Nanoimimpressão eletroquímica assistida por metais de wafers de silício poroso e sólido

A padronização e texturização tridimensional de micro e nanoescala de semicondutores permite inúmeras aplicações em diversas áreas, como optoeletrônica1,2, fotônica3, superfícies antirreflexos4, superfícies super hidrofóbicas e autolimpante5,6 entre ^outras. Prototipagem e produção em massa de padrões 3D e hierárquicos foram realizados com sucesso para filmes polimédicos por litografia suave e litografia de nanoimprinting com resolução sub-20 nm. No entanto, transferir tais padrões poliméricos 3D para Si requer a seletividade de gravação de um padrão de máscara durante a gravura de íons reativos e, portanto, limita a proporção, e induz distorções de forma e rugosidade superficial devido aos efeitos de ^{escalopamento7,8}.

Um novo método chamado Mac-Imprint foi alcançado para padronização paralela e direta de ^{wafers si 10,11} sólidos, bem como wafers gaas sólidos12,13,14. Mac-Imprint é uma técnica de gravação molhada baseada em contato que requer contato entre substrato e um selo nobre revestido de metal possuindo características 3D na presença de uma solução de gravação (ES) composta de HF e um oxidante (por exemplo, _H2O2 no caso de Si Mac-Imprint). Durante a gravação, duas reações ocorrem ^{simultaneamente15,16}: uma reação catódica (ou seja, a redução de _H2O2 no metal nobre, durante a qual os portadores de carga positivo [buracos] são gerados e posteriormente injetados no ^Si17) e uma reação anoda (ou seja, dissolução de Si, durante a qual os orifícios são consumidos). Após tempo suficiente de contato, os recursos 3D do selo são gravados no wafer Si. Mac-Imprint tem inúmeras vantagens sobre métodos litográficos convencionais, como alta produtividade, compatibilidade com plataformas roll-to-plate e roll-to-roll, amorfo, mono e policristastalline Si e semicondutores III-V. Os selos Mac-Imprint podem ser reutilizados várias vezes. Além disso, o método pode fornecer uma resolução de gravação sub-20 nm compatível com métodos de escrita direta contemporâneos.

A chave para alcançar a impressão de alta fidelidade é o caminho de difusão para a frente de gravação (ou seja, interface de contato entre catalisador e substrato). O trabalho de Azeredo et ^al.9 demonstrou pela primeira vez que a difusão do ES é habilitada através de uma rede si porosa. Torralba et ^al.18, relataram que, a fim de realizar sólido Si Mac-Imprint, a difusão ES é habilitada através de um catalisador poroso. Bastide et ^al.19 e Sharstniou et ^al.20 investigaram ainda mais a influência catalisador da porosidade na difusão do ES. Assim, o conceito de Mac-Imprint foi testado em três configurações com caminhos de difusão distintos.

Na primeira configuração, o catalisador e o substrato são sólidos, não fornecendo nenhuma via de difusão inicial. A falta de difusão reactucionante leva a uma reação secundária durante a impressão que forma uma camada de Si poroso no substrato ao redor da borda da interface catalisador-Si. Os reagentes são posteriormente esgotados, e a reação pára, resultando em nenhuma fidelidade de transferência de padrão discernível entre o carimbo e o substrato. Na segunda e terceira configurações, as vias de difusão são habilitadas através de redes porosas introduzidas no substrato (ou seja, Si poroso) ou no catalisador (ou seja, ouro poroso) e alta precisão de transferência de padrão é alcançada. Assim, o transporte em massa através de materiais porosos desempenha um papel fundamental na viabilização da difusão de reagentes e produtos de reação para e longe da interface de contato9,18,19,20. Um esquema das três configurações é mostrado na Figura 1.

Figura 1: Esquemas de configurações mac-imprint. Esta figura destaca o papel dos materiais porosos na viabilização da difusão de espécies reagindo através do substrato (ou seja, caso II: poroso Si) ou no selo (ou seja, caso III: filme fino catalisador feito de ouro poroso). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Neste artigo, o processo Mac-Imprint é exaustivamente discutido, incluindo preparação de selos e pré-tratamento de substrato, juntamente com o próprio Mac-Imprint. A seção de pré-tratamento do substrato dentro do protocolo inclui limpeza de wafer Si e padronização de wafer Si com gravação seca e anodização de substrato (opcional). Além disso, uma seção de preparação de selos é subdividida em vários procedimentos: 1) Moldagem de réplica pdms do molde mestre si; 2) Nanoimprinting UV de uma camada fotoresistista para transferir o padrão PDMS; e 3) deposição de camada catalítica via sputtering magnetron seguido de dealloying (opcional). Finalmente, na seção Mac-Imprint, a configuração Mac-Imprint juntamente com os resultados do Mac-Imprint (ou seja, a padronização hierárquica Si surface 3D) é apresentada.