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प्रतिपादन एसआईओ2/एसआईसतहों को नक्काशी गैस-एनट्रैपिंग माइक्रोटेक्सचर द्वारा ओमनीफोबिक जिसमें पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशी गुहायाँ या खंभे शामिल हैं

Published: February 11, 2020 doi: 10.3791/60403
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 1
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)

Summary

यह काम फोटोलिथोग्राफी और सूखी नक़्क़ाशी का उपयोग करके एसआईओ2/एसआईवेफर्स पर पुनः प्रवेशक और दोगुना पुनः प्रवेशित प्रोफाइल के साथ गुहाओं और स्तंभों को प्राप्त करने के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। जिसके परिणामस्वरूप माइक्रोटेक्सचर सतहों उल्लेखनीय तरल प्रतिपेलेंस, गीला तरल पदार्थ के तहत हवा के मजबूत दीर्घकालिक फंसाने की विशेषता का प्रदर्शन, सिलिका की आंतरिक गीलाता के बावजूद ।

Abstract

हम उन पर गैस-एनट्रैपिंग माइक्रोटेक्सचर (जीईएम) बनाकर तरल पदार्थों (ओमनीफोबिक) को आंतरिक रूप से गीला सामग्री प्रदान करने के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं जिसमें गुहाऔर स्तंभ शामिल हैं, जिनमें पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशसुविधासुविधाओं के साथ गुहाऔर स्तंभ शामिल हैं। विशेष रूप से, हम मॉडल प्रणाली के रूप मेंएसआईओ 2/एसआईका उपयोग करते हैं और दो आयामी (2डी) डिजाइनिंग, फोटोलिथोग्राफी, आइसोट्रॉपिक/एनीसोट्रोपिक नक़्क़ाशी तकनीक, थर्मल ऑक्साइड विकास, पिरान्हा सफाई, और उन माइक्रोटेक्सचर को प्राप्त करने की दिशा में भंडारण के लिए प्रोटोकॉल साझा करते हैं । हालांकि पारंपरिक ज्ञान इंगित करता है कि आंतरिक रूप से गीला सतहों(ओएंड लेफ्टिनेंट; 90 डिग्री) को खुरदरा करने से उन्हें और भी गीला हो जाता है(आर एंड एलटी; ओ एंड एलटी; 90 डिग्री), जीईएम सब्सट्रेट की आंतरिक गीलाता के बावजूद तरल प्रतिकार प्रदर्शित करता है। उदाहरण के लिए, पानी/वायु प्रणाली के लिए सिलिका कीआंतरिक गीलाताके बावजूद, और हेक्साडेकेन/वायु प्रणाली के लिए 20 डिग्री, जीईएम जिसमें गुहाओं को उन तरल पदार्थों में विसर्जन पर हवा को मजबूती से फंसाते हैं,और बूंदों के लिए स्पष्ट संपर्क कोणआर एंड जीटी 90 डिग्री होते हैं। जीईएम में पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशकरने वाली विशेषताएं घुसपैठ तरल मेनिस्कस को स्थिर करती हैं जिससे मेटाटेबल एयर-भरे राज्यों (कैसी राज्यों) में तरल-ठोस वाष्प प्रणाली को फंसाना और थर्मोडायनामिक-स्थिर पूरी तरह से भरे राज्य (वेनज़ेल राज्य) में गीला संक्रमण में देरी, उदाहरण के लिए, घंटों से महीनों तक। इसी तरह, एसआईओ2/एसआई सतहों के साथ पुनः प्रवेश और दोगुना पुनः प्रवेशी माइक्रोपिलर अत्यंत उच्च संपर्क कोण(150 ° -160 °) और जांच तरल पदार्थ के लिए कम संपर्क कोण उन्माद प्रदर्शित करता है, इस प्रकार सुपरओमनीफोबिक के रूप में विशेषता है। हालांकि, एक ही तरल पदार्थ में विसर्जन पर, उन सतहों नाटकीय रूप से अपने superomniphobicity खो देते है और पूरी तरह से & 1 एस के भीतर भरा हो । इस चुनौती से निपटने के लिए, हम हाइब्रिड डिजाइनों के लिए प्रोटोकॉल पेश करते हैं जिसमें दोगुना पुनः प्रवेशित प्रोफाइल के साथ दीवारों से घिरे दोगुना पुनः प्रवेशी स्तंभों की सरणी शामिल है। दरअसल, हाइब्रिड माइक्रोटेक्सचर जांच तरल पदार्थ में विसर्जन पर हवा फंसाते हैं। संक्षेप में, यहां वर्णित प्रोटोकॉल को रासायनिक कोटिंग्स के बिना ओम्फोबिसिटी प्राप्त करने के संदर्भ में जीईएम की जांच को सक्षम करना चाहिए, जैसे परफ्लोरोकार्बन, जो ओम्फोबिक सामग्री के रूप में अनुप्रयोगों के लिए सस्ती आम सामग्रियों के दायरे को अनलॉक कर सकता है। सिलिका माइक्रोटेक्सचर नरम सामग्रियों के लिए टेम्पलेट्स के रूप में भी काम कर सकता है।

Introduction

ठोस सतहें जो स्पष्ट संपर्क कोणों को प्रदर्शित करती हैं, ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय तरल पदार्थों के लिए 90° जैसे पानी और हेक्साडेकेन को ओम्फोबिक1कहा जाता है। ये सतहें कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों की सेवा करती हैं, जिनमें जल विलवणीकरण2,3,तेल-जल पृथक्करण4,5,एंटीबायोफाउलिंग6,और हाइड्रोडायनामिक ड्रैग7को कम करना शामिल है। आमतौर पर, ओम्फोबिसिटी को परफ्लोरिनयुक्त रसायनों और यादृच्छिक टोपोग्राफी8,9,10,11,12की आवश्यकता होती है। हालांकि, लागत, गैर-बायोडिग्रेडेबिलिटी, और उन सामग्रियों/कोटिंग्स की असुरक्षा असंख्य बाधाओं/कोटिंग्स को उत्पन्न करती है, उदाहरण के लिए, वाष्पीकरण झिल्ली को कम कर के रूप में फीड-साइड तापमान उठाया जाता है, जिससे पोर-गीला13,14,और परफ्लोरिनाइज्ड/हाइड्रोकार्बन कोटिंग्स भी प्रवाह ों और सफाई प्रोटोकॉल में गाद कणों द्वारा एब्राडेडहोजाते हैं और अवक्रमित होते हैं । इस प्रकार, पानी से बचाने वाली कोटिंग्स का उपयोग किए बिना तरल पदार्थों में विसर्जन पर हवा को फंसाने के कार्यों को प्राप्त करने के लिए वैकल्पिक रणनीतियों की आवश्यकता होती है।) इसलिए, शोधकर्ताओं ने सतह के टोपोग्राफी का प्रस्ताव किया है जिसमें ओवरहैंगिंग (पुनः प्रवेशी) विशेषताएंशामिल हैं जो अकेले17,18,19,20, 21,22,23,24,25द्वारा विसर्जन पर हवा को फंसा सकती हैं। ये सूक्ष्मबनावट तीन प्रकार ों में आती है -गुहा26, खंभे27और रेशेदार मैट8. इसके बाद, हम रिएंबिएबली(चित्रा 1ए-बी और फिगर 1ई-एफ)के रूप में सरल ओवरहांग के साथ पुनः प्रवेशी सुविधाओं का उल्लेख करेंगे और ओवरहैंग के साथ पुनः प्रवेशी सुविधाएं जो आधार की ओर 90 डिग्री-टर्न लेते हैं, जो दोगुना पुनः प्रवेशी(चित्रा 1सी-डी और चित्रा 1जी-एच)के रूप में आधार की ओर मुड़ते हैं।

अपने अग्रणी काम में, वर्नर एट अल.22,28,29,30,31 स्प्रिंगटेल (कोलेम्बोला), मिट्टी में रहने वाले आर्थ्रोपोड्स के क्यूटिकल्स की विशेषता है, और गीले के संदर्भ में मशरूम के आकार (पुनः प्रवेशी) विशेषताओं के महत्व को समझाया। अन्य लोगों ने भी अत्यधिक जल प्रतिपेलेंस को सुगम बनाने की दिशा में समुद्र-स्केटर्स३२,३३ में मशरूम के आकार के बालों की भूमिका की जांच की है । वर्नर और सहकर्मियों ने रिवर्स छाप लिथोग्राफी29के माध्यम से बायोमिमेटिक संरचनाओं को तराशकर आंतरिक रूप से गीला पॉलीमेरिक सतहों की ओमनीफोबीसिटी का प्रदर्शन किया । लियू और किम ने सिलिका सतहों पर दोगुना प्रतिप्रवेशी खंभों की सरणी से सजी रिपोर्ट की जो सतह के तनाव के साथ तरल पदार्थों की बूंदों को कम कर सकती है, क्योंकिस्पष्ट संपर्क कोणों की विशेषता है, 150 ° और बेहद कम संपर्क कोण हिस्टीर27। इन अद्भुत घटनाओं से प्रेरित होकर, हम लियू और किम के व्यंजनों का पालन करने के लिए अपने परिणाम पुन: पेश । हालांकि, हमें पता चला कि वे माइक्रोटेक्सचर भयावह रूप से अपनी सुपरओमनीफोबीसिटी खो देंगे, यानीआर → 0 °, अगर गीला तरल बूंदों माइक्रोटेक्सर के किनारे को छुआ या यदि स्थानीयकृत शारीरिक क्षति34थी। इन निष्कर्षों से पता चला है कि स्तंभ आधारित माइक्रोटेक्सचर उन अनुप्रयोगों के लिए अयोग्य थे जिन्हें विसर्जन पर सर्वोग्राही की आवश्यकता थी, और उन्होंने सर्वोबिसिटी का आकलन करने के मानदंडों पर भी सवाल उठाया (यानी, क्या उन्हें अकेले संपर्क कोणों तक सीमित होना चाहिए, या यदि अतिरिक्त मानदंडों की आवश्यकता है)।

इसके जवाब में, एसआईओ2/एसआईवेफर्स का उपयोग करके, हमने माइक्रोस्केल गुहाओं की सरणी को दोगुना रिफैंब इनलेट्स के साथ तैयार किया और, और प्रतिनिधि ध्रुवीय और गैरध्रुवीय तरल पदार्थ के रूप में पानी और हेक्साडेकेन का उपयोग करके,हमने दिखाया कि (i) ये माइक्रोटेक्सचर तरल पदार्थों को हवा में फंसने से रोकते हैं, और (ii) गुहाओं की विभाजित वास्तुकला 3 इस प्रकार, हमने इन माइक्रोटेक्सचर को "गैस-ट्रैपिंग माइक्रोटेक्सचर" (जीईएम) करार दिया है। अगले चरण के रूप में, हमने गीले तरल पदार्थ26में विसर्जन के तहत व्यवस्थित रूप से उनके प्रदर्शन की तुलना करने के लिए अलग-अलग आकार (परिपत्र, वर्ग, षट्कोणीय) और प्रोफाइल (सरल, पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशी) के साथ जीईएम को माइक्रोफैब्रिकेटेड किया। हमने एक हाइब्रिड माइक्रोटेक्सचर भी बनाया जिसमें दोगुना पुनः प्रवेशी प्रोफाइल के साथ दीवारों से घिरे दोगुना पुनः प्रवेशी खंभे शामिल हैं, जिसने तरल पदार्थों को खंभे के तने को छूने से रोका और विसर्जन35पर हवा को मजबूती से फंसाया। नीचे, हम डिजाइन मापदंडों के साथ फोटोलिथोग्राफी और नक़्क़ाशी तकनीकों के माध्यम से एसआईओ2/एसआईसतहों पर जीईएम के निर्माण के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । हम संपर्क कोण गोनियोमेट्री (आगे बढ़ने/घटता/के रूप में रखा कोण) और हेक्साडेकेन और पानी में विसर्जन द्वारा उनके गीला विशेषता के प्रतिनिधि परिणाम भी मौजूद हैं ।

Protocol

नोट: लियू और किम27द्वारा सूचित स्तंभों के लिए मल्टीस्टेप प्रोटोकॉल को अनुकूल बनाकर पुनः प्रवेशऔर दोगुना पुनः प्रवेशी गुहाओं और स्तंभों की सरणी को माइक्रोफैब्रिकेटेड किया गया था । हमारी सतहों पर पिन अवशेषों या कणों के निर्माण को कम करने के लिए सावधानियां बरती गईं जो गीले संक्रमण36में हस्तक्षेप कर सकती हैं ।

गुहाओं का माइक्रोफैब्रिकेशन
मोटे तौर पर, पुनर्प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशक गुहाओं (आरसी और डीआरसी) के माइक्रोफैब्रिकेशन के लिए प्रोटोकॉल में अंतिम सुविधा के आधार पर द्वि-आयामीलेआउट डिजाइनिंग, फोटोलिथोग्राफी, सामान्य सिलिका नक़्क़ाशी और विशिष्ट सिलिकॉन नक़्क़ाशी शामिल हैं, जो अंतिम सुविधा के आधार पर37,38,39,40,41आवश्यक है।

1. डिजाइन

  1. एक लेआउट सॉफ्टवेयर42में आवश्यक पैटर्न डिजाइन करके माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया शुरू करें। इस तरह के सॉफ़्टवेयर का एक उदाहरण सामग्री सूचीमें सूचीबद्ध है।
  2. सॉफ्टवेयर का उपयोग करके, एक नई फ़ाइल बनाएं। व्यास का एक चक्र, डी = 200 माइक्रोन युक्त एक इकाई सेल बनाएं। एल = 212 माइक्रोन के केंद्र-से-केंद्र दूरी (पिच) के साथ इस सर्कल को कॉपी और पेस्ट करें ताकि क्षेत्र 1 सेमी2 (चित्रा 2)के वर्ग पैच में हलकों की एक सरणी बनाई जा सके।
  3. व्यास 100 मिमी (4 इंच) का एक चक्र ड्रा करें। सर्कल के अंदर 1 सेमी2 वर्ग सरणी रखें और वर्ग सरणी के 4 x 4 ग्रिड बनाने के लिए इसे दोहराएं। सर्कल के अंदर सुविधाओं को 4 इंच वेफर्स(चित्रा 2)पर स्थानांतरित किया जाएगा ।
  4. मास्क राइटिंग सिस्टम (जैसे, जीडीएसII प्रारूप) के लिए वांछित प्रारूप में डिजाइन फ़ाइल का निर्यात करें।

2. वेफर्स की सफाई

  1. एक सिलिकॉन वेफर 4 इंच व्यास में साफ करें, और एलटी;100 > ओरिएंटेशन, और 2.4 माइक्रोन मोटी थर्मल ऑक्साइड परत के साथ (सामग्री सूचीदेखें), 10 मिन के लिए पिरान्हा समाधान में। पिरान्हा समाधान में सल्फ्यूरिक एसिड (एच2एसओ4,96%): हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच2ओ2, 30%) 3:1 वॉल्यूमेट्रिक अनुपात में और टी = 388 K पर बनाए रखा जाता है।
  2. नाइट्रोजन (एन2)पर्यावरण के तहत डिओनाइज्ड पानी और स्पिन-ड्राई के साथ वेफर को कुल्ला करें।

3. फोटोलिथोग्राफी

  1. फोटोरोध के साथ आसंजन में सुधार करने के लिए वाष्प-चरण जमाव का उपयोग करके हेक्सेथिलडिसिलाज़न (एचएमडीएस) के साथ वेफर को कोट करें। प्रक्रिया विवरण के लिए तालिका 1 को देखें।
  2. स्पिन कोटर में 4 इंच वैक्यूम चक पर वेफर माउंट। AZ-5214E फोटोरोध के साथ वेफर को कवर करें। 1.6 माइक्रोन-मोटी परत के रूप में सतह पर फोटोप्रतिरोध को समान रूप से फैलाने के लिए स्पिन कोटर का उपयोग करें। स्पिन कोटिंग मापदंडों के लिए टेबल 2 को देखें।
  3. 120 एस के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा एक गर्म प्लेट पर फोटोरोध-लेपित वेफर सेंकना।
  4. वेफर को एक प्रत्यक्ष-लेखन प्रणाली में स्थानांतरित करें और वेफर को 55 एमएस (defocus: +5) के लिए यूवी विकिरण में बेनकाब करें। यह कदम AZ-5214E पर वांछित डिजाइन स्थानान्तरण (सकारात्मक स्वर में इस्तेमाल किया; सामग्री सूचीदेखें)(चित्रा 2)।
  5. सुविधाओं को विकसित करने के लिए 60 एस के लिए AZ-726 डेवलपर युक्त एक ग्लास पेट्री डिश में यूवी-उजागर वेफर रखें। विवरण के लिए सामग्री सूची देखें।
  6. डेवलपर समाधान से वेफर निकालें और अतिरिक्त डेवलपर को हटाने के लिए धीरे-धीरे डिओनाइज्ड (डीआई) पानी के साथ कुल्ला करें। स्पिन एक एन2 वातावरण में वेफर सूखी । ये कदम चित्रा 3ए-सीमें प्रस्तुत किए गए हैं ।

नोट: इस कदम के अंत में, वेफर पर डिजाइन पैटर्न एक मानक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत देखा जा सकता है ।

4. सिलिका (एसआईओ2)लेयर की एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी

नोट: इस कदम का लक्ष्य पूरी तरह से सिलिका परत (२.४ μm-मोटी) है कि फोटोलिथोग्राफी के दौरान उजागर किया गया था नीचे सिलिकॉन परत का पर्दाफाश करने के लिए बाहर नक़्क़ाशीना है ।

  1. फोटोलिथोग्राफी के बाद, वेफर को एक प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आरआईई) प्रणाली में स्थानांतरित करें जो ऑक्टाफ्लोरोसाइक्लोबुटेन (सी4एफ8)और ऑक्सीजन (ओ2)गैसों के मिश्रण को मौजूदा रूप से नीचे (एसोट्रॉपिक नक़्क़ाशी) में नियोजित करता है।
  2. उजागर सिलिका परत को नक़्क़ाशी करने के लिए लगभग 13 मिन के लिए आईसीपी-आरआई प्रक्रिया चलाएं। तालिका 3में आईसीपी-आरआई मापदंडों को देखें । इस चरण के दौरान, फोटोविरोध परत भी पूरी तरह से दूर हो जाती है(चित्रा 3सी-डी)।
  3. यह सुनिश्चित करने के लिए कि वांछित पैटर्न के अंदर सिलिका परत मोटाई शून्य तक कम हो जाए, ताकि सिलिकॉन परत उजागर हो, एक रिफ्लेक्टर का उपयोग करके शेष सिलिका की मोटाई को मापें। सिलिका परतों की मोटाई (विशेष रूप से पैटर्न में और उसके आसपास) के आधार पर बाद की नक़्क़ाशी अवधि की अवधि को समायोजित करें।

नोट: शेष सिलिका परत43की मोटाई को मापने के लिए एक रिफ्लेक्टोमीटर का उपयोग किया गया था । वैकल्पिक रूप से, अन्य उपकरण, जैसे कि सिओ2 और मोटाई के रंग की भविष्यवाणी करने के लिए एलिपसोम्टर या एक इंटरैक्टिव रंग चार्ट भी44,45का उपयोग किया जा सकता है।

चरण 1 और 4 में विस्तृत प्रक्रियाएं पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशति गुहाओं दोनों के लिए आम हैं। हालांकि, सिलिकॉन परत के लिए नक़्क़ाशी प्रोटोकॉल अलग हैं और नीचे वर्णित हैं:

5. पुनः प्रवेशी गुहा

  1. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी
    1. सिलिका परत नक़्क़ाशी के बाद, वेफर को एक गहरी आईसीपी-आरआई प्रणाली में स्थानांतरित करें। पहला कदम एक फ्लोरीन आधारित एनिसोट्रॉपिक नक़्क़ाशी विधि के होते हैं जिसे बॉश प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है जो सिलिकॉन को लंबवत नीचे की ओर नक़्क़ाशी करता है, एक सीधी दीवार बनाता है।
      नोट: बॉश प्रक्रिया प्रतिक्रिया कक्ष में सी4एफ8 और सल्फर हेक्साफ्लोराइड (एसएफ6)गैसों का उपयोग करती है: सी4एफ8 बयान एक पासिवेशन परत बनाता है, जबकि एसएफ6 सिलिकॉन को खड़ी नीचे की ओर नक़्क़ाशी करता है। इस प्रकार, बॉश प्रक्रिया उच्च पहलू अनुपात के साथ सिलिकॉन में गहरी खाइयों के माइक्रोफैब्रिकेशन को सक्षम बनाती है।
    2. पांच चक्रों के लिए इस प्रक्रिया को चलाएं, जो सिलिकॉन के लिए एक नक़्क़ाशी गहराई से मेल खाती है। प्रक्रिया पैरामीटर तालिका 4में सूचीबद्ध हैं।
    3. बॉश प्रक्रिया के किसी भी अवशेष को हटाने के लिए 10 मिन के लिए पिरान्हा समाधान में वेफर को साफ करें। एक एन2 वातावरण में DI पानी और स्पिन-सूखी के साथ वेफर कुल्ला(चित्रा 3ई)।
  2. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: रिएंबिएंथिंग फीचर बनाने के लिए आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी करें जो सिलिका परत के नीचे अंडरकट बनाएगा। 2 मिन 45 एस(चित्रा 3एफ) के लिए एसएफ6 के साथ सिलिकॉन लेयर को नक़्क़ाशी करके 5 माइक्रोन ओवरहांग हासिल किया जा सकताहै। प्रक्रिया मापदंडों के लिए तालिका 5 को देखें।
  3. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: एक बार जब पुनः प्रवेशी सुविधाएं बनाई जाती हैं, तो बॉश प्रक्रिया (चरण 5.1) द्वारा गुहाओं की गहराई को ट्यून करें।
    नोट: एचसी की गहराई के साथ गुहाओं को माइक्रोफैब्रिकेटर करने के लिए, बॉश प्रक्रिया के 160 चक्रों की आवश्यकता होती है(चित्रा 3जी, तालिका 4)।
  4. वेफर सफाई और भंडारण
    1. चरण 2 में वर्णित पिरान्हा समाधान का उपयोग करके वेफर को साफ करें। इस चरण के बाद, वेफर सुपरहाइड्रोफिलिक बन जाता है, जो पानी के संपर्क कोणों की विशेषता है,ओ 0° ।
    2. एक ग्लास पेट्री डिश में वेफर स्टोर करें और टी = 323 K और वैक्यूम प्रेशर पीVac = 3.3 kPa पर बनाए गए एक साफ वैक्यूम ओवन के अंदर 48 घंटे के लिए रखें, जिसके बाद सिलिका परत का आंतरिक संपर्क कोण 40 डिग्री तक स्थिर हो जाता है।
    3. नमूनों को एक स्वच्छ कैबिनेट में स्टोर करें जो बाहरी नाइट्रोजन (99%) प्रवाह, आगे लक्षण वर्णन के लिए तैयार है।

6. दोगुना पुनः प्रवेशी गुहा

  1. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: दोगुना पुनः प्रवेश गुहा बनाने के लिए, चरण 1, 2, 3, 4 और 5.1 का पालन करें (चित्र4ए-ईदेखें)।
  2. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी
    दोगुना रिएंजिस्ट्रेट फीचर्स बनाने के लिए, पहले रिएंटोपर्बेंपरी फीचर्स बनाए जाने चाहिए। इसे प्राप्त करने के लिए, सिलिका परत के नीचे एक अंडरकट बनाने के लिए आइसोट्रॉपिक नक़्क़ाशी करें। 25 एस(चित्रा 4एफ)के लिए एसएफ6 के साथ सिलिकॉन परत Etch । प्रक्रिया मापदंडों के लिए तालिका 5 को देखें। बाद में, चरण 2 में वर्णित पिरान्हा समाधान का उपयोग करके वेफर को साफ करें।
  3. थर्मल ऑक्साइड विकास
    1. दोगुना पुनः प्रवेश सुविधाओं को प्राप्त करने के लिए, एक उच्च तापमान भट्ठी प्रणाली(चित्रा 4जी)का उपयोग करके, वेफर पर थर्मल ऑक्साइड की 500 एनएम परत बढ़ाएं।
    2. एक रिफ्लेक्टर का उपयोग करऑक्साइड परत की मोटाई को मापें।
      नोट: ऑक्सीजन (ओ2)और जल वाष्प वाले वातावरण में नमूनों को उजागर करके ऑक्सीकरण किया गया था, जिससे 800-1,200 डिग्री सेल्सियस से लेकर तापमान पर संलग्न वातावरण में सिलिकॉन का गीला ऑक्सीकरण किया गया था।
  4. सिलिका नक़्क़ाशी: चरण 4 में वर्णित एक ही प्रक्रिया को 3 मिन के लिए खड़ी सिलिका नीचे की ओर ले जाएं। एनीसोट्रोपिक नक़्क़ाशी के परिणामस्वरूप, थर्मल ऑक्साइड (500 एनएम मोटी सिलिका परत) गुहा से दूर हो जाती है, लेकिन यह साइडवॉल के साथ एक "ओवरहांग" छोड़ देती है जो दोगुना पुनः प्रवेशी बढ़त अंततः(चित्रा 4एच, तालिका 3)बनेगी।
  5. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: बॉश प्रक्रिया के पांच चक्रों को दोहराएं ताकि गुहाओं को 2 μm(चित्रा 4I, तालिका 5)द्वारा गहरा किया जा सके। अगले चरण में दोगुना रिएंजिस्टोमेंडी फीचर के पीछे सिलिकॉन को हटाने के लिए यह कदम जरूरी है। पिरान्हा समाधान का उपयोग करवेर साफ करें।
  6. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: तालिका 4में वर्णित प्रक्रिया मापदंडों का उपयोग करके 2 मिन और 30 एस के लिए सिलिकॉन की आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी करें। यह कदम गुहा के मुंह पर थर्मल रूप से उगाए गए ऑक्साइड के पीछे एक खाली जगह (2 μm) बनाता है, जिससे दोगुना पुनः प्रवेशी बढ़त(चित्रा 4जे)।
  7. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: 160चक्रों के लिए बॉश प्रक्रिया नुस्खा (चरण 5.1) का उपयोग करें ताकि गुहाओं की गहराई को एचसी 50 माइक्रोन तक बढ़ाया जा सके,(चित्रा 4K, तालिका 5)।
  8. वेफर सफाई और भंडारण: पिरान्हा समाधान का उपयोग करके वेफर को साफ करें और ऊपर चरण 5.4 में वर्णित स्टोर करें।

खंभे का माइक्रोफैब्रिकेशन
पुनः प्रवेशक और दोगुना पुनः प्रवेशस्तंभों और "संकर" (दीवारों से घिरे दोगुना पुनः प्रवेशी स्तंभों को शामिल करने) के निर्माण के लिए डिजाइन प्रोटोकॉल में तीन प्रमुख चरण शामिल हैं: वेफर तैयारी, सिलिका नक़्क़ाशी, और विशिष्ट सिलिकॉन नक़्क़ाशी। चित्रा 5ए-सी में रिएंटोपर्बेंपरी और डबली रिफैंबली खंभों के लिए लेआउट डिजाइन का टॉप-व्यू दिखाया गया है, जबकि फिगर 5डी-एफ हाइब्रिड व्यूज के लेआउट का प्रतिनिधित्व करता है । एक ही फोटोडेक्ट (AZ5214E)(चित्रा 6ए-सी और चित्रा 7ए-सी)का उपयोग करपैटर्न के अलावा पूरे वेफर को बेनकाब करने के लिए यूवी एक्सपोजर के डार्क-फील्ड विकल्प का चयन करें। इन विशिष्टताओं के अलावा, वेफर (चरण 2) और नक़्क़ाशी सिलिका (चरण 4) की सफाई के लिए प्रक्रियाएं समान हैं।

7. पुनः प्रवेश स्तंभ

  1. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: फोटोलिथोग्राफी के बाद, ऊपर वर्णित खंभे (चरण 1-4) के लिए विशिष्टताओं के साथ यूवी एक्सपोजर, विकास और नक़्क़ाशी सिलिका, बॉश प्रक्रिया का उपयोग करके सिलिकॉन परत को नक़्क़ाशी करने के लिए वेफर को एक गहरी आईसीपी-आरआई प्रणाली में स्थानांतरित करें। यह कदम खंभों की ऊंचाई को नियंत्रित करता है। ऊंचाई के खंभे को प्राप्त करने के लिए बॉश प्रक्रिया के 160 चक्रों का उपयोग करें, एचपी 30 माइक्रोन(चित्र6ई,तालिका 5)। वेफर को साफ करें जैसा कि चरण 2 में वर्णित है।
  2. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: खंभे पर पुनः प्रवेशकिड बनाने के लिए 5 मिन के लिए एसएफ6 का उपयोग करके आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी करें(चित्र6एफ, टेबल 4)। ओवरहांग की जिसके परिणामस्वरूप लंबाई 5 μm है।
  3. पिरान्हा सफाई और भंडारण: पिरान्हा समाधान का उपयोग करके वेफर को साफ करें और ऊपर चरण 5.4 में वर्णित स्टोर करें।

8. दोगुना पुनः प्रवेश स्तंभ और संकर

  1. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: एसआईओ2नक़्क़ाशी के बाद, वेफर को एसआईओ2 लेयर के तहत एसआई को नक़्क़ाशी करने के लिए एक गहरी आईसीपी-आरआई सिस्टम में स्थानांतरित करें। बॉश प्रक्रिया के पांच चक्र ों का प्रदर्शन करें जो 2 माइक्रोन(चित्रा 7ई, तालिका 4)की नक़्क़ाशी गहराई से मेल खाती है। बाद में, वेफर को साफ करें जैसा कि चरण (2) में वर्णित है।
  2. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: पुनः प्रवेशी बढ़त बनाने के लिए एसएफ6 का उपयोग करके आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी करें(तालिका 5, चित्रा 7एफ)। वेफर को साफ करें जैसा कि चरण 2 में वर्णित है।
  3. थर्मल ऑक्साइड विकास: चरण 6.3(चित्रा 7जी)में वर्णित उच्च तापमान फर्नेस सिस्टम का उपयोग करके थर्मल ऑक्साइड की 500 एनएम परत बढ़ाएं।
  4. सिलिका नक़्क़ाशी: 3 मिन के लिए थर्मल-ग्रोन ऑक्साइड लेयर (500 एनएम मोटी) को चरण 6.4(चित्र7एच, टेबल 3)में वर्णित किया गया है।
  5. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: खंभे की ऊंचाई बढ़ाने के लिए बॉश प्रक्रिया(टेबल 4)के 160 चक्र दोहराएं(चित्र 7I)। ऊपर चरण 2 में वर्णित वेफर को साफ करें।
  6. आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी: तालिका 4में वर्णित प्रक्रिया मापदंडों का उपयोग करके 5 मिन के लिए सिलिकॉन की आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी करें। यह कदम दोगुना पुनः प्रवेशी बढ़त बनाता है(चित्रा 7जे)। खंभे के तने और दोगुना पुनः प्रवेशकिधार के बीच की जगह 2 माइक्रोन है।
  7. वेफर सफाई और भंडारण: पिरान्हा समाधान का उपयोग करके वेफर को साफ करें और ऊपर चरण 5.4 में वर्णित स्टोर करें।

चित्रा 8 माइक्रोफैब्रिकेटरिंग रिफैंकऔर डबली रिएंजिस्ट्रेट गुहाओं और स्तंभों में उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं की सूची का प्रतिनिधित्व करता है।

Representative Results

इस खंड में, हम ऊपर वर्णित प्रोटोकॉल का उपयोग करके पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशक गुहाओं (आरसी और डीआरसी, चित्रा 9)और पुनः प्रवेशऔर दोगुना पुनः प्रवेशित स्तंभों (आरपीएस और डीआरपी, चित्रा 10)माइक्रोफैब्रिकेटेड प्रदर्शित करते हैं। सभी गुहाओं में व्यास, डीसी = 200 माइक्रोन, गहराई, एचसी 50 माइक्रोन, और निकटवर्ती गुहाओं के बीच केंद्र-से-केंद्र दूरी (या पिच) एलसी = डीसी + 12 माइक्रोन है। एक ही निर्माण प्रोटोकॉल का उपयोग करना, गैर परिपत्र आकार के गुहाओं को भी तैयार किया जा सकता है, जैसा कि पहले26की रिपोर्ट दी गई थी।

खंभे के शीर्ष पर टोपी का व्यास डीपी = 20 माइक्रोन था, और उनकी ऊंचाई और पिच क्रमशः, एचपी 30 माइक्रोन और एलपी = 100 माइक्रोन(चित्रा 10)थे।

गैस-एनट्रैपिंग माइक्रोटेक्सचर (जीईएम) के गीले व्यवहार
फ्लैट सिलिका (एसआईओ2)सबसे ध्रुवीय और गैर ध्रुवीय तरल पदार्थ की ओर आंतरिक रूप से गीला है। उदाहरण के लिए, 20 डिग्री सेल्सियस पर हेक्साडेकेन(20 एमएन/ एम) की बूंदों के आंतरिक संपर्क कोण और सिलिका पर पानी (सतह तनाव*एलवी = 72.8 एमएन/मीटर) सिलिका पर क्रमशः, औरओ 20 डिग्री औरओ 40 डिग्री। हालांकि, माइक्रोफैब्रिकेटेड रिएंजिस्ट्रेट और डबलरी रिएंगुएबली गुहाओं (डीआरसी) और खंभे के बाद, संपर्क कोण नाटकीय रूप से बदल गए(तालिका 6)। हमने 02 माइक्रोन/एस की दर से तरल पदार्थों को वितरित/त्याग करके आगे बढ़ने/घटते संपर्क कोणों को मापा और तरल पदार्थ,आर एंड जीटी; 120 डिग्री, (ओनिफोबिक) दोनों के लिए स्पष्ट संपर्क कोण पाए; चित्रा 11ई)। संपर्क कोणों को घटते हुए, माइक्रोटेक्सचर में विच्छेदन की कमी के कारण, जैसे खंभे-आधारित माइक्रोटेक्सचर में। दूसरी ओर, एसआईओ2/एसआईसतहों के साथ दोगुना पुनः प्रवेशित स्तंभों (डीआरपी) की सरणी के साथ स्पष्ट संपर्क कोण,दोनों तरल पदार्थ ों के लिए 150 डिग्री और संपर्क कोण हिस्टीरेसिस न्यूनतम (सुपरओमनीफोबिक, चित्रा 11ए और मूवीएस S1 और S2) का प्रदर्शन किया गया। मजे की बात है, जब खंभे की सरणी के साथ एक ही एसआई2/एसआईसतहों एक ही तरल पदार्थ में डूबे हुए थे वे तुरंत घुसपैठ हो गया, टी & 1 एस, यानी कोई हवा फंस गया था(चित्रा 10ए-डी,फिल्म S3) । इसलिए, जबकि खंभे संपर्क कोणों के मामले में सुपरओमनीफोबिक दिखाई दिए, वे विसर्जन पर हवा को फंसाने में विफल रहे। वास्तव में, गीला तरल पदार्थ माइक्रोटेक्सटन (या स्थानीयकृत दोषों से) की सीमा से घुसपैठ करता है और किसी भी फंसी हुई हवा को तुरंत विस्थापित कर देता है(चित्रा 11ए-डी और मूवी एस 3)। इसके विपरीत, डीआरसी ने दोनों तरल पदार्थों में विसर्जन पर हवा में फंस गया(चित्र1ई-एच और एस 1, तालिका 1); हेक्साडेकेन के लिए, फंसे हवा 1 महीने26के बाद भी बरकरार था . हमारे कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी प्रयोगों ने दिखा दिया कि ओवरहैंगिंग फीचर्स घुसपैठ तरल पदार्थों को स्थिर करते हैं और उनके अंदर हवा को फंसाते हैं(चित्रा 12ए-बी)।

इसके बाद, डीआरपी की सरणी में हवा को फंसाने के लिए, हमने दोगुना पुनः प्रवेशित प्रोफ़ाइल(चित्रा 10जी-I)की दीवारों से घिरे स्तंभों की सरणी प्राप्त करने के लिए एक ही माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल कार्यरत थे। इस रणनीति ने तरल पदार्थों को गीला करने से डीआरपी के उपजी को अछूता कर दिया। नतीजतन, हाइब्रिड माइक्रोटेक्सचर ने जीईएम के रूप में व्यवहार किया, जैसा कि कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी(चित्रा 12सी-डी)और मूवी एस 4, टेबल 6)द्वारा पुष्टि की गई है। इस प्रकार, हाइब्रिड माइक्रोटेक्सचर के साथ सिलिका सतहों ने हवा को फँसाकर विसर्जन पर ओमनीफोबीसिटी का प्रदर्शन किया और संपर्क कोणों,120 डिग्री (ओमनीफोबिक) का प्रदर्शन किया, और सही अर्थों में ओमनीफोबिक साबित किया, यानी संपर्क कोणों और विसर्जन पर हवा को फंसाने के मामले में। तालिका 6में, हम संपर्क कोणों और विसर्जन द्वारा विभिन्न प्रकार के माइक्रोटेक्सचर गुहा आधारित, स्तंभ-आधारित और संकर के साथ एसआईओ2/एसआईसतहों की सर्वोयक्षता का आकलन करते हैं ।

Figure 1

चित्रा 1: माइक्रोस्ट्रक्चर की योजनाबद्ध। (A-B) पुनः प्रवेशी गुहा,(सी-डी)दोगुना पुनः प्रवेशी गुहा,(ई-एफ)पुनः प्रवेशी खंभे,(जी-एच)दोगुना पुनः प्रवेशित खंभे। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2

चित्रा 2: गुहाओं के लिए डिजाइन पैटर्न। लेआउट सॉफ्टवेयर का उपयोग करके उत्पन्न पुनः प्रवेशऔर दोगुना पुनः प्रवेशकरने वाले गुहाओं के लिए डिज़ाइन पैटर्न। पैटर्न फोटोलिथोग्राफी का उपयोग कर वेफर पर स्थानांतरित किया गया था । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

   

Figure 3

चित्रा 3: पुनः प्रवेशी गुहाओं के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल। (A)शीर्ष पर 2.4 माइक्रोन मोटी सिलिका के साथ स्वच्छ सिलिकॉन वेफर। (ख)स्पिन-कोट फोटोरोध के साथ वेफर और यूवी प्रकाश को बेनकाब करें। (ग)डिजाइन पैटर्न प्राप्त करने के लिए यूवी उजागर फोटोप्रोड विकसित करें। (D)उजागर शीर्ष सिलिका परत की नक़्क़ाशी लंबवत नीचे (एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी) प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) का उपयोग कर । (ई)गहरी आईसीपी-आरआई ईआरआई का उपयोग करके उजागर सिलिकॉन परत के उथले एनसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (एफ)पुनः प्रवेशी बढ़त बनाने के लिए सिलिकॉन की आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (जी)गुहाओं की गहराई बढ़ाने के लिए डीप एनीसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

   

Figure 4

चित्रा 4: दोगुना पुनः प्रवेशी गुहाओं के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल। (A)शीर्ष पर 2.4 माइक्रोन मोटी सिलिका के साथ स्वच्छ सिलिकॉन वेफर। (ख)स्पिन-कोट फोटोरोध के साथ वेफर और यूवी प्रकाश को बेनकाब करें। (ग)डिजाइन पैटर्न प्राप्त करने के लिए यूवी उजागर फोटोप्रोड विकसित करें। (D)उजागर शीर्ष सिलिका परत की नक़्क़ाशी लंबवत नीचे (एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी) प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) का उपयोग कर । (ई)गहरी आईसीपी-आरआई ईआरआई का उपयोग करके उजागर सिलिकॉन परत के उथले एनसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (एफ)डीप आईसीपी-आरआई ईआरआई का उपयोग करके अंडरकट बनाने के लिए सिलिकॉन की उथली आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी । (जी)थर्मल ऑक्साइड विकास। (एच)ऊपर और नीचे सिलिका परत की एनीसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (I)सिलिकॉन की उथली एनसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (जम्मू)आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी दोगुना पुनः प्रवेशबढ़त बनाने के लिए। (K)गुहाओं की गहराई बढ़ाने के लिए डीप एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5

चित्रा 5: खंभे के लिए डिजाइन पैटर्न। लेआउट सॉफ्टवेयर का उपयोग करके उत्पन्न पुनः प्रवेश, दोगुना पुनः प्रवेशऔर संकर स्तंभों के लिए डिज़ाइन पैटर्न। पैटर्न फोटोलिथोग्राफी का उपयोग कर वेफर पर स्थानांतरित किया गया था । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6

चित्रा 6: पुनः प्रवेशित स्तंभों का माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल। (A)शीर्ष पर 2.4 माइक्रोन मोटी सिलिका के साथ स्वच्छ सिलिकॉन वेफर। (ख)स्पिन-कोट फोटोरोध के साथ वेफर और यूवी प्रकाश को बेनकाब करें। (ग)डिजाइन पैटर्न प्राप्त करने के लिए यूवी उजागर फोटोप्रोड विकसित करें। (D)उजागर शीर्ष सिलिका परत की नक़्क़ाशी लंबवत नीचे (एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी) प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) का उपयोग कर । (ई)खंभे की ऊंचाई बढ़ाने के लिए डीप एनीसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी। (एफ)आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी को पुनः प्रवेशी बढ़त बनाने के लिए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 7

चित्रा 7: दोगुना पुनः प्रवेशस्तंभों के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल। (A)शीर्ष पर 2.4 माइक्रोन मोटी सिलिका के साथ स्वच्छ सिलिकॉन वेफर। (ख)स्पिन-कोट फोटोरोध के साथ वेफर और यूवी प्रकाश को बेनकाब करें। (ग)डिजाइन पैटर्न प्राप्त करने के लिए यूवी उजागर फोटोप्रोड विकसित करें। (D)उजागर शीर्ष सिलिका परत की नक़्क़ाशी लंबवत नीचे (एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी) प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) का उपयोग कर । (ई)गहरी आईसीपी-आरआई ईआरआई का उपयोग करके उजागर सिलिकॉन परत के उथले एनसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (एफ)डीप आईसीपी-आरआई ईआरआई का उपयोग करके अंडरकट बनाने के लिए सिलिकॉन की उथली आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी । (जी)थर्मल ऑक्साइड विकास। (एच)सिलिका परत के ऊपर और नीचे की एनीसोट्रोपिक नक़्क़ाशी। (I)खंभे की ऊंचाई बढ़ाने के लिए एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी। (जम्मू)आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी दोगुना पुनः प्रवेशबढ़त बनाने के लिए। ध्यान दें कि दोगुना पुनः प्रवेशी खंभे और "हाइब्रिड" के बीच एकमात्र अंतर शुरुआत में डिजाइन है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 8

चित्रा 8: पुनः प्रवेशऔर दोगुना पुनः प्रवेशी गुहा और स्तंभों के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल। फ्लोचार्ट में शामिल प्रमुख चरणों को सूचीबद्ध किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 9

चित्रा 9: पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशी गुहाओं के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ स्कैनिंग। (ए-डी) सिलिका सतहों के अनुभागीय और आइसोमेट्रिक दृश्यों को पुनः प्रवेशति गुहाओं की सरणी के साथ पार करें। (ई-एच) दोगुना पुनः प्रवेशी गुहाओं के अनुभागीय और शीर्ष विचारों को पार करें। डीसी = गुहा और एलसी का व्यास = आसन्न गुहाओं (या पिच) के बीच केंद्र-से-केंद्र दूरी, और गुहा की एचसी = गहराई। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 10

चित्रा 10: पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशित खंभे के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ स्कैनिंग। (ए-सी) पुनः प्रवेशित स्तंभों का आइसोमेट्रिक दृश्य। (डी-एफ) दोगुना पुनः प्रवेशित खंभे। (जी-1) हाइब्रिड खंभे - डीआरपी दोगुना पुनः प्रवेशकरने वाली दीवारों से घिरा हुआ है। डीपी - स्तंभ टोपी और एलपी का व्यास - आसन्न खंभे (या पिच) के बीच केंद्र-से-केंद्र दूरी, और एचपी - खंभे की ऊंचाई। चित्रा डी-मैं,Ref.35से फिर से मुद्रित, कॉपीराइट (2019), Elsevier से अनुमति के साथ. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 11

चित्रा 11: गीला व्यवहार । (A)एसआईओ2/एसआईसतहों की सुपरओमनीफोबिसिटी जो कि सरणी से सजी है, जो शीर्ष पर तरल बूंदों को रखकर मनाया जाता है । (बी-डी) यदि गीला तरल पदार्थ सीमा या स्थानीयकृत दोषों को छूते हैं तो सुपरओमनीफोबीसिटी तुरंत खो जाती है। (ई)एसआईओ2/एसआईसतहों सरणी से सजी दोगुना पुनः प्रवेशति गुहाओं सर्वोग्राही का प्रदर्शन करती है । (एफ-एच) ये माइक्रोटेक्सचर हवा को मजबूती से फंसाते हैं और यदि तरल सीमा या स्थानीयकृत दोषों को छूता है तो इसे खोना नहीं पड़ता है। एलेस्वीयर से अनुमति के साथ रेफरी35,कॉपीराइट (2019) से पुनर्मुद्रित। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 12

चित्रा 12: तरल पदार्थों में डूबे माइक्रोटेक्सचर की कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी। रिप्रेजेंटेटिव कॉन्फोकल छवियों (बिंदीदार लाइनों के साथ आइसोमेट्रिक और क्रॉस-सेक्शन) के कंप्यूटर-बढ़ाया 3 डी पुनर्निर्माण, सिलिका सतहों में गीला संक्रमण के दोगुना पुनः प्रवेशी गुहाओं और हाइब्रिड खंभे के नीचे डूबे हुए एक जेड के नीचे डूबे हुए 5 मिमी कॉलम(ए,सी)पानी, और(बी,डी)हेक्साडेकेन के विसर्जन के 5 मिन के बाद। (झूठी) नीले और पीले रंग पानी के इंटरफेस के अनुरूप हैं और फंसी हवा के साथ हेक्साडेकेन। घुसपैठ तरल menisci दोगुना पुनः प्रवेश किनारे पर स्थिर थे । (स्केल बार = गुहा और स्तंभ का व्यास क्रमशः 200 माइक्रोन और 20 माइक्रोन)। चित्रा 12 को एलेवियर से अनुमति के साथ रेफरी35,कॉपीराइट (2019) से फिर से मुद्रित किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

स्टेज 1: निर्जलीकरण और चैंबर से ऑक्सीजन मिटाने
चरण प्रक्रिया अनुक्रम समय (मिन)
1 वैक्यूम (10 टोर) 1
2 नाइट्रोजन (760 टोर) 3
3 वैक्यूम (10 टोर) 1
4 नाइट्रोजन (760 टोर) 3
5 वैक्यूम (10 टोर) 1
6 नाइट्रोजन (760 टोर) 3
स्टेज 2: भड़काना
प्रक्रिया अनुक्रम समय (मिन)
7 वैक्यूम (1 टोर) 2
8 एचएमडीएस (6 टोर) 5
स्टेज 3: मिटाने प्रधानमंत्री निकास
प्रक्रिया अनुक्रम समय (मिन)
9 वैक्यूम 1
10 नाइट्रोजन 2
11 वैक्यूम 2
स्टेज 4: वायुमंडल में लौटें (बैकफिल)
प्रक्रिया अनुक्रम समय (मिन)
12 नाइट्रोजन 3

तालिका 1: सिलिका सतह और AZ-5214E फोटोरोध के बीच आसंजन को बढ़ाने के लिए hexamethyldisilazane (HMDS) परतों कोटिंग के लिए विवरण प्रक्रिया ।

चरण स्पीड (आरपीएम) रैंप (आरपीएम/एस) समय (एस)
1 800 1000 3
2 1500 1500 3
3 3000 3000 30

तालिका 2: स्पिन-कोटिंग द्वारा एसआईओ2/एसआईवेफर्स पर 1.6 माइक्रोन-मोटी AZ-5214E फोटोरोधी परत प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया विवरण।

आरएफ पावर, (डब्ल्यू) आईसीपी पावर, (डब्ल्यू) नक़्क़ाशी दबाव, (mTorr) सी4एफ8 प्रवाह (एससीसीएम) ओ2 प्रवाह (एससीसीएम) तापमान, (डिग्री सेल्सियस)
100 1500 10 40 5 10

तालिका 3: सिलिका नक़्क़ाशी के लिए पैरामीटर सेटिंग्स inductively युग्मित प्लाज्मा में इस्तेमाल किया - प्रतिक्रियाशील आयन Etching (ICP-RIE) ।

आरएफ पावर, (डब्ल्यू) आईसीपी पावर, (डब्ल्यू) नक़्क़ाशी दबाव, (mTorr) एस एफ6 प्रवाह, (एससीसीएम) तापमान, (डिग्री सेल्सियस)
20 1800 35 110 15

तालिका 4: सिलिकॉन नक़्क़ाशी (आइसोट्रोपिक) के लिए पैरामीटर सेटिंग्स जिसका उपयोग शामिल प्लाज्मा - डीप रिएक्टिव आयन नक़्क़ाशी (आईसीपी-डीआरआईई) में किया जाता है।

चरण आरएफ पावर, (डब्ल्यू) आईसीपी पावर, (डब्ल्यू) नक़्क़ाशी दबाव, (mTorr) एस एफ6 प्रवाह, (एससीसीएम) सी4एफ8 प्रवाह, (sccm) तापमान, (डिग्री सेल्सियस) बयान/नक़्क़ाशी समय, (एस)
पासिवेशन लेयर 5 1300 30 5 100 15 5
नक़्क़ाशी 30 1300 30 100 5 15 7

तालिका 5: सिलिकॉन नक़्क़ाशी (एनिसोट्रोपिक) के लिए पैरामीटर सेटिंग्स जिसका उपयोग शामिल प्लाज्मा - डीप रिएक्टिव आयन नक़्क़ाशी (आईसीपी-डीआरआईई) में उपयोग किया जाता है।

सतहों कसौटी: हवा में संपर्क कोण कसौटी: विसर्जन
पानी हेक्साडेकेन पानी हेक्साडेकेन
डीआरपी अरार 153 ° ± 1° 153° ± 1° तात्कालिक प्रवेश तात्कालिक प्रवेश
एक 161 ° ± 2° 159 ° ± 1°
अरार 139 ° ± 1° 132° ± 1°
मूल्यांकन: सुपरओमनीफोबिक ओमनीफोबिक नहीं - वास्तव में, ओमनीफिलिक
डीआरसी अरार 124° ± 2° 115 ° ± 3° फंसी हुई हवा (ओमनीफोबिक) फंसी हुई हवा (ओमनीफोबिक)
एक 139 ° ± 3° 134° ± 5°
अरार 0° 0°
मूल्यांकन: ओमनीफोबिक ओमनीफोबिक
संकर अरार 153 ° ± 2° 153 ° ± 2° फंसी हुई हवा (ओमनीफोबिक) फंसी हुई हवा (ओमनीफोबिक)
एक 161 ° ± 2° 159 ° ± 2°
अरार 0° 0°
मूल्यांकन: ओमनीफोबिक ओमनीफोबिक

तालिका 6: संपर्क कोण माप - आगे बढ़ना(ए),घटता हुआ(आर),और स्पष्ट(आर)- और तरल पदार्थों में विसर्जन। इस तालिका ने एलेस्वाइयर से अनुमति के साथ रेफरी35,कॉपीराइट (2019) से फिर से मुद्रित किया।

Movie S1

फिल्म S1: दोगुना पुनः प्रवेशस्तंभों सजने माइक्रोटेक्सर्ड सतहों से उछल पानी की बूंद के उच्च गति छवि अनुक्रम (15K एफपीएस) । इस फिल्म रेफरी ३५ से फिर से मुद्रित किया गया था । एलेस्वीयर से अनुमति के साथ कॉपीराइट (2019),। कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए सही क्लिक करें)।

Movie S2

फिल्म S2: हेक्साडेकेन बूंद के हाई स्पीड इमेज सीक्वेंस (19K एफपीएस) माइक्रोटेक्सर सतहों से उछलते हैं जिसमें दोगुना पुनः प्रवेशी खंभे शामिल हैं। इस फिल्म रेफरी ३५ से फिर से मुद्रित किया गया था । एलेस्वीयर से अनुमति के साथ कॉपीराइट (2019),। कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए सही क्लिक करें)।

Movie S3

फिल्म S3: दोगुना पुनः प्रवेश स्तंभों को शामिल माइक्रोटेक्सरी में पानी के प्रतिपूर्ति की छवि अनुक्रम (२०० एफपीएस) । इस फिल्म रेफरी ३५ से फिर से मुद्रित किया गया था । एलेस्वीयर से अनुमति के साथ कॉपीराइट (2019),। कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए सही क्लिक करें)।

Movie S4

फिल्म S4: छवि अनुक्रम (२०० fps) पानी ड्रॉप संकर माइक्रोटेक्सरी के बगल में आगे बढ़ रहा है । दोगुना पुनः प्रवेशी चारदीवारी की उपस्थिति माइक्रोटेक्सरी में तरल आक्रमण को रोकती है, जो विसर्जन के तहत सतह को ओम्फोबिक भी बनाती है। इस फिल्म रेफरी ३५ से फिर से मुद्रित किया गया था । एलेस्वीयर से अनुमति के साथ कॉपीराइट (2019),। कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए सही क्लिक करें)।

Discussion

यहां हम इन माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल को लागू करने में पाठक की मदद करने के लिए अतिरिक्त कारकों और डिजाइन मानदंडों पर चर्चा करते हैं। गुहा माइक्रोटेक्सटेक्स (आरसी और डीआरसी) के लिए पिच का चुनाव महत्वपूर्ण है। आसन्न गुहाओं के बीच पतली दीवारों से कम तरल-ठोस इंटरफेशियल क्षेत्र और उच्च तरल-वाष्प इंटरफेशियल क्षेत्र होगा, जिससे उच्च स्पष्ट संपर्क कोण34होंगे। हालांकि, पतली दीवारें माइक्रोटेक्सरी की यांत्रिक अखंडता से समझौता कर सकती हैं, उदाहरण के लिए, हैंडलिंग और लक्षण वर्णन के दौरान; पतली दीवारों के साथ थोड़ा अधिक नक़्क़ाशी (उदाहरण के लिए, चरण 6.6 में) पूरे माइक्रोटेक्सरी को नष्ट कर सकता है; पतली दीवारों के साथ अंडर-नक़्क़ाशी भी दोगुना अपंवाक सुविधाओं के विकास को रोक सकता है। यदि डीआरसी सुविधाओं को पूरी तरह से विकसित नहीं किया जाता है, तो लंबी अवधि के लिए हवा को फंसाने की उनकी क्षमता पीड़ित हो सकती है, खासकर यदि तरलगुहाओं केअंदर 26 संघनित होता है। इस कारण से, हमने अपने प्रयोगों में पिच को L = D + 12 माइक्रोन (यानी, गुहाओं के बीच न्यूनतम दीवार मोटाई 12 माइक्रोन था) चुना। हमने एल = डी + 5 माइक्रोन की छोटी पिच के साथ दोगुना पुनः प्रवेश करने वाले गुहाओं को भी गढ़ा, लेकिन माइक्रोफैब्रिकेशन के दौरान संरचनात्मक क्षति के कारण परिणामस्वरूप सतहें सजातीय नहीं थीं।

चरण 4 में सी4एफ8 और ओ2 के साथ सिलिका परत की नक़्क़ाशी के दौरान, उपयोग का पूर्व इतिहास या प्रतिक्रिया कक्ष की सफाई, एक ही चरण ों का पालन करने के बावजूद, उदाहरण के लिए, अधिकांश विश्वविद्यालयों में एक आम उपयोगकर्ता सुविधा में चर परिणाम दे सकता है। इस प्रकार, यह सिफारिश की जाती है कि यह कदम कम समय अवधि में किया जाता है, उदाहरण के लिए, प्रत्येक 5 से अधिक नहीं और एक स्वतंत्र तकनीक द्वारा सिलिका परत की मोटाई की निगरानी की जाती है, जैसे रिफ्लेक्टिम। 2.4 माइक्रोन-मोटी सिलिका परत के साथ हमारे वेफर्स के लिए, एक विशिष्ट नक़्क़ाशी दिनचर्या ने सिलिका को लक्षित क्षेत्रों(तालिका 3)से पूरी तरह से हटाने के लिए 13 मिन लिया। क्योंकि फोटोविरोध भी प्रक्रिया के दौरान नक़्क़ाशीपर था, इस कदम सिलिका परत है कि शुरू में फोटोविरोध द्वारा नकाबपोश किया गया था की 1 μm हटा दिया । इसके अलावा, यह सुनिश्चित करने के लिए कि नक़्क़ाशी दर की उम्मीद के अनुसार थी, और पिछले नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं (बहुउपयोगकर्ता सुविधाओं में एक आम मुद्दा) से क्रॉस-संदूषण से बचने के लिए, सिलिका नक़्क़ाशी हमेशा एहतियाती कदम के रूप में एक बलि वेफर नक़्क़ाशी से पहले थी। फोटोरोधा के विकास के दौरान, उजागर सतह फोटोरोधके निशान/कणों से दूषित हो सकती है, जो पिन अवशेषों के गठन के लिए अग्रणी (सूक्ष्म) मास्क के रूप में कार्य कर सकती है । इससे बचने के लिए, माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया36भर में कठोर सफाई और भंडारण प्रोटोकॉल का पालन किया जाना चाहिए।

इसी तरह, बॉश प्रक्रिया के दौरान, भले ही एसआईओ2 परत नीचे एसआई-परत के लिए एक मुखौटा के रूप में कार्य करती है, यह लंबे नक़्क़ाशी चक्रों के दौरान नक़्क़ाशी प्राप्त करती है, हालांकि धीमी दरों पर। इस प्रकार, गुहाओं की गहराई या खंभे की ऊंचाई इस बिंदु तक सीमित है कि पुनः प्रवेशकरने वाली सुविधाओं से समझौता नहीं किया जाएगा। बॉश प्रक्रिया के दौरान पासिवेशन और नक़्क़ाशी के समय को चिकनी दीवारों को प्राप्त करने के लिए ट्यून किया जाना चाहिए। यह व्यंजनों का परीक्षण करके और नमूनों पर उनके प्रभावों को देखकर, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

आरपीएस और डीआरपी के मामले में, आइसोट्रॉपिक नक़्क़ाशी की अवधि जितनी लंबी होगी, तने का व्यास उतना ही छोटा होगा। यदि व्यास 10 माइक्रोन से कम है, तो यह यांत्रिक कमजोरी का कारण बन सकता है। इस सीमा को माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया की शुरुआत में डिजाइन को सूचित करना चाहिए।

विश्वविद्यालयों में आमतौर पर उपलब्ध शुष्क नक़्क़ाशी उपकरणों में औद्योगिक ग्रेड सहिष्णुता नहीं है, जिससे चैंबर के अंदर नक़्क़ाशी की दर के मामले में स्थानिक गैर-एकरूपता होती है । इस प्रकार, वेफर के केंद्र में प्राप्त विशेषताएं सीमा पर उन लोगों के समान नहीं हो सकती हैं। इस सीमा को दूर करने के लिए, हमने चार इंच वेफर्स का उपयोग किया और केवल मध्य क्षेत्र में केंद्रित किया।

हम फोटोलिथोग्राफी के लिए हार्ड-कॉन्टैक्ट मास्क का उपयोग करने के बजाय प्रत्यक्ष-लेखन प्रणालियों का उपयोग करने की भी सलाह देते हैं, जिसमें डिजाइन मापदंडों में तेजी से परिवर्तन की अनुमति होती है, जिसमें फीचर व्यास, पिच और आकार (परिपत्र, षट्कोणीय और वर्ग), आदि शामिल हैं।

जाहिर है, न तो एसआईओ2/एसआईवेफर्स और न ही फोटोलिथोग्राफी ओमनीफोबिक सतहों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए वांछित सामग्री या प्रक्रियाएं हैं । हालांकि, वे इंजीनियरिंग ओमनीफोबिक सतहों के लिए अभिनव माइक्रोटेक्सचर का पता लगाने के लिए एक उत्कृष्ट मॉडल प्रणाली के रूप में काम करते हैं, उदाहरण के लिए बायोमिमेटिक्स26,27,34,35,46,47,जिसे अनुप्रयोगों के लिए कम लागत और स्केलेबल सामग्री प्रणालियों में अनुवाद ित किया जा सकता है। यह उम्मीद की जाती है कि निकट भविष्य में, जीईएम के लिए डिजाइन सिद्धांतों को 3-डी प्रिंटिंग48,योजक विनिर्माण49और लेजर माइक्रोमाकिनिंग50जैसी तकनीकों का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है। माइक्रोटेक्सर्ड एसआईओ2/ एसआई सतहों का उपयोग29,51नरम सामग्रियों को टेंपलिंग के लिए भी किया जा सकता है । वर्तमान में, हम कैविटेशन क्षति47,विलवणीकरण46,52,और हाइड्रोडायनामिक ड्रैग को कम करने के लिए हमारी गैस-ट्रैपिंग सतहों के अनुप्रयोगों की जांच कर रहे हैं।

Disclosures

लेखक घोषणा करते हैं कि उनके पास कोई प्रतिस्पर्धी हित नहीं हैं ।

Acknowledgments

एचएम ने किंग अब्दुल्ला यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (कौस्तुभ) से फंडिंग स्वीकार की ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AZ-5214 E photoresist Merck DEAA070796-0W59 Photoresist, flammable liquid
AZ-726 MIF developer Merck 10055824960 To develop photoresist
Confocal microscopy Zeiss Zeiss LSM710 Upright confocal microscope to visualize liquid meniscus shape
Deep ICP-RIE Oxford Instruments Plasmalab system100 Silicon etching tool
Direct writer Heidelberg Instruments µPG501 Direct-writing system
Drop shape analyzer KRUSS DSA100 To measure contact angle
Hexadecane Alfa Aesar 544-76-3 Test liquid
Highspeed imaging camera Phantom vision research v1212 To image droplet bouncing
HMDS vapor prime Yield Engineering systems
Hot plate Cost effective equipments Model 1300
Hydrogen peroxide 30% Sigma Aldrich 7722-84-1 To prepare piranha solution
Imaris software Bitplane Version 8 Post process confocal microscopy images
Nile Red Sigma Aldrich 7385-67-3 Fluorescent dye for hexadecane
Nitrogen gas KAUST lab supply To dry the wafer
Petri dish VWR HECH41042036
Reactive-Ion Etching (RIE) Oxford Instruments Plasmalab system100 Silica etching tool
Reflectometer Nanometrics Nanospec 6100 To check remaining oxide layer thickness
Rhodamine B (Acros) Fisher scientific 81-88-9 Fluorescent dye for water
SEM stub Electron Microscopy Sciences 75923-19
SEM-Quanta 3D FEI Quanta 3D FEG Dual Beam
Silicon wafer Silicon Valley Microelectronics Single side polished, 4" diameter, 500 µm thickness, 2.4 µm thick oxide layer
Spin coater Headway Research,Inc PWM32
Spin rinse dryer MicroProcess technology Avenger Ultra -Pure 6 Dry the wafers after piranha clean
Sulfuric acid 96% Technic 764-93-9 To prepare piranha solution
Tanner EDA L-Edit software Tanner EDA, Inc. version15 Layout design
Thermal oxide growth Tystar furnace To grow thermal oxide in patterned silicon wafer
Tweezers Excelta 490-SA-PI Wafer tweezer
Vacuum oven Thermo Scientific 13-258-13
Water Milli-Q Advantage A10 Test liquid

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References

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इंजीनियरिंग अंक १५६ गीला ओम्फोबिसिटी पुनः प्रवेश और दोगुना पुनः प्रवेशगुहा/खंभे गैस-एनट्रैपिंग माइक्रोटेक्सर (जीईएम) फोटोलिथोग्राफी आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी एनिसोट्रॉपिक नक़्क़ाशी थर्मल ऑक्साइड विकास प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी संपर्क कोण विसर्जन कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी
प्रतिपादन एसआईओ<sub>2/एसआई</sub>सतहों को नक्काशी गैस-एनट्रैपिंग माइक्रोटेक्सचर द्वारा ओमनीफोबिक जिसमें पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशी गुहायाँ या खंभे शामिल हैं
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Arunachalam, S., Domingues, E. M.,… More

Arunachalam, S., Domingues, E. M., Das, R., Nauruzbayeva, J., Buttner, U., Syed, A., Mishra, H. Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars. J. Vis. Exp. (156), e60403, doi:10.3791/60403 (2020).

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