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Renderização SiO2/Si Surfaces Omniphobic esculpindo microtexturas de armadilha de gás compreendendo reentrant e duplamente reentrant cavidades ou pilares

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DOI:

10.3791/60403

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11 de fevereiro de 2020

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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)

Neste artigo

Resumo

Este trabalho apresenta protocolos de microfabricação para alcançar cavidades e pilares com perfis reentrantes e duplamente reentrantes em wafers SiO2/Siusando fotolitografia e gravura seca. As superfícies microtexturizadas resultantes demonstram notável repellência líquida, caracterizada por robusta armadilha de ar a longo prazo líquidos úmidos, apesar da molhada intrínseca da sílica.

Resumo

Apresentamos protocolos de microfabricação para renderização de materiais intrinsecamente úmidos repelentes a líquidos (omnifóbicos) criando microtexturas de armadilha a gás (GEMs) sobre eles compreendendo cavidades e pilares com recursos reentrantes e duplamente reentrantes. Especificamente, usamos siO2/Sicomo sistema modelo e compartilhamos protocolos para projetação bidimensional (2D), fotolitografia, técnicas de gravura isotropic/anisotrópica, crescimento de óxido térmico, limpeza de piranha e armazenamento para alcançar essas microtexturas. Embora a sabedoria convencional indique que superfícies intrinsecamente úmidas(φo < 90°) as torna ainda mais úmidas (φr < φo < 90°), os GEMs demonstram repellência líquida apesar da umidade intrínseca do substrato. Por exemplo, apesar da umidade intrínseca da sílica φo ◗ 40° para o sistema de água/ar, e φo ◗ 20° para o sistema hexadecano/ar, os GEMs que compõem cavidades prendem ar robustamente na imersão nesses líquidos, e os ângulos de contato aparentes para as gotículas são φr > 90°. As características reentrantes e duplamente reentrantes nos GEMs estabilizam o menisco líquido intruso prendendo assim o sistema de vapor líquido-sólido em estados metasatíveis cheios de ar (estados cassie) e atrasando transições úmidas para o estado termodinamicamente estável totalmente preenchido (estado de Wenzel) por, por exemplo, horas a meses. Da mesma forma, as superfícies SiO2/Si com matrizes de micropilares reentrantes e duplamente reentrantes demonstram ângulos de contato extremamente altos (φr ◗ 150°-160°) e histerese de ângulo de baixo contato para os líquidos da sonda, caracterizados como superomnifóbicos. No entanto, na imersão nos mesmos líquidos, essas superfícies perdem drasticamente sua superonobiocidade e ficam totalmente preenchidas dentro <1 s. Para enfrentar este desafio, apresentamos protocolos para projetos híbridos que compreendem matrizes de pilares duplamente reentrantes cercados por paredes com perfis duplamente reentrantes. De fato, microtexturas híbridas prendem ar na imersão nos líquidos da sonda. Resumindo, os protocolos aqui descritos devem permitir a investigação de GEMs no contexto de alcançar a oniobiocidade sem revestimentos químicos, como perfluorocarbonos, que podem desbloquear o escopo de materiais comuns baratos para aplicações como materiais onôfóbicos. Microtexturas de sílica também podem servir como modelos para materiais macios.

Introdução

Superfícies sólidas que exibem ângulos de contato aparentes, φr > 90° para líquidos polares e não polares, como água e hexadecana, são referidas como omnifóbicas1. Essas superfícies servem a inúmeras aplicações práticas, incluindo dessalinização de água2,3, separação de água a óleo4,5, antibiofouling6, e redução do arrasto hidrodinâmico7. Normalmente, a oniobiocidade requer produtos químicos perfluorados e topografias aleatórias8,9,10,11,12. No entanto, o custo, a não biodegradabilidade, e a vulnerabilidade desses materiais/revestimentos representam uma miríade de restrições, por exemplo, membranas de dessalinização perfluoradasdegradadas à medida que as temperaturas do lado da alimentação são elevadas, levando a revestimentos de lodo e limpeza perfluorados/hidrocarbonetos também são bradiçados15,16 e degradados por partículas de lodo nos fluxos e protocolos de limpeza. Assim, há a necessidade de estratégias alternativas para alcançar as funções de revestimentos perfluorados (ou seja, aprisionando o ar na imersão em líquidos sem usar revestimentos repelentes de água). Portanto, pesquisadores propuseram topografias superficiais compostas por características de overhanging (reentrant) que poderiam prender ar na imersão por microtexturing sozinho17,18,19,20,21,22,23,24,25. Essas microtexturas vêm em três tipos: cavidades26, pilares27, e mats fibrosos8. A partir daí, nos referiremos a recursos reentrantes com saliências simples como reentrantes (Figura 1A-B e Figura 1E-F) e recursos reentrantes com overhangs que fazem uma curva de 90°em direção à base como duplamente reentrante ( Figura1C-D e Figura 1G-H).

Em seu trabalho pioneiro, Werner et al.22,28,29,30,31 cutículas caracterizadas de rabos de primavera (Collembola), artrópodes habitando o solo, e explicou a importância das características em forma de cogumelo (reentrant) no contexto da umidade. Outros também investigaram o papel dos cabelos em forma de cogumelo em patinadores marítimos32,33 para facilitar a reescrita extrema da água. Werner e colegas de trabalho demonstraram a oniobiocidade de superfícies poliméricas intrinsecamente úmidas esculpindo estruturas biomiméticas através da litografia de impressão reversa29. Liu e Kim relataram em superfícies de sílica adornadas com matrizes de pilares duplamente reentrantes que poderiam repelir gotas de líquidos com tensões superficiais tão baixas quanto γLV = 10 mN/m, caracterizada por ângulos de contato aparentes, φr ◗ 150° e altisterese ângulo de contato extremamente baixo27. Inspirados por esses desenvolvimentos incríveis, seguimos as receitas de Liu e Kim para reproduzir seus resultados. No entanto, descobrimos que essas microtexturas perderiam catastroficamente sua superonobiocidade, ou seja, φr → 0°, se gotas de líquido molhada somastocaram a borda da microtextura ou se houvesse danos físicos localizados34. Esses achados demonstraram que microtexturas baseadas em pilares eram inadequadas para aplicações que exigiam oniuso na imersão, e também questionavam os critérios para avaliar a onifaticidade (ou seja, devem ser limitadas apenas a ângulos de contato, ou se são necessários critérios adicionais).

Em resposta, usando oswafers SiO 2/Si, preparamos matrizes de cavidades de microescala com entradas duplamente reentrantes e, e usando água e hexadecana como líquidos polares e não polares representativos, demonstramos que (i) essas microtexturas impedem que os líquidos as entrem por ar incrustado, e (ii) a arquitetura compartimentalizada das cavidades impede a perda do ar enredado pordefeitolocalizado. Assim, temos chamado essas microtexturas como "microtexturas a gás" (GEMs). Como próximo passo, microfabricamos GEMs com formas variadas (circular, quadrada, hexagonal) e perfis (simples, reentrante e duplamente reentrantes) para comparar sistematicamente seu desempenho imersão em líquidos molhados26. Também criamos uma microtextura híbrida composta por matrizes de pilares duplamente reentrantes cercados por paredes com perfis duplamente reentrantes, o que impediu que os líquidos tocassem as hastes dos pilares e encurralados fortemente ar na imersão35. Abaixo, apresentamos protocolos detalhados para a fabricaçãode GEMs nas superfícies SiO 2/Si através de técnicas de fotolitografia e gravação, juntamente com parâmetros de design. Apresentamos também resultados representativos de caracterização de sua moagem por goniometria do ângulo de contato (avanço/recuo/como ângulos colocados) e imersão em hexadecana e água.

Protocolo

NOTA: Matrizes de cavidades e pilares reentrantes duplamente reentrantes foram microfabricadas, adaptando o protocolo multipasso para pilares relatados por Liu e Kim27. Precauções foram tomadas para minimizar a formação de resíduos de pinos ou partículas em nossas superfícies que poderiam interferir nas transições úmidas36.

MICROFABRICAÇÃO DE CAVIDADES
Em geral, os protocolos para a microfabricação de cavidades reentrantes e duplamente reentrantes (RCs e DRCs) consistem em layout bidimensional projetando, fotolitografia, gravura geral de sílica e gravação específica de silício, dependendo do recurso final exigido37,38,39,40,41.

1. Design

  1. Inicie o processo de microfabricação projetando o padrão necessário em um software de layout42. Um exemplo desse software está listado na Lista de Materiais.
  2. Usando o software, crie um novo arquivo. Desenhe uma célula unitária composta por um círculo de diâmetro, D = 200 μm. Copie e cole este círculo com uma distância centro-centro (pitch) de L = 212 μm para criar uma matriz de círculos em um patch quadrado de área de 1 cm2 (Figura 2).
  3. Desenhe um círculo de diâmetro de 100 mm (4 polegadas). Coloque a matriz quadrada de 1 cm2 dentro do círculo e replice-a para criar uma grade de 4 x 4 de matrizes quadradas. As características dentro do círculo serão transferidas para os wafers de 4 polegadas (Figura 2).
  4. Exportar o arquivo de design para o formato desejado para o sistema de escrita de máscaras (por exemplo, o formato GDSII).

2. Limpeza de Wafers

  1. Limpe um wafer de silício 4 polegadas de diâmetro, <100> orientação, e com uma camada de óxido térmico de 2,4 μm de espessura (veja a Lista de Materiais), em solução de piranha por 10 min. Solução piranha compreende ácido sulfúrico (H2SO4, 96%): peróxido de hidrogênio (H2O2, 30%) em uma proporção volumétrica 3:1 e é mantida em T = 388 K.
  2. Enxágüe o wafer com água deionizada e spin-dry ambiente de nitrogênio (N2).

3. Fotolitografia

  1. Cubra o wafer com hexametildisilazane (HMDS) usando o depoimento em fase de vapor para melhorar a adesão com a fotoresist. Consulte a Tabela 1 para os detalhes do processo.
  2. Monte o wafer em um mandril de vácuo de 4 polegadas no coater spin. Cubra o wafer com a fotoresiste a Z-5214E. Use o coater de giro para espalhar a fotoresista uniformemente na superfície como uma camada de 1,6 μm de espessura. Consulte a Tabela 2 para parâmetros de revestimento de giro.
  3. Asse o wafer revestido de fotoresistem em um prato quente mantido a 110 °C para 120 s.
  4. Transfira o wafer para um sistema de escrita direta e exponha o wafer para radiação UV por 55 ms (desfoque: +5). Esta etapa transfere o design desejado no AZ-5214E (usado no tom positivo; veja Lista de Materiais) (Figura 2).
  5. Coloque o wafer exposto a UV em uma placa de petri de vidro contendo o desenvolvedor AZ-726 para 60 s para que os recursos se desenvolvam. Veja a Lista de Materiais para obter detalhes.
  6. Remova o wafer da solução do desenvolvedor e enxágue com água desonizada (DI) suavemente para remover o excesso de desenvolvedor. Gire seque o wafer em um ambiente N2. Essas etapas são apresentadas na Figura 3A-C.

NOTA: No final desta etapa, os padrões de design no wafer podem ser vistos um microscópio óptico padrão.

4. Gravura Anisotrópica de Sílica (SiO2) Camada

NOTA: O objetivo desta etapa é afastar completamente a camada de sílica (2,4 μm de espessura) que foi exposta durante a fotolitografia para expor a camada de silício por baixo.

  1. Após a fotolitografia, transfira o wafer para um sistema de gravura de íons reativos (ICP) indutivamente acoplados (RIE) que emprega uma mistura de octafluorociclobutano (C4F8) e gases de oxigênio (O2)para etch sílica verticalmente para baixo (gravura anisotrópica).
  2. Execute o processo ICP-RIE por aproximadamente 13 min para gravar a camada de sílica exposta. Consulte os parâmetros ICP-RIE na Tabela 3. Durante esta etapa, a camada fotoresist também fica completamente gravada(Figura 3C-D).
  3. Para garantir que a espessura da camada de sílica dentro dos padrões desejados seja reduzida a zero, para que a camada de silício seja exposta, meça a espessura da sílica restante usando um refletômetro. Ajuste a duração do período de gravura subsequente com base nas espessuras das camadas de sílica (especialmente dentro e ao redor dos padrões).

NOTA: Um refletômetro foi utilizado para medir a espessura da camada de sílica restante43. Alternativamente, outras ferramentas, como elipse ou um gráfico de cores interativo para prever a cor do SiO2 e espessura também podem ser usadas44,45.

Os procedimentos detalhados nas etapas 1 e 4 são comuns tanto para cavidades reentrantes quanto duplamente reparticipantes. No entanto, os protocolos de gravação para a camada de silício são diferentes e são descritos abaixo:

5. Cavidades reentrantes

  1. Gravura de silício anisotrópico
    1. Depois de gravar a camada de sílica, transfira o wafer para um sistema ICP-RIE profundo para gravar silício. O primeiro passo consiste em um método de gravação anisotrópica à base de flúor conhecido como o processo Bosch que etches silício verticalmente para baixo, criando uma parede reta.
      NOTA: O processo Bosch utiliza gases de hexafluoreto C4F8 e enxofre (SF6)na câmara de reação: o depoimento C4F8 cria uma camada passiva, enquanto o SF6 etches silício verticalmente para baixo. Assim, o processo Bosch permite a microfabricação de trincheiras profundas no silício com razões de alto aspecto.
    2. Execute esse processo por cinco ciclos, o que corresponde a uma profundidade de gravação para o silício equivalente a ¥ 2 μm. Os parâmetros do processo estão listados na Tabela 4.
    3. Limpe o wafer na solução de piranha por 10 min para remover quaisquer remanescentes do processo Bosch. Enxágüe o wafer com água DI e spin-dry em um ambiente N2 (Figura 3E).
  2. Gravura de silício isotrópica: Para criar o recurso reentrant, execute a gravura isotrópica que criaria um undercut a camada de sílica. Uma saliência de 5 μm pode ser alcançada gravando a camada de silício com SF6 por 2 min 45 s (Figura 3F). Consulte a Tabela 5 para os parâmetros do processo.
  3. Gravura de silício anisotrópico: Uma vez criados os recursos do reentrant, ajuste a profundidade das cavidades pelo processo Bosch (etapa 5.1).
    NOTA: Para microfabricar cavidades com uma profundidade de hc ◗ 50 μm, são necessários 160 ciclos do processo Bosch ( Figura3G, Tabela 4).
  4. Limpeza e armazenamento de wafer
    1. Limpe o wafer usando a solução de piranha como descrito na etapa 2. Após esta etapa, o wafer se torna superhidrofílico, caracterizado por ângulos de contato de água, φo ◗ 0°.
    2. Guarde o wafer em uma placa de petri de vidro e coloque dentro de um forno a vácuo limpo mantido em T = 323 K e pressão de vácuo PVac = 3,3 kPa por 48 h, após o qual o ângulo de contato intrínseco da camada de sílica estabiliza para φo ◗ 40°.
    3. Armazene as amostras em um armário limpo equipado com um nitrogênio externo (99%) fluxo, pronto para caracterização adicional.

6. Cavidades Reentrantas Duplamente

  1. Gravura de silício anisotrópico: Para criar cavidades duplamente reentrantes, siga os passos 1, 2, 3, 4 e 5.1 (ver Figura 4A-E).
  2. Gravura de silício isotrópico
    Para criar recursos duplamente reentrantes, os recursos de reentrante devem ser criados primeiro. Para isso, realize a gravura isotrópica para criar um undercut abaixo da camada de sílica. Coloque a camada de silício com SF6 para 25 s (Figura 4F). Consulte a Tabela 5 para os parâmetros do processo. Posteriormente, limpe o wafer usando solução de piranha como descrito na etapa 2.
  3. Crescimento do óxido térmico
    1. Para alcançar características duplamente reentrantes, cresça uma camada de 500 nm de óxido térmico no wafer, usando um sistema de forno de alta temperatura(Figura 4G).
    2. Meça a espessura da camada de óxido usando um refletômetro.
      NOTA: A oxidação foi realizada expondo as amostras a um ambiente composto por oxigênio (O2) e vapor de água, levando à oxidação úmida do silício em um ambiente fechado a temperaturas que variam de 800 a 1.200 °C.
  4. Gravura de sílica: Realize o mesmo processo descrito na etapa 4 para gravar a sílica verticalmente para baixo por 3 min. Como resultado da gravura anisotrópica, o óxido térmico (camada de sílica de 500 nm de espessura) é gravado longe da cavidade, mas deixa uma "saliência" ao longo das paredes laterais que formaria a borda duplamente reentrante eventualmente (Figura 4H, Tabela 3).
  5. Gravura de silício anisotrópico: Repita cinco ciclos do processo Bosch para aprofundar as cavidades por ¥ 2 μm (Figura 4I, Tabela 5). Este passo é necessário para remover o silício atrás do recurso duplamente reentrant no próximo passo. Limpe o wafer usando solução de piranha.
  6. Gravura de silício isotrópica: Realize a gravação isotrópica de silício por 2 min e 30 s usando os parâmetros de processo descritos na Tabela 4. Este passo cria um espaço vazio (2 μm) atrás do óxido cultivado termicamente na boca da cavidade, levando à borda duplamente reentrante(Figura 4J).
  7. Gravura de silício anisotrópico: Use a receita de processo Bosch (etapa 5.1) para 160 ciclos para aumentar a profundidade das cavidades parah c ◗ 50 μm,(Figura 4K, Tabela 5).
  8. Limpeza e armazenamento de wafer: Limpe o wafer usando solução de piranha e armazene conforme descrito na etapa 5.4 acima.

MICROFABRICAÇÃO DO PILARS
O protocolo de design para fabricação de pilares reentrantes e duplamente reentrantes e "híbridos" (compreendendo pilares duplamente reentrantes cercados por paredes) consiste em três passos-chave: preparação de wafer, gravura de sílica e gravura específica de silício. A Figura 5A-C mostra a visão máxima do design de layout para pilares reentrantes e duplamente reentrantes, enquanto a Figura 5D-F representa o layout das matrizes híbridas. Selecione a opção de campo escuro da exposição uv para expor todo o wafer, exceto pelo padrão usando a mesma fotoresist (AZ5214E) (Figura 6A-C e Figura 7A-C). Além dessas especificidades, os processos de limpeza do wafer (passo 2) e sílica de gravura (passo 4) são idênticos.

7. Pilares reentrantes

  1. Gravura de silício anisotrópico: Após a fotolitografia, exposição uv, desenvolvimento e sílica gravura com as especificidades para pilares descritos acima (passos 1-4), transfira o wafer para um sistema ICP-RIE profundo para gravar a camada de silício usando o processo Bosch. Esta etapa controla a altura dos pilares. Use 160 ciclos do processo Bosch para atingir pilares de altura, hP ◗ 30 μm ( Figura6E, Tabela 5). Limpe o wafer como descrito na etapa 2.
  2. Gravura de silício isotrópica: Realizar gravura isotrópica usando SF6 por 5 min para criar a borda reentrant nos pilares (Figura 6F, Tabela 4). O comprimento resultante da saliência é de 5 μm.
  3. Limpeza e armazenamento de piranha: Limpe o wafer usando solução de piranha e armazene conforme descrito na etapa 5.4 acima.

8. Pilares e Híbridos Reentrantes Duplamente

  1. Gravura de silício anisotrópico: Depois de gravar SiO2,transfira o wafer para um sistema ICP-RIE profundo para gravar o Si a camada SiO2. Realize cinco ciclos do processo Bosch que correspondem a uma profundidade de gravação de ¥ 2 μm (Figura 7E, Tabela 4). Posteriormente, limpe o wafer conforme descrito na etapa (2).
  2. Gravura de silício isotrópica: Realizar gravura isotrópica usando SF6 para 16 s para criar a borda reentrant (Tabela 5, Figura 7F). Limpe o wafer como descrito na etapa 2.
  3. Crescimento do óxido térmico: Cresça 500 nm camada de óxido térmico por todo o wafer usando um sistema de forno de alta temperatura como descrito na etapa 6.3 (Figura 7G).
  4. Gravura de sílica: Etch a camada de óxido termicamente cultivada (500 nm de espessura) por 3 min conforme descrito na etapa 6.4 (Figura 7H, Tabela 3).
  5. Gravura de silício anisotrópico: Repita 160 ciclos do processo Bosch (Tabela 4) para aumentar a altura dos pilares (Figura 7I). Limpe o wafer como descrito na etapa 2 acima.
  6. Gravura de silício isotrópica: Realizar a gravação isotrópica de silício por 5 min usando os parâmetros do processo conforme descrito na Tabela 4. Esta etapa cria a borda duplamente reentrant(Figura 7J). O espaço entre haste de pilar e borda duplamente reentrant é de ¥2 μm.
  7. Limpeza e armazenamento de wafer: Limpe o wafer usando solução de piranha e armazene conforme descrito na etapa 5.4 acima.

A Figura 8 representa a lista de processos utilizados na microfabricação de reentrantes e cavidades e pilares duplamente reentrantes.

Resultados

Nesta seção, apresentamos cavidades reentrantes e duplamente reentrantes (RCs e RDCs, Figura 9) e pilares reentrantes e duplamente reentrantes (RPs e DRPs, Figura 10)microfabricados usando os protocolos descritos acima. Todas as cavidades têm o diâmetro, DC = 200 μm, a profundidade, hC ◗ 50 μm, e a distância centro-centro (ou o campo) entre cavidades adjacentes a ser LC = DC + 12 μm. Usando os mesmos protocolos de fabricação, cavidades de formas não circulares também podem ser preparadas, como relatado anteriormente26.

O diâmetro da tampa em cima dos pilares foi DP = 20 μm, e sua altura e tom foram, respectivamente, hp ◗ 30 μm e LP = 100 μm(Figura 10).

Comportamentos de wetting de microtexturas de armadilha sgás (GEMs)
A sílica plana (SiO2) está intrinsecamente molhada em direção à maioria dos líquidos polares e não polares. Por exemplo, os ângulos de contato intrínsecos das gotículas de hexadecana (γLV = 20 mN/m a 20 °C) e água (tensão superficial γLV = 72,8 mN/m a 20 °C) na sílica foram, respectivamente, e φo ◗ 20° e φo ◗ 40°. No entanto, após microfabricar cavidades reentrantes e duplamente reentrantes (DRCs) e pilares, os ângulos de contato mudaram drasticamente(Tabela 6). Medimos os ângulos de contato de avanço/retração dispensando/retraindo os líquidos à taxa de 0,2 μL/s e encontramos os ângulos de contato aparentes para ambos os líquidos, φr > 120°, (omnifóbico; Figura 11E). Recuando ângulos de contato, φr . 0° por causa da falta de descontinuidade nas microtexturas, como em microtexturas baseadas em pilares. Por outro lado, as superfícies SiO2/Sicom matrizes de pilares duplamente reentrantes (DRPs) exibiram ângulos de contato aparentes, φr > 150° para líquidos e a histerese do ângulo de contato foi mínima (superomnifóbica, Figura 11A e Filmes S1 e S2). Curiosamente, quando as mesmas superfícies SiO2/Si com matrizes de pilares estavam imersas nos mesmos líquidos que se intrometiam instantaneamente, t < 1 s, ou seja, nenhum ar estava preso (Figura 10A-D, Filme S3). Assim, enquanto os pilares pareciam ser superonosfóbicos em termos de ângulos de contato, eles falharam em prender ar na imersão. Na verdade, líquidos molhados se intrometem do limite da microtextura (ou de defeitos localizados) e deslocam qualquer ar preso instantaneamente(Figura 11A-D e Filme S3). Em contraste, as RDCs encravaram o ar após a imersão em ambos os líquidos (Figura 11E-H e S1, Tabela 1); para hexadecano, o ar preso estava intacto mesmo após 1 mês26. Nossos experimentos de microscopia confocal demonstraram que as características de suspensão estabilizam os líquidos intrusos e o ar de armadilha dentro deles(Figura 12A-B).

Em seguida, para prender ar em matrizes de DRPs, empregamos os mesmos protocolos de microfabricação para alcançar matrizes de pilares cercados por paredes de perfil duplamente reentrantes (Figura 10G-I). Essa estratégia isolou as hastes dos DRPs de líquidos molhados. Como resultado, as microtexturas híbridas se comportaram como GEMs, como confirmado pela microscopia confocal (Figura 12C-D) e Movie S4, Tabela 6). Assim, superfícies sílicas com microtexturas híbridas exibiam oniobiocidade na imersão ao capturar ar e demonstraram ângulos de contato, φr > 120°, (omnifóbico), e se mostraram onosfóbicas no sentido real, ou seja, em termos de ângulos de contato e ar em imersão. Na Tabela 6,avaliamos a oniobiocidade das superfícies SiO2/Sicom uma variedade de microtexturas baseadas em cavidades, baseadas em pilares e híbridos por ângulos de contato e imersão.

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Figura 1: Esquemas de microestruturas. (A–B) Cavidades reentrantes,(C–D) duplamentereentrantes pilares,(G–H) reentrantes duplamente pilares. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 2: Padrões de design para cavidades. Padrões de design para reentrante e duplamente reentrantes cavidades geradas usando o software de layout. O padrão foi transferido para o wafer usando fotolitografia. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

   

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Figura 3: Protocolo de microfabricação para cavidades reentrantes. (A)Limpe o wafer de silício com sílica de 2,4 μm de espessura por cima. (B)Coorque o wafer com fotoresiste e exponha à luz UV. (C) Desenvolver a fotoresistexposta uv para obter o padrão de design. (D) A gravação da camada de sílica superior exposta verticalmente para baixo (gravura anisotrópica) usando gravura de plasma indutivamente acoplado (ICP) reativa (RIE). (E)Gravura anisotrópica rasa de camada de silício exposta usando ICP-RIE profunda. (F)Gravura isotrópica de silício para criar a borda reentrant. (G)A gravura de silício anisotrópico profunda para aumentar a profundidade das cavidades. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

   

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Figura 4: Protocolo de microfabricação para cavidades duplamente reentrantes. (A)Limpe o wafer de silício com sílica de 2,4 μm de espessura por cima. (B)Coorque o wafer com fotoresiste e exponha à luz UV. (C) Desenvolver a fotoresistexposta uv para obter o padrão de design. (D) A gravação da camada de sílica superior exposta verticalmente para baixo (gravura anisotrópica) usando gravura de plasma indutivamente acoplado (ICP) reativa (RIE). (E)Gravura anisotrópica rasa de camada de silício exposta usando ICP-RIE profunda. (F)Gravura isotrópica rasa de silício para criar undercut usando icp-rie profundo. (G)Crescimento do óxido térmico. (H)Gravação anisotrópica da camada de sílica superior e inferior. (I)Gravura anisotrópica rasa de silício. (J)Etch de silício isotrópico para criar a borda duplamente reentrant. (K)A gravura profunda do silício anisotrópico para aumentar a profundidade das cavidades. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 5: Padrões de design para pilares. Padrões de design para reentrant, reentrante duplamente e pilares híbridos gerados usando o software de layout. O padrão foi transferido para o wafer usando fotolitografia. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 6: Protocolo de microfabricação de pilares reentrantes. (A)Limpe o wafer de silício com sílica de 2,4 μm de espessura por cima. (B)Coorque o wafer com fotoresiste e exponha à luz UV. (C) Desenvolver a fotoresistexposta uv para obter o padrão de design. (D) A gravação da camada de sílica superior exposta verticalmente para baixo (gravura anisotrópica) usando gravura de plasma indutivamente acoplado (ICP) reativa (RIE). (E)A gravura profunda de silício anisotrópico para aumentar a altura dos pilares. (F)Gravura de silício isotrópico para criar a borda reentrant. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 7: Protocolo de microfabricação para pilares duplamente reentrantes. (A)Limpe o wafer de silício com sílica de 2,4 μm de espessura por cima. (B)Coorque o wafer com fotoresiste e exponha à luz UV. (C) Desenvolver a fotoresistexposta uv para obter o padrão de design. (D) A gravação da camada de sílica superior exposta verticalmente para baixo (gravura anisotrópica) usando gravura de plasma indutivamente acoplado (ICP) reativa (RIE). (E)Gravura anisotrópica rasa de camada de silício exposta usando ICP-RIE profunda. (F)Gravura isotrópica rasa de silício para criar undercut usando icp-rie profundo. (G)Crescimento do óxido térmico. (H)Gravura anisotrópica da parte superior e inferior da camada de sílica. (I)Gravura de silício anisotrópico para aumentar a altura dos pilares. (J)Gravura de silício isotrópico para criar a borda duplamente reentrant. Note que a única diferença entre os pilares duplamente reentrantes e o "híbrido" é o design no início. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 8: Protocolo de microfabricação para reentrant e duplamente reentrantia cavidades e pilares. O fluxograma lista os principais passos envolvidos. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 9: Escaneando micrografos eletrônicos de reentrantes e cavidades duplamente reentrantes. (A-D) Vistas seccionais e isométricas das superfícies de sílica com matriz de cavidades reentrantes. (E-H) Vistas seccionais e superiores de cavidades duplamente reentrantes. DC = diâmetro da cavidade e LC = a distância centro-centro entre cavidades adjacentes (ou arremesso), e hC = profundidade da cavidade. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 10: Digitalização de micrografos eletrônicos de pilares reentrantes e duplamente reentrantes. (A-C) Visão isométrica dos pilares reentrantes. (D-F) Pilares duplamente reentrantes. (G-I) Pilares híbridos - DRPs cercados por paredes duplamente reentrantes. DP - diâmetro da tampa do pilar e LP - a distância centro-a-centro entre pilares adjacentes (ou tom) e hP – altura dos pilares. Figura D–I,reimpressa do Ref.35, Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 11: Comportamento de luscada. (A)Superomniphobicidade das superfícies SiO2/Si adornadas com matrizes duplamente reentrantes pilares, observadas colocando gotas líquidas no topo. (B-D) A superonibocidade é perdida instantaneamente, se líquidos molhados tocarem na fronteira ou defeitos localizados. (E) Superfícies SiO2/Si adornadas com matrizes duplamente reentrantes cavidades exibem onióbio. (F-H) Essas microtexturas prendem o ar robustamente e não o perdem se o líquido tocar no limite ou defeitos localizados. Reimpresso a partir de Ref.35, Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Figura 12: Microscopia confocal de microtexturas imersas em líquidos. Reconstruções 3D aprimoradas por computador de imagens confocais representativas (seções isométricas e transversais ao longo das linhas pontilhadas) de transições úmidas em superfícies de sílica com cavidades duplamente reentrantes e pilares híbridos imersos uma coluna z ◗ 5 mm após 5 min de imersão de água (A, A,C) e (B,D) hexadecana. As cores (falsas) azuis e amarelas correspondem às interfaces de água e hexadecana com o ar preso. Menisci líquido intruso foi estabilizado na borda duplamente reentrant. (Barra de escala = Diâmetro da cavidade e pilar 200 μm e 20 μm, respectivamente). A Figura 12 foi reimpressa a partir de Ref.35, Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Estágio 1: Desidratação e purga de oxigênio da câmara
PassoSequência de processosTempo (min)
1Vácuo (10 Torr)1
2Nitrogênio (760 Torr)3
3Vácuo (10 Torr)1
4Nitrogênio (760 Torr)3
5Vácuo (10 Torr)1
6Nitrogênio (760 Torr)3
Fase 2: Priming
Sequência de processosTempo (min)
7Vácuo (1 Torr)2
8HMDS (6 Torr)5
Estágio 3: Purgando o escapamento prime
Sequência de processosTempo (min)
9Vácuo1
10Nitrogênio2
11Vácuo2
Estágio 4: Retorno à Atmosfera (Backfill)
Sequência de processosTempo (min)
12Nitrogênio3

Tabela 1: Detalhes do processo para revestimento de camadas hexametildisilazane (HMDS) para melhorar a adesão entre a superfície da sílica e a fotoresist e a fotoresist aZ-5214E.

PassoVelocidade (rpm)Rampa (rpm/s)Tempo (s)
180010003
2150015003
33000300030

Tabela 2: Detalhes do processo para alcançar a camada de fotoresist AZ-5214E de 1,6 μm de espessura em siO2/Si wafers por revestimento spin.

Energia RF, (W)ICP power, (W)Pressão de gravura, (mTorr)C4F8 flow (sccm)O2 fluxo (ccm)Temperatura, (°C)
10015001040510

Tabela 3: Configurações de parâmetro para gravação de sílica usada em Plasma Indutivamente Acoplado – Gravura de íonreo reativo (ICP-RIE).

Energia RF, (W)ICP power, (W)Pressão de gravura, (mTorr)Fluxo SF6, (ccm)Temperatura, (°C)
2018003511015

Tabela 4: Configurações de parâmetro para gravura de silício (isotrópico) utilizada sem plasma indutivamente acoplado – gravura profunda de íons reativos (ICP-DRIE).

PassoEnergia RF, (W)ICP power, (W)Pressão de gravura, (mTorr)Fluxo SF6, (ccm)C4F8 flow, (sccm)Temperatura, (°C)Tempo de depoimento/ Gravura, (s)
Camada passiva51300305100155
Gravura301300301005157

Tabela 5: Configurações de parâmetro para gravura de silício (anisotrópico) usadas em plasma indutivamente acoplado – gravura profunda de íons reativos (ICP-DRIE).

SuperfíciesCritério: Ângulos de contato no arCritério: Imersão
ÁguaHexadecanoÁguaHexadecano
DRPs φr 153°±1°153° ± 1°Penetração instantâneaPenetração instantânea
φA 161°±2°± 159° ± 1°
φR 139°±1°132° ± 1°
Avaliação:SuperomnifóbicoNão onifóbico – na verdade, onidílico
DRCs φr ± 124° ± 2°± 115° ± 3°Ar preso (omnifóbico)Ar preso (omnifóbico)
φA ± 139° ± 3°± 5°
φR 0°0°
Avaliação:OmnifóbicoOmnifóbico
Híbridos φr 153°± 2°± 153° ± 2°Ar preso (omnifóbico)Ar preso (omnifóbico)
φA 161°± 2°± 159° ± 2°
φR 0°0°
Avaliação:OmnifóbicoOmnifóbico

Tabela 6: Medidas de ângulo de contato – avanço(φA),recuando(φR),e aparente (φr) – e imersão em líquidos. Esta tabela reimpressa a partir de Ref.35, Copyright (2019), com permissão da Elsevier.

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Filme S1: Sequência de imagem de alta velocidade (15K fps) de gotícula de água saltando de superfícies microtexturizadas compostas por pilares duplamente reentrantes. Este filme foi reimpresso do juiz 35. Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver este vídeo (Clique para baixar).

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Filme S2: Sequência de imagem de alta velocidade (19K fps) de gotícula hexadecana saltando de superfícies microtexturizadas compostas por pilares duplamente reentrantes. Este filme foi reimpresso do juiz 35. Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver este vídeo (Clique para baixar).

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Filme S3: Sequência de imagem (200 fps) de ibibição de água em microtextura composta por pilares duplamente reentrantes. Este filme foi reimpresso do juiz 35. Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver este vídeo (Clique para baixar).

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Filme S4: Sequência de imagem (200 fps) gota de água avançando ao lado da microtextura híbrida. A presença de parede de fronteira duplamente reentrante impede a invasão líquida na microtextura, o que torna a superfície omnifóbica imersão também. Este filme foi reimpresso do juiz 35. Copyright (2019), com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver este vídeo (Clique para baixar).

Discussão

Aqui discutimos fatores adicionais e critérios de design para ajudar o leitor na aplicação desses protocolos de microfabricação. Para microtexturas de cavidade (RCs e DRCs) a escolha do tom é crucial. Paredes mais finas entre cavidades adjacentes levariam a baixa área interfacial líquida-sólida e alta área interfacial de vapor líquido, levando a ângulos de contato aparentes elevados34. No entanto, paredes finas poderiam comprometer a integridade mecânica da microtextura, por exemplo, durante o manuseio e caracterização; um pouco de gravura excessiva com paredes finas (por exemplo, na etapa 6.6) poderia destruir toda a microtextura; sub-gravura com paredes finas também poderia impedir o desenvolvimento de características duplamente reentrantes. Se as características da RDC não forem totalmente desenvolvidas, sua capacidade de prender ar a longo prazo pode sofrer, especialmente se o líquido se condensar dentro das cavidades26. Por essa razão, escolhemos o arremesso em nossos experimentos para ser L = D + 12 μm (ou seja, a espessura mínima da parede entre as cavidades foi de 12 μm). Também fabricamos cavidades duplamente reentrantes com um tom menor de L = D + 5 μm, mas as superfícies resultantes não foram homogêneas devido a danos estruturais durante a microfabricação.

Durante a gravação da camada de sílica com C4F8 e O2 na etapa 4, o histórico prévio de uso ou a limpeza da câmara de reação poderiadar resultados variáveis, apesar de seguir os mesmos passos, por exemplo, em uma facilidade de usuário comum, como na maioria das universidades. Assim, recomenda-se que essa etapa seja realizada em curtos períodos de tempo, por exemplo, não mais do que 5 min cada e monitorada a espessura da camada de sílica por uma técnica independente, como a reflectometria. Para nossos wafers com uma camada de sílica de 2,4 μm de espessura, uma rotina típica de gravura levou 13 min para remover a sílica completamente das áreas alvo(Tabela 3). Como a fotoresist também foi gravada durante o processo, esta etapa removeu 1 μm da camada de sílica que foi inicialmente mascarada pela fotoresist. Além disso, para garantir que a taxa de gravura fosse como esperado, e para evitar a contaminação cruzada de processos anteriores de gravação (um problema comum em instalações multiusuários), a gravura de sílica sempre foi precedida pela gravação de um wafer sacrificial como um passo de precaução. Durante o desenvolvimento da fotoresist, a superfície exposta pode ficar contaminada com os traços/partículas da fotoresist, que poderiam agir como máscaras (microscópicas) que levam à formação de resíduos de pinos. Para evitar isso, protocolos rigorosos de limpeza e armazenamento devem ser seguidos ao longo do processo de microfabricação36.

Da mesma forma, durante o processo Bosch, embora a camada SiO2 aja como uma máscara para a camada Si por baixo, ela fica gravada durante longos ciclos de gravação, embora a taxas mais lentas. Assim, a profundidade das cavidades ou a altura dos pilares é limitada ao ponto de as características do reentrantnão serem comprometidas. Os tempos de passivação e gravação durante o processo Bosch devem ser sintonizados para obter paredes lisas. Isso pode ser alcançado testando receitas iterativamente e observando seus efeitos em amostras, por exemplo, usando microscopia eletrônica.

No caso de RPs e DRPs, quanto maior a duração da gravação isotrópica, menor o diâmetro da haste. Se o diâmetro for inferior a 10 μm, pode levar à fragilidade mecânica. Essa limitação deve informar o projeto no início do procedimento de microfabricação.

Ferramentas de gravura seca comumente disponíveis nas universidades não possuem tolerâncias de nível industrial, levando a não uniformes espaciais em termos da taxa de gravura dentro da câmara. Assim, as características obtidas no centro do wafer podem não ser as mesmas que as da fronteira. Para superar essa limitação, usamos wafers de quatro polegadas e concentrados apenas na região central.

Também recomendamos o uso de sistemas de escrita direta em vez de usar máscaras de contato rígido para fotolitografia, permitindo mudanças rápidas nos parâmetros de design, incluindo diâmetros de características, arremessos e formas (circular, hexagonal e quadrado), etc.

Obviamente, nem os wafers Si2/Si nem a fotolitografia são os materiais ou processos desejados para a produção em massa de superfícies onofóbicas. No entanto, eles servem como um excelente sistema modelo para explorar microtexturas inovadoras para superfícies omnifóbicas de engenharia, por exemplo, por biomimética2,27,34,35,46,47, que podem ser traduzidas para sistemas de materiais de baixo custo e escaláveis para aplicações. Espera-se que, em um futuro próximo, os princípios de design para GEMs possam ser ampliados utilizando técnicas como impressão 3D48,fabricação aditiva49e micromachinagem a laser50,entre outras. As superfícies SiO2/Si também poderiam ser usadas para materiais macios de templating29,51. Atualmente, estamos investigando aplicações de nossas superfícies de aprisionamento de gás para mitigar danos causados pela cavitação47,dessalinização46,52, e reduzir o arrasto hidrodinâmico.

Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses concorrentes.

Agradecimentos

A HM reconhece o financiamento da Universidade De Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST).

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
AZ-5214 E fotorresistenteMerckDEAA070796-0W59Fotorresistente, líquido inflamável
AZ-726 MIF desenvolvedorMerck10055824960Para desenvolver microscopia
confocalfotorresistente ZeissZeiss LSM710Microscópio confocal vertical para visualizar a forma líquida do menisco
Profundo ICP-RIEOxford InstrumentsPlasmalab system100Silício ferramenta de gravura
Escritor diretoHeidelberg Instrumentsµ PG501Sistema de escrita direta
Analisador de forma de gotaKRUSSDSA100Para medir o ângulo de contato
HexadecanoAlfa Aesar544-76-3Teste de líquido
Câmera de imagem de alta velocidadePesquisa de visão fantasmav1212Para projeção de gotículas de imagem
HMDS vapor primeRendimento Sistemas de engenharia
Placa quenteCusto equipamentos eficazesModelo 1300
Peróxido de hidrogênio 30%Sigma Aldrich7722-84-1Para preparar a solução piranha
ImarisBitplaneVersão 8Imagens de microscopia confocal pós-processo
Nilo RedSigma Aldrich7385-67-3Corante fluorescente para hexadecano
Gás nitrogênioKAUST fornecimentode laboratório Para secar o wafer
Placa de PetriVWRHECH41042036
Reactive-Ion Etching (RIE)Oxford InstrumentsPlasmalab system100Ferramenta de gravação de sílica
RefletômetroNanometricsNanospec 6100Para verificar a espessura restante da camada de óxido
Rodamina B (Acros)Fisher scientific81-88-9Corante fluorescente para água
SEM stubMicroscopia Eletrônica Sciences75923-19
SEM-Quanta 3DFEIQuanta 3D FEG Dual Beam
Silicon WaferMicroelectronics Silicon Valley MicroelectronicsLado único polido, 4" de diâmetro, 500 µ m de espessura, 2.4 µ m camada de óxido de espessura
Spin coaterHeadway Research,IncPWM32
Secador de enxágue de rotaçãoTecnologia MicroProcessAvenger Ultra -Pure 6Seque as bolachas após a limpeza da piranha
Ácido sulfúrico 96%Technic764-93-9Para preparar a solução de piranha
Tanner EDA L-Edit softwareTanner EDA, Inc.version15Projeto de layout
Crescimento de óxido térmicoFornoPara cultivar óxido térmico em wafer de silício padronizado
PinçasExcelta490-SA-PIPinça de wafer
Forno a vácuoThermo Scientific13-258-13
ÁguaMilli-QAdvantage A10Líquido de teste
Software Tystar

Referências

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