Renderización de superficies SiO₂/Si omnifóbicas por el tallado microtexturas que atrapan el gas que comprende cavidades o pilares reentrantes y doblemente reentrantes

Nuestras superficies microtexturizadas atrapadas por el gas, o GEMS, pueden entonces atrapar aire en emulsión y líquidos, independientemente de su química superficial. Es por eso que creemos que este enfoque tiene un enorme potencial para aplicaciones que de otro modo requieren recubrimientos perfluorados. A diferencia de la impresión 3D y otras técnicas de fabricación convencionales, la fotolitografía y el grabado en seco nos permiten fabricar tografías complejas, microescala, que sobresuentan y que doblemente reenvienten.

Los usuarios por primera vez deben usar obleas de práctica y comprobar periódicamente las tasas de grabado para cada tipo de diseño antes de intentar un experimento, ya que la tasa podría cambiar con el tamaño de la muestra. La fabricación de pilares y cavidades reensintenciones y doblemente reentradictas es un proceso de parada múltiple que implica patrones de diseño intrincados. La demostración visual de las cosas de microfabricación ayudará a entender el protocolo.

Inicie el proceso de microfabricación creando un nuevo archivo en un programa de software de diseño adecuado. Dibuje una celda unitaria que consta de un círculo de diagrama de 200 micrómetros. Copie pegar este círculo con una distancia de centro a centro de 212 micrómetros para crear una matriz de círculos en un parche cuadrado, con un área cuadrada de un centímetro.

A continuación, dibuje un círculo de 100 milímetros de diámetro y coloque la matriz cuadrada cuadrada de un centímetro dentro del círculo. Replicar esta disposición para crear una cuadrícula de 4 x 4 de matrices cuadradas. Las entidades dentro del círculo se transferirán a las obleas de cuatro pulgadas.

A continuación, exporte el archivo de diseño al formato deseado para el sistema de explanación en masa. Para limpiar obleas para la microfabricación, coloque una oblea de silicio de cuatro pulgadas de diámetro con una capa de óxido térmico de 2,4 micrómetros de espesor en solución Piranha durante diez minutos, antes de enjuagar con agua desionizada. A continuación, gire la oblea seca bajo un entorno de nitrógeno.

Después del secado, utilice la deposición de fase de vapor para recubrir la oblea con hexametildisilazane y monte la oblea en una comprobación de vacío de cuatro pulgadas en un codificador de espín. Cubra la oblea con fotorresistir y utilice el codificador de espín para extender el fotorresistente uniformemente a través de la superficie de la oblea como una capa de 1,6 micrómetros de espesor. Hornee el fotorresistir recubierto en una placa caliente de 110 grados centígrados durante dos minutos.

Transfiera la oblea horneada a un sistema de clasificación directa. Exponga la oblea a la radiación ultravioleta durante 55 milisegundos y transfiera la oblea expuesta UV a un plato de Petri de vidrio que contenga un desarrollador de fotorresistidos, para permitir que las características se desarrollen. Después de 60 segundos, enjuague suavemente la oblea con agua desionizada para eliminar cualquier exceso de desarrollador, y seque la oblea en un entorno de nitrógeno.

Después de la fotolitografía, transfiera la oblea a un sistema de grabado de iones reactivos plasmáticos acoplado inductivamente, que emplea una mezcla de octafluorociclobutano y gases de oxígeno. Ejecute el proceso durante aproximadamente 13 minutos para grabar la capa de sílice expuesta. Para asegurarse de que el espesor de la capa de sílice dentro de los patrones deseados se reduce a cero, utilice un reflectómetro para medir el grosor de la sílice restante y ajustar la duración del período de grabado posterior en función del grosor de las capas de sílice.

Después de refuñar la capa de sílice, transfiera la oblea a un sistema de grabado de iones reactivos plasmáticos acoplado inductivamente profundo y ejecute este proceso durante cinco ciclos, lo que resulta en una profundidad de aguafuerte para el silicio equivalente a aproximadamente dos micrómetros. Limpie la oblea con solución de Piranha, luego enjuague y seque como se demostró antes. Realice grabado isotrópico para crear un corte inferior a la capa de sílice con hexafluoruro de azufre durante 25 segundos, seguido de la limpieza con piranha solución de enjuague y espín seco como se demuestra.

Después de crear el socavón, utilice un sistema de horno de alta temperatura para cultivar una capa de 500 nanómetros de óxido térmico en la oblea. A continuación, lanza la sílice verticalmente hacia abajo durante tres minutos para eliminar la capa de óxido térmico de la parte inferior de la cavidad, dejando una capa de sílice a lo largo de las paredes laterales que eventualmente formará el borde doblemente reentrante. Después de enfumeter el exceso de óxido cultivado térmicamente, repita cinco ciclos del proceso bosch para profundizar las cavidades en dos micrómetros, luego limpie la oblea con solución de piraña, enjuague y seque como se ha demostrado.

Para crear un espacio vacío detrás del óxido cultivado térmicamente en la boca de la cavidad, isotropicalmente grabar el silicio durante 150 segundos para obtener el borde doblemente reentrante. La cantidad de tiempo invertido en el último grabado de silicio isotrópico debe ajustarse para crear tanto espacio como sea posible detrás del óxido cultivado térmicamente sin fusionar las cavidades. Después de crear las cavidades doblemente reentrantes, realice el proceso Bosch durante 160 ciclos para aumentar la profundidad de las cavidades a aproximadamente 50 micrómetros.

Limpie la oblea en solución piranha fresca, enjuague y seque como se demuestra. Transfiera la oblea a un horno de vacío a 50 grados Centígrados durante 48 horas. La oblea se puede almacenar en un armario de flujo de nitrógeno limpio.

Aquí se muestran cavidades y pilares microfabricados representativos y doblemente reensayantes. Las superficies de silicio de dióxido de silicio con matrices de pilares doblemente reentrantes presentan ángulos de contacto aparentes superiores a 150 grados para el agua y el hexadecano con una histéresis mínima del ángulo de contacto. Curiosamente, cuando las mismas superficies de silicio de dióxido de silicio con matrices de pilares se sumergen en los mismos líquidos, se invaden instantáneamente.

Por el contrario, las cavidades doblemente reenrantes atrapan el aire al sumergirse en ambos líquidos. Además, la microscopía confocal revela que las características que sobresalen estabilizan los líquidos intrusos y atrapan el aire dentro de ellos. La microfabricación de matrices de pilares rodeados de paredes de perfil doblemente reentrante aísla los tallos de líquidos humectantes, dando como resultado microtexturas híbridas que se comportan como micro texturas de aces de gas.

Utilizando un enfoque similar, se pueden diseñar membranas que serían capaces de realizar funciones de membranas comerciales pero sin utilizar perfluorocarbonos dañinos, pavimentando el camino para procesos industriales más ecológicos. Podríamos investigar el rendimiento de las cavidades y pilares en forma de hongo en términos de su capacidad para atrapar el aire bajo líquidos, y también en términos de presiones revolucionarias y así sucesivamente. Este protocolo implica el uso de una sala limpia, así como placas calientes, productos químicos inflamables y corrosivos.

Por lo tanto, se requiere capacitación en seguridad y equipo de protección personal.