הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ננו-הדפסה אלקטרוכימית בסיוע מתכת של ופלים נקבוביים ומוצקים מסיליקון

3.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/61040

⸱

8 בפברואר 2022

 ,  ,  , 
1The Polytechnic School, Arizona State University

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול להטבעה כימית בסיוע מתכת של תכונות מיקרו-קנה מידה תלת-ממדיות עם דיוק בצורת תת-20 ננומטר לתוך ופלים סיליקון מוצקים ונקבוביים מוצג.

תקציר

הטבעה אלקטרוכימית בסיוע מתכת (Mac-Imprint) היא שילוב של חריטה כימית בסיוע מתכת (MACE) וליטוגרפיה ננו-הדפסה המסוגלת לכוון את התבניות התלת-ממדיות של תכונות מיקרו וננומטריות בקבוצה המונוקריסטלינית IV (לדוגמה, Si) ו- III-V (למשל, GaAs) מוליכים למחצה ללא צורך בתבניות הקרבה ובשלבים ליטוגרפיים. במהלך תהליך זה, חותמת לשימוש חוזר מצופה זרז מתכת אצילי הוא בא במגע עם רקיק Si בנוכחות חומצה הידרופלואורית (HF) ומי חמצן (H2O2) תערובת, מה שמוביל לתחריט סלקטיבי של Si בממשק המגע מתכת מוליכים למחצה. בפרוטוקול זה, אנו דנים בשיטות הכנת הבולים והמצעים המיושמים בשתי תצורות Mac-Imprint: (1) Porous Si Mac-Imprint עם זרז מוצק; ו -(2) מוצק סי מק-חותם עם זרז נקבובי. תהליך זה הוא תפוקה גבוהה והוא מסוגל דפוס מקביל בקנה מידה סנטימטר עם רזולוציה מתחת 20 ננומטר. הוא גם מספק צפיפות פגמים נמוכה ודפוסי שטח גדולים בפעולה אחת ועוקף את הצורך בתחריט יבש כגון תחריט יונים תגובתי עמוק (DRIE).

מבוא

דפוסי מיקרו-קנה מידה תלת-ממדיים וטקסטורציה של מוליכים למחצה מאפשרים יישומים רבים בתחומים שונים, כגון optoelectronics1,2, פוטוניקה3, משטחים אנטי-רפלקסיביים4, משטחים הידרופוביים סופר, ומשטחי ניקוי עצמי 5,6 בין היתר. אב טיפוס והפקת מסה של דפוסים תלת-ממדיים והיררכיים הושג בהצלחה עבור סרטים פולימריים על ידי ליטוגרפיה רכה וליטוגרפיה ננו-הדפסה עם רזולוציה של תת-20 ננומטר. עם זאת, העברת דפוסים פולימריים תלת-ממדיים כאלה לתוך Si דורשת סלקטיביות תחריט של תבנית מסכה במהלך תחריט יון תגובתי ובכך מגבילה את יחס הגובה-רוחב, וגורמת לעיוותי צורה וחספוס פני השטח עקב אפקטים שוליים7,8.

שיטה חדשה בשם Mac-Imprint הושגה עבור דפוס מקביל וישיר של נקבובי9 מוצק Si ופלים10,11, כמו גם ופלים GaAs מוצק12,13,14. Mac-Imprint היא טכניקת תחריט רטובה המבוססת על מגע הדורשת מגע בין מצע לבין חותמת מצופה מתכת אצילית בעלת תכונות תלת-ממדיות בנוכחות תמיסת תחריט (ES) המורכבת מ- HF ומחמצן (למשל, H2O2 במקרה של Si Mac-Imprint). במהלך החריטה, שתי תגובות מתרחשות בו זמנית 15,16: תגובה קתודית (כלומר, הפחתת H2O2 במתכת האצילית, שבמהלכה נוצרים נשאי מטען חיובי [חורים] ולאחר מכן מוזרקים ל- Si17) ותגובה אנודית (כלומר, פירוק Si, שבמהלכו החורים נצרכים). לאחר זמן מספיק במגע, תכונות התלת-ממד של החותמת חקוקות בופל Si. ל-Mac-Imprint יתרונות רבים על פני שיטות ליטוגרפיות קונבנציונליות, כגון תפוקה גבוהה, תאימות לפלטפורמות רול-לצלחת ו-Roll-to-roll, אמורפיות, מונו-פוליקריסטליניות Si ו-III-V מוליכים למחצה. ניתן לעשות שימוש חוזר בבולים של Mac-Imprint מספר פעמים. בנוסף, השיטה יכולה לספק רזולוציית תחריט תת-20 ננומטר התואמת לשיטות כתיבה ישירה עכשוויות.

המפתח להשגת הטבעה באיכות גבוהה הוא מסלול הדיפוזיה לחזית החריטה (כלומר, ממשק מגע בין זרז למצע). העבודה של אזרדו ואח ' 9 הוכיחה לראשונה כי דיפוזיה ES מופעלת באמצעות רשת Si נקבובי. Torralba et al.18, דיווח כי על מנת לממש מוצק Si Mac-Imprint דיפוזיה ES מופעלת באמצעות זרז נקבובי. Bastide et al.19 ו Sharstniou et al.20 חקרו עוד יותר את השפעת נקבוביות הזרז על דיפוזיה ES. לכן, הרעיון של Mac-Imprint נבדק בשלוש תצורות עם מסלולי דיפוזיה ברורים.

בתצורה הראשונה, הזרז והמצע מוצקים, ואינם מספקים מסלול דיפוזיה ראשוני. חוסר דיפוזיה מגיבה מוביל לתגובה משנית במהלך ההטבעה היוצרת שכבה של Si נקבובי על המצע סביב קצה ממשק הזרז-Si. המגיבים מתרוקנים לאחר מכן, והתגובה נפסקת, וכתוצאה מכך לא ניתן להבחין בנאמנות העברת דפוס בין החותמת למצע. בתצורות השנייה והשלישית, מסלולי הדיפוזיה מופעלים באמצעות רשתות נקבוביות המוצגות או במצע (כלומר, Si נקבובי) או בזרז (כלומר, זהב נקבובי) ודיוק העברת דפוס גבוה מושגת. לפיכך, הובלת ההמונים באמצעות חומרים נקבוביים ממלאת תפקיד קריטי בהפעלת פיזור המגיבים ומוצרי התגובה אל ממשק המגע והרחק ממנו 9,18,19,20. באיור 1 מוצג סכמטית של כל שלוש התצורות.

figure-introduction-1
איור 1: שרטוטים של תצורות Mac-Imprint. נתון זה מדגיש את תפקידם של חומרים נקבוביים לאפשר פיזור של מינים מגיבים דרך המצע (כלומר, מקרה II: נקבובי Si) או בחותמת (כלומר, מקרה III: סרט דק זרז עשוי זהב נקבובי). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

במאמר זה, תהליך Mac-Imprint נדון ביסודיות, כולל הכנת בולים וטיפול מקדים מצע יחד עם Mac-Imprint עצמו. סעיף טרום הטיפול במצע בפרוטוקול כולל ניקוי סי וופל ודוגמת סי וופל סי עם תחריט יבש ואנודיזציה של מצע (אופציונלי). כמו כן, סעיף הכנת בולים מחולק למספר הליכים: 1) דפוס העתק PDMS של עובש מאסטר Si; 2) ננו-הדפס UV של שכבה פוטורזיסטית על מנת להעביר את תבנית ה- PDMS; ו-3) תצהיר שכבות קטליטי באמצעות קשירת מגנטרון ואחריו עסקה (אופציונלי). לבסוף, בסעיף Mac-Imprint ההתקנה Mac-Imprint יחד עם תוצאות Mac-Imprint (כלומר, Si פני השטח 3D דפוס הירארכי) מוצג.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

אזהרה: השתמש בשיטות בטיחות מתאימות ובציוד מגן אישי (לדוגמה, חלוק מעבדה, כפפות, משקפי בטיחות, נעלי בוהן סגורות). הליך זה משתמש בחומצת HF (48% wt) שהיא חומר כימי מסוכן ביותר ודורש ציוד מגן אישי נוסף (כלומר, מגן פנים, סינר גומי טבעי וזוג שני של כפפות ניטריל המכסות את היד, פרקי כף היד והאמות).

1. הכנת בולים למק-הטבעה

  1. ייצור עובש PDMS
    1. הכן את פתרון RCA-1 על ידי ערבוב מים טהורים deionized (DI) ואמוניום הידרוקסיד בכוס הזכוכית ביחס 5:1 (נפח). מניחים את הכוס עם התערובת על כיריים ערבוב (ראה שולחן של חומרים) ומחממים את התערובת עד 70 מעלות צלזיוס. למדוד את הטמפרטורה של התערובת עם תרמי מכויל ולהוסיף 1 חלק של מי חמצן לתערובת שחוממה מראש כדי לקבל את הפתרון RCA-1. המתינו עד שפתרון RCA-1 יתחיל לבעבע במרץ (איור 2).
    2. שמור על פתרון RCA-1 ב 70 °C (70 °F).
    3. משרים את תבנית ה-Si master בתמיסת RCA-1 למשך 15 דקות.
    4. הוציאו את תבנית ה-Si master מתמיסת RCA-1 ושטפו היטב במים DI.
    5. הפוך את עובש סי מאסטר הידרופובי. מכניסים את התבנית של סי מאסטר לצלחת פטרי מפלסטיק ומניחים אותה בתוך חומר ייבוש (ראו טבלת חומרים). בעזרת פיפטה מפלסטיק, מוסיפים כמה טיפות של טריכלורו (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)סילאן (PFOCS) על סירת שקילה מפלסטיק ומניחים אותה בתוך המייבש ליד צלחת הפטרי הפלסטיק עם תבנית סי מאסטר.
      הערה: הניחו מרווחים מתחת לתבנית Si master כדי לרומם אותה מתחתית צלחת הפטרי. זה יאפשר PFOCS לכסות באופן אחיד עובש מאסטר Si ולמנוע PDMS דבק.
    6. סגור את מכסה הייבוש. חבר את הפלט של המייבש למשאבת ואקום (ראה טבלת חומרים) באמצעות צינור PVC. הפעל את משאבת ואקום. הגדר את רמת הלחץ ל 30 kPa באמצעות שסתום משאבת ואקום.
    7. פתח את שסתום התייבשות ולהחיל ואקום במשך 30 דקות.
    8. בעוד ואקום מוחל על התייבשות, לערבב את הבסיס ואת סוכן ריפוי המסופק בערכת אלסטומר סיליקון (PDMS) (ראה טבלת חומרים) ביחס 10:1 (מסה). מערבבים לאט את התערובת עם מרית זכוכית במשך 10-15 דקות.
    9. כבה את משאבת הוואקום. פתח את המייבש והסר את סירת השקילה מפלסטיק עם PFOCS.
      הערה: הסר מרווחים מתחת לתבנית Si master.
    10. שפכו בזהירות PDMS על תבנית ה-Si master כדי לכסות אותה לחלוטין בשכבה של 2-3 מ"מ של PDMS (איור 3a).
    11. חזור על שלב 1.1.6.
    12. דגה PDMS. פתח את שסתום התייבשות ולהחיל ואקום במשך 20 דקות או עד בועות להיעלם.
    13. כבה את משאבת הוואקום. פתח את התייבשות. מוציאים את צלחת הפטרי מפלסטיק עם תבנית סי מאסטר מצופה PDMS ומניחים אותה על פלטה חשמלית (ראו טבלת חומרים) שחוממה מראש ל-80 °C (איור 3b).
    14. רפאו את ה-PDMS עם תבנית סי מאסטר על הכיריים בטמפרטורה של 80 °C למשך 120 דקות (איור 3b).
    15. מוציאים את צלחת הפטרי מפלסטיק עם PDMS נרפא מהפלטה החמה. בעזרת אזמל, לקצץ את הקצוות של PDMS נרפא בתוך צלחת פטרי פלסטיק. בזהירות לקחת את PDMS נרפא עם עובש סי מאסטר מתוך צלחת פטרי פלסטיק באמצעות פינצטה.
    16. הסר בזהירות את כל ה- PDMS שדלפו מתחת לתבנית Si master באמצעות אזמל. מקלפים את ה-PDMS שנרפאו מהתבנית של סי מאסטר באמצעות פינצטה. לקלף אותו לאט, במקביל לכיוון של תבנית חותמת מאסטר Si.
    17. חותכים את תבנית PDMS בגודל 2 x 2 ס"מ עם התבנית במרכז באמצעות אזמל. אחסנו את תבנית ה-PDMS בצלחת הפטרי מפלסטיק כשהתבנית פונה כלפי מעלה.

figure-protocol-1
איור 2: תהליך ניקוי RCA-1. (א) חימום פתרון ו -(ב) ניקוי Si. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-2
איור 3: תהליך ייצור עובש PDMS. (א) ייצוג סכמטי של התהליך. (ב) תצלומים של שלבי התהליך. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. ננו-הדפסה של UV פוטורסיסטי
    1. בקע שבב 2.5 x 2.5 ס"מ Si מתוך רקיק Si באמצעות סופר.
    2. חזור על שלבים 1.1.1-1.1.4 כדי לנקות את שבב Si.
    3. הוציאו את הפוטורסיסט SU-8 2015 מהמקרר ותנו לו להישאר בטמפרטורת החדר (RT) במשך 10-15 דקות לפני הציפוי.
    4. פתחו את מכסה מעיל הספין (ראו טבלת חומרים). הניחו את שבב ה-Si בתוך מעיל הספין על צ'אק הוואקום (איור 4a).
    5. חבר את הפלט של מעיל הספין למשאבת הוואקום דרך צינור ה- PVC. הפעל את משאבת ואקום. הגדר את רמת הלחץ ל 30 kPa באמצעות שסתום משאבת ואקום.
    6. בחר הליך ציפוי ספין עם הפרמטרים הבאים: כפולה ב-500 סל"ד ל-10 שניות עם האצה של 100 סל"ד לשנייה, סיבוב ב-2,000 סל"ד ל-30 שניות עם האצה של 300 סל"ד לשנייה.
      הערה: שלב 1.2.6 יפיק שכבת SU-8 2015 בעובי 20 מיקרומטר.
    7. יש למרוח ואקום על צ'אק הוואקום על-ידי לחיצה על "VAC ON" בתצוגת מעיל הספין. עיין בקובץ משלים (איור S1).
    8. יוצקים 1.5 מ"ל של SU-8 2015 photoresist על מרכז שבב Si.
    9. סגור את מכסה מעיל הספין. התחל לסובב ציפוי על-ידי לחיצה על "START". עיין בקובץ משלים (איור S1).
    10. פתח את מכסה מעיל הספין. כבה את הוואקום על-ידי לחיצה על "VAC כבוי". עיין בקובץ משלים (איור S1). הוציאו את שבב ה-Si עם השכבה מצופה הסיבוב של הפוטורסיסט SU-8 2015 באמצעות פינצטה (איור 4a).
    11. הניחו בזהירות את תבנית ה-PDMS על שבב ה-Si מצופה הפוטורסיסט כשהתבנית פונה כלפי מטה. שיטחו ידנית את תבנית ה-PDMS. הניחו צלחת זכוכית שקופה UV על החלק האחורי של ה-PDMS וכתוצאה מכך משקל של 15 גרם/ס"מ שהוחל על תבנית ה-PDMS (איור 4b).
    12. בצע חשיפה מתמדת לקרינת UV למשך 2 שעות באמצעות נורת UV 6 W (ראה טבלת חומרים) הממוקמת במרחק של 10 ס"מ ממשטח הוופל Si.
    13. מקלפים את תבנית ה-PDMS מהצ'יפ סי באמצעות פינצטה. לקלף לאט בכיוון במקביל לכיוון של דפוס SU-8 2015 נרפא.

figure-protocol-3
איור 4: תהליך ננו-הדפסה של UV פוטורסיסט. (א) תצלומים של ציפוי ספין פוטורזיסט. (ב) שרטוטים ותצלומים של ננו-הדפסות UV. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. זרז זהב תצהיר סרט דק על ידי מגנטרון מקרטעת
    1. חבר את שבבי Si עם שכבת פוטורזיסט SU-8 2015 בדוגמת על רקיק Si בגודל 4 אינץ' באמצעות סרט פולימיד דו-צדדי.
    2. פתחו את החדר של הפטפוטים של המגנטרון (ראו טבלת חומרים). מניחים את הוופל Si בגודל 4 אינץ' עם שבבי Si מחוברים על צלחת סיבובית. סגור את תריס הלוח המוצק על-ידי לחיצה על לחצן "Solid" בתוכנת הבקרה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
      הערה: לחצן "Solid" יהפוך לירוק כאשר התריס סגור.
    3. מקם מטרות Cr ו- Au (ראה טבלת חומרים) על תותחי המגנטרון המחוברים לאספקת החשמל DC. מקם יעד Ag (ראה טבלת חומרים) על אקדח המגנטרון המחובר לאספקת הכוח RF. הגדר את המרחק בין המטרות ללוח הסיבוב ל-8.5 אינץ'.
    4. סגור את החדר של מגנטרון sputter ולהתחיל לפנות את התא על ידי לחיצה על "משאבה למטה" ו "טורבו לאפשר" בתוכנת הבקרה. תשאיר את זה ללילה. עיין בקובץ משלים (איור S2a).
    5. הפעל את ספקי הכוח DC ו- RF. פתח את תריס אקדח Cr על ידי לחיצה על "אקדח 1 פתוח" בתוכנת הבקרה. הגדר את ספק הכוח DC ל- 100 W בתוכנת הבקרה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    6. הגדר את "תהליך מבוקר עובי" ל 200 Å. אפשר את הסיבוב של לוח הסיבוב על ידי לחיצה על הלחצנים "Cont" ו- "סיבוב" בתוכנת הבקרה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    7. הגדר את לחץ התצהיר ל -3 mTorr. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    8. הגדר את קצב זרימת Ar ל- 50 sccm בתוכנת הבקרה. הפוך את ספק הכוח DC לזמין על-ידי הקשה על "ספק DC" בתוכנת הבקרה. שנה את קצב זרימת ה- Ar ל- 5 sccm. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    9. התחל את צג עובי הגביש ו tare העובי על ידי לחיצה על "התחל" ו "אפס עובי" לחצנים בהתאמה בתוכנת הבקרה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    10. התחל את התהליך מבוקר העובי על ידי לחיצה על "תהליך מבוקר עובי". פתח את תריס מוצק צלחת על ידי לחיצה על "מוצק". טרה צג העובי פעם נוספת על ידי לחיצה על "אפס עובי". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    11. לאחר הקצוות המקרטעים, סגור את התריס המוצק של הצלחת על-ידי לחיצה על "Solid". עצור את צג העובי על-ידי הקשה על "STOP". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    12. פתח את תריס אקדח Au על ידי לחיצה על "אקדח 2 פתוח". הגדר את ספק הכוח DC ל- 35 W. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    13. הגדר את "תהליך מבוקר עובי" ל 800 Å. הפוך את הסיבוב של לוח הסיבוב לזמין על-ידי לחיצה על הלחצנים "קונט" ו"סיבוב". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    14. חזור על שלבים 1.3.7-1.3.11.
    15. אוורר את תא הפטפוטים של המגנטרון על-ידי לחיצה על "לחץ לאוורור" בתוכנת הבקרה. עיין בקובץ משלים (איור S2c). המבנה המתקבל הוא חותמת Au Mac-Imprint מוצקה (איור 5).
      הערה: בצעו את השלבים 1.4 ו-1.5 רק אם נדרשות בולים עם סרטים קטליטיים נקבוביים.

figure-protocol-4
איור 5: תהליך הכנת בולים קטליטיים. (א) שרטוטים של תצהיר הסרט הדק. (ב) תצלומים של מערכת ההבעה של המגנטרונים. (ג) תצלום של תהליך העסקה עם תמונות SEM מזהב נקבובי מייצג. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. כסף / זהב זרז סרט דק תצהיר על ידי מגנטרון מקרטעת
    1. חזור על שלבים 1.3.1-1.3.14. בשלב 1.3.13 להגדיר את התהליך מבוקר עובי ל 500 Å במקום 800 Å.
    2. פתח את תריס אקדחי Au ו- Ag על ידי לחיצה על "אקדח 3 פתוח". הגדר את ספקי הכוח DC ו- RF ל- 58 W ו- 150 W בהתאמה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
      הערה: שלב 1.4.2 יספק סגסוגת Ag/ Au עם קומפוזיציה 60/40 (נפח)
    3. הגדר את "התהליך המתוזמן" ל-16.5 דקות בתוכנת הבקרה. הפוך את הסיבוב של לוח הסיבוב לזמין על-ידי לחיצה על הלחצנים "קונט" ו"סיבוב". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
      הערה: שלבים 1.4.3-1.4.8 של הפרוטוקול יפיק שכבת סגסוגת Ag/ Au בעובי 250 ננומטר.
    4. הגדר את קצב זרימת האוויר ל-50 sccm. הפוך את ספקי הכוח DC ו- RF לזמינים על-ידי הקשה על "אספקת DC" ו-"RF Supply" בהתאמה. שנה את קצב זרימת האוויר ל-5 sccm. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    5. התחל את צג עובי הגביש ו tare העובי על ידי לחיצה על "התחל" ו "אפס עובי" בהתאמה. עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    6. התחל את התהליך הנשלט בזמן על-ידי הקשה על "תהליך מתוזמן". פתח את תריס מוצק צלחת על ידי לחיצה על "מוצק". טרה צג העובי פעם נוספת על ידי לחיצה על "אפס עובי". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    7. לאחר הקצוות המקרטעים, סגור את התריס המוצק של הצלחת על-ידי לחיצה על "Solid". עצור את צג העובי על-ידי הקשה על "STOP". עיין בקובץ משלים (איור S2b).
    8. חזור על שלב 1.3.15.
      הערה: המבנה המתקבל הוא חותמת Mac-Imprint מסגסוגת Ag/Au.
  2. כסף / זהב זרז סרט דק עסקה
    1. מערבבים מים DI וחומצה חנקתית בכוס הזכוכית ביחס של 1:1 (נפח). תן לו להתקרר עד 30 °C (50 °F).
    2. מניחים את הכוס עם התערובת על כיריים ערבוב ומטביעים את מחזיק מדגם הפוליטפלואורואתילן המחורר (PTFE) בתערובת. מחממים את התערובת עד 65 °C עם ערבוב מתמיד ב 100 סל"ד. כל הזמן למדוד את הטמפרטורה של התערובת עם פלקס מכויל.
    3. מניחים את שבבי Si עם שכבת SU-8 2015 בדוגמת מרופטת עם סגסוגת Ag / Au לתוך התערובת ואת העסקה במשך 2-20 דקות21.
    4. לאחר העסקה, להרוות דגימות במים RT DI במשך 1 דקות.
    5. מוציאים את שבבי ה-Si ממי ה-DI ושטפו היטב עם מי DI.

2. דפוסי מצע סיליקון וניקוי

  1. הכנה מצע להטבעת Si מוצקה עם זרז נקבובי
    1. לחמצן את 4 אינץ 'Si רקיק ב 1,150 °C (50 °F) עבור 24 שעות בזרימת O2 של 4 sccm.
    2. מוציאים מהמקרר את SPR 220 7.0 photoresist 7.0 ונותנים לו להישאר ב-RT במשך 10-15 דקות לפני הציפוי.
    3. פתח את מכסה מעיל הספין. מניחים את הוופל של סי בתוך מעיל הספין על צ'אק הוואקום.
    4. חבר את הפלט של מעיל הספין למשאבת הוואקום דרך צינור PVC. הפעל את משאבת ואקום. הגדר את רמת הלחץ ל 30 kPa באמצעות שסתום משאבת ואקום.
    5. בחר הליך ציפוי ספין עם הפרמטרים הבאים: כפולה ב-400 סל"ד ל-30 שניות עם האצה של 200 סל"ד/שניה, סיבוב ב-2,000 סל"ד ל-80 שניות עם האצה של 500 סל"ד/שניה.
      הערה: שלב 2.1.5 יפיק שכבת SPR 220 7.0 בעובי 9 מיקרומטר.
    6. יש למרוח ואקום על צ'אק הוואקום על-ידי לחיצה על "VAC ON" בתצוגת מעיל הספין.
    7. יוצקים 5 מ"ל של SPR 220 7.0 photoresist במרכז 4 ב Si רקיק.
    8. סגור את מכסה מעיל הספין. התחל לסובב ציפוי על-ידי לחיצה על "START".
    9. פתח את מכסה מעיל הספין. כבה את הוואקום על-ידי לחיצה על "VAC כבוי". הוציאו את הוופל של Si בגודל 4 אינץ' עם השכבה מצופה הספין של פוטורזיסט SPR 220 7.0 באמצעות פינצטה.
    10. מניחים את הוופל Si עם השכבה מצופה ספין של SPR 220 7.0 photoresist על פלטה מחוממת מראש ל 110 °C (60 °F) מראש במשך 2 דקות. מצננים במשך 1 דקות.
    11. חשוף את השכבה הפוטורזיסטית דרך המסיכה באמצעות תבנית mesas מרובעת הכוללת את הפרמטרים הבאים: רוחב = 500 מיקרומטר ומרווח = 900 מיקרומטר. חשיפה הצפה עבור 10 s כדי להשיג מינון 150 mJ /cm2 .
    12. לפתח את שכבת photoresist חשוף 4:1 (נפח) של מפתח: מים DI במשך 3 דקות. יש לשטוף את הדגימה במי DI ולבדוק את התכונות במיקרוסקופ.
    13. מניחים את רקיק Si עם SPR 220 7.0 פוטורזיסט מפותח על פלטה מחוממת מראש ל 120 °C (60 °F) ואפייה קשה במשך 5 דקות. מצננים במשך 1 דקות.
    14. תחריט שכבת תחמוצת בציוד תחריט יון תגובתי במשך 20 דקות באמצעות הפרמטרים הבאים: לחץ = 100 mT, זרימת O2 = 3 sccm, זרימת CF4 = 24 sccm, כוח = 250 W.
    15. הסר את שכבת SPR 220 7.0 באמצעות אצטון, ולאחר מכן לשטוף עם אלכוהול איזופרופיל (IPA) ומי DI.
    16. בצע תחריט באמבט KOH 30% (משקל) ב 80 °C (80 °F) במשך 100 דקות עם ערבוב מתמיד ב 175 סל"ד כדי ליצור mesas על רקיק Si.
    17. הסר את שכבת תחמוצת עם תמיסת תחריט תחמוצת חוצץ.
    18. לשטוף ביסודיות עם מי DI.
      הערה: פריסת מסיכת תבנית של Si veafer ושבב בדוגמת יחיד מוצגת באיור 6.

figure-protocol-5
איור 6: פריסת מסיכת תבנית של סי וופל (A) ושבב בדוגמת יחיד (B). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. הכנה מצע עבור נקבובי Si הטבעה עם זרז מוצק
    1. חזור על שלב 2.1.
    2. מצפים את החלק האחורי של רקיק Si בדוגמת 4 אינץ 'עם ניקל וחישול ב 320 °C (50 °F) בתא חישול תרמי מהיר ב N2 במשך 3 דקות.
    3. Cleave 2.5 x 2.5 ס"מ Si שבבים מתוך 4 אינץ ' סי רקיק בדוגמת 4 אינץ 'באמצעות סופר.
    4. מניחים את שבב Si בתוך החלק התחתון של התא האלקטרוכימי (EC). מניחים O-טבעת על החלק העליון של שבב Si. מניחים את החלק העליון של EC על ומהדקים את הברגים.
    5. הגדר את המשטר הגלוונוסטטי בתוכנת הבקרה potentiostat (ראה טבלת חומרים). עיין בקובץ משלים (איור S3). חברו אלקטרודה עובדת לשבב Si ואלקטרודת הנגד לאלקטרודת הפלטינה (איור 7).
    6. מלאו בזהירות את ה-EC ב-HF והכניסו אלקטרודת פלטינה גלילית מלמעלה ל-5 מ"מ מעל משטח השבב Si (איור 7b).
    7. החל את הצפיפות הנוכחית של 135 mA / cm2 עבור 120 s על-ידי לחיצה על לחצן התחל הירוק בתוכנת potentiostat. עיין בקובץ משלים (איור S3).
    8. בזהירות למצוץ את HF מתוך EC עם פיפטה פלסטיק.
    9. לשטוף ביסודיות עם מי DI.
      הערה: תהליך האנודיזציה של Si ושבב Si עם שכבת Si נקבובית מוצגים באיור 7.

figure-protocol-6
איור 7: תצלומים של הליך נקבוביות מצע (Si anodization). (א) פוטנציוסטאט הנשלט על-ידי מחשב המחובר לתא אלקטרוכימי דו-אלקטרודי. (ב) תא אלקטרוכימי עם אלקטרודה פלטינה. (ג) סי צ'יפ עם שכבת Si נקבובית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

3. הגדרת הדפסה של Mac

  1. חותמת לקיבעון מוט PTFE
    1. מקם את שבב הייחוס Si בתוך החלק התחתון של EC. הנח את חותמת ה- Mac-Imprint על גבי שבב הייחוס Si עם התבנית הפונה כלפי מטה.
    2. חבר את מוט ה- PTFE לתא העומס (ראה טבלת חומרים) באמצעות בורג משורשר דו-צדדי. חבר את המבנה לשלב הליניארי הממונע הנשלט על-ידי התוכנה (ראה טבלת חומרים) באמצעות סוגר מתכת.
    3. הוסף טיפה קטנה של SU-8 2015 photoresist על הגב של חותמת Mac-Imprint.
    4. הבא את מוט PTFE במגע עם טיפת SU-8 על ידי הגדרת הפקודה "העבר יחסית" 173,500 צעדים מהמיקום הביתי ולחיצה על כפתור "כתוב" בתוכנת בקרת הבמה. עיין בקובץ משלים (איור S4a).
    5. לרפא את SU-8 2015 טיפת פוטורזיסט עם נורת UV 6 W במשך 2 שעות. עיין בקובץ משלים (איור S5).
    6. הבא את מוט PTFE עם חותמת Mac-Imprint המצורפת למיקום הבית על ידי הגדרת הפקודה "בית" ולחיצה על "כתוב" בתוכנת בקרת הבמה. עיין בקובץ משלים (איור S4a).
    7. להרכיב את EC.
  2. פעולת הדפסה של Mac
    1. נקה את שבב Si בדוגמת לפי שלבים 1.1.1-1.1.4.
    2. מקם את שבב ה-Si בדוגמתו במרכזו של EC. מקם את ה-EC מתחת למוט ה-PTFE עם חותמת ה-Mac-Imprint (איור 8).
    3. ערבבו את ה-ES של HF ו-H2O2 ביחס של 17:1 (נפח) בתוך PTFE. תן ל- ES להישאר 5 דקות לפני החריטה.
      הערה: היחס המוצע מוביל לפרמטר הפתרון ρ = 98%16. ניתן לשנות את היחס על מנת לדכא או לקדם את שיעור החריטה.
    4. בזהירות לשפוך את ES לתוך EC באמצעות פיפטה פלסטיק.
    5. הבא את מוט PTFE עם חותמת Mac-Imprint המצורפת במגע עם שבב Si בדוגמת על ידי הגדרת הפקודה "העבר יחסית" 173,500 צעדים ממיקום הבית ולחיצה על כפתור "כתוב". עיין בקובץ משלים (איור S4a).
    6. לאחר מכן, הגדר 600-2,000 צעדים ולחץ על "כתוב" כדי להשיג עומסים בטווח של 4-10 lbf. מדוד ערכי עומס באמצעות תא עומס הנשלט על-ידי תוכנה. עיין בקובץ משלים (איור S4b).
    7. שמרו על קשר במהלך ה-Mac-Imprint (איור 8c). זמן ה-Mac-Imprint משתנה בין 1-30 דקות.
    8. הזז את מוט PTFE עם חותמת Mac-Imprint המצורפת למיקום הבית על-ידי לחיצה על "Home". עיין בקובץ משלים (איור S4a). בזהירות לשאוף את ES מתוך EC עם פיפטה פלסטיק.
    9. יש לשטוף את שבב ה-Si המוטבע באמצעות IPA ומי DI.
    10. ייבשו את שבב ה-Si המוטבע באוויר נקי ויבש.

figure-protocol-7
איור 8: תצלומים של הגדרת Mac-Imprint (A), חותמת לפני (B) ואחרי (C) מגע עם שבב Si. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

סריקת תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM), סריקות מיקרוסקופ אופטיות (איור 9) וסריקות מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM) (איור 10) הושגו כדי לחקור את המאפיינים המורפולוגיים של חותמות ה-Mac-Imprint ומשטחי Si המוטבעים. הפרופיל החתך של סי המוצק המוטבע הושווה לזה של חותמת Au הנקבובית המשומשת (איור 10). נאמנות העברת דפוס ודור Si נקבובי במהלך Mac-Imprint היו שני קריטריונים עיקריים לנתח הצלחה ניסיונית. ה- Mac-Impri...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בולי Mac-Imprint ושבבי Si משוטרים מראש (סוג p, [100] אוריינטציה, 1-10 Ohm∙cm) הוכנו על פי סעיפים 1 ו -2 של הפרוטוקול, בהתאמה. ה-Mac-Imprint של שבב Si משוטח מראש עם בולים המכילים דפוסים היררכיים תלת-ממדיים בוצעה על פי סעיף 3 של הפרוטוקול (איור 9). כפי שניתן לראות באיור 9a, תצורות שונות של Mac-Imprint הוחלו: סי מוצק עם Au מוצק (משמאל), Si נקבובי עם Au מוצק (באמצע)9, ו Si מוצק עם Au נקבובי (מימין)20. ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין לנו מה לחשוף.

תודות

אנו מודים לד"ר קנג הסו (אוניברסיטת לואיוויל) לתובנות לגבי עבודה זו; מעבדת פרדריק סייץ של אוניברסיטת אילינוי, ולזכרונו, חבר הסגל סקוט מקלארן; מרכז לירוי איירינג למדעי המדינה המוצקה באוניברסיטת אריזונה; וקרן המדע אריזונה תחת פרס חוקרי ביס גרוב.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אצטון, >99.5%, מגיב ACSסיגמא-אולדריץ'67-64-1זהירות,
פלואוריד אמוניום כימי, >98%,סיגמא-אולדריץ'12125-01-8זהירות,
תמיסת אמוניום הידרוקסיד מסוכנת, 28-30%, מגיב ACSסיגמא-אולדריץ'1336-21-6זהירות,
מפתח AZ 400Kמסוכן מיקרוכימיקליםAZ 400Kזהירות, כימי
BenchMark 800 תחריטAxicBenchMark 800תחריט יונים תגובתי
יעד כרום, 2 "x 0.125", 99.95% טוהרסגסוגות ACIADM0913מגנטרון מקרטע כרום יעד
CTF 12קרבוליט GeroC12075-700-208SNתנור צינור
מייבשפישר מדעי Chemglass מדעי החייםCG122611מייבש
F6T5 / BLBEikoF6T5 / BLB 6Wנורת UV
יעד זהב, 2 "x 0.125", 99.99% טוהרסגסוגות ACIN / Aמגנטרון מקרטע יעד זהב
פלטת חמה KW-4AHChemat TechnologyKW-4AHפלטה מפולסת עם פרופיל טמפרטורה אחיד
חומצה הידרופלואורית, 48%, מגיב ACSSigma-Aldrich7664-39-3זהירות, מסוכן ביותר
מי חמצן, 30%, מגיב ACSפישר כימיקל7722-84-1זהירות,
אלכוהול איזופרופיל מסוכן, >99.5%, מגיב ACSLabChem67-63-0זהירות,
טכניקות מתמרMLP-50 כימי MLP-50עומס
חומצה חנקתית, 70%, דרגת ACSSAFC7697-37-2זהירות,
NSC-3000מסוכןננו-מאסטרNSC-3000מגנטרון מקרטע
אשלגן הידרוקסיד, 45%, מוסמךפישר כימיקל1310-58-3זהירות,
משאבת ואקום כימית נדנדה 800, 110V/60Hzנדנדה1240043משאבת ואקום נטולת שמן
תבנית מאסטר סיליקוןNILTSMLA_V1שבב סיליקון עם
פרוסות סיליקוןפרוסות אוניברסיטה783יעד כסף של פרוסת Si
, 2 אינץ' x 0.125 אינץ', סגסוגות ACI בטוהר 99.99% HER2318יעד כסף מקרטע מגנטרון
SP-300BioLogicSP-300Potentiostat
SPIN 150iציפוי ספיןSPIN 150iציפוי ספין
SPR 200-7.0 חיובי לאור עמידותMicrochemSPR 220-7.0זהירות,
ערבוב כימי פלטה חמהתרמו מדעית Cimarec+SP88857100פלטת חימום לשימוש כללי
SU-8 2015 שלילי פוטו-רזיסטMicrochemSU-8 2015זהירות,
ערכת אלסטומר סיליקון כימית SYLGARD 184 DOW4019862 זהירות, כימי
T-LSR150BZaber TechnologiesT-LSR150B-KT04Uשלב ליניארי ממונע
טריכלורו (1H,1H,2H, 2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97%Sigma-Aldrich78560-45-9זהירות, מסוכן
בדרגת ACS תא דפוס, בדרגה מעולה

מקורות

  1. Ning, H., et al. Transfer-Printing of Tunable Porous Silicon Microcavities with Embedded Emitters. ACS Photonics. 1 (11), 1144-1150 (2014).
  2. Hirschman, K. D., Tsybeskov, L., Duttagupta, S. P., Fauchet, P. M. Silicon-based light emitting devices integrated into microelectronic circuits. Nature. 384, 338-341 (1996).
  3. Cho, J., et al. Nanoscale Origami for 3D Optics. Small. 7 (14), 1943-1948 (2011).
  4. Azeredo, B. P., et al. Silicon nanowires with controlled sidewall profile and roughness fabricated by thin-film dewetting and metal-assisted chemical etching. Nanotechnology. 24 (22), 225305-225312 (2013).
  5. Lin, C., Tsai, M., Wei, W., Lai, K., He, J. Packaging Glass with a Hierarchically Nanostructured Surface: a universal method to achieve selfcleaning omnidirectional solar cells. ACS Nano. 10 (1), 549-555 (2016).
  6. Park, K. C., et al. Nanotextured Silica Surfaces with Robust Superhydrophobicity and Omnidirectional Broadband Supertransmissivity. ACS Nano. 6 (5), 3789-3799 (2012).
  7. Kim, J., Joy, D. C., Lee, S. Controlling resist thickness and etch depth for fabrication of 3D structures in electron-beam grayscale lithography. Microelectronics Engineering. 84 (12), 2859-2864 (2007).
  8. Deng, S., Zhang, Y., Jiang, S., Lu, M. Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 15 (3), 0345031-0345036 (2016).
  9. Azeredo, B. P., Lin, Y., Avagyan, A., Sivaguru, M., Hsu, K. Direct Imprinting of Porous Silicon via Metal-Assisted Chemical Etching. Advanced Functional Materials. 26 (17), 2929-2939 (2016).
  10. Azeredo, B., Hsu, K., Ferreira, P. M. Direct Electrochemical Imprinting of Sinusoidal Linear Gratings into Silicon. The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-6 (2016).
  11. Li, H., Niu, J., Wang, G., Wang, E., Xie, C. Direct Production of Silicon Nanostructures with Electrochemical Nanoimprinting. ACS Applied Electronic Materials. 1 (7), 1070-1075 (2019).
  12. Kim, K., Ki, B., Choi, K., Lee, S., Oh, J. Resist-Free Direct Stamp Imprinting of GaAs via Metal-Assisted Chemical Etching. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (14), 13574-13580 (2019).
  13. Zhang, J., et al. Contact electrification induced interfacial reactions and direct electrochemical nanoimprint lithography in n-type gallium arsenate wafer. Chemical Science. 8, 2407-2412 (2017).
  14. Zhan, D., et al. Electrochemical micro/nano-machining: principles and practices. Chemical Society Reviews. 46 (5), 1526-1544 (2017).
  15. Li, X., Bohn, P. W. Metal-assisted chemical etching in HF / H2O2 produces porous silicon. Applied Physics Letters. 77 (16), 2572-2574 (2000).
  16. Chartier, C., Bastide, S., Levy-Clement, C. Metal-assisted chemical etching of silicon in HF - H2O2. Electrochimica Acta. 53, 5509-5516 (2008).
  17. Chattopadhyay, S., Li, X., Bohn, P. W. In-plane control of morphology and tunable photoluminescence in porous silicon produced by metal-assisted electroless chemical etching. Journal of Applied Physics. 91 (9), 6134-6140 (2002).
  18. Torralba, E., et al. 3D patterning of silicon by contact etching with anodically biased nanoporous gold electrodes. Electrochemistry Communications. 76, 79-82 (2017).
  19. Bastide, S., et al. 3D Patterning of Si by Contact Etching With Nanoporous Metals. Frontiers in Chemistry. 7, 1-13 (2019).
  20. Sharstniou, A., Niauzorau, S., Ferreira, P. M., Azeredo, B. P. Electrochemical nanoimprinting of silicon. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (21), 10264-10269 (2019).
  21. Niauzorau, S., Ferreira, P., Azeredo, B. Synthesis of Porous Noble Metal Films with Tunable Porosity by Timed Dealloying. The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-4 (2018).
  22. Geyer, N., et al. Model for the Mass Transport During Metal-Assisted Chemical Etching with Contiguous Metal Films As Catalysts. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (24), 13446-13451 (2012).
  23. Li, L., Liu, Y., Zhao, X., Lin, Z., Wong, C. Uniform Vertical Trench Etching on Silicon with High Aspect Ratio by Metal-Assisted Chemical Etching Using Nanoporous Catalysts. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (1), 575-584 (2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מאק-הטבעה של סיליקון נקבובימאק-הטבעה של סיליקון מוצקתעיית בחומצה פלואורידיתתמיסת מימן פראוקסידיישור תשתית חותמתהכנת תבנית PDMSציפוי פוטורזיסט SU-8התזה של זהב וכסףמיקרוסקופיית כוח אטומי
ננו-הדפסה אלקטרוכימית בסיוע מתכת של ופלים נקבוביים ומוצקים מסיליקון
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.