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Metallgestützte elektrochemische Nanoimprintierung von porösen und festen Siliziumwafern
Chapters
Summary February 8th, 2022
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Ein Protokoll für die metallunterstützte chemische Prägung von 3D-Mikroskala-Merkmalen mit einer Formgenauigkeit von sub-20 nm in feste und poröse Siliziumwafer wird vorgestellt.
Transcript
Unser Protokoll bietet eine neue Strukturierungsmethode für Silizium, die die Erstellung dreidimensionaler hierarchischer Mikrostrukturen ermöglicht, die das Design von metaoberflächenbasierten mikrooptischen Elementen und Wellenleitertechnologien ermöglichen. Dieses Protokoll ermöglicht die Replikation von 3D-Strukturen aus polymeren und harten Formen in monokristalline und poröse Siliziumwafer in einem einzigen Schritt. Und gleichzeitig Auflösungen unter 100 Nanometern in alle drei Richtungen liefern.
Poröses Silizium und Silizium selbst sind großartige Materialien für die Herstellung optischer Biosensoren und optischer Infrarotgeräte. Wir gehen jedoch davon aus, dass sich diese Technik auf die Halbleiter der Gruppe III-V und sogar darüber hinaus ausdehnen wird. Die Ausrichtung von Stempel auf Substratspitze und Neigung ist für einen gleichmäßigen Mac-Aufdruck äußerst wichtig.
Nach diesem Protokoll kann die Ausrichtung durchgeführt werden, indem der Stempel am Halter befestigt wird, während er mit dem Substrat in Kontakt steht. Um einen Stempel für den Mac-Aufdruck vorzubereiten, reinigen Sie zuerst die Silizium-Masterform mit RCA-1-Lösung gemäß den im Protokoll beschriebenen Schritten und legen Sie dann eine saubere Silikon-Masterform in eine Kunststoff-Petrischale in einem Exikkator. Verwenden Sie eine Kunststoffpipette, um ein paar Tropfen PFOCS zu einem Plastikwiegeboot hinzuzufügen, und stellen Sie das Wiegeboot mit der Masterform neben die Schüssel.
Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, öffnen Sie das Adsorptionsventil und wenden Sie 30 Minuten lang Vakuum an. Während das Vakuum angelegt wird, verwenden Sie einen Glasspatel, um die Basis und das Härter aus einem Silikonelastomer-Kit im Verhältnis 10 zu eins für 10 bis 15 Minuten zu mischen. Entfernen Sie am Ende der Austrocknung das Wiegeboot vom Exikkator und den Abstandhaltern unter der Silikon-Masterform und bedecken Sie dann die Masterform vorsichtig mit einer zwei bis drei Millimeter langen Schicht des frisch zubereiteten PDMS.
Um das PDMS nach dem Öffnen des Exsikkatorventils zu entgasen, saugen Sie das Vakuum für weitere 20 Minuten an oder bis die Blasen verschwinden. Am Ende der zweiten Austrocknungsperiode das Gericht auf eine 80 Grad Celsius heiße Platte geben. Verwenden Sie nach zwei Stunden ein Skalpell, um die Kanten des ausgehärteten PDMS in der Kunststoff-Petrischale zu trimmen, und verwenden Sie eine Pinzette, um die PDMS-Form vorsichtig aus der Silikon-Masterform zu entfernen.
Verwenden Sie für den FOTOLACK-UV-Nanoimprinting einen Ritzer, um einen 2,5 x 2,5 Zentimeter großen Siliziumchip aus dem Siliziumwafer zu spalten, ihn mit RCA-1-Lösung gemäß den im Protokoll beschriebenen Schritten zu reinigen und dann den sauberen Chip in einem Spin coater auf das Vakuumfutter zu legen. Stellen Sie die Schleuderbeschichtungsparameter wie angegeben ein, um eine 20 Mikrometer dicke Schicht Fotolack auf den Chip aufzutragen, und drücken Sie VAC ON, um Vakuum auf das System aufzubringen. Gießen Sie 1,5 Milliliter SU-8 2015 Fotolack auf die Mitte des Chips und schließen Sie den Deckel des Spin Coaters.
Drücken Sie dann Start, um den Spin zu starten. Drücken Sie am Ende der Drehung VAC OFF, um das Vakuum auszuschalten, und verwenden Sie eine Pinzette, um den mit Fotolack beschichteten Chip zu entfernen. Legen Sie die PDMS-Form vorsichtig mit der Seite nach unten auf das mit Fotolack beschichtete Silizium-Chipmuster und drücken Sie die Form manuell in den Chip.
Legen Sie eine transparente UV-Glasplatte auf das PDMS, um 15 Gramm pro Quadratzentimeter Druck auf die Form und den Chip auszuüben, und setzen Sie den Aufbau zwei Stunden lang sechs Watt UV-Licht aus. Am Ende der Bestrahlungsdauer entfernen Sie mit einer Pinzette langsam die Form vom Chip in Richtung parallel zur Richtung des ausgehärteten Fotolackmusters. Um eine 250 Nanometer dicke Gold/Silber-Legierungsschicht auf dem Chip abzuscheiden, lagern Sie zunächst eine 20 Nanometer dicke Schicht Chrom und eine 50 Nanometer dicke Goldschicht ab, wie im Textprotokoll beschrieben.
Klicken Sie anschließend auf GUN 1 ÖFFNEN, um den Verschluss der goldenen und silbernen Pistole zu öffnen. Stellen Sie die Verarbeitungszeit auf 16,5 Minuten und den DC-Sollwert auf 58 und den HF-Sollwert auf 150 ein. Klicken Sie auf Rotation, und stellen Sie den Argondurchfluss auf 50 Standardkubikzentimeter pro Minute ein.
Klicken Sie auf Argon, Gleichstromversorgung und HF-Versorgung. Wenn das Signal ein Plateau erreicht, stellen Sie die Argonsteuerung auf fünf ein. Klicken Sie auf In Null dicke starten, um den Kristalldickenmonitor zu starten bzw. die Dicke zu zerreißen.
Klicken Sie auf Zeitgesteuerter Prozess, um den zeitgesteuerten Prozess zu starten, und klicken Sie auf PLATEN SHUTTER Solid, um den Plattenverschluss zu öffnen. Klicken Sie erneut auf Dicke Null. Wenn das Sputtern beendet ist, klicken Sie auf Solid , um den Platten-Feststoffverschluss zu schließen, und drücken Sie Drücken Sie auf Entlüftung, um die Magnetron-Sputterkammer zu entlüften.
Um den mit Silber/Goldlegierung beschichteten Mac-Druckstempel zu delegieren, mischen Sie zunächst deionisiertes Wasser und Salpetersäure im Verhältnis eins zu eins in einem Glasbecher und legen Sie das Becherglas auf eine rührende Heizplatte. Tauchen Sie einen perforierten PTFE-Probenhalter in die Mischung und erhitzen Sie die Lösung unter ständigem Rühren bei 100 Umdrehungen pro Minute auf bis zu 65 Grad Celsius. Wenn die Lösung die Zieltemperatur erreicht hat, legen Sie den gemusterten Gold/Silber-Legierungs-beschichteten Mac-Druckstempel für zwei bis 20 Minuten in den Halter.
Nach dem Entlegieren den Mac-Abdruckstempel in bei Raumtemperatur entionisiertem Wasser für eine Minute abschrecken. Um die Ausrichtung von Stempel auf Substrat durchzuführen, platzieren Sie den Stempel nach unten auf dem Siliziumchip in der elektrochemischen Zelle und fügen Sie einen Tropfen SU-8 auf der Rückseite des Stempels hinzu. Bringen Sie den PTFE-Stab in Kontakt mit SU-8 und härten Sie ihn bei trockenen Bedingungen unter UV-Licht für zwei Stunden aus.
Der Kontakt ist etwa 86 Millimeter von der Heimatposition entfernt. Um einen Mac-Prägevorgang durchzuführen, reinigen Sie den gemusterten Siliziumchip mit RCA-Lösung gemäß den im Protokoll beschriebenen Schritten und legen Sie ihn dann in die Mitte einer elektrochemischen Zelle und positionieren Sie die Zelle unter einem PTFE-Stab mit dem Mac-Abdruckstempel. Mischen Sie die Ätzlösung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxid im Verhältnis 17 zu eins in einem PTFE-Becherglas.
Verwenden Sie nach fünf Minuten eine Kunststoffpipette, um die Ätzlösung in die elektrochemische Zelle zu geben. Um den Mac-Druckstempel in Kontakt mit dem Musterchip zu positionieren, bringen Sie den Stempel um etwa 86 Millimeter nach unten und bewegen Sie den Stempel dann von der Kontaktposition um etwa 300 bis 1.000 Mikrometer nach unten, um die gewünschte Kontaktkraft zu erreichen. Halten Sie den Mac-Imprint-Stempel von einer bis zu 30 Minuten in Kontakt mit dem Chip, bevor Sie auf Home klicken, um die Stange in die Ausgangsposition zurückzubringen.
Verwenden Sie eine Pipette, um die Ätzlösung vorsichtig aus der Zelle abzusaugen und den aufgedruckten Siliziumchip mit Isopropylalkohol und entionisiertem Wasser abzuspülen. Trocknen Sie dann den Chip mit sauberer, trockener Luft. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen können erhalten werden, um die morphologischen Eigenschaften der vergoldeten Mac-Imprint-Stempel und der daraus resultierenden aufgedruckten Siliziumoberflächen zu untersuchen.
In dieser repräsentativen Analyse wurde das durch Atomkraftscan erhaltene Querschnittsprofil des aufgedruckten festen Siliziums mit dem des verwendeten porösen Goldstempels verglichen. Mustertransfertreue und poröse Siliziumerzeugung während des Mac-Imprints waren zwei Hauptkriterien, um den experimentellen Erfolg zu analysieren. Der Mac-Abdruck wurde als erfolgreich angesehen, wenn das Stempelmuster genau auf das Silizium übertragen wurde und während des Mac-Abdrucks kein poröses Silizium erzeugt wurde.
Hier können die Ergebnisse eines suboptimalen Experiments beobachtet werden, bei dem während des Mac-Imprints eine fehlende Musterübertragungstreue und eine poröse Siliziumerzeugung auftraten. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass der Mac-Abdruck von Silizium Flusssäure enthält, die eine lebensbedrohliche Substanz ist und die Einhaltung eines Sicherheitsprotokolls und das Tragen geeigneter persönlicher Schutzausrüstung von größter Bedeutung sind. Sobald Sie Stempel verwenden, die mit porösem Gold beschichtet sind, um den Massentransport zu erleichtern.
Nach diesem Verfahren könnte die Zusammensetzung der Ätzlösung oder die Kontaktkraft variiert werden, um die Kinetik des Prozesses oder die Haltbarkeit des Stempels zu untersuchen.
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