Metaalondersteunde elektrochemische nano-afdruk van poreuze en vaste siliciumwafers

Driedimensionale micro- en nanoschaalpatronen en texturisatie van halfgeleiders maken tal van toepassingen op verschillende gebieden mogelijk, zoals opto-elektronica1,2, ^fotonica3, antireflecterende ^{oppervlakken4}, superhydrofobe en zelfreinigende ^{oppervlakken5,6}. Prototyping en massaproductie van 3D- en hiërarchische patronen is met succes bereikt voor polymere films door zachte lithografie en nanoimprinting lithografie met een resolutie van minder dan 20 nm. Het overbrengen van dergelijke 3D-polymere patronen naar Si vereist echter de etsselectiviteit van een maskerpatroon tijdens reactief ionenetsen en beperkt dus de beeldverhouding en induceert vormvervormingen en oppervlakteruwheid als gevolg van sint-jakobsschelpen7,8.

Een nieuwe methode genaamd Mac-Imprint is bereikt voor parallelle en directe patronen van ^poreuze9 en vaste Si wafers10,11 en massieve GaAs wafers12,13,14. Mac-Imprint is een op contact gebaseerde natte etstechniek die contact vereist tussen substraat en een edelmetaal-gecoate stempel met 3D-kenmerken in de aanwezigheid van een etsoplossing (ES) bestaande uit HF en een oxidant (bijv. _H2O2 in het geval van Si Mac-Imprint). Tijdens het etsen treden twee reacties tegelijkertijd ^op15,16: een kathodische reactie (d.w.z. de _{H2O2-reductie} bij het edelmetaal, waarbij positieve ladingsdragers [gaten] worden gegenereerd en vervolgens in ^Si17 worden geïnjecteerd) en een anodische reactie (d.w.z. Si-oplossing, waarbij de gaten worden verbruikt). Na voldoende tijd in contact worden de 3D-kenmerken van de stempel in de Si-wafer geëtst. Mac-Imprint heeft tal van voordelen ten opzichte van conventionele lithografische methoden, zoals hoge doorvoer, compatibiliteit met roll-to-plate en roll-to-roll platforms, amorfe, mono- en polykristallijne Si- en III-V halfgeleiders. Mac-Imprint stempels kunnen meerdere keren worden hergebruikt. Bovendien kan de methode een etsresolutie van minder dan 20 nm leveren die compatibel is met hedendaagse directe schrijfmethoden.

De sleutel tot het bereiken van high-fidelity imprinting is de diffusieroute naar het etsfront (d.w.z. contactinterface tussen katalysator en substraat). Het werk van Azeredo et ^al.9 toonde eerst aan dat ES-diffusie mogelijk wordt gemaakt door een poreus Si-netwerk. Torralba et ^al.18, meldden dat om vaste Si Mac-Imprint te realiseren de ES-diffusie mogelijk wordt gemaakt door een poreuze katalysator. Bastide et ^al.19 en Sharstniou et ^al.20 onderzochten verder de invloed van de katalysatorporositeit op ES-diffusie. Zo is het concept van Mac-Imprint getest in drie configuraties met verschillende diffusieroutes.

In de eerste configuratie zijn de katalysator en het substraat vast, waardoor er geen initiële diffusieroute is. Het ontbreken van reactantiffusie leidt tot een secundaire reactie tijdens het inprenten die een laag poreuze Si vormt op het substraat rond de rand van de katalysator-Si-interface. De reactanten raken vervolgens uitgeput en de reactie stopt, wat resulteert in geen waarneembare patroonoverdrachtsgetrouwheid tussen de stempel en het substraat. In de tweede en derde configuratie worden de diffusieroutes mogelijk gemaakt door poreuze netwerken die in het substraat (d.w.z. poreuze Si) of in de katalysator (d.w.z. poreus goud) worden geïntroduceerd en wordt een hoge patroonoverdrachtsnauwkeurigheid bereikt. Het massatransport door poreuze materialen speelt dus een cruciale rol bij het mogelijk maken van de diffusie van reactanten en reactieproducten van en naar het contactinterface9,18,19,20. Een schema van alle drie de configuraties is weergegeven in figuur 1.

Figuur 1: Schema’s van Mac-Imprint configuraties. Deze figuur benadrukt de rol van poreuze materialen bij het mogelijk maken van de diffusie van reagerende soorten door het substraat (d.w.z. geval II: poreuze Si) of in de stempel (d.w.z. geval III: katalysator dunne film gemaakt van poreus goud). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In dit artikel wordt het Mac-Imprint-proces grondig besproken, inclusief stempelvoorbereiding en substraatvoorbehandeling samen met Mac-Imprint zelf. De substraatvoorbehandelingssectie binnen het protocol omvat Si-waferreiniging en Si-waferpatronen met droge etsen en substraatanodisatie (optioneel). Verder is een sectie voor het voorbereiden van stempels onderverdeeld in verschillende procedures: 1) PDMS replica molding van Si master mold; 2) UV-nano-afdruk van een fotoresistente laag om het PDMS-patroon over te brengen; en 3) katalytische laagafzetting via magnetron sputteren gevolgd door dealloying (optioneel). Ten slotte wordt in het gedeelte Mac-Imprint de Mac-Imprint-configuratie samen met de Mac-Imprint-resultaten (d.w.z. Si surface 3D hiërarchische patronen) gepresenteerd.