Waiting
Login processing...

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

Engineering

Metalassisteret elektrokemisk nanoimprinting af porøse og faste silicium wafere

Published: February 8, 2022 doi: 10.3791/61040
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1The Polytechnic School, Arizona State University

Summary

En protokol for metal-assisteret kemisk prægning af 3D mikroskala funktioner med sub-20 nm form nøjagtighed i faste og porøse silicium wafers præsenteres.

Abstract

Metalassisteret elektrokemisk prægning (Mac-Aftryk) er en kombination af metalassisteret kemisk ætsning (MACE) og nanoimprint litografi, der er i stand til direkte at mønstre 3D mikro- og nanoskalafunktioner i monokrystallinsk gruppe IV (f.eks. Si) og III-V (f.eks. GaAs) halvledere uden behov for offerskabeloner og litografiske trin. Under denne proces bringes et genanvendeligt stempel belagt med en ædelmetalkatalysator i kontakt med en Si wafer i nærværelse af en hydrofluorsyre (HF) og hydrogenperoxid (H2O2) blanding, hvilket fører til selektiv ætsning af Si ved metal-halvlederkontaktgrænsefladen. I denne protokol diskuterer vi de stempel- og substratforberedelsesmetoder, der anvendes i to Mac-Imprint-konfigurationer: (1) Porous Si Mac-Aftryk med en solid katalysator; og (2) Solid Si Mac-aftryk med en porøs katalysator. Denne proces er høj gennemløb og er i stand til centimeter-skala parallel mønstre med sub-20 nm opløsning. Det giver også lav defekt densitet og store areal mønstre i en enkelt operation og omgår behovet for tør ætsning såsom dyb reaktiv ion ætsning (DRIE).

Introduction

Tredimensionelle mikro- og nanoskalamønstre og teksturering af halvledere muliggør mange anvendelser på forskellige områder, såsom optoelektronik1,2, fotonik3, antireflektive overflader4, super hydrofobiske og selvrensende overflader5,6 blandt andre. Prototyping og masseproducerende 3D og hierarkiske mønstre er med succes blevet udført for polymere film ved blød litografi og nanoimprinting litografi med sub-20 nm opløsning. Overførsel af sådanne 3D polymere mønstre til Si kræver imidlertid den ætsende selektivitet af et maskemønster under reaktiv ion ætsning og begrænser dermed billedformatet og fremkalder formforvrængninger og overflade ruhed på grund af flossede virkninger7,8.

En ny metode kaldet Mac-Aftryk er opnået for parallel og direkte mønstre af porøse9 og faste Si wafers10,11 samt solid GaAs wafers12,13,14. Mac-Imprint er en kontaktbaseret våd ætsning teknik, der kræver kontakt mellem substrat og en ædel metal-belagt stempel besidder 3D-funktioner i nærværelse af en ætsning løsning (ES) bestående af HF og en oxidant (f.eks H2O2 i tilfælde af Si Mac-Aftryk). Under ætsningen forekommer to reaktioner samtidigt15,16: en katodisk reaktion (dvs. H2O2-reduktionen ved ædelmetal, hvor der genereres positive ladebærere [huller] og efterfølgende injiceres i Si17) og en anodisk reaktion (dvs. Si opløsning, hvor hullerne forbruges). Efter tilstrækkelig kontakt ætses stemplets 3D-funktioner ind i Si wafer. Mac-Imprint har mange fordele i forhold til konventionelle litografiske metoder, såsom høj gennemløb, kompatibilitet med roll-to-plate og roll-to-roll platforme, amorfe, mono- og polykrystallin Si og III-V halvledere. Mac-aftryksstempler kan genbruges flere gange. Derudover kan metoden levere en sub-20 nm ætsning opløsning, der er kompatibel med moderne direkte skrivemetoder.

Nøglen til at opnå high-fidelity prægning er diffusion vej til ætsning front (dvs. kontakt interface mellem katalysator og substrat). Arbejdet i Azeredo et al.9 viste først, at ES diffusion er aktiveret gennem et porøst Si-netværk. Torralba et al.18, rapporterede, at for at realisere solid Si Mac-Aftryk ES diffusion er aktiveret gennem en porøs katalysator. Bastide et al.19 og Sharstniou et al.20 undersøgte yderligere katalysator porositeten indflydelse på ES diffusion. Således er begrebet Mac-Imprint blevet testet i tre konfigurationer med forskellige diffusionsveje.

I den første konfiguration er katalysatoren og substratet solid, hvilket ikke giver nogen indledende diffusionsvej. Manglen på reaktiv diffusion fører til en sekundær reaktion under prægning, der danner et lag af porøs Si på substratet omkring kanten af katalysator-Si interface. Reaktanterne er efterfølgende udtømt, og reaktionen stopper, hvilket resulterer i ingen mærkbar mønsteroverførsels troskab mellem stemplet og substratet. I den anden og tredje konfiguration aktiveres diffusionsvejene gennem porøse netværk, der indføres enten i substratet (dvs. porøse Si) eller i katalysatoren (dvs. porøst guld), og der opnås høj mønsteroverførselsnøjagtighed. Massetransporten gennem porøse materialer spiller således en afgørende rolle med hensyn til at muliggøre spredning af reaktanter og reaktionsprodukter til og fra kontaktgrænsefladen9,18,19,20. Et skema over alle tre konfigurationer vises i figur 1.

Figure 1
Figur 1: Skemaer over Mac-aftrykskonfigurationer. Dette tal fremhæver porøse materialers rolle med hensyn til at muliggøre diffusion af reagerende arter gennem substratet (dvs. sag II: porøse Si) eller i stemplet (dvs. sag III: katalysatortynd film lavet af porøs guld). Klik her for at se en større version af dette tal.

I dette papir diskuteres Mac-Imprint-processen grundigt, herunder stempelforberedelse og substratforbehandling sammen med Mac-Imprint selv. Substratforbehandlingsafsnittet i protokollen omfatter si waferrensning og si wafermønstre med tør ætsning og substrat anodisering (valgfrit). Endvidere er et stempel forberedelse sektion opdelt i flere procedurer: 1) PDMS replika støbning af Si master skimmel; 2) UV nanoimprinting af et fotoresistlag med henblik på at overføre PDMS-mønsteret og 3) katalytisk lagaflejring via magnetron sputtering efterfulgt af dealloying (valgfrit). Endelig præsenteres Mac-Imprint-opsætningen i Mac-Imprint-opsætningen sammen med Mac-Imprint-resultaterne (dvs. Si-overflade 3D-hierarkisk mønster).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIGTIG: Brug passende sikkerhedspraksis og personlige værnemidler (f.eks. kittel, handsker, sikkerhedsbriller, lukkede sko). Denne procedure anvender HF syre (48% wt), som er en yderst farlig kemisk og kræver yderligere personlige værnemidler (dvs. et ansigt skjold, naturlige gummi forklæde, og andet par nitril handsker, der dækker hånd, håndled, og underarme).

1. Stempelforberedelse til Mac-aftryk

  1. PDMS skimmel fabrikation
    1. RCA-1 opløsningen til tilberedes ved at blande deioniseret rent (DI) vand og ammoniumhydroxid i glasbægeret i et 5:1-forhold (volumen). Anbring bægeret med blandingen på en omrørings-kogeplade (se Materialetabel), og opvarm blandingen op til 70 °C. Mål blandingens temperatur med en kalibreret termokouple, og tilsæt 1 del af hydrogenperoxiden til den forvarmede blanding for at opnå RCA-1-opløsningen. Vent, indtil RCA-1-opløsningen begynder at boble kraftigt (figur 2).
    2. Hold RCA-1-opløsningen ved 70 °C.
    3. Sug Si masterformen i RCA-1-opløsningen i 15 min.
    4. Tag Si masterformen ud af RCA-1-opløsningen, og skyl grundigt med DI-vand.
    5. Gør Si master skimmel hydrofobisk. Sæt Si master skimmel i en plastik Petriskål og placere den inde i en udtørrer (se Tabel over materialer). Ved hjælp af en plastpipette tilsættes et par dråber trichlor (1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silan (PFOCS) på en plastvejrbåd og læg den inde i udtørreren ved siden af plast petriskålen med Si masterformen.
      BEMÆRK: Placer afstandsvæsler under Si masterformen for at løfte den fra bunden af petriskålen. Dette vil gøre det muligt for PFOCS at dække Si masterform ensartet og forhindre PDMS-stikning.
    6. Luk udtørrerlåget. Tilslut udlægens output til vakuumpumpen (se Materialetabel) gennem et PVC-rør. Start vakuumpumpen. Indstil trykniveauet til 30 kPa ved hjælp af vakuumpumpeventilen.
    7. Åbn udtørrerventilen og anfør vakuum i 30 min.
    8. Mens vakuum påføres udtørreren, blandes basen og hærdningsmidlet i silikoneelastomersættet (PDMS) (se Materialetabel) i et 10:1-forhold (masse). Rør langsomt blandingen med en glasspatel i 10-15 min.
    9. Sluk for vakuumpumpen. Åbn udtørreren og fjern plastvejningsbåden med PFOCS.
      BEMÆRK: Fjern afstandsvæsler nedefra Si master skimmel.
    10. Hæld forsigtigt PDMS over Si masterformen for helt at dække det med 2-3 mm lag af PDMS (Figur 3a).
    11. Gentag trin 1.1.6.
    12. Degas the PDMS. Åbn udsikkatorventilen og anfør vakuum i 20 min eller indtil boblerne forsvinder.
    13. Sluk for vakuumpumpen. Åbn ekssikkatoren. Tag petriskålen af plast ud med den PDMS-dækkede Si-masterform, og læg den på en kogeplade (se materialetabel) forvarmet til 80 °C (figur 3b).
    14. PDMS hærder med Si masterform på kogepladen ved 80 °C i 120 min (figur 3b).
    15. Fjern plastik Petriskålen med hærdet PDMS fra kogepladen. Brug en skalpel, trim kanterne af den hærdede PDMS inde i plast Petri fad. Tag forsigtigt den hærdede PDMS med Si master skimmel ud af plast Petriskålen ved hjælp af pincet.
    16. Fjern forsigtigt alle de PDMS, der lækkede under Si master skimmel ved hjælp af en skalpel. Skræl den hærdede PDMS fra Si master skimmel ved hjælp af pincet. Skræl det langsomt, parallelt med retningen af Si master stempel mønster.
    17. Beskær 2 x 2 cm PDMS skimmel med mønsteret i midten ved hjælp af en skalpel. Opbevar PDMS-formen i plastik petriskålen med mønsteret med billedmønstret med billedskrækken i øjnene.

Figure 2
Figur 2: RCA-1 rengøringsproces. a) Opløsningsopvarmning og b) Rengøring. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: PDMS form fabrikation proces. (a) Skematisk repræsentation af processen. b) Fotografier af procestrinene. Klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Fotoresist UV nanoimprinting
    1. Kløve en 2,5 x 2,5 cm Si chip ud af Si wafer ved hjælp af en skriver.
    2. Gentag trin 1.1.1-1.1.4 for at rengøre Si-chippen.
    3. Bring SU-8 2015 fotoresist ud af køleskabet og lad det blive ved stuetemperatur (RT) i 10-15 minutter før spin belægning.
    4. Åbn spin coater låget (se Materialebord). Placer Si-chippen inde i spin-frakkeren på vakuumpatronen (figur 4a).
    5. Tilslut spin-coaterens output til vakuumpumpen gennem PVC-røret. Start vakuumpumpen. Indstil trykniveauet til 30 kPa ved hjælp af vakuumpumpeventilen.
    6. Vælg en spin coating procedure med følgende parametre: fordel ved 500 omdr./min. i 10 s med acceleration 100 rpm/s, spin ved 2.000 omdrejninger i/t for 30 s med acceleration 300 rpm/s.
      BEMÆRK: Trin 1.2.6 vil producere en 20 μm tyk SU-8 2015 lag.
    7. Påfør vakuumpatronen ved at trykke på "VAC ON" på spincoaterdisplayet. Se supplerende fil (figur S1).
    8. Hæld 1,5 mL SU-8 2015 fotoresist på midten af Si-chippen.
    9. Luk spin coater låget. Start spinbelægningen ved at trykke på "START". Se supplerende fil (figur S1).
    10. Åbn spin coater låget. Sluk for vakuumet ved at trykke på "VAC OFF". Se supplerende fil (figur S1). Tag Si-chippen ud med det spinbelagte lag af SU-8 2015 fotoresisten ved hjælp af pincet (Figur 4a).
    11. Placer forsigtigt PDMS-formen på den fotoresistbelagte Si-chip med mønsteret nedad. Flad PDMS-formen manuelt. Sæt en UV gennemsigtig glasplade på bagsiden af PDMS resulterer i 15 g /cm2 vægt anvendes på PDMS skimmel (Figur 4b).
    12. Udfør konstant UV-eksponering i 2 timer ved hjælp af en 6 W UV-pære (se Materialetabel), der er placeret 10 cm væk fra Si wafer-overfladen.
    13. Skræl PDMS-formen af Si-chippen ved hjælp af pincet. Skræl langsomt i retning parallelt med retningen af den hærdede SU-8 2015 mønster.

Figure 4
Figur 4: Fotoresistent UV nanoimprinting proces. a) Fotografier af fotoresistens spinbelægning. b) Skemaer og fotografier af UV-nanoimprint. Klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Guld katalysator tynd film deposition af magnetron sputtering
    1. Fastgør Si chips med en mønstret SU-8 2015 fotoresist lag på en 4 tommer Si wafer ved hjælp af dobbeltsidet polyimid tape.
    2. Åbn magnetronsputterens kammer (se Materialebord). Placer 4 tommer Si wafer med vedhæftede Si chips på en roterende plade. Luk pladens lukkede lukker ved at trykke på knappen "Fast" i kontrolsoftwaren. Se supplerende fil (figur S2b).
      BEMÆRK: Knappen "Fast" bliver grøn, når lukkeren er lukket.
    3. Placer Cr- og Au-mål (se Materialetabel) på magnetronkanonerne, der er tilsluttet DC-strømforsyningen. Placer et Ag-mål (se Materialetabel) på magnetronpistolen, der er tilsluttet RF-strømforsyningen. Indstil afstanden mellem mål og rotationsplade til 8,5 tommer.
    4. Luk magnetronsputterens kammer, og begynd at evakuere kammeret ved at trykke på "Pump Down" og "Turbo Enable" i kontrolsoftwaren. Lad det ligge natten over. Se supplerende fil (figur S2a).
    5. Tænd for dc- og RF-strømforsyningerne. Åbn Cr pistol lukkeren ved at trykke på "Gun 1 Open" i kontrol software. Indstil domænecontrollerens strømforsyning til 100 W i kontrolsoftwaren. Se supplerende fil (figur S2b).
    6. Indstil "Tykkelsesstyret proces" til 200 Å. Aktiver rotationen af rotationspladen ved at trykke på knapperne "Kont"- og rotation" i kontrolsoftwaren. Se supplerende fil (figur S2b).
    7. Indstil aflejringstrykket til 3 mTorr. Se supplerende fil (figur S2b).
    8. Indstil Ar-flowhastigheden til 50 sccm i kontrolsoftwaren. Aktiver domænecontrollerens strømforsyning ved at trykke på "DC-forsyning" i kontrolsoftwaren. Skift Ar-flowhastigheden til 5 sccm. Se supplerende fil (figur S2b).
    9. Start krystaltykkelsesskærmen, og tjære tykkelsen ved at trykke på knapperne "START" og "NUL TYKKELSE" i kontrolsoftwaren. Se supplerende fil (figur S2b).
    10. Start den tykkelseskontrollerede proces ved at trykke på "Tykkelsesstyret proces". Åbn pladens solide lukker ved at trykke på "Solid". Tjære tykkelse skærmen endnu en gang ved at trykke på "NUL TYKKELSE". Se supplerende fil (figur S2b).
    11. Når sputtering slutter, skal du lukke pladens faste lukker ved at trykke på "Solid". Stop tykkelsesskærmen ved at trykke på "STOP". Se supplerende fil (figur S2b).
    12. Åbn Au pistol lukkeren ved at trykke på "Gun 2 Open". Indstil domænecontrollerens strømforsyning til 35 W. Se supplerende fil (figur S2b).
    13. Indstil "Tykkelsesstyret proces" til 800 Å. Aktiver rotationen af rotationspladen ved at trykke på knapperne "Kont" og "Rotation". Se supplerende fil (figur S2b).
    14. Gentag trin 1.3.7-1.3.11.
    15. Udluft magnetron sputter kammer ved at trykke på "Tryk på Vent" i kontrolsoftwaren. Se supplerende fil (figur S2c). Den resulterende struktur er et solidt Au Mac-aftryksstempel (figur 5).
      BEMÆRK: Udfør kun trin 1.4 og 1.5, hvis der kræves frimærker med porøse katalytiske film.

Figure 5
Figur 5: Forberedelsesproces for katalytisk stempel. a) Skemaer for den tynde film deposition. b) Fotografier af magnetron sputtering system. (c) Fotografi af dealloying proces med repræsentative porøse guld SEM billeder. Klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Sølv /Guld katalysator tynd film aflejring af magnetron sputtering
    1. Gentag trin 1.3.1-1.3.14. I trin 1.3.13 indstilles den tykkelsesstyrede proces til 500 Å i stedet for 800 Å.
    2. Åbn Au og Ag kanoner lukkeren ved at trykke på "Gun 3 Open". Indstil DC- og RF-strømforsyningerne til henholdsvis 58 W og 150 W. Se supplerende fil (figur S2b).
      BEMÆRK: Trin 1.4.2 vil give en Ag /Au legering med sammensætning 60/40 (volumen)
    3. Indstil "Tidet proces" til 16,5 min i kontrolsoftwaren. Aktiver rotationen af rotationspladen ved at trykke på knapperne "Kont" og "Rotation". Se supplerende fil (figur S2b).
      BEMÆRK: Trin 1.4.3-1.4.8 i protokollen vil producere et 250 nm tykt Ag/Au-legeringslag.
    4. Indstil luftstrømshastigheden til 50 cm. Aktiver dc- og RF-strømforsyningerne ved at trykke på henholdsvis "DC Supply" og "RF Supply". Skift luftstrømshastigheden til 5 sccm. Se supplerende fil (figur S2b).
    5. Start krystaltykkelsesmonitoren, og tjære tykkelsen ved at trykke på henholdsvis "START" og "NUL TYKKELSE". Se supplerende fil (figur S2b).
    6. Start den tidsstyrede proces ved at trykke på "Tidet proces". Åbn pladens solide lukker ved at trykke på "Solid". Tjære tykkelse skærmen endnu en gang ved at trykke på "NUL TYKKELSE". Se supplerende fil (figur S2b).
    7. Når sputtering slutter, skal du lukke pladens faste lukker ved at trykke på "Solid". Stop tykkelsesskærmen ved at trykke på "STOP". Se supplerende fil (figur S2b).
    8. Gentag trin 1.3.15.
      BEMÆRK: Den resulterende struktur er en Ag / Au legering sputtered Mac-aftryk stempel.
  2. Sølv / Guld katalysator tynd film dealloying
    1. Bland DI vand og salpetersyre i glasbægeret i 1:1 forhold (volumen). Lad det køle ned til 30 °C.
    2. Anbring bægeret med blandingen på en omrørings-kogeplade, og nedsænkningen af den perforerede prøveholder (PTFE) (PTFE). Blandingen opvarmes op til 65 °C med konstant omrøring ved 100 omdrejninger. Mål konstant blandingens temperatur med en kalibreret termokouple.
    3. Placer Si chips med mønstrede SU-8 2015 lag sputtered med Ag / Au legering i blandingen og dealloy for 2-20 min21.
    4. Efter dealloying, slukke prøver i RT DI vand i 1 min.
    5. Tag Si-spånerne ud af DI-vandet, og skyl grundigt med DI-vand.

2. Silicium substrat mønstre og rengøring

  1. Substratforberedelse til fast Si-prægning med porøs katalysator
    1. Oxider 4 tommer Si wafer ved 1.150 °C i 24 timer i en O2 flow på 4 sccm.
    2. Tag SPR 220 7,0 fotoresist ud af køleskabet og lad det blive på RT i 10-15 minutter før spin belægning.
    3. Åbn spin coater låget. Placer Si wafer inde i spin coater på vakuum chuck.
    4. Tilslut spin-coaterens output til vakuumpumpen gennem et PVC-rør. Start vakuumpumpen. Indstil trykniveauet til 30 kPa ved hjælp af vakuumpumpeventilen.
    5. Vælg en spin coating procedure med følgende parametre: fordel ved 400 omdr./min. i 30 s med acceleration 200 rpm/s, spin ved 2.000 omdrejninger i/t for 80 s med acceleration 500 rpm/s.
      BEMÆRK: Trin 2.1.5 vil producere et 9 μm tykt SPR 220 7,0 lag.
    6. Påfør vakuumpatronen ved at trykke på "VAC ON" på spincoaterdisplayet.
    7. Hæld 5 mL SPR 220 7,0 fotoresist i midten af 4 i Si wafer.
    8. Luk spin coater låget. Start spinbelægningen ved at trykke på "START".
    9. Åbn spin coater låget. Sluk for vakuumet ved at trykke på "VAC OFF". Tag ud 4 tommer Si wafer med spin-coated lag af SPR 220 7,0 fotoresist ved hjælp af pincet.
    10. Si waferen placeres med det spinbelagte lag af SPR 220 7,0 fotoresisten på en kogeplade, der er forvarmet til 110 °C og prebake i 2 min. Lad afkøle i 1 min.
    11. Eksponer fotoresistlaget gennem masken med et firkantet mesasmønster, der har følgende parametre: bredde = 500 μm og afstand = 900 μm. Oversvømmelse eksponering for 10 s for at opnå en 150 mJ /cm2 dosering.
    12. Udvikle den udsatte fotoresist lag i 4:1 (volumen) af udvikleren: DI vand i 3 min. Skyl prøven med DI-vand, og kontroller funktionerne i mikroskop.
    13. Anbring Si wafer med den udviklede SPR 220 7,0 fotoresist på en kogeplade forvarmet til 120 °C og hård bagning i 5 min. Lad afkøle i 1 min.
    14. Ætse oxidlaget i reaktivt ion ætsningsudstyr i 20 min ved hjælp af følgende parametre: tryk = 100 mT, O2 flow = 3 sccm, CF4 flow = 24 sccm, effekt = 250 W.
    15. Fjern SPR 220 7,0-laget ved hjælp af acetone, og skyl derefter med isopropylalkohol (IPA) og DI-vand.
    16. Udfør ætsning i et 30% KOH bad (vægt) ved 80 °C i 100 min med konstant omrøring ved 175 omdrejninger ved 175 rpm for at skabe mesas på Si wafer.
    17. Fjern oxidlaget med buffered oxide etch opløsning.
    18. Skyl grundigt med DI-vand.
      BEMÆRK: Si wafer mønstre maske layout og enkelt mønstret chip er vist i figur 6.

Figure 6
Figur 6: Si wafer mønstre maske layout (A) og enkelt mønstret chip (B). Klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Substratforberedelse til porøs Si-prægning med solid katalysator
    1. Gentag trin 2.1.
    2. Frakke bagsiden af den mønstrede 4 tommer Si wafer med nikkel og anneal ved 320 °C i et hurtigt termisk udglødningskammer i N2 i 3 min.
    3. Kløve 2,5 x 2,5 cm Si chips ud af mønstrede 4 tommer Si wafer ved hjælp af en skriver.
    4. Placer Si-chippen inde i den nederste del af den elektrokemiske celle (EF). Placer en O-ring på toppen af Si-chippen. Placer den øverste del af EF på og stram skruerne.
    5. Indstil galvanostatisk regime i potentiostat (se Tabel over materialer) kontrol software. Se supplerende fil (figur S3). Tilslut en fungerende elektrode til Si-chippen og kontraelektroden til platinelektroden (figur 7).
    6. Fyld forsigtigt EF med HF og indsæt en cylindrisk platinelektrode fra toppen til 5 mm over Si-spånoverfladen (figur 7b).
    7. Påfør den aktuelle tæthed på 135 mA/cm2 i 120 s ved at trykke på den grønne startknap i potentiostat-softwaren. Se supplerende fil (figur S3).
    8. Sug forsigtigt HF ud af EF med en plastikpipette.
    9. Skyl grundigt med DI-vand.
      BEMÆRK: Si anodiseringsprocessen og Si-chippen med et porøst Si-lag er vist i figur 7.

Figure 7
Figur 7: Fotografier af substrat porosifikationsprocedure (Si anodisering). a) PC-styret potentiostat, der er tilsluttet toelektrodeelektrokemisk celle. b) Elektrokemisk celle med platinelektrode. c) Si chip med et porøst Si lag. Klik her for at se en større version af dette tal.

3. Opsætning af Mac-prægning

  1. Stempel til PTFE stangfiksering
    1. Placer referencen Si-chippen inde i den nederste del af EF. Placer Mac-Aftryksstemplet oven på referencen Si-chippen med mønsteret nedad.
    2. Fastgør PTFE-stangen til belastningscellen (se Materialetabel) gennem en dobbeltsidet gevindskrue. Tilslut strukturen til det softwarestyrede motoriserede lineære stadie (se Materialetabel) gennem et metalbeslag.
    3. Tilføj en lille dråbe SU-8 2015 fotoresist på bagsiden af Mac-Aftryk stempel.
    4. Bring PTFE-stangen i kontakt med en SU-8-dråbe ved at indstille kommandoen "Flyt relativ" 173.500 trin fra hjemmepositionen og tryk på knappen "Skriv" i scenestyringssoftwaren. Se supplerende fil (figur S4a).
    5. Cure SU-8 2015 fotoresist dråbe med en 6 W UV pære i 2 timer. Se supplerende fil (figur S5).
    6. Bring PTFE stangen med den vedhæftede Mac-Aftryk stempel i hjemmet position ved at indstille "Home" kommando og trykke på "Skriv" i scenen kontrol software. Se supplerende fil (figur S4a).
    7. Saml EF.
  2. Mac-aftryk
    1. Rengør den mønstrede Si-chip i henhold til trin 1.1.1-1.1.4.
    2. Placer den mønstrede Si-chip i midten af en EF.Placer EF'en under PTFE-stangen med Mac-Aftryksstemplet (figur 8).
    3. Bland ES af HF og H2O2 i 17:1 forholdet (volumen) inde i en PTFE bægerglas. Lad ES blive i 5 minutter før ætsning.
      BEMÆRK: Det foreslåede forhold fører til løsningsparameter ρ = 98%16. Forholdet kan ændres for at undertrykke eller fremme ætsning sats.
    4. Hæld forsigtigt ES i EF ved hjælp af en plastikpipette.
    5. Bring PTFE stangen med det vedhæftede Mac-Aftryksstempel i kontakt med den mønstrede Si-chip ved at indstille kommandoen "Flyt relativ" 173.500 skridt fra hjemmepositionen og tryk på knappen "Skriv". Se supplerende fil (figur S4a).
    6. Derefter skal du indstille 600-2.000 trin og trykke på "Skriv" for at opnå belastninger i intervallet 4-10 lbf. Mål belastningsværdier via en softwarestyret belastningscelle. Se supplerende fil (figur S4b).
    7. Hold kontakten under Mac-aftryk (Figur 8c). Mac-aftrykstiden varierer fra 1-30 min.
    8. Flyt PTFE stangen med det vedhæftede Mac-Aftryksstempel i hjemmepositionen ved at trykke på "Hjem". Se supplerende fil (figur S4a). Sy forsigtigt ES ud af EF med en plastikpipette.
    9. Skyl den påtrykte Si-chip med IPA og DI-vand.
    10. Tør den påtrykte Si-chip med ren, tør luft.

Figure 8
Figur 8: Fotografier af Mac-Aftryk setup (A), stempel før (B) og efter (C) kontakt med Si chip. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Scanning elektron mikroskop (SEM) billeder, optiske mikroskop scanninger (Figur 9), og atomprøvesprængninger (AFM) scanninger (Figur 10) blev opnået for at studere morfologiske egenskaber mac-aftryk frimærker og påtrykt Si overflader. Den tværsnitsprofil af det påtrykte faste Si blev sammenlignet med den anvendte porøse Au-stempel (figur 10). Mønsteroverførsels troskab og porøs Si-generation under Mac-Aftryk var to store kriterier for at analysere eksperimentel succes. Mac-aftrykket blev betragtet som vellykket, hvis Mac-Imprint stempel mønster blev præcist overført til Si og ingen porøs Si genereres under Mac-aftryk. Resultaterne af et suboptimalt eksperiment (dvs. manglende mønsteroverførsels troskab sammen med porøse Si-generation under Mac-Aftryk) præsenteres i figur 9a (til venstre).

Figure 9
Figur 9: Repræsentative resultater: a) Mac-aftryk af massiv Si og porøs Si med solid Au-film (henholdsvis venstre og midten) og solid Si med porøs Au-film (højre). b) Top-down SEM-billeder af porøse Au-film med forskellig porevolumenfraktion (øverst) og tilsvarende præget simorfologi (nederst). c) SEM-billeder af forskellige mønstre produceret af Mac-Aftryk. Dette tal genoptrykkes med tilladelse 9,20. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Repræsentative resultater af massivt Si Mac-aftryk med porøse Au-stempel: a) AFM-scanninger af porøse Au-stempel (venstre) og præget fast Si (højre) og b) overlejrede tværsnitsprofiler af porøse Au-stempel (blå) og præget af massivt Si (rød). Dette tal genoptrykkes med tilladelse20. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 1
Supplerende figur 1: Fotografi af spin coater kontrol display. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 2
Supplerende figur 2: Magnetron sputter kontrol software screenshots. a) Evakuering af magnetron sputter kammer. b) Sputtering-kontrolparametre. c) Ventilation af magnetron sputter kammer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 3
Supplerende figur 3: Potentiostat kontrol software screenshot. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 4
Supplerende figur 4: Lineær motoriseret fase og belastning celle kontrol software screenshots. a) Før Mac-aftryk og (b) under Mac-aftryk. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 5
Supplerende figur 5: Fotografi af Mac-aftryk stempel til PTFE stang vedhæftet fil proces. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mac-Aftryksfrimærker og forlagte Si-chips (p-type, [100] orientering, 1-10 Ohm∙cm) blev udarbejdet i henhold til henholdsvis protokollens afsnit 1 og 2. Mac-aftrykket af prepatterned Si-chip med frimærker, der indeholder 3D-hierarkiske mønstre, blev udført i henhold til protokollens afsnit 3 (figur 9). Som vist i figur 9a blev der anvendt forskellige konfigurationer af Mac-aftryk: solid Si med solid Au (venstre), porøs Si med solid Au (midten)9 og solid Si med porøse Au (højre)20. Spredningen af reaktanterne blev blokeret i det første tilfælde, hvilket førte til ikke-lokaliseret ætsning og delvis porosificering af den påtrykte Si, som korrelerer med det samme problem i den konventionelle MACE-proces22,23. Men når diffusionen blev aktiveret gennem porøse netværk (enten indlejret i Si eller Au), blev der observeret høj mønsteroverførsels troskab, hvilket fører til den konklusion, at Mac-Aftryk er en massetransportafhængig proces. Også den påtrykte Si overflade blev rusket efter prægning med porøse Au (Figur 9a, højre).

Det blev foreslået, at overflade skrub stammer fra porøsiteten af porøse Au anvendes. For at afprøve hypotesen blev der i henhold til protokollens punkt 1.4 og 1.5 oprettet en række porøse Au-lag med forskellige kontrollerede porevolumenfraktioner (PVF) i henhold til protokollens punkt 1.4 og 1.5 og efterfølgende implementeret til Mac-Imprint (Figur 9b)20. Der blev observeret en direkte forbindelse mellem stemplets PVF og den påtrykte Si-overflade ruhed, der underbyggede hypotesen. Derudover, efter Mac-Aftryk med lave PVF frimærker, Si blev porøseret, hvilket blev forklaret ved hindret ES diffusion gennem uudviklede porøse Au struktur, hvilket resulterer i udflytning af ætsning front20. Således er en udviklet og sammenkoblet porøs struktur afgørende for høj mønster overførsel troskab under Mac-aftryk. Desuden blev der observeret en påtrykt si porosificering på medium PVF, da et porøst Au-lag allerede havde et sammenkoblet porøst netværk. Dette kan tilskrives det høje forhold mellem Au og Si overfladearealer og efterfølgende injektion af de overdrevne huller i Si, hvilket også fører til ætsning front udflytning og som følge heraf porøse Si formation20. Denne proces kan styres gennem omhyggelig justering af HF- og H2O2-nøgletallene i ES.

Gennemførelsen af de porøse Au-frimærker sammen med ES-kompositionsvariationer gør det muligt at fremstille forskellige 3D-hierarkiske mønstre via Mac-Aftryk, der tidligere blev offentliggjort i værker af Azeredo et al.9 og Sharstniou et al.20 (Figur 9c).

Yderligere undersøgelser af porøse Au/Si interface kemi, især PVF-afhængige ætsning sats og lokalisering, sammen med prægning systemforbedring, vil bidrage til at gøre Mac-Aftryk proces egnet til industrielle skala applikationer i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Vi anerkender Dr. Keng Hsu (University of Louisville) for indsigt i dette arbejde; Frederick Seitz Laboratory fra University of Illinois og i memoriam ansat Scott Maclaren; Arizona State University's LeRoy Eyring Center for Solid State Science; og Science Foundation Arizona under Bis grove Scholars Award.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 Technology 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 elastomer 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ning, H., et al. Transfer-Printing of Tunable Porous Silicon Microcavities with Embedded Emitters. ACS Photonics. 1 (11), 1144-1150 (2014).
  2. Hirschman, K. D., Tsybeskov, L., Duttagupta, S. P., Fauchet, P. M. Silicon-based light emitting devices integrated into microelectronic circuits. Nature. 384, 338-341 (1996).
  3. Cho, J., et al. Nanoscale Origami for 3D Optics. Small. 7 (14), 1943-1948 (2011).
  4. Azeredo, B. P., et al. Silicon nanowires with controlled sidewall profile and roughness fabricated by thin-film dewetting and metal-assisted chemical etching. Nanotechnology. 24 (22), 225305-225312 (2013).
  5. Lin, C., Tsai, M., Wei, W., Lai, K., He, J. Packaging Glass with a Hierarchically Nanostructured Surface: a universal method to achieve selfcleaning omnidirectional solar cells. ACS Nano. 10 (1), 549-555 (2016).
  6. Park, K. C., et al. Nanotextured Silica Surfaces with Robust Superhydrophobicity and Omnidirectional Broadband Supertransmissivity. ACS Nano. 6 (5), 3789-3799 (2012).
  7. Kim, J., Joy, D. C., Lee, S. Controlling resist thickness and etch depth for fabrication of 3D structures in electron-beam grayscale lithography. Microelectronics Engineering. 84 (12), 2859-2864 (2007).
  8. Deng, S., Zhang, Y., Jiang, S., Lu, M. Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 15 (3), 0345031-0345036 (2016).
  9. Azeredo, B. P., Lin, Y., Avagyan, A., Sivaguru, M., Hsu, K. Direct Imprinting of Porous Silicon via Metal-Assisted Chemical Etching. Advanced Functional Materials. 26 (17), 2929-2939 (2016).
  10. Azeredo, B., Hsu, K., Ferreira, P. M. Direct Electrochemical Imprinting of Sinusoidal Linear Gratings into Silicon. The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-6 (2016).
  11. Li, H., Niu, J., Wang, G., Wang, E., Xie, C. Direct Production of Silicon Nanostructures with Electrochemical Nanoimprinting. ACS Applied Electronic Materials. 1 (7), 1070-1075 (2019).
  12. Kim, K., Ki, B., Choi, K., Lee, S., Oh, J. Resist-Free Direct Stamp Imprinting of GaAs via Metal-Assisted Chemical Etching. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (14), 13574-13580 (2019).
  13. Zhang, J., et al. Contact electrification induced interfacial reactions and direct electrochemical nanoimprint lithography in n-type gallium arsenate wafer. Chemical Science. 8, 2407-2412 (2017).
  14. Zhan, D., et al. Electrochemical micro/nano-machining: principles and practices. Chemical Society Reviews. 46 (5), 1526-1544 (2017).
  15. Li, X., Bohn, P. W. Metal-assisted chemical etching in HF / H2O2 produces porous silicon. Applied Physics Letters. 77 (16), 2572-2574 (2000).
  16. Chartier, C., Bastide, S., Levy-Clement, C. Metal-assisted chemical etching of silicon in HF - H2O2. Electrochimica Acta. 53, 5509-5516 (2008).
  17. Chattopadhyay, S., Li, X., Bohn, P. W. In-plane control of morphology and tunable photoluminescence in porous silicon produced by metal-assisted electroless chemical etching. Journal of Applied Physics. 91 (9), 6134-6140 (2002).
  18. Torralba, E., et al. 3D patterning of silicon by contact etching with anodically biased nanoporous gold electrodes. Electrochemistry Communications. 76, 79-82 (2017).
  19. Bastide, S., et al. 3D Patterning of Si by Contact Etching With Nanoporous Metals. Frontiers in Chemistry. 7, 1-13 (2019).
  20. Sharstniou, A., Niauzorau, S., Ferreira, P. M., Azeredo, B. P. Electrochemical nanoimprinting of silicon. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (21), 10264-10269 (2019).
  21. Niauzorau, S., Ferreira, P., Azeredo, B. Synthesis of Porous Noble Metal Films with Tunable Porosity by Timed Dealloying. The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-4 (2018).
  22. Geyer, N., et al. Model for the Mass Transport During Metal-Assisted Chemical Etching with Contiguous Metal Films As Catalysts. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (24), 13446-13451 (2012).
  23. Li, L., Liu, Y., Zhao, X., Lin, Z., Wong, C. Uniform Vertical Trench Etching on Silicon with High Aspect Ratio by Metal-Assisted Chemical Etching Using Nanoporous Catalysts. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (1), 575-584 (2014).

Tags

Ingeniørvidenskab udgave 180 nanoimprinting elektrokemisk nanoimprinting MACE metalassisteret kemisk ætsning siliciumfotonik mikrofabrikation mikroengineering
Metalassisteret elektrokemisk nanoimprinting af porøse og faste silicium wafere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sharstniou, A., Niauzorau, S.,… More

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).

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