Gaseinschlüsse membranen, oder GEMs, können beim Eintauchen in benetzende Flüssigkeiten robust Luft einfangen. Dadurch erreichen sie diese Funktion aufgrund ihrer Struktur, die z.B. bei der Entsalzung durch Membrandestillation von Nutzen sein kann. Die Photolithographie ermöglichte es uns, komplexe überhängende Architekturen auf beiden Seiten eines Siliziumwafers zu erstellen, was zu GEMS führte.
Es bot einen Weg, GEMS mit herkömmlichen Mikro-Fertigungstechniken herzustellen. Richtige Ausrichtungsmarkierungen sollten auf der Fotomaske platziert werden, um vertikal ausgerichtete Pfosten zu erreichen. Wir empfehlen die Verwendung von mehrskaligen Ausrichtungsmarkierungen mit der kleinsten Größe von mindestens dem Vierfachen des Poldurchmessers.
Die Herstellung von Kieselsäure GEMS umfasst komplizierte Designmuster und einen mehrstufigen Prozess, und so wird dies zeigen, dass genügend Mikro-Herstellungsschritte helfen, das Protokoll zu verstehen. Beginnen Sie dieses Verfahren mit dem Entwurf von Arrays und der Maskenentwicklung, wie im Textprotokoll beschrieben. Den Siliziumwafer in eine frisch zubereitete Piranha-Lösung eintauchen.
Halten Sie bei einer Temperatur von 388 Kelvin für 10 Minuten. Spülen Sie den Wafer mit entionisiertem Wasser für zwei Zyklen in einer nassen Bank, dann trocknen Sie den Wafer unter einer Stickstoffumgebung im Spintrockner. Setzen Sie den Wafer dem Dampf von HMDS aus, um die Haftung des Photoresists mit der Kieselsäureoberfläche zu verbessern.
Übertragen Sie den Wafer auf ein Vakuumfutter eines Spincoaters, um den Photoresist zu drehen. Verwenden Sie AZ 5214 photoresist als Negativton, um einen 1,6 Mikrometer dicken Film des Photoresist zu erreichen. Backen Sie den fotoresistbeschichteten Wafer bei 105 Grad Celsius auf einer Kochplatte für zwei Minuten.
Dies trocknet und härtet den photoresist-Film aus, der sonst an der Glasmaske klebt und bei UV-Belastung Kontaminationsprobleme verursacht. Es verbessert auch die Haftung des Photoresists an der Kieselsäureoberfläche. Setzen Sie den Wafer 15 Sekunden lang durch die Chrommaske unter UV-Belichtung aus, indem Sie ein Maskenausrichtungssystem verwenden, um das gewünschte Design auf dem Photoresist zu erzielen.
Dann backen Sie den realisierten Wafer bei 120 Grad Celsius auf einer kochplatte für zwei Minuten. In diesem Schritt wird der exponierte negative Photoresist-Film weitere Querverbindungen. Dadurch sind die UV-exponierten Teile des Photoresists in der Entwicklerlösung nicht mehr löslich, während die unbelichteten Bereiche löslich sind.
Setzen Sie den Wafer in einem UV-Aushärtungssystem 15 Sekunden lang unter UV-Licht aus. Während dieses Schritts werden photoresist-Bereiche, die zuvor nicht verfügbar waren, freigelegt und können später im Entwickler aufgelöst werden. Als nächstes tauchen Sie den Wafer 60 Sekunden lang in ein 50 ml Bad des AZ 726 Photoresist-Entwicklers ein, um das gewünschte Photoresist-Muster auf dem Siliziumwafer zu erzielen.
Anschließend den Wafer mit entionisiertem Wasser reinigen und weiter mit Stickstoffgas trocknen. Spuckchrom auf dem Wafer für 200 Sekunden, um eine 50 Nanometer dicke Chromschicht zu erhalten. Die Abscheidung erfolgt mit einem Magnetron-Typ DC-Reaktiv-Sputter mit einer standardmäßigen Zwei-Zoll-Rundzielquelle in einer Argon-Umgebung.
Beschallen Sie den gesputterten Wafer in einem Acetonbad für fünf Minuten, um den verbleibenden Photoresist vom Wafer abzuwehren, und hinterlassen Sie die gewünschten Eigenschaften mit einer Chrom-Hartmaske. Nach dem Spülen der Rückseite des Wafers mit einer reichlichen Menge Aceton und Ethanol, mit einer Stickstoffpistole trocken blasen. Wiederholen Sie dann die Spin-Beschichtungs-, Back- und UV-Belichtungsschritte auf der Rückseite des Wafers.
Für die UV-Belichtung verwenden Sie die manuelle Rückenausrichtung mit Demfasemodul im Kontaktausrichter, um die gewünschten Features auf der Rückseite mit den Ausrichtungsmarkierungen in der Maske an der Vorderseite des Wafers auszurichten. Für die Rückseite des Wafers, fahren Sie mit dem Sputter und Photoresist Abheben Schritte, um das erforderliche Design mit Chrom-Hartmaske auf beiden Seiten des Wafers zu generieren. Die chrombedeckte Oberfläche wird nicht geätzt.
So definieren Flecken, in denen Chrom auf dem Wafer fehlt, die Ein- und Auslässe des Gießens. Durcheine Ätzung der exponierten Siliziumdioxidschicht auf beiden Seiten des Wafers durch einen induktiv gekoppelten Plasma-Reaktivionen etcher, der Fluor- und Sauerstoffchemikalien verwendet. Die Dauer beträgt 16 Minuten für jede Seite.
Verarbeiten Sie den Wafer mit fünf Zyklen anisotroper Ätzung mit dem Bosch-Verfahren, um eine Kerbe in der Siliziumschicht zu erzeugen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch ein flaches Seitenwandprofil mit abwechselnden Ablagerungen von Octafluorcyclobutan und Schwefelhexafluoridgasen aus. Durch abwechselnde anisotrope Ätzung und Polymerabscheidung ätzt das Silizium gerade nach unten.
Dieser Schritt wird auf jeder Seite des Wafers ausgeführt. Als nächstes tauchen Sie den Wafer in ein Bad mit Piranha-Lösung, das 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 388 Kelvin gehalten wird. Dadurch werden die im anisotropen Schritt abgelagerten Polymere entfernt.
Um den Undercut zu erstellen, der das Reentrantprofil ergibt, unterziehen Sie sich isotropen Ätz mit einem Schwefelhexafluorid-basierten Rezept für eine Dauer von 165 Sekunden. Dieser Schritt wird auf jeder Seite des Wafers ausgeführt. Um anisotrope Siliziumätzdurchzuführen, übertragen Sie den Wafer auf einen tief induktiv gekoppelten Plasma-reaktiven Ionenetcher, um 150 Mikrometer Silizium zu ätzen.
Führen Sie 200 Zyklen tiefen Ätzen mit dem Bosch-Verfahren durch. Wiederholen Sie diesen Schritt mit der Rückseite des Wafers. Nun, piranha Reinigung des Wafers in der nassen Bank für 10 Minuten zu entfernen polymere Verunreinigungen aus dem Ätzprozess abgelagert zu entfernen, die einheitliche Ätzraten gewährleistet.
Wiederholen Sie diese Ätz- und Reinigungsschritte, um durch Poren im Wafer mit wiedereintretenden Ein- und Auslässen zu realisieren. Entfernen Sie das Chrom aus dem Wafer, indem Sie 60 Sekunden lang in ein 100 ml-Bad aus Chrom-Etchant eintauchen. Nach dem Mikroherstellungsprozess den Wafer mit 100 ml frisch zubereiteter Piranha-Lösung in einem Glasbehälter für 10 Minuten reinigen.
Dann weiter trocken blasen mit einem 99% reinen Stickstoffgas-Druckpistole. Legen Sie die Proben in eine gläserne Petrischale in einen sauberen Vakuumofen bei 323 Kelvin, bis der intrinsische Kontaktwinkel von Wasser auf glattem Siliziumdioxid nach 48 Stunden in einem intrinsischen Kontaktwinkel von 40 Grad stabilisiert ist. Bewahren Sie die erhaltenen Trockenproben, d. h. die Kieselsäure-GEMs, in einem Stickstoffschrank auf.
Rasterelektronenmikroskopie von Kieselsäure-GEMs zeigt eine geneigte Querschnittsansicht, eine vergrößerte Querschnittsansicht einer einzelnen Pore und vergrößerte Ansichten von wiedereintretenden Kanten an den Ein- und Auslässen der Pore. Die Poren dieser GEMs waren vertikal ausgerichtet. Der Ein- und Auslassdurchmesser betrug 100 Mikrometer.
Der Abstand zwischen den Poren betrug 400 Mikrometer. Die Trennung zwischen den wiedereintretenden Kanten und der Porenwand betrug 18 Mikrometer, und die Länge der Poren betrug 300 Mikrometer. Hier sind computerverbesserte 3D-Rekonstruktionen der Luft-Wasser-Schnittstelle an den Einlässe von Kieselsäure-GEMs unter Wasser zu sehen.
Gezeigt werden auch Querschnittsansichten entlang der weißen gepunkteten Linien. Bei Wiedereintrittshohlräumen verdrängte die Kondensation von Wasserdampf in den Hohlräumen die eingeschlossene Luft, was zu einer Ausbuchtung der Luft-Wasser-Schnittstelle nach oben führte und das System destabilisierte. Im Gegensatz dazu blieben Kieselsäure-GEMs über einen viel längeren Zeitraum frei von Wölbungen, obwohl die Heizrate ähnlich war.
Diese Ergebnisse wurden auf der Grundlage der bevorzugten Kondensation von Wasserdampf aus dem laserbeheizten Reservoir an der gekühlten Luft-Wasser-Schnittstelle der anderen Seite rationalisiert. Es war jedoch nicht möglich, die Rate der Massenübertragung in dieser experimentellen Konfiguration zu messen. Verhindern Sie die Entfernung von Kieselsäure-Reentrant-Strukturen während des Bosch-Prozesses, es wird verwendet, um Silizium hinzuzufügen.
Es ist sehr wichtig, Chrom-Hartmaske zu haben. Diese Ergebnisse könnten das Potenzial gängiger Materialien für Anwendungen freisetzen, die derzeit perfluorierte Beschichtungen erfordern, z. B. zur Reduzierung des Luftwiderstandes oder zur Unterdrückung und Reinigung.
