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3-D Nanopatterning und Nanofabrikation: Unter Verwendung der Nano--Scalloping-Effekte in der Tiefen Reagierenden IonenRadierung Bosch

durch Professor Chang-Hwan Choi

Professor Chang-Hwan Choi, Nano-- und Microfluidics-Labor, Abteilung des Maschinenbaus, Stevens-Fachhochschule
Entsprechender Autor: cchoi@stevens.edu

Da wissenschaftlich, erreichen Suchen und Technikanwendungen unten zu einer nmschuppe, gibt es einen starken Bedarf, dreidimensionale (3-D) nanostructures mit Gleichmässigkeit und Steuerbarkeit in ihrem Muster, in Größe und in Form zu fabrizieren. Vor Kurzem ist eine einfache und effiziente 3-D Nanofabrikationsmethode, die das tiefe reagierende Ionenätzverfahren Bosch (DRIE) mit Laser-Störungslithographie verbindet, berichtet worden, um eine Dichtreihe (nanoscale Abstand) Silikon nanostructures der unterschiedlichen Höhe und der Form über einer großen Versuchsfläche mit ausgezeichneter Gleichmässigkeit und Einheitlichkeit zu erstellen1,2.

Indem es Radierungsparameter regelte, war das nanoscopic Scallopingproblem, das im Prozess Bosch DRIE typisch ist, aber auch fähig zur Verwirklichung von hoch entwickelten 3-D Seitenwandprofilen und von Spitzenschärfe nicht nur kontrollierbar. Diese gut definierten nanostructures des großen Gebiets über einem großen Gebiet mit kontrollierbaren Seitenwand- und Spitzenformen öffneten neue Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen über nanoelectronics, wie microfluidics3,4 und Biosubstanzen hinaus5,6. In diesem Artikel wiederholen wir den neuen Nanofabrikationsprozeß der Anwendung des Prozesses Bosch DRIE für das einfaches Hoch-Aspektverhältnis 3-D Nanopatterning und seine möglichen Anwendungen/Nutzen.

In Silikon-basierter Fälschung MEMS (mikro-elektromechanische Anlagen) ist der Bosch DRIE allgemein verwendet gewesen, tiefe Gräben der Mikroskalas mit den vertikalen Seitenwänden zu ätzen wegen seiner hohen Ätzungsselektivität für Silikon über verschiedenen Abdeckfolien wie Fotoresist, Siliziumoxid und Silikonnitridschichten (z.B., größer als 100: 1). Jedoch ist der Prozess Bosch DRIE selten verwendet worden, um nanostructures zu konstruieren, weil der weithin bekannte Effekt der Seitenwand plätschernd oder der so genannte „Scalloping“, auf dem nanoscale untragbar vorstehend ist (Feige. 1).

Abbildung 1. Diagramm zyklischen Prozesses Bosch DRIE. (a) Eröffnung der Ätzungsmaskenschicht für Bosch DRIE. (b) Isotrope Ätzung SF6 der Silikonsubstratfläche mit anisotroper Bombardierung. (c) Isotrope Polymerentstehung mit C4F8. (d) Absetzung der Ätzung SF6 und des Polymers wird für tiefe Gräben wiederholt. Kamm-Muscheln, deren Rauhtiefe über 50 nm in typischem DRIE ist, erscheinen auf den Wänden wegen der isotropen Beschaffenheit der Ätzung. Der nanoscale Scallopingeffekt kann esteuert und verwendet für Seitenwandprofil und Schärferegelung spitzen für 3-D nanostructure Fälschung sein, indem er die Radierungsparameter wie Druck, HF-Leistung, Gasgemisch und die relative Dauer der Radierungszeit regelt (Schritt B) gegen Absetzungszeit (Schritt c).

Neue Berichte1,2 zeigen, dass der nanoscale Scallopingeffekt, indem man die Radierungsparameter, moduliert werden regelt und angepasst werden kann, um Hoch-Aspektverhältnis 3-D nanostructures mit gut definierten Seitenwandprofilen zu verwirklichen und Schärfe zu spitzen. Obgleich einige Parameter im Bosch DRIE, wie Druck, HF-Leistung und Gasgemischeinfluß das Seitenwandprofil, es dass die relative Dauer der Radierungszeit bestimmt wurden (Schritt b in der Feige. 1) gegen Absetzungszeit (Schritt c in der Feige. 1) im Kreislauf Bosch-Prozess war der bequemste Parameter, zum der strukturellen Dreidimensionalität mit guter Reproduzierbarkeit in Verbindung mit der Gesamtanzahl von Ätzungsschleifen zu steuern. Ein ähnlicher Anflug kann für das 3-D Nanopatterning von Metallen in der anisotropen reagierenden Ionenradierungstechnik angewandt auch sein, indem er die zyklischen Radierungs- und Passivierungs(z.B., Oxidation) Schritte ausnutzt.

In den meisten Anwendungen sind die nanostructures nicht nützlich, es sei denn, dass sie ein verhältnismäßig großes Gebiet abdecken und die Herstellungskosten innerhalb eines annehmbaren Bereiches gehalten werden. Während zahlreiche nanopatterning Techniken erforscht worden sind, beziehen die meisten eine Serienmethode wie Eträger oder scannende Fühlerlithographie mit ein und decken nur einen kleinen Bereich ab (gewöhnlich weniger als 1 mm2).

Parallele Röntgenstrahllithographie kann ein großes Gebiet kopieren, aber sie ist für die meisten Anwendungen zu teuer. Weiche Lithographie-basierte Fälschungsmethoden, wie Nanoimprinting, zurückgebogene Muster auf eine parallele Form aber benötigen eine Vorlagenform, die zuerst durch Eträger oder Röntgenstrahllithographie hergestellt wird. Die Meisten nicht-lithographischen Methoden, wie der Gebrauch von nanotemplates von selbst-zusammengebauten Nanomaterials oder der direkten Absetzung/dem Wachstum von nanostructures durch chemische Verfahren, ermangeln Gleichmässigkeit über einem großen Gebiet.

Aktuell gilt Lithographie der Störung (oder ganz eigenhändig geschrieben) als die meiste effiziente Art, Submikronschuppe periodische Muster über einem großen Gebiet mit überlegener Regelung der Mustergleichmässigkeit zu machen. Sie verwendet einfache und verhältnismäßig billige Optik, um einheitliche Moirés wie Zeilen und Punkte auf einer Substratfläche ohne irgendeine Fotomaske zu erzeugen. In dieser Zusammenfassung werden die 3-D Nanofabrikationsergebnisse des Prozesses Bosch DRIE die Fotoresist nanopatterns verwendend dargestellt, die durch die Störungslithographie wie die Ätzungsmaske erstellt werden, um den 3-D Nanopatterning und Nanofabrikationsentwurf des großen Gebiets zu demonstrieren1,2.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel von Hoch-Aspektverhältnis 3-D Nano-posten Zellen von unterschiedlichen Seitenwandprofilen und von Spitzenschärfe. Regelmäßige Silikon nanostructures mit weniger als 10% Abweichung an Größe und Form können über einer 4-Inch-Substratfläche erreicht werden, indem man die Laser-Störungslithographie verwendet, die vom Bosch DRIE gefolgt wird.



Abbildung 2. Rasterelektronenmikroskop (SEM)bilder von 3-D nanostructures von verschiedenen Seitenwandprofilen und von Spitzenschärfe erstellt auf Silikonsubstratflächen1,2. Wohlgeordnete Nano--periodische Zellen mit überlegener Regelung der strukturellen Dreidimensionalität kann auf einer großen Versuchsfläche (bis 4"“ Substratfläche x4) indem man den Prozess Bosch DRIE mit einer Laser-Störungslithographie bequem erstellt werden kombiniert. Die Laser-Störungslithographie kann eine einheitliche Reihe Fotoresist nanopatterns (Zeile, Säule oder Löcher) definieren, wo eine Musterperiodizität durch die Laser-Wellenlänge und den Winkel zwischen zwei Störungsträgern bestimmt wird. Die nanostructures, die in den Abbildungen gezeigt werden, sind hohe Säulenzellen (~500 nm in der Höhe) in einer quadratischen Reihe von ~200 nm in der Periodizität.

Der Prozess Bosch DRIE erlaubt die Schaffung des Hoch-Aspektverhältnisses (z.B., größer als 10) nanostructures mit einer dünnen (z.B., ~50 nm dick) Fotoresistmaskenschicht, dass dieses neue Konzept den Prozess von regelmäßiger 3-D nanostructure Fälschung über einem großen Versorgungsbereich einfach und praktisch macht, sogar für Hoch-Aspektverhältnis nanostructures vorschlagend.

Abbildung 2a zeigt die Seitenwandprofile, die programmiert werden, um einspringend zu sein. Der Grad des Wiedereintritts wurde durch die erste Nano-Scallopinggröße des Prozesses Bosch DRIE gesteuert. Die 3-D nanostructures mit solchem einspringenden Seitenwandprofil sind in einigen Anwendungen, wie T-Toren für Mikrowellentransistoren, Wellenmodulatoren für Nano-optik, robuste omniphobic Oberflächen und verschiedene nanoelectromechanical Anlagen wünschenswert (NEMS). Wenn die herkömmlichen Techniken verwendet sind, um 3-D Merkmale zu erstellen, tritt mehrfache Lithographie mit genauer Ausrichtung, oder ein einzelner Lithographieschritt mit mehrschichtigem widersteht (oder Mehrstufenpostenprozesse) würde gefordert. Das Ergebnis schlägt vor, dass eine kosteneffektive direkte 3-D nanostructure Fälschung möglich ist, indem man den Nano-Scallopingeffekt steuert.

Abbildung 2b zeigt die 3-D nanostructures mit einem einspringenden Seitenwandprofil des wiederholten Concaveness oder des Convexness. Die dreidimensionale Variante des Seitenwandprofils kann entlang der ausgewählten Seitenwandsteigung auferlegt werden, indem man die Nano-Scallopingeffekte moduliert und die hierarchischen oder mehrstufigen nanostructures aktiviert.

Abbildung 2c zeigt auch, dass die Spitzenschärfe weiter hergestellt werden kann. Zum Beispiel können die nanostructure Spitzen eines positiv-spitz zugelaufenen Seitenwandprofils durch thermische Oxidation und nachfolgenden Ausbau des Oxids bequem geschärft werden. Die wohlgeordneten Scharfspitze nanostructures, die einen großen Musterbereich, besonders die nadelartigen nanopost Zellen abdecken, interessieren geläufig solche elektronische Anwendungen wie Bereichemitterzellen. Diese einfache aber effiziente Methode von Scharfspitze Nanofabrikation ermöglicht auch die Auslegung und die Fälschung von Hoch-Aspektverhältnis Scannen-Fühlerspitzen. Diese Ergebnisse unterstützen, dass der gut-programmierte Nano-Scallopingeffekt in Bosch DRIE ein einfaches und nützliches Hilfsmittel für die 3-D nanostructure Fälschung sein kann.

Unter vielem Nutzen der 3-D nanostructures, können die dicht bevölkerten nanostructures über einer großen Versuchsfläche nichtelektronische Einsatzmöglichkeiten öffnen. Zum Beispiel aktivieren die Hoch-Aspektverhältnis Scharfspitze nanostructures die Fälschung von den Nano--kopierten superhydrophobic Oberflächen der guten mechanischen Robustheits- und Denassmachenstabilität, verglichen mit den mikro-kopierten oder unregelmäßig-kopierten (z.B., chemisch-gebildet oder Polymer-aufgeraut) superhydrophobic Oberflächen.

Abbildung 3 zeigt die wohlgeordneten Scharfspitze (~10 nm im Spitzenradius) nanopost Zellen von unterschiedlichen Höhen (50-500 nm). Obgleich die Spitzen alle scharf sind, nur hohe nanopost Zellen mit einem kleinen Steigungswinkel einen de-nassgemachten Zustand beibehalten und stellen großes superhydrophobicity aus (einen Kontaktwinkel von ~180°). Diese nanostructures mit regelmäßigem und dichtem Abstand lassen nicht nur ein den Effekt von nanostructure Geometrie auf das superhydrophobic Nassmachen studieren. Aber sie stellen auch Flussanträge, wie hydrodynamische Luftwiderstandreduzierung, praktischer, indem sie in hohem Grade druckbelüftete Flüsse ohne verlierendes Oberflächen-superhydrophobicity zulassen3,4.



Abbildung 3. SEM-Bilder von Scharfspitze nanopost Zellen für superhydrophobic Oberflächen1,2. Jede Einfügung zeigt den offensichtlichen Kontaktwinkel eines Wassertröpfchens nach einer hydrophoben Beschichtung des Teflons (~10 nm dick) auf jeder Oberfläche. Hoch-Aspekt-Verhältnis nanoposts (z.B., mehr als zeigen 200 nm wie in b und c) gezeigt drastisch erhöhtes hydrophobicity (z.B., einen Kontaktwinkel größer als 175°), während die kurzen nanoposts (z.B., weniger als tun 100 nm gezeigt in A) nicht (z.B., ein Kontaktwinkel nicht mehr als 130°). Als Bezug ist der Kontaktwinkel auf Teflonüberzogenem auf einem nicht-strukturierten Planum ~120°.

Die wohlgeordneten 3-D Nano--topographischen Eigenschaften aktivieren eine andere Möglichkeit für Erforschung in der Zellbiologie. Eine Zelle lebt in vivo in einer 3-D Nano-umgebung und wirkt auf die extracelullar Matrixmaterialien ein, die mit Nano-tophographical Projektionen und Krisen, die, feabured sind in Zusammensetzung, in Größe und in periodiciry schwanken. Sie unterscheidet sich von den fokalen und feinfaserigen Beitritten, die in vitro auf zweidimensionalen Substratflächen gekennzeichnet werden.

Obgleich einiges Zellverhalten über den verschiedenen Oberflächentopographien, die mit den mikro- und nanostructured Oberflächen, die Unzulänglichkeit werestudied sind, um die 3-D Oberflächentopographie, besonders im nanoscale systematisch zu steuern, uns vom Trennen des Effektes der Dreidimensionalität von nanoscale Oberflächenmerkmalen auf Zellbeitritte ausgeschlossen hatte. Die Entwicklung der 3-D Nanofabrikationstechnik erlaubt jetzt die systematisch gesteuerten 3-D nanotopography Baumusteroberflächen für die in-vitrostudie von 3-D Zellbeitritten. Abbildung 4 zeigt eine neue Studie von Fibroblastzellinteraktionen mit den Scharfspitze nanopost und nanograte Zellen, die als die geregelten 3-D nanotopography Baumuster geprüft werden5,6. Die gut definierten 3-D nanostructures deckten auf, dass Zellen filopodia für das räumliche Ermittlen in ihrer Bewegung um das nanoenvironment verwenden würden.




Abbildung 4. Zellbeitritte auf 3-D Scharfspitze nanotopography5,6. Die SEM-Bilder von Extension das filopodia der Fibroblastzellen wurden an den Kulturzeiträumen von 3 Tagen für nanopost genommen (a: ~50 nm und b: ~500 nm, in der Höhe) und im nanograte (c: ~50 nm und d: ~500 nm, in den Höhen) Proben. Der Maßstabsbalken in jedem Bild zeigt 1 µm an.

Während die nanopost Zellen, die als „Sprungbrett“ in der filopodia Bewegung bearbeitet wurden (FIGS. 4a und 4b), die nanogrates arbeiteten, wie „das Führen“ (FIGS. 4c und 4d) aufspürt, wenn der Gesamteffekt auch abhängig ist, von den strukturellen Längenverhältnissen. Weitere Einzelheiten über verbundenes Zellverhalten auf 3-D nanotopographies wie Zellproliferation, Morphologie und Beitritten können anderswo gefunden werden5,6. Gut Definierte 3-D nanostructure Anlagen liefern eine eindeutige Gelegenheit, viele Aspekte des nanobiology der Zellen aufzuklären, dessen Verständnis für Zell- und Gewebetechnikanwendungen weiter verwendet werden kann.

Diese kurze Übersichtsartikel overviewes eine einfache aber nützliche Methode, 3-D Dichtreihe nanostructures mit guter Gleichmässigkeit des Musters, der Größe und der Form über einer großen Versuchsfläche zu fabrizieren. Der Bosch, den DRIE kombiniert mit Laser-Störungslithographie vereinfacht aufbereiten nicht nur, den Nanofabrikationsprozeß, aber ermöglicht auch das Herstellen von nanostructured 3-D Seitenwandprofilen. Die nachfolgende einfache Methode des Spitzenschärfens wird auch behandelt. Erschwingliche Oberflächen mit gut-kontrollierten 3-D nanostructures über einem großen Gebiet öffnen Neuanmeldungen in der Elektronik und jenseits durch ihre eindeutigen Eigenschaften, die von ihrer nanoscale Geometrie entstehen.

Quittungen

Die Meisten Arbeiten, die in diesem Artikel dargestellt wurden, wurden als die Doktorthesenarbeit unter Aufsicht Profs Chang-Jin „CJ“ Kim an University of California in Los Angeles (UCLA) durchgeführt. Der Autor dankt Prof Kim für Halterung und Diskussion während der Arbeiten, Prof Joonwon Kim für Anfangshilfe in der Nanofabrikation, Prof Chih-Ming Ho und Dr. Umberto Ulmanella für microfluidic Anwendungen und Profs. Benjamin Wu, James Dunn, Ramin Beygui und Dr. Sepideh Hagvall für Zelle studiert.


Bezüge

1. C. - H. Choi, C. - J. Kim, „Fälschung der Dichten Reihe von Hohem Nanostructures über einer Großen Versuchsfläche mit Seitenwand-Profil und Spitzen-Schärfe-Regelung“, Nanotechnologie 17, 5326-5333 (2006).
2. C. - H. Choi, C. - J. Kim, „Auslegung, Fälschung und Anwendungen der Großes Gebiet Gut-Bestellten Dicht-Reihe Dreidimensionales Nanostructures“, in Nanostructures in der Elektronik und in Photonics, Ed. Faiz Rahman, Veröffentlichen Pan-Stanford (2008)
3. C. - H. Choi, C. - J. Kim, „Großer Beleg des Wässrigen Flüssigen Flusses über eine Oberfläche Nanoengineered Superhydrophobic“, Körperliche Zusammenfassung Bezeichnet 96, 066001 mit Buchstaben (2006)
4. C. - H. Choi, U. Ulmanella, J. Kim, C. - M. Ho, C. - J. Kim, „Effektive Beleg-und Reibungs-Reduzierung in Microchannels Nanograted Superhydrophobic“, Physik von Flüssigkeiten 18, 087105 (2006)
5. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, „ZellInteraktion mit Dreidimensionaler Scharf-Spitze Nanotopography“, Biosubstanzen 28, 1672-1679 (2007).
6. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, „ZellWachstum als Blatt auf Dreidimensionaler Scharf-Spitze Nanostructures“, Zapfen der Biomedizinischen Material-Forschung 89A, 804-817 (2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Chang-Hwan Choi (Stevens-Fachhochschule)

Date Added: Oct 20, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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