3D Nanopatterning および Nanofabrication: Bosch の深い反応イオン・エッチングの Nano スカラップ模様の効果を使用して

教授によってチャンHwan Choi

チャンHwan Choi 教授、 Nano および Microfluidics の実験室機械工学スティーヴンスの技術協会の部門
対応する著者: cchoi@stevens.edu

科学ので探求および設計アプリケーションはナノメーターのスケールに達します、パターン、サイズおよび形の秩序そして可制御性の三次元 (3D) nanostructures を製造する強い必要性があります。 最近、レーザーの干渉の石版印刷を用いる Bosch の深い反応イオン・エッチングプロセスをつなぐ簡単で、 (DRIE)効率的な 3D nanofabrication 方法は優秀な秩序および均等性と大きいサンプル領域上のさまざまな高さそして形のケイ素の nanostructures の密アレイ (nanoscale ピッチ) を作成するために報告されました1,2

エッチングパラメータの調整によって、 Bosch DRIE プロセスで典型的な nanoscopic スカラップ模様問題はただ制御可能しかしまた洗練された 3D サイドウォールのプロフィールおよび先端の鋭さを実現することができるでした。 制御可能なサイドウォールおよび先端の形の大きい領域上のこれらの明示されている大き領域の nanostructures は microfluidics および生体材料のような nanoelectronics を越える領域の新規アプリケーションの可能性を3,4 、開きました5,6。 この記事では、私達は簡単な高面比率の 3D に nanopatterning のために Bosch DRIE プロセスを使用する新しい nanofabrication プロセスを潜在的なアプリケーション/利点見直し。

ケイ素ベースの MEMS (マイクロ電気機械システム) の製造では光硬化性樹脂、ケイ素酸化物およびずっと窒化珪素の層のようなさまざまなマスク材料上のケイ素のための高い腐食の選択率による縦のサイドウォールが付いているマイクロスケールの深い堀をエッチングするために、 Bosch DRIE は広く使われています (例えば、非常により 100: 1)。 ただし nanostructures を組み立てるのに、かいわゆる 「スカラップ模様」が波立つ、サイドウォールの有名な効果 nanoscale (図 1) で耐えられないほど顕著であるので、 Bosch ずっと DRIE プロセスがまれに使用されていません。

Bosch 循環 DRIE プロセスの図 1. 設計図。 (a) Bosch DRIE のための腐食マスクの層の開始。 (b) 異方性衝突のシリコン基板の等方性 SF6 腐食。 (c) C4F8 の等方性ポリマー形成。 (d) SF6 腐食およびポリマー沈殿は深い堀のために繰り返されます。 ピークに谷の高さが典型的な DRIE の 50 nm にある帆立貝は腐食の等方性性質による壁で現われます。 nanoscale のスカラップ模様の効果はサイドウォールのプロフィールのために制御されま、利用されてそして 3D nanostructure の製造のためにエッチングの時間 (b) ステップ対沈殿の圧力、 RF 力、ガスの混合物および相対的な持続期間のようなエッチングパラメータの時間 (c) ステップ調整によって鋭さ制御をひっくり返すことができます。

最近のレポートは1,2 nanoscale のスカラップ模様の効果がエッチングパラメータの調整によって調整され、明示されているサイドウォールのプロフィールの高面比率の 3D nanostructures を実現し、鋭さをことをひっくり返すために適応させることができることを示します。 圧力、 RF 力およびガスの混合物の影響のような Bosch DRIE の複数のパラメータが、サイドウォールのプロフィール、それことエッチングの時間 (沈殿の相対的な持続期間時間対図 1) のステップ b 定められたが (循環の Bosch プロセスの図 1) のステップ c は腐食のサイクルの総数と共同してよい再現性の構造 3 次元の数を制御する最も便利なパラメータだったでした。 同じようなアプローチはまた循環エッチングおよび不動態化 (例えば、酸化) のステップの開発によって異方性反応イオン・エッチングの技術の金属の 3D に nanopatterning のために応用である場合もあります。

ほとんどのアプリケーションでは、 nanostructures は比較的大きい領域をカバーし、製造原価が受諾可能な範囲の内で保たれれば有用ではないです。 多数の nanopatterning 技術が探索される間、ほとんどは小さい領域だけ (1 つ普通以下の mm) カバーする e ビームまたはスキャンのプローブの石版印刷のようなシリアル方法を2含みます。

平行 X 線の石版印刷は大きい領域を模造できますがほとんどのアプリケーションにとって余りに高いです。 柔らかい石版印刷ベースの製造方法は、 nanoimprinting のような、平行方法の反復実験パターンしかし最初に e ビームか X 線の石版印刷によって製造されたマスター型を必要とします。 自己組み立てられた nanomaterials の nanotemplates または化学方法による nanostructures の直接沈殿/成長の使用のようなほとんどの非石版方法は、大きい領域上の秩序に欠けています。

現在、干渉 (かホログラフィック) 石版印刷はミクロ以下スケールにパターン秩序の優秀な制御を用いる大きい領域上の定期的なパターンをする効率的な方法として考慮されます。 それは簡単で、比較的安価な光学フォトマスクなしで基板でラインおよび点のような均一干渉縞を生成するのに使用します。 この検討では、大き領域の 3D nanopatterning および nanofabrication スキームを示すために干渉の石版印刷によって作成される光硬化性樹脂の nanopatterns を利用する Bosch DRIE プロセスの 3D nanofabrication の結果はように腐食マスク示されます1,2

図 2 は高面比率のさまざまなサイドウォールのプロフィールおよび先端の鋭さの 3D nano ポストの構造の例を示します。 10% 以下偏差および形の規則的なケイ素の nanostructures は 4 インチの基板に Bosch DRIE が先行させているレーザーの干渉の石版印刷の使用によって得ることができます。



シリコン基板の図 2. (SEM) 作成されるさまざまなサイドウォールのプロフィールおよび先端の鋭さの 3D nanostructures の走査型電子顕微鏡の画像1,2。 構造 3 次元の数の優秀な制御を用いる十分調整された nano 定期的な構造は大きいサンプル領域 (4" まで x4」基板) でレーザーの干渉の石版印刷と Bosch DRIE プロセスを結合することによって便利に作成することができます。 レーザーの干渉の石版印刷はパターン周律が 2 つの干渉のビーム間のレーザーの波長そして角度によって定められるところで光硬化性樹脂の nanopatterns (ライン、柱、または穴) の均一アレイを定義できます。 図で示されている nanostructures は周律の ~200 nm の正方形のアレイの高い柱の構造 (高さの ~500 nm) です。

Bosch DRIE プロセスは高面比率の作成を可能にします (、この新しいアプローチが大きい適用範囲領域上の規則的な 3D nanostructure の製造のプロセスを簡単および実用的にさせる高面比率の nanostructures のためにことを提案する薄い (厚の例えば、 ~50 nm) 光硬化性樹脂マスクの層の例えば、非常により 10) nanostructures。

図 2a は再入可能であるためにプログラムされるサイドウォールのプロフィールを示します。 再入口のある程度は Bosch DRIE プロセスの最初の nano スカラップ模様のサイズによって制御されました。 そのような再入可能なサイドウォールのプロフィールの 3D nanostructures は nano 光学のマイクロウェーブトランジスター、波の変調器、強い omniphobic 表面およびさまざまな nanoelectromechanical システムのための T ゲートのような複数のアプリケーションで好ましいです (NEMS)。 3D 機能を作成するのに使用されて慣習的な技術が多重石版印刷は精密なアラインメントによって歩みますまたは多層によって単一の石版印刷のステップは (またはマルチステップポストプロセス) 必要となります抵抗します。 結果は費用有効直接 3D nanostructure の製造が nano スカラップ模様の効果のことを制御によって可能であることを提案します。

図 2b は繰り返された concaveness または convexness の再入可能なサイドウォールのプロフィールの 3D nanostructures を示します。 サイドウォールのプロフィールの三次元変化は指定サイドウォール斜面に沿って nano スカラップ模様の効果の調整によって課すことができま階層的なか多重レベル nanostructures を可能にします。

先端の鋭さが更に合わせることができることを図 2c はまた示します。 例えば、肯定的先を細くされたサイドウォールのプロフィールの nanostructure の先端は酸化物の熱酸化そしてそれに続く取り外しによって便利に削ることができます。 大きいパターン領域、特に針そっくりの nanopost の構造をカバーする十分調整された鋭先端の nanostructures はフィールドエミッターの構造のような一般に電子アプリケーションに興味を起こさせます。 鋭先端の nanofabrication のこの簡単なしかし効果的な方法はまた高面比率のスキャンのプローブの先端のデザインそして製造を促進します。 これらの結果は Bosch DRIE の十分プログラムされた nano スカラップ模様の効果が 3D nanostructure の製造のための簡単な、役に立つツールである場合もあることサポートします。

3D nanostructures の多くの利点の間で、大きいサンプル領域上の人口密集の nanostructures は非電子アプリケーション可能性を開くことができます。 例えば、高面比率の鋭先端の nanostructures はマイクロ模造されたか、または不規則模造された (例えば、化学形作られるか、またはポリマー荒くされる) superhydrophobic 表面と比較されるよい機械強さおよび非 wetting の安定性の nano 模造された superhydrophobic 表面の製造を可能にします。

図 3 はさまざまな高さ (50-500 nm) の十分調整された鋭先端 (~10 先端の半径の nm) の nanopost の構造を示します。 先端がすべて鋭いが、小さい斜面の角度の高い nanopost の構造だけが非ぬらされた状態を維持します、大きい superhydrophobicity (~180° の接触角) を表わす。 規則的で、密なピッチとのこれらの nanostructures ただ 1 つが superhydrophobic wetting に対する nanostructure の幾何学の効果を調査するようにするため。 しかしそれらはまた流れアプリケーションを、負けた表面の superhydrophobicity のない非常に加圧流れの容認によってより実用的な流体力学の抗力減少のような、作ります3,4



図 3. superhydrophobic 表面のための鋭先端の nanopost の構造の SEM の画像1,2。 各差込みは各表面のテフロン (厚の ~10 nm) の疎水性コーティングの後で水滴の明白な接触角を示します。 高面比率の nanoposts (例えば、 b および c) に示すように 200 以上 nm 劇的に高められた hydrophobicity (175° より大きい例えば、接触角を)、が短い nanoposts 示します (例えば、で示されている 100 つ以下 nm a) (例えば、接触角 130° よりもっと)。 参照として、非構造化の平面で塗られるテフロンの接触角は ~120° です。

十分調整された 3D nano 地勢特性は細胞生物学の調査のための別の可能性を可能にします。 構成、サイズおよび periodiciry で変わる不況および nanotophographical 投射と feabured extracelullar マトリックス材料と相互に作用している 3D nano 環境のセル生体内の生命。 それは二次元の基板で生体外で特徴付けられる焦点および繊維の付着と異なります。

nanoscale で表面の 3D 地形を、特に組織的に制御するためにマイクロおよび nanostructured 表面、不十分と werestudied さまざまな表面の地形上の複数のセル動作が細胞粘着に対する nanoscale の表面機能の 3 次元の数の効果の隔離からの私達を排除したが。 3D nanofabrication の技術の開発は今 3D 細胞粘着の生体外の調査のための組織的に制御された 3D nanotopography モデル表面を可能にします。 図 4 は調整された 3D nanotopography モデルとしてテストされる鋭先端の nanopost および nanograte の構造との繊維芽細胞のセル相互作用の最近の調査を示します5,6。 明示されている 3D nanostructures はセルが nanoenvironment のまわりで動きで空間的な感知のために filopodia を使用することを明らかにしました。




3D 鋭先端の nanotopography の図 4. 細胞粘着5,6。 繊維芽細胞のセルの filopodia の拡張の SEM の画像は nanopost (a のための 3 日の文化ピリオドに撮られました: ~50 nm および b: 高さ) および nanograte (c の ~500 nm、: ~50 nm および d: 高さの) サンプルの ~500 nm。 各画像のスケール棒は 1 つの µm を明記します。

filopodia の動き 「指導が」 (Figs. 4c および 4d) 追跡するように (Figs. 4a および 4b) の 「飛石として」働いた nanopost の構造が nanogrates 作用する間、また構造アスペクトレシオに依存していて総効果が。 細胞増殖、形態および付着のような 3D nanotopographies の準のセル動作のより多くの細部は他の所で見つけることができます5,6。 明示されている 3D nanostructure システムは理解がセルおよびティッシュ工学アプリケーションのために更に利用することができるセルの nanobiology の多くの面を明瞭にする一義的な機会を提供します。

この短い総論の overviewes 大きいサンプル領域上のパターン、サイズおよび形のよい秩序の 3D 密アレイ nanostructures を製造しやすくしかし有用な方法。 DRIE がレーザーの干渉の石版印刷と結合されて nanofabrication プロセスしか簡素化しませんが処理する Bosch は、また nanostructured 3D サイドウォールのプロフィールの合うことを可能にします。 削る先端のそれに続く簡単な方法はまた論議されます。 大きい領域上の十分制御の 3D nanostructures の現実的な表面は電子工学のそして向こう nanoscale の幾何学から起きる一義的な特性を通した新規アプリケーションを開きます。

確認応答

この記事で示されたほとんどの作業は (UCLA) カリフォルニア大学ロサンゼルス校の教授の管理の下にチャンシン 「CJ」金 PhD の説作業として行われました。 著者は作業全体のサポートそして議論に microfluidic アプリケーションのための nanofabrication の最初のヘルプのための教授に感謝します Joonwon 金 Chih-Ming Ho アンバート Ulmanella 金、教授、教授および先生、および Profs。 ベンジャーミンウー、ジェームス Dunn、 Ramin Beygui、および Sepideh Hagvall セルのための先生は調査します。


参照

1. C. - H。 Choi、 C。 - J。金、 「サイドウォールのプロフィールおよび先端の鋭さ制御を用いる大きいサンプル領域上の高い Nanostructures の密なアレイの製造」、ナノテクノロジー 17、 5326-5333 (2006 年)。
2. C. - H。 Choi、 C。 - J。金、 「電子工学および Photonics の Nanostructures の大き領域のよく整理された密アレイ三次元 Nanostructures のデザイン、製造およびアプリケーション」、エド。 Faiz ラーマンの鍋スタンフォード出版 (2008 年)
3. C. - H。 Choi、 C。 - J。金は、 「Nanoengineered Superhydrophobic の表面上の水様の液体の流れの大きいスリップ」、物理的な検討 96、 066001 に文字を入れます (2006 年)
4. C. - H。 Choi、 U. Ulmanella、 J. 金、 C。 - M。 Ho、 C。 - J。金、 「Nanograted Superhydrophobic のマイクロチャンネルの有効なスリップおよび摩擦減少」、液体 18、 087105 の物理学 (2006 年)
5. C. - H。 Choi、 S.H. Hagvall、 B.M. ウー、 J.C.Y. Dunn、 R.E. Beygui、 C。 - J。金、 「三次元鋭先端 Nanotopography のセル相互作用」、生体材料 28 1672-1679 (2007 年)。
6. C. - H。 Choi、 S.H. Hagvall、 B.M. ウー、 J.C.Y. Dunn、 R.E. Beygui、 C。 - J。金、 「三次元鋭先端 Nanostructures のシートとしてセル成長」、生物医学的な材料の研究 89A、 804-817 のジャーナル (2009 年)。

、版権 AZoNano.com チャンHwan Choi (スティーヴンスの技術協会) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

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