Metallgestützte elektrochemische Nanoimprintierung von porösen und festen Siliziumwafern
Summary
Ein Protokoll für die metallunterstützte chemische Prägung von 3D-Mikroskala-Merkmalen mit einer Formgenauigkeit von sub-20 nm in feste und poröse Siliziumwafer wird vorgestellt.
Abstract
Die metallunterstützte elektrochemische Prägung (Mac-Imprint) ist eine Kombination aus metallunterstützter chemischer Radierung (MACE) und Nanoimprint-Lithographie, die in der Lage ist, 3D-Mikro- und Nanoskalige Merkmale in monokristallinen Halbleitern der Gruppe IV (z. B. Si) und III-V (z. B. GaAs) direkt zu strukturieren, ohne dass Opfervorlagen und lithographische Schritte erforderlich sind. Dabei wird ein mit einem Edelmetallkatalysator beschichteter Mehrwegstempel mit einem Si-Wafer in Gegenwart eines Flusssäure(HF)-Wasserstoffperoxid-Gemisches (H2O2) in Kontakt gebracht, was zum selektiven Ätzen von Si an der Metall-Halbleiter-Kontaktschnittstelle führt. In diesem Protokoll diskutieren wir die Stempel- und Substratvorbereitungsmethoden, die in zwei Mac-Imprint-Konfigurationen angewendet werden: (1) Porous Si Mac-Imprint mit einem festen Katalysator; und (2) Solid Si Mac-Imprint mit einem porösen Katalysator. Dieser Prozess ist ein hoher Durchsatz und in der Lage, eine zentimetergroße parallele Musterung mit einer Auflösung von unter 20 nm durchzuführen. Es bietet auch eine geringe Defektdichte und großflächige Musterung in einem einzigen Vorgang und umgeht die Notwendigkeit von Trockenätzen wie Deep Reactive Ion Etching (DRIE).
Introduction
Die dreidimensionale mikro- und nanoskalige Strukturierung und Texturierung von Halbleitern ermöglicht zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie z.B. Optoelektronik1,2, Photonik3, antireflektierende Oberflächen4, superhydrophobe und selbstreinigende Oberflächen5,6. Das Prototyping und die Massenproduktion von 3D- und hierarchischen Mustern wurde erfolgreich für polymere Filme durch Softlithographie und Nanoimprinting-Lithographie mit einer Auflösung von sub 20 nm durchgeführt. Die Übertragung solcher 3D-Polymermuster in Si erfordert jedoch die Ätzselektivität eines Maskenmusters während des reaktiven Ionenätzens und begrenzt somit das Seitenverhältnis und induziert Formverzerrungen und Oberflächenrauheit aufgrund von Überlappungseffekten7,8.
Eine neue Methode namens Mac-Imprint wurde für die parallele und direkte Strukturierung von porösen9 und festen Si-Wafern10,11 sowie festen GaAs-Wafern12,13,14 erreicht. Mac-Imprint ist eine kontaktbasierte Nassätztechnik, die den Kontakt zwischen Substrat und einem edelmetallbeschichteten Stempel mit 3D-Merkmalen in Gegenwart einer Ätzlösung (ES) aus HF und einem Oxidationsmittel (z. B. H2O2 im Fall von Si Mac-Imprint) erfordert. Während des Ätzens laufen zwei Reaktionen gleichzeitig ab15,16: eine kathodische Reaktion (d.h. die H2O2-Reduktion am Edelmetall, bei der positive Ladungsträger [Löcher] erzeugt und anschließend in Si17 injiziert werden) und eine anodische Reaktion (d.h. Si-Auflösung, bei der die Löcher verbraucht werden). Nach ausreichender Zeit im Kontakt werden die 3D-Eigenschaften des Stempels in den Si-Wafer geätzt. Mac-Imprint hat zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen lithographischen Verfahren, wie z.B. hohen Durchsatz, Kompatibilität mit Rolle-zu-Platte- und Rolle-zu-Rolle-Plattformen, amorphen, mono- und polykristallinen Si- und III-V-Halbleitern. Mac-Imprint Stempel können mehrfach wiederverwendet werden. Darüber hinaus kann die Methode eine Ätzauflösung von unter 20 nm liefern, die mit modernen direkten Schreibmethoden kompatibel ist.
Der Schlüssel zum Erreichen einer High-Fidelity-Prägung ist der Diffusionsweg zur Ätzfront (d. H. Kontaktschnittstelle zwischen Katalysator und Substrat). Die Arbeit von Azeredo et al.9 zeigte zunächst, dass die ES-Diffusion durch ein poröses Si-Netzwerk ermöglicht wird. Torralba et al.18 berichteten, dass zur Realisierung eines festen Si Mac-Imprints die ES-Diffusion durch einen porösen Katalysator ermöglicht wird. Bastide et al.19 und Sharstniou et al.20 untersuchten weiter den Einfluss der Katalysatorporosität auf die ES-Diffusion. So wurde das Konzept von Mac-Imprint in drei Konfigurationen mit unterschiedlichen Diffusionswegen getestet.
In der ersten Konfiguration sind der Katalysator und das Substrat fest und bieten keinen anfänglichen Diffusionsweg. Der Mangel an Reaktantendiffusion führt zu einer Sekundärreaktion während der Prägung, die eine Schicht aus porösem Si auf dem Substrat um den Rand der Katalysator-Si-Grenzfläche bildet. Die Reaktanden werden anschließend erschöpft und die Reaktion stoppt, was zu keiner erkennbaren Musterübertragungstreue zwischen Stempel und Substrat führt. In der zweiten und dritten Konfiguration werden die Diffusionswege durch poröse Netzwerke ermöglicht, die entweder in das Substrat (d. H. Poröses Si) oder in den Katalysator (d. H. Poröses Gold) eingeführt werden, und es wird eine hohe Musterübertragungsgenauigkeit erreicht. Daher spielt der Stofftransport durch poröse Materialien eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung der Diffusion von Reaktanden und Reaktionsprodukten zur und von der Kontaktschnittstelle aus9,18,19,20. Ein Schema aller drei Konfigurationen ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Schaltpläne von Mac-Imprint Konfigurationen. Diese Abbildung unterstreicht die Rolle poröser Materialien bei der Diffusion reagierender Spezies durch das Substrat (d.h. Fall II: poröses Si) oder in den Stempel (d.h. Fall III: Katalysatordünnfilm aus porösem Gold). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
In diesem Artikel wird der Mac-Imprint-Prozess ausführlich diskutiert, einschließlich der Stempelvorbereitung und Substratvorbehandlung zusammen mit Mac-Imprint selbst. Der Abschnitt zur Substratvorbehandlung innerhalb des Protokolls umfasst die Si-Wafer-Reinigung und die Si-Wafer-Musterung mit Trockenätzen und Substratanodisierung (optional). Darüber hinaus ist ein Stempelvorbereitungsabschnitt in mehrere Verfahren unterteilt: 1) PDMS-Replik-Formgebung von Si-Master-Form; 2) UV-Nanoimprinting einer Fotolackschicht, um das PDMS-Muster zu übertragen; und 3) katalytische Schichtabscheidung durch Magnetron-Sputtern gefolgt von Dealloying (optional). Schließlich wird im Mac-Imprint-Bereich das Mac-Imprint-Setup zusammen mit den Mac-Imprint-Ergebnissen (d.h. Si-Oberflächen-3D-hierarchische Musterung) vorgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mac-Imprint-Stempel und vorgepanzerte Si-Chips (p-Typ, [100] Ausrichtung, 1-10 Ohm∙cm) wurden gemäß Abschnitt 1 bzw. 2 des Protokolls hergestellt. Der Mac-Imprint des vorgefertigten Si-Chips mit Stempeln, die hierarchische 3D-Muster enthalten, wurde gemäß Abschnitt 3 des Protokolls durchgeführt (Abbildung 9). Wie in Abbildung 9a gezeigt, wurden verschiedene Konfigurationen von Mac-Imprint angewendet: festes Si mit festem Au (links), porö…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. Keng Hsu (University of Louisville) für einblicke in diese Arbeit; Frederick Seitz Laboratory der University of Illinois und, in memoriam, Mitarbeiter Scott Maclaren; LeRoy Eyring Center for Solid State Science der Arizona State University; und die Science Foundation Arizona im Rahmen des Bis grove Scholars Award.
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 |
References
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