Proof-of-Concept per le membrane che affliggiano il gas Derivate da SiO₂/Si/SiO₂ Wafers per la desalinizzazione verde

Presentato qui è un protocollo graduale per la realizzazione di membrane di intrappolamento del gas (GEM) da Wafer SiO₂/Si utilizzando la tecnologia integrata di microfabbricazione a circuito. Quando i GEIici sono immersi nell'acqua, l'intrusione dell'acqua viene prevenuta, nonostante la composizione amaro dall'acqua della silice.

Le membrane intrappolanti a gas, o GEM, possono intrappolare robustamente l'aria durante l'immersione nei liquidi bagnanti. Di conseguenza, raggiungono questa funzione a causa della loro struttura, che può essere di uso, ad esempio, nella desalinizzazione per distillazione a membrana. La fotolitografia ci ha permesso di creare complesse architetture a strapiombo su entrambi i lati di un wafer di silicio con conseguente GEMS.

Ha fornito un percorso per fabbricare GEMS utilizzando tecniche di micro-fabbricazione convenzionali. I segni di allineamento adeguati devono essere posizionati sulla maschera fotografica per ottenere post allineati verticalmente. Si consiglia di utilizzare segni di allineamento su più scale con la dimensione più piccola di almeno quattro volte il diametro del palo.

La fabbricazione di GEMS di silice comporta modelli di design intricati e un processo in più fasi, e quindi questo dimostrerà abbastanza passaggi di microfabbtura aiuterà a comprendere il protocollo. Iniziare questa procedura con la progettazione di matrici e lo sviluppo di maschere come descritto nel protocollo di testo. Immergere il wafer di silicio in una soluzione di piranha preparata al momento.

Mantenere ad una temperatura di 388 Kelvin per 10 minuti. Risciacquare il wafer con acqua deionizzata per due cicli in una panca bagnata, quindi asciugare il wafer sotto un ambiente di azoto nell'essiccatore a spin. Esporre il wafer al vapore di HMDS per migliorare l'adesione del fotoresist con la superficie di silice.

Trasferire il wafer su un mandrino sottovuoto di uno spin coater per far girare il fotoresist. Usa il fotoresist AZ 5214 come tono negativo per ottenere un film spesso 1,6 micron del fotoresist. Cuocere il wafer rivestito di fotoresist a 105 gradi Celsius su una piastra calda per due minuti.

Questo asciuga e indurisce il film fotoresist, che altrimenti si attacca alla maschera di vetro e causa problemi di contaminazione durante l'esposizione ai raggi UV. Migliora anche l'adesione del fotoresist alla superficie della silice. Esporre il wafer sotto esposizione UV per 15 secondi attraverso la maschera cromata utilizzando un sistema di allineamento della maschera per ottenere il design desiderato sul fotoresist.

Quindi, cuocere il wafer realizzato a 120 gradi Celsius su una piastra calda per due minuti. Durante questo passaggio, il film fotoresist negativo esposto incrocia ulteriormente. Di conseguenza, le parti esposte ai raggi UV del fotoresist non sono più solubili nella soluzione per sviluppatori, mentre le aree non esposte sono solubili.

Esporre ulteriormente il wafer sotto la luce UV per 15 secondi in un sistema di polimerizzazione UV. Durante questo passaggio, le aree fotoresiste che non erano esposte in precedenza vengono esposte e possono essere successivamente sciolte nello sviluppatore. Successivamente, immergere il wafer in un bagno da 50 mL dello sviluppatore fotoresista AZ 726 per 60 secondi per ottenere il motivo fotoresist desiderato sul wafer di silicio.

Successivamente pulire il wafer usando acqua deionizzata e asciugarlo ulteriormente con gas azoto. Cromo di sputter sul wafer per 200 secondi per ottenere uno strato di cromo spesso 50 nanometri. La deposizione viene eseguita utilizzando uno sputter reattivo DC di tipo magnetron con una sorgente di destinazione rotonda standard da due pollici in un ambiente argon.

Sonicare il wafer sputtered in un bagno di acetone per cinque minuti per sollevare il fotoresist rimanente dal wafer, lasciando dietro di sé le caratteristiche desiderate con una maschera dura al cromo. Dopo aver risciacquato il lato posteriore del wafer con una copiosa quantità di acetone ed etanolo, asciugare con un cannone azotato. Quindi, ripetere il rivestimento di rotazione, la cottura e i passaggi di esposizione ai raggi UV sul lato posteriore del wafer.

Per l'esposizione ai raggi UV, utilizzare l'allineamento manuale della schiena con il modulo mirino nell'allineatore di contatto per allineare le feature desiderate sul lato posteriore con il lato anteriore del wafer utilizzando i segni di allineamento nella maschera. Per il lato posteriore del wafer, continuare con lo sputter e il fotoresist sollevare i gradini per generare il design richiesto con maschera dura cromo su entrambi i lati del wafer. La superficie ricoperta di cromo non subisce incisione.

Pertanto, le macchie in cui il cromo è assente sul wafer definiscono le entrate e le uscite del versamento. Sottoporsi all'incisione dello strato di biossido di silicio esposto su entrambi i lati del wafer da uno ione reattivo al plasma accoppiato induttivamente che impiega fluoro e chimica dell'ossigeno. La durata è di 16 minuti per ogni lato.

Elaborare il wafer con cinque cicli di incisione anisotropica utilizzando il processo Bosch per creare una tacca nello strato di silicio. Questo processo è caratterizzato da un profilo piatto della parete laterale utilizzando deposizioni alternate di ottafluorociclobutano e gas esafluoruro di zolfo. Alternando l'incisione anisotropica e la deposizione di polimeri, il silicio si inceppia direttamente verso il basso.

Questo passaggio viene eseguito su ciascun lato del wafer. Quindi, immergere il wafer in un bagno di soluzione di piranha mantenuto ad una temperatura di 388 Kelvin per 10 minuti. Questo rimuove i polimeri depositati nella fase anisotropica.

Per creare il sottosquadro, che produce il profilo rientrante, sottoporsi a incisione isotropica utilizzando una ricetta a base di esafluoruro di zolfo per una durata di 165 secondi. Questo passaggio viene eseguito su ciascun lato del wafer. Per eseguire l'incisione al silicio anisotropico, trasferire il wafer in uno ione reattivo al plasma accoppiato induttivamente in profondità all'incisione di 150 micron di silicio.

Eseguire 200 cicli di incisione profonda utilizzando il processo Bosch. Ripetere questo passaggio con il lato posteriore del wafer. Ora, sottoporsi alla pulizia piranha del wafer nel banco bagnato per 10 minuti per rimuovere i contaminanti polimerici depositati dal processo di incisione, che garantisce tassi di incisione uniformi.

Ripetere questi passaggi di incisione e pulizia per realizzare attraverso i pori nel wafer con insenature e prese rientranti. Rimuovere il cromo dal wafer immergendosi in un bagno di 100 mL di incisione cromata per 60 secondi. Dopo il processo di microfabbricazione, pulire il wafer con 100 mL di soluzione di piranha appena preparata in un contenitore di vetro per 10 minuti.

Quindi, asciugare ulteriormente con una pistola a pressione di gas azoto puro al 99%. Posizionare i campioni in una piastra di Petri di vetro all'interno di un forno a vuoto pulito a 323 Kelvin fino a quando l'angolo di contatto intrinseco dell'acqua sul biossido di silicio liscio non viene stabilizzato con un angolo di contatto intrinseco theta pari a 40 gradi dopo 48 ore. Conservare i campioni secchi ottenuti, che sono i GEM di silice, in un armadio azotati.

Le micrografie di elettroni a scansione di GEM di silice mostrano una vista di sezione trasversale inclinata, una vista di sezione trasversale ingrandita di un singolo poro e viste ingrandite di bordi rientranti alle insenature e alle uscite del poro. I pori di questi GEM erano allineati verticalmente. Il diametro di ingresso e di uscita era di 100 micron.

La distanza da centro a centro tra i pori era di 400 micron. La separazione tra i bordi rientranti e la parete dei pori era di 18 micron, e la lunghezza dei pori era di 300 micron. Di seguito sono riportate le ricostruzioni 3D potenziate dal computer dell'interfaccia aria-acqua alle insenature delle GEM di silice sott'acqua.

Sono mostrate anche le viste di sezione trasversale lungo le linee tratteggiate bianche. Nel caso di cavità rientranti, la condensazione del vapore acqueo all'interno delle cavità ha spostato l'aria intrappolata, che ha causato il rigonfiamento dell'interfaccia aria-acqua verso l'alto e destabilizzato il sistema. Al contrario, i GEM di silice rimasero liberi dal rigonfiamento per un periodo molto più lungo, anche se il tasso di riscaldamento era simile.

Questi risultati sono stati razionalizzati sulla base della condensazione preferenziale del vapore acqueo dal serbatoio riscaldato al laser sull'interfaccia aria-acqua raffreddata dell'altro lato. Tuttavia, non è stato possibile misurare il tasso di trasferimento di massa in questa configurazione sperimentale. Prevenire la rimozione delle strutture di reentrant di silice durante il processo Bosch, viene utilizzato per aggiungere silicio.

È molto importante avere una maschera dura al cromo. Questi risultati potrebbero sbloccare il potenziale di materiali comuni per applicazioni che attualmente richiedono rivestimenti perfluorurati, ad esempio per la riduzione della resistenza aerodinamica o per la soppressione e la purificazione.