Nanopatterning à trois dimensions et Nanofabrication : Utilisant des Effets de Nano-Ondulation en Gravure d'Ion Réactive Profonde de Bosch

par Professeur Chang-Hwan Choi

Professeur Chang-Hwan Choi, Nano et Laboratoire de Microfluidics, Service de l'Industrie Mécanique, Institut de Technologie de Stevens
Auteur Correspondant : cchoi@stevens.edu

Car scientifique les recherches et les applications de concevoir atteignent vers le bas à une échelle de nanomètre, il y a un besoin intense de fabriquer des nanostructures (à trois dimensions) en trois dimensions avec la régularité et la contrôlabilité dans leur configuration, taille, et forme. Récent, on a enregistré qu'une méthode à trois dimensions simple et efficace de nanofabrication qui accouple le procédé réactif profond gravure (DRIE) d'ion de Bosch avec la lithographie d'interférence de laser produit un dense-alignement (hauteur de son de nanoscale) de nanostructures de silicium de hauteur et de forme variables au-dessus d'une grande zone d'échantillon avec l'excellentes régularité et uniformité1,2.

En réglant des paramètres gravure, le problème nanoscopic d'ondulation particulier dans le procédé de Bosch DRIE était non seulement contrôlable mais également capable de réaliser des profils à trois dimensions sophistiqués de flanc et la netteté d'extrémité. Ces nanostructures bien définis de vaste zone au-dessus d'une vaste zone avec des formes contrôlables de flanc et d'extrémité ont ouvert des possibilités d'application neuve dans les zones au delà du nanoelectronics, tel que le microfluidics3,4 et les biomatériaux5,6. En cet article, nous révisons le procédé neuf de nanofabrication d'utiliser le procédé de Bosch DRIE pour nanopatterning à trois dimensions de haut-aspect-taux simple et ses applications possibles/avantages.

Dans la fabrication silicium-basée de MEMS (systèmes micro-électromécaniques), le Bosch DRIE a été utilisé généralement pour corroder les tranchées profondes de micro-échelle avec les flancs verticaux dus à sa sélectivité élevée gravure à l'eau forte pour le silicium au-dessus des matériaux variés de masque tels que le vernis photosensible, l'oxyde de silicium, et les couches de nitrure de silicium (par exemple, plus grand que 100 : 1). Cependant, le procédé de Bosch DRIE a été rarement employé pour construire des nanostructures parce que l'effet réputé du flanc ondulant, ou la soi-disant « ondulation », est intolérablement important sur le nanoscale (Fig. 1).

Le Schéma 1. Schéma du procédé cyclique de Bosch DRIE. (a) Ouverture d'une couche de masque gravure à l'eau forte pour Bosch DRIE. (b) Gravure à l'eau forte SF6 Isotrope de substrat de silicium avec le bombardement anisotrope. (c) Formation Isotrope de polymère avec C4F8. (d) Le dépôt gravure à l'eau forte SF6 et de polymère est répété pour les tranchées profondes. Les Festons, dont la hauteur de crête-à-vallée est plus de 50 nanomètre dans DRIE particulier, apparaissent sur les parois dues à la nature isotrope gravure à l'eau forte. L'effet d'ondulation de nanoscale peut être réglé et employé pour le profil de flanc et diriger le contrôle de netteté pour la fabrication à trois dimensions de nanostructure en réglant les paramètres gravure tels que la pression, l'alimentation électrique de RF, le mélange de gaz, et la durée relative du temps gravure (phase b) contre temps de dépôt (phase c).

Les états Récents1,2 prouvent que l'effet d'ondulation de nanoscale peut être modulé en réglant les paramètres gravure et être adapté pour réaliser des nanostructures à trois dimensions de haut-aspect-taux avec des profils bien définis de flanc et pour diriger la netteté. Bien Que plusieurs paramètres dans le Bosch DRIE, tel que la pression, l'alimentation électrique de RF, et l'influence de mélange de gaz le profil de flanc, il aient été déterminés que la durée relative du temps gravure (phase b dans Fig. 1) contre le temps de dépôt (la phase c dans Fig. 1) dans le procédé de Bosch de répétition était le paramètre le plus pratique pour régler la trois-dimensionnalité structurelle avec la bonne reproductibilité en association avec tout le nombre de cycles gravure à l'eau forte. Un élan assimilé peut également être appliqué pour nanopatterning à trois dimensions des métaux dans la technique réactive anisotrope gravure d'ion en exploitant les phases cycliques gravure et de passivation (par exemple, oxydation).

Dans la plupart des applications, les nanostructures ne sont pas utiles à moins qu'ils couvrent relativement une vaste zone et le coût de fabrication est maintenu dans une marge acceptable. Tandis Que de nombreuses techniques nanopatterning ont été explorées, les la plupart concernent une méthode séquentielle telle que l'e-poutre ou la lithographie de balayage de sonde, couvrant seulement un petit domaine (en général moins de 1 millimètre2).

La lithographie Parallèle de Rayon X peut modeler une vaste zone, mais elle est trop chère pour la plupart des applications. Les méthodes lithographie-basées Douces de fabrication, telles que nanoimprinting, les configurations repliées d'une mode parallèle mais ont besoin d'un moulage principal d'abord fabriqué par l'e-poutre ou Radiographient la lithographie. La Plupart Des méthodes non-lithographiques, telles que l'utilisation des nanotemplates des nanomaterials auto-assemblés ou du dépôt/de accroissement directs des nanostructures par des méthodes chimiques, manquent de la régularité au-dessus d'une vaste zone.

Actuel, la lithographie d'interférence (ou holographique) est considérée la plupart de moyen efficace d'effectuer à submicronique-échelle les configurations périodiques au-dessus d'une vaste zone avec le contrôle supérieur de la régularité de configuration. Elle utilise bloc optique simple et relativement peu coûteux pour produire des configurations d'interférence uniformes telles que des lignes et des points sur un substrat sans n'importe quel photomask. Dans cette révision, les résultats à trois dimensions de nanofabrication du procédé de Bosch DRIE sont présentés employant les nanopatterns de vernis photosensible produits par la lithographie d'interférence comme le masque gravure à l'eau forte pour expliquer le plan à trois dimensions nanopatterning et de nanofabrication de vaste zone1,2.

Le Schéma 2 affiche un exemple des structures à trois dimensions de nano-poteau de haut-aspect-taux des profils de flanc et de la netteté variables d'extrémité. Des nanostructures Réguliers de silicium à l'écart moins de 10% dans la taille et la forme peuvent être obtenus au-dessus d'un substrat de 4 pouces à l'aide de la lithographie d'interférence de laser suivie du Bosch DRIE.



Le Schéma 2. images de Balayage (SEM) de microscope électronique des nanostructures à trois dimensions des profils variés de flanc et de la netteté d'extrémité produits sur des substrats de silicium1,2. des structures nano-périodiques Bien-Réglées avec le contrôle supérieur de la trois-dimensionnalité structurelle peuvent être commodément produites sur une grande zone d'échantillon (jusqu'à 4" » substrat x4) en combinant le procédé de Bosch DRIE avec une lithographie d'interférence de laser. La lithographie d'interférence de laser peut définir un choix uniforme de nanopatterns de vernis photosensible (ligne, pilier, ou trous), où une périodicité de configuration est déterminée par la longueur d'onde de laser et la cornière entre deux poutres de intervention. Les nanostructures représentés sur les chiffres sont les structures grandes de pilier (~500 nanomètre de hauteur) dans un alignement carré de ~200 nanomètre dans la périodicité.

Le procédé de Bosch DRIE permet la création du haut-aspect-taux (par exemple, plus grand que 10) des nanostructures avec (par exemple, ~50 nanomètre profondément) une couche mince de masque de vernis photosensible, suggérant que cet élan neuf rende le procédé de la fabrication à trois dimensions régulière de nanostructure au-dessus d'une grande zone de couverture simple et pratique, même pour des nanostructures de haut-aspect-taux.

La Figure 2a affiche des profils de flanc programmés pour être de réentrée. Le degré de la re-entrée a été réglé par la première taille de nano-ondulation du procédé de Bosch DRIE. Les nanostructures à trois dimensions avec un tel profil de réentrée de flanc sont désirables dans plusieurs applications, telles que des T-Portes pour des transistors à micro-ondes, des modulateurs d'onde pour des nano-blocs optiques, des surfaces omniphobic robustes, et des systèmes nanoelectromechanical variés (NEMS). Les techniques conventionnelles étant employé pour produire les caractéristiques techniques à trois dimensions, la lithographie multiple fait un pas avec le cadrage précis ou une phase unique de lithographie avec multicouche résiste (ou des procédés multipas de poteau) serait exigée. Le résultat suggère qu'une fabrication à trois dimensions directe rentable de nanostructure soit possible en réglant l'effet de nano-ondulation.

La Figure 2b affiche les nanostructures à trois dimensions avec un profil de réentrée de flanc de concaveness répété ou de convexness. La variation en trois dimensions du profil de flanc peut être imposée le long de la pente sélectée de flanc en modulant les effets de nano-ondulation, activant des nanostructures hiérarchiques ou multiniveaux.

La Figure 2c prouve également que la netteté d'extrémité peut davantage être réglée. Par exemple, les extrémités de nanostructure d'un profil positif-conique de flanc peuvent commodément être affilées par oxydation thermique et démontage ultérieur de l'oxyde. Les nanostructures bien-réglés de tranchant-extrémité couvrant un grand domaine de configuration, particulièrement les structures aciculaires de nanopost, intéressent généralement des applications électroniques telles que des structures d'émetteur de zone. Ce simple mais la technique performante de la nanofabrication de tranchant-extrémité facilitera également le design et la fabrication des extrémités de sonde de lecture de haut-aspect-taux. Ces résultats supportent que l'effet bien-programmé de nano-ondulation en Bosch DRIE peut être un outil simple et utile pour la fabrication à trois dimensions de nanostructure.

Parmi beaucoup d'avantages des nanostructures à trois dimensions, les nanostructures très peuplés au-dessus d'une grande zone d'échantillon peuvent ouvrir des possibilités non électroniques d'application. Par exemple, les nanostructures de tranchant-extrémité de haut-aspect-taux activent la fabrication des surfaces superhydrophobic nano-modelées de la bonne stabilité mécanique de robustesse et de De-mouillage, avec (par exemple, chimique-formé ou polymère-rude) les surfaces superhydrophobic micro-modelées ou irrégulier-modelées.

Le Schéma 3 affiche les structures bien-réglées de nanopost de la tranchant-extrémité (~10 nanomètre dans le radius d'extrémité) des hauteurs variables (50-500 nanomètre). Bien Que les extrémités soient toutes tranchantes, seulement les structures grandes de nanopost avec une petite cornière de pente mettent à jour une condition De-mouillée, montrant le superhydrophobicity grand (une cornière de contact de ~180°). Ces nanostructures avec l'hauteur de son régulière et dense permettent non seulement à on d'étudier l'effet des géométries de nanostructure sur le mouillage superhydrophobic. Mais ils font également des demandes de flux, telles que la réduction de traînée hydrodynamique, plus pratique en tolérant des flux fortement pressurisés sans superhydrophobicity extérieur perdant3,4.



Le Schéma 3. images de SEM des structures de nanopost de tranchant-extrémité pour les surfaces superhydrophobic1,2. Chaque vignette affiche la cornière de contact apparente d'une gouttelette d'eau après une couche hydrophobe du Teflon (~10 nanomètre profondément) sur chaque surface. nanoposts de Haut-aspect-Taux (par exemple, plus de 200 nanomètre suivant les indications de b et de c) affichent excessivement le hydrophobicity amélioré (par exemple, une cornière de contact plus grande que 175°), alors que les nanoposts courts (par exemple, moins de 100 nanomètre affichés dans a) ne font pas (par exemple, une cornière de contact pas davantage que 130°). Comme référence, la cornière de contact sur Revêtu de téflon sur une surface plane non-structurée est ~120°.

Les propriétés nano-topographiques à trois dimensions bien-réglées activent une autre possibilité pour l'exploration en biologie cellulaire. Une cellule vit in vivo dans un nano-environnement à trois dimensions, agissant l'un sur l'autre avec les matériaux de modification extracelullar feabured avec les projections et les dépressions de nano-tophographical qui varient dans la composition, la taille et periodiciry. Elle diffère des adhérences focales et fibrillaires caractérisées sur les substrats bidimensionnels in vitro.

Bien Que plusieurs comportements de cellules au-dessus des topographies extérieures variées werestudied avec les surfaces micro et nanostructured, l'insuffisance pour régler la topographie à trois dimensions extérieure systématiquement, particulièrement dans le nanoscale, nous aient exclus d'isoler l'effet de la trois-dimensionnalité des caractéristiques techniques de surface de nanoscale sur des adhérences cellulaires. Le développement de la technique à trois dimensions de nanofabrication permet maintenant les surfaces à trois dimensions systématiquement commandées de modèle de nanotopography pour l'étude in vitro des adhérences cellulaires à trois dimensions. Le Schéma 4 affiche une étude récente des interactions cellulaires de fibroblaste avec les structures de nanopost et de nanograte de tranchant-extrémité testées comme modèles à trois dimensions réglés de nanotopography5,6. Les nanostructures à trois dimensions bien définis ont indiqué que les cellules utiliseraient le filopodia pour se sentir spatial dans leur mouvement autour du nanoenvironment.




Le Schéma 4. Adhérences cellulaires sur le nanotopography à trois dimensions de tranchant-extrémité5,6. Les images de SEM de l'extension du filopodia des cellules de fibroblaste ont été prises aux périodes de culture de 3 jours pour le nanopost (a : ~50 nanomètre et b : ~500 nanomètre, dans la hauteur) et le nanograte (c : ~50 nanomètre et d : ~500 nanomètre, dans des échantillons de hauteur). La barre d'échelle dans chaque image indique 1 µm.

Tandis Que les structures de nanopost fonctionnées en tant que « pierres de progression » dans le mouvement de filopodia (Figs. 4a et 4b), les nanogrates fonctionnaient de le « guidage chemine » (Figs. 4c et 4d), avec tout le effet étant à la charge également des rapports hauteur/largeur structurels. Plus de petits groupes sur des comportements associés de cellules sur les nanotopographies à trois dimensions tels que la prolifération cellulaire, la morphologie, et les adhérences peuvent être trouvés ailleurs5,6. Les systèmes à trois dimensions Bien Définis de nanostructure fournissent une opportunité unique d'élucider beaucoup d'aspects du nanobiology des cellules, la compréhension dont peut davantage être employé pour des applications de bureau d'études de cellules et de tissu.

Overviewes de Cet article de petit compte rendu une méthode simple mais utile pour fabriquer des nanostructures à trois dimensions de dense-alignement avec la bonne régularité de la configuration, de la taille, et de la forme au-dessus d'une grande zone d'échantillon. Le Bosch que DRIE traitent combiné avec la lithographie d'interférence de laser simplifie non seulement le procédé de nanofabrication, mais rend également régler possible des profils à trois dimensions nanostructured de flanc. La méthode simple ultérieure d'extrémité affilant est également discutée. Les surfaces Abordables avec des nanostructures à trois dimensions controlés par bien au-dessus d'une vaste zone ouvrent des applications neuves dans l'électronique et au-delà par leurs seules propriétés provenant de leur géométrie de nanoscale.

Remerciements

La Plupart Des travaux présentés en cet article ont été effectués comme travail de thèse de PhD sous la direction de Prof. Chang-Jin « CJ » Kim à l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA). L'auteur remercie Prof. Kim du support et de la discussion dans tous les travaux, Prof. Joonwon Kim pour l'aide initiale dans la nanofabrication, Prof. Chih-Ming Ho et M. Umberto Ulmanella pour des applications microfluidic, et Profs. Benjamin Wu, James Dunn, Ramin Beygui, et M. Sepideh Hagvall pour la cellule étudie.


Références

1. C. - H. Choi, C. - J. Kim, « Fabrication d'Alignement Dense de Nanostructures Grand au-dessus d'une Grande Région d'Échantillon avec le Profil de Flanc et le Contrôle de Netteté d'Extrémité », Nanotechnologie 17, 5326-5333 (2006).
2. C. - H. Choi, C. - J. Kim, « Design, Fabrication, et Applications du Dense-Alignement Bien-Commandé par Vaste zone Nanostructures En trois dimensions », dans Nanostructures dans l'Électronique et Photonics, Ed. Faiz Rahman, Publier de Stanford de Plaque (2008)
3. C. - H. Choi, C. - J. Kim, « Grande Fiche De Transmission de Flux Liquide Aqueux au-dessus d'une Surface de Nanoengineered Superhydrophobic », Révision Matérielle Marque Avec Des Lettres 96, 066001 (2006)
4. C. - H. Choi, U. Ulmanella, J. Kim, C. - M. Ho, C. - J. Kim, « Réduction Pertinente de Fiche De Transmission et de Friction des Microcanaux de Nanograted Superhydrophobic », Physique des Liquide 18, 087105 (2006)
5. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, « Interaction Cellulaire avec la Tranchant-Extrémité En trois dimensions Nanotopography », Biomatériaux 28, 1672-1679 (2007).
6. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, « Croissance des Cellules comme Feuille sur la Tranchant-Extrémité En trois dimensions Nanostructures », Tourillon de la Recherche Biomédicale 89A, 804-817 de Matériaux (2009).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Chang-Hwan Choi (Institut de Technologie de Stevens)

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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