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Nanopatterning 3-D e Nanofabricação: Usando Efeitos do Nano-Scalloping Gravura A Água-forte de Íon Reactiva Profunda de Bosch

pelo Professor Chang-Hwan Choi

Laboratório do Professor Chang-Hwan Choi, o Nano e do Microfluidics, Departamento da Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia de Stevens
Autor Correspondente: cchoi@stevens.edu

Porque científico as procuras e as aplicações do planejamento alcançam para baixo a uma escala do nanômetro, há uma necessidade forte de fabricar nanostructures (3-D) tridimensionais com regularidade e controllability em seus teste padrão, tamanho, e forma. Recentemente, um método 3-D simples e eficiente da nanofabricação que acoplasse o processo reactivo profundo gravura a água-forte de íon (DRIE) de Bosch com litografia da interferência do laser foi relatado para criar uma denso-disposição (passo do nanoscale) de nanostructures do silicone da altura e da forma de variação sobre uma grande área da amostra com a regularidade e a uniformidade excelentes1,2.

Regulando parâmetros gravura a água-forte, o problema nanoscopic do scalloping típico no processo de Bosch DRIE era não somente verificável mas também capaz de realizar perfis do sidewall e agudeza 3-D sofisticados da ponta. Estes nanostructures bem definidos da grande área sobre uma grande área com formas verificáveis do sidewall e da ponta abriram possibilidades da nova aplicação nas áreas além do nanoelectronics, tal como o microfluidics3,4 e os matérias biológicos5,6. Neste artigo, nós revemos o processo novo da nanofabricação de usar o processo de Bosch DRIE para nanopatterning 3-D da alto-aspecto-relação simples e seus aplicações/benefícios potenciais.

Na fabricação silicone-baseada de MEMS (sistemas micro-electromecânicos), o Bosch DRIE foi de uso geral gravar trincheiras profundas do microscale com os sidewalls verticais devido a sua selectividade alta gravura em àgua forte para o silicone sobre vários materiais da máscara tais como o fotoresistente, o óxido de silicone, e as camadas do nitreto de silicone (por exemplo, maior do que o 100:1). Contudo, o processo de Bosch DRIE foi usado raramente para construir nanostructures porque o efeito conhecido do sidewall que rippling, ou o “scalloping assim chamado”, são insuportàvel proeminentes no nanoscale (Fig. 1).

Figura 1. Diagrama Esquemático do processo cíclico de Bosch DRIE. (a) Abertura da camada da máscara gravura em àgua forte para Bosch DRIE. (b) Gravura em àgua forte SF6 Isotropic da carcaça de silicone com bombardeio anisotrópico. (c) Formação Isotropic do polímero com C4F8. (d) O depósito gravura em àgua forte SF6 e do polímero é repetido para trincheiras profundas. As Vieiras, cuja a altura do pico-à-vale está sobre 50 nanômetro em DRIE típico, aparecem nas paredes devido à natureza isotropic gravura em àgua forte. O efeito do scalloping do nanoscale pode ser controlado e utilizado para o perfil do sidewall e derrubar o controle da agudeza para a fabricação 3-D do nanostructure regulando os parâmetros gravura a água-forte tais como a pressão, a potência do RF, a mistura de gases, e a duração relativa do tempo gravura a água-forte (etapa b) contra o tempo do depósito (etapa c).

Os relatórios Recentes1,2 mostram que o efeito do scalloping do nanoscale pode ser modulado regulando os parâmetros gravura a água-forte e ser adaptado para realizar nanostructures 3-D da alto-aspecto-relação com perfis bem definidos do sidewall e para derrubar a agudeza. Embora diversos parâmetros no Bosch DRIE, tal como a pressão, a potência do RF, e a influência da mistura de gases o perfil do sidewall, ele fossem determinados que a duração relativa do tempo gravura a água-forte (etapa b em Fig. 1) contra o tempo do depósito (etapa c em Fig. 1) no processo de Bosch do cíclico era o parâmetro o mais conveniente para controlar a três-extensibilidade estrutural com boa reprodutibilidade em colaboração com o número total de ciclos gravura em àgua forte. Uma aproximação similar pode igualmente ser aplicada para nanopatterning 3-D dos metais na técnica reactiva anisotrópica gravura a água-forte de íon explorando as etapas cíclicas gravura a água-forte e do passivation (por exemplo, oxidação).

Em a maioria de aplicações, os nanostructures não são úteis a menos que cobrirem relativamente uma grande área e o custo de fabrico estiver mantido dentro de uma escala aceitável. Quando as técnicas nanopatterning numerosas forem exploradas, a maioria envolvem um método de série tal como o e-feixe ou a litografia de varredura da ponta de prova, cobrindo somente uma área pequena (tipicamente menos de 1 milímetro2).

A litografia Paralela do Raio X pode modelar uma grande área, mas é demasiado cara para a maioria de aplicações. Os métodos litografia-baseados Macios da fabricação, tais como nanoimprinting, testes padrões replicate em uma forma paralela mas precisam um molde mestre primeiramente manufacturado pelo e-feixe ou pela litografia do Raio X. A Maioria de métodos não-litográficos, tais como o uso dos nanotemplates de nanomaterials auto-montados ou do depósito/crescimento directos dos nanostructures por métodos químicos, faltam a regularidade sobre uma grande área.

Actualmente, a litografia da interferência (ou o holográfico) é considerada a maioria de maneira eficaz de fazer a submicrónico-escala testes padrões periódicos sobre uma grande área com controle superior da regularidade do teste padrão. Usa-se sistema ótico simples e relativamente barato para gerar testes padrões de interferência uniformes tais como linhas e pontos em uma carcaça sem nenhum photomask. Nesta revisão, os resultados 3-D da nanofabricação do processo de Bosch DRIE são apresentados que utilizam os nanopatterns do fotoresistente criados pela litografia da interferência como a máscara gravura em àgua forte para demonstrar o esquema 3-D nanopatterning e de nanofabricação da grande área1,2.

Figura 2 mostra um exemplo de estruturas 3-D do nano-cargo da alto-aspecto-relação de perfis do sidewall e da agudeza de variação da ponta. Os nanostructures Regulares do silicone com desvio menos de 10% em tamanho e forma podem ser obtidos sobre uma carcaça de 4 polegadas usando a litografia da interferência do laser seguida pelo Bosch DRIE.



Figura 2. imagens do microscópio de elétron (SEM) da Exploração de nanostructures 3-D de vários perfis do sidewall e da agudeza da ponta criados em carcaças de silicone1,2. As estruturas nano-periódicas Bem regulados com controle superior da três-extensibilidade estrutural podem convenientemente ser criadas em uma grande área da amostra (até 4"” carcaça x4) combinando o processo de Bosch DRIE com uma litografia da interferência do laser. A litografia da interferência do laser pode definir uma disposição uniforme de nanopatterns do fotoresistente (linha, coluna, ou furos), onde uma periodicidade do teste padrão é determinada pelo comprimento de onda do laser e pelo ângulo entre dois feixes de interferência. Os nanostructures mostrados nas figuras são as estruturas altas da coluna (~500 nanômetro na altura) em uma disposição quadrada de ~200 nanômetro na periodicidade.

O processo de Bosch DRIE permite a criação de nanostructures da alto-aspecto-relação (por exemplo, maior de 10) com (por exemplo, ~50 nanômetro densamente) uma camada fina da máscara do fotoresistente, sugerindo que esta aproximação nova faça o processo da fabricação 3-D regular do nanostructure sobre uma grande área da cobertura simples e prático, mesmo para nanostructures da alto-aspecto-relação.

A Figura 2a mostra os perfis do sidewall programados para ser reentrante. O grau da re-entrada foi controlado pelo primeiro tamanho do nano-scalloping do processo de Bosch DRIE. Os nanostructures 3-D com tal perfil reentrante do sidewall são desejáveis em diversas aplicações, tais como T-Portas para transistor da microonda, moduladores da onda para nano-sistemas óticos, superfícies omniphobic robustas, e vários sistemas nanoelectromechanical (NEMS). Com as técnicas convencionais usadas para criar características 3-D, a litografia múltipla pisa com alinhamento preciso ou uma única etapa da litografia com multi-camada resiste (ou processos do cargo da multi-etapa) seria exigida. O resultado sugere que uma fabricação 3-D directa eficaz na redução de custos do nanostructure seja possível controlando o efeito do nano-scalloping.

A Figura 2b mostra os nanostructures 3-D com um perfil reentrante do sidewall do concaveness ou do convexness repetido. A variação tridimensional do perfil do sidewall pode ser impor ao longo da inclinação selecionada do sidewall pela modulação dos efeitos do nano-scalloping, pela possibilidade hierárquica ou pelos nanostructures do multi-nível.

A Figura 2c igualmente mostra que a agudeza da ponta pode mais ser costurada. Por exemplo, as pontas do nanostructure de um perfil positivo-afilado do sidewall podem convenientemente ser apontadas pela oxidação térmica e pela remoção subseqüente do óxido. Os nanostructures bem regulados da afiado-ponta que cobrem uma grande área do teste padrão, especialmente agulha-como estruturas do nanopost, interessam geralmente aplicações eletrônicas como estruturas do emissor do campo. Este método simples mas eficiente da nanofabricação da afiado-ponta igualmente facilitará o projecto e a fabricação de pontas da ponta de prova da exploração da alto-aspecto-relação. Estes resultados apoiam que o efeito bem-programado do nano-scalloping em Bosch DRIE pode ser uma ferramenta simples e útil para a fabricação 3-D do nanostructure.

Entre muitos benefícios dos nanostructures 3-D, os nanostructures densamente povoados sobre uma grande área da amostra podem abrir possibilidades não-eletrônicas da aplicação. Por exemplo, os nanostructures da afiado-ponta da alto-aspecto-relação permitem a fabricação das superfícies superhydrophobic nano-modeladas da boa estabilidade mecânica do vigor e da de-molhadela, comparadas com (por exemplo, químico-formado ou polímero-tornado áspero) as superfícies superhydrophobic micro-modeladas ou irregular-modeladas.

Figura 3 mostra as estruturas bem regulados do nanopost da afiado-ponta (~10 nanômetro no raio da ponta) das alturas de variação (50-500 nanômetro). Embora as pontas sejam tudo afiadas, simplesmente as estruturas altas do nanopost com um ângulo pequeno da inclinação mantêm um estado de-molhado, exibindo o grande superhydrophobicity (um ângulo de contacto de ~180°). Estes nanostructures com passo regular e denso não somente para permitir que se estude o efeito de geometria do nanostructure na molhadela superhydrophobic. Mas igualmente fazem aplicações do fluxo, tais como a redução de arrasto hidrodinâmica, mais prática tolerando fluxos altamente pressurizados sem o superhydrophobicity de superfície perdedor3,4.



Figura 3. imagens de SEM de estruturas do nanopost da afiado-ponta para superfícies superhydrophobic1,2. Cada inserir mostra o ângulo de contacto aparente de uma gota de água após um revestimento hidrofóbica do Teflon (~10 nanômetro densamente) em cada superfície. nanoposts da Alto-aspecto-Relação (por exemplo, mais de 200 nanômetro segundo as indicações de b e de c) mostrarem o hydrophobicity dramàtica aumentado (por exemplo, um ângulo de contacto maior do que 175°), quando os nanoposts curtos (por exemplo, menos de 100 nanômetro mostrados na) não fazem (por exemplo, um ângulo de contacto não mais do que 130°). Como uma referência, o ângulo de contacto no Teflon revestido em uma superfície plana não-estruturada é ~120°.

As propriedades nano-topográficas 3-D bem regulados permitem uma outra possibilidade para a exploração na biologia celular. Uma pilha vive in vivo em um nano-ambiente 3-D, interagindo com os materiais de matriz extracelullar feabured com as projecções e as depressões nano-tophographical que variam na composição, no tamanho e em periodiciry. Difere das adesões focais e fibrillar caracterizadas em carcaças bidimensionais in vitro.

Embora diversos comportamentos da pilha sobre as várias topografias de superfície werestudied com micro e superfícies nanostructured, a insuficiência para controlar sistematicamente a topografia 3-D de superfície, especialmente no nanoscale, nos impossibilitassem de isolar o efeito da três-extensibilidade de características da superfície do nanoscale em adesões de pilha. A revelação da técnica 3-D da nanofabricação permite agora as superfícies 3-D in vitro sistematicamente controladas do modelo do nanotopography para o estudo de adesões de pilha 3-D. Figura 4 mostra um estudo recente de interacções da pilha do fibroblasto com as estruturas do nanopost e do nanograte da afiado-ponta testadas como os modelos 3-D regulados do nanotopography5,6. Os nanostructures 3-D bem definidos revelaram que as pilhas usariam o filopodia para a detecção espacial em seu movimento em torno do nanoenvironment.




Figura 4. adesões de Pilha no nanotopography 3-D da afiado-ponta5,6. As imagens de SEM da extensão do filopodia das pilhas do fibroblasto foram tomadas nos períodos da cultura de 3 dias para o nanopost (a: ~50 nanômetro e b: ~500 nanômetro, na altura) e no nanograte (c: ~50 nanômetro e d: ~500 nanômetro, em amostras da altura). A barra da escala em cada imagem indica 1 µm.

Quando as estruturas do nanopost trabalharam como “alpondras no movimento do filopodia (Figos. 4a e 4b), os nanogrates funcionaram como “guiar segue” (Figos. 4c e 4d), com o efeito total igualmente que é dependente dos prolongamentos estruturais. Mais detalhes em comportamentos associados da pilha em nanotopographies 3-D tais como a proliferação de pilha, a morfologia, e as adesões podem ser encontrados em outra parte5,6. Os sistemas 3-D Bem Definidos do nanostructure fornecem uma oportunidade original de explicar muitos aspectos do nanobiology das pilhas, a compreensão de que pode mais ser utilizado para aplicações da engenharia da pilha e do tecido.

Overviewes curtos dEste artigo de revisão um método simples mas útil fabricar nanostructures 3-D da denso-disposição com boa regularidade do teste padrão, do tamanho, e da forma sobre uma grande área da amostra. O Bosch que DRIE processam combinado com a litografia da interferência do laser simplifica não somente o processo da nanofabricação, mas igualmente faz possível a costura de perfis 3-D nanostructured do sidewall. O método simples subseqüente de apontar da ponta é discutido igualmente. As superfícies Disponíveis com os nanostructures 3-D bem-controlados sobre uma grande área abrem novas aplicações na eletrônica e além através de suas propriedades originais que originam de sua geometria do nanoscale.

Reconhecimentos

A Maioria de trabalhos apresentados neste artigo foram executados como o trabalho da tese do PhD sob a supervisão do Prof. Chang-Jin “CJ” Kim na Universidade Da California em Los Angeles (UCLA). O autor agradece ao Prof. Kim para o apoio e a discussão durante todo os trabalhos, Prof. Joonwon Kim para a ajuda inicial na nanofabricação, Prof. Chih-Ming Ho e Dr. Umberto Ulmanella para aplicações microfluidic, e Profs. Benjamin Wu, James Dunn, Ramin Beygui, e o Dr. Sepideh Hagvall para a pilha estudam.


Referências

1. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Fabricação da Disposição Densa de Nanostructures Alto sobre uma Grande Área da Amostra com Perfil do Sidewall e Controle da Agudeza da Ponta”, Nanotecnologia 17, 5326-5333 (2006).
2. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Projecto, Fabricação, e Aplicações da Denso-Disposição Bem-Pedida Grande área Nanostructures Tridimensional”, em Nanostructures na Eletrônica e no Photonics, Ed. Faiz Rahman, Publicação de Stanford da Bandeja (2008)
3. C. - H. Choi, C. - J. Kim, “Grande Enxerto do Fluxo Líquido Aquoso sobre uma Superfície de Nanoengineered Superhydrophobic”, Revisão Física Rotula 96, 066001 (2006)
4. C. - H. Choi, U. Ulmanella, J. Kim, C. - M. Ho, C. - J. Kim, “Redução Eficaz do Enxerto e da Fricção em Microcanal de Nanograted Superhydrophobic”, Física dos Líquidos 18, 087105 (2006)
5. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, da “Interacção Pilha com Afiado-Ponta Tridimensional Nanotopography”, Matérias Biológicos 28, 1672-1679 (2007).
6. C. - H. Choi, S.H. Hagvall, B.M. Wu, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C. - J. Kim, da “Crescimento Pilha como uma Folha na Afiado-Ponta Tridimensional Nanostructures”, Jornal da Pesquisa Biomedicável 89A dos Materiais, 804-817 (2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Chang-Hwan Choi (Instituto de Tecnologia de Stevens)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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