झरझरा और ठोस सिलिकॉन वेफर्स की धातु-सहायता प्राप्त इलेक्ट्रोकेमिकल नैनोइम्प्रिंटिंग
Summary
ठोस और झरझरा सिलिकॉन वेफर्स में उप-20 एनएम आकार सटीकता के साथ 3 डी माइक्रोस्केल सुविधाओं के धातु-सहायता प्राप्त रासायनिक छाप के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है।
Abstract
धातु-सहायता प्राप्त इलेक्ट्रोकेमिकल इम्प्रिंटिंग (मैक-इम्प्रिंट) धातु-सहायता प्राप्त रासायनिक नक़्क़ाशी (MACE) और नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी का एक संयोजन है जो मोनोक्रिस्टलाइन समूह IV (जैसे, Si) और III-V (जैसे, GaAs) में 3 D माइक्रो- और नैनोस्केल विशेषताओं को सीधे पैटर्निंग करने में सक्षम है, बलिदान टेम्पलेट्स और लिथोग्राफिकल चरणों की आवश्यकता के बिना अर्धचालक। इस प्रक्रिया के दौरान, एक महान धातु उत्प्रेरक के साथ लेपित एक पुन: प्रयोज्य टिकट को एक हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (एचएफ) और हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच 2 ओ 2) मिश्रण की उपस्थिति में एक सी वेफर के संपर्क में लाया जाता है, जो धातु-अर्धचालक संपर्क इंटरफ़ेस पर सी के चयनात्मक नक़्क़ाशी की ओर जाता है। इस प्रोटोकॉल में, हम दो मैक-इम्प्रिंट कॉन्फ़िगरेशन में लागू स्टांप और सब्सट्रेट तैयारी विधियों पर चर्चा करते हैं: (1) एक ठोस उत्प्रेरक के साथ झरझरा सी मैक-छाप; और (2) एक झरझरा उत्प्रेरक के साथ ठोस सी मैक-छाप. यह प्रक्रिया उच्च थ्रूपुट है और उप-20 एनएम रिज़ॉल्यूशन के साथ सेंटीमीटर-स्केल समानांतर पैटर्निंग में सक्षम है। यह एक ही ऑपरेशन में कम दोष घनत्व और बड़े क्षेत्र पैटर्निंग भी प्रदान करता है और गहरी प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (DRIE) जैसे सूखे नक़्क़ाशी की आवश्यकता को दरकिनार करता है।
Introduction
तीन आयामी माइक्रो- और नैनोस्केल पैटर्निंग और अर्धचालकों के texturization विभिन्न क्षेत्रों में कई अनुप्रयोगों को सक्षम बनाता है, जैसे optoelectronics1,2, photonics3, antireflective surfaces4, सुपर हाइड्रोफोबिक, और स्व-सफाई सतहों 5,6 दूसरों के बीच। प्रोटोटाइप और बड़े पैमाने पर उत्पादन 3 डी और पदानुक्रमित पैटर्न को नरम लिथोग्राफी और नैनोइम्प्रिंटिंग लिथोग्राफी द्वारा पॉलीमेरिक फिल्मों के लिए उप-20 एनएम रिज़ॉल्यूशन के साथ सफलतापूर्वक पूरा किया गया है। हालांकि, सी में इस तरह के 3 डी बहुलक पैटर्न को स्थानांतरित करने के लिए प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी के दौरान एक मुखौटा पैटर्न की नक़्क़ाशी चयनात्मकता की आवश्यकता होती है और इस प्रकार पहलू अनुपात को सीमित करता है, और स्कैलपिंग प्रभाव7,8 के कारण आकार विरूपण और सतह खुरदरापन को प्रेरित करता है।
मैक-इम्प्रिंट नामक एक नई विधि को झरझरा 9 और ठोस सी वेफर्स 10,11 के समानांतर और प्रत्यक्ष पैटर्निंग के साथ-साथ ठोस GaAs wafers12,13,14 के लिए प्राप्त किया गया है। मैक-इम्प्रिंट एक संपर्क-आधारित गीली नक़्क़ाशी तकनीक है जिसे सब्सट्रेट और एक महान धातु-लेपित टिकट के बीच संपर्क की आवश्यकता होती है जिसमें एचएफ और एक ऑक्सीडेंट (जैसे, सी मैक-इम्प्रिंट के मामले में एच 2 ओ 2) से बने एक नक़्क़ाशी समाधान (ईएस) की उपस्थिति में 3 डी विशेषताएं होती हैं। नक़्क़ाशी के दौरान, दो प्रतिक्रियाएं एक साथ होती हैं15,16: एक कैथोडिक प्रतिक्रिया (यानी, महान धातु पर H2O2 कमी, जिसके दौरान सकारात्मक चार्ज वाहक [छेद] उत्पन्न होते हैं और बाद में Si17 में इंजेक्ट किए जाते हैं) और एक एनोडिक प्रतिक्रिया (यानी, सी विघटन, जिसके दौरान छेद का सेवन किया जाता है)। संपर्क में पर्याप्त समय के बाद, स्टांप की 3 डी सुविधाओं को सी वेफर में उकेरा जाता है। मैक-इम्प्रिंट के पारंपरिक लिथोग्राफिकल तरीकों पर कई फायदे हैं, जैसे कि उच्च थ्रूपुट, रोल-टू-प्लेट और रोल-टू-रोल प्लेटफार्मों के साथ संगतता, अनाकार, मोनो- और पॉलीक्रिस्टलाइन सी और III-वी अर्धचालक। मैक-इम्प्रिंट टिकटों को कई बार पुन: उपयोग किया जा सकता है। साथ ही, विधि एक उप-20 एनएम नक़्क़ाशी रिज़ॉल्यूशन जो समकालीन प्रत्यक्ष लेखन विधियों के साथ संगत है वितरित कर सकते हैं।
उच्च-निष्ठा छाप प्राप्त करने की कुंजी नक़्क़ाशी के मोर्चे के लिए प्रसार मार्ग है (यानी, उत्प्रेरक और सब्सट्रेट के बीच संपर्क इंटरफ़ेस)। Azeredo et al.9 के काम ने पहली बार प्रदर्शित किया कि ईएस प्रसार एक झरझरा सी नेटवर्क के माध्यम से सक्षम है। Torralba et al.18, ने बताया कि ठोस Si Mac-Imprint का एहसास करने के लिए ईएस प्रसार एक झरझरा उत्प्रेरक के माध्यम से सक्षम है। Bastide et al.19 और Sharstniou et al.20 ने आगे ईएस प्रसार पर उत्प्रेरक सरंध्रता प्रभाव की जांच की। इस प्रकार, मैक-इम्प्रिंट की अवधारणा को अलग-अलग प्रसार मार्गों के साथ तीन कॉन्फ़िगरेशन में परीक्षण किया गया है।
पहले विन्यास में, उत्प्रेरक और सब्सट्रेट ठोस होते हैं, जो कोई प्रारंभिक प्रसार मार्ग प्रदान नहीं करते हैं। अभिकारक प्रसार की कमी छाप के दौरान एक माध्यमिक प्रतिक्रिया की ओर ले जाती है जो उत्प्रेरक-सी इंटरफ़ेस के किनारे के चारों ओर सब्सट्रेट पर झरझरा सी की एक परत बनाती है। अभिकारकों को बाद में समाप्त कर दिया जाता है, और प्रतिक्रिया बंद हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप स्टांप और सब्सट्रेट के बीच कोई समझदार पैटर्न हस्तांतरण निष्ठा नहीं होती है। दूसरे और तीसरे विन्यास में, प्रसार मार्गों को सब्सट्रेट (यानी, झरझरा सी) या उत्प्रेरक (यानी, झरझरा सोना) में पेश किए गए झरझरा नेटवर्क के माध्यम से सक्षम किया जाता है और उच्च पैटर्न हस्तांतरण सटीकता प्राप्त होती है। इस प्रकार, झरझरा सामग्री के माध्यम से बड़े पैमाने पर परिवहन संपर्क इंटरफ़ेस 9,18,19,20 से दूर और दूर अभिकारकों और प्रतिक्रिया उत्पादों के प्रसार को सक्षम करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। सभी तीन विन्यासों की एक योजनाबद्ध आकृति 1 में दिखाई गई है।
चित्रा 1: मैक-इम्प्रिंट कॉन्फ़िगरेशन की योजनाबद्धता। यह आंकड़ा सब्सट्रेट के माध्यम से प्रतिक्रिया करने वाली प्रजातियों के प्रसार को सक्षम करने में झरझरा सामग्री की भूमिका पर प्रकाश डालता है (यानी, केस II: झरझरा Si) या स्टांप में (यानी, केस III: झरझरा सोने से बनी उत्प्रेरक पतली फिल्म)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
इस पेपर में, मैक-इम्प्रिंट प्रक्रिया पर पूरी तरह से चर्चा की गई है, जिसमें मैक-इम्प्रिंट के साथ-साथ स्टैंप तैयारी और सब्सट्रेट pretreatment शामिल हैं। प्रोटोकॉल के भीतर सब्सट्रेट pretreatment अनुभाग में सी वेफर सफाई और सूखी नक़्क़ाशी और सब्सट्रेट एनोडाइजेशन (वैकल्पिक) के साथ सी वेफर पैटर्निंग शामिल है। इसके अलावा, एक स्टांप तैयारी अनुभाग को कई प्रक्रियाओं में विभाजित किया गया है: 1) सी मास्टर मोल्ड के पीडीएमएस प्रतिकृति मोल्डिंग; 2) पीडीएमएस पैटर्न को स्थानांतरित करने के लिए एक फोटोरेसिस्ट परत के यूवी नैनोइम्प्रिंटिंग; और 3) magnetron sputtering के माध्यम से उत्प्रेरक परत जमाव dealloying (वैकल्पिक) द्वारा पीछा किया. अंत में, मैक-इम्प्रिंट अनुभाग में मैक-इम्प्रिंट परिणामों (यानी, सी सतह 3 डी पदानुक्रमित पैटर्निंग) के साथ मैक-इम्प्रिंट सेटअप प्रस्तुत किया गया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
मैक-इम्प्रिंट टिकटों और प्रीपैटर्न किए गए सी चिप्स (पी-टाइप, [100] ओरिएंटेशन, 1-10 ओम सेमी) क्रमशः प्रोटोकॉल के अनुभाग 1 और 2 के अनुसार तैयार किए गए थे। 3 डी पदानुक्रमित पैटर्न वाले टिकटों के साथ प्रीपैटर्न्ड सी …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम इस काम के बारे में अंतर्दृष्टि के लिए डॉ केंग सू (लुइसविले विश्वविद्यालय) को स्वीकार करते हैं; इलिनोइस विश्वविद्यालय के फ्रेडरिक Seitz प्रयोगशाला और, memoriam में, स्टाफ सदस्य स्कॉट Maclaren; एरिजोना स्टेट यूनिवर्सिटी के LeRoy Eyring ठोस राज्य विज्ञान के लिए केंद्र; और विज्ञान फाउंडेशन एरिज़ोना Bis ग्रोव विद्वानों पुरस्कार के तहत.
Materials
| 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 tecnologie | 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 elastomere 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 |
Riferimenti
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