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Engineering

ग्रीन विलवणीकरण के लिए पानी से प्यार करने वाले एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर्स से प्राप्त गैस-एनट्रैपिंग झिल्ली के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट

Published: March 1, 2020 doi: 10.3791/60583
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

यहां प्रस्तुत एकीकृत सर्किट माइक्रोफैब्रिकेशन प्रौद्योगिकी का उपयोग करके एसआईओ2/एसआईवेफर्स से गैस-ट्रैपिंग झिल्ली (जीईएम) को साकार करने के लिए एक कदमका प्रोटोकॉल है । सिलिका-जीईएम पानी में डूबे होने पर सिलिका की पानी से प्यार करने वाली संरचना के बावजूद पानी की घुसपैठ को रोका जाता है।

Abstract

सीधे संपर्क झिल्ली आसवन (DCMD) के माध्यम से विलवणीकरण ठंड और शुद्ध पानी से गर्म और नमकीन समुद्री जल की मजबूती से अलग-अलग प्रवाहित करने के लिए पानी से बचाने वाली झिल्ली का शोषण करता है, इस प्रकार केवल शुद्ध जल वाष्प को पारित करने की अनुमति देता है। इस उपलब्धि को प्राप्त करने के लिए, वाणिज्यिक डीसीएमडी झिल्ली पानी से बचाने वाली परफ्लोरोकार्बन जैसे पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) और पॉलीविनिलिडीन डिफ्लोराइड (पीवीडीएफ) से प्राप्त या लेपित होती हैं। हालांकि, परफ्लोरोकार्बन का उपयोग उनकी उच्च लागत, गैर-बायोडिग्रेडेबिलिटी और कठोर परिचालन स्थितियों के प्रति संवेदनशीलता के कारण सीमित हो रहा है। यहां अनावरण किया झिल्ली का एक नया वर्ग गैस-entrapping झिल्ली (GEMs) के रूप में संदर्भित है जो पानी में विसर्जन पर हवा को मजबूती से फंसा सकता है। जीईएम अपने रासायनिक मेकअप के बजाय अपने माइक्रोस्ट्रक्चर द्वारा इस समारोह को प्राप्त करते हैं। यह काम जीईएम के लिए एक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट को दर्शाता है, जो मॉडल सिस्टम के रूप में आंतरिक रूप से गीला एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर्स का उपयोग कर रहा है; एसआईओ2 पर पानी का संपर्क कोण 40 डिग्रीहै। सिलिका-जीईएम में 300 माइक्रोन-लंबे बेलनाकार छिद्र थे जिनके व्यास (2 μm-लंबे) इनलेट और आउटलेट क्षेत्रों में काफी छोटे थे; इनलेट्स और आउटलेट्स पर 90 डिग्री के साथ यह ज्यामितीय रूप से असतत संरचना, जिसे "पुनःप्रवेशी माइक्रोटेक्सचर" के रूप में जाना जाता है। सिलिका-जीईएम के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल में डिजाइनिंग, फोटोलिथोग्राफी, क्रोम स्पंदन, और आइसोट्रोपिक और एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी पर जोर दिया गया है। सिलिका के पानी से प्यार प्रकृति के बावजूद, पानी पनडुब्बी पर सिलिका-जीईएम में घुसपैठ नहीं करता है। वास्तव में, वे मजबूती से हवा के पानी के नीचे फंसाने और छह सप्ताह (>106 सेकंड) के बाद भी इसे बरकरार रखते हैं । दूसरी ओर, सरल बेलनाकार छिद्रों के साथ सिलिका झिल्ली अनायास पानी (और एलटी; 1 एस) को आत्मसात करती है। ये निष्कर्ष अलगाव प्रक्रियाओं के लिए जीईएम वास्तुकला की क्षमता को उजागर करते हैं। जबकि जीईएम के लिए एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर्स का चुनाव प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट का प्रदर्शन करने तक सीमित है, यह उम्मीद की जाती है कि यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल और अवधारणाएं विलवणीकरण और उससे आगे सस्ती आम सामग्रियों का उपयोग करके स्केलेबल जीईएम के तर्कसंगत डिजाइन को आगे बढ़ाएंगे ।

Introduction

जैसे-जैसे जल/खाद्य/ऊर्जा/पर्यावरणीय संसाधनों पर जोर बढ़ता है, हरियाली प्रौद्योगिकियों और विलवणीकरण के लिए सामग्रियों की आवश्यकता1,2है । इस संदर्भ में, प्रत्यक्ष संपर्क झिल्ली आसवन (DCMD) प्रक्रिया सौर-थर्मल ऊर्जा का उपयोग कर सकती है या पानी विलवणीकरण3,4के लिए औद्योगिक गर्मी बर्बाद कर सकती है। DCMD गर्म समुद्री जल और ठंडे deionized पानी की प्रतिप्रवाह धाराओं को अलग करने के लिए पानी से बचाने वाली झिल्ली का शोषण करता है, जिससे गर्म से ठंडे पक्ष5,6,7,8,9तक केवल शुद्ध जल वाष्प परिवहन की अनुमति होती है। वाणिज्यिक डीसीएमडी झिल्ली लगभग विशेष रूप से अपनी पानी की प्रतिरोधी के कारण परफ्लोरोकार्बन का दोहन करती है, जो पानी के आंतरिक संपर्क कोण की विशेषता है,ओ 110 °10। हालांकि, परफ्लोरोकार्बन महंगे होते हैं, और वे11 और कठोर रासायनिक सफाई12,13पर क्षतिग्रस्त हो जाते हैं। उनकी गैर-बायोडिग्रेडेबिलिटी भी पर्यावरण संबंधी चिंताओं को उठाती है14। इस प्रकार, डीसीएमडी के लिए नई सामग्रियों का पता लगाया गया है, उदाहरण के लिए, पॉलीप्रोपाइलीन15,कार्बन नैनोट्यूब16,और ऑर्गेनोसिलिका17,प्रक्रिया की विविधताओं के साथ, उदाहरण के लिए, इंटरफेशियल हीटिंग18 और फोटोवोल्टिक-एमडी19। फिर भी, डीसीएमडी झिल्ली के लिए जांच की गई सभी सामग्रियों को आंतरिक रूप से पानी से बचाने वाली क्रीम की जांच की गई है, जिसकी विशेषता पानी के लिए 90 डिग्री है।'

यहां, झिल्ली छिद्रों के अंदर हवा को मजबूती से फंसाकर पानी से बचाने वाली DCMD झिल्ली यानी, दोनों तरफ पानी को अलग करने की दिशा में पानी से प्यार करने वाली (हाइड्रोफिलिक) सामग्रियों का शोषण करने के लिए एक प्रोटोकॉल वर्णित किया गया है। प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट प्रदर्शन की ओर, दोनों पक्षों (एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2;2माइक्रोन/300 माइक्रोन/2 माइक्रोन, क्रमशः) पर सिलिका परतों (2 माइक्रोन मोटी) के साथ दो तरफा पॉलिश सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग किया जाता है । माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाएं गैस एनट्रैपिंग झिल्ली (जीईएम) को प्राप्त करने के लिए लागू की जाती हैं, जो सतह रसायन की परवाह किए बिना तरल पदार्थों को छिद्रों में प्रवेश करने से रोकने के लिए एक विशिष्ट वास्तुकला का दोहन करती हैं।

जीईएम वास्तुकला के लिए प्रेरणा स्प्रिंगटेल (कोलेम्बोला) से उत्पन्न हुई, मिट्टी में रहने वाले हेक्सापोड्स जिनके क्यूटिकल्स में मशरूम के आकार के पैटर्न20,21और समुद्री स्केटर्स(हेलोबेट्स जर्मनस),खुले महासागर में रहने वाले कीड़े हैं जिनके शरीर पर मशरूम के आकार के बाल हैं22,23। सतह वास्तुकला, स्वाभाविक रूप से स्रावित मोम के साथ, इन कीड़ों को "सुपर" पानी की प्रतिकार के साथ प्रदान करती है, जो पानी के लिए स्पष्ट संपर्क कोणों(आर 150 डिग्री)24की विशेषता है। नतीजतन, उनके विश्राम की स्थिति में, समुद्र-स्केटर्स अनिवार्य रूप से समुद्र-वायु इंटरफेस22,25पर हवा में तैर रहे हैं। यदि पानी में डूबे, तो वे तुरंत अपने शरीर के चारों ओर हवा की एक परत को जाल में फंसाते हैं (जिसे प्लास्ट्रॉन के रूप में भी जाना जाता है), जो श्वसन और उछाल20,23की सुविधा प्रदान करता है। स्प्रिंगटेल से प्रेरित होकर, किम और सहकर्मियों ने दिखाया कि मशरूम के आकार के स्तंभों की सरणी के साथ सिलिका सतहों कम सतह तनाव26के साथ तरल पदार्थ की बूंदों को पीछे हटाना कर सकते हैं । यह एक उल्लेखनीय खोज थी; हालांकि, यह पाया गया कि इन सतहों के तरल प्रतिकार स्थानीयकृत दोषों या सीमाओं27,28के माध्यम से भयावह रूप से खो सकता है । इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने गुहाओं के साथ सिलिका सतहों को माइक्रोफैब्रिकेटेड किया, जिनके इनलेट्स में व्यास अचानक छोटे थे (यानी, 90 डिग्री मोड़ के साथ) बाकी गुहा27की तुलना में। इन सुविधाओं को "पुनःप्रवेशी" किनारों के रूप में भी जाना जाता है, और गुहाओं को "पुनःप्रवेशी गुहा" के रूप में संदर्भित किया जाता है।

पुनः प्रवेशी गुहातरल बूंदों के संपर्क में या पनडुब्बी27पर हवा को मजबूती से फंसाते हैं । विभिन्न आकृतियों (परिपत्र, वर्ग, और षट्कोणीय), प्रोफाइल (पुनः प्रवेशी और दोगुना पुनः प्रवेशी) के गुहाओं के प्रदर्शन और समय के साथ फंसी हवा की स्थिरता के संबंध में कोनों के तीखेपन की तुलना29की गई है। यह पाया गया है कि गोलाकार पुनः प्रवेश गुहा गीले तरल पदार्थों के तहत हवा में फंसाने के लिए उनकी मजबूती और विनिर्माण से जुड़ी जटिलता के मामले में सबसे इष्टतम हैं। इसके अलावा, यह प्रदर्शित किया गया है कि पुनः प्रवेशति गुहाओं के साथ आंतरिक रूप से गीला सामग्री गीला तरल पदार्थ में विसर्जन पर हवा फंसाने कर सकते हैं, और इस प्रकार, ओमनीफोबिक सतहों के कार्य को प्राप्त कर सकते हैं। काम27,28,29,30 और DCMD31के साथ पिछले अनुभव के इस शरीर के आधार पर, हम झिल्ली है कि पुनः प्रवेशी inlets और दुकानों के साथ छिद्रों है बनाने का फैसला किया । यह कल्पना की गई थी कि इस तरह की झिल्ली अपने माइक्रोटेक्सरी के कारण गीले तरल पदार्थों में विसर्जन पर हवा को फंसा सकती है, जिससे जीईएम के विचार को जन्म दिया जा सकता है।

सरल बेलनाकार छिद्रों को शामिल करते हुए हाइड्रोफिलिक सामग्री से बनी झिल्ली पर विचार करें: पानी में डूबे होने पर, यह झिल्ली अनायास पानी को आत्मसात कर लेगी(चित्रा 1ए, बी)पूरी तरह से भरे हुए, या वेनज़ेल राज्य32तक पहुंच जाएगी। दूसरी ओर, यदि छिद्रों के इनलेट ्स और आउटलेट में पुनःप्रवेशी प्रोफाइल (जैसे, "टी" के आकार का होता है), तो वे गीले तरल को छिद्र को भेदने और हवा को अंदर फंसाने से रोक सकते हैं, जिससे Cassieराज्य333 (चित्रा 1C, डी)। एक बार जब हवा पोर के अंदर फंस जाती है, तो यह34,35के साथ पानी में अपनी संपीड़नता और कम घुलनशीलता के कारण तरल घुसपैठ को और रोक देगा।

इस तरह की प्रणाली धीरे-धीरे कैसियन से वेनज़ेल राज्य में संक्रमण करेगी, और इस प्रक्रिया के काइनेटिक्स को पोर के आकार, आकार और प्रोफ़ाइल, तरल के वाष्प दबाव और तरल29,34,36में फंसी हवा की घुलनशीलता से ट्यून किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण सब्सट्रेट्स के रूप में सिलिकॉन वेफर्स और पॉलीमेथिलमेथेक्रिलेट शीट का उपयोग कर GEMs का एहसास करने में सक्षम किया गया है, और एक क्रॉस-फ्लो विन्यास में DCMD के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट अनुप्रयोगों का प्रदर्शन किया गया है३७। यहां, सिलिका-जीईएम की पीढ़ी के लिए एक विस्तृत माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया जाता है, जो दोनों पक्षों (एसआईओ2/एसआई/एसआईओ2;2 μm/300 μm/2 μm, क्रमशः) पर सिलिका परतों (2 माइक्रोन मोटी) के साथ डबल साइड पॉलिश सिलिकॉन वेफर्स से शुरू होता है । इसके अलावा, सिलिका-जीईएमएस की हवा के नीचे पानी को फंसाने की क्षमता का आकलन कस्टम-निर्मित दबाव सेल और कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके किया जाता है।

Figure 1

चित्रा 1: सरल बेलनाकार छिद्रों (ए, बी) के साथ एक झिल्ली का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व और एक पुनःप्रवेशी छिद्रों (सी, डी) के साथ। सरल बेलनाकार छिद्रों के विपरीत, इनलेट/आउटलेट के बाद पुनः प्रवेशी छिद्र तेजी से व्यापक हो जाते हैं, और यह यह विच्छेदन (या पुनः प्रवेशी किनारों) है जो तरल पदार्थों को छिद्रों में घुसपैठ करने से रोकता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

विशेष रूप से, यह खंड दो तरफा पॉलिश सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग करके रिएंबिएबल इनलेट्स और आउटलेट्स के साथ छिद्रों की सरणी को तराशने के लिए माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल का वर्णन करता है जो 300 माइक्रोन मोटी (पी-डॉप्ड, एंड एलटी; 100> ओरिएंटेशन, 4" व्यास, 2 माइक्रोन मोटी थर्मल रूप से बढ़ी हुई ऑक्साइड परतें दोनों तरफ)। यह इसके बाद एसआईओ2(2 μm) /Si (300 μm) /SiO2(2 μm)(चित्रा 2)के रूप में संदर्भित किया जाता है ।

Figure 2

चित्रा 2: सिलिका-जीईएम के माइक्रोफैब्रिकेशन में शामिल प्रमुख चरणों को सूचीबद्ध करने वाला फ्लोचार्ट। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Protocol

1. डिजाइन

  1. डिजाइन 16 सरणी, प्रत्येक में 625 सर्कल (व्यास, डी = 100 माइक्रोन; पिच, एल = 400 माइक्रोन), संरेखण के निशान के साथ 4 "एसआईओ2(2 माइक्रोन) /एसआई (300 माइक्रोन) /एसआईओ2(2 माइक्रोन) उचित डिजाइन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके वेफर्स (सामग्री की तालिकादेखें) शामिल हैं; चित्रा 3) 38.

Figure 3

चित्रा 3: परिपत्र सरणी के डिजाइन। इस डिजाइन पैटर्न को फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से एसआईओ2(2 माइक्रोन)/एसआई (300 माइक्रोन)/एसआईओ2(2 माइक्रोन) वेफर्स पर स्थानांतरित किया गया था। दिखाए गए हैं(ए)पूरे वेफर,(बी,सी)ज़ूम-इन दृश्य, और(डी, ई)मैनुअल बैक अलाइनमेंट के लिए उपयोग किए जाने वाले संरेखण चिह्न। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

  1. एक डायरेक्ट-राइटिंग सिस्टम में यूवी एक्सपोजर के माध्यम से क्रोमियम के 50 एनएम कोटिंग और फोटोडक्ड (एक सकारात्मक फोटोरोधा; सामग्री की तालिका देखें) पर 5 "सोडा लाइम ग्लास (सीएएक्सएचवाईए नएजेडओएन)पर स्थानांतरण सुविधाएं (एक सकारात्मक फोटोरोधी; सामग्री की तालिकादेखें) एक डायरेक्ट-राइटिंग सिस्टम में यूवी एक्सपोजर के माध्यम से (एक्सपोजर टाइम = 25 एमएस, डिफोकस = + 10)।
  2. मुखौटा विकास
    1. नीचे क्रोम का पर्दाफाश करने के लिए 60 एस के लिए डेवलपर(सामग्री की तालिका)के 200 मिलील में मुखौटा विसर्जित करके फोटोविरोध विकसित करें। मास्क को डिओनाइज्ड (डीआई) पानी से धोलें।
    2. 90 एस के लिए क्रोम एटैचंट के 200 एमएल बाथ में मास्क को डुबोकर उजागर क्रोमियम निकालें। डीआई पानी से मास्क धोएं।
    3. 15 एस के लिए यूवी फ्लड एक्सपोजर (यानी, बिना मास्क के) को कैरी करें।
    4. पूरी तरह से डेवलपर के 200 mL स्नान में विसर्जित करके मुखौटा से फोटोविरोध हटा दें जब तक कि फोटोविरोध पूरी तरह से गायब नहीं हो जाता (60-120 एस)। नाइट्रोजन (एन2)बंदूक का उपयोग करके डीआई पानी और सूखी के साथ मुखौटा सतह को साफ करें।

2. वेफर सफाई

  1. सिलिकॉन वेफर को एक हौसले से तैयार पिरान्हा समाधान (एच2एसओ4:एच2ओ= 3:1 मात्रा से) में विसर्जित करें 10 न्यूनतम के लिए 388 K के तापमान पर बनाए रखा जाता है।
    नोट: गीले बेंच पर पिरान्हा समाधान के साथ काम करते समय उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहनें।
  2. DI पानी के साथ वेफर कुल्ला, एक गीली बेंच में दो चक्र, और स्पिन सुखाने की मशीन में एक एन2 वातावरण के तहत सूखी ।

3. एचएमडीएस जमाव

  1. सिलिका सतह (तालिका 1में विवरण) के साथ फोटोप्रतिरोध के आसंजन में सुधार करने के लिए हेक्सेथिलेडिसीलेन (एचएमडीएस) के वाष्प के लिए वेफर का पर्दाफाश करें।
स्टेज 1: निर्जलीकरण और चैंबर से ऑक्सीजन मिटाने
चरण समारोह 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
चरण समारोह समय (मिन)
1 वैक्यूम (1 टोर) 2
2 एचएमडीएस (6 टोर) 5
स्टेज 3: मिटाने प्रधानमंत्री निकास और वातावरण में लौटने (Backfill)
चरण समारोह समय (मिन)
1 वैक्यूम 1
2 नाइट्रोजन 2
3 वैक्यूम 2
4 नाइट्रोजन 3

तालिका 1: एचएमडीएस भड़काना प्रक्रिया विवरण।

4. लिथोग्राफी

  1. फोटोरोधको कोट स्पिन करने के लिए एक स्पिन कोटर के वैक्यूम-चक पर वेफर स्थानांतरित करें। फोटोप्रोड की 1.6 माइक्रोन मोटी वर्दी फिल्म प्राप्त करने के लिए एक नकारात्मक स्वर के रूप में एजेड 5214 फोटोडका का उपयोग करें (स्पिन कोटिंग पैरामीटर तालिका 2में सूचीबद्ध हैं)।
    नोट: AZ 5214 गर्मी उपचार (यानी, पूर्व पाक और बाद पाक) के आधार पर एक सकारात्मक या नकारात्मक टोन फोटोविरोध के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। यदि 2 मिन के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर प्रीबेक्ड, फोटोविरोध एक सकारात्मक स्वर के रूप में व्यवहार करता है, जैसे कि उजागर क्षेत्र विकास के दौरान भंग हो जाते हैं। नकारात्मक स्वर के लिए, फोटोरोध 2 मिन के लिए 105 डिग्री सेल्सियस पर प्रीबेक किया जाता है और इसके बाद यूवी एक्सपोजर और पोस्ट-बेकिंग 2 मिन के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर होती है।
    1. 2 मिन के लिए एक हॉटप्लेट पर 105 डिग्री सेल्सियस पर फोटोरोध-लेपित वेफर सेंकना। यह फोटोट्रूड फिल्म को सूख ता है और कठोर करता है, जो अन्यथा ग्लास मास्क से चिपक जाता है और यूवी एक्सपोजर के दौरान संदूषण के मुद्दों का कारण बनता है, और यह सिलिका सतह के फोटोप्रतिरोध के आसंजन में भी सुधार करता है।
      नोट: पूर्व सेंकना तापमान बहुत अधिक नहीं होना चाहिए, क्योंकि यह फोटोविरोध के प्रकाश-संवेदनशील घटकों के आंशिक विनाश का कारण बन सकता है, इसकी संवेदनशीलता को कम कर सकता है।
चरण स्पीड (आरपीएम) रैंप (आरपीएम/एस) समय (एस)
1 800 1000 3
2 1500 1500 3
3 3000 3000 30

तालिका 2: फोटोप्रोड की 1.6 माइक्रोन परत प्राप्त करने के लिए स्पिन कोटिंग नुस्खा के लिए पैरामीटर।

  1. फोटोडक्ड पर वांछित डिजाइन प्राप्त करने के लिए मास्क अलाइनमेंट सिस्टम (EVG 6200) का उपयोग करके क्रोम मास्क के माध्यम से 15 एस के लिए यूवी एक्सपोजर (80 एमजे/सेमी2)के तहत वेफर को बेनकाब करें।
  2. 2 मिन के लिए एक हॉटप्लेट पर 120 डिग्री सेल्सियस पर एहसास वेफर सेंकना। इस कदम के दौरान, उजागर नकारात्मक फोटोविरोध फिल्म आगे पार लिंक । नतीजतन, फोटोरोध के यूवी-उजागर हिस्से अब डेवलपर समाधान में घुलनशील नहीं हैं, जबकि उजागर क्षेत्र घुलनशील हैं।
  3. इसके अलावा यूवी लाइट (२०० एमजे/सेमी2)के तहत वेफर को यूवी क्योर सिस्टम (पीआरएक्स-2000-20) में 15 एस के लिए बेनकाब करें ।
    नोट: इस चरण के दौरान, फोटोविरोध क्षेत्र जो पहले उजागर नहीं किए गए थे (चरण 4.3) उजागर किए गए हैं और बाद में डेवलपर में भंग किए जा सकते हैं, वेफर पर वांछित संरचनाओं को पीछे छोड़ ते हैं। यह कदम ओवरएक्सपोजर के प्रति सहिष्णु है क्योंकि वांछित विशेषताएं (नकारात्मक स्वर में) अब पोस्ट-बेकिंग चरण के बाद फोटोसेंसिटिव नहीं हैं।
  4. सिलिकॉन वेफर पर वांछित फोटोरोध पैटर्न को प्राप्त करने के लिए 60 एस के लिए AZ-726 फोटोresist-डेवलपर (ग्लासवेयर में) के 50 मिलील स्नान में वेफर विसर्जित करें।
  5. बाद में DI पानी का उपयोग कर वेफर साफ करें और इसे एन2के साथ और उड़ा-सूखी करें।

5. धूम

  1. 50 एनएम मोटी क्रोमियम परत प्राप्त करने के लिए 200 एस के लिए वेफर पर स्पटर क्रोमियम। बयान निम्नलिखित मापदंडों के साथ एक आर्गन वातावरण में एक मानक 2 "गोल लक्ष्य स्रोत के साथ एक मैग्नेट्रॉन प्रकार डीसी प्रतिक्रियाशील स्पंदन का उपयोग करके किया जाता है: 400 वी, वर्तमान = 1 ए, और दबाव = 5 mTorr।
    नोट: क्रोम लेयर अष्टकोरोकोसाइक्लोब्यूटेन (सी4एफ8)के तहत सूखी नक़्क़ाशी से सिलिका की रक्षा करता है।

6. फोटोरोधा लिफ्ट-ऑफ

  1. एक क्रोमियम हार्ड मास्क के साथ वांछित सुविधाओं को पीछे छोड़ते हुए, शेष फोटोड (और फोटोप्रोड पर जमा क्रोमियम) को उठाने के लिए 5 मिन के लिए एक एसीटोन स्नान में स्पंदित वेफर का केट करें।

7. वेफर के दूसरे पक्ष का प्रसंस्करण

  1. एसीटोन और इथेनॉल की प्रचुर मात्रा के साथ वेफर की पीठ को फिर से लेने के बाद, एन2 बंदूक के साथ ब्लो-ड्राई, फिर चरण 4.1 और 4.2 दोहराएं।

8. मैनुअल बैक अलाइनमेंट

  1. डिजाइन में संरेखण के निशान और संपर्क संरेखक (EVG 6200) में "क्रॉसहेयर के साथ मैनुअल बैक अलाइनमेंट" मॉड्यूल का उपयोग करके वेफर के सामने की ओर वांछित सुविधाओं को संरेखित करें।
    नोट: मैनुअल बैक अलाइनमेंट माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल में एक महत्वपूर्ण कदम है। इस प्रकार, फोटोमास्क पर डिज़ाइन किए गए संरेखण सुविधाओं का उपयोग पोर संरेखण में ऑफसेट से बचने के लिए प्रभावी ढंग से किया जाना चाहिए।

9. वेफर की पीठ पर लिथोग्राफी

  1. वेफर के पीछे के लिए, वेफर के दोनों किनारों पर क्रोमियम के साथ आवश्यक डिजाइन उत्पन्न करने के लिए चरण 4.3-4.7, धारा 5 और धारा 6 दोहराएं। ध्यान दें कि क्रोमियम से ढकी सतह का हिस्सा नक़्क़ाशी से नहीं गुजरता है; इस प्रकार, जिन स्थानों में क्रोमियम वेफर पर अनुपस्थित है, वेर छिद्र के इनलेट और आउटलेट को परिभाषित करते हैं।

10. नक़्क़ाशी

  1. एक प्रेरक युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन etcher (RIE) है कि फ्लोरीन (सी4एफ8)और ऑक्सीजन (O2)रसायन विज्ञान को रोजगार द्वारा वेफर के दोनों ओर उजागर SiO2 परत की नक़्क़ाशी से गुजरना । अवधि प्रत्येक पक्ष के लिए 16 मिनट (आईसीपी-आरआईपैरामीटर टेबल 3 में सूचीबद्ध) है।
  2. सिलिकॉन परत में एक पायदान बनाने के लिए बॉश प्रक्रिया का उपयोग करके एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी के पांच चक्रों के साथ वेफर को संसाधित करें। इस प्रक्रिया को सी4एफ8 और सल्फर हेक्साफ्लोराइड (एसएफ6)गैसों के बारी-बारी से depositions का उपयोग करके एक फ्लैट साइडवॉल प्रोफाइल की विशेषता है। एनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी और बहुलक बयान को बारी-बारी से, सिलिकॉन सीधे नीचे हेजकरता है (तालिका 3में सूचीबद्ध नक़्क़ाशी पैरामीटर)।
  3. पिरान्हा समाधान (एच2एसओ4:एच2ओ = 3:1 मात्रा से) के स्नान में वेफर विसर्जित करें, जो 10 न्यूनतम के लिए 388 K के तापमान पर बनाए रखा जाता है। इससे एनीसोट्रोपिक स्टेप में जमा पॉलिमर निकल जाते हैं।
  4. अंडरकट बनाने के लिए, जो पुनः प्रवेशी प्रोफ़ाइल की पैदावार करता है, 165 एस (तालिका 3में सूचीबद्ध नक़्क़ाशी पैरामीटर) की अवधि के लिए एसएफ6-आधारितनुस्खा का उपयोग करके आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी से गुजरना पड़ता है।
    नोट: यह कदम वेफर के प्रत्येक पक्ष पर किया जाता है।
  5. एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी
    1. बॉश प्रक्रिया (नक़्क़ाशी मापदंडों तालिका 3में सूचीबद्ध हैं) का उपयोग करके गहरे नक़्क़ाशी के 200 चक्रों का उपयोग करके सिलिकॉन के 150 माइक्रोन में वेफर को डीप-आईसीपी-आरआई (ऑक्सफोर्ड इंस्ट्रूमेंट्स) में स्थानांतरित करें।
    2. वेफर की पीठ के साथ चरण 10.4.1 दोहराएं।
    3. नक़्क़ाशी प्रक्रिया से जमा पॉलीमेरिक संदूषकों को हटाने के लिए गीले बेंच में वेफर की पिरान्हा सफाई से गुजरना, जो एक समान नक़्क़ाशी दरों को सुनिश्चित करता है।
    4. छिद्रों के माध्यम से महसूस करने के लिए 10.4.1-10.4.3 चरणदोहराएं (जिसे एक प्रकाश स्रोत के नीचे नग्न आंखों द्वारा कल्पना की जा सकती है) वेफर में रिवेन्ब्युन्बिएबल इनलेट ्स और आउटलेट होते हैं।
  6. वेफर के दोनों किनारों से क्रोमियम को हटाने के लिए 60 एस के लिए क्रोम एटचैंट के 100 मिलीलीटर स्नान में वेफर विसर्जित करें।
पैरामीटर सिलिका नक़्क़ाशी एनिसोट्रोपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी/चक्र आइसोट्रॉपिक सिलिकॉन नक़्क़ाशी
बयान नक़्क़ाशी
आरएफ पावर (डब्ल्यू) 100 5 30 20
आईसीपी पावर (डब्ल्यू) 1500 1300 1300 1800
नक़्क़ाशी दबाव (mTorr) 10 30 30 35
तापमान (डिग्री सेल्सियस) 10 15 15 15
सी4एफ8 प्रवाह (एससीसीएम) 40 100 5 -
ओ2 प्रवाह (एससीसीएम) 5 - - -
एस एफ6 प्रवाह (एससीसीएम) - 5 100 110
नक़्क़ाशी समय (एस) 960 5 7 165

तालिका 3: एसआईओ2/एसआईड्राई नक़्क़ाशी के लिए पैरामीटर।

11. अंतिम सफाई

  1. माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया के बाद, ताजा तैयार पिरान्हा समाधान के 100 मीटर के साथ वेफर को साफ करें (एच2एसओ4:एच2ओ = 3:1 मात्रा से; टी = 388 K) 10 मिन के लिए एक गिलास कंटेनर में, तो आगे झटका-एक 99% शुद्ध एन2 दबाव बंदूक के साथ सूखी।
  2. टी = 323 K पर एक साफ वैक्यूम ओवन के अंदर एक ग्लास पेट्री डिश में नमूनों को रखें जब तक कि चिकनी एसआईओ2 पर पानी का आंतरिक संपर्क कोण 40 डिग्री (48 घंटे के बाद) पर स्थिर न हो जाए।
  3. एन2 कैबिनेट में प्राप्त सूखे नमूनों (सिलिका जीईएम) को स्टोर करें।
    नोट: पूरे निर्माण कार्यप्रवाह चित्र 4में चित्रित किया गया है ।

Figure 4

चित्रा 4: जेम माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Representative Results

यह अनुभाग उपरोक्त प्रोटोकॉल का उपयोग करके सिलिका-जीईएम माइक्रोफैब्रिकेटेड के पानी के नीचे प्रदर्शन प्रस्तुत करता है। इन GEMs के छिद्रों खड़ी गठबंधन थे, प्रवेश/आउटलेट व्यास डी = १०० μm थे, केंद्र के लिए केंद्र के छिद्रों (पिच) के बीच केंद्र की दूरी एल = ४०० μm था, reखिलाड़ी किनारों और दीवार के बीच जुदाई w = 18 μm था, और छिद्रों की लंबाई एच = ३०० μm(चित्रा 5)था । माइक्रोफैब्रिकेशन के दौरान नक़्क़ाशी चरणों और मामूली गलत संरेखण के दौरान की गई असंगतताओं के कारण, छिद्रों का मध्य भाग छिद्रों के नीचे के हिस्से और छिद्रों के आउटलेट की तुलना में थोड़ा संकरा था, हालांकि, यह बड़े पैमाने पर प्रवाह को काफी प्रभावित नहीं करता था।

Figure 5

चित्रा 5: सिलिका-जीईएम के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ स्कैनिंग। दिखाया गया है(ए)सिलिका-GEMs का एक झुका हुआ क्रॉस-सेक्शनल व्यू,(बी)एक ही पोर का एक बढ़ाया क्रॉस-सेक्शनल व्यू, और(सी, डी)एक ताकना के इनलेट्स और आउटलेट्स पर रिफैंबियन किनारों के बढ़ाया दृश्य। पैनल (सी) और (डी) दास एट अल३७से फिर से मुद्रित कर रहे हैं । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

पानी में सिलिका-जीईएम विसर्जित
सिलिका (एसआईओ2)हाइड्रोफिलिक है, जैसा कि संतृप्त जल वाष्प, ओ40 डिग्री के तहत उस पर पानी की बूंदों के आंतरिक संपर्क कोण की विशेषता है। इस प्रकार, यदि सिलिका शीट पर बेलनाकार छिद्र बनाए जाते हैं, तो पानी उन्हें धारण करेगा, पूरी तरह से भरे हुए, या वेनज़ेल राज्य32तक पहुंच जाएगा। इसका परीक्षण करने के लिए, एक कस्टम-निर्मित मॉड्यूल नियोजित किया गया था जो रंगे नमकीन पानी के जलाशय (भोजन रंग के साथ ~ 0.6 एम एनसीएल) और डिओनाइज्ड पानी(टी = 293 K और पी = 1 एटीएम) के बीच एक परीक्षण-झिल्ली को सुरक्षित कर सकता है। यह सीटू (चित्रा 6ए)में पोर भरने की निगरानी के लिए एक कंप्यूटर में deionized पानी जलाशय की विद्युत चालकता को भी लॉग करता है। यहां, सरल बेलनाकार छेद के साथ सिलिका झिल्ली दो जलाशयों के मिश्रण को रोकने में सक्षम नहीं थे, क्योंकि पानी तुरंत घुसपैठ के रूप में रंग(पूरक फिल्म)की रिहाई से परिलक्षित होता है । इसके विपरीत, जब सिलिका-जीईएम का परीक्षण एक ही शर्तों के तहत किया गया था, तो उन्होंने हवा को मजबूती से फंसाया और इसे 6 सप्ताह से अधिक समय तक बरकरार रखा, विद्युत चालकता माप (डिटेक्शन लिमिट = ± 0.01 μS/सेमी) द्वारा पुष्टि की गई, जिसके बाद प्रयोग को बंद कर दिया गया(चित्र6बी)। इन निष्कर्षों से यह स्थापित होता है कि जीईएम वास्तुकला हाइड्रोफिलिक सामग्रियों को पानी में विसर्जन पर हवा को मजबूती से फंसाने में सक्षम बना सकता है। इसके अलावा, एक ताकना स्तर परिदृश्य प्रस्तुत किया गया था जिसमें पानी में फंसी हवा की कम घुलनशीलता और हवा-पानी इंटरफेस की वक्रता ने तरल मेनिस्कस को पोर(चित्रा 6सी)में आगे घुसपैठ करने से रोका।

Figure 6

चित्रा 6: झिल्ली मजबूती परीक्षण। (A)3डी-मुद्रित अनुकूलित सेल की योजनाबद्ध शुद्ध डिओनाइज्ड पानी(टी = 293 K, पी = 1 एटीएम) से रंगे नमकीन पानी (~ 0.6 एम एनसीएल विद फूड कलरिंग) को अलग करने पर झिल्ली की मजबूती का परीक्षण करने के लिए, जबकि एक साथ डीआई जल जलाशय की विद्युत चालकता को कंप्यूटर में लॉग इन करते हैं। (ख)डीआई जल जलाशय ओवरटाइम की विद्युत चालकता का एक अर्ध-logarithmic भूखंड जब सिलिका-जीईएम का उपयोग दो जलाशयों को अलग करने के लिए किया गया था । उल्लेखनीय है, सिलिका-GEMs मजबूती से हर ताकना में हवा में फंस, जैसे कि पानी 6 सप्ताह से अधिक के लिए एक भी ताकना घुसना नहीं कर सकता है, बिजली के चालकता डेटा का सबूत है । (ग)पोर स्तर योजनाबद्ध, या तो अंत में हवा पानी इंटरफेस दिखा । पैनल (ए) और (बी) दास एट अल३७से फिर से मुद्रित कर रहे हैं । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

सिलिका-जीईएम अंडरवाटर (~ 5 मिमी कॉलम) के इनलेट्स और आउटलेट्स पर एयर-वॉटर इंटरफेस के पिनिंग और विस्थापन में गहरी अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए, कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया गया था। यह अच्छी तरह से जाना जाता है कि कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी में रोशनी के लिए उपयोग किया जाने वाला लेजर सिस्टम39को भी गर्म करता है, जो गीले संक्रमण में तेजी ला सकता है। फिर भी, उच्च स्थानिक संकल्प उपयोगी अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकते हैं। तुलना के लिए, रिबाइनी गुहाओं के साथ सिलिका सतहों के व्यवहार की भी जांच की गई थी29,40। दोनों परिदृश्यों में, ऊपर पानी जलाशय को आपूर्ति की गई अतिरिक्त गर्मी माइक्रोटेक्सरी के अंदर जल वाष्प के केशिका संघनन को बढ़ाती है। पुनः प्रवेशति गुहाओं के मामले में, जल वाष्प के संघनन ने फंसी हुई हवा को विस्थापित कर दिया, जिसके कारण हवा-पानी इंटरफेस को ऊपर की ओर बढ़ाया गया और सिस्टम को अस्थिर कर दिया(चित्रा 7ए, सी)। उन प्रयोगात्मक परिस्थितियों में, पानी 2 घंटे से भी कम समय में सभी गुहाओं में घुसपैठ हो गई । इसके विपरीत, सिलिका-जीईएम बहुत लंबी अवधि के लिए उभड़ा हुआ से मुक्त रहे, भले ही हीटिंग की दर समान थी। इन परिणामों को ताकना के विपरीत दिशा में कूलर एयर-वॉटर इंटरफेस पर लेजर-गर्म जलाशय से जल वाष्प के तरजीही संघनन के आधार पर तर्कसंगत बनाया गया था(चित्रा 7बी, डी)। हालांकि, इस प्रायोगिक विन्यास में बड़े पैमाने पर हस्तांतरण की दर को मापना संभव नहीं था।

Figure 7

चित्रा 7: एयर-वॉटर इंटरफेस। (A)सिलिका-जीईएम अंडरवाटर (कॉलम ऊंचाई, जेड 5 मिमी; लेजर पावर = 0.6 मेगावाट) के इनलेट्स में एयर-वॉटर इंटरफेस के कंप्यूटर-संवर्धित 3डी पुनर्निर्माण सफेद बिंदीदार लाइनों (केंद्रीय छवि के बाएं और दाएं किनारों पर) के साथ क्रॉस-सेक्शनल दृश्यों के साथ। शीर्ष दिशा में लेजर से हीटिंग के कारण, पानी वाष्प गुहाओं के अंदर गाढ़ा, फंसी हवा विस्थापित । इसके कारण हवा-पानी के मेनिसकस ऊपर की ओर उभार रहे और अस्थिर हो गए । डेढ़ घंटे के बाद ज्यादातर गुलाल पानी में घुस गए। (ख)सिलिका-जीईएम के कॉन्फोकल माइक्रोग्राफ (ए) जैसी परिस्थितियों में । (ग)पानी के नीचे पुनः प्रवेशति गुहाओं के मामले में हवा-पानी मेनिस्कस के उभड़ा हुआ योजनाबद्ध । (D)इसी तरह की परिस्थितियों में सिलिका-जीईएम में एक ताकना के लिए योजनाबद्ध । गर्म पानी वाष्प हर जगह संघनित, सबसे विशेष रूप से लेजर से आगे की ओर कूलर हवा पानी इंटरफेस पर । इस सामूहिक हस्तांतरण के परिणामस्वरूप, ताकना में न्यूनतम दबाव निर्माण होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

जीईएम के साथ सीधे संपर्क झिल्ली आसवन
यह स्थापित करने के बाद कि सिलिका-जीईएम दोनों तरफ दो जल जलाशयों को मजबूती से अलग कर सकते हैं, एक स्थिर DCMD विन्यास का परीक्षण किया गया था, जिसमें नमकीन फ़ीड साइड (टी = 333 K पर 0.6 एम एनसीएल) और डिओनाइज्ड रिस साइड(टी = 288 K) स्थिर जलाशय थे। भले ही सिलिका-जीईएम ने पानी की घुसपैठ को रोका, लेकिन मापने योग्य प्रवाह नहीं देखे गए । यह इस तथ्य के कारण था कि सिलिकॉन की थर्मल चालकता(k= 149 W-m-1K-1)41 विशिष्ट डीसीएमडी झिल्ली (यानी, कश्मीर एंड एलटी; 1 डब्ल्यू-एम-1-K-1)2की तुलना में अधिक परिमाण के आदेश हैं। इस प्रकार, सिलिका-जीईएम के साथ प्रायोगिक सेट-अप तापमान ध्रुवीकरण के रूप में जाना जाता है, जिसमें गर्म पक्ष ठंड की ओर गर्मी खो देता है, प्रवाह31को कम करता है।

नैनोस्ट्रक्टरिंग42 (उदाहरण के लिए, इसके थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों को बढ़ाने केलिए)के माध्यम से सिलिकॉन की थर्मल चालकता को कम करना संभव हो सकता है, लेकिन इन रास्तों का पता नहीं लगाया गया। इसके बजाय, सिलिका-जीईएम से डिजाइन सिद्धांतों का अनुवाद पॉलीमेथिलमेथक्रिलेट (पीएमएमए) शीट(ओ एफ्मा) शीट (ओएफएमए)70 डिग्री पानी के लिए, कश्मीर = 0.19डब्ल्यू-एम-1-के-1)40 पीएमएमए-जीईएम37बनाने के लिए किया गया था। दरअसल, पीएमएमए-जीईएम के पहले (प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट) बैच में कम पोरोसिटी (0.08 की) ने फीड साइड और रिस के मजबूत पृथक्करण का प्रदर्शन किया और 90 घंटे से अधिक 1 एल-एम2-एच-1 का प्रवाह प्राप्त किया। इस प्रकार, विलवणीकरण के लिए हरियाली, कम लागत झिल्ली के उत्पादन के लिए अधिक सामान्य सामग्रियों का उपयोग करने के लिए इन सिलिका-जीईएम आधारित अध्ययनों का अनुवाद करना संभव है।

पूरक फिल्म। कृपया इस फ़ाइल को देखने के लिए यहां क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए सही क्लिक करें)।

Discussion

यह काम सिलिका-जीईएम के डिजाइन और निर्माण को प्रस्तुत करता है, जो हाइड्रोफिलिक सामग्रियों से प्राप्त पहली बार डीसीएमडी झिल्ली है। एसआईओ2/एसआईप्रणाली के साथ माइक्रोफैब्रिकेशन रचनात्मक विचारों का परीक्षण करने के लिए माइक्रोटेक्सचर बनाने के लिए अपार लचीलापन प्रदान करता है । बेशक, इस काम का दायरा जीईएम के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट तक सीमित है, क्योंकि एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर्स और क्लीनरूम माइक्रोफैब्रिकेशन प्रोटोकॉल विलवणीकरण झिल्ली के लिए अव्यावहारिक हैं ।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि, भले ही जीईएम वास्तुकला विसर्जन पर पानी की घुसपैठ को रोक सकता है जब आंतरिक संपर्क कोण 40 डिग्री होता है, यह रणनीति विफल रहती है यदि सतह को सुपरहाइड्रोफिलिक बनाया जाता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन प्लाज्मा के संपर्क में आने के बाद, सिलिका सतहों में 5 डिग्री का प्रदर्शन होता है, और ये सिलिका-जीईएम हवा खो देते हैं जो छिद्रों के अंदर अनायास बुलबुले के रूप में फंस जाता है, क्योंकि तरल मेनिस्कस अब पुनः प्रवेशी किनारों पर टिकी नहीं है। हालांकि, पॉलीविनाइल अल्कोहल(ओ, 51 डिग्री) और पॉली (एथिलीन टेरेफ्थैलेट) (एथिलीन टेरेफ्थैलेट)(72 डिग्री) जैसे आम प्लास्टिक को इस दृष्टिकोण के लिए उत्तरदायी होना चाहिए। इस प्रकार, सिलिका-जीईएम से सीखे गए डिजाइन सिद्धांतों को 3-डी प्रिंटिंग44,योजक विनिर्माण45,लेजर माइक्रोमाकिनिंग46और सीएनसी मिलिंग37आदि का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है।

इसके बाद सिलिका-जीईएम के माइक्रोफैब्रिकेशन के कुछ महत्वपूर्ण पहलुओं पर चर्चा की जाती है, जिन पर विशेष ध्यान देने की जरूरत होती है । सुविधाओं के मैनुअल बैक अलाइनमेंट (सेक्शन 8) को खड़ी गठबंधन छिद्रों को प्राप्त करने के लिए यथासंभव सावधानी के साथ किया जाना चाहिए। ऑफसेट के परिणामस्वरूप ताकना-गला हो सकता है, और सबसे खराब स्थिति में, गलत संरेखण दोनों तरफ केवल गुहाओं (कोई छिद्र नहीं) का कारण बन सकता है। इस प्रकार, यह बहु पैमाने पर संरेखण चिह्नों का उपयोग करने का सुझाव दिया जाता है, जिसमें सबसे छोटा संरेखण चिह्न ताकना व्यास से कम से कम चार गुना छोटा होता है।

सी4एफ8 और ओ2 (चरण 10.1) के साथ सिलिका परत की नक़्क़ाशी के दौरान, प्रतिक्रिया कक्ष का पूर्व उपयोग (यानी, स्वच्छता) नक़्क़ाशी दरों को प्रभावित कर सकता है। यह प्रतिक्रिया कक्ष में संदूषकों की उपस्थिति के कारण है, जो विश्वविद्यालयों जैसी साझा उपयोगकर्ता सुविधाओं में एक आम घटना है। इस प्रकार, यह सिफारिश की जाती है कि यह कदम पहले डमी वेफर पर किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सिस्टम स्वच्छ और स्थिर है। इसके अलावा, नक़्क़ाशी के लिए कम अवधि का उपयोग करने की सलाह दी जाती है (उदाहरण के लिए, रिफ्लेक्टोमेट्री का उपयोग करके सिलिका परत की मोटाई की निगरानी करते समय 5 से अधिक नहीं) । उदाहरण के लिए, यदि एक एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर से2 माइक्रोन एसआईओ 2 परत को पूरी तरह से हटाने के लिए 16 मिन लेता है, तो नक़्क़ाशी प्रक्रिया को चार चरणों में विभाजित किया जाना चाहिए जिसमें तीन 5 मिन चक्र शामिल हैं, जिसके बाद रिफ्लेक्टोमेट्री, और एक 1 मिन (वैकल्पिक) नक़्क़ाशी कदम, रिफ्लेक्टोमेट्री परिणामों के आधार पर ।

बॉश प्रक्रिया के दौरान सिलिका पुनः प्रवेशसुविधासुविधाओं को संरक्षित करने के लिए जिसका उपयोग सिलिकॉन परत (चरण 10.4) को नक़्क़ाशी करने के लिए किया जाता है, यह महत्वपूर्ण है कि क्रोमियम हार्ड मास्क का उपयोग किया जाता है। बॉश प्रक्रिया में एनिसोट्रोपिक प्रोफाइल सुनिश्चित करने के लिए सी4एफ8 का बयान आवश्यक है। हालांकि, लंबे नक़्क़ाशी चक्रों पर, यह परत बहुत मोटी और दूर करने के लिए मुश्किल हो सकती है। इस प्रकार, यह सिफारिश की जाती है कि बॉश प्रक्रिया को ~ 200 से अधिक चक्रों के लिए नहीं चलाया जाना चाहिए, और इसका पालन पिरान्हा सफाई द्वारा किया जाना चाहिए। यह भी देखा गया है कि क्रोमियम हार्ड मास्क की उपस्थिति के बावजूद गहरी नक़्क़ाशी के लंबे चक्र सिलिका परत की मोटाई को भी कम करते हैं।

अधिकांश शुष्क नक़्क़ाशी उपकरण नक़्क़ाशी दरों के मामले में स्थानिक एकरूपता प्राप्त करने में विफल रहते हैं। इस प्रकार, एक एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर के केंद्र में प्राप्त विशेषताएं वेफर की सीमा पर समान नहीं हो सकती हैं । यहां, 4 "वेफर्स" के केंद्र में उच्च गुणवत्ता वाली विशेषताओं का एहसास किया गया था, और नमूने समय-समय पर माइक्रोस्कोप के नीचे देखे गए थे। इस मामले में कि कुछ क्षेत्रों को दूसरों की तुलना में अधिक नक़्क़ाशी पर ध्यान दिया जाता है, वेफर को टुकड़ों में तोड़दिया जाना चाहिए जिन्हें अलग से नक़्क़ाशी पर ध्यान दिया जाना चाहिए।

यह निर्माण प्रोटोकॉल किसी भी मोटाई के एसआईओ 2/एसआई/एसआईओ2 वेफर्स पर लागू किया जा सकता है; हालांकि, एक मोटी परत का मतलब है कि नक़्क़ाशी चक्र की एक उच्च संख्या की जरूरत है। यह सुझाव दिया जाता है कि जब तक यह हैंडलिंग और लक्षण वर्णन के दौरान वेफर की यांत्रिक अखंडता से समझौता नहीं करता है, तब तक <300 μm मोटाई के सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग करें।

Disclosures

आर.डी., एसए, और एचएम ने एक अंतरराष्ट्रीय पेटेंट दायर किया है, आवेदन नहीं । पीसीटी/IB2019/054548 ।

Acknowledgments

एचएम ने बास/1/1070-01-01 के तहत किंग अब्दुल्ला विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय से वित्तपोषण और नैनोफैब्रिकेशन कोर लैब सुविधाओं के लिए कौस्तुभ का उपयोग स्वीकार किया ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printer BCN3D 020.180510.3103 BCN3D Sigma 3D printer for printing test module with PLA (polylactic acid) filament.
Acetone BASF
AZ-5214 E photoresist Merck
AZ-726 MIF developer Merck
Chrome Etchant MicroChemicals TechniEtch Cr01 To remove chromium from silicon wafer and mask
Conductivity Meter Hanna HI98192 To measure conductivity of pure water during leak testing.
Confocal microscope Zeiss ZEISS LSM 710 For fluorescence imaging of water.
Contact Aligner EVG EVG6200 Mask aligner
Deep ICP-RIE Oxford Instruments Plasmalab system100
DI water
Direct writer Heidelberg Instruments µPG501 direct-writing system UV exposure
Food Dye Kroger Green food dye to label salty water.
Glass Petri dish VWR
HMDS vapor prime Yield Engineering systems
Hot plate Cost effective equipments Model 1300
Hydrogen peroxide 30% VWR chemicals To prepare piranha solution.
Imaris software Bitplane Version 8 Postprocess confocal microscopy images
Nitrogen gas
Optical surface profiler Zygo Zygo newview 7300
Photomask Nanofilm 5-inch soda lime glass mask
Profilometer Veeco Detak 8 Stylus profilometer
Reactive Sputter Equipment Support Company Ltd Chromium sputtering
Reactive-Ion Etching (RIE) Oxford Instruments Plasmalab system100
Reflectometer Nanometrics Nanospec 6100 To check remaining oxide layer thickness.
Rhodamine B Merck 81-88-9 Dye for imaging water meniscus under confocal microscope.
SEM stub Electron Microscopy Sciences
SEM-Quanta 3D FEI Quanta 3D FEG Dual Beam (SEM/FIB)
Silicon wafer Silicon Valley Microelectronics Double side polished, 4" diamater, 300 µm thickness, 2 µm thick oxide layer, p-doped, <100> orientation.
Sodium Chloride Merck 7647-14-5 For preparing NaCl solution
Sonicator Branson 1510
Spin coater Headway Research,Inc.
Spin dryer MicroProcess Avenger Ultra Pure 6 Spin drying in Nitrogen environment.
Sputter Quorum Technologies Q150T S Iridium sputter for SEM.
Sulfuric acid 96% Technic 764-93-9 To prepare piranha solution.
Tanner EDA L-Edit software Tanner EDA, Inc. For designing photomask
Tweezers Excelta
UV Cure Tamarack Scientific Co. Inc. PRX-2000-20 For flood exposure of wafer and photomask
Vaccum oven Thermo Scientific 13-258-13 Lindberg/Blue M
Wet bench JST Manufacturing Inc. 17391-015-00 Wet bench used for piranha cleaning

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