Nanoimimpressão eletroquímica assistida por metais de wafers de silício poroso e sólido

Resumo

Um protocolo para impressão química assistida por metais de recursos de microescala 3D com precisão de forma abaixo de 20 nm em wafers de silício sólidos e porosos é apresentado.

Resumo

A impressão eletroquímica assistida por metal (Mac-Imprint) é uma combinação de gravura química assistida por metal (MACE) e litografia nanoimprint que é capaz de padronizar 3D características 3D micro e nanoescala em semicondutores monocristalinos do grupo IV (por exemplo, Si) e III-V (por exemplo, GaAs) sem a necessidade de modelos de sacrifício 3D e passos lithográficos. Durante este processo, um selo reutilizável revestido com um catalisador metálico nobre é trazido em contato com um wafer Si na presença de uma mistura de ácido fluorídrico (HF) e peróxido de hidrogênio (_H2O2), o que leva à gravação seletiva de Si na interface de contato metal-semicondutor. Neste protocolo, discutimos os métodos de preparação de selos e substratos aplicados em duas configurações Mac-Imprint: (1) Porous Si Mac-Imprint com um catalisador sólido; e (2) Solid Si Mac-Imprint com um catalisador poroso. Este processo é de alto rendimento e é capaz de padronização paralela em escala centímétrica com resolução sub-20 nm. Também fornece baixa densidade de defeitos e padronização de grande área em uma única operação e contorna a necessidade de gravura seca, como gravura de íon reativo profundo (DRIE).

Introdução

A padronização e texturização tridimensional de micro e nanoescala de semicondutores permite inúmeras aplicações em diversas áreas, como optoeletrônica1,2, fotônica3, superfícies antirreflexos4, superfícies super hidrofóbicas e autolimpante5,6 entre ^outras. Prototipagem e produção em massa de padrões 3D e hierárquicos foram realizados com sucesso para filmes polimédicos por litografia suave e litografia de nanoimprinting com resolução sub-20 nm. No entanto, transferir tais padrões poliméricos 3D para Si requer a seletividade de gravação de um padrão de máscara durante a gravura de íons reativos e, portanto, limita a proporção, e induz distorções de forma e rugosidade superficial devido aos efeitos de ^{escalopamento7,8}.

Um novo método chamado Mac-Imprint foi alcançado para padronização paralela e direta de ^{wafers si 10,11} sólidos, bem como wafers gaas sólidos12,13,14. Mac-Imprint é uma técnica de gravação molhada baseada em contato que requer contato entre substrato e um selo nobre revestido de metal possuindo características 3D na presença de uma solução de gravação (ES) composta de HF e um oxidante (por exemplo, _H2O2 no caso de Si Mac-Imprint). Durante a gravação, duas reações ocorrem ^{simultaneamente15,16}: uma reação catódica (ou seja, a redução de _H2O2 no metal nobre, durante a qual os portadores de carga positivo [buracos] são gerados e posteriormente injetados no ^Si17) e uma reação anoda (ou seja, dissolução de Si, durante a qual os orifícios são consumidos). Após tempo suficiente de contato, os recursos 3D do selo são gravados no wafer Si. Mac-Imprint tem inúmeras vantagens sobre métodos litográficos convencionais, como alta produtividade, compatibilidade com plataformas roll-to-plate e roll-to-roll, amorfo, mono e policristastalline Si e semicondutores III-V. Os selos Mac-Imprint podem ser reutilizados várias vezes. Além disso, o método pode fornecer uma resolução de gravação sub-20 nm compatível com métodos de escrita direta contemporâneos.

A chave para alcançar a impressão de alta fidelidade é o caminho de difusão para a frente de gravação (ou seja, interface de contato entre catalisador e substrato). O trabalho de Azeredo et ^al.9 demonstrou pela primeira vez que a difusão do ES é habilitada através de uma rede si porosa. Torralba et ^al.18, relataram que, a fim de realizar sólido Si Mac-Imprint, a difusão ES é habilitada através de um catalisador poroso. Bastide et ^al.19 e Sharstniou et ^al.20 investigaram ainda mais a influência catalisador da porosidade na difusão do ES. Assim, o conceito de Mac-Imprint foi testado em três configurações com caminhos de difusão distintos.

Na primeira configuração, o catalisador e o substrato são sólidos, não fornecendo nenhuma via de difusão inicial. A falta de difusão reactucionante leva a uma reação secundária durante a impressão que forma uma camada de Si poroso no substrato ao redor da borda da interface catalisador-Si. Os reagentes são posteriormente esgotados, e a reação pára, resultando em nenhuma fidelidade de transferência de padrão discernível entre o carimbo e o substrato. Na segunda e terceira configurações, as vias de difusão são habilitadas através de redes porosas introduzidas no substrato (ou seja, Si poroso) ou no catalisador (ou seja, ouro poroso) e alta precisão de transferência de padrão é alcançada. Assim, o transporte em massa através de materiais porosos desempenha um papel fundamental na viabilização da difusão de reagentes e produtos de reação para e longe da interface de contato9,18,19,20. Um esquema das três configurações é mostrado na Figura 1.

Figura 1: Esquemas de configurações mac-imprint. Esta figura destaca o papel dos materiais porosos na viabilização da difusão de espécies reagindo através do substrato (ou seja, caso II: poroso Si) ou no selo (ou seja, caso III: filme fino catalisador feito de ouro poroso). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Neste artigo, o processo Mac-Imprint é exaustivamente discutido, incluindo preparação de selos e pré-tratamento de substrato, juntamente com o próprio Mac-Imprint. A seção de pré-tratamento do substrato dentro do protocolo inclui limpeza de wafer Si e padronização de wafer Si com gravação seca e anodização de substrato (opcional). Além disso, uma seção de preparação de selos é subdividida em vários procedimentos: 1) Moldagem de réplica pdms do molde mestre si; 2) Nanoimprinting UV de uma camada fotoresistista para transferir o padrão PDMS; e 3) deposição de camada catalítica via sputtering magnetron seguido de dealloying (opcional). Finalmente, na seção Mac-Imprint, a configuração Mac-Imprint juntamente com os resultados do Mac-Imprint (ou seja, a padronização hierárquica Si surface 3D) é apresentada.

Protocolo

ATENÇÃO: Utilize as práticas de segurança adequadas e equipamentos de proteção individual (por exemplo, jaleco, luvas, óculos de segurança, sapatos fechados). Este procedimento utiliza o ácido HF (48% wt) que é um produto químico extremamente perigoso e requer equipamentos de proteção individual adicionais (ou seja, um escudo facial, avental de borracha natural e segundo par de luvas de nitrito que cobre a mão, pulsos e antebraços).

1. Preparação de selos para mac-imprint

1. Fabricação de moldes PDMS
   1. Prepare a solução RCA-1 misturando água pura deionizada (DI) e hidróxido de amônio no béquer de vidro em uma proporção de 5:1 (volume). Coloque o béquer com a mistura sobre uma placa de aquecimento mexendo (veja Tabela de Materiais) e aqueça a mistura até 70 °C. Meça a temperatura da mistura com um termopar calibrado e adicione 1 parte do peróxido de hidrogênio à mistura pré-aquecido para obter a solução RCA-1. Aguarde até que a solução RCA-1 comece a borbulhar vigorosamente (Figura 2).
   2. Mantenha a solução RCA-1 a 70 °C.
   3. Mergulhe o molde mestre Si na solução RCA-1 por 15 minutos.
   4. Tire o molde mestre Si da solução RCA-1 e enxágue completamente com água DI.
   5. Faça o molde mestre si hidrofóbico. Coloque o molde mestre Si em uma placa de Petri de plástico e coloque-o dentro de um dessecador (ver Tabela de Materiais). Usando uma pipeta de plástico, adicione algumas gotículas de tricloro (1H,1H,2H,2H-perfluorooctil)silane (PFOCS) em um barco de pesagem de plástico e coloque-o dentro do dessedificador ao lado da placa de petri de plástico com o molde mestre Si.
      NOTA: Coloque os espaçadores sob o molde mestre Si para elevá-lo a partir do fundo da placa de Petri. Isso permitirá que o PFOCS cubra uniformemente o molde mestre Si e evite a degola do PDMS.
   6. Feche a tampa do desiccator. Conecte a saída do dessecator à bomba de vácuo (ver Tabela de Materiais) através de um tubo de PVC. Ligue a bomba de vácuo. Ajuste o nível de pressão para 30 kPa usando a válvula da bomba de vácuo.
   7. Abra a válvula do desiccator e aplique o vácuo por 30 minutos.
   8. Enquanto o vácuo é aplicado ao dessecador, misture a base e o agente de cura fornecidos no kit de elastômero de silicone (PDMS) (ver Tabela de Materiais) em uma proporção de 10:1 (massa). Mexa lentamente a mistura com uma espátula de vidro por 10-15 min.
   9. Desligue a bomba de vácuo. Abra o desiccador e remova o barco de pesagem de plástico com PFOCS.
      NOTA: Remova os espaçadores debaixo do molde mestre Si.
   10. Despeje cuidadosamente pdms sobre o molde mestre Si para cobri-lo completamente com a camada de 2-3 mm de PDMS (Figura 3a).
   11. Repita o passo 1.1.6.
   12. Degas, o PDMS. Abra a válvula do desiccator e aplique vácuo por 20 minutos ou até que as bolhas desapareçam.
   13. Desligue a bomba de vácuo. Abra o desiccator. Pegue a placa de petri de plástico com o molde si master coberto pelo PDMS e coloque-a em uma placa de aquecimento (ver Tabela de Materiais) pré-aquecido a 80 °C (Figura 3b).
   14. Cure o PDMS com manto mestre si na placa quente a 80 °C por 120 min (Figura 3b).
   15. Retire a placa de petri de plástico com PDMS curado da placa de aquecimento. Usando um bisturi, corte as bordas do PDMS curado dentro da placa de Petri de plástico. Leve cuidadosamente o PDMS curado com o molde si master da placa de petri de plástico usando pinças.
   16. Remova cuidadosamente todos os PDMS que vazaram sob o molde mestre Si usando um bisturi. Retire o PDMS curado do molde mestre Si usando pinças. Descascá-lo lentamente, paralelo à direção do padrão de selo si master.
   17. Crop o molde PDMS de 2 x 2 cm com o padrão no centro usando um bisturi. Armazene o molde PDMS na placa de petri de plástico com o padrão voltado para cima.

Figura 2: Processo de limpeza RCA-1. a Solução de aquecimento e (b) limpeza si. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Processo de fabricação de moldes PDMS. a Representação esquemática do processo. b Fotografias das etapas do processo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Nanoimimpprinting UV fotoresist
   1. Corte um chip Si de 2,5 x 2,5 cm do wafer Si usando um escriba.
   2. Repita as etapas 1.1.1-1.1.4 para limpar o chip Si.
   3. Tire o fotoresist SU-8 2015 da geladeira e deixe-o ficar em temperatura ambiente (RT) por 10-15 minutos antes do revestimento de giro.
   4. Abra a tampa do revestimento de giro (ver Tabela de Materiais). Coloque o chip Si dentro do revestimento de spin no mandril de vácuo (Figura 4a).
   5. Conecte a saída do revestimento de giro à bomba de vácuo através do tubo de PVC. Ligue a bomba de vácuo. Ajuste o nível de pressão para 30 kPa usando a válvula da bomba de vácuo.
   6. Selecione um procedimento de revestimento de giro com os seguintes parâmetros: espalhe a 500 rpm para 10 s com aceleração de 100 rpm/s, gire a 2.000 rpm para 30 s com aceleração de 300 rpm/s.
      NOTA: O passo 1.2.6 produzirá uma camada SU-8 2015 de espessura de 20 μm de espessura.
   7. Aplique vácuo no mandril de vácuo pressionando "VAC ON" no visor do revestimento de spin. Consulte o arquivo suplementar (Figura S1).
   8. Despeje 1,5 mL de fotoresist SU-8 2015 no centro do chip Si.
   9. Feche a tampa do revestimento de giro. Comece a girar o revestimento pressionando "START". Consulte o arquivo suplementar (Figura S1).
   10. Abra a tampa do revestimento de giro. Desligue o vácuo pressionando "VAC OFF". Consulte o arquivo suplementar (Figura S1). Tire o chip Si com a camada revestida de spin de fotoresist SU-8 2015 usando pinças (Figura 4a).
   11. Coloque cuidadosamente o molde PDMS no chip Si revestido de fotoresistista com o padrão voltado para baixo. Achate manualmente o molde PDMS. Coloque uma placa de vidro transparente UV na parte traseira do PDMS resultando em peso de 15 g/^cm2 aplicado ao molde PDMS (Figura 4b).
   12. Realize exposição UV constante por 2h usando uma lâmpada UV de 6 W (ver Tabela de Materiais) colocada a 10 cm de distância da superfície do wafer Si.
   13. Retire o molde PDMS do chip Si usando pinças. Retire-se lentamente na direção paralela à direção do padrão SU-8 2015 curado.

Figura 4: Processo de nanoimpressão UV fotoresistista. a Fotografias de revestimento de spin fotoresist. b Esquemas e fotografias de nanoimimimpressão UV. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Deposição de filme fino catalisador de ouro por magnetron sputtering
   1. Conecte os chips Si com uma camada fotoresista SU-8 2015 padronizada em um wafer Si de 4 polegadas usando fita de poliimida de duas faces.
   2. Abra a câmara do sputter magnetron (ver Tabela de Materiais). Coloque o wafer Si de 4 polegadas com lascas Si anexadas em uma placa de rotação. Feche o obturador sólido da placa pressionando o botão "Sólido" no software de controle. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
      NOTA: O botão "Sólido" ficará verde quando o obturador estiver fechado.
   3. Coloque os alvos Cr e Au (ver Tabela de Materiais) nas armas magnetron conectadas à fonte de alimentação DC. Coloque um alvo Ag (ver Tabela de Materiais) na arma magnetron conectada à fonte de alimentação RF. Defina a distância entre os alvos e a placa rotacional para 8,5 polegadas.
   4. Feche a câmara do sputter magnetron e comece a evacuar a câmara pressionando "Pump Down" e "Turbo Enable" no software de controle. Deixe-o durante a noite. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2a).
   5. Ligue as fontes de alimentação DC e RF. Abra o obturador de pistola Cr pressionando "Gun 1 Open" no software de controle. Defina a fonte de alimentação DC para 100 W no software de controle. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   6. Defina o "Processo Controlado de Espessura" para 200 Å. Habilite a rotação da placa rotacional pressionando os botões "Cont" e "Rotação" no software de controle. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   7. Defina a pressão do depoimento para 3 mTorr. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   8. Defina a taxa de fluxo Ar para 50 sccm no software de controle. Habilite a fonte de alimentação DC pressionando a "fonte DC" no software de controle. Altere a vazão ar para 5 sccm. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   9. Inicie o monitor de espessura de cristal e reque a espessura pressionando os botões "START" e "ZERO THICKNESS", respectivamente, no software de controle. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   10. Inicie o processo controlado pela espessura pressionando "Processo controlado pela espessura". Abra o obturador sólido da placa pressionando "Sólido". Tare o monitor de espessura mais uma vez pressionando "ZERO ESPESSURA". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   11. Após as extremidades de sputtering, feche o obturador sólido da placa pressionando "Sólido". Pare o monitor de espessura pressionando "STOP". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   12. Abra o obturador de pistola Au pressionando "Gun 2 Open". Defina a fonte de alimentação DC para 35 W. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   13. Defina o "Processo Controlado de Espessura" para 800 Å. Habilite a rotação da placa de rotação pressionando os botões "Cont" e "Rotação". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   14. Repetição de passos 1.3.7-1.3.11.
   15. Desabasse a câmara de sputter magnetron pressionando "Pressione para desabafar" no software de controle. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2c). A estrutura resultante é um selo sólido Au Mac-Imprint (Figura 5).
       NOTA: Realize as etapas 1.4 e 1.5 somente se forem necessários selos com filmes catalíticos porosos.

Figura 5: Processo de preparação do selo catalítico. a Esquemas do depoimento do filme fino. b Fotografias do sistema de sputtering magnetron. c Fotografia do processo de dealloying com imagens sem ouro porosas representativas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Deposição de filme fino catalisador de prata/ouro por magnetron sputtering
   1. Repetição de passos 1.3.1-1.3.14. Na etapa 1.3.13, defina o processo controlado pela espessura para 500 Å em vez de 800 Å.
   2. Abra o obturador de armas Au e Ag pressionando "Gun 3 Open". Defina as fontes de alimentação DC e RF para 58 W e 150 W, respectivamente. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
      NOTA: A etapa 1.4.2 fornecerá uma alusão Ag/Au com composição 60/40 (volume)
   3. Defina o "Processo Cronometrado" para 16,5 min no software de controle. Habilite a rotação da placa de rotação pressionando os botões "Cont" e "Rotação". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
      NOTA: As etapas 1.4.3-1.4.8 do protocolo produzirão uma camada de alusão Ag/Au de 250 nm de espessura.
   4. Defina a vazão do ar para 50 sccm. Habilite as fontes de alimentação DC e RF pressionando "DC Supply" e "RF Supply" respectivamente. Altere a vazão do ar para 5 sccm. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   5. Inicie o monitor de espessura do cristal e reque a espessura pressionando "START" e "ZERO THICKNESS" respectivamente. Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   6. Inicie o processo controlado pelo tempo pressionando "Processo Cronometrado". Abra o obturador sólido da placa pressionando "Sólido". Tare o monitor de espessura mais uma vez pressionando "ZERO ESPESSURA". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   7. Após as extremidades de sputtering, feche o obturador sólido da placa pressionando "Sólido". Pare o monitor de espessura pressionando "STOP". Consulte o arquivo suplementar (Figura S2b).
   8. Repita o passo 1.3.15.
      NOTA: A estrutura resultante é um selo Mac-Imprint de liga Ag/Au.
5. Silver/Gold catalisador filme fino dealloying
   1. Misture água DI e ácido nítrico no copo de vidro na proporção 1:1 (volume). Deixe esfriar até 30 °C.
   2. Coloque o béquer com a mistura sobre uma placa de aquecimento e submerse o suporte de amostra de politefluoroetileno perfurado (PTFE) na mistura. Aqueça a mistura até 65 °C com agitação constante a 100 rpm. Meça constantemente a temperatura da mistura com um termopar calibrado.
   3. Coloque os chips Si com a camada SU-8 2015 padronizada com a ximia Ag/Au na mistura e dealloy por 2-20 ^min21.
   4. Depois de negociar, sacie amostras na água RT DI por 1 min.
   5. Tire as lascas Si da água DI e enxágue bem com água DI.

2. Padronagem e limpeza de substratos de silício

1. Preparação de substrato para impressão si sólida com catalisador poroso
   1. Oxidar o wafer Si de 4 polegadas a 1.150 °C por 24 h em um fluxo _O2 de 4 sccm.
   2. Tire o fotoresist SPR 220 7.0 da geladeira e deixe-o ficar na RT por 10-15 minutos antes de girar o revestimento.
   3. Abra a tampa do revestimento de giro. Coloque o wafer Si dentro do revestimento de giro no mandril de vácuo.
   4. Conecte a saída do revestimento de giro à bomba de vácuo através de um tubo de PVC. Ligue a bomba de vácuo. Ajuste o nível de pressão para 30 kPa usando a válvula da bomba de vácuo.
   5. Selecione um procedimento de revestimento de giro com os seguintes parâmetros: espalhe a 400 rpm para 30 s com aceleração de 200 rpm/s, gire a 2.000 rpm para 80 s com aceleração de 500 rpm/s.
      NOTA: A etapa 2.1.5 produzirá uma camada SPR 220 7.0 de espessura de 9 μm de espessura.
   6. Aplique vácuo no mandril de vácuo pressionando "VAC ON" no visor do revestimento de spin.
   7. Despeje 5 mL de SPR 220 7.0 fotoresist no centro do 4 em Si wafer.
   8. Feche a tampa do revestimento de giro. Comece a girar o revestimento pressionando "START".
   9. Abra a tampa do revestimento de giro. Desligue o vácuo pressionando "VAC OFF". Tire o wafer Si de 4 polegadas com a camada revestida de spin de SPR 220 7.0 fotoresist usando pinças.
   10. Coloque o wafer Si com a camada revestida de spin de SPR 220 7.0 fotoresist em uma placa de aquecimento pré-aquecido a 110 °C e pré-ceia por 2 min. Deixe esfriar por 1 min.
   11. Exponha a camada fotoresistista através da máscara com um padrão quadrado mesas que tem os seguintes parâmetros: largura = 500 μm e espaçamento = 900 μm. Exposição de inundação para 10 s para atingir uma dose de 150 mJ/^cm2 .
   12. Desenvolva a camada fotoresistista exposta em 4:1 (volume) do desenvolvedor: água DI por 3 min. Enxágüe a amostra com água DI e verifique as características no microscópio.
   13. Coloque o wafer Si com o fotoresist SPR 220 7.0 desenvolvido em uma placa de aquecimento pré-aquecido a 120 °C e leve ao forno por 5 min. Deixe esfriar por 1 min.
   14. Etch a camada de óxido em equipamento de gravura de íon reativo por 20 minutos usando os seguintes parâmetros: pressão = 100 mT, fluxo _O2 = 3 sccm, fluxo _CF4 = 24 sccm, potência = 250 W.
   15. Remova a camada SPR 220 7.0 usando acetona e enxágue com álcool isopropílico (IPA) e água DI.
   16. Realize a gravação em um banho koh de 30% (peso) a 80 °C por 100 min com agitação constante a 175 rpm para criar mesas no wafer Si.
   17. Remova a camada de óxido com a solução de etch de óxido tamponado.
   18. Lave completamente com água DI.
       NOTA: O layout da máscara de padronização do wafer si e o chip com padrão único são mostrados na Figura 6.

Figura 6: Layout da máscara de padronização de wafer si (A) e chip único padronizado (B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Preparação de substrato para impressão porosa Si com catalisador sólido
   1. Repita o passo 2.1.
   2. Cubra a parte de trás do wafer Si de 4 polegadas padronizado com níquel e anneal a 320 °C em uma câmara de ressarcimento térmico rápido em _N2 por 3 min.
   3. Cleave 2,5 x 2,5 cm Si chips fora do wafer Si de 4 polegadas padronizado usando um escrifeto.
   4. Coloque o chip Si dentro da parte inferior da célula eletroquímica (CE). Coloque um o-ring no topo do chip Si. Coloque a parte superior do CE sobre e aperte os parafusos.
   5. Defina o regime galvanostático no software de controle de potencialização (ver Tabela de Materiais). Consulte o arquivo suplementar (Figura S3). Conecte um eletrodo de trabalho ao chip Si e ao eletrodo do contador ao eletrodo de platina (Figura 7).
   6. Encha cuidadosamente o EC com HF e insira um eletrodo de platina cilíndrico da parte superior a 5 mm acima da superfície do chip Si (Figura 7b).
   7. Aplique a densidade atual de 135 mA/^cm2 para 120 s pressionando o botão iniciar verde no software de potencialiostat. Consulte o arquivo suplementar (Figura S3).
   8. Sugam cuidadosamente o HF para fora do CE com uma pipeta de plástico.
   9. Lave completamente com água DI.
      NOTA: O processo de anodização Si e o chip Si com uma camada si porosa são mostrados na Figura 7.

Figura 7: Fotografias do procedimento de porosificação do substrato (Anodização do Si). a Potencialiostat controlado por PC conectado a célula eletroquímica de dois eletrodos. b Célula eletroquímica com eletrodo de platina. c Chip si com uma camada si porosa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Configuração de impressão de Mac

1. Carimbo para fixação da haste PTFE
   1. Coloque o chip Si de referência dentro da parte inferior do EC. Coloque o selo Mac-Imprint em cima do chip Si de referência com o padrão voltado para baixo.
   2. Conecte a haste PTFE à célula de carga (ver Tabela de Materiais) através de um parafuso roscado de duas laterais. Conecte a estrutura ao estágio linear motorizado controlado por software (ver Tabela de Materiais) através de um suporte metálico.
   3. Adicione uma pequena gota de fotoresist SU-8 2015 na parte de trás do selo Mac-Imprint.
   4. Coloque a haste PTFE em contato com uma gotícula SU-8, definindo o comando "Mova-se relativo" a 173.500 passos da posição inicial e pressionando o botão "Gravar" no software de controle de palco. Consulte o Arquivo Suplementar (Figura S4a).
   5. Cure a gotícula fotoresista SU-8 2015 com uma lâmpada UV de 6 W por 2 horas. Consulte o arquivo suplementar (Figura S5).
   6. Coloque a haste PTFE com o selo Mac-Imprint anexado na posição inicial, definindo o comando "Home" e pressionando "Write" no software de controle de palco. Consulte o Arquivo Suplementar (Figura S4a).
   7. Monte o CE.
2. Operação de impressão de Mac
   1. Limpe o chip Si padronizado de acordo com as etapas 1.1.1-1.1.4.
   2. Coloque o chip Si padronizado no centro de um EC. Posicione a CE sob a haste PTFE com o selo Mac-Imprint (Figura 8).
   3. Misture o ES de HF e _H2O2 na proporção 17:1 (volume) dentro de um béquer PTFE. Deixe o ES ficar por 5 minutos antes de gravar.
      NOTA: A razão sugerida leva ao parâmetro de solução ρ = 98%¹⁶. A razão pode ser alterada para suprimir ou promover a taxa de gravação.
   4. Despeje cuidadosamente o ES no CE usando uma pipeta de plástico.
   5. Traga a haste PTFE com o selo Mac-Imprint anexado em contato com o chip Si padronizado, definindo o comando "Mova-se relativo" a 173.500 passos da posição inicial e pressionando o botão "Gravar". Consulte o Arquivo Suplementar (Figura S4a).
   6. Em seguida, defina 600-2.000 passos e pressione "Write" para obter cargas na faixa de 4-10 lbf. Meça valores de carga através de uma célula de carga controlada por software. Consulte o arquivo suplementar (Figura S4b).
   7. Mantenha contato durante Mac-Imprint (Figura 8c). O tempo de Mac-Imprint varia de 1 a 30 min.
   8. Mova a haste PTFE com o selo Mac-Imprint anexado para a posição de casa pressionando "Home". Consulte o Arquivo Suplementar (Figura S4a). Aspire cuidadosamente o ES para fora do CE com uma pipeta de plástico.
   9. Enxágüe o chip Si impresso usando água IPA e DI.
   10. Seque o chip Si impresso com ar limpo e seco.

Figura 8: Fotografias da configuração Mac-Imprint (A), carimbo antes (B) e depois (C) contato com o chip Si. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Imagens de microscópio eletrônico de varredura (SEM), escaneamentos de microscópio óptico (Figura 9) e microscopia de força atômica (Figura 10) foram obtidas para estudar as propriedades morfológicas dos selos Mac-Imprint e superfícies Si impressas. O perfil transversal do sólido impresso Si foi comparado ao do carimbo de Au poroso usado (Figura 10). A fidelidade de transferência de padrõe...

Discussão

Selos Mac-Imprint e chips Si pré-despachados (tipo p, [100] orientação, 1-10 Ohm∙cm) foram preparados de acordo com as seções 1 e 2 do protocolo, respectivamente. O mac-imprint do chip Si pré-despachado com selos contendo padrões hierárquicos 3D foi realizado de acordo com a seção 3 do protocolo (Figura 9). Como mostrado na Figura 9a, foram aplicadas diferentes configurações de Mac-Imprint: Si sólido com Au sólido (esquerda), por...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetone, >99.5%, ACS reagent	Sigma-Aldrich	67-64-1	CAUTION, chemical
Ammonium fluoride, >98%, ACS grade	Sigma-Aldrich	12125-01-8	CAUTION, hazardous
Ammonium hydroxide solution, 28-30%, ACS reagent	Sigma-Aldrich	1336-21-6	CAUTION, hazardous
AZ 400K developer	Microchemicals	AZ 400K	CAUTION, chemical
BenchMark 800 Etch	Axic	BenchMark 800	Reactive ion etching
Chromium target, 2" x 0.125", 99.95% purity	ACI alloys	ADM0913	Magnetron sputter chromium target
CTF 12	Carbolite Gero	C12075-700-208SN	Tube furnace
Desiccator	Fisher scientific Chemglass life sciences	CG122611	Desiccator
F6T5/BLB	Eiko	F6T5/BLB 6W	UV bulb
Gold target, 2" x 0.125", 99.99% purity	ACI alloys	N/A	Magnetron sputter gold target
Hotplate KW-4AH	Chemat Technology	KW-4AH	Leveled hotplate with uniform temperature profile
Hydrofluoric acid, 48%, ACS reagent	Sigma-Aldrich	7664-39-3	CAUTION, extremly hazardous
Hydrogen peroxide, 30%, ACS reagent	Fisher Chemical	7722-84-1	CAUTION, hazardous
Isopropyl alcohol, >99.5%, ACS reagent	LabChem	67-63-0	CAUTION, chemical
MLP-50	Transducer Techniques	MLP-50	Load cell
Nitric acid, 70%, ACS grade	SAFC	7697-37-2	CAUTION, hazardous
NSC-3000	Nano-master	NSC-3000	Magnetron sputter
Potassium hydroxide, 45%, Certified	Fisher Chemical	1310-58-3	CAUTION, chemical
Rocker 800 vacuum pump, 110V/60Hz	Rocker	1240043	Oil-free vacuum pump
Silicon master mold	NILT	SMLA_V1	Silicon chip with pattern
Silicon wafers, prime grade	University wafer	783	Si wafer
Silver target, 2" x 0.125", 99.99% purity	ACI alloys	HER2318	Magnetron sputter silver target
SP-300	BioLogic	SP-300	Potentiostat
SPIN 150i	Spincoating	SPIN 150i	Spin coater
SPR 200-7.0 positive photoresist	Microchem	SPR 220-7.0	CAUTION, chemical
Stirring hotplate	Thermo scientific Cimarec+	SP88857100	General purpose hotplate
SU-8 2015 negative photoresist	Microchem	SU-8 2015	CAUTION, chemical
SYLGARD 184 Silicone elastomer kit	DOW	4019862	CAUTION, chemical
T-LSR150B	Zaber Technologies	T-LSR150B-KT04U	Motorized linear stage
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97%	Sigma-Aldrich	78560-45-9	CAUTION, hazardous