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

Nasze powierzchnie z mikroteksturą zatrzymującą gaz (GEMS) mogą następnie zatrzymywać powietrze na emulsji i cieczach, niezależnie od składu chemicznego ich powierzchni. Dlatego uważamy, że to podejście ma ogromny potencjał w zastosowaniach, które w przeciwnym razie wymagałyby powłok perfluorowanych. W przeciwieństwie do druku 3D i innych konwencjonalnych technik wytwarzania, fotolitografia i trawienie na sucho pozwalają nam wytwarzać złożone, mikroskalowe, zwisające topografie typu re-entrant i podwójnie re-entrant.

Nowi użytkownicy powinni używać wafli treningowych i okresowo sprawdzać szybkość trawienia dla każdego rodzaju wzoru przed przystąpieniem do eksperymentu, ponieważ szybkość może się zmieniać wraz z wielkością próby. Wytwarzanie filarów i wnęk z ponownym i podwójnym wejściem to proces wieloetapowy, który obejmuje skomplikowane wzorce projektowe. Wizualna demonstracja elementów mikrofabrykacji pomoże w zrozumieniu protokołu.

Rozpocznij proces mikrofabrykacji od utworzenia nowego pliku w odpowiednim oprogramowaniu do układu. Narysuj komórkę elementarną składającą się z okręgu o średnicy 200 mikrometrów. Skopiuj i wklej ten okrąg z odległością od środka do środka wynoszącą 212 mikrometrów, aby utworzyć tablicę okręgów w kwadratowej łacie o powierzchni jednego centymetra kwadratowego.

Następnie narysuj okrąg o średnicy 100 milimetrów i umieść kwadratową tablicę o średnicy jednego centymetra kwadratowego wewnątrz koła. Powtórz ten układ, aby utworzyć siatkę 4 x 4 kwadratowe tablice. Cechy wewnątrz koła zostaną przeniesione na czterocalowe wafle.

Następnie wyeksportuj plik projektowy do żądanego formatu dla systemu stopniowania masowego. Aby oczyścić wafle do mikroprodukcji, umieść wafel krzemowy o średnicy czterech cali z warstwą tlenku termicznego o grubości 2,4 mikrometra w roztworze Piranha na dziesięć minut, a następnie spłucz wodą dejonizowaną. Następnie odwiruj wafel do sucha w środowisku azotu.

Po wysuszeniu użyj osadzania w fazie gazowej, aby pokryć płytkę heksametylodilazanem i zamontuj wafel na czterocalowym próżni w koderze wirującym. Przykryj płytkę fotorezystem i użyj kodera spinowego, aby równomiernie rozprowadzić fotorezystor na powierzchni płytki jako warstwę o grubości 1,6 mikrometra. Piecz fotorezystor pokryty na płycie grzejnej o temperaturze 110 stopni Celsjusza przez dwie minuty.

Przenieś upieczoną wafel do bezpośredniego systemu oceny. Wystaw wafel na działanie promieniowania ultrafioletowego przez 55 milisekund i przenieś płytkę naświetloną promieniami UV na szklaną szalkę Petriego zawierającą wywoływacz fotorezystu, aby umożliwić rozwinięcie się cech. Po 60 sekundach delikatnie spłucz wafel wodą dejonizowaną, aby usunąć nadmiar wywoływacza, a następnie odwiruj wafel do suszenia w środowisku azotu.

Po fotolitografii przenieś płytkę do systemu wytrawiania jonów reaktywnych w plazmie sprzężonej indukcyjnie, który wykorzystuje mieszaninę oktafluorocyklobutanu i tlenu. Uruchom proces na około 13 minut, aby wytrawić odsłoniętą warstwę krzemionki. Aby upewnić się, że grubość warstwy krzemionki wewnątrz pożądanych wzorów zostanie zmniejszona do zera, użyj reflektometru, aby zmierzyć grubość pozostałej krzemionki i dostosować czas trwania kolejnego okresu trawienia w oparciu o grubość warstw krzemionki.

Po wytrawieniu warstwy krzemionki przenieś wafel do głębokiego indukcyjnie sprzężonego plazmowego systemu wytrawiania jonów reaktywnych i uruchom ten proces przez pięć cykli, co daje głębokość trawienia krzemu odpowiadającą około dwóm mikrometrom. Oczyść wafel roztworem piranii, a następnie spłucz i odwiruj do sucha, jak pokazano wcześniej. Wykonaj wytrawianie izotropowe, aby utworzyć podcięcie pod warstwą krzemionki z sześciofluorkiem siarki przez 25 sekund, a następnie wyczyść roztworem piranii, spłucz i odwiruj, jak pokazano.

Po utworzeniu podcięcia użyj systemu pieca wysokotemperaturowego, aby wyhodować 500-nanometrową warstwę tlenku termicznego na płytce. Następnie rozłóż krzemionkę pionowo w dół przez trzy minuty, aby usunąć warstwę tlenku termicznego z dna wnęki, pozostawiając warstwę krzemionki wzdłuż ścianek bocznych, która ostatecznie utworzy podwójnie wklęsłą krawędź. Po wytrawieniu nadmiaru termicznie wyhodowanego tlenku powtórz pięć cykli procesu Bosch, aby pogłębić ubytki o dwa mikrometry, a następnie wyczyść wafel roztworem piranii, spłucz i odwiruj, jak pokazano.

Aby utworzyć pustą przestrzeń za termicznie wyrosłym tlenkiem u ujścia wnęki, izotropowo wytrawiaj krzem przez 150 sekund, aby uzyskać podwójnie współbieżną krawędź. Ilość czasu spędzonego w ostatnim izotropowym wytrawianiu krzemu musi być dostrojona tak, aby stworzyć jak najwięcej miejsca za termicznie wyrosłym tlenkiem bez łączenia wnęk. Po utworzeniu wnęk podwójnie wklęsłych należy przeprowadzić proces Boscha przez 160 cykli, aby zwiększyć głębokość wnęk do około 50 mikrometrów.

Oczyść wafel w świeżym roztworze piranii, spłucz i odwiruj do sucha, jak pokazano. Przełóż wafel do piekarnika próżniowego w temperaturze 50 stopni Celsjusza na 48 godzin. Wafel może być następnie przechowywany w komorze przepływowej z czystym azotem.

Tutaj pokazano reprezentatywne wnęki i filary reentrantowe i podwójnie współbieżne, mikrofabrykowane, jak pokazano. Powierzchnie krzemowe z dwutlenkiem krzemu z układami podwójnie współbieżnych filarów wykazują pozorne kąty działania większe niż 150 stopni zarówno dla wody, jak i heksadekanu przy minimalnej histerezie kąta zwilżania. Co ciekawe, gdy te same powierzchnie krzemu z dwutlenkiem krzemu z układem filarów są zanurzone w tych samych cieczach, są one natychmiast wtargnięte.

W przeciwieństwie do tego, podwójnie reententne wnęki zatrzymują powietrze po zanurzeniu w obu cieczach. Co więcej, mikroskopia konfokalna ujawnia, że zwisające elementy stabilizują intruzujące ciecze i zatrzymują w nich powietrze. Mikrofabrykacja układów filarów otoczonych ścianami o profilu podwójnie reentrantowym izoluje łodygi od cieczy zwilżających, w wyniku czego powstają hybrydowe mikrotekstury, które zachowują się jak mikrotekstury zatrzymujące gaz.

Stosując podobne podejście, można zaprojektować membrany, które byłyby w stanie pełnić funkcje membran komercyjnych, ale bez użycia szkodliwych perfluorowęglowodorów, torując drogę dla bardziej ekologicznych procesów przemysłowych. Moglibyśmy zbadać wydajność wnęk i filarów w kształcie grzybów pod kątem ich zdolności do zatrzymywania powietrza pod cieczami, a także pod względem ciśnień przebijających i tak dalej. Protokół ten obejmuje użycie pomieszczenia czystego, a także płyt grzejnych, łatwopalnych i chemikaliów.

Dlatego wymagane jest szkolenie w zakresie bezpieczeństwa i środki ochrony indywidualnej.