三维 Nanopatterning 和极小制作: 使用纳诺海扇贝采集业作用在 Bosch 深刻的易反应的离子蚀刻

由苌氏Hwan 崔教授

苌氏Hwan 崔教授,纳诺和 Microfluidics 实验室机械工程史蒂文斯技术研究所的部门
对应的作者: cchoi@stevens.edu

因为科学搜寻和工程应用到达下来对毫微米缩放比例,有严格的需要制造与规律性和可调性的三维 (三维) nanostructures 在他们的模式、范围和形状。 最近,耦合与激光干涉石版印刷的 Bosch 深刻的易反应的离子蚀刻进程的一个简单 (DRIE)和高效的三维极小制作方法报告用非常好的规律性和均一创建密集列阵 (nanoscale 间距) 变化的高度和形状硅 nanostructures 在一大范例区1,2

通过调控蚀刻参数, nanoscopic 海扇贝采集业问题典型在 Bosch DRIE 进程中是不仅可控制的,而且能够认识到复杂的三维侧壁配置文件和技巧锋利。 在一大区的这些明确定义的大区 nanostructures 与可控制的侧壁和技巧形状在区开辟了新建应用程序可能性在 nanoelectronics 之外,例如 microfluidics3,4 和生物材料5,6。 在此条款上,我们复核使用 Bosch DRIE 进程的新的极小制作进程简单的高方面比例三维 nanopatterning 的和其潜在的应用/福利。

在基于硅的 MEMS (微电动机械的系统) 制造, Bosch DRIE 是常用的铭刻与垂直的侧壁的微小等级深沟槽由于其硅的高铭刻选择性在多种屏蔽材料例如光致抗蚀剂、氧化硅和氮化硅层 (即,非常地比 100 :1). 然而, Bosch DRIE 进程很少用于修建 nanostructures,因为起波纹侧壁的著名的作用或者所谓的 ‘海扇贝采集业’,是难容地突出的在 nanoscale (图 1)。

图 1. 循环 Bosch DRIE 进程概要。 (a) 铭刻 Bosch 的 DRIE 屏蔽层空缺数目。 (b) 硅体各向同性的 SF6 铭刻与非均质性的炮击的。 (c) 与 C4F8 的各向同性的聚合物形成。 (d) SF6 铭刻和聚合物证言为深沟槽被重复。 扇贝,峰顶对谷高度 50 毫微米在典型的 DRIE,出现在墙壁由于铭刻的各向同性的本质。 nanoscale 海扇贝采集业作用可以是受控和使用为侧壁配置文件和通过调控蚀刻参数打翻锋利控制为三维 nanostructure 制造例如压、 RF 功率、混合气体和蚀刻时间 (步骤 b) 的相对期限与证言时间 (步骤 c)。

最近报表1,2 向显示 nanoscale 海扇贝采集业作用可以通过调控蚀刻参数调整和适应认识到与明确定义的侧壁配置文件的高方面比例三维 nanostructures 和打翻锋利。 虽然,例如压、 RF 功率和混合气体影响侧壁配置文件,它确定了在 Bosch DRIE 的几个参数蚀刻时间 (在图 1) 的步骤 b 的相对期限与证言时间 (在图 1) 的步骤 c 在循环 Bosch 进程中是控制与好增殖率的结构上的三幅员的这个最方便的参数与铭刻循环有关系的总数。 一个相似的途径可能也是应用的为三维 nanopatterning 在非均质性的易反应的离子蚀刻技术的金属通过利用循环蚀刻和钝化 (即,氧化作用) 步骤。

在多数应用, nanostructures 不是有用的,除非他们包括相对地大面积,并且制造成本在一个可接受的范围内被保留。 当许多 nanopatterning 的技术测试时,多数介入一个序列方法例如 e 射线或浏览的探测石版印刷,包括仅一个小范围 (典型地少于 1 mm2)。

并行 X-射线石版印刷可能仿造一大区,但是它为多数应用是太消耗大的。 虚拟基于石版印刷的制造方法,例如 nanoimprinting,复制模式一个并行方式,但是需要 e 射线或 X-射线石版印刷首先制造的一个主要模子。 多数非平版印刷的方法,例如使用自被汇编的 nanomaterials nanotemplates 或 nanostructures 直接证言/增长用化工方法,缺乏在一大区的规律性。

目前,干涉 (或全息照相) 石版印刷被认为这个有效方法做亚显微缩放比例在一大区的定期模式与模式规律性优越控制。 它在基体使用简单和比较便宜的光学生成统一干扰图例如线路和小点,不用任何光掩膜。 在此复核,存在使用光致抗蚀剂 nanopatterns 的 Bosch DRIE 进程的三维极小制作结果创建由干涉石版印刷,铭刻屏蔽展示大区三维 nanopatterning 和极小制作模式1,2

图 2 显示变化的侧壁配置文件和技巧锋利高方面比例三维纳诺过帐结构的示例。 与少于 10% 偏差在大小上和形状的正常硅 nanostructures 可以获得在 4 英寸基体通过使用 Bosch 跟随的激光干涉石版印刷 DRIE。



在硅体的图 2. (SEM) 多种侧壁配置文件和被创建的技巧锋利三维 nanostructures 扫描电子显微镜图象1,2。 与结构上的三幅员的优越控制的有规则的纳诺定期结构在一大范例区 (4" 可以便利地被创建 x4”基体) 通过结合 Bosch DRIE 进程与激光干涉石版印刷。 激光干涉石版印刷可能定义统一一些光致抗蚀剂 nanopatterns (线路、柱子或者漏洞),其中模式周期取决于激光波长和角度在二条干涉的射线之间。 在图上显示的 nanostructures 是高柱子结构 (~500 毫微米高) 在一个方形列阵 ~200 毫微米在周期。

Bosch DRIE 进程允许高方面比例的创建 (即,非常地比 10) 与一块稀薄的 (即, ~50 浓厚毫微米) 光致抗蚀剂屏蔽层的 nanostructures,建议此新的途径使这个进程在一大覆盖范围区的正常三维 nanostructure 制造简单和实用,甚而为高方面比例 nanostructures。

图 2a 显示被编程的侧壁配置文件是可再入的。 这个再入口的程度由 Bosch DRIE 进程的第一个纳诺海扇贝采集业范围控制。 与这样可再入侧壁配置文件的三维 nanostructures 是理想的在几种应用,例如微波晶体管、通知调制器纳诺光学的,稳健 omniphobic 表面和多种 nanoelectromechanical 系统的 T 门 (NEMS)。 当常规技术用于创建三维功能,多个石版印刷跨步与准确的对准线或与多层的一个唯一石版印刷步骤抵抗 (或多步的过帐进程) 将需要。 这个结果建议有效直接三维 nanostructure 制造通过控制纳诺海扇贝采集业作用是可能的。

图 2b 显示与被重复的拱形或凸面一个可再入侧壁配置文件的三维 nanostructures。 侧壁配置文件的三维差异可以沿所选的侧壁倾斜强加通过调整纳诺海扇贝采集业作用,启用分层结构或多重 nanostructures。

图 2c 也向显示技巧锋利可能进一步被剪裁。 例如,一个正逐渐变细的侧壁配置文件的 nanostructure 技巧可能被热量氧化作用和这种氧化物的随后的删除便利地提高。 包括大模式面积,特别是与针相似的 nanopost 结构的有规则的锋利技巧 nanostructures,通常感兴趣这样电子应用象域放射器结构。 锋利技巧极小制作此简单,但是高效率的方法也将实现高方面比例扫描探测技巧的设计和制造。 这些结果支持被编程的纳诺海扇贝采集业作用在 Bosch DRIE 可以是为三维 nanostructure 制造的简单和有用的工具。

在三维 nanostructures 中的许多福利,在一大范例区的人口密集的 nanostructures 可能开辟非电子的应用可能性。 例如,高方面比例锋利技巧 nanostructures 启用好机械强壮和非湿稳定性纳诺被仿造的 superhydrophobic 表面的制造,比较微型被仿造的或不规则被仿造的 (即,化工形成或聚合物粗化) superhydrophobic 表面。

图 3 显示有规则的锋利技巧 (~10 在技巧半径的毫微米) nanopost 结构变化的高度 (50-500 毫微米)。 虽然技巧是全部锋利的,只有与一个小的倾斜角度的高 nanopost 结构维护一个非被弄湿的状态,陈列极大的 superhydrophobicity (~180° 交会角)。 与正常和密集的间距的这些 nanostructures 不仅允许一学习 nanostructure 几何的作用对 superhydrophobic 湿。 但是他们也提出流申请,例如水力减阻,实用通过容忍没有丢失的表面 superhydrophobicity 的高度被加压的流3,4



图 3. 锋利技巧 superhydrophobic 表面的 nanopost 结构 SEM 图象1,2。 每插页在聚四氟乙烯以后显示水滴的明显的交会角 (~10 浓厚毫微米疏水涂层) 在每表面。 高方面比例 nanoposts (即,超过 200 毫微米如 b 和 c) 所显示显示显著改进的 hydrophobicity (即,交会角极大比 175°),而短的 nanoposts (即,少于 100 毫微米显示在 a) 不 (即,交会角不更比 130°)。 作为参考,在镀上特氟隆的交会角在一个无结构的平面是 ~120°。

有规则的三维纳诺地形学属性启用探险的另一个可能性在细胞生物学。 细胞活体内寿命在三维纳诺环境里,配合与 extracelullar 基体材料 feabured 与在构成,范围和 periodiciry 变化的纳诺tophographical 投影和消沉。 它与在二维基体分析的焦点和纤维状的黏附力有所不同体外

虽然在多种表面地势的几个细胞工作情况 werestudied 与微型和 nanostructured 表面,不适当系统地控制表面三维地势,特别是在 nanoscale,从查出 nanoscale 表面功能的三幅员的作用阻止了我们对细胞粘着。 三维极小制作技术的发展现在允许三维细胞粘着的体外研究的系统地受控制三维 nanotopography 设计表面。 图 4 显示成纤维细胞与作为调控的三维 nanotopography 设计被测试的锋利技巧 nanopost 和 nanograte 结构的细胞交往的一个最近研究5,6。 明确定义的三维 nanostructures 表示细胞为空间感觉将使用 filopodia 在他们的移动在 nanoenvironment 附近。




在三维锋利技巧 nanotopography 的图 4. 细胞粘着5,6。 成纤维细胞细胞的 filopodia 扩展名的 SEM 图象被采取了在 3 天的文化期间 nanopost 的 (a : ~50 毫微米和 b : ~500 毫微米,在高度) 和 nanograte (c : ~50 毫微米和 d : ~500 毫微米,在高度) 范例。 在每个图象的缩放比例棒指示 1 µm。

当作为 ‘垫脚石’从事的 nanopost 结构在 filopodia 移动 (Figs. 4a 和 4b) 时, nanogrates 发挥作用 ‘引导跟踪’ (Figs. 4c 和 4d),当总作用也依靠结构上的长宽比。 可以在别处找到在关联细胞工作情况的更多详细资料在三维 nanotopographies 例如细胞增殖、形态学和黏附力5,6。 明确定义的三维 nanostructure 系统提供一个唯一机会阐明细胞 nanobiology 的许多方面,了解对可能为细胞和组织工程应用进一步使用。

此短的评论文章 overviewes 一个简单,但是有用的方法制造与模式、范围和形状好规律性的三维密集列阵 nanostructures 在一大范例区。 DRIE 处理与激光干涉石版印刷结合的 Bosch 不仅简化极小制作进程,而且使剪裁成为可能 nanostructured 三维侧壁配置文件。 随后的简单的方法技巧削尖也讨论。 与控制三维 nanostructures 的价格合理的表面在一大区开张新建应用程序在电子和以远通过他们的起源于他们的 nanoscale 几何的唯一属性。

鸣谢

在此条款上存在的多数工作进行了作为 PhD 论文工作在苌氏金 “CJ”在加州大学洛杉矶分校的金教授的监督下 (加州大学洛杉矶分校)。 这个作者感谢 Profs 教授金技术支持和论述在工作中, Joonwon 金教授最初的帮助的在极小制作, Chih-Ming Ho 教授和翁贝托 Ulmanella 博士 microfluidic 应用的和。 本杰明吴,詹姆斯 Dunn, Ramin Beygui 和 Sepideh Hagvall 博士细胞的学习。


参考

1. C. - H。崔, C。 - J。金, “密集的列阵的制造在一个大范例地区的高 Nanostructures 与侧壁配置文件和技巧锋利控制”,纳米技术 17, 5326-5333 (2006)。
2. C. - H。崔, C。 - J。金, “设计、大区秩序井然密集列阵三维 Nanostructures”的制造和应用,在电子和 Photonics 的 Nanostructures,爱德。 Faiz 拉赫曼,平底锅斯坦福发布 (2008)
3. C. - H。崔, C。 - J。金, “含水液体流大清单在 Nanoengineered Superhydrophobic 表面的”,实际复核在 96, 066001 上写字 (2006)
4. C. - H。崔, U. Ulmanella, J. 金, C。 - M。 Ho, C。 - J。金, “对 Nanograted Superhydrophobic 微通道的有效清单和摩擦减少”,物理流体 18, 087105 (2006)
5. C. - H。崔, S.H. Hagvall, B.M. 吴, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C。 - J。金, “与三维锋利技巧 Nanotopography”的细胞交往,生物材料 28日 1672-1679 (2007)。
6. C. - H。崔, S.H. Hagvall, B.M. 吴, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C。 - J。金, “细胞增长作为在三维锋利技巧 Nanostructures”的页,生物医学的材料研究 89A, 804-817 日记帐 (2009)。

版权 AZoNano.com,苌氏Hwan 崔 (史蒂文斯技术研究所教授)

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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