Artykuł metodologiczny

Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne

8.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60403

⸱

11 lutego 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Water Desalination and Reuse Center (WDRC), Biological and Environmental Science and Engineering (BESE) Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), 2Core Labs, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

W tym artykule

Podsumowanie

Ta praca przedstawia protokoły mikrofabrykacji do uzyskiwania wnęk i filarów o profilach reentrantowych i podwójnie reentrantowych na płytkach SiO2/Si za pomocą fotolitografii i suchego trawienia. Powstałe w ten sposób mikroteksturowane powierzchnie wykazują niezwykłą odporność na ciecze, charakteryzującą się solidnym, długotrwałym zatrzymywaniem powietrza pod zwilżającymi cieczami, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki.

Streszczenie

Prezentujemy protokoły mikrofabrykacji do uczynienia materiałów wewnętrznie zwilżających, odpychających ciecze (omnifobicznych) poprzez tworzenie na nich mikrotekstur zatrzymujących gazy (GEM), składających się z wgłębień i filarów o cechach współtrwających i podwójnie współbieżnych. W szczególności używamy SiO2/Si jako systemu modelowego i udostępniamy protokoły do projektowania dwuwymiarowego (2D), fotolitografii, technik trawienia izotropowego/anizotropowego, termicznego wzrostu tlenków, czyszczenia piranii i przechowywania w celu uzyskania tych mikrotekstur. Chociaż powszechnie uważa się, że chropowatość powierzchni zwilżających z natury (θo < 90°) sprawia, że stają się one jeszcze bardziej zwilżone (θr < θo < 90°), GEM wykazują odporność na ciecze pomimo wewnętrznej zwilżalności podłoża. Na przykład, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki θo ≈40° dla układu woda/powietrze i θo ≈ 20° dla układu heksadekan/powietrze, GEM zawierające wnęki mocno zatrzymują powietrze po zanurzeniu w tych cieczach, a pozorne kąty zwilżania kropel wynoszą θr > 90°. Cechy współbieżne i podwójnie współbieżne w GEM-ach stabilizują intruzujący menisk cieczy, zatrzymując w ten sposób układ ciecz-ciało stałe-para w metastabilnych stanach wypełnionych powietrzem (stany Cassie) i opóźniając przejścia zwilżania do termodynamicznie stabilnego stanu pełnego wypełnienia (stan Wenzla) na przykład o godziny lub miesiące. Podobnie, powierzchnie SiO2/Si z układami mikrokolumn współbieżnych i podwójnie współbieżnych wykazują ekstremalnie wysokie kąty działania (θr ≈ 150°–160°) i histerezę niskiego kąta zwilżania dla cieczy sondowych, co jest określane jako superomnifobiczne. Jednak po zanurzeniu w tych samych cieczach powierzchnie te dramatycznie tracą swoją superomnifobiczność i całkowicie wypełniają się w ciągu <1 s. Aby sprostać temu wyzwaniu, przedstawiamy protokoły dla projektów hybrydowych, które składają się z układów podwójnie współbieżnych filarów otoczonych ścianami o podwójnie współbieżnych profilach. Rzeczywiście, hybrydowe mikrotekstury zatrzymują powietrze po zanurzeniu w cieczach sondy. Podsumowując, opisane tutaj protokoły powinny umożliwić badanie GEM w kontekście osiągania omnifobiczności bez powłok chemicznych, takich jak perfluorowęglowodory, które mogą odblokować zakres niedrogich powszechnie stosowanych materiałów jako materiały omnifobiczne. Mikrotekstury krzemionki mogą również służyć jako szablony dla miękkich materiałów.

Wprowadzenie

Powierzchnie bryłowe, które wykazują pozorne kąty zwilżania, >θr > 90° dla cieczy polarnych i niepolarnych, takich jak woda i heksadekan, są określane jako omnifobiczne1. Powierzchnie te służą wielu praktycznym zastosowaniom, w tym odsalaniu wody2,3, separacji oleju i wody4,5, antibiofouling6, oraz zmniejszanie oporu hydrodynamicznego7. Zazwyczaj omnifobiczność wymaga perfluorowanych chemikaliów i losowych topografii8,9,10,11,12. Jednak koszt, niebiodegradowalność i podatność tych materiałów/powłok stwarzają niezliczone ograniczenia, np. perfluorowane membrany odsalające ulegają degradacji wraz ze wzrostem temperatury po stronie zasilania, co prowadzi do zwilżania porów13,14, a powłoki perfluorowane/węglowodorowe również ulegają ścieraniu15,16 i degradowane przez cząstki mułu w strumieniach przepływu i protokołach czyszczenia. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na alternatywne strategie osiągania funkcji powłok perfluorowanych (tj. zatrzymywanie powietrza po zanurzeniu w cieczach bez stosowania powłok hydrofobowych). W związku z tym naukowcy zaproponowali topografie powierzchni składające się z wystających (współbieżnych) elementów, które mogą zatrzymywać powietrze podczas zanurzenia poprzez samo mikroteksturowanie17,18,19,20,21,22,23,24,25. Te mikrotekstury występują w trzech typach: wgłębienia26, pillars27, oraz maty włókniste8. W dalszej części będziemy odnosić się do cech współbieżnych z prostymi zwisami jako do współbieżnych (Rysunek 1A–B i Rysunek 1E–F), a cechy współbieżne z nawisami, które wykonują obrót o 90° w kierunku podstawy, jako podwójnie współbieżne (Rysunek 1C–D i Rysunek 1G–H).

W swojej pionierskiej pracy, Werner et al.22,28,29,30,31 scharakteryzowali skórki skoczogonków (Collembola), stawonogów żyjących w glebie, i wyjaśnili znaczenie cech grzybowatych (reentrant) w kontekście zwilżania. Inni badali również rolę włosów w kształcie grzybów u łyżwiarzy morskich32,33 w kierunku ułatwienia ekstremalnej wodoodporności. Werner i współpracownicy wykazali wszechfobiczność wewnętrznie zwilżonych powierzchni polimerowych poprzez rzeźbienie struktur biomimetycznych za pomocą litografii z odwróconym odciskiem29. Liu i Kim opisali powierzchnie krzemionkowe ozdobione układem podwójnie zapadających filarów, które mogły odpychać krople cieczy o napięciu powierzchniowym tak niskim, jak γLV = 10 mN/m, charakteryzujące się pozornymi kątami zwilżania, θr ≈ 150° i ekstremalnie niską histerezą kąta zwilżania27. Zainspirowani tymi niesamowitymi osiągnięciami, postępowaliśmy zgodnie z przepisami Liu i Kim, aby odtworzyć ich wyniki. Odkryliśmy jednak, że te mikrotekstury katastrofalnie straciłyby swoją superomnifobowość, tj. θr → 0°, gdyby zwilżające krople cieczy dotknęły krawędzi mikrotekstury lub gdyby doszło do miejscowego uszkodzenia fizycznego34. Wyniki te wykazały, że mikrotekstury oparte na filarach nie nadają się do zastosowań, które wymagają omnifobii w zanurzeniu, a także zakwestionowały kryteria oceny omnifobii (tj. czy powinny być ograniczone tylko do kątów zwilżania, czy też potrzebne są dodatkowe kryteria).

W odpowiedzi, używając płytek SiO2/Si, przygotowaliśmy tablice mikroskalowych wnęk z podwójnie wklęsłymi wlotami i, używając wody i heksadekanu jako reprezentatywnych płynów polarnych i niepolarnych, wykazaliśmy, że (i) te mikrotekstury zapobiegają przedostawaniu się do nich cieczy poprzez uwięzienie powietrza, oraz (ii) podzielona na przedziały architektura wnęk zapobiega utracie uwięzionego powietrza przez zlokalizowane defekty34. Dlatego nazwaliśmy te mikrotekstury "mikroteksturami zatrzymującymi gaz" (GEM). W kolejnym kroku przeprowadziliśmy mikrofabrykację GEM-ów o różnych kształtach (okrągły, kwadratowy, sześciokątny) i profilach (prosty, wklęsły i podwójnie współbieżny), aby systematycznie porównywać ich wydajność w zanurzeniu w cieczach zwilżających26. Stworzyliśmy również hybrydową mikroteksturę składającą się z szeregu filarów o podwójnej współbieżności otoczonych ścianami o podwójnie współbieżnych profilach, które zapobiegały dotykaniu trzonów filarów przez ciecze i silnie zatrzymywały powietrze podczas zanurzenia35. Poniżej przedstawiamy szczegółowe protokoły wytwarzania GEM-ów na powierzchniach SiO2/Si za pomocą technik fotolitografii i trawienia wraz z parametrami projektowymi. Przedstawiono również reprezentatywne wyniki charakterystyki ich zwilżania za pomocą goniometrii kątów zwilżania (kąty nachylenia/cofnięcia/umieszczenia) oraz zanurzenia w heksadekanie i wodzie.

Protokół

UWAGA: Tablice wnęk i filarów współbieżnych i podwójnie współbieżnych zostały mikrofabrykowane poprzez dostosowanie wieloetapowego protokołu dla filarów zgłoszonych przez Liu i Kim27. Podjęto środki ostrożności w celu zminimalizowania powstawania pozostałości po szpilkach lub cząstek na naszych powierzchniach, które mogłyby zakłócać przejścia zwilżające36.

MIKROFABRYKACJA JAM
Ogólnie rzecz biorąc, protokoły mikrowytwarzania wnęk reentrantowych i podwójnie współbieżnych (RC i DRC) składają się z projektowania dwuwymiarowego układu, fotolitografii, ogólnego trawienia krzemionki i specyficznego trawienia krzemu, w zależności od wymaganej końcowej cechy37,38,39,40,41.

1. Projektowanie

  1. Rozpocznij proces mikrofabrykacji od zaprojektowania wymaganego wzoru w oprogramowaniu do układu42. Przykład takiego oprogramowania znajduje się na liście materiałów.
  2. Korzystając z oprogramowania, utwórz nowy plik. Narysuj komórkę elementarną składającą się z okręgu o średnicy D = 200 μm. Skopiuj i wklej ten okrąg z odległością od środka do środka (skokiem) L = 212 μm, aby utworzyć tablicę okręgów w kwadratowym fragmencie o powierzchni 1 cm2 (Rysunek 2).
  3. Narysuj okrąg o średnicy 100 mm (4 cale). Umieść kwadratową tablicę o wymiarach 1 cm2 wewnątrz okręgu i powiel ją, aby utworzyć siatkę kwadratowych tablic 4 x 4. Cechy wewnątrz okręgu zostaną przeniesione na 4-calowe wafle (Rysunek 2).
  4. Eksportuj plik projektu do żądanego formatu dla systemu zapisu masek (np. format GDSII).

2. Czyszczenie wafli

  1. Wyczyść płytkę krzemową o średnicy 4 cali, orientacji <100> i warstwie tlenku termicznego o grubości 2,4 μm (patrz Lista materiałów) w roztworze piranii przez 10 minut. Roztwór piranii zawiera kwas siarkowy (H2SO4,96%): nadtlenek wodoru (H2O2,30%) w stosunku objętościowym 3:1 i utrzymuje się w temperaturze T = 388 K.
  2. Opłucz wafel wodą dejonizowaną i odwiruj w środowisku azotu (N2).

3. Fotolitografia

  1. Pokryj płytkę heksametylodylazanem (HMDS) za pomocą osadzania w fazie gazowej, aby poprawić przyczepność do fotorezystu. Zapoznaj się z Tabelą 1, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat procesu.
  2. Zamontuj wafel na 4-calowym uchwycie próżniowym w powlekarce wirowej. Przykryj wafel fotorezystem AZ-5214E. Za pomocą powlekarki wirowej równomiernie rozprowadzić fotorezystor na powierzchni w postaci warstwy o grubości 1,6 μm. Patrz Tabela 2, aby zapoznać się z parametrami powlekania wirowego.
  3. Piecz wafel pokryty fotorezystem na płycie grzejnej utrzymywanej w temperaturze 110 °C przez 120 s.
  4. Przenieś wafel do systemu bezpośredniego pisania i wystaw go na działanie promieniowania UV przez 55 ms (rozmycie: +5). Ten krok przenosi pożądany projekt na AZ-5214E (używany w tonie pozytywowym; patrz Lista materiałów) (Rysunek 2).
  5. Umieść naświetloną promieniami UV płytkę na szklanej szalce Petriego zawierającej wywoływacz AZ-726 na 60 sekund, aby cechy się rozwinęły. Szczegółowe informacje można znaleźć na liście materiałów.
  6. Wyjmij wafel z roztworu wywoływacza i delikatnie spłucz wodą dejonizowaną (DI), aby usunąć nadmiar wywoływacza. Wirować suszyć wafel w środowisku N2. Kroki te są przedstawione w Rysunek 3A–C.

UWAGA: Na końcu tego kroku, wzorce projektowe na płytce można zobaczyć pod standardowym mikroskopem optycznym.

4. Anizotropowe trawienie warstwy krzemionki (SiO2)

UWAGA: Celem tego kroku jest całkowite usunięcie warstwy krzemionki (o grubości 2,4 μm), która została odsłonięta podczas fotolitografii, aby odsłonić warstwę krzemu znajdującą się pod spodem.

  1. Po fotolitografii przenieś płytkę do systemu trawienia jonami reaktywnymi (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP), który wykorzystuje mieszaninę gazów oktafluorocyklobutanu (C4,F8) i tlenu (O2) do wytrawiania krzemionki pionowo w dół (trawienie anizotropowe).
  2. Uruchom proces ICP-RIE na około 13 minut, aby wytrawić odsłoniętą warstwę krzemionki. Zapoznaj się z parametrami ICP-RIE w tabeli 3. Na tym etapie warstwa fotorezystu jest również całkowicie wytrawiana (Rysunek 3C–D).
  3. Aby upewnić się, że grubość warstwy krzemionki wewnątrz pożądanych wzorów zostanie zmniejszona do zera, tak aby warstwa krzemu była odsłonięta, zmierz grubość pozostałej krzemionki za pomocą reflektometru. Dostosuj czas trwania kolejnego okresu trawienia w oparciu o grubości warstw krzemionki (szczególnie w wzorach i wokół nich).

UWAGA: Reflektometr został użyty do zmierzenia grubości pozostałej warstwy krzemionki43. Alternatywnie można również użyć innych narzędzi, takich jak elipsometr lub interaktywny wykres kolorów do przewidywania koloru SiO2 i grubości44,45.

Procedury opisane w krokach 1 i 4 są wspólne zarówno dla ubytków reentrant, jak i podwójnie reentrantowych. Jednak protokoły trawienia dla warstwy krzemu są różne i są opisane poniżej:

5. Ubytki współbieżne

  1. Anizotropowe wytrawianie krzemu
    1. Po wytrawieniu warstwy krzemionki przenieś wafel do głębokiego systemu ICP-RIE w celu wytrawienia krzemu. Pierwszy etap składa się z anizotropowej metody trawienia na bazie fluoru, znanej jako proces Boscha, która wytrawia krzem pionowo w dół, tworząc prostą ścianę.
      UWAGA: W procesie Boscha wykorzystuje się gazy C4F8 i sześciofluorek siarki (SF6) w komorze reakcyjnej: osadzanie C4F8 tworzy warstwę pasywacyjną, podczas gdy SF6 wytrawia krzem pionowo w dół. W ten sposób proces Bosch umożliwia mikrowytwarzanie głębokich rowów w krzemie o wysokich proporcjach.
    2. Uruchom ten proces przez pięć cykli, co odpowiada głębokości trawienia krzemu ≈ 2 μm. Parametry procesu podano w tabeli 4.
    3. Wyczyść wafel w roztworze piranii przez 10 minut, aby usunąć wszelkie pozostałości procesu Bosch. Opłucz wafel wodą DI i odwiruj w środowisku N2 ( Rysunek 3E).
  2. Izotropowe wytrawianie krzemu: Aby stworzyć cechę współbieżności, należy wykonać wytrawianie izotropowe, które stworzyłoby podcięcie pod warstwą krzemionki. Zwis 5 μm można uzyskać, wytrawiając warstwę krzemu za pomocą SF6 przez 2 minuty i 45 s (Rysunek 3F). Zapoznaj się z tabelą 5, aby zapoznać się z parametrami procesu.
  3. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Po utworzeniu cech współbieżnych dostosuj głębokość wnęk w procesie Boscha (krok 5.1).
    UWAGA: Aby mikrowytwarzać wnęki o głębokości hc ≈ 50 μm, wymagane jest 160 cykli procesu Bosch (Rysunek 3G, Tabela 4).
  4. Czyszczenie i przechowywanie wafli
    1. Oczyść wafel za pomocą roztworu piranii zgodnie z opisem w kroku 2. Po tym etapie wafel staje się superhydrofilowy, charakteryzujący się kątami zwilżania wody, θo ≈ 0°.
    2. Przechowywać wafel na szklanej szalce Petriego i umieścić w czystym piecu próżniowym utrzymywanym w temperaturze T = 323 K i podciśnieniu PVac = 3,3 kPa przez 48 godzin, po czym wewnętrzny kąt działania warstwy krzemionki ustabilizuje się do θo ≈ 40°.
    3. Próbki należy przechowywać w czystej komorze wyposażonej w zewnętrzny przepływ azotu (99%), gotowe do dalszej charakterystyki.

6. Podwójnie współtrwające wgłębienia

  1. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Aby utworzyć podwójnie wklęsłe wgłębienia, wykonaj kroki 1, 2, 3, 4 i 5.1 (patrz Rysunek 4A–E).
  2. Izotropowe trawienie krzemu
    Aby utworzyć cechy podwójnie współbieżne, należy najpierw utworzyć cechy współbieżne. Aby to osiągnąć, wykonaj trawienie izotropowe, aby utworzyć podcięcie pod warstwą krzemionki. Wytrawiaj warstwę krzemu za pomocą SF6 przez 25 s (Rysunek 4F). Zapoznaj się z tabelą 5, aby zapoznać się z parametrami procesu. Następnie wyczyść wafel roztworem piranii zgodnie z opisem w kroku 2.
  3. Wzrost tlenków termicznych
    1. Aby uzyskać cechy podwójnie współbieżne, należy wyhodować warstwę tlenku termicznego o długości 500 nm na płytce, używając systemu pieca wysokotemperaturowego (Rysunek 4G).
    2. Zmierzyć grubość warstwy tlenku za pomocą reflektometru.
      UWAGA: Utlenianie przeprowadzono poprzez wystawienie próbek na działanie środowiska składającego się z tlenu (O2) i pary wodnej, co doprowadziło do mokrego utleniania krzemu w zamkniętym środowisku w temperaturach w zakresie 800–1 200 °C.
  4. Wytrawianie krzemionki: Wykonaj ten sam proces, który opisano w kroku 4, aby wytrawiać krzemionkę pionowo w dół przez 3 minuty. W wyniku trawienia anizotropowego tlenek termiczny (warstwa krzemionki o grubości 500 nm) jest wytrawiany z dala od wnęki, ale pozostawia "zwis" wzdłuż ścian bocznych, który ostatecznie utworzy podwójnie reentrantową krawędź (Rysunek 4H, Tabela 3).
  5. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Powtórz pięć cykli procesu Boscha, aby pogłębić ubytki o ≈ 2 μm (Rysunek 4I, Tabela 5). Ten krok jest niezbędny, aby w następnym kroku usunąć krzem znajdujący się za funkcją podwójnego współbieżności. Oczyść wafel za pomocą roztworu piranii.
  6. Izotropowe wytrawianie krzemu: Wytrawianie izotropowe krzemu należy wykonywać przez 2 minuty i 30 s, korzystając z parametrów procesu opisanych w tabeli 4. Ten krok tworzy pustą przestrzeń (≈2 μm) za termicznie wyrosłym tlenkiem u wylotu wnęki, prowadząc do podwójnie wklęsłej krawędzi (Rysunek 4J).
  7. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Użyj przepisu procesu Boscha (krok 5.1) przez 160 cykli, aby zwiększyć głębokość wnęk do hc ≈ 50 μm, (Rysunek 4K, Tabela 5).
  8. Czyszczenie i przechowywanie wafla: Wyczyść wafel za pomocą roztworu piranii i przechowuj zgodnie z opisem w kroku 5.4 powyżej.

MIKROFABRYKACJA FILARUS
Protokół projektowy wytwarzania współbieżnych i podwójnie współbieżnych filarów i "hybryd" (składających się z podwójnie współbieżnych filarów otoczonych ścianami) składa się z trzech kluczowych etapów: przygotowania płytki, wytrawiania krzemionki i specyficznego wytrawiania krzemu. Rysunek 5A–C pokazuje widok z góry projektu układu dla filarów reentrant i podwójnie reentrant, podczas gdy Rysunek 5D–F przedstawia układ tablic hybrydowych. Wybierz opcję ciemnego pola ekspozycji UV, aby naświetlić całą płytkę z wyjątkiem wzoru przy użyciu tego samego fotorezystu (AZ5214E) (Rysunek 6A–C i Rysunek 7A–C). Oprócz tych specyfiki, procesy czyszczenia płytki (krok 2) i trawienia krzemionki (krok 4) są identyczne.

7. Filary Współcześnie

  1. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Po fotolitografii, ekspozycji na promieniowanie UV, wywołaniu i wytrawieniu krzemionki o specyficzności dla filarów opisanych powyżej (kroki 1–4), przenieś wafel do głębokiego systemu ICP-RIE w celu wytrawienia warstwy krzemu w procesie Boscha. Ten krok steruje wysokością filarów. Użyj 160 cykli procesu Boscha, aby uzyskać słupki wysokości, hP ≈ 30 μm (Rysunek 6E, Tabela 5). Wyczyść wafel zgodnie z opisem w kroku 2.
  2. Wytrawianie krzemu izotropowego: Wykonuj wytrawianie izotropowe przy użyciu SF6 przez 5 minut, aby utworzyć krawędź wbieżną na filarach (Rysunek 6F, Tabela 4). Wynikowa długość wysięgu wynosi 5 μm.
  3. Czyszczenie i przechowywanie piranii: Wyczyść wafel za pomocą roztworu piranii i przechowuj zgodnie z opisem w kroku 5.4 powyżej.

8. Podwójnie współbieżne filary i hybrydy

  1. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Po wytrawieniu SiO2 przenieś wafel do głębokiego systemu ICP-RIE, aby wytrawić Si pod warstwą SiO2. Wykonaj pięć cykli procesu Boscha, który odpowiada głębokości trawienia ≈ 2 μm (Rysunek 7E, Tabela 4). Następnie wyczyść płytkę zgodnie z opisem w kroku (2).
  2. Izotropowe wytrawianie krzemu: Przeprowadzaj wytrawianie izotropowe przy użyciu SF6 przez 16 s, aby utworzyć krawędź współbieżną (Tabela 5, Rysunek 7F). Wyczyść wafel zgodnie z opisem w kroku 2.
  3. Wzrost tlenku termicznego: Wyhoduj warstwę tlenku termicznego o długości 500 nm na całej płytce za pomocą systemu pieca wysokotemperaturowego, jak opisano w kroku 6.3 (Rysunek 7G).
  4. Wytrawianie krzemionki: Wytrawiaj termicznie wyhodowaną warstwę tlenku (o grubości 500 nm) przez 3 minuty, jak opisano w kroku 6.4 (Rysunek 7H, Tabela 3).
  5. Anizotropowe wytrawianie krzemu: Powtórz 160 cykli procesu Boscha (Tabela 4), aby zwiększyć wysokość filarów (Rysunek 7I). Wyczyść wafel zgodnie z opisem w kroku 2 powyżej.
  6. Izotropowe wytrawianie krzemu: Wykonaj wytrawianie izotropowe krzemu przez 5 minut, stosując parametry procesu opisane w tabeli 4. Ten krok tworzy podwójnie współbieżną krawędź (Rysunek 7J). Przestrzeń między trzpieniem filaru a krawędzią podwójnie wklęsłą wynosi ≈2 μm.
  7. Czyszczenie i przechowywanie wafla: Wyczyść wafel za pomocą roztworu piranii i przechowuj zgodnie z opisem w kroku 5.4 powyżej.

Rysunek 8 przedstawia listę procesów stosowanych w mikroprodukcji wnęk i filarów reentrantowych i podwójnie współbieżnych.

Wyniki

W tej sekcji prezentujemy kawitacje reentrantne i podwójnie reentrantne (RC i DRC, Rysunek 9) oraz filary reentrantne i podwójnie reentrantne (RP i DRP, Rysunek 10) wytworzone metodą mikrolitografii zgodnie z opisanymi powyżej protokołami. Wszystkie kawitacje mają średnicę DC = 200 μm, głębokość hC ≈ 50 μm oraz odległość środka do środka (lub skok) między sąsiednimi kawitacjami wynoszącą LC = DC + 12 μm. Korzystając z tych samych protokołów wytwarzania, można również przygotować kawitacje o kształtach niekolistych, co raportowano we wcześniejszych publikacjach26.

Średnica kapturka na szczycie filarów wynosiła DP = 20 μm, a ich wysokość i rozstaw wynosiły odpowiednio hp ≈ 30 μm oraz LP = 100 μm (Rycina 10).

Właściwości zwilżania mikrostruktur więżących gazy (GEMs)
Płaska krzemionka (SiO2) wykazuje naturalną tendencję do zwilżania przez większość cieczy polarnych i niepolarnych. Na przykład naturalne kąty zwilżania kropel heksadecanu (γLV = 20 mN/m przy 20 °C) i wody (napięcie powierzchniowe γLV = 72,8 mN/m przy 20 °C) na krzemionce wynosiły odpowiednio θo ≈ 20° oraz θo ≈ 40°. Jednak po mikrofabrykacji wnęk i filarów o reentrującej i podwójnie reentrującej geometrii (DRCs), kąty zwilżania zmieniły się drastycznie (Tabela 6). Zmierzyliśmy kąty zwilżania poprzedzające i cofające poprzez dozowanie/odsysanie cieczy z prędkością 0,2 µL/s i stwierdzono, że pozorne kąty zwilżania dla obu cieczy wynosiły θr > 120° (omnifobowość; Rysunek 11E). Kąty zwilżania cofające wynosiły θr ≈ 0° ze względu na brak nieciągłości w mikrostrukturach, tak jak w przypadku mikrostruktur opartych na filarach. Z drugiej strony, powierzchnie SiO2/Si z macierzami podwójnie reentrujących filarów (DRPs) wykazywały pozorne kąty zwilżania θr > 150° dla obu cieczy, a histereza kąta zwilżania była minimalna (superomnifobowość, Rysunek 11A oraz Filmy S1 i S2). Co ciekawe, gdy te same powierzchnie SiO2/Si z macierzami filarów zanurzano w tych samych cieczach, dochodziło do natychmiastowej penetracji, t < 1 s, tzn. powietrze nie zostało uwięzione (Rysunek 10A–D, Film S3). Zatem, choć filary wydawały się superomnifobowe pod względem kątów zwilżania, nie były w stanie uwięzić powietrza podczas zanurzenia. W rzeczywistości zwilżające ciecze wnikają od krawędzi mikrostruktury (lub z lokalnych defektów) i natychmiast wypierają uwięzione powietrze (Rysunek 11A–D i Film S3). W przeciwieństwie do nich, DRCs więziły powietrze podczas zanurzenia w obu cieczach (Rysunek 11E–H i S1, Tabela 1); w przypadku heksadecanu uwięzione powietrze pozostało nienaruszone nawet po 1 miesiącu26. Nasze eksperymenty z wykorzystaniem mikroskopii konfokalnej wykazały, że nawisające elementy stabilizują wnikające ciecze i więżą w nich powietrze (Rysunek 12A–B).

Następnie, aby uwięzić powietrze w układach DRP, zastosowano te same protokoły mikrofabrykacji w celu uzyskania macierzy filarów otoczonych ściankami o podwójnie reentrantnym profilu (Rysunek 10G–I). Strategia ta odizolowała łodygi DRP od zwilżających cieczy. W rezultacie hybrydowe mikrotekstury zachowywały się jak GEM, co potwierdzono za pomocą mikroskopii konfokalnej (Rysunek 12C–D) oraz Film S4, Tabela 6). W związku z tym powierzchnie krzemionkowe o hybrydowych mikroteksturach wykazały omnifobowość podczas zanurzania poprzez uwięzienie powietrza oraz wykazały kąty zwilżania, θProszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. > 120°, (omnifobowy), i udowodniono, że jest omnifobowy w ścisłym tego słowa znaczeniu, t. j. pod kątem kątów zwilżania i zatrzymywania powietrza podczas zanurzania. W Tabela 6oceniamy omnifobowość SiO2Powierzchnie Si o różnych mikroteksturach – opartych na kawernach, filarach oraz hybrydowych – określone za pomocą kątów zwilżania i imersji.

Mikroskalowe struktury reentrantne i podwójnie reentrantne; schemat geometrii wnęki i filaru.

Rysunek 1: Schematy mikrostruktur. (A–B) Wnęki reentrantne, (C–D) wnęki podwójnie reentrantne, (E–F) filary reentrantne, (G–H) filary podwójnie reentrantne. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat nanostruktury; mikroskopia optyczna powierzchni z wzorem, powiększenie od 20mm do 200μm.

Rysunek 2: Wzorce projektowe dla wnęk. Wzorce projektowe dla wnęk reentrantnych i podwójnie reentrantnych wygenerowane przy użyciu oprogramowania do projektowania układów. Wzorzec został przeniesiony na wafer za pomocą fotolitografii. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

   

Schemat procesu trawienia krzemu: fotolitografia, powlekanie rotacyjne, trawienie anizotropowe, izotropowe.

Rycina 3: Protokół mikrofabrykacji wnęk reentrantowych. (A) Oczyszczony wafel krzemowy z warstwą krzemionki o grubości 2,4 µm na górze. (B) Naniesienie fotorezystu na wafel metodą spin-coatingu i naświetlanie światłem UV. (C) Wywoływanie naświetlonego fotorezystu w celu uzyskania wzoru projektu. (D) Trawienie odsłoniętej górnej warstwy krzemionki pionowo w dół (trawienie anizotropowe) przy użyciu trawienia jonowego reaktywnego (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP). (E) Płytkie trawienie anizotropowe odsłoniętej warstwy krzemu przy użyciu głębokiego ICP-RIE. (F) Trawienie izotropowe krzemu w celu utworzenia krawędzi reentrantowej. (G) Głębokie anizotropowe trawienie krzemu w celu zwiększenia głębokości wnęk. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

   

Schemat procesu trawienia wafla krzemowego: powlekanie wirowe, fotolitografia, trawienie anizotropowe i izotropowe.

Rycina 4: Protokół mikrowytrawiania wnęk podwójnie reentrantnych. (A) Oczyszczony wafelek krzemowy z warstwą krzemionki o grubości 2,4 µm na powierzchni. (B) Naniesienie fotorezystu na wafelek metodą spin-coatingu i naświetlanie światłem UV. (C) Wywoływanie naświetlonego fotorezystu w celu uzyskania wzoru projektu. (D) Pionowe trawienie w dół (trawienie anizotropowe) odsłoniętej wierzchniej warstwy krzemionki przy użyciu reaktywnego trawienia jonowego (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP). (E) Płytkie trawienie anizotropowe odsłoniętej warstwy krzemu przy użyciu głębokiego ICP-RIE. (F) Płytkie trawienie izotropowe krzemu w celu utworzenia podcięcia przy użyciu głębokiego ICP-RIE. (G) Termiczny wzrost tlenku. (H) Trawienie anizotropowe górnej i dolnej warstwy krzemionki. (I) Płytkie trawienie anizotropowe krzemu. (J) Izotropowe trawienie krzemu w celu utworzenia podwójnie reentrantnej krawędzi. (K) Głębokie trawienie anizotropowe krzemu w celu zwiększenia głębokości wnęk. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat mikroskopijnych filarów i konstrukcji hybrydowej; paski skali 3mm, 200µm, 40µm, 300µm, 100µm.

Rysunek 5: Wzory projektowe dla filarów. Wzory projektowe dla filarów o strukturze reentrantnej, podwójnie reentrantnej oraz hybrydowej, wygenerowane za pomocą oprogramowania do projektowania układów. Wzór został przeniesiony na wafer za pomocą fotolitografii. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Schemat przetwarzania wafla krzemowego; etapy fotolitografii, powlekania wirowego i trawienia; warstwy materiałowe.

Rysunek 6: Protokół mikrowytrawiania filarów o profilu reentrantnym. (A) Czysty wafel krzemowy z warstwą krzemionki o grubości 2,4 µm na wierzchu. (B) Pokrycie wafla fotorezystem metodą spin-coatingu i naświetlanie światłem UV. (C) Wywoływanie naświetlonego fotorezystu w celu uzyskania wzoru projektu. (D) Trawienie odsłoniętej górnej warstwy krzemionki w kierunku pionowym (trawienie anizotropowe) przy użyciu reaktywnego trawienia jonowego (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP). (E) Głębokie anizotropowe trawienie krzemu w celu zwiększenia wysokości filarów. (F) Izotropowe trawienie krzemu w celu utworzenia krawędzi reentrantnej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat procesu obróbki wafla krzemowego: fotolitografia, trawienie, wzrost tlenku, etapy przenoszenia wzoru.

Rysunek 7: Protokół mikrotworzenia filarów o podwójnej geometrii reentrantowej. (A) Oczyszczony wafel krzemowy z warstwą krzemionki o grubości 2,4 µm na górze. (B) Naniesienie fotorezystu na wafel metodą spin-coatingu i naświetlanie światłem UV. (C) Wywoływanie naświetlonego fotorezystu w celu uzyskania wzoru projektu. (D) Trawienie odsłoniętej górnej warstwy krzemionki w pionie w dół (trawienie anizotropowe) przy użyciu reaktywnego trawienia jonowego (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP). (E) Płytkie trawienie anizotropowe odsłoniętej warstwy krzemu przy użyciu głębokiego ICP-RIE. (F) Płytkie trawienie izotropowe krzemu w celu stworzenia podcięcia przy użyciu głębokiego ICP-RIE. (G) Termiczny wzrost tlenku. (H) Trawienie anizotropowe górnej i dolnej warstwy krzemionki. (I) Anizotropowe trawienie krzemu w celu zwiększenia wysokości filarów. (J) Izotropowe trawienie krzemu w celu stworzenia podwójnej krawędzi reentrantowej. Należy zauważyć, że jedyną różnicą między filarami o podwójnej geometrii reentrantowej a wariantem „hybrydowym” jest projekt początkowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat procesu trawienia krzemu: układ 2D, fotolitografia, metody anizotropowe i izotropowe.

Rysunek 8: Protokół mikrotworzywa dla wnęk i filarów o geometrii reentranckiej oraz podwójnie reentranckiej. Schemat blokowy przedstawia kluczowe etapy procesu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Obrazy SEM jam reentrantowych i podwójnie reentrantowych; analiza struktury krzemionkowo-krzemowej; mikrowytwarzanie.

Rycina 9: Skaningowe mikrografie elektronowe jam wklęsłych i podwójnie wklęsłych. (A–D) Przekroje poprzeczne i widoki izometryczne powierzchni krzemionkowych z matrycą jam wklęsłych. (E–H) Przekroje poprzeczne i widoki z góry jam podwójnie wklęsłych. DC = średnica jamy, LC = odległość między środkami sąsiednich jam (lub skok), a hC = głębokość jamy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schematy filarów reentrantnych i podwójnie reentrantnych; analiza mikrostruktury przy użyciu SEM; przedstawiono projekt hybrydowy.

Rysunek 10: Skaningowe mikrografie elektronowe filarów z podwieszeniem (reentrant) i podwójnym podwieszeniem (doubly reentrant). (A–C) Widok izometryczny filarów z podwieszeniem. (D–F) Filary z podwójnym podwieszeniem. (G–I) Filary hybrydowe – DRP otoczone ścianami z podwójnym podwieszeniem. DP - średnica głowicy filara, LP - odległość od środka do środka między sąsiednimi filarami (skok), oraz hP – wysokość filarów. Rysunek D–I, przedrukowano z Ref.35, Copyright (2019), za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat struktur podwójnie reentrantnych; oddziaływanie z wodą, utrata superomnifobowości, granica mikrotekstury.

Rycina 11: Zachowanie zwilżania. (A) Superomnifobowość powierzchni SiO2/Si z naniesionymi macierzami filarów o strukturze podwójnie reentrantnej, zaobserwowana poprzez umieszczenie kropel cieczy na wierzchu. (B–D) Superomnifobowość zostaje natychmiast utracona, jeśli zwilżające ciecze dotkną krawędzi lub lokalnych defektów. (E) Powierzchnie SiO2/Si z naniesionymi macierzami wnęk o strukturze podwójnie reentrantnej wykazują omnifobowość. (F–H) Mikrotekstury te stabilnie więżą powietrze i nie tracą go, gdy ciecz dotknie krawędzi lub lokalnych defektów. Przedrukowano z Ref.35, Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Schemat podwójnie reentrantowych wnęk; wpływ wody i heksadekanu; analiza uwięzionego powietrza.

Rysunek 12: Mikroskopia konfokalna mikrotekstur zanurzonych w cieczach. Cyfrowo ulepszone rekonstrukcje 3D reprezentatywnych obrazów konfokalnych (rzuty izometryczne i przekroje wzdłuż linii przerywanych) przejść zwilżania na powierzchniach krzemionkowych z podwójnie reentrantnymi wnękami i hybrydowymi filarami, zanurzonych pod słupem cieczy o wysokości z ≈ 5 mm po 5 min zanurzenia w (A,C) wodzie oraz (B,D) heksadekanie. (Sztuczne) kolory niebieski i żółty odpowiadają granicom między wodą i heksadekanem a uwięzionym powietrzem. Wdzierające się meniski cieczy zostały ustabilizowane na podwójnie reentrantnej krawędzi. (Pasek skali = średnica wnęki i filara odpowiednio 200 µm i 20 µm). Rysunek 12 został przedrukowany z Ref.35, Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Etap 1: Dehydratacja i usuwanie tlenu z komory
KrokSekwencja procesuCzas (min)
1Próżnia (10 Torr)1
2Azot (760 Torr)3
3Próżnia (10 Torr)1
4Azot (760 Torr)3
5Próżnia (10 Torr)1
6Azot (760 Torr)3
Etap 2: Priming
Sekwencja procesuCzas (min)
7Próżnia (1 Torr)2
8HMDS (6 Torr)5
Etap 3: Przedmuchiwanie układu odprowadzania gazów z fazy przygotowawczej
Sekwencja procesuCzas (min)
9Próżnia1
10Azot2
11Próżnia2
Etap 4: Powrót do atmosfery (dopełnienie)
Sekwencja procesuCzas (min)
12Azot3

Tabela 1: Szczegóły procesu nakładania warstw heksametylodisylazanu (HMDS) w celu poprawy adhezji między powierzchnią krzemionki a fotorezystem AZ-5214E.

KrokPrędkość (obr./min)Prędkość narastania (obr./s)Czas (s)
180010003
2150015003
33000300030

Tabela 2: Szczegóły procesu uzyskiwania warstwy fotorezystu AZ-5214E o grubości 1,6 µm na wafle SiO2/Si metodą spin-coatingu.

moc RF (W)moc ICP, (W)Ciśnienie trawienia, (mTorr)C4F8 przepływ (sccm)O2 przepływ (sccm)Temperatura, (°C)
10015001040510

Tabela 3: Ustawienia parametrów trawienia krzemionki stosowane w procesie trawienia jonowo-reaktywnego z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-RIE).

moc RF, (W)moc ICP, (W)Ciśnienie trawienia, (mTorr)SF6 przepływ, (sccm)Temperatura, (°C)
2018003511015

Tabela 4: Ustawienia parametrów dla izotropowego trawienia krzemu stosowanego w głębokim reaktywnym trawieniu jonowym z wykorzystaniem plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP-DRIE).

Krokmoc RF, (W)moc ICP (W)Ciśnienie trawienia, (mTorr)SF6 przepływ, (sccm)C4F8 przepływ, (sccm)Temperatura, (°C)Czas osadzania/trawienia (s)
Warstwa pasywna51300305100155
Trawienie301300301005157

Tabela 5: Ustawienia parametrów dla trawienia krzemu (anizotropowego) stosowanego w procesie trawienia reaktywnego jonami w głębokich warstwach z wykorzystaniem plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP-DRIE).

PowierzchnieKryterium: kąty zwilżania w powietrzuKryterium: Immersja
WodaHeksadekanWodaHeksadekan
DRP (protokoły odpowiedzi depresyjnej)θr153°±1°153° ± 1°Błyskawiczna penetracjaNatychmiastowa penetracja
θA161°±2°159° ± 1°
θR139°±1°132° ± 1°
Ocena:SuperomnifobowyNie omnifobowy – w rzeczywistości, omnifilny
DRC (komórki odporne na leki)θProszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.124° ± 2°115° ± 3°Uwięzione powietrze (omnifobowe)Uwięzione powietrze (omnifobowe)
θA139° ± 3°134° ± 5°
θR0°0°
Ocena:OmnifobowyOmnifobowy
Hybrydyθr153°± 2°153° ± 2°Uwięzione powietrze (omnifobowe)Uwięzione powietrze (omnifobowe)
θA161°± 2°159° ± 2°
θR0°0°
Ocena:OmnifobowyOmnifobowy

Tabela 6: Pomiary kąta zwilżania – postępującego (θA), cofającego się (θR) i pozornego (θr) – oraz zanurzanie w cieczach. Tabela ta została przedrukowana z Ref.35, Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier.

Kropla wody na filarze o strukturze reentrantnej z wstawką SEM; fizyka napięcia powierzchniowego i mikrostruktur.

Film S1: Szybka sekwencja obrazów (15K fps) kropli wody odbijającej się od mikroteksturowanych powierzchni składających się z podwójnie reentrantowych filarów. Film ten został przedrukowany z ref 35. Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Równowaga kropli heksadekanu na strukturze filarowej z podwójnym wejściem; obraz mikroskopowy z paskiem skali.

Film S2: Szybka sekwencja obrazów (19K fps) kropli heksadekanu odbijającej się od mikroteksturowanych powierzchni składających się z filarów o podwójnym wejściu (doubly reentrant). Film ten został przedrukowany z ref 35. Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Pomiar kąta zwilżania wody na powierzchni teksturowanej; ustawienie eksperymentalne z filarami o podwójnej reentrancji.

Film S3: Sekwencja obrazów (200 fps) imbibicji wody w mikroteksturę składającą się z filarów o podwójnym wejściu (doubly reentrant pillars). Film ten został przedrukowany z ref 35. Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Dynamiczne zwilżanie, kropla wody na powierzchni mikrostrukturalnej, obraz mikroskopowy, badanie dynamiki płynów.

Film S4: Sekwencja obrazów (200 fps) kropli wody przesuwającej się obok hybrydowej mikrotekstury. Obecność podwójnie reentrantnej ściany granicznej zapobiega inwazji cieczy do mikrotekstury, co sprawia, że powierzchnia pozostaje omnifobowa również podczas zanurzenia. Film ten został przedrukowany z ref 35. Copyright (2019), za zgodą wydawnictwa Elsevier. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Dyskusja

W tym miejscu omawiamy dodatkowe czynniki i kryteria projektowe, aby pomóc czytelnikowi w zastosowaniu tych protokołów mikrofabrykacji. W przypadku mikrotekstur ubytków (RC i DRC) wybór skoku ma kluczowe znaczenie. Cieńsze ścianki między sąsiednimi wnękami prowadziłyby do niskiej powierzchni międzyfazowej ciecz-ciało stałe i wysokiej powierzchni międzyfazowej ciecz-para, co prowadziłoby do wysokich pozornych kątów zwilżania34. Jednak cienkie ścianki mogą zagrozić integralności mechanicznej mikrotekstury, na przykład podczas obsługi i charakteryzacji; Niewielkie nadmierne trawienie cienkimi ściankami (np. w kroku 6.6) może zniszczyć całą mikroteksturę; Niedostateczne trawienie cienkimi ściankami może również zapobiec rozwojowi cech podwójnie współbieżnych. Jeśli cechy DRC nie są w pełni rozwinięte, ich zdolność do zatrzymywania powietrza przez długi czas może ucierpieć, zwłaszcza jeśli ciecz skrapla się w jamach26. Z tego powodu wybraliśmy skok w naszych eksperymentach na L = D + 12 μm (tj. minimalna grubość ścianki między wnękami wynosiła 12 μm). Wyprodukowaliśmy również wnęki podwójnie wklęsłe o mniejszym skoku L = D + 5 μm, ale uzyskane powierzchnie nie były jednorodne ze względu na uszkodzenia strukturalne podczas mikrowytwarzania.

Podczas wytrawiania warstwy krzemionki za pomocą C4F8 i O2 w kroku 4, wcześniejsza historia użytkowania lub czystość komory reakcyjnej mogą dawać różne wyniki, pomimo wykonania tych samych kroków, na przykład w zwykłym obiekcie użytkownika, takim jak większość uniwersytetów. Dlatego zaleca się, aby ten etap był wykonywany w krótkich odstępach czasu, na przykład nie dłuższych niż 5 minut każdy, i monitorował grubość warstwy krzemionki za pomocą niezależnej techniki, takiej jak reflektometria. W przypadku naszych wafli z warstwą krzemionki o grubości 2,4 μm, typowa procedura trawienia zajęła 13 minut, aby całkowicie usunąć krzemionkę z docelowych obszarów (tabela 3). Ponieważ fotorezystor został również wytrawiony podczas procesu, ten krok usunął 1 μm warstwy krzemionki, która początkowo była zamaskowana przez fotorezyst. Ponadto, aby zapewnić, że szybkość trawienia była zgodna z oczekiwaniami i aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego z poprzednich procesów trawienia (częsty problem w obiektach z wieloma użytkownikami), wytrawianie krzemionki było zawsze poprzedzone wytrawianiem płytki protektorowej jako krok zapobiegawczy. Podczas opracowywania fotorezystu odsłonięta powierzchnia może zostać zanieczyszczona śladami/cząstkami fotorezystu, które mogą działać jak (mikroskopijne) maski prowadzące do powstawania pozostałości po szpilkach. Aby tego uniknąć, w całym procesie mikroprodukcji należy przestrzegać rygorystycznych protokołów czyszczenia i przechowywania36.

Podobnie podczas procesu Boscha, mimo że warstwa SiO2 działa jak maska dla warstwy Si pod spodem, jest ona wytrawiana podczas długich cykli trawienia, choć w wolniejszym tempie. W związku z tym głębokość wnęk lub wysokość filarów jest ograniczona do punktu, w którym cechy współbieżne nie zostaną naruszone. Czasy pasywacji i trawienia podczas procesu Boscha powinny być dostrojone w celu uzyskania gładkich ścian. Można to osiągnąć, iteracyjnie testując receptury i obserwując ich wpływ na próbki, na przykład za pomocą mikroskopii elektronowej.

W przypadku RP i DRP im dłuższy czas trwania trawienia izotropowego, tym mniejsza średnica trzpienia. Jeśli średnica jest mniejsza niż 10 μm, może to prowadzić do kruchości mechanicznej. To ograniczenie powinno być uwzględniane w projekcie na początku procedury mikrofabrykacji.

Narzędzia do trawienia na sucho powszechnie dostępne na uniwersytetach nie mają tolerancji klasy przemysłowej, co prowadzi do niejednorodności przestrzennych pod względem szybkości trawienia wewnątrz komory. W związku z tym cechy uzyskane w środku płytki mogą nie być takie same jak te na granicy. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, użyliśmy czterocalowych wafli i skoncentrowaliśmy się tylko w regionie centralnym.

Zalecamy również stosowanie systemów bezpośredniego pisania zamiast masek twardych w fotolitografii, co pozwala na szybkie zmiany parametrów projektowych, w tym średnic elementów, podziałek i kształtów (okrągłe, sześciokątne i kwadratowe) itp.

Oczywiście ani płytki SiO2/Si, ani fotolitografia nie są pożądanymi materiałami ani procesami do masowej produkcji powierzchni omnifobowych. Służą one jednak jako doskonały system modelowy do badania innowacyjnych mikrotekstur do inżynierii powierzchni omnifobowych, na przykład za pomocą biomimetyki 26,27,34,35,46,47, które można przełożyć na tanie i skalowalne systemy materiałowe do zastosowań. Oczekuje się, że w niedalekiej przyszłości zasady projektowania GEM mogą zostać rozszerzone przy użyciu takich technik, jak między innymi druk 3D48, produkcja addytywna49 i mikroobróbka laserowa50. Mikroteksturowane powierzchnie SiO2/Si mogą być również stosowane do szablonowania miękkich materiałów29,51. Obecnie badamy zastosowania naszych powierzchni zatrzymujących gaz w celu złagodzenia uszkodzeń spowodowanych kawitacją47, odsalaniem 46,52 i zmniejszeniem oporu hydrodynamicznego.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów.

Podziękowania

HM dziękuje za finansowanie z Uniwersytetu Nauki i Technologii Króla Abdullaha (KAUST).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AZ-5214 E fotorezystułMerckDEAA070796-0W59Fotorezystor, ciecz łatwopalna
AZ-726 MIF wywoływaczMerck10055824960Opracowanie fotorezystu
Mikroskopia konfokalnaZeissZeiss LSM710Pionowy mikroskop konfokalny do wizualizacji kształtu płynnej łąkotki
Deep ICP-RIEOxford InstrumentsSystem plazmalab100Krzem narzędzie do trawienia
Bezpośredni pisarzHeidelberg Instrumentsµ PG501System bezpośredniego zapisu
Analizator kształtu kropliKRUSSDSA100Do pomiaru kąta zwilżania
HexadecaneAlfa Aesar544-76-3Ciecz testowa
Szybka kamera obrazującaBadania nad widzeniem fantomowymv1212Do obrazowania odbijającej się
kropli HMDS parownik primeWydajność Systemy
Płyta grzejnaKoszt efektywne wyposażenieModel 1300
Nadtlenek wodoru 30%Sigma Aldrich7722-84-1Aby przygotować roztwór piranii
Oprogramowanie ImarisBitplane Wersja 8Obrazy mikroskopii konfokalnej po procesie
Nil RedSigma Aldrich7385-67-3Barwnik fluorescencyjny do heksadekanu
Azot gazowyKAUST lab supplyAby wysuszyć wafel
Szalka PetriegoVWRHECH41042036
Wytrawianie reaktywnymi jonami (RIE)Oxford InstrumentsPlasmalab system100Narzędzie do trawienia krzemionki
ReflektometrNanometriaNanospec 6100Aby sprawdzić pozostałą grubość warstwy tlenku
Rodamina B (Acros)Fisher scientific81-88-9Barwnik fluorescencyjny do wody
SEMMikroskopia elektronowa Nauki75923-19
SEM-Quanta 3DFEIQuanta 3D FEG Podwójna wiązka
Wafel krzemowySilicon Valley MicroelectronicsJednostronnie polerowany, średnica 4", 500 µ m grubość, 2,4 i mikro; m gruba warstwa tlenku
Powlekarka wirowaHeadway Research,IncPWM32
Suszarka do płukania spinowegoTechnologia MicroProcessAvenger Ultra -Pure 6Wysuszyć wafle po piranii czysty
Kwas siarkowy 96%Technic764-93-9Aby przygotować roztwór piranii
Oprogramowanie Tanner EDA L-Edit TannerEDA, Inc.wersja 15Projekt układu
Termiczny wzrost tlenkówPiecDo uprawy tlenku termicznego we wzorzystych płytkach krzemowych
PęsetaExcelta490-SA-PIPęseta waflowa
Piekarnik próżniowy ThermoScientific13-258-13
WodaMilli-QZaleta A10Ciecz testowa
inżynieryjne Tystar

Bibliografia

  1. Butt, H. J., et al. Characterization of super liquid-repellent surfaces. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 19 (4), 343-345 (2014).
  2. Lee, J., Laoui, T., Karnik, R. Nanofluidic transport governed by the liquid/vapour interface. Nature Nanotechnology. 9 (4), 317-323 (2014).
  3. Subramanian, N., et al. Evaluating the potential of superhydrophobic nanoporous alumina membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Colloid and Interface Science. 533, 723-732 (2019).
  4. Xue, Z. X., Cao, Y. Z., Liu, N., Feng, L., Jiang, L. Special wettable materials for oil/water separation. Journal of Materials Chemistry A. 2 (8), 2445-2460 (2014).
  5. Zhang, L. B., Zhong, Y. J., Cha, D., Wang, P. A self-cleaning underwater superoleophobic mesh for oil-water separation. Scientific Reports. 3, (2013).
  6. Leslie, D. C., et al. A bioinspired omniphobic surface coating on medical devices prevents thrombosis and biofouling. Nature Biotechnology. 32 (11), 1134-1140 (2014).
  7. Lee, C., Choi, C. H., Kim, C. J. Superhydrophobic drag reduction in laminar flows: a critical review. Experiments in Fluids. 57 (176), (2016).
  8. Tuteja, A., Choi, W., Mabry, J. M., McKinley, G. H., Cohen, R. E. Robust omniphobic surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (47), 18200-18205 (2008).
  9. Brown, P. S., Bhushan, B. Mechanically durable, superoleophobic coatings prepared by layer-by-layer technique for anti-smudge and oil-water separation. Scientific Reports. 5, (2015).
  10. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  11. Milionis, A., Dang, K., Prato, M., Loth, E., Bayer, I. Liquid repellent nanocomposites obtained from one-step water-based spray. Journal of Materials Chemistry A. 3 (24), 12880-12889 (2015).
  12. Mishra, H., et al. Time-Dependent Wetting Behavior of PDMS Surfaces with Bioinspired, Hierarchical Structures. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (12), 8168-8174 (2016).
  13. Hendren, Z. D., Brant, J., Wiesner, M. R. Surface modification of nanostructured ceramic membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science. 331 (12), 1-10 (2009).
  14. Rezaei, M., et al. Wetting phenomena in membrane distillation: Mechanisms, reversal, and prevention. Water Research. 139, 329-352 (2018).
  15. Verho, T., et al. Mechanically Durable Superhydrophobic Surfaces. Advanced Materials. 23, 673-678 (2011).
  16. Boinovich, L., Emelyanenko, A. M., Pashinin, A. S. Analysis of Long-Term Durability of Superhydrophobic Properties under Continuous Contact with Water. ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (6), 1754-1758 (2010).
  17. Herminghaus, S. Roughness-induced non-wetting. Europhysics Letters. 52 (2), 165-170 (2000).
  18. Abdelsalam, M. E., Bartlett, P. N., Kelf, T., Baumberg, J. Wetting of regularly structured gold surfaces. Langmuir. 21 (5), 1753-1757 (2005).
  19. Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F., Yu, S. W. Mechanisms of superhydrophobicity on hydrophilic substrates. Journal of Physics-Condensed Matter. 19 (35), (2007).
  20. Nosonovsky, M. Multiscale roughness and stability of superhydrophobic biomimetic interfaces. Langmuir. 23 (6), 3157-3161 (2007).
  21. Marmur, A. From hygrophilic to superhygrophobic: Theoretical conditions for making high-contact-angle surfaces from low-contact-angle materials. Langmuir. 24 (14), 7573-7579 (2008).
  22. Hensel, R., et al. Wetting Resistance at Its Topographical Limit: The Benefit of Mushroom and Serif T Structures. Langmuir. 29 (4), 1100-1112 (2013).
  23. Bormashenko, E. Progress in understanding wetting transitions on rough surfaces. Advances in Colloid and Interface Science. 222, 92-103 (2015).
  24. Patankar, N. A. Thermodynamics of trapping gases for underwater superhydrophobicity. Langmuir. 32 (27), 7023-7028 (2016).
  25. Kaufman, Y., et al. Simple-to-Apply Wetting Model to Predict Thermodynamically Stable and Metastable Contact Angles on Textured/Rough/Patterned Surfaces. The Journal of Physical Chemistry C. 121 (10), 5642-5656 (2017).
  26. Domingues, E. M., Arunachalam, S., Nauruzbayeva, J., Mishra, H. Biomimetic coating-free surfaces for long-term entrapment of air under wetting liquids. Nature Communications. 9 (1), 3606(2018).
  27. Liu, T. Y., Kim, C. J. Turning a surface superrepellent even to completely wetting liquids. Science. 346 (6213), 1096-1100 (2014).
  28. Hensel, R., Neinhuis, C., Werner, C. The springtail cuticle as a blueprint for omniphobic surfaces. Chemical Society Reviews. 45 (2), 323-341 (2016).
  29. Hensel, R., et al. Biologically Inspired Omniphobic Surfaces by Reverse Imprint Lithography. Advanced Materials. 26 (13), 2029-2033 (2014).
  30. Hensel, R., et al. Tunable nano-replication to explore the omniphobic characteristics of springtail skin. Npg Asia Materials. 5, (2013).
  31. Helbig, R., Nickerl, J., Neinhuis, C., Werner, C. Smart Skin Patterns Protect Springtails. PLOS ONE. 6 (9), 25105(2011).
  32. Cheng, L. Marine and Freshwater Skaters: Differences in Surface Fine Structures. Nature. 242, 132(1973).
  33. Andersen, N. M., Cheng, L. The marine insect Halobates (Heteroptera: Gerridae): biology, adaptations, distribution, and phylogeny. Oceanography and marine biology: an annual review. 42, 119-180 (2004).
  34. Domingues, E. M., Arunachalam, S., Mishra, H. Doubly Reentrant Cavities Prevent Catastrophic Wetting Transitions on Intrinsically Wetting Surfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21532-21538 (2017).
  35. Arunachalam, S., Das, R., Nauruzbayeva, J., Domingues, E. M., Mishra, H. Assessing omniphobicity by immersion. Journal of Colloid and Interface Science. 534, 156-162 (2019).
  36. Christian Koch, E. A. Photolithography: Basics of Microstructuring. , MicroChemicals GmbH. (2017).
  37. Jansen, H., de Boer, M., Legtenberg, R., Elwenspoek, M. The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control. Journal of Micromechanics and Microengineering. 5 (2), 115(1995).
  38. Jansen, H. V., de Boer, M. J., Unnikrishnan, S., Louwerse, M., Elwenspoek, M. C. Black silicon method X: a review on high speed and selective plasma etching of silicon with profile control: an in-depth comparison between Bosch and cryostat DRIE processes as a roadmap to next generation equipment. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (3), 033001(2009).
  39. Xiu, Y., Zhu, L., Hess, D. W., Wong, C. Hierarchical silicon etched structures for controlled hydrophobicity/superhydrophobicity. Nano Letters. 7 (11), 3388-3393 (2007).
  40. Azeredo, B., et al. Silicon nanowires with controlled sidewall profile and roughness fabricated by thin-film dewetting and metal-assisted chemical etching. Nanotechnology. 24 (22), 225305(2013).
  41. Coffinier, Y., et al. Preparation of superhydrophobic silicon oxide nanowire surfaces. Langmuir. 23 (4), 1608-1611 (2007).
  42. Tanner, E. L-Edit-The layout editor. Reference Manual. , Available from: https://usermanual.wiki/Document/LEdit20Manual.38314693/view (2009).
  43. NANOSPEC 6100 Series Operators Users Manual. , Nanometrics. Available from: https://cmi.epfl.ch/metrology/Nanospec_AFT6100_Manual.pdf (2019).
  44. Deal, B. E., Grove, A. General relationship for the thermal oxidation of silicon. Journal of Applied Physics. 36 (12), 3770-3778 (1965).
  45. Woollam, J. A., et al. Spectroscopic ellipsometry from the vacuum ultraviolet to the far infrared. AIP Conference Proceedings. 550 (1), 511-518 (2001).
  46. Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Mishra, H. Bio-inspired gas-entrapping membranes (GEMs) derived from common water-wet materials for green desalination. Journal of Membrane Science. , 117185(2019).
  47. Gonzalez-Avila, S. R., Nguyen, D. M., Arunachalam, S., Domingues, E. M., Mishra, H., Ohl, C. D. Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces. Science Advances. , In-press (2020).
  48. Liu, X., et al. 3D Printing of Bioinspired Liquid Superrepellent Structures. Advanced Materials. 30 (22), 1800103(2019).
  49. Jafari, R., Cloutier, C., Allahdini, A., Momen, G. Recent progress and challenges with 3D printing of patterned hydrophobic and superhydrophobic surfaces. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. , 1-14 (2019).
  50. Vorobyev, A. Y., Guo, C. L. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics. 117 (3), 033103(2015).
  51. Xu, M., Kim, C. J. Method for manufacturing re-entrant microstructures. US Patent App. , 15/546,260 (2018).
  52. Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Syed, A., Buttner, U., Mishra, H. Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Greener Desalination. Journal of Visualized Experiments. , In-press e60583(2020).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Filary o podw jnej reentrancjipowierzchnie omnifobowefotolitografiareaktywne trawienie jonowetermiczny wzrost tlenkuczyszczenie kwasem pira iahistereza k ta kontaktowegostan Cassie
Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.