolgenden Ätzdauer basierend auf der Dicke der Kieselsäureschichten anzupassen.

Nach dem Ätzen der Kieselsäureschicht den Wafer in ein tief induktiv gekoppeltes Plasma-reaktives Ionenätzsystem übertragen und diesen Prozess fünf Zyklen lang ausführen, was zu einer Ätztiefe für Silizium führt, die etwa zwei Mikrometern entspricht. Reinigen Sie den Wafer mit Piranha-Lösung, spülen Sie ihn dann aus und spinnen Sie trocken, wie zuvor gezeigt. Führen Sie isotrope Ätzen durch, um einen Undercut unter der Kieselsäureschicht mit Schwefelhexafluorid für 25 Sekunden zu erzeugen, gefolgt von der Reinigung mit Piranha-Lösungsspülung und Spin dry, wie gezeigt.

Verwenden Sie nach dem Erstellen des Undercuts ein Hochtemperatur-Ofensystem, um eine 500-Nanometer-Schicht aus thermischem Oxid auf dem Wafer anzubauen. Als nächstes stellkieren Sie Kieselsäure für drei Minuten vertikal nach unten, um die thermische Oxidschicht aus dem Hohlraumboden zu entfernen, während eine Kieselsäureschicht entlang der Seitenwände zurückbleibt, die schließlich die doppelt wiedereintretende Kante bilden wird. Nach dem Ätzen des überschüssigen thermisch angebauten Oxids fünf Zyklen des Bosch-Prozesses wiederholen, um die Hohlräume um zwei Mikrometer zu vertiefen, dann den Wafer mit Piranha-Lösung zu reinigen, auszuspülen und trocken zu drehen, wie gezeigt.

Um einen leeren Raum hinter dem thermisch gewachsenen Oxid an der Mündung des Hohlraums zu schaffen, ätzen Sie das Silizium 150 Sekunden lang isotrop, um die doppelt reentrantkante Kante zu erhalten. Die Zeit, die im letzten isotropen Silizium-Etch verbracht wird, muss so eingestellt werden, dass so viel Platz wie möglich hinter dem thermisch angebauten Oxid entsteht, ohne die Hohlräume zu verschmelzen. Nach der Erstellung der doppelt wiedereintretenden Hohlräume führen Sie den Bosch-Prozess für 160 Zyklen durch, um die Tiefe der Hohlräume auf ca. 50 Mikrometer zu erhöhen.

Reinigen Sie den Wafer in frischer Piranha-Lösung, spülen und spinnen Sie trocken, wie gezeigt. Den Wafer 48 Stunden lang bei 50 Grad Celsius in einen Vakuumofen geben. Der Wafer kann dann in einem sauberen Stickstoffstromschrank gelagert werden.

Hier werden repräsentative Reentrant- und doppelt wiedereintretende Hohlräume und Säulen gezeigt, wie gezeigt. Siliziumdioxid-Siliziumoberflächen mit Arrays doppelt reentranter Säulen weisen scheinbare Kontaktwinkel von mehr als 150 Grad für Wasser und Hexadecan mit minimaler Kontaktwinkelhysterese auf. Seltsamerweise, wenn die gleichen Siliziumdioxid-Siliziumoberflächen mit Säulenarrays in die gleichen Flüssigkeiten eingetaucht werden, werden sie sofort eingedrungen.

Im Gegensatz dazu fangen doppelt wiedereintretende Hohlräume luft ein, wenn sie in beide Flüssigkeiten eintauchen. Darüber hinaus zeigt die konfokale Mikroskopie, dass die überhängenden Eigenschaften die eindringenden Flüssigkeiten stabilisieren und Luft in sie einfangen. Die Mikrofertigung von Säulenarrays, die von Wänden mit doppelt neu eintretendem Profil umgeben sind, isoliert die Stiele aus benetzten Flüssigkeiten, was zu hybriden Mikrotexturen führt, die sich als gaseinschlüssemikrotexturen verhalten.

Mit einem ähnlichen Ansatz können Membranen entworfen werden, die in der Lage wären, Funktionen kommerzieller Membranen auszuführen, ohne jedoch schädliche Perfluorkohlenwasserstoffe zu verwenden und so den Weg für umweltfreundlichere industrielle Prozesse zu ebnen. Wir könnten die Leistungsfähigkeit von pilzförmigen Hohlräumen und Säulen in Bezug auf ihre Fähigkeit, Luft unter Flüssigkeiten einzufangen, und auch in Bezug auf Durchbruchdrücke und so weiter untersuchen. Dieses Protokoll beinhaltet die Verwendung einer Reinraumanlage sowie Kochplatten, brennbaren und korrosiven Chemikalien.

Daher sind Sicherheitstraining und persönliche Schutzausrüstung erforderlich.