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

Nossas superfícies microtexturadas a gás, ou GEMS, podem então prender o ar em emulsão e líquidos, independentemente de sua química superficial. É por isso que achamos que essa abordagem tem um enorme potencial para aplicações que, de outra forma, requerem revestimentos perfluorados. Ao contrário da impressão 3D e de outras técnicas convencionais de fabricação, a fotolitografia e a gravura seca nos permitem fabricar topografias complexas, microes em escala, pendentes e duplamente re-entrantes.

Os usuários iniciantes devem usar wafers de prática e verificar periodicamente as taxas de gravação de cada tipo de design antes de tentar um experimento, pois a taxa pode mudar com o tamanho da amostra. A fabricação de pilares e cavidades de re-entrante e duplamente re-entrantes é um processo multi-stop que envolve padrões de design intrincados. A demonstração visual das microfabricações ajudará na compreensão do protocolo.

Inicie o processo de microfabização criando um novo arquivo em um programa de software de layout apropriado. Desenhe uma célula unitária composta por um círculo de diagrama de 200 micrômetros. Copie este círculo com uma distância central para central de 212 micrômetros para criar uma matriz de círculos em um patch quadrado, com uma área quadrada de um centímetro.

Em seguida, desenhe um círculo de 100 milímetros de diâmetro e coloque a matriz quadrada quadrada de um centímetro dentro do círculo. Replique este arranjo para criar uma grade 4 x 4 de matrizes quadradas. As características dentro do círculo serão transferidas para os wafers de quatro polegadas.

Em seguida, exporte o arquivo de design para o formato desejado para o sistema de classificação de massa. Para limpar wafers para a microfabricação, coloque um wafer de silício de quatro polegadas de diâmetro com uma camada de óxido térmico de 2,4 micrômetros de espessura na solução Piranha por dez minutos, antes de enxaguar com água desionizada. Em seguida, gire o wafer seco sob um ambiente de nitrogênio.

Após a secagem, use a deposição em fase de vapor para revestir o wafer com hexametiletiladisilazane e montar o wafer em uma verificação de vácuo de quatro polegadas em um codificador de giro. Cubra o wafer com fotoresist e use o codificador de giro para espalhar o fotoresist uniformemente pela superfície do wafer como uma camada de 1,6 micrômetro de espessura. Asse o fotoresistido revestido em uma placa quente de 110 graus celsius por dois minutos.

Transfira o wafer assado para um sistema de classificação direta. Exponha o wafer à radiação ultravioleta por 55 milissegundos e transfira o wafer exposto UV em uma placa de vidro Petri contendo desenvolvedor fotoresista, para permitir que os recursos se desenvolvam. Após 60 segundos, enxágue suavemente o wafer com água desionizada para remover qualquer excesso de desenvolvedor e gire o wafer em um ambiente de nitrogênio.

Após a fotolitografia, transfira o wafer para um sistema de gravura de íons reativas plasmáticas indutivamente acoplado, que emprega uma mistura de octafluorocicro e gases de oxigênio. Execute o processo por aproximadamente 13 minutos para gravar a camada de sílica exposta. Para garantir que a espessura da camada de sílica dentro dos padrões desejados seja reduzida a zero, use um reflectômetro para medir a espessura da sílica restante e ajuste a duração do período de gravação subsequente com base na espessura das camadas de sílica.

Depois de gravar a camada de sílica, transfira o wafer para um sistema de gravura de íons reativas de plasma indutivamente acoplado e execute este processo por cinco ciclos, resultando em uma profundidade de gravação para o silício equivalente a aproximadamente dois micrômetros. Limpe o wafer com solução Piranha, depois enxágue e gire seco como demonstrado antes. Realize a gravura isotropica para criar um undercut abaixo da camada de sílica com hexafluoreto de enxofre por 25 segundos, seguido de limpeza com solução piranha enxaguar e girar seco como demonstrado.

Depois de criar o undercut, use um sistema de forno de alta temperatura para cultivar uma camada de 500 nanômetros de óxido térmico no wafer. Em seguida, coloque a sílica verticalmente para baixo por três minutos para remover a camada de óxido térmico do fundo da cavidade, deixando uma camada de sílica ao longo das paredes laterais que eventualmente formará a borda duplamente reentrante. Depois de gravar o excesso de óxido termicamente cultivado, repita cinco ciclos do processo Bosch para aprofundar as cavidades em dois micrômetros, depois limpe o wafer com solução de piranha, enxágue e gire seco como demonstrado.

Para criar um espaço vazio atrás do óxido termicamente cultivado na boca da cavidade, isotropicamente etch o silício por 150 segundos para obter a borda duplamente reentrante. A quantidade de tempo gasto no último etch de silício isotrótrópico deve ser ajustada para criar o máximo de espaço possível por trás do óxido termicamente cultivado sem fundir as cavidades. Depois de criar as cavidades duplamente reentrantes, realize o processo Bosch por 160 ciclos para aumentar a profundidade das cavidades para aproximadamente 50 micrômetros.

Limpe o wafer em solução piranha fresca, enxágue e gire seco como demonstrado. Transfira o wafer para um forno a vácuo a 50 graus Celsius por 48 horas. O wafer pode então ser armazenado em um armário de fluxo de nitrogênio limpo.

Aqui, são mostradas cavidades e pilares de reentrada representativas e duplamente reentradas como demonstrado. Superfícies de silício de silício com matrizes de pilares duplamente reentrantes exibem ângulos de contato aparentes superiores a 150 graus para água e hexadecano com uma histerese de ângulo de contato mínimo. Curiosamente, quando as mesmas superfícies de silício de dióxido de silício com matrizes de pilares estão imersas nos mesmos líquidos, elas são intrometidas instantaneamente.

Em contraste, cavidades duplamente reentrantes prendem o ar após a imersão em ambos os líquidos. Além disso, a microscopia confocal revela que as características pendentes estabilizam os líquidos intrometidos e o ar de armadilha dentro deles. A microfabricação de matrizes de pilares cercados por paredes de perfil duplamente reentrante isola os caules de líquidos moídos, resultando em microtexturas híbridas que se comportam como micro texturas de entrada de gás.

Utilizando uma abordagem semelhante, podem ser projetadas membranas capazes de desempenhar funções de membranas comerciais, mas sem o uso de perfluorocarbonetos prejudiciais, pavimentando o caminho para processos industriais mais verdes. Poderíamos investigar o desempenho de cavidades e pilares em forma de cogumelo em termos de sua capacidade de prender o ar sob líquidos, e também em termos de pressões inovadoras e assim por diante. Este protocolo envolve o uso de uma instalação de sala limpa, bem como placas quentes, produtos químicos inflamáveis e corrosivos.

Por isso, são necessários treinamentos de segurança e equipamentos de proteção individual.