Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Metallassistert elektrokjemisk nanoimprinting av porøse og solide silisiumskiver

Published: February 8, 2022 doi: 10.3791/61040
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1The Polytechnic School, Arizona State University

Summary

En protokoll for metallassistert kjemisk avtrykk av 3D-mikroskalafunksjoner med formnøyaktighet under 20 nm til faste og porøse silisiumskiver presenteres.

Abstract

Metallassistert elektrokjemisk avtrykk (Mac-Imprint) er en kombinasjon av metallassistert kjemisk etsning (MACE) og nanoimprint litografi som er i stand til direkte mønster av 3D mikro- og nanoskalafunksjoner i monokrystallinsk gruppe IV (f.eks. Si) og III-V (f.eks. GaAs) halvledere uten behov for offermaler og litografiske trinn. I løpet av denne prosessen bringes et gjenbrukbart stempel belagt med en edel metallkatalysator i kontakt med en Si-wafer i nærvær av en hydrofluorsyre (HF) og hydrogenperoksidblanding (H2O2), noe som fører til selektiv etsning av Si ved kontaktgrensesnittet for metall-halvleder. I denne protokollen diskuterer vi stempel- og substratforberedelsesmetodene som brukes i to Mac-Imprint-konfigurasjoner: (1) Porous Si Mac-Imprint med en solid katalysator; og (2) Solid Si Mac-Imprint med en porøs katalysator. Denne prosessen er høy gjennomstrømning og er i stand til centimeterskala parallell mønster med sub-20 nm oppløsning. Det gir også lav defekttetthet og stort områdemønster i en enkelt operasjon og omgår behovet for tørr etsning som dyp reaktiv ionetsing (DRIE).

Introduction

Tredimensjonal mikro- og nanoskala mønster og teksturering av halvledere muliggjør mange bruksområder på ulike områder, for eksempel optoelektronikk1,2, fotonikk3, antireflekterende overflater4, superhydrofobisk og selvrensende overflater5,6 blant andre. Prototyping og masseproduserende 3D og hierarkiske mønstre har blitt oppnådd for polymerfilmer ved myk litografi og nanoimprinting litografi med sub-20 nm oppløsning. Overføring av slike 3D-polymere mønstre til Si krever imidlertid etsende selektivitet av et maskemønster under reaktiv ionetsing og begrenser dermed sideforholdet, og induserer formforvrengninger og overflateruhet på grunn av kamskjelleffekter7,8.

En ny metode kalt Mac-Imprint er oppnådd for parallell og direkte mønster av porøs9 og solide Si wafers10,11 samt solide GaAs wafers12,13,14. Mac-Imprint er en kontaktbasert våtetsingsteknikk som krever kontakt mellom substrat og et edelt metallbelagt stempel som har 3D-funksjoner i nærvær av en etsende løsning (ES) sammensatt av HF og et oksidant (f.eks. H2O2 når det gjelder Si Mac-Imprint). Under etsningen oppstår to reaksjoner samtidig15,16: en katodisk reaksjon (dvs. H2O2-reduksjonen ved det edle metallet, hvor positive ladebærere [hull] genereres og deretter injiseres i Si17) og en anodisk reaksjon (dvs. Si-oppløsning, hvor hullene forbrukes). Etter tilstrekkelig tid i kontakt, blir stempelets 3D-funksjoner etset inn i Si-waferen. Mac-Imprint har mange fordeler i forhold til konvensjonelle litografiske metoder, for eksempel høy gjennomstrømning, kompatibilitet med rulle-til-plate- og roll-to-roll-plattformer, amorfe, mono- og polykrystallinske Si og III-V halvledere. Mac-Imprint-stempler kan brukes på nytt flere ganger. I tillegg kan metoden levere en sub-20 nm etseoppløsning som er kompatibel med moderne direkte skrivemetoder.

Nøkkelen til å oppnå hi-fi-avtrykk er diffusjonsveien til etsefronten (dvs. kontaktgrensesnitt mellom katalysator og substrat). Arbeidet til Azeredo et al.9 viste først at ES-diffusjon er aktivert gjennom et porøst Si-nettverk. Torralba et al.18 rapporterte at for å realisere solid Si Mac-Imprint er ES-diffusjonen aktivert gjennom en porøs katalysator. Bastide et al.19 og Sharstniou et al.20 undersøkte ytterligere katalysatorens porøsitetspåvirkning på ES-diffusjon. Dermed har konseptet Mac-Imprint blitt testet i tre konfigurasjoner med tydelige diffusjonsveier.

I den første konfigurasjonen er katalysatoren og substratet solide, og gir ingen innledende diffusjonsvei. Mangelen på reaktiv diffusjon fører til en sekundær reaksjon under avtrykk som danner et lag av porøs Si på substratet rundt kanten av catalyst-Si-grensesnittet. Reaktantene blir deretter utarmet, og reaksjonen stopper, noe som resulterer i ingen merkbar mønsteroverføringsgjengivelsestro mellom stempelet og substratet. I andre og tredje konfigurasjon aktiveres diffusjonsveiene gjennom porøse nettverk som introduseres enten i substratet (dvs. porøs Si) eller i katalysatoren (dvs. porøst gull) og høy mønsteroverføringsnøyaktighet oppnås. Dermed spiller massetransporten gjennom porøse materialer en kritisk rolle i å muliggjøre spredning av reaktanter og reaksjonsprodukter til og bort fra kontaktgrensesnittet9,18,19,20. Et skjema av alle tre konfigurasjonene vises i figur 1.

Figure 1
Figur 1: Skjemaer for Mac-Imprint-konfigurasjoner. Denne figuren fremhever porøse materialers rolle i å muliggjøre diffusjon av reagerende arter gjennom substratet (dvs. tilfelle II: porøs Si) eller i stempelet (dvs. tilfelle III: katalysator tynn film laget av porøst gull). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I dette dokumentet diskuteres Mac-Imprint-prosessen grundig, inkludert stempelforberedelse og substratforbehandling sammen med Mac-Imprint selv. Substratforbehandlingsdelen i protokollen inkluderer Si-waferrengjøring og Si-wafermønster med tørr etsning og substrat-anodisering (valgfritt). Videre er en stempelforberedelsesseksjon delt inn i flere prosedyrer: 1) PDMS-kopistøping av Si master mold; 2) UV nanoimprinting av et fotoresistlag for å overføre PDMS-mønsteret; og 3) katalytisk lagavsetning via magnetron sputtering etterfulgt av dealloying (valgfritt). Til slutt, i Mac-Imprint-delen, presenteres Mac-Imprint-oppsettet sammen med Mac-Imprint-resultatene (dvs. Si overflate 3D-hierarkisk mønster).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIKTIG: Bruk egnet sikkerhetspraksis og personlig verneutstyr (f.eks. labfrakk, hansker, vernebriller, sko med lukket tå). Denne prosedyren benytter HF-syre (48% wt) som er et ekstremt farlig kjemikalie og krever ekstra personlig verneutstyr (dvs. et ansiktsskjold, naturlig gummiforkle og andre par nitrilhansker som dekker hånden, håndleddene og underarmene).

1. Stempelforberedelse for Mac-avtrykk

  1. PDMS mugg fabrikasjon
    1. Forbered RCA-1-løsningen ved å blande deionisert rent (DI) vann og ammoniumhydroksid i glassbegeret i et 5: 1-forhold (volum). Plasser begeret med blandingen på en omrørende kokeplate (se Materialbord) og varm blandingen opp til 70 °C. Mål temperaturen på blandingen med en kalibrert termokobling og tilsett 1 del av hydrogenperoksidet til den forvarmede blandingen for å oppnå RCA-1-løsningen. Vent til RCA-1-oppløsningen begynner å boble kraftig (figur 2).
    2. Oppbevar RCA-1-oppløsningen ved 70 °C.
    3. Bløtlegg Si master mold i RCA-1-løsningen i 15 min.
    4. Ta Si master mold ut av RCA-1-løsningen og skyll grundig med DI-vann.
    5. Gjør Si master mold hydrofob. Legg Si master mold i en plast Petri tallerken og legg den inne i en desiccator (se Tabell over materialer). Bruk en plastpipette, tilsett noen dråper trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan (PFOCS) på en plastveiebåt og plasser den inne i desiccatoren ved siden av plast petriskålen med Si master mold.
      MERK: Plasser avstandsstykker under Si master mold for å heve den fra bunnen av Petri parabolen. Dette vil tillate PFOCS å jevnt dekke Si master mold og hindre PDMS stikker.
    6. Lukk tørkelokket. Koble utgangen til tørkeapparatet til vakuumpumpen (se Materialtabellen) gjennom et PVC-rør. Start vakuumpumpen. Sett trykknivået til 30 kPa ved hjelp av vakuumpumpeventilen.
    7. Åpne tørkeventilen og påfør vakuum i 30 min.
    8. Mens vakuum påføres tørkemiddelet, blander du basen og herdemiddelet som følger med i silikonelastomersettet (PDMS) (se Materialtabell) i forholdet 10:1 (masse). Rør blandingen sakte med en glassspatel i 10-15 min.
    9. Slå av vakuumpumpen. Åpne tørkeapparatet og fjern veiebåten i plast med PFOCS.
      MERK: Fjern avstandsstykker fra undersiden av Si master mold.
    10. Hell PDMS forsiktig over Si master mold for å dekke den helt med det 2-3 mm laget av PDMS (figur 3a).
    11. Gjenta trinn 1.1.6.
    12. Degas the PDMS. Åpne desiccatorventilen og påfør vakuum i 20 minutter eller til bobler forsvinner.
    13. Slå av vakuumpumpen. Åpne tørkeapparatet. Ta ut petriskålen i plast med den PDMS-dekkede Si-masterformen og legg den på en kokeplate (se Materialbord) forvarmet til 80 °C (figur 3b).
    14. Herd PDMS med Si master mold på kokeplaten ved 80 °C i 120 min (figur 3b).
    15. Fjern petriskålen i plast med herdet PDMS fra kokeplaten. Bruk en skalpell til å trimme kantene på den herdede PDMS inne i petriskålen i plast. Ta forsiktig den herdede PDMS med Si master mold ut av plast Petri parabolen ved hjelp av pinsett.
    16. Fjern forsiktig all PDMS som lekket under Si master mold ved hjelp av en skalpell. Fjern den herdede PDMS fra Si master mold ved hjelp av pinsett. Skrell den sakte, parallelt med retningen til Si master stempelmønsteret.
    17. Beskjær 2 x 2 cm PDMS-formen med mønsteret i midten ved hjelp av en skalpell. Oppbevar PDMS-formen i petriskålen i plast med mønsteret vendt opp.

Figure 2
Figur 2: Rensing av RCA-1. (a) Oppløsningsoppvarming og (b) Si rengjøring. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: PDMS muggfabrikasjonsprosess. (a) Skjematisk representasjon av prosessen. (b) Fotografier av prosesstrinnene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Fotoresistisk UV nanoimprinting
    1. Cleave en 2,5 x 2,5 cm Si chip ut av Si wafer ved hjelp av en skriver.
    2. Gjenta trinn 1.1.1-1.1.4 for å rengjøre Si-brikken.
    3. Ta SU-8 2015 fotoresist ut av kjøleskapet og la det holde seg ved romtemperatur (RT) i 10-15 min før spinnbelegg.
    4. Åpne spin coater lokket (se Tabell over materialer). Plasser Si-brikken inne i spincoateren på vakuumchucken (figur 4a).
    5. Koble spincoaterens utgang til vakuumpumpen gjennom PVC-røret. Start vakuumpumpen. Sett trykknivået til 30 kPa ved hjelp av vakuumpumpeventilen.
    6. Velg en spinnbeleggprosedyre med følgende parametere: spred ved 500 rpm i 10 s med akselerasjon 100 rpm / s, spinn ved 2000 rpm i 30 s med akselerasjon 300 rpm / s.
      MERK: Trinn 1.2.6 vil produsere et 20 μm tykt SU-8 2015-lag.
    7. Påfør vakuum på vakuumchucken ved å trykke på "VAC ON" på spinnfrakkdisplayet. Se tilleggsfil (figur S1).
    8. Hell 1,5 ml SU-8 2015 fotoresist på midten av Si-brikken.
    9. Lukk spin coater lokket. Start spinnbelegget ved å trykke på "START". Se tilleggsfil (figur S1).
    10. Åpne spin coater lokket. Slå av vakuumet ved å trykke på "VAC OFF". Se tilleggsfil (figur S1). Ta ut Si-brikken med det spin-belagte laget av SU-8 2015 fotoresist ved hjelp av pinsett (figur 4a).
    11. Plasser PDMS-formen forsiktig på den fotoresistbelagte Si-brikken med mønsteret vendt ned. Slå av PDMS-formen manuelt. Sett en UV-gjennomsiktig glassplate på baksiden av PDMS, noe som resulterer i 15 g/cm2-vekt påført PDMS-formen (figur 4b).
    12. Utfør konstant UV-eksponering i 2 timer med en 6 W UV-pære (se Materialbord) plassert 10 cm fra Si-skiveoverflaten.
    13. Fjern PDMS-formen fra Si-brikken ved hjelp av pinsett. Skrell sakte av i retning parallelt med retningen på det herdede SU-8 2015-mønsteret.

Figure 4
Figur 4: Fotoresist UV nanoimprinting prosess. (a) Fotografier av fotoresistisk spinnbelegg. (b) Skjemaer og fotografier av UV nanoimprinting. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Gull katalysator tynn filmavsetning av magnetron sputtering
    1. Fest Si-brikkene med et mønstret SU-8 2015 fotoresistlag på en 4 tommers Si-wafer ved hjelp av dobbeltsidig polyimidbånd.
    2. Åpne kammeret til magnetron sputteren (se Tabell over materialer). Plasser 4 tommers Si-waferen med vedlagte Si-brikker på en rotasjonsplate. Lukk den heldekkende platen ved å trykke på "Solid"-knappen i kontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S2b).
      MERK: "Solid"-knappen blir grønn når lukkeren lukkes.
    3. Plasser Cr- og Au-mål (se Materialtabell) på magnetronpistolene som er koblet til DC-strømforsyningen. Plasser et Ag-mål (se Materialtabell) på magnetronpistolen som er koblet til RF-strømforsyningen. Sett avstanden mellom mål og rotasjonsplate til 8,5 tommer.
    4. Lukk kammeret til magnetronen sputter og begynn å evakuere kammeret ved å trykke på "Pump Down" og "Turbo Enable" i kontrollprogramvaren. La det være over natten. Se tilleggsfil (figur S2a).
    5. Slå på likestrøms- og RF-strømforsyningene. Åpne Cr-pistollukkeren ved å trykke på "Gun 1 Open" i kontrollprogramvaren. Sett DC-strømforsyningen til 100 W i kontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S2b).
    6. Sett "Tykkelseskontrollert prosess" til 200 Å. Aktiver rotasjonen av rotasjonsplaten ved å trykke på knappene "Cont" og "Rotation" i kontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S2b).
    7. Sett avsetningstrykket til 3 mTorr. Se tilleggsfil (figur S2b).
    8. Sett Ar-strømningshastigheten til 50 sccm i kontrollprogramvaren. Aktiver DC-strømforsyningen ved å trykke på "DC-strømforsyning" i kontrollprogramvaren. Endre Ar-strømningshastigheten til 5 sccm. Se tilleggsfil (figur S2b).
    9. Start krystalltykkelsesmonitoren og tara tykkelsen ved å trykke på henholdsvis "START" og "ZERO THICKNESS" -knappene i kontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S2b).
    10. Start den tykkelseskontrollerte prosessen ved å trykke på "Tykkelseskontrollert prosess". Åpne den heldekkende platen ved å trykke på "Solid". Tara tykkelsesmonitoren en gang til ved å trykke på "ZERO THICKNESS". Se tilleggsfil (figur S2b).
    11. Når sputteringsendene er avsluttet, lukker du platens heldekkende lukker ved å trykke på "Solid". Stopp tykkelsesmonitoren ved å trykke på "STOP". Se tilleggsfil (figur S2b).
    12. Åpne Au-pistollukkeren ved å trykke på "Gun 2 Open". Sett DC-strømforsyningen til 35 W. Se tilleggsfil (figur S2b).
    13. Sett "Tykkelseskontrollert prosess" til 800 Å. Aktiver rotasjonen av rotasjonsplaten ved å trykke på knappene "Cont" og "Rotation". Se tilleggsfil (figur S2b).
    14. Gjenta trinn 1.3.7-1.3.11.
    15. Luft magnetronens sputterkammer ved å trykke på "Press to Vent" i kontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S2c). Den resulterende strukturen er et solid Au Mac-Imprint-stempel (figur 5).
      MERK: Utfør trinn 1.4 og 1.5 bare hvis det kreves frimerker med porøse katalytiske filmer.

Figure 5
Figur 5: Katalytisk stempelforberedelsesprosess. (a) Skjemaer for den tynne filmavsetningen. (b) Fotografier av magnetron sputtering systemet. (c) Fotografi av dealloying prosess med representative porøse gull SEM bilder. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Sølv / Gull katalysator tynn filmavsetning av magnetron sputtering
    1. Gjenta trinn 1.3.1-1.3.14. I trinn 1.3.13 settes den tykkelseskontrollerte prosessen til 500 Å i stedet for 800 Å.
    2. Åpne au- og ag-pistolskodden ved å trykke på "Gun 3 Open". Sett likestrøms- og RF-strømforsyningene til henholdsvis 58 W og 150 W. Se tilleggsfil (figur S2b).
      MERK: Trinn 1.4.2 vil gi en Ag/Au-legering med sammensetning 60/40 (volum)
    3. Sett "Timed Process" til 16.5 min i kontrollprogramvaren. Aktiver rotasjonen av rotasjonsplaten ved å trykke på knappene "Cont" og "Rotation". Se tilleggsfil (figur S2b).
      MERK: Trinn 1.4.3-1.4.8 i protokollen vil produsere et 250 nm tykt Ag/Au legeringslag.
    4. Sett luftmengden til 50 sccm. Aktiver likestrøms- og RF-strømforsyningen ved å trykke på henholdsvis "DC Supply" og "RF Supply". Endre luftmengden til 5 sccm. Se tilleggsfil (figur S2b).
    5. Start krystalltykkelsesmonitoren og tara tykkelsen ved å trykke henholdsvis "START" og "ZERO THICKNESS". Se tilleggsfil (figur S2b).
    6. Start den tidskontrollerte prosessen ved å trykke på "Timed Process". Åpne den heldekkende platen ved å trykke på "Solid". Tara tykkelsesmonitoren en gang til ved å trykke på "ZERO THICKNESS". Se tilleggsfil (figur S2b).
    7. Når sputteringsendene er avsluttet, lukker du platens heldekkende lukker ved å trykke på "Solid". Stopp tykkelsesmonitoren ved å trykke på "STOP". Se tilleggsfil (figur S2b).
    8. Gjenta trinn 1.3.15.
      MERK: Den resulterende strukturen er et Ag / Au-legering sputtered Mac-Imprint-stempel.
  2. Sølv / Gull katalysator tynn film dealloying
    1. Bland DI vann og salpetersyre i glassbegeret i 1:1-forholdet (volum). La det avkjøles ned til 30 °C.
    2. Plasser begeret med blandingen på en omrørende kokeplate og senk den perforerte polytetrafluoretylenprøveholderen (PTFE) ned i blandingen. Varm blandingen opp til 65 °C med konstant omrøring ved 100 o/min. Mål hele tiden temperaturen på blandingen med en kalibrert termokobling.
    3. Plasser Si-brikkene med det mønstrede SU-8 2015-laget sputtered med Ag / Au-legering i blandingen og dealloy i 2-20 min21.
    4. Etter dealloying, slukke prøver i RT DI vann i 1 min.
    5. Ta Si-brikkene ut av DI-vannet og skyll grundig med DI-vann.

2. Silikonsubstratmønster og rengjøring

  1. Substratpreparat for solid Si-avtrykk med porøs katalysator
    1. Oksider 4 tommers Si-wafer ved 1150 °C i 24 timer i en O2-strøm på 4 sccm.
    2. Ta SPR 220 7.0 fotoresist ut av kjøleskapet og la det holde seg på RT i 10-15 min før spinnbelegg.
    3. Åpne spin coater lokket. Plasser Si-skiven inne i spinnfrakkeren på vakuumchucken.
    4. Koble spin coaterens utgang til vakuumpumpen gjennom et PVC-rør. Start vakuumpumpen. Sett trykknivået til 30 kPa ved hjelp av vakuumpumpeventilen.
    5. Velg en spinnbeleggprosedyre med følgende parametere: spred ved 400 rpm i 30 s med akselerasjon 200 rpm / s, spinn ved 2000 rpm i 80 s med akselerasjon 500 rpm / s.
      MERK: Trinn 2.1.5 vil produsere et 9 μm tykt SPR 220 7.0-lag.
    6. Påfør vakuum på vakuumchucken ved å trykke på "VAC ON" på spinnfrakkdisplayet.
    7. Hell 5 ml SPR 220 7,0 fotoresist i midten av 4 i Si wafer.
    8. Lukk spin coater lokket. Start spinnbelegget ved å trykke på "START".
    9. Åpne spin coater lokket. Slå av vakuumet ved å trykke på "VAC OFF". Ta ut 4 tommers Si wafer med det spin-belagte laget av SPR 220 7.0 fotoresist ved hjelp av pinsett.
    10. Plasser Si-skiven med det spin-belagte laget spr 220 7.0 fotoresist på en kokeplate forvarmet til 110 °C og forbakt i 2 minutter. La avkjøles i 1 min.
    11. Utsett fotoresistlaget gjennom masken med et firkantet mesasmønster som har følgende parametere: bredde = 500 μm og avstand = 900 μm. Flomeksponering i 10 s for å oppnå en 150 mJ / cm2 dosering.
    12. Utvikle det eksponerte fotoresistlaget i 4:1 (volum) av utvikleren: DI vann i 3 min. Skyll prøven med DI-vann og kontroller funksjonene i mikroskopet.
    13. Plasser Si-skiven med den utviklede SPR 220 7.0 fotoresisten på en kokeplate forvarmet til 120 °C og hard bake i 5 minutter. La avkjøles i 1 min.
    14. Ets oksidlaget i reaktivt ionetsingsutstyr i 20 minutter ved hjelp av følgende parametere: trykk = 100 mT, O2-strømning = 3 sccm, CF4-strømning = 24 sccm, effekt = 250 W.
    15. Fjern SPR 220 7.0-laget med aceton, skyll deretter med isopropylalkohol (IPA) og DI-vann.
    16. Utfør etsning i et 30% KOH-bad (vekt) ved 80 °C i 100 minutter med konstant omrøring ved 175 o/min for å lage mesas på Si-waferen.
    17. Fjern oksidlaget med bufret oksidetsetsingsløsning.
    18. Skyll grundig med DI-vann.
      MERK: Si-skivemønstermaskeoppsett og enkeltmønstret brikke er vist i figur 6.

Figure 6
Figur 6: Si wafer mønster maske layout (A) og enkelt mønstret chip (B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Substratpreparat for porøs Si-avtrykk med solid katalysator
    1. Gjenta trinn 2.1.
    2. Belegge baksiden av den mønstrede 4 tommers Si wafer med nikkel og anneal ved 320 °C i et hurtig termisk glødekammer i N2 i 3 minutter.
    3. Cleave 2,5 x 2,5 cm Si chips ut av den mønstrede 4 tommers Si wafer ved hjelp av en skriver.
    4. Plasser Si-brikken inne i den nederste delen av den elektrokjemiske cellen (EC). Plasser en O-ring på toppen av Si-brikken. Sett den øverste delen av EC på og stram skruene.
    5. Sett det galvanisostatiske regimet i kontrollprogramvaren potentiostat (se Materialliste). Se tilleggsfil (figur S3). Koble en arbeidselektrode til Si-brikken og motelektroden til platinaelektroden (figur 7).
    6. Fyll EF forsiktig med HF og sett inn en sylindrisk platinaelektrode fra toppen til 5 mm over Si-sponoverflaten (figur 7b).
    7. Påfør gjeldende tetthet på 135 mA/cm2 i 120 s ved å trykke på den grønne Start-knappen i potensiostatprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S3).
    8. Sug forsiktig HF ut av EC med en plastpipette.
    9. Skyll grundig med DI-vann.
      MERK: Si-anodiseringsprosessen og Si-brikken med et porøst Si-lag er vist i figur 7.

Figure 7
Figur 7: Fotografier av substrat porosifiseringsprosedyren (Si anodisering). (a) PC-kontrollert potensiostat koblet til to-elektrode elektrokjemisk celle. (b) Elektrokjemisk celle med platinaelektrode. (c) Si chip med et porøst Si-lag. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

3. Mac-Imprinting oppsett

  1. Stempel til PTFE stangfiksering
    1. Plasser referansen Si chip inne i den nederste delen av EC. Plasser Mac-Imprint stempelet på toppen av referansen Si chip med mønsteret vendt ned.
    2. Fest PTFE-stangen til veiecellen (se Materialtabell) gjennom en dobbeltsidig gjenget skrue. Koble strukturen til det programvarestyrte motoriserte lineære stadiet (se Materialfortegnelse) gjennom en metallbrakett.
    3. Legg til en liten dråpe SU-8 2015 fotoresist på baksiden av Mac-Imprint stempelet.
    4. Ta PTFE-stangen i kontakt med et SU-8-dråpe ved å sette kommandoen "Flytt relativ" 173 500 trinn fra hjemposisjonen og trykk på "Skriv" -knappen i trinnkontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S4a).
    5. Herd SU-8 2015 fotoresistdråpen med en 6 W UV-pære i 2 timer. Se tilleggsfil (figur S5).
    6. Ta PTFE-stangen med det vedlagte Mac-Imprint-stempelet i hjemposisjonen ved å sette kommandoen "Hjem" og trykke på "Skriv" i scenekontrollprogramvaren. Se tilleggsfil (figur S4a).
    7. Sett sammen EC.
  2. Mac-Imprinting-operasjon
    1. Rengjør den mønstrede Si-brikken i henhold til trinn 1.1.1-1.1.4.
    2. Plasser den mønstrede Si-brikken i midten av en EC. Plasser EC under PTFE-stangen med Mac-Imprint-stempelet (figur 8).
    3. Bland ES av HF og H2O2 i forholdet 17:1 (volum) inne i et PTFE-beger. La ES bli i 5 minutter før etsning.
      MERK: Det foreslåtte forholdet fører til løsningsparameteren ρ = 98%16. Forholdet kan endres for å undertrykke eller fremme etsehastigheten.
    4. Hell ES forsiktig inn i EC ved hjelp av en plastpipette.
    5. Ta med PTFE-stangen med det vedlagte Mac-Imprint-stempelet i kontakt med den mønstrede Si-brikken ved å sette kommandoen "Move Relative" 173 500 trinn fra hjemposisjonen og trykke på "Skriv" -knappen. Se tilleggsfil (figur S4a).
    6. Deretter angir du 600-2000 trinn og trykker på "Skriv" for å få belastninger i området 4-10 lbf. Mål lastverdier gjennom en programvarestyrt veiecelle. Se tilleggsfil (figur S4b).
    7. Hold kontakten under Mac-Imprint (figur 8c). Mac-Imprint-tiden varierer fra 1-30 min.
    8. Flytt PTFE-stangen med det vedlagte Mac-Imprint-stempelet til hjemmeposisjonen ved å trykke på "Hjem". Se tilleggsfil (figur S4a). Aspirer ES forsiktig ut av EF med en plastpipette.
    9. Skyll den avtrykkede Si-brikken med IPA og DI-vann.
    10. Tørk den avtrykkede Si-brikken med ren, tørr luft.

Figure 8
Figur 8: Fotografier av Mac-Imprint setup (A), stempel før (B) og etter (C) kontakt med Si chip. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Skanning av elektronmikroskopbilder (SEM), optiske mikroskopskanninger (figur 9) og atomkraftmikroskopiskanninger (AFM) (figur 10) ble innhentet for å studere de morfologiske egenskapene til Mac-Imprint-stemplene og avtrykkede Si-overflater. Tverrsnittsprofilen til den avtrykkede faste Si ble sammenlignet med den brukte porøse Au-stempelet (figur 10). Mønsteroverføringsgjengivelse og porøs Si-generasjon under Mac-Imprint var to hovedkriterier for å analysere eksperimentell suksess. Mac-Imprint ble ansett som vellykket hvis Mac-Imprint-stempelmønsteret ble nøyaktig overført til Si og ingen porøs Si genereres under Mac-Imprint. Resultatene av et suboptimalt eksperiment (dvs. mangel på mønsteroverføringsgjengivelse sammen med porøs Si-generasjon under Mac-Imprint) presenteres i figur 9a (venstre).

Figure 9
Figur 9: Representative resultater: (a) Mac-Imprint av solid Si og porøs Si med solid Au-film (henholdsvis venstre og midten) og solid Si med porøs Au-film (høyre). (b) Ovenfra og ned SEM-bilder av porøse Au-filmer med forskjellig porevolumfraksjon (øverst) og tilsvarende trykt Si-morfologi (bunn). (c) SEM-bilder av ulike mønstre produsert av Mac-Imprint. Dette tallet skrives ut på nytt med tillatelse9,20. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: Representative resultater av solid Si Mac-Imprint med porøst Au-stempel: (a) AFM-skanninger av porøst Au-stempel (venstre) og avtrykket solid Si (høyre) og (b) overlappet tverrsnittsprofiler av porøst Au-stempel (blå) og trykt solid Si (rød). Denne illustrasjonen skrives ut på nytt med permission20. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplemental Figure 1
Supplerende figur 1: Fotografi av spinnfrakkerkontrolldisplay. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplemental Figure 2
Supplerende figur 2: Magnetron sputter kontroll programvare skjermbilder. (a) Evakuering av magnetron sputterkammer. (b) Sputtering kontrollparametere. (c) Ventilasjon av magnetron sputterkammer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplemental Figure 3
Supplerende figur 3: Skjermbilde av potentiostat-kontrollprogramvare. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplemental Figure 4
Supplerende figur 4: Lineær motorisert stadium og lastcellekontroll programvare skjermbilder. (a) Før Mac-Imprint og (b) under Mac-Imprint. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplemental Figure 5
Supplerende figur 5: Fotografi av Mac-Imprint stempel til PTFE stang vedlegg prosess. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mac-Imprint-frimerker og prepatterned Si-brikker (p-type, [100] orientering, 1-10 Ohm∙cm) ble utarbeidet i henhold til henholdsvis seksjon 1 og 2 i protokollen. Mac-Imprint av prepatterned Si chip med frimerker som inneholder 3D-hierarkiske mønstre ble utført i henhold til paragraf 3 i protokollen (figur 9). Som vist i figur 9a ble forskjellige konfigurasjoner av Mac-Imprint brukt: solid Si med solid Au (venstre), porøs Si med solid Au (midten)9, og solid Si med porøs Au (høyre)20. Spredningen av reaktantene ble blokkert i det første tilfellet, noe som førte til ikke-lokalisert etsning og delvis porosifisering av den trykte Si, som korrelerer med det samme problemet i den konvensjonelle MACE-prosessen22,23. Men da diffusjonen ble aktivert gjennom porøse nettverk (enten innebygd i Si eller Au), ble det observert høy mønsteroverføringsgjengivelse, noe som fører til at Mac-Imprint er en massetransportavhengig prosess. Også den avtrykkede Si-overflaten ble grove etter avtrykk med porøs Au (figur 9a, høyre).

Det ble foreslått at overflaterøffing stammer fra porøsiteten til den porøse Au som brukes. For å teste hypotesen ble det opprettet en rekke porøse Au-lag med ulike kontrollerte porevolumfraksjoner (PVF) i henhold til paragraf 1.4 og 1.5 i protokollen og deretter implementert for Mac-Imprint (figur 9b)20. En direkte sammenheng mellom stempelets PVF og avtrykket Si overflate grovhet ble observert, som støtter hypotesen. I tillegg, etter Mac-Imprint med lave PVF-frimerker, ble Si porosifisert, noe som ble forklart av hindret ES-diffusjon gjennom uutviklet porøs Au-struktur, noe som resulterte i delokalisering av etsende front20. Dermed er en utviklet og sammenkoblet porøs struktur avgjørende for høy mønsteroverføringsgjengivelse under Mac-Imprint. Videre ble preget Si porosifisering observert ved middels PVF da et porøst Au-lag allerede hadde et sammenkoblet porøst nettverk. Dette kan tilskrives det høye forholdet mellom Au og Si overflateområder og etterfølgende injeksjon av de overdrevne hullene i Si, noe som også fører til etsende frontdelokalisering og som et resultat porøs Si-formasjon20. Denne prosessen kan styres gjennom nøye justering av HF- og H2O2-forholdene i ES.

Implementering av de porøse Au-frimerkene sammen med ES-komposisjonsvariasjoner gjør det mulig å produsere ulike 3D-hierarkiske mønstre via Mac-Imprint som tidligere ble publisert i verkene til Azeredo et al.9 og Sharstniou et al.20 (figur 9c).

Videre undersøkelser av porøs Au / Si-grensesnittkjemi, spesielt PVF-avhengig etsehastighet og lokalisering, sammen med forbedring av avtrykkssystemet, vil bidra til å gjøre Mac-Imprint-prosessen egnet for industrielle skalaapplikasjoner i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Vi anerkjenner Dr. Keng Hsu (University of Louisville) for innsikt i dette arbeidet; University of Illinois's Frederick Seitz Laboratory og, i memoriam, medarbeider Scott Maclaren; Arizona State Universitys LeRoy Eyring-senter for solid statsvitenskap; og Science Foundation Arizona under Bis grove Scholars Award.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone, >99.5%, ACS reagent Sigma-Aldrich 67-64-1 CAUTION, chemical
Ammonium fluoride, >98%, ACS grade Sigma-Aldrich 12125-01-8 CAUTION, hazardous
Ammonium hydroxide solution, 28-30%, ACS reagent Sigma-Aldrich 1336-21-6 CAUTION, hazardous
AZ 400K developer Microchemicals AZ 400K CAUTION, chemical
BenchMark 800 Etch Axic BenchMark 800 Reactive ion etching
Chromium target, 2" x 0.125", 99.95% purity ACI alloys ADM0913 Magnetron sputter chromium target
CTF 12 Carbolite Gero C12075-700-208SN Tube furnace
Desiccator Fisher scientific Chemglass life sciences CG122611 Desiccator
F6T5/BLB Eiko F6T5/BLB 6W UV bulb
Gold target, 2" x 0.125", 99.99% purity ACI alloys N/A Magnetron sputter gold target
Hotplate KW-4AH Chemat Technology KW-4AH Leveled hotplate with uniform temperature profile
Hydrofluoric acid, 48%, ACS reagent Sigma-Aldrich 7664-39-3 CAUTION, extremly hazardous
Hydrogen peroxide, 30%, ACS reagent Fisher Chemical 7722-84-1 CAUTION, hazardous
Isopropyl alcohol, >99.5%, ACS reagent LabChem 67-63-0 CAUTION, chemical
MLP-50 Transducer Techniques MLP-50 Load cell
Nitric acid, 70%, ACS grade SAFC 7697-37-2 CAUTION, hazardous
NSC-3000 Nano-master NSC-3000 Magnetron sputter
Potassium hydroxide, 45%, Certified Fisher Chemical 1310-58-3 CAUTION, chemical
Rocker 800 vacuum pump, 110V/60Hz Rocker 1240043 Oil-free vacuum pump
Silicon master mold NILT SMLA_V1 Silicon chip with pattern
Silicon wafers, prime grade University wafer 783 Si wafer
Silver target, 2" x 0.125", 99.99% purity ACI alloys HER2318 Magnetron sputter silver target
SP-300 BioLogic SP-300 Potentiostat
SPIN 150i Spincoating SPIN 150i Spin coater
SPR 200-7.0 positive photoresist Microchem SPR 220-7.0 CAUTION, chemical
Stirring hotplate Thermo scientific Cimarec+ SP88857100 General purpose hotplate
SU-8 2015 negative photoresist Microchem SU-8 2015 CAUTION, chemical
SYLGARD 184 Silicone elastomer kit DOW 4019862 CAUTION, chemical
T-LSR150B Zaber Technologies T-LSR150B-KT04U Motorized linear stage
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97% Sigma-Aldrich 78560-45-9 CAUTION, hazardous

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering Utgave 180 nanoimprinting elektrokjemisk nanoimprinting MACE metallassistert kjemisk etsning silisiumfotonikk mikrofabrikasjon mikroingeniør
Metallassistert elektrokjemisk nanoimprinting av porøse og solide silisiumskiver
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sharstniou, A., Niauzorau, S.,… More

Sharstniou, A., Niauzorau, S., Junghare, A., Azeredo, B. P. Metal-Assisted Electrochemical Nanoimprinting of Porous and Solid Silicon Wafers. J. Vis. Exp. (180), e61040, doi:10.3791/61040 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter