通过雕刻包含可重入和双重入的腔或柱的气体镶入微纹理来渲染 SiO2/Si 曲面全功能性

Engineering
 

Summary

本作品提出了微加工方案,用于使用光刻和干蚀刻在SiO 2/Si晶圆上实现具有可重入和双重入型的腔和柱。产生的微纹理表面表现出显著的液体排斥性,其特点是在润湿液体下对空气进行长期粘固,尽管二氧化硅具有固有的润湿性。

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Arunachalam, S., Domingues, E. M., Das, R., Nauruzbayeva, J., Buttner, U., Syed, A., Mishra, H. Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars. J. Vis. Exp. (156), e60403, doi:10.3791/60403 (2020).

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Abstract

我们提供微制造方案,通过在液体上创建气体诱印微纹理 (GEM),使内在润湿材料排斥液体(全防性),这些纹理由具有重入和双重重入特征的腔和柱组成。具体来说,我们使用SiO2/Si作为模型系统,并共享二维(2D)设计、光刻、各向异性/各向异性蚀刻技术、热氧化物生长、食人鱼清洁和存储实现这些微纹理的协议。尽管传统观点表明,粗加工内在润湿表面([o< 90])使它们更加润湿([r<]<<90°),但尽管基材具有固有的润湿性,但GEM仍表现出液体排斥。 例如,尽管水/空气系统具有二氧化硅可润性,而六角/空气系统具有二氧化硅的湿润性,而六角/空气系统,包括空腔的 GEM 在这些液体中牢固地将空气诱穿在浸没,液滴的表观接触角为±r > 90°。GEM 中的重入和双重进功能稳定了侵入的液体半月板,从而将液-固体蒸汽系统困在可转移稳定的充满空气状态(Cassie 状态),并将润湿转换延迟至热力学稳定完全填充状态(Wenzel 状态),例如,数小时至数月。同样,具有可重入和双重进微柱阵列的SiO 2/Si表面表现出极高的接触角(±r = 150±160°)和探头液体的低接触角迟滞,因此具有超全通性。然而,在浸入相同的液体,这些表面戏剧性地失去其超全通性,并在<1秒内完全填充。为了应对这一挑战,我们为混合设计提供了协议,这些混合设计包括由壁包围的具有双重重入型轮廓的双重进柱阵列。事实上,混合微纹理将空气诱捕在探针液体中浸泡。总之,此处描述的协议应能够在实现无化学涂层(如全氟碳化合物)的无全通性的背景下对 GEM 进行调查,这可能为作为全食性材料的应用打开廉价普通材料的范围。硅微纹理也可以作为软材料的模板。

Introduction

对于极性和非极性液体(如水和六角甘蔗)而言,具有明显接触角的固体表面称为全磷1。这些表面服务于许多实际应用,包括海水淡化2,3,油-水分离4,5,抗生物污染6,和减少流体动力阻力7。通常,全磷酸盐需要全氟化化学品和随机地形8,9,10,11,12。然而,这些材料/涂层的成本、非生物降解性和脆弱性构成各种限制,例如,全氟化脱盐膜随着进料侧温度升高而降解,导致孔隙润湿13、14,氟/碳氢化合物涂层也磨损15、16,并在流流和清洁协议中被淤泥颗粒降解。因此,需要采用替代策略来实现全氟化涂料的功能(即,在不使用防水涂层的情况下将空气浸入液体中)。因此,研究人员提出了表面地形,包括悬垂(重入)特征,这些特征可以通过微纹理单独在17、18、19、20、21、22、23、24、25上吸收空气。这些微纹理有三种类型:腔26、支柱27和纤维垫8。下面,我们将使用具有简单悬伸的重入功能(图 1A+B和图1E+F)和重入功能,这些功能具有悬伸,使 90° 转向底座,作为双重重入(图1C+D和图1G+H)。

Werner等人在其开创性的工作中,22、28、29、30、31为特征,描绘了春尾(科伦博拉)、土壤栖息节肢动物的角质,并解释了蘑菇状(重入)特征在润湿中的重要性。其他人也调查了蘑菇状的头发在海滑者32,33促进极端驱水的作用。Werner和同事通过反向印迹光刻29雕刻仿生结构,证明了内在润湿聚合物表面的全通性。Liu和Kim在硅表面报告了一些硅表面,这些金属柱饰有双重进柱,可以击退表面张力低至±LV = 10 mN/m的液体滴,其特征是表面接触角度明显,±r = 150°和极低接触角迟滞27。受到这些惊人发展的启发,我们遵循了刘和金的食谱,以重现他们的结果。然而,我们发现,如果润湿液滴触及微纹理的边缘或局部物理损伤34,这些微纹理将灾难性地失去其超全通性,即αr = 0°。这些发现表明,基于柱的微纹理不适合在浸入式上需要全能的应用,他们还质疑评估全能性的标准(即,如果仅限于接触角度,或者是否需要其他标准)。

作为回应,我们使用SiO2/Si晶圆,制备了具有双重重入进位的微尺度腔阵列,并使用水和六角罐作为代表性的极性和非极性液体,我们证明了(i)这些微纹理防止液体通过夹层空气进入它们,以及(ii)腔体分离结构防止局部缺陷使夹层空气损失因此,我们称这些微纹理为"气体诱印微纹理"(GEMs)。作为下一步,我们微造了形状各异(圆形、方形、六边形)和轮廓(简单、重入和双重进)的 GEM,以系统地比较它们在浸润润湿液体中的性能26。我们还创建了一个混合微纹理,包括由双重进型轮廓包围的墙壁包围的双倍可重进柱的阵列,防止液体接触柱子的茎,并在浸入35上牢固地夹住空气。下面,我们介绍了通过光刻和蚀刻技术在 SiO2/Si 表面上制造 GEM 的详细协议以及设计参数。我们还介绍了通过接触角测角测量(推进/后退/放置角度)和浸入六角甘蔗和水来描述其润湿的代表性结果。

Protocol

注:重入和双重进的腔和柱阵列是微缩的,通过调整多步协议的支柱报告刘和金27。采取预防措施,以尽量减少针残留物或颗粒的形成在我们的表面上,可能会干扰润湿过渡36。

腔的微加工
广义地说,重入和双重进腔(RC和DRCs)的微制造协议包括二维布局设计、光刻、一般硅蚀刻和特定硅蚀刻,具体取决于所需的最终特征37、38、39、40、41。

1. 设计

  1. 通过在布局软件42中设计所需的模式,开始微制造过程。材料列表中列出了此类软件的示例。
  2. 使用该软件,创建新文件。绘制一个包含直径圆的单位像元,D = 200 μm。 复制并粘贴此圆,中间距离(间距)为L = 212 μm,以在面积 1 cm2的方形区域中创建圆数组(图 2)。
  3. 画一个直径为 100 毫米(4 英寸)的圆。将 1 cm2方形数组放在圆圈内并复制它以创建 4 x 4 方形数组网格。圆内的要素将转移到 4 英寸晶圆上(图 2)。
  4. 将设计文件导出为掩码书写系统的所需格式(例如,GDSII 格式)。

2. 晶圆的清洁

  1. 在食人鱼溶液中清洁直径为 4 英寸、直径为 <100> 方向的硅晶圆,并在食人鱼溶液中清洁 2.4 μm 厚的热氧化物层(参见材料清单)。 Piranha 溶液包括硫酸 (H2SO4,96%): 过氧化氢 (H2O2, 30%)在 3:1 体积比,并保持在T = 388 K。
  2. 在氮气 (N2) 环境下用去离子水和自旋干燥冲洗晶圆。

3. 光刻

  1. 使用气相沉积用六甲二甲苯(HMDS)涂覆晶圆,以改善光阻剂的附着力。有关流程详细信息,请参阅表 1。
  2. 将晶圆安装在旋转涂层中的 4 英寸真空夹头上。用 AZ-5214E 光胶盖住晶圆。使用旋转涂层将光刻胶均匀地铺在表面上,作为 1.6 μm 厚的层。有关旋转涂层参数,请参阅表 2。
  3. 在保持110°C的热板上烘烤光刻涂层晶圆120s。
  4. 将晶圆转移到直接写入系统,并将晶圆暴露在紫外线辐射下 55 ms(去焦:+5)。此步骤在 AZ-5214E 上传输所需的设计(用于正色调;参见材料列表)(图2)。
  5. 将外露的晶圆放入包含 AZ-726 显影板的玻璃培养皿中,用于 60 s 的功能开发。有关详细信息,请参阅材料列表
  6. 从显影解决方案中取出晶圆,用去离子 (DI) 水轻轻冲洗,以去除多余的显影。在 N2环境中旋转干燥晶圆。这些步骤如图 3 A+C所示。

注:在此步骤结束时,可以在标准光学显微镜下看到晶圆上的设计模式。

4. 硅的各向异性蚀刻 (SiO2) 层

注:此步骤的目标是完全蚀掉在光刻过程中暴露的硅层(2.4 μm-h),以暴露下面的硅层。

  1. 光刻术后,将晶圆转移到电感耦合等离子体(ICP)活性电蚀刻(RIE)系统中,该系统采用八氟化丁烷(C4F8)和氧气(O2)气体的混合物,垂直向下蚀刻二氧化硅(各向异性蚀刻)。
  2. 运行 ICP-RIE 工艺约 13 分钟,蚀刻暴露的硅层。请参阅表 3中的 ICP-RIE 参数。在此步骤中,光刻层也会完全蚀刻掉(图 3C+D)。
  3. 为确保所需图案内的硅层厚度降至零,使硅层暴露,请使用反射计测量剩余二氧化硅的厚度。根据二氧化硅层的厚度(特别是在图案内和周围)调整后续蚀刻周期的持续时间。

注:使用反射计测量剩余二氧化硅层43的厚度。或者,其他工具,如椭圆计或交互式颜色图来预测SiO2的颜色和厚度也可以使用44,45。

步骤 1 和步骤 4 中详述的程序对于重入和双重入腔都很常见。但是,硅层的蚀刻方案不同,如下所述:

5. 重入腔

  1. 各向异性硅蚀刻
    1. 蚀刻硅层后,将晶圆转移到深ICP-RIE系统中,以蚀刻硅。第一步包括一种基于氟的各向异性蚀刻方法,称为博世工艺,可垂直向下蚀刻硅,形成直壁。
      注:博世工艺在反应室中使用C4F8和六氟化硫(SF6)气体:C4F8沉积产生钝化层,而SF6垂直向下蚀刻硅。因此,博世工艺可实现硅中深沟的微加工,具有高纵横比。
    2. 运行此过程五个周期,对应于相当于 ± 2 μm 的硅的蚀刻深度。
    3. 在食人鱼溶液中清洁晶圆 10 分钟,以清除博世工艺的任何残留物。在 N2环境中用 DI 水冲洗晶圆并旋转干燥(图 3E)。
  2. 等位硅蚀刻:为了创建重入特征,执行各向异性蚀刻,在硅层下创建底切。通过用 SF6蚀刻硅层 2 分钟 45 秒(图 3F),可实现 5 μm 悬伸。有关过程参数,请参阅表 5。
  3. 各向异性硅蚀刻:创建重入功能后,通过博世流程调整空腔深度(步骤 5.1)。
    注:要对深度为hc = 50 μm 的腔体进行微结构处理,需要 160 个博世工艺周期(图 3G,表 4)。
  4. 晶圆清洁和存储
    1. 使用天人拉溶液清洁晶圆,如步骤 2 所述。这一步后,晶圆变得超亲水,其特征是水的接触角,±o = 0°。
    2. 将晶圆存放在玻璃培养皿中,并放置在保持在T = 323 K 和真空压力PVac = 3.3 kPa 的清洁真空烤箱内 48 小时,之后硅层的内在接触角度稳定到±o = 40°。
    3. 将样品存放在装有外氮的清洁柜中 (99%)流,为进一步表征做好准备。

6. 双重重入腔

  1. 各向异性硅蚀刻:要创建双重入腔,请按照步骤 1、2、3、4 和 5.1(参见图 4A+E)。
  2. 各向异性硅蚀刻
    为了创建双重重入功能,必须首先创建重入要素。为此,执行各向异性蚀刻,在硅层下创建底切。用 SF6蚀刻硅层 25 s (图 4F)。有关过程参数,请参阅表 5。随后,使用天拉哈溶液清洁晶圆,如步骤 2 所述。
  3. 热氧化物生长
    1. 要实现双重重入特性,使用高温炉系统在晶圆上生长一层500nm的热氧化物(4G)。
    2. 使用反射计测量氧化物层的厚度。
      注:氧化是通过将样品暴露在由氧气(O2)和水蒸气组成的环境中进行的,导致在800-1,200°C的封闭环境中硅的湿氧化。
  4. 硅蚀刻:执行步骤 4 中描述的相同流程,垂直向下蚀刻二氧化硅 3 分钟。由于各向异性蚀刻,热氧化物(500nm厚的硅层)被蚀刻远离腔体,但它沿侧壁留下一个"悬伸",最终形成双重重入边缘(4H,表3)。
  5. 各向异性硅蚀刻:重复博世工艺的五个周期,将空腔加深 ± 2 μm (图 4I,表 5)。此步骤对于在下一步中去除双重入功能后面的硅是必需的。使用食人鱼溶液清洁晶圆。
  6. 等位硅蚀刻:使用表4中描述的工艺参数,对硅进行2分钟和30秒的各向异性蚀刻。此步骤在腔口的热生长氧化物后面创建一个空空间 (±2 μm),导致双重入边缘(图 4J)。
  7. 各向异性硅蚀刻:使用博世工艺配方(步骤 5.1)进行 160 个循环,将腔体深度增加到h= 50 μm(图 4K,表 5)。
  8. 晶圆清洁和储存:使用食人鱼溶液清洁晶圆并存储,如上文步骤 5.4 所述。

微加工
制造重入和双重进柱和"混合"(包括由墙壁包围的重复性支柱)的设计方案包括三个关键步骤:晶圆制备、二氧化硅蚀刻和特定硅蚀刻。图 5A+C显示了可重入和双重入柱的布局设计的顶视图,而图 5D+F表示混合阵列的布局。选择紫外线照射的暗场选项,以便露出整个晶圆,但使用相同的光刻 (AZ5214E) 的图案除外(图 6A+C图 7A+C)。除了这些特性外,清洁晶圆(步骤2)和蚀刻二氧化硅(步骤4)的过程也相同。

7. 可重入支柱

  1. 各向异性硅蚀刻:光刻、UV 曝光、开发和蚀刻二氧化硅具有上述支柱的特异性(步骤 1⁄4),使用博世工艺将晶圆转移到深 ICP-RIE 系统中,以蚀刻硅层。此步骤控制柱子的高度。使用博世工艺的160个周期实现柱高,hP = 30 μm(6E,表5)。如步骤 2 所述清洁晶圆。
  2. 等位硅蚀刻:使用 SF6执行各向异性蚀刻 5 分钟,在柱子上创建重入边缘(图 6F,表 4)。悬伸的后限为5 μm。
  3. 皮兰哈清洁和储存:使用食人鱼溶液清洁晶圆并存储,如上文步骤 5.4 所述。

8. 双重可重入支柱和混合体

  1. 各向异性硅蚀刻:蚀刻 SiO2后,将晶圆转移到深 ICP-RIE 系统中,在 SiO2层下蚀刻 Si。执行与 + 2 μm 的蚀刻深度对应的博世工艺的五个周期(图 7E,表 4)。随后,如步骤 (2) 中所述清洁晶圆。
  2. 等位硅蚀刻:使用 SF6进行各向异性蚀刻 16 s 以创建重入边缘(表 5,图 7F)。如步骤 2 所述清洁晶圆。
  3. 热氧化物生长:使用步骤 6.3(图 7G) 中描述的高温炉系统在晶圆上种植 500 nm 的热氧化物层。
  4. 硅蚀刻:如步骤 6.4 所述,将热生长的氧化物层(500 nm 厚)蚀刻 3 分钟(图 7H,表 3)。
  5. 各向异性硅蚀刻:重复博世工艺的160个周期(表4)以增加柱子的高度(7I)。如上文步骤 2 所述清洁晶圆。
  6. 等位硅蚀刻:使用表4中所述的工艺参数对硅进行5分钟的同向蚀刻。此步骤创建双重入边缘 (图7J)。柱杆和双重入边缘之间的空间为 ±2 μm。
  7. 晶圆清洁和储存:使用食人鱼溶液清洁晶圆并存储,如上文步骤 5.4 所述。

图 8显示了微结构重入和双重入腔和柱线中使用的工艺列表。

Representative Results

在本节中,我们将展示可重入和双重入的空腔(RC 和 DRC,图 9)以及可重入和双重入柱(RP 和 DRPs,图 10)使用上述协议进行微加工。所有空腔的直径为DC = 200 μm、深度、hC = 50 μm,以及相邻空腔之间的中心到中心距离(或螺距),为LC = DC = 12 μm。使用相同的制造协议,也可以制备非圆形的腔体,如前26例所述

柱子顶部的盖直径为DP = 20 μm,其高度和间距分别为hp = 30 μm 和LP = 100 μm(图10)。

气体夹紧微纹理的润湿行为 (GEM)
扁平二氧化硅 ( SiO2) 对大多数极性和非极性液体具有内在润湿。例如,六角罐液液(αLV = 20°C 时 20 mN/m)和水(表面张力 =LV = 72.8 mN/m 在 20°C 下)在二氧化硅上的内在接触角分别为和 ±o = 20° 和±o = 40°。然而,在微结构重入和双重进腔 (DRC) 和柱后,接触角度发生显著变化 (表 6)。我们测量了推进/后退接触角,以0.2 μL/s的速率分配/收回液体,并发现两种液体的表观接触角,μr > 120°,(全磷;图 11E.由于微纹理(如基于柱状微纹理)中缺乏不连续性,因此使接触角度下降,[r ] = 0°。另一方面,具有双重进柱 (DRPs) 阵列的 SiO2/Si 表面表现出明显的接触角,液体的±r& gt; 150° 和接触角迟滞最小(超通性,图 11A和电影 S1 和 S2)。 奇怪的是,当同一个SiO2/Si表面与柱形阵列浸入相同的液体,他们立即侵入,t <1 s,即没有空气被夹住(图10A&D,电影S3)。因此,虽然柱子在接触角度上似乎对全通性有恐惧症,但它们未能在浸入式上吸收空气。事实上,润湿液体会从微纹理的边界侵入(或局部缺陷),并立即取代任何滞留的空气(图11A+D和电影S3)。相比之下,DRC在浸入两种液体时将空气包裹(图11E+H和S1,表1);对于六角罐,即使1个月后26,被夹住的空气也完好无损。我们的共聚焦显微镜实验表明,悬垂特征稳定了侵入液体和夹住里面的空气(图12A+B)。

接下来,为了在DRP阵列中吸收空气,我们使用相同的微制造协议来实现由双重进轮廓壁包围的柱子阵列(图10G_I)。这种策略使 DRP 的茎与润湿液体绝缘。因此,混合微纹理作为 GEM,由共聚焦显微镜(图 12C+D)和电影 S4,表 6) 确认。因此,具有混合微纹理的硅表面通过捕获空气和演示的接触角、±r> 120°(全食性)在浸入中表现出全功能性,并在真正意义上证明是全食性的,即接触角度和浸入式空气的纠缠性。在表 6 中,我们通过接触角度和浸入法评估 SiO2/Si 表面具有各种微纹理腔基、柱基和混合的全功能性。

Figure 1

图1:微观结构原理图。A+B)重入腔, (C+D) 重入腔, (E+F) 重入柱, (G+H) 重入柱.请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2

图 2:空腔设计模式。使用布局软件生成的重入和双重入腔的设计模式。图案通过光刻技术传输到晶圆上。请点击此处查看此图的较大版本。

   

Figure 3

图3:重入腔的微加工方案。A) 清洁硅片,顶部有 2.4 μm 厚的二氧化硅。(B) 用光胶在晶圆上旋转,暴露在紫外线下。(C) 开发紫外线曝光光胶以获得设计模式。(D) 使用电感耦合等离子体 (ICP) 反应电蚀刻 (RIE) 垂直向下(各向异性蚀刻)的暴露顶部硅层蚀刻。(E) 使用深 ICP-RIE 对外露硅层的浅各向异性蚀刻。(F) 硅的各向异性蚀刻,以产生可重入的边缘。(G) 深各向异性硅蚀刻以增加腔的深度.请点击此处查看此图的较大版本。

   

Figure 4

图4:双重入腔的微制造方案。A) 清洁硅片,顶部有 2.4 μm 厚的二氧化硅。(B) 用光胶在晶圆上旋转,暴露在紫外线下。(C) 开发紫外线曝光光胶以获得设计模式。(D) 使用电感耦合等离子体 (ICP) 反应电蚀刻 (RIE) 垂直向下(各向异性蚀刻)的暴露顶部硅层蚀刻。(E) 使用深 ICP-RIE 对外露硅层的浅各向异性蚀刻。(F) 浅各向异性蚀刻硅,使用深 ICP-RIE 创建底切。(G) 热氧化物生长.(H) 顶部和底部硅层的各向异性蚀刻。(I) 硅的浅各向异性蚀刻。(J) 各向异性硅蚀刻,可产生双重进边缘。(K) 深各向异性硅蚀刻以增加腔的深度。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5

图5:支柱的设计模式。使用布局软件生成的可重入、双重入和混合支柱的设计模式。图案通过光刻技术传输到晶圆上。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6

图6:重入柱的微加工协议。A) 清洁硅片,顶部有 2.4 μm 厚的二氧化硅。(B) 用光胶在晶圆上旋转,暴露在紫外线下。(C) 开发紫外线曝光光胶以获得设计模式。(D) 使用电感耦合等离子体 (ICP) 反应电蚀刻 (RIE) 垂直向下(各向异性蚀刻)的暴露顶部硅层蚀刻。(E) 深各向异性硅蚀刻以增加柱子的高度.(F) 各向异性硅蚀刻,可产生重入边缘。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 7

图7:双重进柱的微制造方案。A) 清洁硅片,顶部有 2.4 μm 厚的二氧化硅。(B) 用光胶在晶圆上旋转,暴露在紫外线下。(C) 开发紫外线曝光光胶以获得设计模式。(D) 使用电感耦合等离子体 (ICP) 反应电蚀刻 (RIE) 垂直向下(各向异性蚀刻)的暴露顶部硅层蚀刻。(E) 使用深 ICP-RIE 对外露硅层的浅各向异性蚀刻。(F) 浅各向异性蚀刻硅,使用深 ICP-RIE 创建底切。(G) 热氧化物生长.(H) 二氧化硅层顶部和底部的各向异性蚀刻。(I) 各向异性硅蚀刻以增加柱子的高度.(J) 各向异性硅蚀刻,可产生双重进边缘。请注意,双重进支柱和"混合"的唯一区别是设计在开始时。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 8

图8:重入和双重进腔和柱的微制造方案。流程图列出了所涉及的关键步骤。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 9

图9:扫描重入和双重入腔的电子显微图。A+D)具有可重入腔阵列的硅表面的横截面和等轴测视图。(E+H)双重入腔的横截面和顶部视图。DC = 型腔的直径和LC = 相邻空腔(或螺距)之间的中心到中心距离,hC = 空腔深度。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 10

图10:扫描重入和双重进柱的电子显微图。A+C)重入柱的等轴测视图。(D+F)双重可重入支柱。(G+I)混合支柱 - 被双重进墙包围的 DRP。DP - 柱盖和LP的直径 - 相邻支柱(或间距)之间的中心到中心距离,以及柱的hP = 高度。图D=I,转载自参考35, 版权 (2019), 经 Elsevier 许可.请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 11

图 11:润湿行为。A) SiO2/Si 表面的超全通性,上面装饰着阵列,可双重重入柱,通过在顶部放置液滴来观察。(B+D)如果润湿液体接触边界或局部缺陷,超全能会立即丧失。(E) SiO2/Si 表面装饰着阵列,双重入腔具有全通性。(F+H)这些微纹理牢固地夹住空气,如果液体接触边界或局部缺陷,不会失去空气。转载自参考文献35,版权所有(2019),经Elsevier许可。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 12

图12:浸入液体中的微纹理的共聚焦显微镜。计算机增强的3D重建代表性共聚焦图像(等轴测和横截面沿虚线)的润湿过渡与双重重入腔和混合柱浸入z × 5毫米柱下后5分钟浸泡 (AC) 水和 (BD) 六角。(假)蓝色和黄色对应于水和六角罐与被困空气的界面。侵入液体月数稳定在双重进边缘。(刻度条 = 型腔和柱的直径分别为 200 μm 和 20 μm)。图12转载自参考文献35,版权(2019),并经Elsevier许可。请点击此处查看此图的较大版本。

第1阶段:从室内脱水和清除氧气
流程顺序 时间(分钟)
1 真空 (10 托) 1
2 氮气 (760 托尔) 3
3 真空 (10 托) 1
4 氮气 (760 托尔) 3
5 真空 (10 托) 1
6 氮气 (760 托尔) 3
阶段 2: 启动
流程顺序 时间(分钟)
7 真空 (1 托) 2
8 HMDS (6 托) 5
阶段 3:清除优质排气
流程顺序 时间(分钟)
9 真空 1
10 2
11 真空 2
第 4 阶段:返回大气(回填)
流程顺序 时间(分钟)
12 3

表1:涂层六甲基二甲苯(HMDS)层的工艺细节,以增强二氧化硅表面和AZ-5214E光胶之间的附着力。

速度(转速) 斜坡(rpm/s) 时间(s)
1 800 1000 3
2 1500 1500 3
3 3000 3000 30

表 2:通过自旋涂层在 SiO2/Si 晶圆上实现 1.6 μm 厚的 AZ-5214E 光刻层的过程细节。

射频功率(W) ICP 功率(W) 蚀刻压力(mTorr) C4F8流量(厘米) O2流量(厘米) 温度(°C)
100 1500 10 40 5 10

表 3:电感耦合等离子体和无功Ion蚀刻(ICP-RIE)中使用的硅蚀刻参数设置。

射频功率(W) ICP 功率(W) 蚀刻压力(mTorr) SF6流量(厘米) 温度(°C)
20 1800 35 110 15

表4:电感耦合等离子体中使用的硅蚀刻(各向异性)的参数设置 – 深度反应电感蚀刻(ICP-DRIE)。

射频功率(W) ICP 功率(W) 蚀刻压力(mTorr) SF6流量(厘米) C4F8流量(厘米) 温度(°C) 沉积/蚀刻时间,(s)
钝化层 5 1300 30 5 100 15 5
蚀刻 30 1300 30 100 5 15 7

表5:电感耦合等离子体中使用的硅蚀刻(各向异性)的参数设置 – 深度反应电感蚀刻(ICP-DRIE)。

表面 标准:空气中的接触角度 标准:沉浸式
六角 六角
DRPs \r 153°1° 153° ± 1° 瞬时渗透 瞬时渗透
A 161°2° 159° ± 1°
R 139°1° 132° ± 1°
评估: 超全通恐惧症 非全食性 – 事实上,全爱
DRC \r 124° ± 2° 115° ± 3° 夹住的空气(全恐惧) 夹住的空气(全恐惧)
A 139° ± 3° 134° ± 5°
R
评估: 全磷 全磷
杂交种 \r 153° 2° 153° ± 2° 夹住的空气(全恐惧) 夹住的空气(全恐惧)
A 161° 2° 159° ± 2°
R
评估: 全磷 全磷

表6:接触角测量- 推进 (+A),退缩 (°R) 和明显 (μr) - 和浸入液体.本表转载自参考文献35,版权(2019),并经Elsevier许可。

Movie S1

电影 S1:水滴从微纹理表面反弹的高速图像序列 (15K fps),这些表面由双重入柱组成。这部电影是从参考文献35中转载的。版权所有 (2019),获得 Elsevier 的许可。请点击此处查看此视频(右键单击下载)。

Movie S2

电影 S2:六角罐滴的高速图像序列 (19K fps) 从由双重入柱组成的微纹理表面反弹。这部电影是从参考文献35中转载的。版权所有 (2019),获得 Elsevier 的许可。请点击此处查看此视频(右键单击下载)。

Movie S3

电影S3:图像序列(200 fps)的水浸入微纹理,包括双重进柱。这部电影是从参考文献35中转载的。版权所有 (2019),获得 Elsevier 的许可。请点击此处查看此视频(右键单击下载)。

Movie S4

电影 S4: 图像序列 (200 fps) 水滴推进旁边的混合微纹理.双重重入边界壁的存在防止液体侵入微纹理,使表面在浸入下全功能。这部电影是从参考文献35中转载的。版权所有 (2019),获得 Elsevier 的许可。请点击此处查看此视频(右键单击下载)。

Discussion

在这里,我们讨论其他因素和设计标准,以帮助读者应用这些微制造协议。对于腔微纹理(RC 和 DRC),间距的选择至关重要。相邻腔体之间的较薄壁会导致低液-固体界面面积和高液蒸气界面面积,导致高表面接触角34。然而,薄壁可能会损害微纹理的机械完整性,例如,在处理和表征过程中;用薄壁过度蚀刻(例如,在步骤6.6中)可以破坏整个微纹理;薄壁下蚀刻也会防止双重重入特征的发展。如果DRC功能没有充分开发,它们长期吸收空气的能力可能会受到影响,特别是如果液体在腔内凝结26。因此,我们在实验中选择间距为L = D = 12 μm(即,空腔之间的最小壁厚为 12 μm)。我们还制造了具有较小L = D = 5 μm的可重进腔,但由于微加工过程中的结构损坏,产生的表面不均匀。

在步骤 4 中 C4F8和 O2的二氧化硅层蚀刻过程中,使用前的历史记录或反应室的清洁度可以产生不同的结果,尽管遵循相同的步骤,例如,在大多数大学等公用用户设施中。因此,建议在较短的时间内执行此步骤,例如,每个时间不超过 5 分钟,并通过独立技术(如反射测量)监控二氧化硅层的厚度。对于我们具有2.4μm厚硅层的晶圆,典型的蚀刻程序需要13分钟才能将二氧化硅从目标区域完全去除(表3)。由于光刻胶在加工过程中也进行了蚀刻,因此此步骤移除了最初被光刻胶遮盖的 1 μm 的二氧化硅层。此外,为了确保蚀刻率如预期,并避免从以前的蚀刻工艺(多用户设施中的常见问题)交叉污染),硅蚀刻之前总是蚀刻牺牲晶圆作为预防措施。在光刻胶开发过程中,暴露的表面可能会受到光刻胶痕迹/颗粒的污染,这些痕迹/颗粒可能充当(微观)面罩,导致引脚残留物的形成。为了避免这种情况,在整个微制造过程中,应遵循严格的清洁和储存协议36。

同样,在博世工艺过程中,即使 SiO2层充当下面 Si 层的掩膜,在长时间的蚀刻周期中也会被蚀刻,尽管速度较慢。因此,空腔的深度或柱子的高度是有限的,以至于重入功能不会受到损害。在博世工艺过程中,应调整钝化和蚀刻时间,以获得光滑的墙壁。这可以通过反复测试配方并观察其对样品的影响来实现,例如,使用电子显微镜。

就RPs和DRPs而言,各向异性蚀刻的持续时间越长,茎的直径越小。如果直径小于 10 μm,则可能导致机械脆弱性。此限制应在微加工程序开始时通知设计。

大学中常见的干蚀工具没有工业级公差,因此在室内蚀刻率方面,空间不均匀。因此,在晶圆中心获得的要素可能与边界处的要素不同。为了克服这一限制,我们使用了四英寸晶圆,并且只集中在中部地区。

我们还建议使用直接书写系统,而不是使用硬接触蒙版进行光刻,从而允许快速更改设计参数,包括特征直径、间距和形状(圆形、六边形和方形)等。

显然,无论是 SiO2/Si 晶圆还是光刻,都不是大规模生产全功能表面所需的材料或工艺。然而,它们作为探索工程全食表面的创新微纹理的优良模型系统,例如通过生物仿生26、27、34、35、46、47,这些材料可以转化为低成本和可扩展的材料系统用于应用。预计在不久的将来,GEM的设计原则可能会通过三维印刷48、增材制造49、激光微加工50等技术加以推广。微纹理SiO2/Si表面也可用于模板软材料29,51。目前,我们正在研究气体诱印表面在减少气穴损伤47,海水淡化46,52和减少流体动力阻力中的应用。

Disclosures

提交人宣称他们没有相互竞争的利益。

Acknowledgments

HM感谢阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AZ-5214 E photoresist Merck DEAA070796-0W59 Photoresist, flammable liquid
AZ-726 MIF developer Merck 10055824960 To develop photoresist
Confocal microscopy Zeiss Zeiss LSM710 Upright confocal microscope to visualize liquid meniscus shape
Deep ICP-RIE Oxford Instruments Plasmalab system100 Silicon etching tool
Direct writer Heidelberg Instruments µPG501 Direct-writing system
Drop shape analyzer KRUSS DSA100 To measure contact angle
Hexadecane Alfa Aesar 544-76-3 Test liquid
Highspeed imaging camera Phantom vision research v1212 To image droplet bouncing
HMDS vapor prime Yield Engineering systems
Hot plate Cost effective equipments Model 1300
Hydrogen peroxide 30% Sigma Aldrich 7722-84-1 To prepare piranha solution
Imaris software Bitplane Version 8 Post process confocal microscopy images
Nile Red Sigma Aldrich 7385-67-3 Fluorescent dye for hexadecane
Nitrogen gas KAUST lab supply To dry the wafer
Petri dish VWR HECH41042036
Reactive-Ion Etching (RIE) Oxford Instruments Plasmalab system100 Silica etching tool
Reflectometer Nanometrics Nanospec 6100 To check remaining oxide layer thickness
Rhodamine B (Acros) Fisher scientific 81-88-9 Fluorescent dye for water
SEM stub Electron Microscopy Sciences 75923-19
SEM-Quanta 3D FEI Quanta 3D FEG Dual Beam
Silicon wafer Silicon Valley Microelectronics Single side polished, 4" diameter, 500 µm thickness, 2.4 µm thick oxide layer
Spin coater Headway Research,Inc PWM32
Spin rinse dryer MicroProcess technology Avenger Ultra -Pure 6 Dry the wafers after piranha clean
Sulfuric acid 96% Technic 764-93-9 To prepare piranha solution
Tanner EDA L-Edit software Tanner EDA, Inc. version15 Layout design
Thermal oxide growth Tystar furnace To grow thermal oxide in patterned silicon wafer
Tweezers Excelta 490-SA-PI Wafer tweezer
Vacuum oven Thermo Scientific 13-258-13
Water Milli-Q Advantage A10 Test liquid

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