Summary

Nanoimpresión electroquímica asistida por metal de obleas de silicio poroso y sólido

Published: February 08, 2022
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Summary

Se presenta un protocolo para la impresión química asistida por metal de características de microescala 3D con una precisión de forma inferior a 20 nm en obleas de silicio sólido y poroso.

Abstract

La impresión electroquímica asistida por metal (Mac-Imprint) es una combinación de grabado químico asistido por metal (MACE) y litografía de nanoimpresión que es capaz de modelar directamente características 3D a micro y nanoescala en semiconductores monocristalinos de grupo IV (por ejemplo, Si) y III-V (por ejemplo, GaAs) sin la necesidad de plantillas de sacrificio y pasos litográficos. Durante este proceso, un sello reutilizable recubierto con un catalizador de metal noble se pone en contacto con una oblea de Si en presencia de una mezcla de ácido fluorhídrico (HF) y peróxido de hidrógeno (H2O2), lo que conduce al grabado selectivo de Si en la interfaz de contacto metal-semiconductor. En este protocolo, discutimos los métodos de preparación de sellos y sustratos aplicados en dos configuraciones Mac-Imprint: (1) Porous Si Mac-Imprint con un catalizador sólido; y (2) Solid Si Mac-Imprint con un catalizador poroso. Este proceso es de alto rendimiento y es capaz de patrones paralelos a escala de centímetros con resolución inferior a 20 nm. También proporciona baja densidad de defectos y patrones de área grande en una sola operación y evita la necesidad de grabado en seco, como el grabado de iones reactivos profundos (DRIE).

Introduction

El modelado tridimensional a micro y nanoescala y la texturización de semiconductores permiten numerosas aplicaciones en diversas áreas, como optoelectrónica1,2, fotónica3, superficies antirreflectantes4, superficies súper hidrofóbicas y autolimpiantes5,6 entre otras. La creación de prototipos y la producción en masa de patrones 3D y jerárquicos se han logrado con éxito para películas poliméricas mediante litografía suave y litografía de nanoimpresión con resolución inferior a 20 nm. Sin embargo, la transferencia de tales patrones poliméricos 3D a Si requiere la selectividad de grabado de un patrón de máscara durante el grabado de iones reactivos y, por lo tanto, limita la relación de aspecto e induce distorsiones de forma y rugosidad de la superficie debido a los efectos de festoneo7,8.

Se ha logrado un nuevo método llamado Mac-Imprint para el modelado paralelo y directo de obleas de Si porosas9 y sólidas10,11, así como de obleas GaAs sólidas12,13,14. Mac-Imprint es una técnica de grabado húmedo basada en contacto que requiere el contacto entre el sustrato y un sello recubierto de metal noble que posee características 3D en presencia de una solución de grabado (ES) compuesta de HF y un oxidante (por ejemplo, H2O2 en el caso de Si Mac-Imprint). Durante el grabado, se producen dos reacciones simultáneamente15,16: una reacción catódica (es decir, la reducción de H2O2 en el metal noble, durante la cual se generan portadores de carga positiva [agujeros] y posteriormente se inyectan en Si17) y una reacción anódica (es decir, disolución de Si, durante la cual se consumen los agujeros). Después de un tiempo suficiente en contacto, las características 3D del sello se graban en la oblea Si. Mac-Imprint tiene numerosas ventajas sobre los métodos litográficos convencionales, como el alto rendimiento, la compatibilidad con plataformas roll-to-plate y roll-to-roll, semiconductores amorfos, monocristalinos de Si y III-V. Los sellos Mac-Imprint se pueden reutilizar varias veces. Además, el método puede ofrecer una resolución de grabado inferior a 20 nm que es compatible con los métodos de escritura directa contemporáneos.

La clave para lograr una impresión de alta fidelidad es la vía de difusión hacia el frente de grabado (es decir, la interfaz de contacto entre el catalizador y el sustrato). El trabajo de Azeredo et al.9 demostró por primera vez que la difusión de ES se habilita a través de una red porosa de Si. Torralba et al.18, reportaron que para realizar Si Mac-Imprint sólido la difusión ES es habilitada a través de un catalizador poroso. Bastide et al.19 y Sharstniou et al.20 investigaron más a fondo la influencia de la porosidad catalítica en la difusión de ES. Por lo tanto, el concepto de Mac-Imprint se ha probado en tres configuraciones con distintas vías de difusión.

En la primera configuración, el catalizador y el sustrato son sólidos, sin proporcionar una vía de difusión inicial. La falta de difusión del reactivo conduce a una reacción secundaria durante la impresión que forma una capa de Si poroso en el sustrato alrededor del borde de la interfaz catalizador-Si. Los reactivos se agotan posteriormente y la reacción se detiene, lo que resulta en una fidelidad de transferencia de patrón no discernible entre el sello y el sustrato. En la segunda y tercera configuraciones, las vías de difusión se habilitan a través de redes porosas introducidas en el sustrato (es decir, Si poroso) o en el catalizador (es decir, oro poroso) y se alcanza una alta precisión de transferencia de patrones. Por lo tanto, el transporte masivo a través de materiales porosos desempeña un papel fundamental para permitir la difusión de reactivos y productos de reacción hacia y fuera de la interfaz de contacto9,18,19,20. En la Figura 1 se muestra un esquema de las tres configuraciones.

Figure 1
Figura 1: Esquemas de configuraciones de Mac-Imprint. Esta figura destaca el papel de los materiales porosos para permitir la difusión de especies que reaccionan a través del sustrato (es decir, el caso II: Si poroso) o en el sello (es decir, el caso III: película delgada del catalizador hecha de oro poroso). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En este documento, se discute a fondo el proceso de Mac-Imprint, incluida la preparación de sellos y el pretratamiento del sustrato junto con el propio Mac-Imprint. La sección de pretratamiento de sustrato dentro del protocolo incluye limpieza de obleas de Si y patrones de obleas de Si con grabado en seco y anodización de sustrato (opcional). Además, una sección de preparación de sellos se subdivide en varios procedimientos: 1) moldeo de réplica PDMS del molde maestro Si; 2) nanoimpresión UV de una capa fotorresistente para transferir el patrón PDMS; y 3) deposición catalítica de la capa a través de la pulverización del magnetrón seguida de la desasignación (opcional). Finalmente, en la sección Mac-Imprint se presenta la configuración de Mac-Imprint junto con los resultados de Mac-Imprint (es decir, patrones jerárquicos 3D de superficie Si).

Protocol

PRECAUCIÓN: Use prácticas de seguridad apropiadas y equipo de protección personal (por ejemplo, bata de laboratorio, guantes, gafas de seguridad, zapatos cerrados). Este procedimiento utiliza ácido HF (48% en peso), que es un producto químico extremadamente peligroso y requiere equipo de protección personal adicional (es decir, un protector facial, delantal de caucho natural y un segundo par de guantes de nitrilo que cubren la mano, las muñecas y los antebrazos). 1. Preparación de sellos…

Representative Results

Se obtuvieron imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM), escaneos de microscopio óptico (Figura 9) y escaneos de microscopía de fuerza atómica (AFM) (Figura 10) para estudiar las propiedades morfológicas de los sellos Mac-Imprint y las superficies de Si impresas. El perfil transversal del Si sólido impreso se comparó con el del sello Au poroso utilizado (Figura 10). La fidelidad de…

Discussion

Los sellos Mac-Imprint y los chips Si premodelados (tipo p, orientación [100], 1-10 Ohm∙cm) se prepararon de acuerdo con las secciones 1 y 2 del protocolo, respectivamente. El Mac-Imprint del chip Si premodelado con sellos que contienen patrones jerárquicos 3D se realizó de acuerdo con la sección 3 del protocolo (Figura 9). Como se muestra en la Figura 9a, se aplicaron diferentes configuraciones de Mac-Imprint: Si sólido con Au sólido (i…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos al Dr. Keng Hsu (Universidad de Louisville) por sus ideas sobre este trabajo; el Laboratorio Frederick Seitz de la Universidad de Illinois y, in memoriam, el miembro del personal Scott Maclaren; Centro LeRoy Eyring para la Ciencia del Estado Sólido de la Universidad Estatal de Arizona; y la Science Foundation Arizona bajo el Bis grove Scholars Award.

Materials

Acetone, >99.5%, ACS reagent Sigma-Aldrich 67-64-1 CAUTION, chemical
Ammonium fluoride, >98%, ACS grade Sigma-Aldrich 12125-01-8 CAUTION, hazardous
Ammonium hydroxide solution, 28-30%, ACS reagent Sigma-Aldrich 1336-21-6 CAUTION, hazardous
AZ 400K developer Microchemicals AZ 400K CAUTION, chemical
BenchMark 800 Etch Axic BenchMark 800 Reactive ion etching
Chromium target, 2" x 0.125", 99.95% purity ACI alloys ADM0913 Magnetron sputter chromium target
CTF 12 Carbolite Gero C12075-700-208SN Tube furnace
Desiccator Fisher scientific Chemglass life sciences CG122611 Desiccator
F6T5/BLB Eiko F6T5/BLB 6W UV bulb
Gold target, 2" x 0.125", 99.99% purity ACI alloys N/A Magnetron sputter gold target
Hotplate KW-4AH Chemat tecnologie KW-4AH Leveled hotplate with uniform temperature profile
Hydrofluoric acid, 48%, ACS reagent Sigma-Aldrich 7664-39-3 CAUTION, extremly hazardous
Hydrogen peroxide, 30%, ACS reagent Fisher Chemical 7722-84-1 CAUTION, hazardous
Isopropyl alcohol, >99.5%, ACS reagent LabChem 67-63-0 CAUTION, chemical
MLP-50 Transducer Techniques MLP-50 Load cell
Nitric acid, 70%, ACS grade SAFC 7697-37-2 CAUTION, hazardous
NSC-3000 Nano-master NSC-3000 Magnetron sputter
Potassium hydroxide, 45%, Certified Fisher Chemical 1310-58-3 CAUTION, chemical
Rocker 800 vacuum pump, 110V/60Hz Rocker 1240043 Oil-free vacuum pump
Silicon master mold NILT SMLA_V1 Silicon chip with pattern
Silicon wafers, prime grade University wafer 783 Si wafer
Silver target, 2" x 0.125", 99.99% purity ACI alloys HER2318 Magnetron sputter silver target
SP-300 BioLogic SP-300 Potentiostat
SPIN 150i Spincoating SPIN 150i Spin coater
SPR 200-7.0 positive photoresist Microchem SPR 220-7.0 CAUTION, chemical
Stirring hotplate Thermo scientific Cimarec+ SP88857100 General purpose hotplate
SU-8 2015 negative photoresist Microchem SU-8 2015 CAUTION, chemical
SYLGARD 184 Silicone elastomere kit DOW 4019862 CAUTION, chemical
T-LSR150B Zaber Technologies T-LSR150B-KT04U Motorized linear stage
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97% Sigma-Aldrich 78560-45-9 CAUTION, hazardous

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Cite This Article
Sharstniou, A., Niauzorau, S., Junghare, A., Azeredo, B. P. Metal-Assisted Electrochemical Nanoimprinting of Porous and Solid Silicon Wafers. J. Vis. Exp. (180), e61040, doi:10.3791/61040 (2022).

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