Metallgestützte elektrochemische Nanoimprintierung von porösen und festen Siliziumwafern

Die dreidimensionale mikro- und nanoskalige Strukturierung und Texturierung von Halbleitern ermöglicht zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie z.B. ^{Optoelektronik1,2}, ^Photonik3, antireflektierende ^{Oberflächen4}, superhydrophobe und selbstreinigende ^{Oberflächen5,6}. Das Prototyping und die Massenproduktion von 3D- und hierarchischen Mustern wurde erfolgreich für polymere Filme durch Softlithographie und Nanoimprinting-Lithographie mit einer Auflösung von sub 20 nm durchgeführt. Die Übertragung solcher 3D-Polymermuster in Si erfordert jedoch die Ätzselektivität eines Maskenmusters während des reaktiven Ionenätzens und begrenzt somit das Seitenverhältnis und induziert Formverzerrungen und Oberflächenrauheit aufgrund von Überlappungseffekten7,8.

Eine neue Methode namens Mac-Imprint wurde für die parallele und direkte Strukturierung von ^porösen9 und festen Si-Wafern10,11 sowie festen GaAs-Wafern12,13,14 erreicht. Mac-Imprint ist eine kontaktbasierte Nassätztechnik, die den Kontakt zwischen Substrat und einem edelmetallbeschichteten Stempel mit 3D-Merkmalen in Gegenwart einer Ätzlösung (ES) aus HF und einem Oxidationsmittel (z. B. _H2O2 im Fall von Si Mac-Imprint) erfordert. Während des Ätzens laufen zwei Reaktionen gleichzeitig ^ab15,16: eine kathodische Reaktion (d.h. die _{H2O2-Reduktion} am Edelmetall, bei der positive Ladungsträger [Löcher] erzeugt und anschließend in ^Si17 injiziert werden) und eine anodische Reaktion (d.h. Si-Auflösung, bei der die Löcher verbraucht werden). Nach ausreichender Zeit im Kontakt werden die 3D-Eigenschaften des Stempels in den Si-Wafer geätzt. Mac-Imprint hat zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen lithographischen Verfahren, wie z.B. hohen Durchsatz, Kompatibilität mit Rolle-zu-Platte- und Rolle-zu-Rolle-Plattformen, amorphen, mono- und polykristallinen Si- und III-V-Halbleitern. Mac-Imprint Stempel können mehrfach wiederverwendet werden. Darüber hinaus kann die Methode eine Ätzauflösung von unter 20 nm liefern, die mit modernen direkten Schreibmethoden kompatibel ist.

Der Schlüssel zum Erreichen einer High-Fidelity-Prägung ist der Diffusionsweg zur Ätzfront (d. H. Kontaktschnittstelle zwischen Katalysator und Substrat). Die Arbeit von Azeredo et ^al.9 zeigte zunächst, dass die ES-Diffusion durch ein poröses Si-Netzwerk ermöglicht wird. Torralba et ^al.18 berichteten, dass zur Realisierung eines festen Si Mac-Imprints die ES-Diffusion durch einen porösen Katalysator ermöglicht wird. Bastide et ^al.19 und Sharstniou et ^al.20 untersuchten weiter den Einfluss der Katalysatorporosität auf die ES-Diffusion. So wurde das Konzept von Mac-Imprint in drei Konfigurationen mit unterschiedlichen Diffusionswegen getestet.

In der ersten Konfiguration sind der Katalysator und das Substrat fest und bieten keinen anfänglichen Diffusionsweg. Der Mangel an Reaktantendiffusion führt zu einer Sekundärreaktion während der Prägung, die eine Schicht aus porösem Si auf dem Substrat um den Rand der Katalysator-Si-Grenzfläche bildet. Die Reaktanden werden anschließend erschöpft und die Reaktion stoppt, was zu keiner erkennbaren Musterübertragungstreue zwischen Stempel und Substrat führt. In der zweiten und dritten Konfiguration werden die Diffusionswege durch poröse Netzwerke ermöglicht, die entweder in das Substrat (d. H. Poröses Si) oder in den Katalysator (d. H. Poröses Gold) eingeführt werden, und es wird eine hohe Musterübertragungsgenauigkeit erreicht. Daher spielt der Stofftransport durch poröse Materialien eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung der Diffusion von Reaktanden und Reaktionsprodukten zur und von der Kontaktschnittstelle aus9,18,19,20. Ein Schema aller drei Konfigurationen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Schaltpläne von Mac-Imprint Konfigurationen. Diese Abbildung unterstreicht die Rolle poröser Materialien bei der Diffusion reagierender Spezies durch das Substrat (d.h. Fall II: poröses Si) oder in den Stempel (d.h. Fall III: Katalysatordünnfilm aus porösem Gold). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

In diesem Artikel wird der Mac-Imprint-Prozess ausführlich diskutiert, einschließlich der Stempelvorbereitung und Substratvorbehandlung zusammen mit Mac-Imprint selbst. Der Abschnitt zur Substratvorbehandlung innerhalb des Protokolls umfasst die Si-Wafer-Reinigung und die Si-Wafer-Musterung mit Trockenätzen und Substratanodisierung (optional). Darüber hinaus ist ein Stempelvorbereitungsabschnitt in mehrere Verfahren unterteilt: 1) PDMS-Replik-Formgebung von Si-Master-Form; 2) UV-Nanoimprinting einer Fotolackschicht, um das PDMS-Muster zu übertragen; und 3) katalytische Schichtabscheidung durch Magnetron-Sputtern gefolgt von Dealloying (optional). Schließlich wird im Mac-Imprint-Bereich das Mac-Imprint-Setup zusammen mit den Mac-Imprint-Ergebnissen (d.h. Si-Oberflächen-3D-hierarchische Musterung) vorgestellt.