Электрохимическая наноимпринтовка пористых и твердых кремниевых пластин с помощью металлов

Трехмерное микро- и наноразмерное моделирование и текстурирование полупроводников позволяет применять их в различных областях, таких как оптоэлектроника1,2, ^{фотоника3}, антибликовые ^{поверхности4}, супергидрофобные и самоочищающиеся ^{поверхности5,6} и другие. Прототипирование и массовое получение 3D и иерархических узоров успешно выполнено для полимерных пленок методом мягкой литографии и наноимпринтовой литографии с разрешением ниже 20 нм. Однако перенос таких 3D-полимерных рисунков в Si требует селективности травления маски во время реакционноспособного ионного травления и, таким образом, ограничивает соотношение сторон и вызывает искажения формы и шероховатость поверхности из-за эффектов ^{гребешка7,8}.

Новый метод под названием Mac-Imprint был достигнут для параллельного и прямого рисунка пористых ⁹ и твердых Кремниевых ^{пластин10,11}, а также твердых пластин GaAs12,13,14. Mac-Imprint – это контактный метод мокрого травления, который требует контакта между подложкой и благородным штампом с металлическим покрытием, обладающим 3D-характеристиками в присутствии травильного раствора (ES), состоящего из HF и окислителя (например, _H2O2 в случае Si Mac-Imprint). Во время травления одновременно происходят две ^{реакции15,16}: катодная реакция (т.е. восстановление _H2O2 в благородном металле, во время которого образуются положительные носители заряда [отверстия] и впоследствии вводятся в ^Si17) и анодная реакция (т.е. растворение Si, во время которого отверстия расходуются). После достаточного времени контакта 3D-элементы штампа выгравированы на кремниевой пластине. Mac-Imprint имеет многочисленные преимущества перед обычными литографическими методами, такими как высокая пропускная способность, совместимость с платформами roll-to-plate и roll-to-roll, аморфные, моно- и поликристаллические Полупроводники Si и III-V. Марки Mac-Imprint могут быть повторно использованы несколько раз. Кроме того, метод может обеспечить разрешение травления ниже 20 нм, которое совместимо с современными методами прямого письма.

Ключом к достижению высокоточного импринтинга является диффузионный путь к фронту травления (т.е. контактный интерфейс между катализатором и подложкой). Работа Azeredo et ^al.9 впервые продемонстрировала, что диффузия ES обеспечивается через пористую сеть Si. Torralba et ^al.18 сообщили, что для реализации твердого Si Mac-Imprint диффузия ES обеспечивается через пористый катализатор. Bastide et ^al.19 и Sharstniou et ^al.20 дополнительно исследовали влияние пористости катализатора на диффузию ES. Таким образом, концепция Mac-Imprint была протестирована в трех конфигурациях с различными путями диффузии.

В первой конфигурации катализатор и подложка являются твердыми, что не обеспечивает начального пути диффузии. Отсутствие диффузии реагента приводит к вторичной реакции при импринтинге, которая образует слой пористого Si на подложке по краю границы раздела катализатор-Si. Впоследствии реагенты истощаются, и реакция останавливается, что приводит к отсутствию различимой точности передачи рисунка между штампом и подложкой. Во второй и третьей конфигурациях пути диффузии включаются через пористые сети, введенные либо в подложку (т.е. пористую Si), либо в катализатор (т.е. пористое золото), и достигается высокая точность переноса рисунка. Таким образом, массовый перенос через пористые материалы играет решающую роль в обеспечении диффузии реагентов и продуктов реакции в контактную границу раздела и от нее9,18,19,20. Схема всех трех конфигураций показана на рисунке 1.

Рисунок 1: Схемы конфигураций Mac-Imprint. На этом рисунке подчеркивается роль пористых материалов в обеспечении диффузии реагирующих веществ через подложку (т.е. случай II: пористый Si) или в штамп (т.е. случай III: тонкая пленка катализатора из пористого золота). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В этой статье подробно обсуждается процесс Mac-Imprint, включая подготовку штампов и предварительную обработку подложки, а также сам Mac-Imprint. Раздел предварительной обработки подложки в рамках протокола включает очистку Кремниевой пластины и Рисунок Кремниевой пластины с сухим травлением и анодированием подложки (опционально). Далее раздел подготовки штампов подразделяется на несколько процедур: 1) PDMS реплика формования si master mold; 2) УФ-наноимпринтирование слоя фоторезиста с целью переноса pdms-рисунка; и 3) осаждение каталитического слоя с помощью магнетронного напыления с последующим деаплойлингом (факультативно). Наконец, в разделе Mac-Imprint представлена настройка Mac-Imprint вместе с результатами Mac-Imprint (т.е. иерархическим 3D-шаблоном поверхности Si).