Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Micropunching Litografi for Generering Mikro-og submikrometer-mønstre på polymersubstrater

Published: July 2, 2012 doi: 10.3791/3725
Automatic Translation
1, 1, 1
1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

Summary

En micropunching litografi fremgangsmåde er udviklet til at frembringe mikro-og submikron-mønstre på toppen, sidevæggen og bundoverfladerne af polymer-substrater. Overvinder de forhindringer mønsterdannelse ledende polymerer og generere sidevæg mønstre. Denne metode giver mulighed for hurtig fremstilling af flere funktioner og er fri for aggressive kemi.

Abstract

Ledende polymerer har tiltrukket sig stor opmærksomhed siden opdagelsen af høj ledningsevne i doteret polyacetylen i 1977 1. De giver fordelene ved lav vægt, er let at skræddersy egenskaber og et bredt spektrum af anvendelser 2,3. På grund af følsomheden af ledende polymerer til miljømæssige betingelser (f.eks luft, oxygen, fugt, høj temperatur og kemisk opløsninger), litografiske teknikker udgør betydelige tekniske problemer, når man arbejder med disse materialer 4. For eksempel er de nuværende fotolitografiske metoder, såsom ultraviolet (UV), uanvendelige til mønsterdannende de ledende polymerer på grund af involvering af våde og / eller tørætsning processer i disse metoder. Endvidere fortrinsvis aktuelle mikro / nanosystemer har en plan form 5,6. Et lag af strukturer er bygget på de øvre overflader af et andet lag af fabrikerede funktioner. Flere lag af disse strukturer er stablet sammen til dannelse af talrige indretninger tilet fælles substrat. Sidevægsdelene overflader mikrostrukturerne ikke er blevet anvendt ved konstruktion af indretninger. På den anden side kan sidevæg mønstre kan anvendes, for eksempel for at opbygge 3-D-kredsløb, modificere strømningstekniske kanaler og direkte vandret vækst af nanotråde og nanorør.

En macropunching Metoden har været anvendt i industrien for at skabe macropatterns i en metalplade i over hundrede år. Motiveret af denne fremgangsmåde, har vi udviklet en micropunching litografi metode (MPL) til at overvinde forhindringer mønster ledende polymerer og skabe sidevæggen mønstre. Ligesom macropunching fremgangsmåden også MPL indbefatter to operationer (Fig. 1): (i) skærende og (ii) tegning. Den "skæring" operation blev påført mønster tre ledende polymerer 4, polypyrrol (PPy), poly (3,4-ethylenedioxythiophen)-poly (4-styrenesulphonate) (PEDOT) og polyanilin (PANI). Det blev også anvendt til at skabe Al mikrostrukturer 7. De fremstillede mikrostrukturer af ledende polymerer er blevet anvendt som fugtighed 8, kemisk 8 og glucose sensorer 9. Kombinerede mikrostrukturer af Al og ledende polymerer er blevet anvendt til at fremstille kondensatorer og forskellige heterojunctions 9,10,11. Den "cutting" operation blev også anvendt til at generere submikrometer-mønstre, såsom 100 - og 500-nm-dækkende PpY linjer såvel som 100-nm-dækkende Au ledninger. Den "trækning" operation blev anvendt til to formål: (i) fremstilling af Au sidevæg mønstre på højdensitetspolyethylen (HDPE) kanaler, som kan anvendes til opbygning af 3D mikrosystemer 12,13,14, og (ii) fremstilling af polydimethylsiloxan (PDMS) micropillars på HDPE substrater til forøgelse af kontaktvinklen af kanalen 15.

Protocol

A. Skematisk i MPL

Den macropunching Metoden omfatter "cutting" og "tegning" operationer. Den "skæring" operation indfører forme af skarpkantede konvekse strukturer og indbefatter tre grundlæggende trin (fig. 1 (A1-A3)). Første placere en metalplade på et stift substrat (fig. 1 (a1)). Sekund, bringe en Si støbeform og substratet i fysisk kontakt med en stor kraft. Under dette andet trin, er den del af metallet er direkte nedenunder konvekse forme strukturer først skæres af fra tilstødende metallet af den konvekse forme strukturer, og derefter skubbes ned til bunden af de konkave mønstre i substratet (fig. 1 (a2) ). Endelig adskille formen og substratet, færdiggøre mønsterdannelse af plademetallet (fig. 1 (a3)). Den "tegning" operation anvender en lignende produktionsprocessen. Imidlertid indfører forme af runde kanter konvekse strukturer (Fig. 1 (b1)). Endvidereanvendt indsættelse kraft og hastighed er meget mindre og lavere end deres kolleger i "cutting" operation. Disse forskelle sænke spændinger til stede i den del af metalpladen under konvekse strukturer. Derfor er denne del af metalplader bare skubbet ned, men ikke klippes i "tegning" operation (Fig. 1 (B2-b3)).

I "skæring" drift af MPL (fig. 1 (C1-C3)), (i) en Si substrat overtrukket med et lag af et mellemliggende polymer og et lag af et materiale, der skal trykkes, er opvarmet til over glasovergangstemperaturen ( Tg: blødgøringstemperatur) af mellemproduktet polymeren og under T m (smeltetemperatur) eller Tg af det målrettede materiale (fig. 1 (c1)), (ii) formen og substratet bringes i fysisk kontakt ved højt tryk , efterfulgt af efterfølgende afkøling (fig. 1 (c2)), og (iii) de er adskilt, når deres temperatur er lavere endTg af mellemproduktet polymer, færdiggøre mønster overføres fra formen til den tilsigtede lag (fig. 1 (c3)). Den "trækning" drift af MPL (fig. 1 (D1-D3)) har fabrikationstrin svarende til "skæring". Ikke desto mindre "trækning" anvendes bløde PDMS forme. Det omfatter også en mindre indføringskraft, en lavere insertion hastighed, og en højere tryk temperatur (som sænker viskositeten af ​​mellemproduktet polymer og dermed øger dets mobilitet). Følgelig trækkene ved den øverste overflade af substratet kurven op på grund af overfladespænding og den høje mobilitet af mellemprodukt polymer. Den Si form kan renses og genbruges til hinanden prægning trin. Formen kan rengøres med acetone og DI vand, og tørres grundigt med N 2 før hver brug. I tilfælde rester forbliver i microfeatures af støbeformen, kan den fjernes med Nanostrip opløsning og DI vand og tørret med N2.

B. Cutting Operation i MPL for Generering Metal og gennemføre Polymer Micropatterns

  1. Enkelt lag mikrostrukturer på et substrat: under anvendelse af proceduren illustreret i fig. En (C1-C3) er et lag af mikrostrukturer genereret på et substrat. Under fremstilling bliver belagt med et lag af mellemprodukt polymer, efterfulgt af coating af et lag af et enkelt materiale (ledende polymer eller metal) eller et lag af flere materialer. Følgelig, når varm prægning, er et lag af mikrostrukturer af enkelte eller multiple, der fremstilles på substratet. Fremstillingen er beskrevet nedenfor.
    1. Fremstille Si forme af de krævede dimensioner under anvendelse af konventionel UV litografi (fig. 2a). Detaljerne fremstilling Si støbeformen er rapporteret i 4. Fig. 2 (A1-A4) viser layoutet af Si forme, der anvendes til processer.
    2. Anvender en ikke-ledende PMMA ark af dimensionerne 500 um x 170 mm x 170 mm, som det mellemste lag, og læg den på en stiv, flad substrat.
      1. At generere mikrostrukturer af et enkelt materiale: spin-coat en ledende polymer (PPy, PEDOT eller SPANI) på PMMA ark eller deponering Al ved hjælp af termisk fordampning til en tykkelse på 100-500 nm.
      2. At fremstille mikrostrukturer af flere ledende polymere materialer: spin-coating PPy (ved 2000 rpm), PEDOT (ved 2500 rpm) og SPANI (ved 1500 rpm) på forskellige dele af PMMA ark. Før spincoating det første ledende polymerlag på et sted på PMMA arket omfatter de andre områder med klæbebånd. Til overtrækning andre ledende polymerlag, bør de foregående overtræk og tomme områder dækket med klæbende tape. Denne fremgangsmåde bør gentages at overtrække flere lag på de ønskede steder på substratet. Den coatede PPy, PEDOT og SPANI er 500 nm, 5 um og 200 nm tykke hhv.
    4. Præge substratet under anvendelse af en hot-prægning machiNE (model: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik Company) (Fig. 2b). Temperatur, kraft og skimmel insertion tid er 130-160 ° C, 1500-1800 N og 120-200 s, hhv. Udføre afformning ved 80-95 ° C med en hastighed på 1,5 mm / min. Resultaterne af en enkelt-lags mikrostrukturer af et enkelt materiale er vist i fig. 2 (C1-C3). Resultaterne af enkelt-lags mikrostrukturer af flere materialer er givet i fig. 2 (D2-D3).
  2. Anvendelse af PpY microwires som en fugtføler
    1. Spin coat PPy ved 1500 rpm for at generere et 1 um tyk film af området 1 x 1 cm2 og forbinde to eksterne ledninger ved modsatte ender af filmen ved hjælp af Ag epoxy for konduktivitetsmålinger.
    2. Spin lag ved 1500 rpm for at generere et PPy film med en tykkelse 1 um. Udfør prægning med parametre i trin 4 for at generere PpY microwires af længde 5000 m og bredde 300 um, og tilknytte eksterne køreledninger til de to enders af en enkelt microwire hjælp Ag epoxy.
    3. Placer PPy filmen og microwire sensorer inde i en lufttæt handskerummet med en fugtmåler og luftfugter. Befugteren ville tillade kontrolleret forøgelse af fugtighedsniveauet inde i handskekassen. Sæt køreledningernes til en Keithley Probe station til IV målinger for hver sensor (Fig. 2e).
    4. Beregn følsomhed for hver sensor ved hjælp af følgende formel:
      Ligning 1
      hvor Rf og Ri er de endelige og indledende modstand af filmen og microwire sensorer, henholdsvis. Måle Ri på basen luftfugtighed (ved stuetemperatur) og Rf på hver fugtighedsniveauer for filmen og microwire sensorer.
    5. Fig. 2f viser resultaterne af følsomhed (AR / R) målinger foretaget i 8 til 48% til 85% relativ fugtighed.Det blev observeret, at sensitiviteten af ​​PPy microwire sensoren var højere end filmen sensor 48% til 58%. Ud over 58% af følsomheden af ​​film og microwire sensorer var ens.
  3. Flerlagede mikrostrukturer på et substrat: baseret på fremgangsmåden vist i fig. En (C1-C3), er det øverste lag erstattes af en kombination af to og tre polymerer / metal lag, henholdsvis, til dannelse af multi-lags mikrostrukturer. Indretningen layout er vist i fig. 3 (A1-A2). Fremstillingen er beskrevet nedenfor.
    1. Fremstille et Si støbeform af de krævede dimensioner under anvendelse af konventionel UV litografi (fig. 3b).
    2. Brug en ikke-ledende PMMA ark af dimensioner 500 um x 170 mm x 170 mm, som det mellemste lag, og læg den på en stiv, flad substrat.
      1. At generere to lag PPy-PEDOT heterojunction: (i) spin-coating ved 1000 rpm for at opnå en 10 um tykt PEDOT lag på PMMA arket, (ii) bage subskoncentrere ved 80 ° C i 1 time, (iii) spin-coating ved 1500 rpm for at opnå 1-um tyk PPy film på PEDOT lag, og (iv) bages substratet ved 80 ° C i 5 min.
      2. At generere to lag Al-PEDOT dioder (i) spin-coating ved 1000 rpm for at opnå en 10 um tykt PEDOT lag på PMMA arket, (ii) bage substratet ved 80 ° C i 1 time, og ( iii) coat en 200 nm tyk Al folie på PEDOT lag ved termisk fordampning.
      3. At generere trelags PEDOT-PMMA-PEDOT kondensatorer: (i) spin-coating ved 1000 rpm for at opnå en 10 um tykt PEDOT lag på PMMA arket, (ii) bage substratet ved 80 ° C i 1 h, (iii) spin-coating på 1000 rpm flere gange for at opnå en PMMA film med en tykkelse 15-20 um på PEDOT lag (iv) bage substratet ved 80 ° C i 30 minutter, (v) spin-coating ved 2500 rpm til opnåelse af en PEDOT lag med en tykkelse 2-3 um på PMMA film, og (vi) bages substratet ved 80 ° C i 5 min.
    3. Præge substratet ved hjælp af hot-prægning machine. Temperatur, kraft og skimmel insertion tid er 140-150 ° C, 1500-2000 N og 150-200 s, hhv. Udføre afformning ved 80-95 ° C med en hastighed på 1,5 mm / min. Resultaterne er vist i fig. 3 (jf.) 11.
  4. Anvendelser af genererede multi-lag mikrostrukturer
    1. PPy / PEDOT heterojunction
      1. Brug en Keithly Probe Station IV målinger af heterojunction strukturer opnået efter trin 2,1. Den PEDOT lag er jordforbundet, og et forspændingspotentiale (-20 V til 20 V) påføres PPy lag.
      2. Fig. 3 (g1) viser IV egenskaber PPy / PEDOT heterojunction i [9,11], forward-og reverse opdeling spændinger i PPy / PEDOT heterojunction var 5 V og -8 V hhv. Den berigtigelse Forholdet var 24 til 10 V. idealitet faktor var lig med 8,88.
    2. Al / PEDOT heterojunction
      1. Brug en Keithly Probe Station for IVmålinger af Al / PEDOT heterojunction struktur opnået efter trin 2.2. Al lag er jordforbundet, og et forspændingspotentiale (-5 V på 5 V) påføres PEDOT lag.
      2. Fig. 3 (G2) viser IV egenskaber Al / PEDOT junction målt ved stuetemperatur i 11 forward-og reverse nedbrydningsprodukter spændinger var 3 og -2,5 V, hhv. Berigtigelse forholdet af Al / PEDOT heterojunction var 2 til 1 V idealitet faktor for denne overgang er beregnet til at være 19.
    3. PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator
      1. Brug en Keithly Probe Station CV målinger af PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator opnået efter trin 2,3.
      2. Fig. 3 (g3) viser CV PEDOT / PMMA / PEDOT kondensatoren måles ved stuetemperatur i 11. Den målte kapacitans af kondensatoren ved lav frekvens forspænding var ca 0,06 pF, medens den teoretisk beregnede mængde var 1,38 pF.

    C. Skæring Betjening af MPL til generering af Sub-mikron Ppatterns af metal og af ledende polymer

    Baseret på proceduren illustreret i fig. 1 (C1-C3), Si forme med sub-micron funktioner anvendes til at generere de ønskede mønstre af metal og ledende polymerer. Fremstillingen er beskrevet nedenfor.

    1. Fabrikere en siliciumform med sub-micron funktioner ved hjælp af Focused Ion Beam (FIB) litografi. To forskellige typer Si forme, af bredde 100 og 500 nm, dybde på 1 - 1,5 um, længde på 20 m og afstand ned til 1 um, er genereret.
    2. Forbehandling af silicium formen før anvendelse: (i) skylning formen med DI-vand, acetone og Nanostrip opløsningen grundigt ved stuetemperatur blæse tør med nitrogengas og bages ved 150 ° C i 30 minutter efterfulgt af afkøling til stuetemperatur, og (ii) hvis formen ikke er ren efter ovennævnte rengøring trin, udsætte det for ilt plasma ren. Opskriften er somfølger: plasma effekt på 300 watt, oxygen strømningshastighed på 80 sccm og varighed af 5 - 7 min.
      1. Coate PMMA lag: spin-coating PMMA-opløsning (molekylvægt 495 K i 9% chlorbenzen) ved 3000 rpm for at opnå en tykkelse på ca 1,2 um, bage waferen ved 150 ° C i 1 time og lad den afkøle, og eksponere PMMA'et overflade til oxygenplasma i 3 minutter ved 300 W med 50 sccm oxygen strømningshastighed for at gøre det hydrofilt til det næste trin.
        1. Spin-coating PPy opløsning (fortyndet med 1:2 (v / v) med DI vand) ved 3000 rpm for at opnå en tykkelse på ca 75 nm og bag substratet ved 60 ° C i 1 time for at hærde PPy lag.
        2. Coat en Au film med en tykkelse på 10-25 nm med sputtering deposition.
      1. Generer PpY ledninger ved hjælp af følgende trin.
        1. Forlag 500 nm hele Si kanaler: udfør prægning ved 160 ° C med en hastighed på 1 mm / minut og indsætte varighed på 600 s med den benyttedepositionsstyring i varme-prægemaskine. Den maksimale kraft, er 1085 N i dette tilfælde.
        2. Kolofon de 100-nm-dækkende Si kanaler: udføre prægning ved 140 ° C med en hastighed på 1mm/min og indsætte varighed på 500 s med indstillingen af ​​kraft kontrol i den varme-prægning maskine. Fastgør prægning kraft på 2300 N.
      2. Generere Au nanotråde anvendelse af en Si form med 100 nm-brede kanaler: udfør prægning ved 160 ° C med en hastighed på 1mm/min og indsætte varighed 700 s ved anvendelse af tilstanden af ​​kraft kontrol i varme-prægemaskine. Fastgør prægning kraft på 2300 N.
      3. For trin 4,1-4,2, udføre afformning ved 95 ° C med hastigheden på 3 mm / min. Resultaterne er vist i fig. 4.

    D. Tegning Drift af MPL til generering Micropatterns på sidevægge Polymer og Si substrater.

    Ved at følge fremgangsmåden i fig. 1 (D1-D3), den "trækning" operation erbruges til at generere Au og PDMS micropatterns på sidevæggene af HDPE mikrokanaler. Det pågældende materiale på HDPE substratet Au eller PDMS, der følger overfladeprofil på det mellemliggende lag polymer under prægning. Fremstillingen er beskrevet nedenfor.

    1. Au dæksiden mønstre på HDPE-kanaler
      1. Spin-coating ved 3000 rpm for at opnå en en-um tykt lag af et positivt fotoresist (S1813) på en 1,5 mm tyk HDPE plade (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
      2. Ved hjælp af UV litografi at overføre maske mønstre i S1813 lag (fig. 5 (ab)). Maskens mønstre er 10 x 10 um 2 prikker (fig. 7a) og 110 um hele linjer.
      3. Overtrække en 100 nm tyk Au film på S1813 lag under anvendelse af en termisk fordamper (fig. 5c).
      4. Fjerne S1813 med acetone skylles, så Au mønstre på HDPE ark (fig. 5d).
      5. Opvarm HDPE arket til en temperature området 131-136 ° C på en varmeplade, der er lidt højere end Tg af HDPE (dvs. 128 ° C), men under T m af Au (dvs. 1063 ° C) (fig. 5e).
      6. Brug en Si-forstærket PDMS skimmel 16 til aftryk Au-mønstrede HDPE ark med tryk området 40-120 kPa, for 1 time efterfulgt af efterfølgende afkøling (fig. 5f).
      7. Adskille formen og HDPE arket, når deres temperatur er lavere end Tg af HDPE, færdiggøre mønster overføres fra PDMS formen til substratet. AU mønstre, som er skubbet ind i HDPE lag af PDMS formen, bliver på sidevæggene og nederste overflader af de dannede mikrostrukturerne (fig. 5 g). Siden bindingsstyrken mellem PDMS formen og AU mønstre er svagere end mellem HDPE ark og Au mønstre, ikke Au mønstre ikke klæber til PDMS mug og forblive på HDPE overfladen. Resultaterne af denne proces er vist i fig. 7 (bc) 12.
    2. PDMS micropillars på HDPE-kanal dæksider
      1. Spin-coating ved 3000 rpm for at opnå en en-um tykt lag af S1813 en SU-8 støbeform (fig. 6a). SU-8 formen dannes ved anvendelse af konventionel UV litografi 17.
      2. Spin-coating PDMS (forholdet mellem PDMS og hærdemiddel er 10:01) ved 1000 rpm i S1813-coatede SU-8 støbeform, og bage prøven ved 85 ° C i 3 timer på en varm plade, efterfulgt af afkøling til stuetemperatur (fig. 6b).
      3. Frigiver den tynde PDMS filmen fra SU-8 formen ved ætsning S1813 med acetone, færdiggøre dannelsen af micropillar dannede PDMS film (fig. 6c).
      4. Placere micropillar dannede PDMS film på en 1,5 mm tyk HDPE ark (fig. 6d).
      5. Indsætte et Al støbeform (med afrundede kanter) i både PDMS film og HDPE plade ved 140 ° C med et tryk på 52,5 kPa (fig. 6e). Trykkerieter 1 time. Ved 140 ° C, PDMS folien skubbes ned i bløde HDPE lag af formen.
      6. Efter at prøven er kølet ned til stuetemperatur, efterfulgt af fjernelse af Al formen, er en kanal dannes i HDPE arket. Del af denne micropillar dannede PDMS film overføres til bund og to sidevægge af kanalen (fig. 6f). Resultaterne er vist i fig. 7 (df) 15.
      7. Måle kontaktvinklen af en vanddråbe placeret på toppen af PDMS micropillars inde i HDPE kanal. Fig. 7 (gh) viser den gennemsnitlige kontakt vinklen målt som 145,5 ° 15.

    E. Repræsentative resultater

    Sammenfattende er resultaterne af MPL anført nedenfor:

    1. Enkelt lag af ledende polymer og metal micropatterns blev dannet som i fig. 2 (B1-B3, C2-C3).
    2. PPy film og microwire fugtighed afføling resulterer iFig. 2d.
    3. Flere lag af ledende polymer og metal micropatterns blev dannet som i fig. 3 (CF).
    4. Junction karakterisering resulterer i fig. 3 (g1-G3).
    5. 100 - og 500-nm-dækkende PPy tråde blev dannet som i fig. 4 (ab).
    6. 100 nm hele Au nanotråde blev dannet som i fig. 4c.
    7. Au mønstre blev dannet på 300 um-brede og 42 um dyb HDPE kanaler som i fig. 7 (bc).
    8. PDMS micropillars blev genereret på top, bund og dæksider overflader af 1-mm-brede og 1-mm-dyb HDPE kanaler, som i fig. 7 (df).
    9. Vandkontakt vinkler måles inde i HDPE kanalen i fig. 7 (GH).

    Figur 1
    Figur 1 "skære"-processen i skabelsen af konvekse macropatterns i en metalplade (tværsnit skemaer). (a1) anbringe en metalplade på toppen af ​​substratet, (a2) indsætte formen i substratet, og (a3) ​​adskilt formen og substratet. Den "trækning" proces fremstilling af konkave macropatterns: (b1) sted en metalplade på substratet, (b2) indsætte formen i substratet, og (b3) adskille formen og substratet. Den "skæring" drift af MPL fremgangsmåde til fremstilling af konvekse strukturer (tværsnit skematisk): (c1) varme substratet, (c2) indsætte formen i substratet, og (C3) adskille formen og substratet. Den "trækning" drift af MPL fremgangsmåde til fremstilling af konkave strukturer: (d1) varme substratet, (d2) indsætte formen i substratet, og (d3) adskille formen og substratet.

    Figur 2
    Figur 2 Design af Si forme (ovenfra): (a1), lige linjer, (a2), firkanter, (a3) gitterstrukturer, og (A4) Serpentine linjer..(B) Den varme prægemaskine. SEM billeder af genererede Al konstruktioner: (c1) 10-um hele linjer (c2) 20 × 20 um 2 prikker, og (c3) gitterstrukturer. (D1) Skematisk af mikrostrukturer, der består af flere strukturer (d2) 300 um hele ligekædet, (D3) 50-um-dækkende bugtede microwire mønstre PPy, PEDOT og SPANI fremstillet samtidigt ved hjælp af "skære" drift af MPL . (E) Luftfugtigheden føle forsøgsopstilling, og (f), luftfugtighed sensing resultater med PPy film og microwire sensor 4, 7, 8. Klik her for at se større figur .

    Figur 3
    Figur 3 layouts af: (a1) to og (a2) trelags anordninger (b) udformning af en Si støbeform (set ovenfra) anvendes til at fremstille flerlagede anordninger (c) SEM-billede af en 300-um hele, Microline-formet PPy-PEDOT heterojunction og clOSE-up SEM udsigt over tværsnit af: (d) PPy-PEDOT heterojunction (e) Al-PEDOT diode (f) PEDOT-PMMA-PEDOT kondensator; heterojunction karakterisering resultater: (g1) PPy / PEDOT (G2 ) Al / PEDOT og (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.

    Figur 4
    Figur 4 (a), AFM scanning af de prægede 500-nm-dækkende PpY ledninger;. SEM-billeder af (b) prægede 100-nm-dækkende PpY linjer og (c) 100-nm-dækkende Au ledninger. Klik her for at se større regne .

    Figur 5
    Figur 5 Fremstilling af en HDPE substrat med Au mønstre:. (Ab) med en maske af ønskede funktioner, eksponere og udvikle S1813 lag (cd) deponering Au og fjern S1813 lag (ef) prægning af substrater ved hjælp af en Si forstærket PDMS form, og (g) efter demolDing, et substrat med sidevægsdele mønstre bestående af Au funktioner 12.

    Figur 6
    Figur 6 Fremstilling af en PDMS film med micropillars. (A) fremstilling af en SU-8 støbeform (b) spin-coating og hærde en PDMS lag (c) fjernelse af PDMS lag fra SU-8 støbeform (d) prægning substratet ved hjælp af en Al-formen og (Ef) efter afformning, er et substrat med sidevægsdele mønstre bestående af PDMS micropillars opnåede 15.

    Figur 7
    Figur 7 (a) udformning af Au prikker; SEM billeder af. (B) 10 x 10 um 2 prikker og (c) 110-um-wide-linier. Dimensionerne af de kanaler, der genereres i HDPE er 1 cm x 300 um x 42 m (længde x bredde x dybde); PDMS micropillars genereret på toppen, bunden og dæksider surfaces1-mm-brede HDPE kanaler: (d) i tværsnit afkanal SEM billeder af (e) top (f) nederste hjørne af kanalen, og (GH) kontaktvinkelmålinger måleresultater på PDMS søjler 12,15. PDMS søjler har dimensionerne 10 um x 10 um x 27 um. Dimensionerne af kanalerne i HDPE er 20 mm x 1 mm x 1 mm (længde x bredde x højde).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Oplysninger om fejlfinding: Kritiske punkter vedrørende generation af enkelt-og multi-lag micropatterns af ledende polymerer og metaller ved hjælp af "cutting" operation: (1) temperatur prægning sikrer fluiditet af det mellemliggende PMMA lag, der skaber optimale resultater. Det er tilrådeligt at begynde ved den nedre grænse af intervallet og forøge temperaturen gradvist, hvis ønskede resultater ikke opnås. For høj temperatur kan forårsage det ledende polymerlag for at ændre dets kemiske og / eller elektriske egenskaber. (2) Hvis prægning kraft er for høj, kan det forårsage Si støbeformen til at revne under prægning, mens lav kraft kan resultere i ukorrekt form fyldet og de polymere lag kan være afskåret. (3) prægemaskine skal programmeres til at starte prægning, efter at substratet har nået den indstillede temperaturværdi. (4) profil af aftrykket afhænger funktionen størrelse, prægning kraft, temperatur og skimmel insert tid og kan variere mellem en med skarpe kanter til en mere afrundet én. Da antallet af polymeren lag stigning tendens profilen skal afrundede kanter. (5) Si forme med skarpe kanter foretrækkes for at sikre, at den ledende polymer / metal lag afskæring som ønsket. Anvendelse af en Si form med skrå sider anbefales ikke. (6) Anvendelse af meget dybe Si støbeformen kan forårsage klæbning mellem formen og polymerlaget (s). Hvis formen er for lavt, kan det ikke være i stand til at opnå "skæring" af det øverste lag (s). (7) Det anbefales, at et anti-klæbning film (f.eks teflon) bør coates på Si formen for let at adskille den fra substratet under afformning processen. (8) Lav formindsats tid kan ikke resultere i "cutting", og formen profilen kan være afrundet. Hvis funktion er lille, er længere indsætte gange kræves, og vice versa (9). Tykkere ledende polymer / metal film er mere mekanisk stærkere end tyndere dem. Men comneret tykkelse af det øverste lag bør ikke være mere end tykkelsen af ​​det mellemliggende PMMA lag. (10) afformning bør temperaturen være under 105 ° C (Tg af PMMA). En høj værdi kan resultere i substratet er krumme op efter afformning, og en lav værdi kan forårsage Si formen til at klæbe til substratet og går i stykker.

De kritiske punkter vedrørende generation af sub-micron PPy og Au ledninger: (1) Før du bruger Si forme for første gang, bør der ikke AFM og SEM scanninger af formen skal udføres. Dette er nødvendigt for at opretholde uberørt overflade siliciumform. (2) Aggressive rengøring fremgangsmåder såsom anvendelse af NanoStrip opløsning eller oxygenplasma bør undgås, da der er mulighed for at øge overfladeruhed siliciumform. Dette kan føre til klæbning mellem silicium formen og det ledende polymerlag. (3) Tykkelsen af ​​det øverste lag (ledende polymer eller metal) bør være mindre end dybden af ​​formenfor afskæring af laget ved kanterne. Der er ingen sådan begrænsning af tykkelsen af ​​det isolerende polymerlag. (4) overfladeruhed siliciumform være minimal. I tilfælde overfladen af ​​silicium støbeformen er ru skyldes behandling eller kontaminering, kan der ikke være perfekt kontakt mellem formen og substratet, hvilket resulterer i ukorrekt mønster overførsel.

De kritiske punkter vedrørende generation af Au micropatterns på HDPE-kanaler: (1) Ved højere prægning temperaturer (≥ 136 ° C), AU linjer ikke kurven op til at følge overfladen som HDPE blødgøres. (2) Ved højere støbeforme dybder (≥ 42 um), kan Au linier bryde ved kanterne af HDPE kanaler som følge af stress 12.

Kritiske punkter vedrørende generation af HDPE kanaler med PDMS micropillars: (1) Hvis højden af ​​PDMS micropillars er stor, kan det falde ned efter frigivelse fra SU-8 støbeform. (2) Høj skærmformat PDMS søjler kanblive beskadiget under "tegning" trin 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet i dels gennem NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0.811.888, og NSF-CMMI-0900595 tilskud.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PMMA Sigma-Aldrich 495C9 The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions.
PPy Sigma-Aldrich -- 5% by weight in water. Used as received.
PEDOT-PSS H. C. Starck Co. Baytron P HC V4 Proprietary solvent. Used as received.
SPANI Sigma-Aldrich -- Water soluble form. Used as received.
Hot embossing machine JenoptikMikrotechnik Co. HEX 01/LT
Sputter machine Cressington Co. 208HR
FIB machine Carl Zeiss, Inc. FIB Crossbeam 1540 XB
Spin coater Headway Research Inc. PWM32-PS-R790 Spinner System
RIE machine Technics MicroRIE Co. --
Photoresist Shipley Co. S1813
PDMS Dow Corning Sylgard 184 Silicone elastomer kit
HDPE sheet US Plastic Corp. --
PMMA sheet Cyro Co. --
Double-sided adhesive tape Scotch Co. --
Single-sided tape Delphon Co. Ultratape # 1310
Glass micropipettes FHC, Inc. 30-30-1
Clip Office Depot Bulldog clip
Humidifier Vicks Co. Filter free humidifier

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632 (2000).
  2. Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45, 2403 (2000).
  3. Adhikari, B., Majumdar, S. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699 (2004).
  4. Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., Luo, C. An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers. Microsystem Technologies. 13 (8), 1175 (2007).
  5. Madou, M. Fundamentals of Microfabrication. , CRC Press. (1995).
  6. Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552 (1998).
  7. Liu, X., Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677 (2007).
  8. Chakraborty, A., Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737 (2009).
  9. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications. Mason, E. C., Weber, A. P. , Nova Science Publishers, Inc. (2011).
  10. Poddar, R., Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687 (2006).
  11. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research. Martingale, J. P. , Nova Science Publishers, Inc. 127-139 (2008).
  12. Liu, X., Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96 (2009).
  13. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025 (2010).
  14. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer. Sensors and Actuators A. , Accepted (2011).
  15. Liu, X., Luo, C. Fabrication of supe-hydrophobic channels. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029 (2010).
  16. Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate. Microelectronics Journal. 37, 5 (2006).
  17. Luo, C., Garra, J., Schneider, T., White, R., Currie, J., Paranjape, M. Thermal ablation of PMMA for water release using a microheater. Sensors and Actuators A. 114, 123 (2004).

Tags

Mechanical Engineering fysik micropunching litografi ledende polymerer nanotråde sidevæg mønstre microlines
Micropunching Litografi for Generering Mikro-og submikrometer-mønstre på polymersubstrater
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C.… More

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates. J. Vis. Exp. (65), e3725, doi:10.3791/3725 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter