Proof-of-Concept voor gas-entrapping membranen afgeleid van waterminnende SiO₂/Si/SiO₂ Wafers voor groene ontzilting

Gas indringende membranen, of GEMs, kan robuust vangen lucht op onderdompeling in bevochtiging vloeistoffen. Als gevolg hiervan bereiken ze deze functie door hun structuur, die van nut kan zijn, bijvoorbeeld bij ontzilting door membraandistillatie. Fotolithografie stelde ons in staat om complexe overhangende architecturen te creëren aan beide zijden van een siliciumwafer resulterend in GEMS.

Het bood een pad om EDELSTENEN te fabriceren met behulp van conventionele microfabricagetechnieken. De juiste uitlijningsmarkeringen moeten op het fotomasker worden geplaatst om verticaal uitgelijnde berichten te bereiken. We raden u aan multi-scale uitlijnmarkeringen met de kleinste grootte van ten minste vier keer de pooldiameter te gebruiken.

Fabricage van silica GEMS omvat ingewikkelde ontwerppatronen en een proces in meerdere stappen, en dus zal dit aantonen dat er voldoende micro-fabricerende stappen zullen helpen bij het begrijpen van het protocol. Begin deze procedure met het ontwerpen van arrays en maskerontwikkeling zoals beschreven in het tekstprotocol. Dompel de siliciumwafer onder in een vers bereide piranhaoplossing.

Houd een temperatuur van 388 Kelvin gedurende 10 minuten. Spoel de wafer met gedeïioniseerd water gedurende twee cycli in een natte bank, droog de wafer vervolgens onder een stikstof-omgeving in de spindroger. Stel de wafer bloot aan de damp van HMDS om de hechting van de fotoresist met het silicaoppervlak te verbeteren.

Breng de wafer op een vacuüm chuck van een spin coater te draaien jas van de fotoresist. Gebruik AZ 5214 fotoresist als een negatieve toon om een 1,6 micron dikke film van de fotoresist te bereiken. Bak de met fotoresist gecoate wafer op 105 graden Celsius op een hete plaat gedurende twee minuten.

Dit droogt en verhardt de fotoresistische film, die anders kleeft aan het glazen masker en besmettingsproblemen veroorzaakt tijdens UV-blootstelling. Het verbetert ook de hechting van de fotoresist aan het silicaoppervlak. Laat de wafer onder UV-belichting gedurende 15 seconden door het chroommasker met behulp van een masker-uitlijning systeem om het gewenste ontwerp op de fotoresist te bereiken.

Bak vervolgens de gerealiseerde wafer op 120 graden Celsius op een hete plaat gedurende twee minuten. Tijdens deze stap, de blootgestelde negatieve fotoresistische film verder kruis links. Als gevolg hiervan zijn de UV-blootgestelde delen van het fotoresist niet langer oplosbaar in de ontwikkelaarsoplossing, terwijl de onbelichte gebieden oplosbaar zijn.

Stel de wafer onder UV-licht 15 seconden verder bloot in een UV-kuursysteem. Tijdens deze stap worden fotoresistische gebieden die niet eerder zijn blootgesteld, blootgesteld en kunnen ze later worden opgelost in de ontwikkelaar. Vervolgens dompel je de wafer vervolgens 60 seconden onder in een 50 mL-bad van de AZ 726-fotoresistontwikkelaar om het gewenste fotoresistische patroon op de siliciumwafer te bereiken.

Maak vervolgens de wafer schoon met gedeïoniseerd water en blaas het verder met stikstofgas. Sputter chroom op de wafer gedurende 200 seconden om een 50 nanometer dikke chroomlaag te verkrijgen. De depositie wordt uitgevoerd met behulp van een magnetron-type DC reactieve sputter met een standaard twee-inch ronde doelbron in een argon omgeving.

Soniceer de sputterde wafer vijf minuten in een acetonbad om de resterende fotoresist uit de wafer te halen, waardoor de gewenste kenmerken met een chroomhard masker achterblijven. Na het spoelen van de achterkant van de wafer met een overvloedige hoeveelheid aceton en ethanol, föhnen met een stikstof pistool. Herhaal vervolgens de spincoating, baksels en UV-belichtingsstappen aan de achterkant van de wafer.

Voor UV-belichting gebruikt u de handmatige uitlijning aan de achterkant met de crosshairmodule in de contact aligner om de gewenste functies aan de achterkant met de voorzijde van de wafer uit te lijnen met behulp van de uitlijningsmarkeringen in het masker. Ga voor de achterkant van de wafer verder met de sputter en fotoresist lift off stappen om het vereiste ontwerp te genereren met chroomhard masker aan beide zijden van de wafer. Het met chroom bedekte oppervlak ondergaat geen ets.

Zo definiëren vlekken waarin chroom op de wafer ontbreekt de inhammen en uitlaten van de giet. Onderga etsen van de blootgestelde siliciumdioxidelaag aan beide zijden van de wafer door een inductief gekoppeld plasma reactieve ionenets die fluor- en zuurstofchemie gebruikt. De duur is 16 minuten voor elke kant.

Verwerk de wafer met vijf cycli van anisotropische ets met behulp van het Bosch-proces om een inkeping in de siliciumlaag te creëren. Dit proces wordt gekenmerkt door een vlak zijwandprofiel met afwisselende afzettingen van octafluoracyclobutaan en zwavel hexafluoridegassen. Door af te wisselen anisotropische ets en polymeerdepositie, etst het silicium recht naar beneden.

Deze stap wordt uitgevoerd aan elke kant van de wafer. Vervolgens dompel de wafer onder in een bad van piranha oplossing gehandhaafd op een temperatuur van 388 Kelvin gedurende 10 minuten. Dit verwijdert de polymeren afgezet in de anisotropische stap.

Om de undercut te creëren, die het reentrant profiel oplevert, ondergaan isotropische ets met behulp van een zwavel hexafluoride gebaseerd recept voor een duur van 165 seconden. Deze stap wordt uitgevoerd aan elke kant van de wafer. Om anisotropische siliciumets uit te voeren, breng je de wafer over naar een diep inductief gekoppeld plasma-reactieve ionenets om 150 micron silicium te etsen.

Voer 200 cycli van diepe etsen uit met behulp van het Bosch-proces. Herhaal deze stap met de achterkant van de wafer. Nu, ondergaan piranha reiniging van de wafer in de natte bank gedurende 10 minuten om polymere verontreinigingen afgezet uit het etsproces te verwijderen, die uniforme etsen tarieven garandeert.

Herhaal deze ets en reiniging stappen te realiseren door middel van poriën in de wafer met reentrant inhammen en uitlaten. Verwijder het chroom uit de wafer door 60 seconden onder te dompelen in een 100 mL bad van chroom etchant. Reinig na het microfabricageproces de wafer met 100 mL vers bereide piranhaoplossing gedurende 10 minuten in een glazen container.

Dan, verder föhnen met een 99% pure stikstof gasdruk pistool. Plaats de monsters in een glazen petrischaal in een schone vacuümoven op 323 Kelvin totdat de intrinsieke contacthoek van water op glad siliciumdioxide wordt gestabiliseerd onder een intrinsieke contacthoek theta gelijk aan 40 graden na 48 uur. Bewaar de verkregen droge monsters, de silica-GEMs, in een stikstofkast.

Scanning elektronenmicrografen van silica GEMs tonen een gekantelde dwarsdoorsnedeweergave, een vergrote dwarsdoorsnedeweergave van een enkele porie en een vergroot beeld van reentrerante randen bij de inhammen en uitlaten van de porie. De poriën van deze GEMs waren verticaal uitgelijnd. De inlaat- en uitlaatdiameter was 100 micron.

Centrum-naar-centrum afstand tussen de poriën was 400 micron. Scheiding tussen de reentrant randen en porie muur was 18 micron, en de lengte van de poriën was 300 micron. Hier getoond zijn computer-verbeterde 3D reconstructies van de lucht-water interface op de inhammen van silica GEMs onderwater.

Ook worden cross-sectionele weergaven langs de witte stippellijnen weergegeven. In het geval van reentrant holtes verplaatste de condensatie van waterdamp in de holtes de gevangen lucht, waardoor de luchtwaterinterface naar boven uitpuilde en het systeem destabiliseerde. Silica GEMs daarentegen bleven gedurende een veel langere periode vrij van uitpuilende, ook al was de verwarmingssnelheid vergelijkbaar.

Deze resultaten werden gerationaliseerd op basis van preferentiële condensatie van waterdamp uit het laserverwarmde reservoir op de gekoelde luchtwaterinterface van de andere kant. Het was echter niet mogelijk om de snelheid van massaoverdracht in deze experimentele configuratie te meten. Voorkom het verwijderen van silica reentrant structuren tijdens bosch proces, het wordt gebruikt om silicium toe te voegen.

Het is zeer cruciaal om chroomhard masker te hebben. Deze bevindingen kunnen het potentieel van gemeenschappelijke materialen ontsluiten voor toepassingen waarvoor momenteel geperfluoreerde coatings nodig zijn, zoals voor sleepreductie of voor onderdrukking en zuivering.