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Nanoimpresión electroquímica asistida por metal de obleas de silicio poroso y sólido
Chapters
Summary February 8th, 2022
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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.
Transcript
Nuestro protocolo proporciona un nuevo método de modelado para el silicio que permite la creación de microestructuras jerárquicas tridimensionales que permiten el diseño de elementos microópticos basados en metasuperficies y tecnologías de guía de onda. Este protocolo permite la replicación de estructuras 3D de moldes poliméricos y duros en obleas de silicio monocristalino y poroso en un solo paso. Y al mismo tiempo, proporcionando resoluciones inferiores a 100 nanómetros en las tres direcciones.
El silicio poroso y el silicio en sí mismo son excelentes materiales para fabricar biosensores ópticos y dispositivos ópticos infrarrojos. Sin embargo, esperamos que esta técnica se expanda a los semiconductores del grupo III-V e incluso más allá. El estampado en la punta del sustrato y la alineación de la inclinación es extremadamente importante para una impresión uniforme de Mac.
Siguiendo este protocolo, la alineación se puede realizar montando sello en el soporte mientras está en contacto con el sustrato. Para preparar un sello para la impresión mac, primero limpie el molde maestro de silicio utilizando la solución RCA-1 de acuerdo con los pasos descritos en el protocolo y luego coloque un molde maestro de silicio limpio en una placa de Petri de plástico dentro de un desecador. Use una pipeta de plástico para agregar unas gotas de PFOCS a un bote de pesaje de plástico y coloque el bote de pesaje al lado del plato con el molde maestro.
Encienda la bomba de vacío, abra la válvula del desecador y aplique vacío durante 30 minutos. Mientras se aplica el vacío, use una espátula de vidrio para mezclar la base y el agente de curado de un kit de elastómero de silicio en una proporción de 10 a uno durante 10 a 15 minutos. Al final de la desecación, retire el bote de pesaje del desecador y los espaciadores de debajo del molde maestro de silicio, luego cubra cuidadosamente el molde maestro con una capa de dos a tres milímetros del PDMS recién preparado.
Para desgasificar el PDMS después de abrir la válvula desecadora, aplique vacío durante 20 minutos adicionales o hasta que las burbujas desaparezcan. Al final del segundo período de desecación, transfiera el plato a una placa caliente de 80 grados centígrados. Después de dos horas, use un bisturí para recortar los bordes del PDMS curado dentro de la placa de Petri de plástico y use pinzas para quitar cuidadosamente el molde PDMS del molde maestro de silicio.
Para la nanoimpresión UV fotorresistente, use un escribar para separar un chip de silicio de 2.5 por 2.5 centímetros de la oblea de silicio, limpiándolo con una solución RCA-1 de acuerdo con los pasos descritos en el protocolo y luego coloque el chip limpio en el mandril de vacío en un recubrimiento de centrifugado. Ajuste los parámetros de recubrimiento de centrifugado como se indica para aplicar una capa de fotorresistente de 20 micrómetros de espesor sobre el chip y presione VAC ON para aplicar vacío al sistema. Vierta 1,5 mililitros de fotorresistencia SU-8 2015 en el centro del chip y cierre la tapa del revestimiento giratorio.
A continuación, pulse Inicio para iniciar el giro. Al final del centrifugado, presione VAC OFF para apagar la aspiradora y use pinzas para quitar el chip recubierto de fotorresistencia. Coloque cuidadosamente el molde PDMS sobre el patrón de chip de silicio recubierto de fotorresistencia de lado hacia abajo y presione manualmente el molde en el chip.
Coloque una placa de vidrio transparente UV en la parte superior del PDMS para aplicar 15 gramos por centímetro cuadrado de presión al molde y al chip y exponga la configuración a seis vatios de luz UV durante dos horas. Al final del período de irradiación, use pinzas para eliminar lentamente el molde del chip en la dirección paralela a la dirección del patrón fotorresistente curado. Para depositar una capa de aleación de oro / plata de 250 nanómetros de espesor en el chip, primero deposite una capa de cromo de 20 nanómetros de espesor y una capa de oro de 50 nanómetros de espesor como se describe en el protocolo de texto.
A continuación, haga clic en GUN 1 OPEN para abrir el obturador de la pistola dorada y plateada. Establezca el tiempo de procesamiento en 16,5 minutos y establezca el punto de ajuste de CC en 58 y el punto de ajuste de RF en 150. Haga clic en Rotación y establezca el caudal de argón en 50 centímetros cúbicos estándar por minuto.
Haga clic en Argón, Suministro de CC y Suministro de RF. Cuando la señal se estanque, ajuste el control de argón a cinco. Haga clic en Inicio en espesor cero para iniciar el monitor de espesor de cristal y rasgar el grosor respectivamente.
Haga clic en Proceso temporizado para iniciar el proceso controlado en el tiempo y haga clic en PLATEN SHUTTER Solid para abrir el obturador de la placa. Haga clic de nuevo en espesor cero. Cuando finalice la pulverización, haga clic en Sólido para cerrar el obturador sólido de la placa y presione Presionar para ventilar para ventilar la cámara de pulverización del magnetrón.
Para desalear el sello de impresión Mac recubierto de aleación de plata / oro, primero mezcle agua desionizada y ácido nítrico en una proporción de uno a uno en un vaso de precipitados de vidrio y coloque el vaso de precipitados en una placa caliente de agitación. Sumerja un portamuestras de PTFE perforado en la mezcla y caliente la solución hasta 65 grados centígrados con agitación constante a 100 revoluciones por minuto. Cuando la solución haya alcanzado la temperatura objetivo, coloque el sello de impresión Mac recubierto de aleación de oro / plata estampado en el soporte durante dos a 20 minutos.
Después de la desaleación, apague el sello de impresión mac en agua desionizada a temperatura ambiente durante un minuto. Para realizar la alineación del sello al sustrato, coloque el sello boca abajo en la parte superior del chip de silicio en la celda electroquímica, agregue una gota de SU-8 en la parte posterior del sello. Ponga la varilla de PTFE en contacto con su-8 y cúbrala en su lugar en condiciones secas bajo luz UV durante dos horas.
El contacto está a unos 86 milímetros de la posición de inicio. Para realizar una operación de impresión de Mac, limpie el chip de silicio con patrones utilizando una solución RCA de acuerdo con los pasos descritos en el protocolo y luego colóquelo en el centro de una celda electroquímica y coloque la celda debajo de una varilla de PTFE con el sello de impresión de Mac. Mezcle la solución de grabado de ácido fluorhídrico y peróxido de hidrógeno en una proporción de 17 a uno dentro de un vaso de precipitados de PTFE.
Después de cinco minutos, use una pipeta de plástico para agregar la solución de grabado a la celda electroquímica. Para colocar el sello de impresión mac en contacto con el chip de patrón, baje el sello unos 86 milímetros y luego mueva el sello hacia abajo desde la posición de contacto en aproximadamente 300 a 1, 000 micrómetros para lograr la fuerza de contacto deseada. Mantenga el sello de impresión de Mac en contacto con el chip de uno a 30 minutos antes de hacer clic en Inicio para devolver la varilla a la posición de inicio.
Use una pipeta para aspirar cuidadosamente la solución de grabado de la célula y enjuague el chip de silicio impreso con alcohol isopropílico y agua desionizada. Luego seque el chip con aire limpio y seco. Se pueden obtener imágenes de microscopio electrónico de barrido para estudiar las propiedades morfológicas de los sellos de impresión Mac recubiertos de oro y las superficies de silicio impresas resultantes.
En este análisis representativo, el perfil transversal del silicio sólido impreso obtenido por escaneo de fuerza atómica se comparó con el del sello de oro poroso utilizado. La fidelidad de transferencia de patrones y la generación de silicio poroso durante la impresión de Mac fueron dos criterios principales para analizar el éxito experimental. La impresión de Mac se consideró exitosa si el patrón de sello se transfirió con precisión al silicio y no se generó silicio poroso durante la impresión de Mac.
Aquí, se pueden observar los resultados de un experimento subóptimo en el que se produjo una falta de fidelidad de transferencia de patrones y una generación de silicio poroso durante la impresión de Mac. Es importante recordar que la huella Mac del silicio implica ácido fluorhídrico, que es una sustancia potencialmente mortal y seguir un protocolo de seguridad y usar el equipo de protección personal adecuado es primordial. Una vez que utilice sellos recubiertos de oro poroso para facilitar el transporte masivo.
Siguiendo este procedimiento, la composición de la solución de grabado o la fuerza de contacto podrían variarse para estudiar la cinética del proceso o la durabilidad del sello.
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