Fabbricazione di sensore di immagine flessibile basato su Francesca laterale fototransistori
23 giugno 2018
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.
Il nostro approccio può aiutare a far progredire il progresso nel campo della fabbricazione di dispositivi a semiconduttore flessori. Il vantaggio principale della nostra procedura di fabbricazione è che migliora la corrente elettrica per stabilizzazione di corrente dei dispositivi in deformazione. Preparare un campione di silicio DUB sull'isolante.
Questo campione è pronto per l'isolamento del silicio nei passaggi successivi. Questa è una rappresentazione schematica della sua struttura a strati. Il grigio rappresenta il silicio, il verde il biossido di silicio.
Il rosso e il blu sono rispettivamente regioni drogate N-plus e P-plus. Centrifugare uno strato di fotoresist positivo sul campione a 4.000 giri/min per 40 secondi. Quindi, porta il campione su una piastra calda per cuocerlo dolcemente a 90 gradi Celsius per 90 secondi.
Dopo la cottura morbida, portare il campione in una configurazione di fotolitografia ultravioletta. Lì, applicare una maschera sul campione per 10 secondi. Recuperare il campione per svilupparlo.
A tale scopo, immergilo nello sviluppatore per un minuto. Quindi pulire il campione in acqua deionizzata e asciugarlo con la pistola ad azoto. Quindi, cuocere il campione a 110 gradi Celsius per cinque minuti.
Questo diagramma rappresenta i livelli del campione a questo punto. Passare al bordo asciutto del campione con un incisore ionico reattivo al plasma accoppiato induttivamente per sei minuti. Al termine, l'esempio ha questa struttura.
Il prossimo passo è rimuovere lo strato di ossido sepolto. Per fare ciò, preparare una soluzione al 49% di acido fluoridrico. Immergere i campioni per due minuti per rimuovere lo strato di ossido sepolto.
Dopo il bagno acido, seguito dalla pulizia e dall'asciugatura, l'isolamento del silicone è completo. Il passo successivo prevede la deposizione chimica da vapore potenziata con plasma. In due minuti, depositare uno strato sacrificale di biossido di silicio a 130 nanometri sul campione.
Centrifugare il fotoresist positivo sul campione, seguito da una cottura morbida. Utilizzare una maschera fotolitografica ed esporre il campione alla luce UV per 10 secondi. Questa è una rappresentazione del campione dopo che è stato sviluppato e cotto a 110 gradi Celsius per cinque minuti.
Preparare un contenitore di mordenzatura di ossido tamponato e immergervi il campione per 30 secondi. Dopo la pulizia e l'asciugatura, il risultato è la rimozione parziale dello strato di ossido CVD. Depositare la poliimmide mediante rivestimento di rotazione sul campione.
Trasferiscilo su una piastra riscaldante per iniziare a ricuocerlo a 110 gradi Celsius per tre minuti, quindi a 150 gradi Celsius per 10 minuti. Quindi, spostare il campione in un forno con un'atmosfera di azoto e continuare a ricuocerlo a 230 gradi Celsius per 60 minuti. Lo strato di poliimmide copre il campione e fornisce una superficie per uno strato sacrificale di biossido di silicio.
Continuare depositando uno strato di biossido di silicio a 130 nanometri con deposizione chimica da vapore potenziata al plasma per due minuti. Utilizzare il fotoresist positivo per applicare una maschera, con 10 secondi di luce UV, quindi sviluppare. Eseguire una cottura morbida e dura.
Formare una maschera dura immergendo il campione in un'incisione di ossido tamponato per 30 secondi, quindi pulirlo e asciugarlo. Quindi, asciugare il bordo della poliimmide utilizzando l'incisione ionica di reazione per 20 minuti. Rimuovere lo strato di ossido con mordenzatura tamponata, quindi pulire e asciugare il campione.
Ora, porta il campione su uno sputterer per depositare cromo e oro. Successivamente, centrifugare il fotoresist positivo prima di applicare una maschera per fotolitografia. Questo campione è stato sviluppato per un minuto e cotto a 110 gradi Celsius per cinque minuti.
Incidere gli strati di cromo e oro con un mordenzante a umido per 20 secondi, per portare il campione a questo stato. Dopo l'incisione a umido con cromo e oro, fare attenzione quando si rimuove il fotoresist, altrimenti l'oro potrebbe staccarsi. La deposizione del secondo strato di poliimmide e le seconde fasi di metallizzazione procedono esattamente come le prime.
Centrifugare e ricuocere il secondo strato di poliimmide per produrre strati come in questo diagramma. Depositare e modellare uno strato di ossido di silicio come strato di maschera dura per l'incisione a secco. Quindi, ricopri 20 nanometri di cromo e 200 nanometri di oro prima di modellarlo.
Inizia aggiungendo un altro strato di poliimmide rivestito di centrifuga e ricottandolo. Utilizzare la deposizione chimica da vapore potenziata al plasma per depositare uno strato di biossido di silicio a 650 nanometri in otto minuti. Dopo aver fatto il rivestimento di spin con fotoresist positivo sul campione, applicare una maschera con fotolitografia UV.
Sviluppare il campione, cuocerlo e modellare il biossido di silicio immergendolo in un'incisione di ossido tamponato. Utilizzare l'incisione ionica reattiva per incidere a secco la poliimmide per 75 minuti, quindi incidere a secco il silicio per sei minuti con l'incisione ionica reattiva al plasma accoppiata induttivamente. È giunto il momento di incidere lo strato sacrificale di ossido.
Immergere il campione in acido fluoridrico al 49% per 20 minuti. Recuperare, risciacquare e asciugare il campione prima di procedere. Quando si incide lo strato sacrificale con acido fluoridrico, è importante monitorare l'andamento dell'incisione.
Assicurati che la tua rotta, il dispositivo potrebbe staccarsi. Ora, tenere il campione con del nastro di carbonio applicato al substrato. Quindi attaccare il nastro idrosolubile sul lato modellato.
Quindi, rimuovere il nastro idrosolubile in un istante. In questo modo si evita che il dispositivo rimanga sul substrato. Ottenere PDMS degassato in una miscela 10 a 1 di prepolimero per agente indurente.
Inoltre, procurarsi una pellicola in PET sufficiente a coprire il campione. Centrifugare la pellicola con il PDMS a 1.000 giri/min per 30 secondi. Seguire cuocendo la pellicola su una piastra a 110 gradi Celsius per 10 minuti.
Al termine, posizionare il campione sul nastro solubile in acqua ed esporlo alla luce UV per 30 secondi. Ora, lavora sia con il campione che con la pellicola. Fissare il nastro solubile in acqua con il campione alla pellicola in PET rivestita con PDMS.
Con una pipetta, far cadere con cautela l'acqua sul nastro idrosolubile per rimuoverlo dalla pellicola. Utilizzare un flusso d'acqua lento per spazzare via il nastro solubile in acqua. Infine, tenere il campione con una pinza e asciugarlo con una pistola ad azoto.
Questo è l'array di fototransistor prima di essere trasferito su una pellicola PET. Consiste in celle fototransistor ripetute raffigurate in questa immagine. Gli elettrodi a serpentina incapsulati in poliimmide consentono al dispositivo di allungarsi.
Ecco il dispositivo dopo il trasferimento su una pellicola in PET rivestita PDMS. Per misurare le caratteristiche IV in condizioni diverse, utilizzare una configurazione simile a questa. Notare la definizione del raggio di curvatura.
Si tratta di misure delle caratteristiche IV dell'array di fototransistor, con diversi raggi di curvatura. Le caratteristiche elettriche dell'array sono indipendenti dal raggio di curvatura. Questo grafico è il rapporto tra la fotocorrente e la corrente di buio, in funzione della tensione, per diversi raggi di curvatura.
La gamma dinamica è di circa 600 o più al di sopra di una tensione di polarizzazione di due volt. L'inserto contiene grafici della corrente oscura agli estremi di curvatura testati. Il suo valore basso provoca l'elevata gamma dinamica.
Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 48 ore, se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante evitare qualsiasi atto che possa staccare gli elettrodi dal suo substrato. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi, come l'incisione polimerica con altri gas, se possono essere utilizzati in condizioni diverse da quelle utilizzate nell'incisione a secco.
Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dei dispositivi flessibili per esplorare tentativi di immagine bio-ispirati. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come produrre un dispositivo a semiconduttore flessibile. Non dimenticare che lavorare con i reagenti necessari può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni, come l'uso di maschere, cappucci e copricapo presso la postazione.
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Panoramica
Questo studio presenta un metodo per la fabbricazione di un array di fototransistor laterali deformabili di tipo NIPIN, progettato per sensori di immagine curvi. L'array presenta una struttura a maglia aperta, composta da isole di silicio sottili e interconnessioni metalliche estensibili, che migliorano flessibilità ed elasticità.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Fabbricazione di dispositivi a semiconduttore
- Elettronica flessibile
- Tecnologia dei fototransistor
Sfondo
- I progressi nei dispositivi semiconduttori flessibili sono fondamentali per l'elettronica moderna.
- I dispositivi deformabili possono migliorare le prestazioni sotto stress meccanico.
- L'integrazione di materiali estensibili può potenziare le applicazioni dei dispositivi.
- Comprendere le proprietà elettriche durante la deformazione è essenziale per l'affidabilità dei dispositivi.
Scopo dello studio
- Migliorare la stabilità della corrente elettrica nei fototransistori durante la deformazione.
- Sviluppare un metodo di fabbricazione per matrici di fototransistori flessibili.
- Caratterizzare le proprietà elettriche dei dispositivi fabbricati.
Metodi Utilizzati
- Realizzazione di un campione di silicio isolato su ossido DUB.
- Isolamento del silicio nei passaggi successivi.
- Caratterizzazione delle proprietà elettriche mediante un analizzatore di parametri.
- Progettazione di una rappresentazione schematica della struttura a strati.
Risultati principali
- L'array di fototransistor realizzato dimostra una flessibilità migliorata.
- Le proprietà elettriche mostrano una maggiore stabilità della corrente sotto deformazione.
- La struttura a maglia aperta consente un'integrazione efficace in sensori curvi.
- I risultati della caratterizzazione confermano le prestazioni dei dispositivi.
Conclusioni
- Lo studio presenta con successo un metodo per la creazione di matrici di fototransistor deformabili.
- Si ottiene una maggiore stabilità della corrente elettrica sotto deformazione.
- Questo lavoro contribuisce al progresso della tecnologia dell'elettronica flessibile.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente la fabbricazione di matrici di fototransistor flessibili con prestazioni elettriche stabili sotto deformazione meccanica, affrontando una sfida fondamentale nello sviluppo di sistemi di imaging ispirati alla biologia e di sensori indossabili. Migliorando la stabilità della corrente e la dinamica operativa in condizioni di curvatura, l'approccio permette una trasduzione del segnale affidabile in dispositivi con geometrie non piane. Tale metodo promuove il potenziale applicativo dei fotorivelatori a base di semiconduttori per piattaforme diagnostiche e di monitoraggio di nuova generazione, che richiedono un'integrazione conformabile con superfici biologiche.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente la rilevazione ottica di interazioni biomolecolari in formati deformabili, supportando la validazione degli bersagli in contesti meccanici fisiologicamente rilevanti.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma per lo screening di ligandi o analiti in cui è richiesta la conformità del dispositivo a interfacce biologiche curve.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Favorisce lo sviluppo di biosensori indossabili o impiantabili con rilevamento fotonico stabile sotto sollecitazione meccanica, consentendo il monitoraggio continuo di biomarcatori.
- Valore operativo: Offre un metodo riproducibile di fabbricazione per matrici di sensori flessibili, compatibili con lo screening ad alto rendimento di composti bioattivi.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta la valutazione preclinica di dispositivi che devono mantenere la funzionalità durante deformazioni simili a quelle dei tessuti, migliorando la fiducia predittiva nelle interfacce bielettroniche.
- Valore operativo: Permette cicli iterativi di progettazione e verifica per sensori impiantabili in cui la conformità meccanica è correlata all'integrazione tissutale a lungo termine.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso della scoperta fornendo un meccanismo di lettura trasducibile per applicazioni di biosensing, in particolare laddove la flessibilità meccanica è un prerequisito per il legame al bersaglio o per la risposta fenotipica.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi in meccanobiologia consentendo il rilevamento ottico delle risposte cellulari sotto deformazione controllata.
- Screening: Fornisce matrici di fotodetettori flessibili pronte per saggi, con rapporti quantificabili tra corrente fotogenerata e corrente oscura, essenziali per la valutazione del fattore Z' nelle campagne di screening.
- Analisi: Genera caratteristiche IV stabili e metriche di escursione dinamica (>600 a bias superiore a 2V) che permettono il confronto quantitativo della risposta fotoelettrica tra diverse condizioni.
- Ricerca Translazionale: Collega la fase di scoperta a quella preclinica validando le prestazioni del dispositivo sotto curvature fisiologicamente rilevanti, riducendo i rischi nell’ avanzamento di monitor indossabili.
- Riutilizzo Aziendale: Stabilisce una piattaforma scalabile per optoelettronica flessibile adattabile a diversi programmi di rilevamento di biomarcatori.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva nella progettazione di biosensori separando le prestazioni elettriche dalla deformazione meccanica.
- Valore operativo: Garantisce riproducibilità nella fabbricazione di dispositivi flessibili attraverso passaggi definiti, inclusi incisione con HF, PECVD e metallizzazione.
- Valore strategico: Riduce il rischio di guasti in fase avanzata nei monitor indossabili per la salute assicurando la fedeltà del segnale sotto stress meccanico.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione adeguata al rischio delle tecnologie per sensori conformi per applicazioni di monitoraggio continuo e diagnostica al punto di cura.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze nella microfabbricazione di semiconduttori, nella fotolitografia e nel deposito di film sottili.
- Presuppone l'accesso a attrezzature per l'incisione a plasma accoppiato induttivamente, a sputter e a infrastrutture per la manipolazione dell'acido fluoridrico.
- Necessita di standardizzazione tra i gruppi di lavoro per garantire processi coerenti di incapsulamento in poliimide e di trasferimento.
- Richiede considerazioni di adattamento quando si integra con materiali di substrato diversi rispetto a PET/PDMS.
- Comporta limitazioni pratiche legate all'uso dell'acido fluoridrico, richiedendo protocolli di sicurezza rigorosi e attrezzature specializzate.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
0:26
Si Doping and Isolation
2:12
Sacrificial Oxide Layer Deposition
2:59
Deposition of the First Layer of Polyimide and Performing the First Metallization
4:43
Deposition of the Second Layer of Polyimide and Performing the Second Metallization
5:12
Encapsulating the Sample with Polyimide and Opening via Holes and Mesh Structure
5:56
Etching the Sacrificial Layer and Transferring the Sample to a Flexible Substrate
7:39
Results: Current-Voltage Characteristics for the Phototransistor Array in the Curved State
8:45
Conclusion
