Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Elektrochemiczne nanoimprinting wspomagany metalem porowatych i litych płytek krzemowych

3.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61040

⸱

8 lutego 2022

 ,  ,  , 
1The Polytechnic School, Arizona State University

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół chemicznego imprintingu 3D mikroskalowych elementów 3D z dokładnością poniżej 20 nm do stałych i porowatych płytek krzemowych.

Streszczenie

Elektrochemiczne imprinting wspomagany metalem (Mac-Imprint) to połączenie chemicznego trawienia wspomaganego metalem (MACE) i litografii nanoimprint, które jest zdolne do bezpośredniego modelowania 3D mikro- i nanoskalowych cech w monokrystalicznych półprzewodnikach grupy IV (np. Si) i III-V (np. GaAs) bez potrzeby stosowania szablonów protektorowych i etapów litograficznych. Podczas tego procesu stempel wielokrotnego użytku pokryty katalizatorem z metalu szlachetnego styka się z płytką Si w obecności mieszaniny kwasu fluorowodorowego (HF) i nadtlenku wodoru (H2O2), co prowadzi do selektywnego wytrawiania Si na granicy faz metal-półprzewodnik. W tym protokole omówiono metody przygotowania stempla i podłoża stosowane w dwóch konfiguracjach Mac-Imprint: (1) Porous Si Mac-Imprint ze stałym katalizatorem; oraz (2) Solid Si Mac-Imprint z porowatym katalizatorem. Proces ten charakteryzuje się wysoką przepustowością i jest zdolny do równoległego wzorcowania w skali centymetrowej z rozdzielczością poniżej 20 nm. Zapewnia również niską gęstość defektów i wzór na dużej powierzchni w jednej operacji oraz omija potrzebę trawienia na sucho, takiego jak głębokie reaktywne trawienie jonowe (DRIE).

Wprowadzenie

Trójwymiarowe wzorowanie i teksturowanie półprzewodników w mikroskali i nanoskali umożliwia liczne zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak optoelektronika1,2, fotonika3, powierzchnie antyrefleksyjne4, powierzchnie superhydrofobowe i samoczyszczące5,6, między innymi. Prototypowanie i masowa produkcja wzorów 3D oraz hierarchicznych została z sukcesem zrealizowana dla folii polimerowych za pomocą litografii miękkiej oraz litografii nanoimprintingowej z rozdzielczością poniżej 20 nm. Jednak przeniesienie takich trójwymiarowych wzorów polimerowych na Si wymaga selektywności trawienia wzoru maski podczas reaktywnego trawienia jonowego, co ogranicza współczynnik kształtu oraz powoduje zniekształcenia formy i chropowatość powierzchni ze względu na efekt powstawania charakterystycznych krawędzi (tzw. scalloping)7,8.

Opracowano nową metodę o nazwie Mac-Imprint, służącą do równoległego i bezpośredniego wzorowania porowatych9 i litek wafli krzemowych (Si)10,1, a także litek wafli GaAs12,13,14. Mac-Imprint jest techniką mokrego trawienia kontaktowego, która wymaga kontaktu podłoża ze stemplą powlekaną szlachetnym metalem, posiadającą struktury 3D, w obecności roztworu trawiącego (ES) składającego się z HF i utleniacza (np. H2O2 w przypadku Mac-Imprint dla Si). Podczas trawienia równocześnie zachodzą dwie reakcje15,16: reakcja katodowa (tj. redukcja H2O2 na metalu szlachetnym, podczas której generowane są dodatnie nośniki ładunku [dziury], a następnie wstrzykiwane do Si17) oraz reakcja anodowa (tj. rozpuszczanie Si, podczas którego dziury są zużywane). Po odpowiednim czasie kontaktu struktury 3D stemplą zostają wytrawione w waflu Si. Mac-Imprint posiada liczne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi metodami litograficznymi, takie jak wysoka wydajność, kompatybilność z platformami roll-to-plate i roll-to-roll, możliwość zastosowania w amorficznym, mono- i polikrystalicznym Si oraz półprzewodnikach z grup III-V. Stemple Mac-Imprint mogą być wykorzystywane wielokrotnie. Dodatkowo metoda ta pozwala na uzyskanie rozdzielczości trawienia poniżej 20 nm, co jest porównywalne z współczesnymi metodami bezpośredniego zapisu.

Kluczem do uzyskania wysokiej wierności odcisku jest droga dyfuzji do frontu trawienia (tj. interfejsu styku katalizatora z podłożem). Praca Azeredo i wsp.9 po raz pierwszy wykazała, że dyfuzja ES jest możliwa dzięki porowatej sieci Si. Torralba i wsp.18 zgłosili, że w celu realizacji stałego odcisku Mac-Imprint z Si dyfuzja ES odbywa się poprzez porowaty katalizator. Bastide i wsp.19 oraz Sharstniou i wsp.20 dodatkowo zbadali wpływ porowatości katalizatora na dyfuzję ES. Tym samym koncepcja Mac-Imprint została przetestowana w trzech konfiguracjach o różnych drogach dyfuzji.

W pierwszej konfiguracji katalizator i podłoże są ciałami stałymi, co nie zapewnia początkowej drogi dyfuzji. Brak dyfuzji substratów prowadzi do reakcji wtórnej podczas imprintingu, w wyniku której na podłożu, wokół krawędzi interfejsu katalizator-Si, tworzy się warstwa porowatego Si. Następnie substraty ulegają wyczerpaniu i reakcja ustaje, co skutkuje brakiem zauważalnej wierności przeniesienia wzoru między stemplem a podłożem. W drugiej i trzeciej konfiguracji drogi dyfuzji są możliwe dzięki sieciom porowatym wprowadzonym albo w podłożu (tj. porowaty Si), albo w katalizatorze (tj. porowate złoto), co pozwala na osiągnięcie wysokiej dokładności przeniesienia wzoru. Zatem transport masy przez materiały porowate odgrywa kluczową rolę w umożliwianiu dyfuzji substratów i produktów reakcji do i z interfejsu styku9,18,19,20. Schemat wszystkich trzech konfiguracji przedstawiono na Rysunku 1.

Schemat trawienia krzemu z dyfuzją, porowaty katalizator, ilustrujący selektywne trawienie umożliwione przez porowatość.
Rycina 1: Schematy konfiguracji Mac-Imprint. Rysunek ten podkreśla rolę materiałów porowatych w umożliwianiu dyfuzji reagujących gatunków chemicznych przez podłoże (tj. przypadek II: porowaty krzem) lub w stemplu (tj. przypadek III: cienka warstwa katalizatora wykonana z porowatego złota). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

W niniejszej pracy szczegółowo omówiono proces Mac-Imprint, w tym przygotowanie stempla i wstępną obróbkę podłoża wraz z samym procesem Mac-Imprint. Sekcja wstępnej obróbki podłoża w protokole obejmuje czyszczenie wafla krzemowego i nadawanie wzoru na waflu krzemowym za pomocą trawienia suchego oraz anodowanie podłoża (opcjonalnie). Ponadto sekcja przygotowania stempla została podzielona na kilka procedur: 1) odlewanie repliki z PDMS z matrycy krzemowej; 2) nanoimprinting UV warstwy fotorezystu w celu przeniesienia wzoru PDMS; oraz 3) osadzanie warstwy katalitycznej metodą rozpylania magnetronowego, a następnie odmetaliwanie (opcjonalnie). Na koniec, w sekcji Mac-Imprint przedstawiono konfigurację procesu Mac-Imprint wraz z jego wynikami (tj. trójwymiarowe hierarchiczne wzorowanie powierzchni krzemowej).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

OSTRZEŻENIE: Stosuj odpowiednie zasady bezpieczeństwa i używaj odpowiedniego sprzętu ochronnego (np. fartucha laboratoryjnego, rękawic, okularów ochronnych, obuwia z przysłoniętymi palcami). Procedura ta wykorzystuje kwas fluorowodorowy (48% wag.) – substancję chemiczną o bardzo wysokim stopniu niebezpieczeństwa, wymagającą dodatkowego sprzętu ochronnego (tj. osłony twarzy, fartucha z naturalnej gumy oraz drugiej pary rękawic nitrylowych zakrywających dłonie, nadgarstki i przedramiona).

1. Przygotowanie stempla do nadruku Mac-imprint

  1. Wytwarzanie formy PDMS
    1. Przygotuj roztwór RCA-1, mieszając w szklanym naczyniu wodę dejonizowaną (DI) i wodorotlenek amonu w stosunku 5:1 (objętościowym). Umieść naczynie z mieszaniną na grzanej płycie magnetycznej (zobacz Tabelę materiałów) i ogrzej mieszaninę do 70 °C. Zmierz temperaturę mieszaniny kalibrowanym termoparą, a następnie dodaj 1 część nadtlenku wodoru do wstępnie nagrzanego roztworu, aby uzyskać roztwór RCA-1. Poczekaj, aż roztwór RCA-1 zacznie intensywnie pienić się (Rysunek 2).
    2. Utrzymuj roztwór RCA-1 w temperaturze 70 °C.
    3. Zanurz formę matrycową z krzemu (Si) w roztworze RCA-1 na 15 minut.
    4. Wyjmij formę matrycową z krzemu z roztworu RCA-1 i dokładnie opłucz wodą dejonizowaną.
    5. Spraw, by forma matrycowa z krzemu stała się hydrofobowa. Umieść formę matrycową z krzemu w plastikowym naczyniu Petriego i umieść je w desykatorze (zobacz Tabelę materiałów). Za pomocą plastikowej pipety dodaj kilka kropli trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooktylo)silanu (PFOCS) na plastikową łódkę wagową i umieść ją w desykatorze obok naczynia Petriego z formą matrycową z krzemu.
      UWAGA: Umieść dystansy pod formą matrycową z krzemu, aby ją unieść nad dno naczynia Petriego. To umożliwi jednolite pokrycie formy matrycowej z krzemu PFOCS i zapobiegnie przyleganiu PDMS.
    6. Zamknij pokrywkę desykatora. Podłącz wyjście desykatora do pompy próżniowej (zobacz Tabelę materiałów) za pomocą rury PVC. Włącz pompę próżniową. Ustaw poziom ciśnienia na 30 kPa za pomocą zaworu pompy próżniowej.
    7. Otwórz zawór desykatora i utrzymuj próżnię przez 30 minut.
    8. Podczas działania próżni zmieszaj bazę i środek utwardzający dostarczone w zestawie do elastomeru silikonowego (PDMS) (zobacz Tabelę materiałów) w stosunku 10:1 (masowym). Powoli mieszaj mieszaninę szpatułką szklaną przez 10–15 minut.
    9. Wyłącz pompę próżniową. Otwórz desykator i usuń plastikową łódkę wagową z PFOCS.
      UWAGA: Usuń dystansy znajdujące się pod formą matrycową z krzemu.
    10. Delikatnie wlej PDMS na formę matrycową z krzemu, aby całkowicie pokryć ją warstwą PDMS o grubości 2–3 mm (Rysunek 3a).
    11. Powtórz krok 1.1.6.
    12. Odgazuj PDMS. Otwórz zawór desykatora i utrzymuj próżnię przez 20 minut lub aż do zniknięcia pęcherzyków.
    13. Wyłącz pompę próżniową. Otwórz desykator. Wyjmij naczynie Petriego z formą matrycową z krzemu pokrytą PDMS i umieść je na płycie grzejnej (zobacz Tabelę materiałów) wstępnie nagrzaną do 80 °C (Rysunek 3b).
    14. Utwórz PDMS z formą matrycową z krzemu na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 120 minut (Rysunek 3b).
    15. Wyjmij naczynie Petriego z utwardzonym PDMS z płyty grzejnej. Za pomocą skalpela obetnij krawędzie utwardzonego PDMS w naczyniu Petriego. Delikatnie wyjmij utwardzone PDMS z formą matrycową z krzemu z naczynia Petriego za pomocą pincety.
    16. Delikatnie usuń całe PDMS, które przeciekło pod formę matrycową z krzemu, za pomocą skalpela. Odłóż utwardzone PDMS z formy matrycowej z krzemu za pomocą pincety. Odrywaj powoli, równolegle do kierunku wzoru formy matrycowej z krzemu.
    17. Wytnij formę PDMS o wymiarach 2 x 2 cm z wzorem w centrum za pomocą skalpela. Przechowuj formę PDMS w naczyniu Petriego z wzorem skierowanym do góry.

Eksperyment kontrolny ogrzewania z użyciem płyty grzejnej i zlewki w ustawieniu laboratoryjnym; regulacja temperatury.
Rycina 2: Proces czyszczenia RCA-1. (a) Podgrzewanie roztworu i (b) czyszczenie krzemu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Proces wytwarzania formy PDMS z matrycą krzemową; schemat oraz eksperyment kroków odgazowania i utwardzania.
Rycina 3: Proces wytwarzania formy PDMS. (a) Schematyczne przedstawienie procesu. (b) Zdjęcia poszczególnych etapów procesu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Ultrawioletowe nanouwikłanie światłoczułej warstwy
    1. Odłóż kawałek krzemu o wymiarach 2,5 x 2,5 cm z płytki krzemowej za pomocą rysika.
    2. Powtórz kroki 1.1.1–1.1.4, aby oczyścić płytkę krzemową.
    3. Wyjmij światłoczułą warstwę SU-8 2015 z lodówki i pozostaw ją w temperaturze pokojowej (RT) przez 10–15 minut przed naniesieniem wirowym.
    4. Otwórz pokrywę wirówki (zobacz Tabelę materiałów). Umieść płytkę krzemową w wirówce na uchwycie próżniowym (Rysunek 4a).
    5. Połącz wyjście wirówki z pompą próżniową za pomocą rury PVC. Włącz pompę próżniową. Ustaw poziom ciśnienia na 30 kPa za pomocą zaworu pompy próżniowej.
    6. Wybierz procedurę nanoszenia wirowego o następujących parametrach: rozprowadzanie z prędkością 500 obr./min przez 10 s z przyspieszeniem 100 obr./min/s, wirowanie z prędkością 2000 obr./min przez 30 s z przyspieszeniem 300 obr./min/s.
      UWAGA: Krok 1.2.6 wytworzy warstwę SU-8 2015 o grubości 20 µm.
    7. Włącz próżnię na uchwycie próżniowym, naciskając przycisk „VAC ON” na wyświetlaczu wirówki. Zobacz Plik dodatkowy (Rysunek S1).
    8. Wlej 1,5 mL światłoczułej warstwy SU-8 2015 na środek płytki krzemowej.
    9. Zamknij pokrywę wirówki. Rozpocznij nanoszenie wirowe, naciskając przycisk „START”. Zobacz Plik dodatkowy (Rysunek S1).
    10. Otwórz pokrywę wirówki. Wyłącz próżnię, naciskając przycisk „VAC OFF”. Zobacz Plik dodatkowy (Rysunek S1). Wyjmij płytkę krzemową z naniesioną wirowo warstwą SU-8 2015 za pomocą pęsety (Rysunek 4a).
    11. Delikatnie umieść formę PDMS na płytce krzemowej pokrytej światłoczułą warstwą, tak aby wzór był skierowany do dołu. Ręcznie wyrównaj formę PDMS. Umieść przezroczystą dla promieni UV płytkę szklaną na tylnej stronie PDMS, co spowoduje przyłożenie ciśnienia 15 g/cm2 do formy PDMS (Rysunek 4b).
    12. Przeprowadź ciągłe naświetlanie UV przez 2 godziny, używając 6-watowej żarówki UV (zobacz Tabelę materiałów) umieszczonej w odległości 10 cm od powierzchni płytki krzemowej.
    13. Odłóż formę PDMS z płytki krzemowej za pomocą pęsety. Odrywaj powoli, w kierunku równoległym do kierunku utwardzonego wzoru SU-8 2015.

Diagram procesu spin-coatingu z krzemową płytą, warstwami SU-8 2015, aplikacją PDMS i układem lampy UV.
Rycina 4: Proces nanoukładowania fotorezystu za pomocą światła UV. (a) Zdjęcia procesu nanoszenia fotorezystu metodą spin-coating. (b) Schematy i zdjęcia procesu nanoukładowania UV. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Osadzanie cienkiej warstwy katalizatora złota metodą rozpylania magnetronowego
    1. Przytwierdź płytki krzemowe z warstwą utwardzonego światłoczułego polimeru SU-8 2015 do 4-calowej płyty krzemowej za pomocą dwustronnej taśmy poliimidowej.
    2. Otwórz komorę rozpylarki magnetronowej (zobacz Tabelę materiałów). Umieść 4-calową płytę krzemową z przyczepionymi płytkami krzemowymi na obrotowej tarczy. Zamknij przesłonę stałej tarczy, naciskając przycisk „Solid” w oprogramowaniu sterującym. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
      UWAGA: Przycisk „Solid” zmieni kolor na zielony, gdy przesłona zostanie zamknięta.
    3. Umieść tarcze Cr i Au (zobacz Tabelę materiałów) na pistoletach magnetronowych podłączonych do zasilacza prądu stałego (DC). Umieść tarczę Ag (zobacz Tabelę materiałów) na pistolecie magnetronowym podłączonym do zasilacza prądu zmiennego (RF). Ustaw odległość między tarczami a obrotową tarczą na 8,5 cala.
    4. Zamknij komorę rozpylarki magnetronowej i rozpocznij jej ewakuację, naciskając przyciski „Pump Down” i „Turbo Enable” w oprogramowaniu sterującym. Pozostaw na całą noc. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2a).
    5. Włącz zasilacze DC i RF. Otwórz przesłonę pistoletu Cr, naciskając przycisk „Gun 1 Open” w oprogramowaniu sterującym. Ustaw moc zasilacza DC na 100 W w oprogramowaniu sterującym. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    6. Ustaw „Thickness Controlled Process” na 200 Å. Włącz obrót obrotowej tarczy, naciskając przyciski „Cont” i „Rotation” w oprogramowaniu sterującym. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    7. Ustaw ciśnienie osadzania na 3 mTorr. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    8. Ustaw strumień Ar na 50 sccm w oprogramowaniu sterującym. Włącz zasilacz DC, naciskając przycisk „DC supply” w oprogramowaniu sterującym. Zmień strumień Ar na 5 sccm. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    9. Uruchom monitor grubości kryształu i wyzeruj grubość, naciskając odpowiednio przyciski „START” i „ZERO THICKNESS” w oprogramowaniu sterującym. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    10. Uruchom proces kontrolowany grubością, naciskając przycisk „Thickness Controlled Process”. Otwórz przesłonę stałej tarczy, naciskając przycisk „Solid”. Wyzeruj jeszcze raz monitor grubości, naciskając przycisk „ZERO THICKNESS”. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    11. Po zakończeniu rozpylania zamknij przesłonę stałej tarczy, naciskając przycisk „Solid”. Zatrzymaj monitor grubości, naciskając przycisk „STOP”. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    12. Otwórz przesłonę pistoletu Au, naciskając przycisk „Gun 2 Open”. Ustaw moc zasilacza DC na 35 W. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    13. Ustaw „Thickness Controlled Process” na 800 Å. Włącz obrót obrotowej tarczy, naciskając przyciski „Cont” i „Rotation”. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2b).
    14. Powtórz kroki 1.3.7–1.3.11.
    15. Wentyluj komorę rozpylarki magnetronowej, naciskając przycisk „Press to Vent” w oprogramowaniu sterującym. Zobacz Plik dodatkowy (Rycina S2c). Otrzymana struktura to solidny stemplek Mac-Imprint z Au (Rycina 5).
      UWAGA: Kroki 1.4 i 1.5 wykonuj tylko wtedy, gdy wymagane są stemple z porowatymi warstwami katalitycznymi.

Diagram procesu wytwarzania warstw SU-8 i Si metodą napylania i odstopowania; wyniki SEM.
Rysunek 5: Proces przygotowania katalitycznego stempla. (a) Schemat depozycji cienkiej warstwy. (b) Zdjęcia systemu napylania magnetronowego. (c) Zdjęcie procesu odstopowania wraz z reprezentatywnymi obrazami SEM porowatego złota. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Odkładanie cienkiej warstwy katalitycznej srebra/złota metodą rozpylania katodowego z wykorzystaniem magnesotronu
    1. Powtórz kroki 1.3.1–1.3.14. W kroku 1.3.13 ustaw proces kontrolowany grubością na 500 Å zamiast 800 Å.
    2. Otwórz przysłony pistoletów złota i srebra, naciskając przycisk „Gun 3 Open”. Ustaw zasilanie prądu stałego (DC) i prądu zmiennego (RF) odpowiednio na 58 W i 150 W. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
      UWAGA: Krok 1.4.2 pozwoli uzyskać stop Ag/Au o składzie 60/40 (objętościowo)
    3. Ustaw „Proces czasowy” na 16,5 min w oprogramowaniu sterującym. Włącz obrót płyty obrotowej, naciskając przyciski „Cont” i „Rotation”. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
      UWAGA: Kroki 1.4.3–1.4.8 protokołu pozwolą uzyskać warstwę stopu Ag/Au o grubości 250 nm.
    4. Ustaw natężenie przepływu powietrza na 50 sccm. Włącz zasilanie DC i RF, naciskając odpowiednio przyciski „DC Supply” i „RF Supply”. Zmień natężenie przepływu powietrza na 5 sccm. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
    5. Uruchom monitor grubości kryształu i wyzeruj grubość, naciskając odpowiednio przyciski „START” i „ZERO THICKNESS”. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
    6. Uruchom proces kontrolowany czasem, naciskając przycisk „Timed Process”. Otwórz przysłonę stałą płyty, naciskając przycisk „Solid”. Wyzeruj jeszcze raz monitor grubości, naciskając przycisk „ZERO THICKNESS”. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
    7. Po zakończeniu rozpylania zamknij przysłonę stałą płyty, naciskając przycisk „Solid”. Zatrzymaj monitor grubości, naciskając przycisk „STOP”. Zobacz plik dodatkowy (rycina S2b).
    8. Powtórz krok 1.3.15.
      UWAGA: Uzyskana struktura to stemple Mac-Imprint pokryte rozpyloną warstwą stopu Ag/Au.
  2. Wytrawianie cienkiej warstwy katalitycznej srebra/złota
    1. Wymieszaj wodę z dejonizowaną i kwas azotowy w szklanym naczyniu w stosunku 1:1 (objętościowo). Pozwól mieszaninie ostygnąć do 30 °C.
    2. Umieść naczynie z mieszaniną na mieszadle grzejnym i zanurz perforowany uchwyt próbek z politetrafluoroetylenu (PTFE) w roztworze. Podgrzewaj mieszaninę do 65 °C przy stałym mieszaniu o prędkości 100 rpm. Stałe mierzenie temperatury mieszaniny przeprowadzaj za pomocą skalibrowanej termopary.
    3. Umieść krzemowe płytki z warstwą strukturalnego SU-8 2015 pokrytą stopem Ag/Au w mieszaninie i prowadź proces wytrawiania przez 2–20 min21.
    4. Po zakończeniu wytrawiania wychłodź próbki w wodzie dejonizowanej w temperaturze pokojowej (RT) przez 1 min.
    5. Wyjmij płytki krzemowe z wody dejonizowanej i dokładnie opłucz je wodą dejonizowaną.

2. Nadruk i czyszczenie podłoża krzemowego

  1. Przygotowanie podłoża do nadruku na stałym krzemie z użyciem porowatego katalizatora
    1. Przeprowadź utlenianie płytki krzemowej o średnicy 4 cali w temperaturze 1150 °C przez 24 h w strumieniu O2 o natężeniu 4 sccm.
    2. Wyjmij światłoczuły polimer SPR 220 7.0 z lodówki i pozostaw w temperaturze pokojowej przez 10–15 minut przed nałożeniem metodą wirówkową.
    3. Otwórz pokrywę wirówki. Umieść płytkę krzemową w wirówce na uchwycie próżniowym.
    4. Połącz wyjście wirówki z pompą próżniową za pomocą rury PVC. Włącz pompę próżniową. Ustaw poziom ciśnienia na 30 kPa za pomocą zaworu pompy próżniowej.
    5. Wybierz procedurę nanoszenia światłoczułego polimeru metodą wirówkową o następujących parametrach: rozprowadzenie przy 400 rpm przez 30 s z przyspieszeniem 200 rpm/s, wirowanie przy 2000 rpm przez 80 s z przyspieszeniem 500 rpm/s.
      UWAGA: Krok 2.1.5 wytworzy warstwę SPR 220 7.0 o grubości 9 µm.
    6. Włącz próżnię na uchwycie próżniowym, naciskając przycisk „VAC ON” na wyświetlaczu wirówki.
    7. Wlej 5 mL światłoczułego polimeru SPR 220 7.0 na środek płytki krzemowej o średnicy 4 cali.
    8. Zamknij pokrywę wirówki. Rozpocznij wirowanie, naciskając przycisk „START”.
    9. Otwórz pokrywę wirówki. Wyłącz próżnię, naciskając przycisk „VAC OFF”. Wyjmij płytkę krzemową o średnicy 4 cali z naniesioną warstwą światłoczułego polimeru SPR 220 7.0 za pomocą pincety.
    10. Umieść płytkę krzemową z naniesioną warstwą światłoczułego polimeru SPR 220 7.0 na nagrzanym do 110 °C grzejniku i prowadź wstępną suszkę przez 2 min. Pozwól ostygnąć przez 1 min.
    11. Narażaj warstwę światłoczułego polimeru na światło przez maskę z wzorem kwadratowych mez o następujących parametrach: szerokość = 500 µm i odstęp = 900 µm. Narażenie powierzchniowe przez 10 s w celu uzyskania dawki 150 mJ/cm2.
    12. Wywołaj naświetloną warstwę światłoczułego polimeru w roztworze wywoływacza i wody zjonizowanej (DI) w stosunku objętościowym 4:1 przez 3 min. Przepłucz próbkę wodą zjonizowaną i sprawdź struktury pod mikroskopem.
    13. Umieść płytkę krzemową z wywołanym światłoczułym polimerem SPR 220 7.0 na nagrzanym do 120 °C grzejniku i prowadź końcową suszkę przez 5 min. Pozwól ostygnąć przez 1 min.
    14. Przeprowadź trawienie warstwy tlenku w urządzeniu do trawienia jonowego (RIE) przez 20 min przy następujących parametrach: ciśnienie = 100 mT, strumień O2 = 3 sccm, strumień CF4 = 24 sccm, moc = 250 W.
    15. Usuń warstwę SPR 220 7.0 za pomocą acetonu, a następnie przepłucz alkoholem izopropylowym (IPA) i wodą zjonizowaną.
    16. Przeprowadź trawienie w 30% roztworze KOH (wagowo) w temperaturze 80 °C przez 100 min przy ciągłym mieszaniu 175 rpm, aby utworzyć mezy na płytce krzemowej.
    17. Usuń warstwę tlenku za pomocą buforowanego roztworu do trawienia tlenku.
    18. Starannie przepłucz wodą zjonizowaną.
      UWAGA: Układ maski do strukturyzacji płytki krzemowej oraz pojedynczy strukturyzowany chip pokazano na Rysunku 6.

Projekt matrycy mikrosoczewek, schemat układu optycznego, analiza wzorca światła, badanie materiału fotonowego.
Rysunek 6: Układ maski do strukturyzowania płytki krzemowej (A) i pojedyncza strukturyzowana płytka (B). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Przygotowanie podłoża do nadrukowywania krzemu porowatego za pomocą stałego katalizatora
    1. Powtórz krok 2.1.
    2. Wyprowadź powierzchnię tylną wzorcowanej płytki krzemowej o średnicy 4 cali z niklem i wygrzej w komorze szybkiego wygrzewania termicznego w atmosferze N2 przez 3 minuty w temperaturze 320 °C.
    3. Odłóż kawałki krzemu o wymiarach 2,5 x 2,5 cm ze wzorcowanej płytki krzemowej o średnicy 4 cali za pomocą rysika.
    4. Umieść kawałek krzemu w dolnej części komórki elektrochemicznej (EC). Umieść pierścień uszczelniający na wierzchu kawałka krzemu. Umieść górną część komórki EC i dokręć śruby.
    5. Ustaw tryb galwanostatyczny w oprogramowaniu sterującym potencjostatem (zobacz Tabelę materiałów). Zobacz Plik dodatkowy (Rysunek S3). Podłącz elektrodę roboczą do kawałka krzemu, a elektrodę przeciwną do elektrody platynowej (Rysunek 7).
    6. Starannie napełnij komórkę EC kwasem fluorowodorowym (HF) i wsuń cylindryczną elektrodę platynową od góry, na wysokość 5 mm nad powierzchnią kawałka krzemu (Rysunek 7b).
    7. Zaaplikuj gęstość prądu 135 mA/cm2 przez 120 s, naciskając zielony przycisk Start w oprogramowaniu potencjostatu. Zobacz Plik dodatkowy (Rysunek S3).
    8. Starannie odsys kwas HF z komórki EC za pomocą pipety plastikowej.
    9. Dokładnie przepłucz wodą dejonizowaną.
      UWAGA: Proces anodyzacji krzemu oraz kawałek krzemu z warstwą krzemu porowatego przedstawiono na Rysunku 7.

Układ elektrochemiczny do analizy krzemów porowatych, zawiera elektrody i system akwizycji danych.
Rycina 7: Zdjęcia procedury porowacenia podłoża (anodyzacja krzemu). (a) Potencjostat sterowany przez komputer PC podłączony do dwuelektrodowej komórki elektrochemicznej. (b) Komórka elektrochemiczna z elektrodą platynową. (c) Krzemowy chip z warstwą krzemu porowatego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

3. Konfiguracja odcisku Mac

  1. Przymocowanie stempla do pręta PTFE
    1. Umieść referencyjny krzemowy chip w dolnej części komory elektrochemicznej (EC). Umieść stempel Mac-Imprint na wierzchu referencyjnego krzemowego chipa, tak aby wzór był skierowany w dół.
    2. Przymocuj pręt PTFE do czujnika obciążenia (zobacz Tabelę materiałów) za pomocą dwustronnej śruby gwintowanej. Połącz całą strukturę z napędzanym silnikiem etapem liniowym sterowanym oprogramowaniem (zobacz Tabelę materiałów) za pomocą metalowego uchwytu.
    3. Nanieś niewielką kroplę światłoczułego polimeru SU-8 2015 na tylną stronę stempla Mac-Imprint.
    4. Przesuń pręt PTFE w kontakt z kroplą SU-8, ustawiając polecenie „Przesuń względnie” na 173 500 kroków od pozycji zerowej i naciskając przycisk „Zapisz” w oprogramowaniu sterującym etapem liniowym. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S4a).
    5. Wytwardź kroplę światłoczułego polimeru SU-8 2015 za pomocą 6-watowej lampy UV przez 2 godziny. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S5).
    6. Przesuń pręt PTFE ze stemplem Mac-Imprint przymocowanym do niego do pozycji zerowej, ustawiając polecenie „Do domu” i naciskając „Zapisz” w oprogramowaniu sterującym etapem liniowym. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S4a).
    7. Zamontuj komorę elektrochemiczną (EC).
  2. Proces nadrukowy Mac-Imprint
    1. Wyczyść krzemowy chip z nadrukiem zgodnie z krokami 1.1.1–1.1.4.
    2. Umieść krzemowy chip z nadrukiem w centrum komory elektrochemicznej (EC). Umieść komorę EC pod prętem PTFE ze stempłem Mac-Imprint (Rycina 8).
    3. Wymieszaj roztwór wytrawiający (ES) HF i H2O2 w stosunku 17:1 (objętościowo) w naczyniu z PTFE. Pozostaw roztwór na 5 minut przed wytrawianiem.
      UWAGA: Sugerowany stosunek prowadzi do parametru roztworu ρ = 98%16. Stosunek można zmienić, aby ograniczyć lub zwiększyć szybkość wytrawiania.
    4. Delikatnie wlej roztwór wytrawiający (ES) do komory EC za pomocą pipety plastikowej.
    5. Przesuń pręt PTFE ze stemplem Mac-Imprint w kontakt z krzemowym chipem z nadrukiem, ustawiając polecenie „Przesuń względnie” na 173 500 kroków od pozycji zerowej i naciskając przycisk „Zapisz”. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S4a).
    6. Następnie ustaw wartość od 600 do 2 000 kroków i naciśnij „Zapisz”, aby uzyskać obciążenia w zakresie 4–10 lbf. Wartości obciążenia mierz za pomocą czujnika obciążenia sterowanego oprogramowaniem. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S4b).
    7. Utrzymuj kontakt podczas nadruku Mac-Imprint (Rycina 8c). Czas trwania nadruku Mac-Imprint wynosi od 1 do 30 minut.
    8. Przesuń pręt PTFE ze stemplem Mac-Imprint do pozycji zerowej, naciskając „Do domu”. Zobacz Plik uzupełniający (Rycina S4a). Delikatnie odsys roztwór wytrawiający (ES) z komory EC za pomocą pipety plastikowej.
    9. Opłucz nadrukowany krzemowy chip izopropanolem (IPA) i wodą z zasobnika (DI).
    10. Osusz nadrukowany krzemowy chip czystym, suchym powietrzem.

Układ do nanoustrukturyzowania z motoryzowanym stołem, komorą z PTFE, chipem krzemowym, używanym do nadrukowywania mieszaniny Hf/H2O2.
Rycina 8: Zdjęcia układu Mac-Imprint (A), stempla przed (B) i po (C) kontakcie z chipem krzemowym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Obrazy z mikroskopu elektronowego skaningowego (SEM), skany mikroskopu optycznego (Rysunek 9) oraz skany mikroskopii sił atomowych (AFM) (Rysunek 10) uzyskano w celu zbadania właściwości morfologicznych stempli Mac-Imprint oraz utlenionych powierzchni krzemu. Profil przekroju utlenionego stałego krzemu porównano z profilem użytego porowatego stempla złotego (Rysunek 10). Wierność transferu wzoru oraz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Stemple Mac-Imprint i wstępnie wzorzyste chipy Si (typ p, orientacja [100], 1-10 Ohm∙cm) zostały przygotowane zgodnie odpowiednio z sekcjami 1 i 2 protokołu. Odcisk Mac-Imprint wstępnie wzorzystego układu krzemowego ze stemplami zawierającymi wzorce hierarchiczne 3D został wykonany zgodnie z sekcją 3 protokołu (rysunek 9). Jak pokazano na rysunku 9a, zastosowano różne konfiguracje Mac-Imprint: lite Si z ciałem stałym Au (po lewej), porowate Si z...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie mamy nic do ujawnienia.

Podziękowania

Dziękujemy dr Keng Hsu (University of Louisville) za spostrzeżenia dotyczące tej pracy; Laboratorium Fredericka Seitza Uniwersytetu Illinois oraz, ku jego pamięci, pracownikowi Scottowi Maclarenowi; Centrum Nauk o Ciele Stałym im. LeRoya Eyringa na Uniwersytecie Stanowym Arizony; oraz Science Foundation Arizona w ramach Bis Grove Scholars Award.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Aceton, >99,5%, odczynnik ACSSigma-Aldrich67-64-1UWAGA, chemiczny
fluorek amonu, >98%, klasa ACSSigma-Aldrich12125-01-8UWAGA, niebezpieczny
roztwór wodorotlenku amonu, 28-30%, odczynnik ACSSigma-Aldrich1336-21-6UWAGA, niebezpieczny
AZ 400K wywoływaczMicrochemicalsAZ 400KUWAGA, chemiczny
BenchMark 800 EtchAxicBenchMark 800Reaktywne trawienie jonowe
Tarcza chromowa, 2 "x 0,125", czystość 99,95%Stopy ACIADM0913Napylanie magnetronowe chrom
CTF 12Carbolite GeroC12075-700-208SNEksykator pieca rurowego
Fisher scientific Chemglass nauki przyrodniczeCG122611Eksykator
ŻarówkaUV F6T5/BLBEikoF6T5/BLB 6W
Złoty cel, 2" x 0,125", czystość 99,99% StopyACINie dotyczyZłota tarcza napylania magnetronowego
Płyta grzejna KW-4AHTechnologia ChematKW-4AHWypoziomowana płyta grzejna o jednolitym profilu temperaturowym
Kwas fluorowodorowy, 48%, odczynnik ACSSigma-Aldrich7664-39-3UWAGA, skrajnie niebezpieczne
Nadtlenek wodoru, 30%, odczynnik ACSFisher Chemical7722-84-1UWAGA, niebezpieczny
alkohol izopropylowy, >99,5%, odczynnik ACSLabChem67-63-0UWAGA, chemiczny
MLP-50Techniki przetwornikówMLP-50Ogniwo obciążnikowe
Kwas azotowy, 70%, klasa ACSSAFC7697-37-2UWAGA, niebezpieczny
NSC-3000Nano-masterNSC-3000Napylanie magnetronowe
Wodorotlenek potasu, 45%, CertyfikowanyFisher Chemical1310-58-3UWAGA, chemiczna
pompa próżniowa Rocker 800, 110V/60HzRocker1240043Bezolejowa pompa próżniowa
Silikonowa forma głównaNILTSMLA_V1Układ krzemowy z wzorem
Wafle krzemowe, wafeluniwersyteckinajwyższej jakości 783Wafel
Si Srebrny cel, 2 "x 0,125", czystość 99,99%Stopy ACIHER2318Napylanie magnetronowe srebrny tarcza
SP-300BioLogicSP-300Potencjostat
SPIN 150iPowlekanie przędzalniczeSPIN 150iPowlekarka spinowa
SPR 200-7.0 dodatni fotorezystuMicrochemSPR 220-7.0UWAGA, chemia
Mieszanie płyta grzewczaThermo scientific Cimarec+SP88857100Płyta grzejna ogólnego przeznaczenia
SU-8 2015 fotorezystor ujemnyMicrochemSU-8 2015UWAGA, chemiczna
SYLGARD 184 Zestaw elastomerów silikonowychDOW4019862UWAGA, chemiczny
T-LSR150BZaber TechnologiesT-LSR150B-KT04UZmotoryzowany stolik liniowy
Trichloro(1H,1H,2H, 2H-perfluorooktylo)silan (PFOCS), 97%Sigma-Aldrich78560-45-9UWAGA, niebezpieczne

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Porowaty krzemowy makroodcisklity krzemowy makroodcisktrawienie kwasem fluorowodorowymroztwór nadtlenku wodoruwyrównanie podłoża stemplaprzygotowanie formy z PDMSpowlekanie fotorezystem SU-8napylanie złota i srebramikroskopia sił atomowych
Elektrochemiczne nanoimprinting wspomagany metalem porowatych i litych płytek krzemowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.