Rendu SiO₂/Si Surfaces omniphobes en sculptant des microtextures à gaz comprenant des cavités ou des piliers réentrants

Nos surfaces microtexturées envoûtées de gaz, ou GEMS, peuvent alors emprisonner l’air sur l’émulsion et les liquides, indépendamment de leur chimie de surface. C’est pourquoi nous pensons que cette approche a un énorme potentiel pour les applications qui nécessitent autrement des revêtements perfluorés. Contrairement à l’impression 3D et à d’autres techniques de fabrication conventionnelles, la photolithographie et la gravure sèche nous permettent de fabriquer des topographies complexes, micro-échelles, en surplomb et doublement réintégrées.

Les utilisateurs qui en sont à leur première expérience devraient utiliser des gaufrettes de pratique et vérifier périodiquement les taux de gravure pour chaque type de conception avant de tenter une expérience, car le taux peut changer avec la taille de l’échantillon. La fabrication de piliers et de cavités ré-entrants et doublement ré-entrants est un processus à plusieurs arrêts qui implique des modèles de conception complexes. Démonstration visuelle de la substance de microfabrication aidera à comprendre le protocole.

Démarrez le processus de microfabrication en créant un nouveau fichier dans un logiciel de mise en page approprié. Dessinez une cellule unitaire composée d’un cercle de diagrammes de 200 micromètres. Copier coller ce cercle avec un centre au centre de la distance de 212 micromètres pour créer un tableau de cercles dans un patch carré, avec une zone carrée d’un centimètre.

Ensuite, dessinez un cercle de 100 millimètres de diamètre et placez le tableau carré carré d’un centimètre à l’intérieur du cercle. Reproduisez cet arrangement pour créer une grille de 4 x 4 de tableaux carrés. Les caractéristiques à l’intérieur du cercle seront transférées sur les gaufrettes de quatre pouces.

Exportez ensuite le fichier de conception vers le format désiré pour le système de classement de masse. Pour nettoyer les gaufrettes pour la microfabrication, placez une plaquette de silicium de quatre pouces de diamètre avec une couche d’oxyde thermique de 2,4 micromètres d’épaisseur dans la solution Piranha pendant dix minutes, avant de rincer à l’eau déionisée. Ensuite, faites sécher la gaufrette sous un environnement azoté.

Après séchage, utiliser le dépôt en phase de vapeur pour enrober la gaufrette d’hexaméthyldisilazane et monter la gaufrette sur un contrôle sous vide de quatre pouces dans un codeur de spin. Couvrez la gaufrette de photorésistance et utilisez le codeur de spin pour étendre uniformément le photorésistant sur la surface de la gaufrette sous forme de couche épaisse de 1,6 micromètre. Cuire le photorésistant enduit sur une plaque chaude de 110 degrés Celsius pendant deux minutes.

Transférer la gaufrette cuite au four dans un système d’évaluation directe. Exposez la gaufrette au rayonnement ultraviolet pendant 55 millisecondes et transférez la gaufrette exposée aux UV dans une boîte de Pétri en verre contenant un développeur photorésiste, afin de permettre aux caractéristiques de se développer. Après 60 secondes, rincer délicatement la gaufrette à l’aide d’eau déionisée pour éliminer tout excès de développeur et faire tourner la gaufrette dans un environnement azoté.

Après photolithographie, transférer la gaufrette dans un système de gravure ionique réactive plasmatique inductivement couplé, qui emploie un mélange d’octafluorocyclobutane et de gaz d’oxygène. Exécutez le processus pendant environ 13 minutes pour graver la couche de silice exposée. Pour s’assurer que l’épaisseur de la couche de silice à l’intérieur des motifs désirés est réduite à zéro, utilisez un réflectomètre pour mesurer l’épaisseur de la silice restante et ajuster la durée de la période de gravure subséquente en fonction de l’épaisseur des couches de silice.

Après avoir gravé la couche de silice, transférez la gaufrette dans un système de gravure ion réactif plasmatique profondément couplé et exécutez ce processus pendant cinq cycles, ce qui entraîne une profondeur de gravure pour le silicium équivalent à environ deux micromètres. Nettoyez la gaufrette avec la solution Piranha, puis rincez et séchez-la comme démontré auparavant. Effectuer la gravure isotropique pour créer une sous-coupe sous la couche de silice avec de l’hexafluoride de soufre pendant 25 secondes, suivie d’un nettoyage avec rinçage de la solution Piranha et tourner à sec comme démontré.

Après avoir créé la sous-coupe, utilisez un système de four à haute température pour faire pousser une couche d’oxyde thermique de 500 nanomètres sur la gaufrette. Ensuite, lancer la silice verticalement vers le bas pendant trois minutes pour enlever la couche d’oxyde thermique du fond de la cavité, tout en laissant une couche de silice le long des parois latérales qui finira par former le bord doublement réentrant. Après avoir gravé l’excès d’oxyde thermique, répétez cinq cycles du processus Bosch pour approfondir les cavités de deux micromètres, puis nettoyez la gaufrette avec la solution piranha, rincez et faites tourner à sec comme démontré.

Pour créer un espace vide derrière l’oxyde thermiquement cultivé à l’embouchure de la cavité, isotropicalement graver le silicium pendant 150 secondes pour obtenir le bord doublement réentrant. La quantité de temps passé dans la dernière etch de silicium isotropique doit être accordée pour créer autant d’espace que possible derrière l’oxyde thermiquement cultivé sans fusionner les cavités. Après avoir créé les cavités doublement réentrantes, effectuer le processus Bosch pendant 160 cycles pour augmenter la profondeur des cavités à environ 50 micromètres.

Nettoyez la gaufrette dans la solution piranha fraîche, rincez et séchez-la comme démontré. Transférer la gaufrette dans un four à vide à 50 degrés Celsius pendant 48 heures. La gaufrette peut ensuite être stockée dans une armoire à écoulement d’azote propre.

Ici, des cavités et des piliers réentrants représentatifs et doublement réentrants microfabriqués comme démontré sont montrés. Les surfaces en silicium dioxyde de silicium avec des rangées de piliers doublement réentrants présentent des angles de contact apparents supérieurs à 150 degrés pour l’eau et l’hexadéconane avec une hystérèse minimale d’angle de contact. Curieusement, lorsque les mêmes surfaces de silicium dioxyde de silicium avec des rangées de piliers sont immergés dans les mêmes liquides, ils sont pénétrés instantanément.

En revanche, les cavités doublement réentrantes emprisonnent l’air lors de l’immersion dans les deux liquides. En outre, la microscopie confoccale révèle que les dispositifs en surplomb stabilisent les liquides envahissants et emprisonnent l’air à l’intérieur d’eux. La microfabrication de tableaux de piliers entourés de parois de profil doublement réentrant isole les tiges des liquides mouillants, ce qui entraîne des microtextures hybrides qui se comportent comme des micro textures envoûtantes de gaz.

En utilisant une approche similaire, des membranes peuvent être conçues qui seraient capables d’effectuer des fonctions de membranes commerciales, mais sans utiliser de perfluorocarbones nocifs, ouvrant la voie à des procédés industriels plus écologiques. Nous pourrions étudier la performance des cavités et des piliers en forme de champignon en termes de leur capacité à piéger l’air sous les liquides, et aussi en termes de pressions révolutionnaires et ainsi de suite. Ce protocole consiste à utiliser une salle propre, ainsi que des plaques chaudes, des produits chimiques inflammables et corrosifs.

Par conséquent, une formation en sécurité et de l’équipement de protection individuelle sont nécessaires.