Name: metal-assisted electrochemical nanoimprinting of porous and solid silicon wafers
Uploaded: 2022-02-08T12:30:00
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我々は、この研究に関する洞察についてケン・スー博士(ルイビル大学)を認める。イリノイ大学フレデリック・ザイツ研究所、そしてメモリアムでは、スタッフのスコット・マクラーレン。アリゾナ州立大学のルロイ・アイリング固体科学センター;そして、ビスグローブ学者賞の下で科学財団アリゾナ州。

注意:適切な安全慣行と個人的な保護具(例えば、ラボコート、手袋、安全眼鏡、クローズドツシューズ)を使用してください。この手順は、非常に危険な化学物質であり、追加の個人的な保護具(すなわち、顔の盾、天然ゴムエプロン、および手、手首、前腕を覆うニトリル手袋の第2のペア)を必要とするHF酸(48%重量)を利用します。
1. マックインプリント用スタンプの準備</p...

<ol>
	<li>Ning, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer-Printing+of+Tunable+Porous+Silicon+Microcavities+with+Embedded+Emitters.">Transfer-Printing of Tunable Porous Silicon Microcavities with Embedded Emitters.</a> ACS Photonics. 1 (11), 1144-1150 (2014).</li><li>Hirschman, K. D., Tsybeskov, L., Duttagupta, S. P., Fauchet, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon-based+light+emitting+devices+integrated+into+microelectronic+circuits.">Silicon-based light emitting devices integrated into microelectronic circuits.</a> Nature. 384, 338-341 (1996).</li><li>Cho, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+Origami+for+3D+Optics.">Nanoscale Origami for 3D Optics.</a> Small. 7 (14), 1943-1948 (2011).</li><li>Azeredo, B. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+nanowires+with+controlled+sidewall+profile+and+roughness+fabricated+by+thin-film+dewetting+and+metal-assisted+chemical+etching.">Silicon nanowires with controlled sidewall profile and roughness fabricated by thin-film dewetting and metal-assisted chemical etching.</a> Nanotechnology. 24 (22), 225305-225312 (2013).</li><li>Lin, C., Tsai, M., Wei, W., Lai, K., He, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Packaging+Glass+with+a+Hierarchically+Nanostructured+Surface:+a+universal+method+to+achieve+selfcleaning+omnidirectional+solar+cells.">Packaging Glass with a Hierarchically Nanostructured Surface: a universal method to achieve selfcleaning omnidirectional solar cells.</a> ACS Nano. 10 (1), 549-555 (2016).</li><li>Park, K. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanotextured+Silica+Surfaces+with+Robust+Superhydrophobicity+and+Omnidirectional+Broadband+Supertransmissivity.">Nanotextured Silica Surfaces with Robust Superhydrophobicity and Omnidirectional Broadband Supertransmissivity.</a> ACS Nano. 6 (5), 3789-3799 (2012).</li><li>Kim, J., Joy, D. C., Lee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+resist+thickness+and+etch+depth+for+fabrication+of+3D+structures+in+electron-beam+grayscale+lithography.">Controlling resist thickness and etch depth for fabrication of 3D structures in electron-beam grayscale lithography.</a> Microelectronics Engineering. 84 (12), 2859-2864 (2007).</li><li>Deng, S., Zhang, Y., Jiang, S., Lu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+three-dimensional+silicon+structure+with+smooth+curved+surfaces.">Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces.</a> Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 15 (3), 0345031-0345036 (2016).</li><li>Azeredo, B. P., Lin, Y., Avagyan, A., Sivaguru, M., Hsu, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Imprinting+of+Porous+Silicon+via+Metal-Assisted+Chemical+Etching.">Direct Imprinting of Porous Silicon via Metal-Assisted Chemical Etching.</a> Advanced Functional Materials. 26 (17), 2929-2939 (2016).</li><li>Azeredo, B., Hsu, K., Ferreira, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Electrochemical+Imprinting+of+Sinusoidal+Linear+Gratings+into+Silicon.">Direct Electrochemical Imprinting of Sinusoidal Linear Gratings into Silicon.</a> The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-6 (2016).</li><li>Li, H., Niu, J., Wang, G., Wang, E., Xie, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Production+of+Silicon+Nanostructures+with+Electrochemical+Nanoimprinting.">Direct Production of Silicon Nanostructures with Electrochemical Nanoimprinting.</a> ACS Applied Electronic Materials. 1 (7), 1070-1075 (2019).</li><li>Kim, K., Ki, B., Choi, K., Lee, S., Oh, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resist-Free+Direct+Stamp+Imprinting+of+GaAs+via+Metal-Assisted+Chemical+Etching.">Resist-Free Direct Stamp Imprinting of GaAs via Metal-Assisted Chemical Etching.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (14), 13574-13580 (2019).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contact+electrification+induced+interfacial+reactions+and+direct+electrochemical+nanoimprint+lithography+in+n-type+gallium+arsenate+wafer.">Contact electrification induced interfacial reactions and direct electrochemical nanoimprint lithography in n-type gallium arsenate wafer.</a> Chemical Science. 8, 2407-2412 (2017).</li><li>Zhan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+micro/nano-machining:+principles+and+practices.">Electrochemical micro/nano-machining: principles and practices.</a> Chemical Society Reviews. 46 (5), 1526-1544 (2017).</li><li>Li, X., Bohn, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-assisted+chemical+etching+in+HF+/+H2O2+produces+porous+silicon.">Metal-assisted chemical etching in HF / H2O2 produces porous silicon.</a> Applied Physics Letters. 77 (16), 2572-2574 (2000).</li><li>Chartier, C., Bastide, S., Levy-Clement, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-assisted+chemical+etching+of+silicon+in+HF+-+H2O2.">Metal-assisted chemical etching of silicon in HF - H2O2.</a> Electrochimica Acta. 53, 5509-5516 (2008).</li><li>Chattopadhyay, S., Li, X., Bohn, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-plane+control+of+morphology+and+tunable+photoluminescence+in+porous+silicon+produced+by+metal-assisted+electroless+chemical+etching.">In-plane control of morphology and tunable photoluminescence in porous silicon produced by metal-assisted electroless chemical etching.</a> Journal of Applied Physics. 91 (9), 6134-6140 (2002).</li><li>Torralba, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+patterning+of+silicon+by+contact+etching+with+anodically+biased+nanoporous+gold+electrodes.">3D patterning of silicon by contact etching with anodically biased nanoporous gold electrodes.</a> Electrochemistry Communications. 76, 79-82 (2017).</li><li>Bastide, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Patterning+of+Si+by+Contact+Etching+With+Nanoporous+Metals.">3D Patterning of Si by Contact Etching With Nanoporous Metals.</a> Frontiers in Chemistry. 7, 1-13 (2019).</li><li>Sharstniou, A., Niauzorau, S., Ferreira, P. M., Azeredo, B. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+nanoimprinting+of+silicon.">Electrochemical nanoimprinting of silicon.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (21), 10264-10269 (2019).</li><li>Niauzorau, S., Ferreira, P., Azeredo, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+Porous+Noble+Metal+Films+with+Tunable+Porosity+by+Timed+Dealloying.">Synthesis of Porous Noble Metal Films with Tunable Porosity by Timed Dealloying.</a> The American Society of Mechanical Engineers - International Manufacturing Science and Engineering Conference. , 1-4 (2018).</li><li>Geyer, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Model+for+the+Mass+Transport+During+Metal-Assisted+Chemical+Etching+with+Contiguous+Metal+Films+As+Catalysts.">Model for the Mass Transport During Metal-Assisted Chemical Etching with Contiguous Metal Films As Catalysts.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 116 (24), 13446-13451 (2012).</li><li>Li, L., Liu, Y., Zhao, X., Lin, Z., Wong, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Uniform+Vertical+Trench+Etching+on+Silicon+with+High+Aspect+Ratio+by+Metal-Assisted+Chemical+Etching+Using+Nanoporous+Catalysts.">Uniform Vertical Trench Etching on Silicon with High Aspect Ratio by Metal-Assisted Chemical Etching Using Nanoporous Catalysts.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (1), 575-584 (2014).</li></ol>

Mac-Imprintスタンプとプレパターン化されたSiチップ(p型、100方向、1〜10オーム∙cm)を、それぞれプロトコルのセクション1および2に従って調製した。3D階層パターンを含むスタンプを持つプレパターン化されたSiチップのMac-インプリントは、プロトコルのセクション3に従って行われた(図9)。図9aに示すように、Mac-Imprintの異なる構成が適?...

半導体の三次元マイクロ・ナノスケールのパターニングとテクスチャ化により、光電子工学1,2、フォトニクス3、反射防止表面4、超疎水性、自己洗浄面など、さまざまな分野で多くの用途に対応できます。ソフトリソグラフィと20nm以下の解像度のナノインプリンティングリソグラフィにより、高分子フィルムのプロトタイピングと大量生産の3Dおよび階層パターンが成功しました。しかし、このような3D高分子パターンをSiに移すには、反応性イオンエッチング時のマスクパターンのエッチング選択性が必要であり、したがってアスペクト比が制限され、スカラップ効果による形状の歪みや表面粗さを誘導する7,8。
多孔質のSiウエハース10,11と固体GaAsウエハース12,13,14の平行および直接パターン化のために、Mac-Imprintと呼ばれる新しい方法が達成されました。Mac-インプリントは、HFと酸化剤(例えば、Si Mac-Imprintの場合はH2O2)で構成されるエッチング液(ES)の存在下で、3D特徴を有する基板と貴金属被覆スタンプとの接触を必要とする接触式ウェットエッチング技術である。エッチングの間、2つの反応が同時に15,16に起こる:陰極反応(すなわち、貴金属でのH2O2還元、その間に正電荷キャリア[穴]が生成され、その後Si17に注入される)と陽極反応(すなわち、Si溶解、穴が消費される間)。十分な時間を経て、スタンプの3DフィーチャがSiウエハにエッチングされます。Mac-Imprintは、高スループット、ロールツープレートおよびロールツーロールプラットフォーム、非晶質、単結晶および多結晶SiおよびIII-V半導体との互換性など、従来のリソグラフィ法に比べて多くの利点を有します。Mac-インプリントスタンプは複数回再利用できます。さらに、この方法は、現代の直接書き込み方法と互換性のあるサブ20 nmエッチング解像度を提供することができます。
高忠実度の刷り込みを達成するための鍵は、エッチングフロント(すなわち、触媒と基板との接触界面)への拡散経路である。Azeredoら.9 の研究は、ES拡散が多孔質Siネットワークを介して有効であることを最初に実証した。Torralba et al.18は、固体Si Mac-Imprintを実現するために、多孔質触媒を介してES拡散が可能であることを報告した。Bastide et al.19 およびSharstniouら.20 は、ES拡散に対する触媒の空隙率の影響をさらに調べた。このように、Mac-インプリントの概念は、異なる拡散経路を持つ3つの構成でテストされています。
第1の構成では、触媒および基質は固体であり、初期拡散経路を提供しない。反応性拡散の欠如は、触媒-Si界面の端の周りの基板上の多孔質Siの層を形成するインプリンティング中の二次反応をもたらす。反応物は、その後枯渇し、反応が停止し、スタンプと基板の間で識別可能なパターン転送忠実度を生み出さない。第2および第3の構成において、拡散経路は、基板(すなわち、多孔質Si)または触媒(すなわち、多孔質金)に導入された多孔性ネットワークを介して可能であり、高いパターン移動精度が得られます。したがって、多孔質材料を介した大量輸送は、接触界面への反応物および反応生成物の接触インタフェースからの拡散を可能にする上で重要な役割を果たす9,18,19,20。3 つの構成の概略を図 1 に示します。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61040/61040fig1.jpg"> 図 1: Mac インプリント構成の概略図 この図は、基材(すなわち、II:多孔質Si)またはスタンプ(すなわち、ケースIII:多孔質金からなる触媒薄膜)を介して反応種の拡散を可能にする多孔質材料の役割を強調する。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61040/61040fig1large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
本稿では、スタンプ調製や基板前処理、及びMac-インプリント自体を含む、Mac-インプリントプロセスについて徹底的に議論する。プロトコル内の基質前処理部には、ドライエッチングおよび基質陽極化によるSiウエハー洗浄およびSiウエハパターニング(任意)が含まれる。また、スタンプ準備部はいくつかの手順に細分化されます: 1) SiマスターモールドのPDMSレプリカ成形;2)PDMSパターンを転送するためにフォトレジスト層のUVナノインプリント;3)触媒層は、後に脱合金(任意)を続けてマグネトロンスパッタリングを介して堆積する。最後に、Mac-Imprint セクションでは、Mac-Imprint の結果(つまり、Si サーフェス 3D 階層パターン化)と共に Mac-Imprint のセットアップが表示されます。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone, &#62;99.5%, ACS reagent</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-64-1</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium fluoride, &#62;98%, ACS grade</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>12125-01-8</td>
			<td>CAUTION, hazardous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium hydroxide solution, 28-30%, ACS reagent</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1336-21-6</td>
			<td>CAUTION, hazardous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AZ 400K developer</td>
			<td>Microchemicals</td>
			<td>AZ 400K</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BenchMark 800 Etch</td>
			<td>Axic</td>
			<td>BenchMark 800</td>
			<td>Reactive ion etching</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chromium target, 2&#34; x 0.125&#34;, 99.95% purity</td>
			<td>ACI alloys</td>
			<td>ADM0913</td>
			<td>Magnetron sputter chromium target</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CTF 12</td>
			<td>Carbolite Gero</td>
			<td>C12075-700-208SN</td>
			<td>Tube furnace</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desiccator</td>
			<td>Fisher scientific Chemglass life sciences</td>
			<td>CG122611</td>
			<td>Desiccator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>F6T5/BLB</td>
			<td>Eiko</td>
			<td>F6T5/BLB 6W</td>
			<td>UV bulb</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold target, 2&#34; x 0.125&#34;, 99.99% purity</td>
			<td>ACI alloys</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Magnetron sputter gold target</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hotplate KW-4AH</td>
			<td>Chemat tecnologie</td>
			<td>KW-4AH</td>
			<td>Leveled hotplate with uniform temperature profile</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrofluoric acid, 48%, ACS reagent</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7664-39-3</td>
			<td>CAUTION, extremly hazardous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide, 30%, ACS reagent</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>7722-84-1</td>
			<td>CAUTION, hazardous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl alcohol, &#62;99.5%, ACS reagent</td>
			<td>LabChem</td>
			<td>67-63-0</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MLP-50</td>
			<td>Transducer Techniques</td>
			<td>MLP-50</td>
			<td>Load cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitric acid, 70%, ACS grade</td>
			<td>SAFC</td>
			<td>7697-37-2</td>
			<td>CAUTION, hazardous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NSC-3000</td>
			<td>Nano-master</td>
			<td>NSC-3000</td>
			<td>Magnetron sputter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hydroxide, 45%, Certified</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>1310-58-3</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rocker 800 vacuum pump, 110V/60Hz</td>
			<td>Rocker</td>
			<td>1240043</td>
			<td>Oil-free vacuum pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon master mold</td>
			<td>NILT</td>
			<td>SMLA_V1</td>
			<td>Silicon chip with pattern</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafers, prime grade</td>
			<td>University wafer</td>
			<td>783</td>
			<td>Si wafer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver target, 2&#34; x 0.125&#34;, 99.99% purity</td>
			<td>ACI alloys</td>
			<td>HER2318</td>
			<td>Magnetron sputter silver target</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SP-300</td>
			<td>BioLogic</td>
			<td>SP-300</td>
			<td>Potentiostat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPIN 150i</td>
			<td>Spincoating</td>
			<td>SPIN 150i</td>
			<td>Spin coater</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPR 200-7.0 positive photoresist</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>SPR 220-7.0</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stirring hotplate</td>
			<td>Thermo scientific Cimarec+</td>
			<td>SP88857100</td>
			<td>General purpose hotplate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SU-8 2015 negative photoresist</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>SU-8 2015</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYLGARD 184 Silicone elastomere kit</td>
			<td>DOW</td>
			<td>4019862</td>
			<td>CAUTION, chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-LSR150B</td>
			<td>Zaber Technologies</td>
			<td>T-LSR150B-KT04U</td>
			<td>Motorized linear stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>78560-45-9</td>
			<td>CAUTION, hazardous</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

metal-assisted electrochemical nanoimprinting of porous and solid silicon wafers

金属アシスト電気化学刷り込み(Mac-Imprint)は、金属アシスト化学エッチング(MACE)とナノインプリントリソグラフィーの組み合わせで、単結晶群IV(例えば、Si)およびIII-V(例えば、GaAs)半導体(例えば、GaAs)の半導体を直接パターニングすることができる。このプロセスの間に、貴金属触媒で被覆された再利用可能なスタンプは、フッ化水素酸(HF)および過酸化水素(H2O2)混合物の存在下でSiウエハと接触し、金属半導体接触界面でSiの選択的エッチングにつながります。このプロトコルでは、2つのMac-インプリント構成で適用されるスタンプと基板の調製方法について議論します: (1) 固体触媒を用いた多孔質Si Mac-インプリント;(2)多孔質触媒を有する固体Siマックインプリント。このプロセスは高いスループットで、サブ20 nm解像度でセンチメートルスケールの並列パターン化が可能です。また、1回の操作で低い欠陥密度と大面積パターニングを提供し、深い反応性イオンエッチング(DRIE)などのドライエッチングの必要性を回避します。

走査型電子顕微鏡(SEM)画像、光学顕微鏡スキャン(図9)、および原子間力顕微鏡(AFM)スキャン(図10)を得て、Mac-ImprintスタンプおよびインプリントされたSi表面の形態学的性質を研究するために得られた。また、インプリントされた固体Siの断面プロファイルを、使用した多孔質Auスタンプのそれと比較した(図10</s...

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Metal-Assisted Electrochemical Nanoimprinting of Porous and Solid Silicon Wafers

20nm以下の形状精度を持つ3Dマイクロスケールの特徴を固体および多孔質シリコンウエハーに金属アシストした化学インプリンティング用プロトコルが提示されています。

金属補導電気化学ナノインプリンティングの多孔質および固体シリコンウエハー

Metal-assisted electrochemical imprinting (Mac-Imprint) is a combination of metal-assisted chemical etching (MACE) and nanoimprint lithography that is ...

当社のプロトコルは、3次元の階層的微細構造を作成し、メタサーフェスベースの微細光学要素と導波路技術の設計を可能にするシリコンの新しいパターン化方法を提供します。このプロトコルは、ポリマー型および硬い金型から単一ステップで単結晶および多孔質シリコンウエハーに3D構造を複製することを可能にします。同時に、3つの方向すべてでサブ100ナノメートルの解像度を提供する。多孔質シリコンとシリコン自体は、光学バイオセンサーや赤外線光学デバイスを製造するための素晴らしい材料です。しかし、この技術は、グループIII-V半導体に拡大し、さらにはそれ以上に拡大することを期待しています。基板先端および傾斜位置合わせへのスタンプは、均一なMacインプリントにとって非常に重要です。このプロトコルに従って、位置合わせは、基板と接触している間にホルダーにスタンプを取り付けることによって行うことができる。Mac-インプリント用スタンプを用意するには、まず、プロトコルに記載されている手順に従ってRCA-1溶液を使用してシリコンマスターモールドを洗浄し、次にデシケータの内部にプラスチックペトリ皿にクリーンシリコンマスターモールドを配置します。プラスチック製のピペットを使用して、プラスチック製の計量ボートに数滴のPFOCSを追加し、計量ボートをマスターモールドで皿の隣に置きます。真空ポンプをオンにし、デシケータバルブを開き、30分間真空を適用します。真空を適用している間、ガラススパチュラを使用して、シリコンエラストマーキットのベースと硬化剤を10〜15分間10対1の比率で混合します。乾燥の終わりに、シリコンマスター金型の下からデシケーターとスペーサーから計量ボートを取り外し、マスターモールドを準備したばかりのPDMSの2〜3ミリメートルの層で慎重に覆います。デシケータバルブを開いた後にPDMSを脱気するには、さらに20分間、または気泡が消えるまで真空を適用します。2回目の乾燥期間の終わりに、皿を80°Cのホットプレートに移します。2時間後、メスを使用してプラスチックペトリ皿内の硬化PDMSの端をトリミングし、ピンセットを使用してシリコンマスターモールドからPDMSモールドを慎重に除去します。フォトレジストUVナノインプリントの場合、スクリブアーを使用してシリコンウエハから2.5%2.5センチメートルのシリコンチップを切断し、プロトコルに記載されている手順に従ってRCA-1溶液を使用して洗浄し、クリーンチップをスピンコーターの真空チャックに置きます。チップに20マイクロメートルの厚いフォトレジスト層を塗布し、VAC ONを押してシステムに真空を適用するように示されたスピンコーティングパラメータを設定します。SU-8 2015フォトレジストの1.5ミリリットルをチップの中央に注ぎ、スピンコーターの蓋を閉めます。次に[開始]を押してスピンを開始します。スピンの最後に、VAC OFF を押して真空をオフにし、ピンセットを使用してフォトレジストコーティングチップを取り外します。PDMSモールドをフォトレジストコーティングされたシリコンチップパターンの側面に慎重に置き、手動で金型をチップに押し込みます。PDMS の上に UV 透明ガラス板を置き、1 平方センチメートル/15 グラムの圧力を金型とチップに塗布し、セットアップを 6 ワットの UV 光に 2 時間曝します。照射期間の終了時に、ピンセットを使用して、硬化したフォトレジストパターンの方向に平行な方向にチップからゆっくりと金型を除去します。厚さ250ナノメートルの金/銀合金層をチップに堆積させるために、まず、テキストプロトコルに記載されているように、20ナノメートルの厚いクロムと50ナノメートルの厚い金層を堆積させる。次に、銃1 OPENをクリックして、金と銀の銃のシャッターを開きます。処理する時間を 16.5 分に設定し、DC 設定ポイントを 58 に設定し、RF セット ポイントを 150 に設定します。[回転]をクリックし、アルゴンの流量を1分当たり50標準立方センチメートルに設定します。アルゴン、DC供給、RFサプライをクリックします。信号台が高い場合は、アルゴンコントロールを5に設定します。「ゼロ厚さで開始」をクリックして、結晶厚さモニターを開始し、それぞれ厚さを引き裂きます。時間制御プロセスを開始するには、[タイミングプロセス]をクリックし、[PLATEN SHUTTER ソリッド]をクリックしてプッテンシャッターを開きます。厚みゼロをもう一度クリックします。スパッタリングが終了したら、[ソリッド]をクリックしてプッテンソリッドシャッターを閉じ、プレスを押してベントにしてマグネトロンスパッタチャンバーをベントします。銀/金合金をコーティングしたMacインプリントスタンプを脱合金するには、まず脱イオン水と硝酸をガラスビーカーに1対1の比率で混ぜ、攪拌ホットプレートにビーカーを置きます。穿孔されたPTFEサンプルホルダーを混合物に浸し、毎分100回転で一定の攪拌で摂氏65度まで溶液を加熱します。溶液が目標温度に達したら、パターン化された金/銀合金コーティングされたMacインプリントスタンプをホルダーに2〜20分間置きます。脱合金後、室温脱イオン水でMacインプリントスタンプを1分間消してください。基板にスタンプを配置するには、電気化学セルのシリコンチップの上にスタンプを下に置き、スタンプの裏面にSU-8の液滴を追加します。PTFEロッドをSU-8と接触させ、紫外線下で2時間乾燥した状態で硬化させます。接触は、ホーム位置から約86ミリメートルです。Macインプリンティング操作を実行するには、プロトコルに記載されている手順に従ってRCA溶液を使用してクリーンパターンシリコンチップを電気化学セルの中央に配置し、Macインプリントスタンプを持つPTFEロッドの下にセルを配置します。PTFEビーカー内で17対1の比率でフッ化水素酸と過酸化水素のエッチング液を混合します。5分後、プラスチックピペットを使用してエッチング液を電気化学セルに加えます。パターンチップに接触するMac印字スタンプを位置付けるには、スタンプを約86ミリメートル下げ、スタンプを接触位置から約300~1,000マイクロメートル下に移動して、所望の接触力を達成します。Mac インプリント スタンプを 1 ~ 30 分の間チップに接続して保持してから、[ホーム] をクリックしてロッドをホーム位置に戻します。ピペットを使用してエッチング液を細胞から慎重に吸引し、インプリントされたシリコンチップをイソプロピルアルコールと脱イオン水でリンスします。その後、きれいな乾燥した空気でチップを乾燥させます。走査型電子顕微鏡画像は、金被覆のMacインプリントスタンプと得られたインプリントされたシリコン表面の形態学的性質を調べることができる。本代表分析では、原子力スキャンにより得られたインプリントされた固体シリコンの断面プロファイルを、使用した多孔質金スタンプのそれと比較した。Mac-インプリント時のパターン転写忠実度と多孔質シリコン生成は、実験の成功を分析する2つの主要な基準であった。スタンプパターンがシリコン上に正確に転送され、多孔質シリコンがMacインプリント中に生成されなかった場合、Mac-インプリントは成功したと考えられていました。ここで、Mac-インプリント中にパターン転写忠実度の欠如と多孔質シリコン生成が生じた最適以下の実験の結果が観察できる。シリコンのMacインプリントは、生命を脅かす物質であり、安全プロトコルに従い、適切な個人用保護具を着用することが最も重要であるフッ化水素酸を含むということを覚えておくことが重要です。一度大量輸送を容易にするために多孔質金でコーティングされたスタンプを利用します。この手順に従って、エッチング液または接触力の組成を、プロセスの運動学的またはスタンプの耐久性を研究するために変化させることができる。

metal-assisted-electrochemical-nanoimprinting-porous-solid-silicon

Research

JoVE Journal

Engineering

Nanomoulding of Functional Materials, a Versatile Complementary Pattern Replication Method to Nanoimprinting

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding combined with layer transfer enables the replication of arbitrary surface patterns from a master structure onto the functional material. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes. In particular we demonstrate the fabrication of patterned transparent zinc oxide electrodes for light trapping applications in solar cells.

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes.

機能材料のNanomoulding、ナノインプリントへ多目的相補パターンレプリケーション方法

We describe a nanomoulding technique which  allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks  and full devices. Nanomoulding ...

工学

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

VBの作製<sub&gt; 2</sub電気テスト用&gt; /空気電池

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra shallow and sharp doping profiles at the nanometer scale. In MLCD process the dopant source is a monolayer containing dopant atoms.
In this article a detailed procedure for surface doping of silicon substrate as well as silicon nanowires is demonstrated. Phosphorus dopant source was formed using tetraethyl methylenediphosphonate monolayer on a silicon substrate. This monolayer containing substrate was brought to contact with a pristine intrinsic silicon target substrate and annealed while in contact. Sheet resistance of the target substrate was measured using 4 point probe. Intrinsic silicon nanowires were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) process using a vapor-liquid-solid (VLS) mechanism; gold nanoparticles were used as catalyst for nanowire growth. The nanowires were suspended in ethanol by mild sonication. This suspension was used to dropcast the nanowires on silicon substrate with a silicon nitride dielectric top layer. These nanowires were doped with phosphorus in similar manner as used for the intrinsic silicon wafer. Standard photolithography process was used to fabricate metal electrodes for the formation of nanowire based field effect transistor (NW-FET). The electrical properties of a representative nanowire device were measured by a semiconductor device analyzer and a probe station.

A detailed procedure for surface doping of Silicon interfaces is provided. The ultra-shallow surface doping is demonstrated by using phosphorus containing monolayers and rapid annealing process. The method can be used for doping of macroscopic area surfaces as well as nanostructures.

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

シリコン直接ウェハー接合による均一ナノスケールキャビティの作製

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic electrolyte, and an O2-breathing cathode. The aprotic electrolyte is a solution of lithium salt with aprotic solvent; and porous carbon is commonly used as the cathode substrate. To improve the performance, an electrocatalyst is deposited onto the porous carbon substrate by certain deposition methods, such as atomic layer deposition (ALD) and wet-chemistry reaction. The as-prepared cathode materials are characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray absorption near edge structure (XANES). A Swagelok-type cell, sealed in a glass chamber filled with pure O2, is used for the electrochemical test on a battery test system. The cells are tested under either capacity-controlled mode or voltage controlled mode. The reaction products are investigated by electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, and Raman spectroscopy to study the possible pathway of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). This protocol demonstrates a systematic and efficient arrangement of routine tests of the aprotic Li-O2 battery, including the electrochemical test and characterization of battery materials.

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

A protocol for the electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery with the preparation of electrodes and electrolytes and an introduction of the frequently used methods of characterization is presented here.

非プロトン性のLi-Oの電気化学的試験のプロトコルとキャラクタリゼーション<sub&gt; 2</sub&gt;バッテリー

We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. The results of studies in which the etching current and the molarity of the NaOH solution used in the etching process were varied are presented. The investigation of the geometry of the tips, by imaging them with a scanning electron microscope, and by operating them in field emission mode is also described. The field emission tips produced are intended to be used as an electron beam source for ion production via electron impact ionization of background gas or vapor in Penning trap mass spectrometry applications.

A method for electrochemically etching field emission tips is presented. Etching parameters are characterized and the operation of the tips in field emission mode is investigated.

電子衝撃イオン化のためのシャープフィールドエミッションポイントの電気化学エッチングとキャラクタリゼーション

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active layer which consists of blue-fluorescent poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) and &#960;-conjugated triphenylamine molecules. This white light emission originates from exciplexes formed between PFD and amines in electronically excited states. A device containing PFD, 4,4&#39;,4&#39;&#39;-tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine (2-TNATA), Poly(ethylene oxide) and K2CF3SO3 showed white light emission with Commission internationale de l&#39;&#233;clairage (CIE) coordinates of (0.33, 0.43) and a Color Rendering Index (CRI) of Ra = 73 at an applied voltage of 3.5 V. Constant voltage measurements showed that the CIE coordinates of (0.27, 0.37), Ra of 67, and the emission color observed immediately after application of a voltage of 5 V were nearly unchanged and stable after 300 sec.

The authors present a method for fabricating stable white-light-emitting electrochemical cells utilizing emission from exciplexes formed between a blue-emitting fluorene polymer and aromatic amines.

エキシプレックスからの安定した発光と白色発光電気化学セルの作製

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser (laser-SARPES), and demonstrate a power of this technique for studying solid state physics. Laser-SARPES achieves two great capabilities. Firstly, by examining orbital selection rule of linearly polarized lasers, orbital selective excitation can be carried out in SAPRES experiment. Secondly, the technique can show full information of a variation of the spin quantum axis as a function of the light polarization. To demonstrate the power of the collaboration of these capabilities in laser-SARPES, we apply this technique for the investigations of spin-orbit coupled surface states of Bi2Se3. This technique affords to decompose spin and orbital components from the spin-orbit coupled wavefunctions. Moreover, as a representative advantage of using the direct spin detection collaborated with the polarization-variable laser, the technique unambiguously visualizes the light polarization dependence of the spin quantum axis in three-dimension. Laser-SARPES dramatically increases a capability of photoemission technique.

Here, we combine polarization-variable 7-eV laser with spin- and angle-resolved photoemission technique to visualize the spin-orbital coupling effect in solid states.

偏波可変レーザーと組み合わせてスピン角度分解光電子分光の実験法

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This FOSP relies on a silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) attached to the fiber end, referred to as Si-FOSP in this work. The Si-FOSP generates an interferogram determined by the optical path length (OPL) of the silicon cavity. Measurand alters the OPL and thus shifts the interferogram. Due to the unique optical and thermal properties of the silicon material, this Si-FOSP exhibits an advantageous performance in terms of sensitivity and speed. Furthermore, the mature silicon fabrication industry endows the Si-FOSP with excellent reproducibility and low cost toward practical applications. Depending on the specific applications, either a low-finesse or high-finesse version will be utilized, and two different data demodulation methods will be adopted accordingly. Detailed protocols for fabricating both versions of the Si-FOSP will be provided. Three representative applications and their according results will be shown. The first one is a prototype underwater thermometer for profiling the ocean thermoclines, the second one is a flow meter to measure flow speed in the ocean, and the last one is a bolometer used for monitoring exhaust radiation from magnetically confined high-temperature plasma.

This work reports an innovative silicon-tipped fiber-optic sensing platform (Si-FOSP) for high-resolution and fast-response measurement of a variety of physical parameters, such as temperature, flow, and radiation. Applications of this Si-FOSP span from oceanographic research, mechanical industry, to fusion energy research.

高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコン チップを渡したプラットフォーム

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...