Электрохимическая наноимпринтовка пористых и твердых кремниевых пластин с помощью металлов

Наш протокол предоставляет новый метод моделирования для кремния, который позволяет создавать трехмерные иерархические микроструктуры, которые позволяют проектировать микрооптические элементы на основе метаповерхностных поверхностей и волноводные технологии. Этот протокол позволяет воспроизводить 3D-структуры из полимерных и твердых форм в монокристаллические и пористые кремниевые пластины за один шаг. И в то же время, обеспечивая разрешение менее 100 нанометров во всех трех направлениях.

Пористый кремний и сам кремний являются отличными материалами для изготовления оптических биосенсоров и инфракрасных оптических устройств. Тем не менее, мы ожидаем, что эта техника расширится до группы полупроводников III-V и даже за ее пределы. Выравнивание штампа до кончика подложки и наклона чрезвычайно важно для равномерного отпечатка Mac.

Следуя этому протоколу, выравнивание может быть выполнено путем крепления штампа к держателю, когда он находится в контакте с подложкой. Чтобы подготовить штамп для отпечатка Mac, сначала очистите силиконовую главную форму с помощью раствора RCA-1 в соответствии с этапами, описанными в протоколе, а затем поместите чистую силиконовую мастер-форму в пластиковую чашку Петри внутри осушителя. Используйте пластиковую пипетку, чтобы добавить несколько капель PFOCS в пластиковую весовую лодку и поместите весовую лодку рядом с тарелкой с помощью основной формы.

Включите вакуумный насос, откройте клапан адсорбцика и применяйте вакуум в течение 30 минут. Во время применения вакуума используйте стеклянный шпатель для смешивания основания и отверждающего агента из набора кремниевого эластомера в соотношении 10 к одному в течение 10-15 минут. В конце высыхания снимите весовую лодку с осушителя и распорки из-под силиконовой мастер-формы, затем тщательно покройте мастер-форму двух-трехмиллиметровым слоем свежеприготовленной PDMS.

Чтобы дегазировать PDMS после открытия клапана осушителя, примените вакуум еще на 20 минут или до тех пор, пока пузырьки не исчезнут. В конце второго периода высыхания перенесите блюдо на конфорку при температуре 80 градусов Цельсия. Через два часа используйте скальпель, чтобы обрезать края отвержденной PDMS внутри пластиковой чашки Петри и используйте пинцет, чтобы аккуратно удалить форму PDMS из силиконовой мастер-формы.

Для фоторезистического УФ-наноимпринтирования используйте скрибер, чтобы выщелкнуть кремниевый чип размером 2,5 на 2,5 сантиметра из кремниевой пластины, очистить его с помощью раствора RCA-1 в соответствии с этапами, описанными в протоколе, а затем поместить чистый чип на вакуумный патрон в спин-коатере. Установите параметры спинового покрытия, как указано, чтобы нанести слой фоторезиста толщиной 20 микрометров на чип и нажать VAC ON, чтобы применить вакуум к системе. Налейте 1,5 миллилитра фоторезиста СУ-8 2015 на центр чипа и закройте крышку спин-коатера.

Затем нажмите кнопку Пуск, чтобы начать вращение. В конце вращения нажмите VAC OFF, чтобы выключить вакуум, и используйте пинцет для удаления чипа с фоторезистическим покрытием. Аккуратно поместите форму PDMS на рисунок кремниевого чипа с фоторезистическим покрытием стороной вниз и вручную вдавите форму в чип.

Поместите прозрачную стеклянную пластину из ультрафиолетового излучения поверх PDMS, чтобы приложить 15 граммов на квадратный сантиметр давления к пресс-форме и чипу и подвергнуть установку воздействию шести ватт ультрафиолетового света в течение двух часов. В конце периода облучения используйте пинцет, чтобы медленно удалить плесень с чипа в направлении, параллельном направлению отвержденного фоторезистического рисунка. Чтобы нанести слой сплава золота и серебра толщиной 250 нанометров на чип, сначала нанесите слой хрома толщиной 20 нанометров и слой золота толщиной 50 нанометров, как это описано в текстовом протоколе.

Затем нажмите GUN 1 OPEN, чтобы открыть затвор золотого и серебряного пистолета. Установите время обработки равным 16,5 минутам и установите заданное значение постоянного тока равным 58, а заданное значение ВЧ равным 150. Щелкните Поворот и установите скорость потока аргона на уровне 50 стандартных кубических сантиметров в минуту.

Щелкните Аргон, Источник питания постоянного тока и Источник питания ВЧ. Когда сигнал выйдет на плато, установите для аргонового элемента управления значение пять. Нажмите кнопку Пуск при нулевой толщине, чтобы запустить монитор толщины кристалла и разорвать толщину соответственно.

Щелкните Синхронизированный процесс, чтобы начать процесс с контролем времени, и щелкните PLATEN SHUTTER Solid, чтобы открыть затвор валик. Снова щелкните нулевую толщину. Когда распыление закончится, щелкните Твердый, чтобы закрыть затвор твердой пластины, и нажмите Press to Vent, чтобы выпустить камеру магнетронного напыления.

Чтобы делегировать серебряно-золотую марку с покрытием Mac-imprint, сначала смешайте деионизированную воду и азотную кислоту в соотношении один к одному в стеклянном стакане и поместите стакан на перемешивающую конфорку. Погрузите перфорированный держатель для образцов PTFE в смесь и нагрейте раствор до 65 градусов Цельсия с постоянным перемешиванием со скоростью 100 оборотов в минуту. Когда раствор достигнет целевой температуры, поместите узорчатый штамп Mac-отпечатка с покрытием из золотого / серебряного сплава в держатель на срок от двух до 20 минут.

После делегирования закаляйте штамп Mac-импринт в деионизированной воде комнатной температуры в течение одной минуты. Чтобы выполнить выравнивание штампа с подложкой, поместите штамп лицевой стороной вниз поверх кремниевого чипа в электрохимическую ячейку, добавьте каплю СУ-8 на заднюю часть штампа. Приведите стержень из PTFE в контакт с SU-8 и вылечите его на месте в сухих условиях под ультрафиолетовым светом в течение двух часов.

Контакт находится примерно в 86 миллиметрах от домашнего положения. Чтобы выполнить операцию импринтинга Mac, очистите узорчатый кремниевый чип с использованием раствора RCA в соответствии с этапами, описанными в протоколе, а затем поместите его в центр электрохимической ячейки и поместите ячейку под стержнем PTFE со штампом Mac-отпечатка. Смешайте травильный раствор плавиковой кислоты и перекиси водорода в соотношении 17 к одному внутри стакана из PTFE.

Через пять минут используйте пластиковую пипетку, чтобы добавить травильный раствор в электрохимическую ячейку. Чтобы расположить штамп Mac-отпечатка в контакте с чипом шаблона, опустите штамп примерно на 86 миллиметров, а затем переместите штамп вниз из положения контакта примерно на 300-1000 микрометров для достижения желаемой контактной силы. Поддерживайте печать Mac-отпечатка в контакте с чипом от одной до 30 минут, прежде чем нажать кнопку «Домой», чтобы вернуть стержень в исходное положение.

Используйте пипетку, чтобы аккуратно аспирировать травильный раствор из ячейки и промыть отпечатанный кремниевый чип изопропиловым спиртом и деионизированной водой. Затем высушите чипс чистым сухим воздухом. Изображения сканирующего электронного микроскопа могут быть получены для изучения морфологических свойств марок Mac-отпечатков с золотым покрытием и полученных импринтированных кремниевых поверхностей.

В этом репрезентативном анализе профиль поперечного сечения отпечатанного твердого кремния, полученного при атомно-силовом сканировании, сравнивали с профилем использованного пористого золотого штампа. Точность переноса паттерна и генерация пористого кремния во время отпечатка Mac были двумя основными критериями для анализа экспериментального успеха. Отпечаток Mac считался успешным, если рисунок штампа был точно перенесен на кремний, и во время отпечатка Mac не было получено пористого кремния.

Здесь можно наблюдать результаты неоптимального эксперимента, в котором отсутствие точности переноса паттерна и пористая генерация кремния произошли во время Отпечатка Mac. Важно помнить, что Mac-отпечаток кремния включает фтористоводородную кислоту, которая является опасным для жизни веществом и соблюдение протокола безопасности и ношение соответствующих средств индивидуальной защиты имеют первостепенное значение. После этого вы используете марки, покрытые пористым золотом, чтобы облегчить массовую транспортировку.

После этой процедуры состав травильного раствора или контактная сила могут быть изменены для изучения кинетики процесса или долговечности штампа.