Nanopatterning tridimensional y Nanofabricación: Usando Efectos del Nano-Festón bordado en la Aguafuerte de Ión Reactiva Profunda de Bosch

por Profesor Chang-Hwan Choi

Laboratorio de Profesor Chang-Hwan Choi, Nano y de Microfluidics, Departamento de la Ingeniería Industrial, Instituto de Tecnología de Stevens
Autor Correspondiente: cchoi@stevens.edu

Pues científico las búsquedas y las aplicaciones el dirigir alcanzan hacia abajo a una escala del nanómetro, hay una necesidad fuerte de fabricar nanostructures (tridimensionales) tridimensionales con regularidad y controlabilidad en su modelo, talla, y dimensión de una variable. Recientemente, un método tridimensional simple y eficiente de la nanofabricación que acopla el proceso reactivo profundo de la aguafuerte de ión (DRIE) de Bosch con litografía de la interferencia del laser ha estado señalado para crear una denso-matriz (tono del nanoscale) de nanostructures del silicio de la altura y de la dimensión de una variable diversas sobre un área grande de la muestra con regularidad y uniformidad excelentes1,2.

Regulando parámetros de la aguafuerte, el problema nanoscopic del festón bordado típico en el proceso de Bosch DRIE era no sólo controlable pero también capaz de realizar perfiles del flanco y agudeza tridimensionales sofisticados de la punta. Estos nanostructures bien definidos de la área extensa sobre una área extensa con dimensiones de una variable controlables del flanco y de la punta abrieron posibilidades de la nueva aplicación en áreas más allá del nanoelectronics, tal como microfluidics3,4 y biomateriales5,6. En este artículo, revisamos el nuevo proceso de la nanofabricación de usar el proceso de Bosch DRIE para nanopatterning tridimensional de la alto-aspecto-relación de transformación simple y sus aplicaciones/ventajas potenciales.

En la fabricación silicio-basada de MEMS (sistemas microelectromecánicos), Bosch DRIE ha sido de uso general grabar el ácido fosos profundos de la microescala con los flancos verticales debido a su alta selectividad del grabado de pistas para el silicio sobre los diversos materiales de la máscara tales como fotoprotección, óxido de silicio, y capas del nitruro de silicio (e.g., mayor de 100: 1). Sin Embargo, el proceso de Bosch DRIE se ha utilizado raramente para construir nanostructures porque el efecto bien conocido del flanco que ondula, o el supuesto “festón bordado”, es intolerable prominentes en el nanoscale (Fig. 1).

Cuadro 1. Diagrama Esquemático del proceso cíclico de Bosch DRIE. (a) Apertura de la capa de la máscara del grabado de pistas para Bosch DRIE. (b) Grabado de pistas Isotrópico SF6 del substrato de silicio con el bombardeo anisotrópico. (c) Formación Isotrópica del polímero con C4F8. (d) La deposición del grabado de pistas SF6 y del polímero se relanza para los fosos profundos. Las Conchas De Peregrino, cuya altura de la pico-a-lima hoya está sobre 50 nanómetro en DRIE típico, aparecen en las paredes debido a la naturaleza isotrópica del grabado de pistas. El efecto del festón bordado del nanoscale puede ser controlado y utilizado para el perfil del flanco e inclinar el mando de la agudeza para la fabricación tridimensional del nanostructure regulando los parámetros de la aguafuerte tales como presión, potencia del RF, mezcla de gases, y la duración relativa del tiempo de la aguafuerte (paso de progresión b) comparado con el tiempo de la deposición (paso de progresión c).

Los partes Recientes1,2 muestran que el efecto del festón bordado del nanoscale se puede modular regulando los parámetros de la aguafuerte y adaptar para realizar nanostructures tridimensionales de la alto-aspecto-relación de transformación con perfiles bien definidos del flanco y para inclinar agudeza. Aunque varios parámetros en Bosch DRIE, tal como presión, potencia del RF, e influencia de la mezcla de gases el perfil del flanco, él fueran determinados que la duración relativa del tiempo de la aguafuerte (paso de progresión b en Fig. 1) comparado con tiempo de la deposición (el paso de progresión c en Fig. 1) en el proceso de Bosch del cíclico era el parámetro más conveniente para controlar la tres-dimensionalidad estructural con buena reproductibilidad en asociación con el número total de ciclos del grabado de pistas. Una aproximación similar puede también ser aplicada para nanopatterning tridimensional de metales en la técnica reactiva anisotrópica de la aguafuerte de ión explotando los pasos de progresión cíclicos de la aguafuerte y de la pasivación (e.g., oxidación).

En la mayoría de las aplicaciones, los nanostructures no son útiles a menos que revistan relativamente una área extensa y el costo de fabricación se guarda dentro de un rango aceptable. Mientras Que se han explorado las técnicas nanopatterning numerosas, la mayoría implican un método serial tal como e-haz o litografía de exploración de la antena, revistiendo solamente una pequeña área (típicamente menos de 1 milímetro2).

La litografía Paralela de la Radiografía puede modelar una área extensa, pero es demasiado costosa para la mayoría de las aplicaciones. Los métodos litografía-basados Suaves de la fabricación, tales como nanoimprinting, los modelos replegados en una moda paralela pero necesitan un molde principal primero manufacturado por el e-haz o la litografía de la Radiografía. La Mayoría de los métodos no-litográficos, tales como el uso de los nanotemplates de nanomaterials uno mismo-ensamblados o de la deposición/del incremento directos de nanostructures por métodos químicos, faltan regularidad sobre una área extensa.

Actualmente, la litografía de la interferencia (u olográfico) se considera la mayoría del modo eficaz de hacer submicron-escala modelos periódicos sobre una área extensa con el mando superior de la regularidad del modelo. Utiliza la óptica simple y relativamente barata para generar modelos de interferencia uniformes tales como líneas y puntos en un substrato sin ningún photomask. En esta revista, los resultados tridimensionales de la nanofabricación del proceso de Bosch DRIE se presentan que utilizan los nanopatterns de la fotoprotección creados por la litografía de la interferencia como la máscara del grabado de pistas para demostrar el esquema tridimensional el nanopatterning y de la nanofabricación de la área extensa1,2.

El Cuadro 2 muestra un ejemplo de las estructuras tridimensionales del nano-poste de la alto-aspecto-relación de transformación de los perfiles del flanco y de la agudeza diversos de la punta. Los nanostructures Regulares del silicio con la desviación menos de 10% de tamaño y dimensión de una variable se pueden obtener sobre un substrato de 4 pulgadas usando la litografía de la interferencia del laser seguida por Bosch DRIE.



Cuadro 2. imágenes del microscopio electrónico (SEM) de Exploración de nanostructures tridimensionales de los diversos perfiles del flanco y de la agudeza de la punta creados en los substratos de silicio1,2. las estructuras nano-periódicas Bien-Reguladas con el mando superior de la tres-dimensionalidad estructural se pueden crear convenientemente en un área grande de la muestra (hasta 4"” el substrato x4) combinando el proceso de Bosch DRIE con una litografía de la interferencia del laser. La litografía de la interferencia del laser puede definir un arsenal uniforme de los nanopatterns de la fotoprotección (línea, pilar, o agujeros), donde una periodicidad del modelo es determinada por la longitud de onda del laser y el ángulo entre dos haces de interferencia. Los nanostructures mostrados en las figuras son las estructuras altas del pilar (~500 nanómetro en altura) en un arsenal cuadrado de ~200 nanómetro en periodicidad.

El proceso de Bosch DRIE permite la creación de la alto-aspecto-relación de transformación (e.g., mayor de 10) los nanostructures con (e.g., ~50 nanómetro densamente) una capa fina de la máscara de la fotoprotección, sugiriendo que esta nueva aproximación haga el proceso de la fabricación tridimensional regular del nanostructure sobre un área grande del cubrimiento simple y práctico, incluso para los nanostructures de la alto-aspecto-relación de transformación.

La Figura 2a muestra los perfiles del flanco programados para ser reentrante. El grado de la re-entrada fue controlado por la primera talla del nano-festón bordado del proceso de Bosch DRIE. Los nanostructures tridimensionales con tal perfil reentrante del flanco son deseables en varias aplicaciones, tales como T-Entradas para los transistores de la microonda, los moduladores de la onda para las nano-ópticas, las superficies omniphobic robustas, y los diversos sistemas nanoelectromechanical (NEMS). Con las técnicas convencionales usadas para crear características tridimensionales, la litografía múltiple camina con la alineación exacta o un único paso de progresión de la litografía con de múltiples capas resiste (o los procesos de varias fases del poste) sería requerido. El resultado sugiere que una fabricación tridimensional directa de poco costo del nanostructure sea posible controlando el efecto del nano-festón bordado.

La Figura 2b muestra los nanostructures tridimensionales con un perfil reentrante del flanco del concaveness o del convexness relanzado. La variación tridimensional del perfil del flanco se puede imponer a lo largo del declive seleccionado del flanco modulando los efectos del nano-festón bordado, activando nanostructures jerárquicos o de niveles múltiples.

La Figura 2c también muestra que la agudeza de la punta puede ser adaptada más lejos. Por ejemplo, las puntas del nanostructure de un perfil positivo-graduado del flanco se pueden afilar convenientemente por la oxidación térmica y el retiro subsiguiente del óxido. Los nanostructures bien-regulados de la sostenido-punta que revisten un área grande del modelo, especialmente las estructuras aciculares del nanopost, interesan común las aplicaciones electrónicas tales como las estructuras del emisor del campo. Este método simple pero eficiente de nanofabricación de la sostenido-punta también facilitará el diseño y la fabricación de las puntas de la antena de la exploración de la alto-aspecto-relación de transformación. Estos resultados utilizan que el efecto bien-programado del nano-festón bordado en Bosch DRIE puede ser una herramienta simple y útil para la fabricación tridimensional del nanostructure.

Entre muchas ventajas de los nanostructures tridimensionales, los nanostructures densamente poblados sobre un área grande de la muestra pueden abrir posibilidades no electrónicas de la aplicación. Por ejemplo, los nanostructures de la sostenido-punta de la alto-aspecto-relación de transformación activan la fabricación de las superficies superhydrophobic nano-modeladas de la buena estabilidad mecánica de la robustez y de la de-adherencia de soldadura, comparadas con (e.g., químico-formado o polímero-puesto áspera) las superficies superhydrophobic micro-modeladas o irregular-modeladas.

El Cuadro 3 muestra las estructuras bien-reguladas del nanopost de la sostenido-punta (~10 nanómetro en radio de la punta) de las alturas diversas (50-500 nanómetro). Aunque las puntas sean todas sostenidas, sólo las estructuras altas del nanopost con un pequeño ángulo del declive mantienen un estado de-mojado, exhibiendo el gran superhydrophobicity (un ángulo de contacto de ~180°). Estos nanostructures con el tono regular y denso no sólo permiten que uno estudie el efecto de las geometrías del nanostructure sobre la adherencia de soldadura superhydrophobic. Pero también hacen aplicaciones del flujo, tales como reducción de resistencia aerodinámica hidrodinámica, más práctica tolerando flujos altamente a presión sin superhydrophobicity superficial perdidoso3,4.



Cuadro 3. imágenes de SEM de las estructuras del nanopost de la sostenido-punta para las superficies superhydrophobic1,2. Cada inserción muestra el ángulo de contacto evidente de una gotita de agua después de una capa hidrofóbica del Teflon (~10 nanómetro densamente) en cada superficie. nanoposts de la Alto-aspecto-Relación de transformación (e.g., más de 200 nanómetro tal y como se muestra en de b y de c) muestran el hydrophobicity dramáticamente aumentado (e.g., un ángulo de contacto mayor que 175°), mientras que los nanoposts cortos (e.g., menos de 100 nanómetro mostrados en a) no hacen (e.g., un ángulo de contacto no más que 130°). Como referencia, el ángulo de contacto en el Teflon recubierto en una superficie plana no-estructurada es ~120°.

Las propiedades nano-topográficas tridimensionales bien-reguladas activan otra posibilidad de la exploración en biología celular. Una célula in vivo vive en un nano-ambiente tridimensional, obrando recíprocamente con los materiales de matriz extracelullar feabured con las proyecciones y las depresiones nanas-tophographical que varían de la composición, tamaño y periodiciry. Difiere de las adherencias focales y fibrilosas caracterizadas en los substratos bidimensionales in vitro.

Aunque varios comportamientos de la célula sobre las diversas topografías superficiales werestudied con las superficies micras y nanostructured, la insuficiencia para controlar la topografía tridimensional superficial sistemáticamente, especialmente en el nanoscale, nos hubieran impedido de aislar el efecto de la tres-dimensionalidad de las características de la superficie del nanoscale sobre adherencias de célula. El revelado de la técnica tridimensional de la nanofabricación ahora permite las superficies tridimensionales sistemáticamente controladas del modelo del nanotopography para el estudio in vitro de las adherencias de célula tridimensionales. El Cuadro 4 muestra un estudio reciente de las acciones recíprocas de la célula del fibroblasto con las estructuras del nanopost y del nanograte de la sostenido-punta probadas como los modelos tridimensionales regulados del nanotopography5,6. Los nanostructures tridimensionales bien definidos revelaron que las células utilizarían el filopodia para detectar espacial en su movimiento alrededor del nanoenvironment.




Cuadro 4. adherencias de Célula en nanotopography tridimensional de la sostenido-punta5,6. Las imágenes de SEM de la extensión del filopodia de las células del fibroblasto fueron tomadas en los períodos de la cultura de 3 días para el nanopost (a: ~50 nanómetro y b: ~500 nanómetro, en altura) y el nanograte (c: ~50 nanómetro y d: ~500 nanómetro, en muestras de la altura). La barra de la escala en cada imagen indica 1 µm.

Mientras Que funcionaron las estructuras del nanopost trabajadas como “progresiones toxicológicas” en el movimiento del filopodia (Figs. 4a y 4b), los nanogrates como el “conducir sigue su trayectoria” (Figs. 4c y 4d), con el efecto total también siendo relacionado en las relaciones de aspecto estructurales. Más detalles en comportamientos asociados de la célula en nanotopographies tridimensionales tales como proliferación de célula, morfología, y adherencias pueden ser encontrados a otra parte5,6. Los sistemas tridimensionales Bien Definidos del nanostructure proporcionan a una oportunidad única de aclarar muchos aspectos del nanobiology de células, la comprensión cuyo puede ser utilizado más lejos para las aplicaciones de la ingeniería de la célula y del tejido.

Overviewes cortos de Esta crítica un método simple pero útil fabricar nanostructures tridimensionales de la denso-matriz con la buena regularidad del modelo, de la talla, y de la dimensión de una variable sobre un área grande de la muestra. Bosch DRIE tramita combinado con litografía de la interferencia del laser no sólo simplifica el proceso de la nanofabricación, pero también hace posible la adaptación de perfiles tridimensionales nanostructured del flanco. El método simple subsiguiente de punta que afila también se discute. Las superficies Asequibles con nanostructures tridimensionales bien-controlados sobre una área extensa abren nuevas aplicaciones en electrónica y más allá a través de sus propiedades únicas que originan de su geometría del nanoscale.

Acuses De Recibo

La Mayoría de los trabajos presentados en este artículo fueron realizados como el trabajo de la tesis del Doctorado bajo supervisión de Profesor Chang-Jin “CJ” Kim en la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA). El autor agradece a Profesor Kim por soporte y la discusión en los trabajos, Profesor Joonwon Kim para la ayuda inicial en la nanofabricación, Profesor Chih-Ming Ho y el Dr. Umberto Ulmanella para las aplicaciones microfluidic, y Profs. Benjamin Wu, James Dunn, Ramin Beygui, y el Dr. Sepideh Hagvall para la célula estudia.


Referencias

1. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Fabricación del Arsenal Denso de Nanostructures Alto sobre un Área Grande de la Muestra con Perfil del Flanco y Mando de la Agudeza de la Punta”, Nanotecnología 17, 5326-5333 (2006).
2. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Diseño, Fabricación, y Aplicaciones de la Denso-Matriz Bien organizada Nanostructures Tridimensional de la Área extensa”, en Nanostructures en Electrónica y Photonics, Ed. Faiz Rahman, el Publicar de Stanford de la Cubeta (2008)
3. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Error Grande del Flujo Líquido Acuoso sobre una Superficie de Nanoengineered Superhydrophobic”, Revista Física Pone Letras a 96, 066001 (2006)
4. C. - H. Choi, U. Ulmanella, J. Kim, C. - M. Ho, C. - J. Kim, “Reducción Efectiva del Error y de la Fricción en los Microcanales de Nanograted Superhydrophobic”, la Física de los Líquidos 18, 087105 (2006)
5. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, “Acción Recíproca de la Célula con la Sostenido-Punta Tridimensional Nanotopography”, Biomateriales 28, 1672-1679 (2007).
6. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, “Incremento de la Célula como Hoja en la Sostenido-Punta Tridimensional Nanostructures”, Gorrón de la Investigación Biomédica 89A, 804-817 de los Materiales (2009).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Chang-Hwan Choi (Instituto de Tecnología de Stevens)

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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