Articolo metodologico

Fabbricazione di sensore di immagine flessibile basato su Francesca laterale fototransistori

DOI:

10.3791/57502

⸱

23 giugno 2018

 ,  ,  , 
1School of Electrical Engineering and Computer Science, Gwangju Institute of Science and Technology

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Presentiamo un metodo dettagliato per fabbricare una matrice di fototransistor Paola deformabile laterale per sensori di immagine curvo. La matrice di fototransistor con una forma di mesh a trama larga, che si compone di isole di silicio sottile ed estensibile in metallo interconnettori, fornisce flessibilità ed elasticità. L'analizzatore di parametro caratterizza la proprietà elettrica del fabbricato fototransistor.

Abstract

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Fotorivelatori flessibile sono stati intensamente studiati per l'utilizzo di sensori di immagine curvo, che sono una componente cruciale in sistemi di imaging bio-ispirati, ma rimangono diversi punti difficili, come un efficienza di assorbimento basso a causa di un sottile strato attivo e basso flessibilità. Presentiamo un metodo avanzato per fabbricare una matrice fototransistor flessibile con un miglioramento delle prestazioni elettrica. La prestazione elettrica eccezionale è guidata da una bassa corrente di buia a causa di impurità profonde doping. Interconnettori metallo estensibile e flessibile contemporaneamente offrono stabilità elettrica e meccanica in uno stato altamente deforme. Il protocollo descrive in modo esplicito il processo di fabbricazione di fototransistor utilizzando una membrana di silicio sottile. Misurando le caratteristiche I-V del dispositivo completato negli stati deformati, dimostriamo che questo approccio migliora la stabilità meccanica ed elettrica della matrice fototransistor. Ci aspettiamo che questo approccio a un fototransistor flessibile può essere ampiamente usato per le applicazioni non solo generazione imaging systems/optoelettronica, ma anche dispositivi indossabili come sensori tattili/pressione/temperatura e monitoraggi di integrità.

Introduzione

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Sistemi di imaging bio-ispirati possono fornire molti vantaggi rispetto alla convenzionale imaging systems1,2,3,4,5. Retina o ommatidi emisferiche è un componente notevole del sistema visivo biologico1,2,6. Un sensore di immagine curvo, che imita l'elemento critico degli occhi degli animali, può fornire una configurazione compatta e semplice dei sistemi ottici con aberrazioni di basso7. Diversi progressi delle tecniche di fabbricazione e materiali, ad esempio, l'uso di materiali intrinsecamente morbidi come organico/nanomateriali8,9,10,11, 12 e l'introduzione di strutture deformabili ai semiconduttori tra cui il silicio (Si) e germanio (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, realizzare i sensori di immagine curvo. Fra loro, approcci basati su Si forniscono vantaggi intrinseci quali un'abbondanza di materiale, tecnologia matura, stabilità e superiorità ottico/elettrico. Per questo motivo, anche se Si ha rigidità intrinseca e fragilità, Si-based elettronica flessibile è stati ampiamente studiati per varie applicazioni, come ad esempio optoelettronica flessibile18,19,20 tra cui sensori di immagine curvo1,2,3e dispositivi sanitari anche indossabili21,22.

In un recente studio, abbiamo analizzato e migliorato le prestazioni elettriche di un sottile Si fotorivelatore matrice23. In quello studio, la cella ottimale singola unità della matrice fotorivelatore curvo è un tipo di Fototransistor (PTR) che è costituito da un fotodiodo e diodo di blocco. Il guadagno di giunzione base amplifica una fotocorrente generata, e quindi esibisce un percorso per migliorare una prestazione elettrica con una struttura di film sottile. Oltre la singola cella, la struttura di film sottile è adatta sopprimere una corrente di buio, che è considerata come rumore nella cellula fotoelettrica. Per quanto riguarda la concentrazione di drogaggio, una concentrazione maggiore di 1015 cm-3 è sufficiente per ottenere prestazioni eccezionali in cui le caratteristiche del diodo possono essere mantenute con un'intensità di luce sopra 10-3 W/cm2 23 . Inoltre, la singola cella PTR ha un rumore basso colonna e otticamente/elettricamente stabile proprietà rispetto a quella del fotodiodo. Basato su tali regole di progettazione, abbiamo fabbricato una matrice fotorivelatore flessibile che consiste di sottili Si PTRs utilizzando un wafer di silicio-su-isolante (SOI). In generale, una regola importante progettazione di sensori di immagine flessibile è il concetto di piano meccanico neutro che definisce la posizione attraverso lo spessore della struttura dove ceppi sono pari a zero per un arbitrariamente piccolo r24. Un altro punto cruciale è una serpentina geometria dell'elettrodo perché una forma ondulata fornisce elasticità completamente reversibile all'elettrodo. A causa di questi due concetti di design importante, la matrice di rivelatore fotoelettrico può essere flessibile ed estensibile. Esso facilita la deformazione 3D della matrice rivelatore fotoelettrico in una forma emisferica o una forma curva come la retina degli occhi animali2.

In questo lavoro, abbiamo dettaglio i processi per la fabbricazione della matrice curva PTR utilizzando processi di fabbricazione a semiconduttore (ad es., il doping, acquaforte e deposizione) e stampa di trasferimento. Inoltre, ci caratterizzano un singolo record PTR in termini di una curva-V. Oltre al metodo di fabbricazione e analisi di singole cellule, la funzionalità elettrica della matrice PTR viene analizzata stati deformati.

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Protocollo

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Attenzione: Alcune sostanze chimiche (cioè., acido fluoridrico, tamponata ossido mordenzante, alcool isopropilico, ecc.) ai fini del presente protocollo possa essere pericoloso per la salute. Si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza prima di qualsiasi preparazione del campione avviene. Utilizzare appropriati dispositivi di protezione individuale (ad es., camici, occhiali protettivi, guanti) e controlli tecnici (ad es., bagnato stazione, cappa aspirante) quando si maneggia mordenzanti e solventi.

1. Si Doping e isolamento

Nota: Vedere Figura 1a - 1D.

  1. Preparare un wafer SOI drogato di impiantazione ionica con le condizioni come segue: drogante-fosforo/boro, energia di 80/50 keV e una dose di 5 x 10153 x 1015 cm-3 per n+ e p+ , doping, rispettivamente. Per recuperare una cristallinità del wafer, temprare il campione ad una temperatura di 1000 ° C per 120 minuti in un forno dopo l'impiantazione ionica. Preparare i campioni drogati utilizzando il processo di impianto di ioni dal centro nazionale di NanoFab (NNFC) per alta sicurezza di processo e doping profonda profondità (Figura 1a).
  2. Per rimuovere l'ossido nativo, immergere il campione a dadini con un mestolo di Teflon in ossido tamponata mordenzante (BOE) per 5 s e pulire il campione a dadini in sequenza con acetone, alcool isopropilico (IPA) e acqua deionizzata (DI).
  3. Formano un reticolo di photoresist (PR) per l'isolamento di Si (Figura 1b).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
  4. Secco etch il campione di Si usando acquaforte ioni reattivi al plasma accoppiato induttivamente (ICP-RIE) con potenza di 100 W RF, 0 potenza W ICP, pressione dell'alloggiamento mTorr 30 e SF6 gas (40 sccm) per 6 min (Figura 1C).
  5. Per rimuovere uno strato di ossido sepolto, immergere i campioni in acido fluoridrico 49% per 2 min, utilizzando un mestolo di Teflon (Figura 1D).
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

2. sacrificale ossido Layer Deposition

Nota: Vedere Figura 1e - 1g.

  1. Depositare uno strato sacrificale di SiO2 con uno spessore di 130 nm usando plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) con una temperatura di 230 ° C, 20 W RF di potenza, 1000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min ( Figura 1e).
  2. Lo strato di PR del modello come maschera per uno strato sacrificale di SiO2 (Figura 1f).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con cerbottana2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
  3. Per la modellazione dello strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon (Figura 1 g).
  4. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

3. deposizione del primo strato di Polyimide e di eseguire la prima metallizzazione

  1. Avvitabile cappotto poliimmide (PI) il campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1 h).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, 20 W RF di potenza, pressione di 1.000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  3. Modello il SiO2 come un livello maschera duro per PI a secco acquaforte (Figura 1i).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 20 min.
  5. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  7. Deposito di 10 spessore di nm nm/200 Cr/au da sputtering.
  8. Lo strato di metallo Cr/Au (Figura 1j) del modello.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Per indurire il PR, duro cuocere il campione a 110 ° C per 5 min.
    3. Mordenzare lo strato di Cr/Au con un mordenzante bagnato per 60 s/20 s, rispettivamente.
  9. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
    Nota: Il processo di pulizia deve essere molto attenti, poiché non vi è un rischio di peeling lo strato PI.

4. deposizione del secondo strato di Polyimide e di eseguire la seconda metallizzazione

  1. Spin cappotto PI sul campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1 k).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1.000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  3. Modello il SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco (Figura 1 l).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 50 min.
  5. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  7. Cassetta 10 nm/200 nm di spessore di Cr/Au da polverizza rivestimento.
  8. Modello lo strato di metallo Cr/Au (Figura 1 m).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Mordenzare lo strato Cr/Au di un mordenzante bagnato per 60 s/20 s, rispettivamente.
  9. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  10. Per rimuovere l'umidità, asciugare il substrato pulito con una cerbottana di azoto, tenendola con le pinzette.
    Nota: Esiste un rischio di peeling lo strato di polyimide, quindi eseguire il processo di pulizia molto attentamente.

5. che incapsula il campione con PI e apertura tramite i fori e la struttura della maglia

  1. Spin cappotto PI sul campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1n).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 650 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1.000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 8 min.
  3. Modello di SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 2 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
      Nota: A causa delle piccole dimensioni della campitura, è necessario lasciarlo a sviluppare più a lungo il tempo di sviluppo precedente.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 75 min.
  5. A secco etch il Si di ICP-RIE con 100 W RF potenza, potenza W ICP 0, pressione dell'alloggiamento mTorr 30 e 40 sccm SF6 gas per 6 min (Figura 1o).
  6. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  7. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  8. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  9. Modello di SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  10. A secco etch il PI di RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 75 min.
  11. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  12. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione pulito con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

6. mordenzatura lo strato sacrificale e il trasferimento del campione su substrati flessibili

Nota: Vedere la Figura 2.

  1. Mordenzare lo strato sacrificale immergendo il campione in acido fluoridrico 49% per 20 min (Figura 2a; inserto).
  2. Lavare il campione con acqua deionizzata.
  3. Dopo aver utilizzato il fenomeno capillare di un tergicristallo per assorbire l'umidità tra il substrato e il dispositivo, asciugare il campione pulito con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette per rimuovere l'umidità residua (Figura 2a).
    1. Eseguire il processo di risciacquo e asciugatura del campione. Dovuto alla bassa adesione tra il dispositivo e il substrato, questo ha da fare con molta attenzione, per non separare il substrato e il dispositivo.
  4. Tenere l'esempio utilizzando nastri di carbonio e fissate il nastro solubile in acqua.
  5. Togliere il nastro solubile in acqua in un istante per evitare che il dispositivo rimanga sul substrato (Figura 2b).
  6. Confermare che il campione è attaccato al nastro solubile in acqua.
  7. Trasferire il campione per un polidimetilsilossano (PDMS) rivestito in polietilene tereftalato (PET) (Figura 2C).
    1. Preparare PDMS (10:1 miscela del prepolimero: agente indurente) e rimuovere eventuali bolle d'aria nel PDMS di degasaggio.
    2. Cappotto di spin il PDMS sulla pellicola PET a 1.000 giri/min per 30 s e cuocere la pellicola dell'animale domestico su una piastra calda ad una temperatura di 110 ° C per 10 min.
    3. Esporre il campione ai raggi UV per 30 s per migliorare l'adesione del PDMS e fissate il nastro solubile in acqua con il campione per il film di PET rivestite con PDMS.
      Nota: Il trattamento UV aumenta l'adesione di una superficie PDMS.
  8. Per rimuovere il nastro solubile in acqua, attentamente goccia d'acqua su di esso, utilizzando una pipetta. Rimuovere il nastro solubile in acqua con un flusso lento di acqua per impedire al dispositivo di essere spazzata via dall'acqua. Essiccare il campione lentamente con una cerbottana di2 N, tenendola con il forcipe (figura 2d).

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Risultati

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Figura 3a e 3b mostrano la struttura progettata e fabbricata di NIPIN PTR considerando precedente studi2,23. L'inserto in Figura 3a esibisce una caratteristica di base V di PTR. I parametri strutturali dettagliati di PTR sono riportati nella Figura 3b. Il processo di anti-doping per un strato Si su un wafer SOI è stata condot...

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Discussione

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La tecnologia di fabbricazione descritta qui contribuisce in modo significativo al progresso dell'elettronica avanzata e dispositivi indossabili. I concetti fondamentali di questo approccio utilizzano una sottile membrana di Si e metallo interconnettori capace di stretching. Anche se Si è un materiale fragile e duro che può facilmente essere fratturato, uno strato molto sottile Si può ottenere una flessibilità26,27. Nel caso l'interconnettore metallo, la forma on...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questa ricerca è stata sostenuta dal programma di scoperta di materiali creativi attraverso la National Research Foundation di Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza e ICT (NRF-2017M3D1A1039288). Inoltre, questa ricerca è stata sostenuta dall'Istituto per informazioni e comunicazioni tecnologia Promozione (IITP) sovvenzione finanziata dal governo di Corea (MSIP) (No.2017000709, approcci integrati di fisicamente inclonabile primitive crittografiche utilizzando casuale laser e optoelettronica).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
MBJ3karl sussMJB3 UV400 MASK ALIGNERAllineatore maschera
80 plus RIEOxford strumentiPlasmalab 80 Plus per RIEICP-RIE
80 plus PECVDOxford instrumentsPlasmalab 80 Plus forPECVD,PECVD
SF-100NDRhabdos Co., Ltd.SF-100NDSpin coater
PolyimmideSigma-Aldrich575771Poly (dianidride piromellitico-co-4,4′-ossidianilina), soluzione di acido ammicico
SOI (silicio su isolante) wafer, 8 polliciSoitecSOI (silicio su isolante) wafer8 pollici 8 pollici SOI Wafer (silicio Spessore: 1.25μ m)
AcetoneDuksan Pure Chemicals Co., Ltd.3051Acetone
Alcool isopropilico (IPA)Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.4614Alcool isopropilico (IPA)
Ossido tamponato Etch 6:1Avantor1278Ossido tamponato Etch 6:1
HSD150-03PMisung Scientific Co., LtdHSD150-03PPiastra riscaldante
AZ5214MicrochimicoAZ5214Fotoresist
MIF300MicrochimicoMIF300Sviluppatore
SYLGARD184Dow CorningSYLGARD184Elastomero polidimetilsilossano
Acido fluoridrico Fornitore verificato - Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.2919Acido fluoridrico 
CR-7KMG Chemicals, Inc210023Mordenzante per maschera cromata
MFCD07370792Sigma-Aldrich651842Mordenzante per l'oro
,

Riferimenti

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