mikro ve nano fabrikasyon İçin stampa teknolojisi

NANOTEKNOLOJİYE GİRİŞ 1

Mikro ve Nano Fabrikasyon İçin Stampa Teknolojisi

Harun ÇETİN - 10280161

Mikro ve Nano Fabrikasyon İçin Stampa Teknolojisi

Bu başlık kapsamında şu konulara değineceğiz: Yüksek çözünürlüklü stampalar, Mikrokontak Baskı (uCP), Nanotransfer Baskı (nTP), Uygulamalar

› Geleneksel Olmayan Elektronik Sistemler› Lazerler ve Dalga Kılavuzu Yapıları

Kaynak

Yüksek Çözünürlüklü Stampalar

Yüksek çözünürlüklü stampaların üretimi için iki yöntemin şematik gösterimi. İlk adım silikon wafer gibi düz bir subtrat üzerindeki birkaç ışımaya-duyarlı, resist olarak bilinir, malzemenin ince bir katmanını desenlemeyi kapsamaktadır. Bu amaç için fotolitografi veya elektron demeti litografisi gibi var olan bir tekniğin kullanımı uygundur. Bu yapı, master olarak da bilinir, aşındırma ya da kalıp dökme (molding) ile bir stampaya dönüşür. İlk durumda duyarlı malzeme (resist) altındaki subtratı aşındırmak için bir maske görevi görür. Duyarlı malzemenin kaldırılmasıyla bir stampaya dönüşür. Bu yapı başka desenler oluşturmak için bir stampa olarak kullanılabilir ya da bundan yeni stampalar üretilebilir. Kalıp dökme (molding) yaklaşımında, bir prepolimer subtrat üzerindeki desenlenmiş duyarlı malzemeyle oluşmuş rölyef (kabarık) yapısına ters olarak dökülür (cast). İyileştirme (curing), (ısıl ya da optik olarak) ve ardından ortaya çıkan polimerin kaldırılarak subtrattan uzaklaştırılmasıyla yerini bir stampaya bırakır. Bu yaklaşımda tek bir masterla birçok stampa üretilebilir ve her bir stampa birçok kez kullanılabilir.


Yumuşak litografik tekniklerin çözünürlüklerindeki uç sınırları sınamak için bir süreç şematik olarak gösterilmiştir. Yaklaşım nano ölçekte rölyef şekilli bir PDMS (Polydimethylsiloxane) kalıbı (mold) oluşturmak için bir SWNT (Single-walled nanotube) kullanmakta. Yumuşak nano baskı litografisi rölyefi PDMS üzerineki ultraviyole kürlenebilir bir fotopolimer film yüzeyine aktarır.


SiO2/Si waferi üzerinde büyüyen

tek duvarlı karbon nanotüplerin (SWNT’lerin çapı 0.5 ve 5 nm arasındadır) submonolayerinden oluşan bir masterın atomik kuvvet mikrografı (AFM) (üstteki resim). Alttaki atomik kuvvet mikrografı poli(üretan) içindeki rölyef yapıların tekrarını göstermektedir. Bu sonuçlar tek bir nanometre ölçeğindeki yumuşak baskı litografi için bir PDMS stampanın etkin işlemini göstermektedir.

Mikro Kontak Baskı (uCP)

Mikrokontak Baskının şematik gösterimi. İlk adım basılacak olan subtrat üzerinde SAM’i oluşturabilen malzeme çözeltisiyle mürekkeplenmiş bir stampayı kapsamaktadır. Burada anlatılan durumda mürekkep etanol içinde bir milimolar hexadecanethiol (HDT) konsantrasyonudur. Mürekkep doğrudan bir pipetle stampanın yüzeyine uygulanarak stampa baskıya hazır hale gelir. Stampanın yüzeyine üflenmesiyle kurur ve bir substratla temas haline getirilmesiyle mürekkebi stampanın substratla temas haline geçtiği alanlara bırakır. Substrat düz bir destek üzerindeki ince bir Au katmanından oluşur. Birkaç saniye sonra stampanın temasının kaldırılmasıyla Au filminin yüzeyi üzerinde HDT’nin desenlenmiş SAM’i kalır.Basılı SAM, Au’nun pozlanmış bölgelerinin su tabanlı ıslak aşındırması için bir resist (duyarlı malzeme) görevi görür. Ortaya çıkan iletken altın deseni çeşitli türde cihazlar geliştirmek için kullanılabilir.

Mikrokontak Baskı (uCP)

Filmin basılmamış alanlarının aşındırılmasını takiben bir metal ince film üzerine hekzadekanetiol self-assembled monolayer mürekkebi mikrokontak baskıyla oluşturulmuş tipik yapıların taramalı elektron mikrografı. Soldaki çerçeve yaklaşık 500 nm çaplı bir Au noktası (20 nm kalınlığında) dizilerini göstermektedir. Sağdaki çerçeve basit bir evirici devresindeki bir tranzistör için parmaklıklı yapıya sahip kaynak/kanal elektrotlarının geometrisi içindeki Ag’nin basılı yapısını (100 nm kalınlık) göstermektedir. Mikrokonttak baskı ile kolayca elde edilebilen kenar çözünürlüğü 50-100 nmdir.


Optik fiberlerin yüzeyleri üzerine çizgiler basmak için basit bir yöntemin şematik gösterimi. Bir fiberin stampa üzerinde yuvarlanmasıyla fiber yüzey üzerine bir desen basılır. Burada gösterilen çizgi stampasıyla fiber ekseninin yönüne bağlı olarak, fiberin tek bir dönüşünde sürekli bobinler, band veya şerit dizileri üretmek olasıdır.


Eğri yüzeyler üzerinde mikrokontak baskı yoluyla biçimlendirilmiş birkaç üç boyutlu mikro yapının optik mikrografları. Üstteki resim bir optik fiberin yüzeyi üzerine basılmış 3um’lik Au(20nm)/Ti(1.5nm) çizgilerinin bir dizisini göstermektedir. Bu yapı türü fiber çekirdeği içinde kip-eşlemeli ızgaralar üretmek için entegre bir foto maske olarak kullanılabilir. Alttaki resimler (a) mikrokontak baskı ve mikro kılcal cam bir tüpün yüzeyi üzerinde bir Ag ince filmini (100 nm) aşındırma, (b) kalınlığını artırmak için (onlarca mikrometreye) Ag’yi elektroliz kaplama ve (c) konsantre hidroflorik asitle aşındırarak uzaklaştırma yoluyla biçimlenmiş bağımsız bir metalik mikro yapıyı göstermektedir. Burada gösterilen, balon anjiyoplastisinde genel kullanımı olan bir damar içi stentin sahip olduğu geometrik ve mekanik özellikleridir.

Nano Transfer Baskı (nTP)

Nanotransfer baskı prosedürünün şematik gösterimi. Burada, arayüzel dehidrasyon kimyasalları ince bir metal filmin sert inorganik stampadan eşbiçimlenebilir elastomerik subtrata (plastik bir tabaka üzerindeki polidimetilsiloksan (PDMS) ince filmi) transferini kontrol eder. Proses bir silikon stampanın üretimiyle başlar (geleneksel litografi ve aşındırma), florlu bir silan monolayera sahip kendi oksitinin yüzey fonksiyonelizasyonu takip eder. Bu katman stampa ve elektron demeti buharlaştırması yoluyla biriktirilmiş bir iki katmanlı metal film (Au ve Ti) arasındaki kötü yapışmayı sağlar. Stampanın yüzeyine dik yönelmiş paralel metal akısı rölyefin kenar duvarlarına birikmeyi engeller. Ti katmanı yüzeyinin oksijen plazmaya maruz bırakılması (pozlanması) titanol gruplarını oluşturur. PDMS için benzer bir pozlama silanol gruplarını oluşturur. Metal kaplı stampanın PDMS’e kontaklanması, metali PDMS’e bağlayan bir dehidrasyon reaksiyonuyla sonuçlanır. Stampanın kaldırılması rölyef şeklin geometrisinde bir metal deseni bırakır.


Nanotransfer baskı tarafından üretilmiş bir desenin taramalı elektron mikrografı (SEM). Yapı bir plastik tabaka (siyah) üzerindeki polidimetilsiloksanın ince bir tabakası üzerine bir fotonik bant aralığı dalga kılavuzu geometrisinde basılmış bir Au (20 nm)/Ti (1 nm) ikili katmanından oluşur. Elektron demeti litografisi ve GaAs waferin aşındırılması bu durumda kullanılan stampayı üretir. Transfer kimyası Ti yüzeyindeki titanol grupları ve PDMS yüzeyindeki silanol grupları arasındaki yoğunlaşma reaksiyonlarına bağlıdır. Sağdaki çerçeveler Au/Ti kaplı stampanın (üstte) baskıdan önceki ve subtrat (altta) üzerinde baskıdan sonraki SEM’lerini göstermektedir. Stampayı üretmek için kullanılan elektron demeti litografisi ve aşındırma bu desenin minimum şekil boyutunu (≈70 nm) ve kenar çözünürlüğünü ( ≈5-10 nm) sınırlandırır.


Bir self assembled monolayer (SAM) yüzey kimyasalını kullanan bir silikon wafer üzerine Au’nın ince bir katmanının bir desenini kapsayan adımların şematik gösterimi. Waferin yüzeyini plazma oksitleme OH grupları oluşturur. Waferin çözelti veya buhar fazının 3-merkaptopropiltrimetoksilan’a maruz bırakılması pozlanmış tiol gruplarına sahip bir SAM’e yerini bırakır. Au kaplı bir stampanın bu yüzeye temas etmesiyle altını subtrata bağlayan tiol bağları oluşur. Stampanın kaldırılmasıyla transfer baskı süreci tamamlanır.

Nanotransfer baskıyla plastik (sol çerçeve) ve silikon (sağ çerçeve) subtrat üzerinde oluşturulmuş Au desenlerinin optik mikrografları. Transfer kimyasalları her iki durumda da pozlanmış tiol gruplarına sahip self-assembled mono layera dayanmaktadır. Minimum şekil boyutları ve kenar çözünürlüğü her ikisinde de stampaları üretmekte kullanılan fotolitografiyle sınırlıdır.


Stampa rölyefinin kenar duvarları dikey olmadığında sürekli 3-D yapılar oluşturmak için nanotransfer baskı (nTP) prosesinin şematik gösterimi. Altın filmlerin soğuk kaynak yoluyla birbiri üzerine ardışık olarak transferi sonucu kompleks çok katmanlı yapılar oluşur.


Altın metal filmlerin nanotransfer baskı yoluyla elde edilmiş üç boyutlu metal yapıların taramalı elektron mikrografları. (a) parçası kapalı altın nano kapsülleri göstermekte. (b) parçası dik açılı akımla metal kaplanmış bir stampa kullanılarak elde edilmiş bağımsız L yapılarını göstermekte. (c) parçası sürekli altın nano oluklu filmlerinin ardışık olarak transferi ve soğuk kaynak yoluyla elde edilmiş çok katmanlı üç boyutlu yapısı.


UYGULAMALAR

Geleneksel Olmayan Elektronik Sistemler

Lazerler ve Dalga Kılavuzu Yapıları


Mikrokontak basılmış kaynak ve kanal elektrotlarına sahip bir organik ince film tranzistörün şematik çapraz-kesit görünüm (solda) ve elektriksel performansı (sağda). Yapı bir subtrat (PET), bir kapı elektrodu (indiyum tin oksit), bir kapı dielektriği (organosilseskuiloksan’ın spin-cast katmanı), kaynak ve kanal elektrotları (20 nm Au ve 1.5 nm Ti) ve bir organik yarıiletken pentasen katmanından oluşur. Bu aygıtın elektriksel özellikleri fotolitografik olarak tanımlanmış kaynak/kanal elektrotları ve inorganik dielektrikler, kapılar ve subtratlara sahip pentaseni kullananlarla karşılaştırılabilir veya bu özelliklere sahiptir.

En ince şekilleri (tranzistör kaynak/kanal bağlantıları ve ilgili ara bağlantılar) mikrokontak baskı yoluyla desenlenmiş olan bir esnek plastik aktif matris arka düzlem’in resmi. Devre kısmi olarak baskı için kullanılmış olan elastomerik stampaya dayanmaktadır. Devre, herbiri ekrandaki bir elemanın rengini kontrol etmek için voltaj kontrollü bir anahtar gibi yerel olarak çalışan birbirine bağlı organik tranzistörlerin bir kare dizisinden oluşmaktadır. Sol üst köşedeki resim tranzistörlerden birinin optik mikrografını göstermektedir.


Plastik tabakalar üzerine geniş alanlar üzerinde mikrokontak baskı için imalat adımlarının şematik gösterimi. Süreç merdanenin geleneksel bir yapışkan merdane tüy bırakmayan temizleyici ile temizlenmesiyle başlamaktadır. Bu işlem toz partiküllerini etkin bir şekilde kaldırmaktadır. Bozulmaları minimize etmek için, stampa düz bir yüzey üzerine yüzü yukarı gelecek şekilde koyulur ve baskı esnasında doğrudan oynama yapılmaz. Hizalama ve kayıt, subtrat ve stampanın bir kenarındaki hizalama işaretleriyle gerçekleştirilebilir. Plastik tabaka bükülerek kontak stampanın bir kenarında başlatılır. Bu yaklaşım iyi temasa engel olabilecek hava kabarcıklarının oluşumunu engeller. Subtrat birkaç saniye stampayla temas halinde tutulduktan sonra, plastik subtrat bir köşeden başlayarak kavlatılmak suretiyle stampadan ayrılır. İyi kayıt (130 cm2’lik bir alan üzerinde 50 um’den daha az maksimum birikimli bozulma) ve düşük kusur yoğunluğu bu basit yaklaşımla kolayca elde edilebilir. Daha ileri düzeydeki bozulmaları azaltmak için tasarlanmış sert kompozit stampalarla birlikte kullanıma da uygundur.


Mikrokontak basılı bir esnek aktif matris arka düzlem devresini (alt çerçevenin yanındaki resim) kullanan elektronik kâğıt benzeri ekrandaki (alt çerçeve) bir pikselin bileşenlerinin açılmış şematik görüntüsü. Devre desenlenmemiş ince transparan polimer mikro kapsüllerin (≈100 um) monolayerından oluşan elektronik mürekkep (üst çerçeve) tabakasına ters olarak lamine edilmiştir. Bu kapsüller bir ağır boyalanmış siyah akışkan ve yüklü beyaz pigment partiküllerinin bir süspansiyonunu içermektedir (sağdaki resme bakın). Tranzistörlerden biri çalıştığında, desenlenmemiş bir şeffaf ön düzlem elektrodu (indiyum kalay oksit) ve tranzistöre bağlanan bir arka düzlem elektrodu arasında elektrik alanı gelişir. Elektroforetik akış alanın polaritesine bağlı olarak pigment partiküllerini ekranın önüne veya arkasına sürer. Bu akış pikselin rengini önden göründüğü gibi siyahtan beyaza veya tam tersine değiştirir.


Elektronik kağıt benzeri ekran iki farklı görüntü göstermekte. Cihaz mikro kontak baskı ile oluşturulmuş bir esnek aktif matris arka düzlem devresiyle kontrol edilen yüzlerce pikselden oluşmaktadır. Ekranın göreceli kaba çözünürlüğü malzeme özellikleriyle ya da baskı tekniğiyle sınırlı değil. Bunun yerine, devrelerin elde edildiği kimya laboratuvarlarında nispeten kontrolsüz bir ortamda yüksek piksel verimi elde etmek için pratik düşünceler tarafından belirlenir.


Yukardaki çerçeve bir organik yarıiletken, bir kapı dielektriği ve bir kapıyı destekleyen bir subtrata ters olarak lamine edilmiş nano transfer baskı ile desenlenmiş elektrotlarla oluşturulmuş bir n kanal tranzistörün akım-voltaj karakteristiğini göstermekte. Üstteki küçük resim elektrotlar arası parmaklıklı yapının mikrografını göstermekte. Alttaki çerçeve bu cihazı ve bir p kanal tranzistör için benzer olanı kullanan basit bir CMOS inverter devrenin transfer karakteristiğini göstermekte.


Nano transfer baskı tekniğini kullanarak bir plastik subtrat üzerine tek adımda basılmış multilayer ince film kapasitörü. Öncelikle fotolitografi ve aşındırma ile oluşturulmuş bir silikon stampa üzerine Au/SiNx/Ti/Au multilayerı biriktirilir. Bu stampanın bir Au/PDMS/PET subtratına kontaklanması stampa üzerindeki pozlanmış Au’yu subtrat üzerindeki Au kaplamaya bağlayan bir soğuk kaynak oluşturur. Stampanın kaldırılması plastik destek üzerinde metal/yalıtkan/metal kare (250x250 mm2) dizileri üretir. Kesikli çizgi bu basılı kapasitörlerden birinin ölçülmüş akım-voltaj karakteristiğini göstermektedir. Düz çizgi geleneksel fotolitografik prosedürleri kullanarak sert cam yüzey üzerinde oluşturulan benzer bir yapıya tekabül eder. Karakteristikleri her iki durum için de aynıdır. Basılı cihazların sonuçlarındaki biraz daha yüksek gürültü düzeyi, en azından kısmen, esnek plastik subtrat üzerindeki yapılara iyi elektriksel bağlantılar yapmakla ilgili zorluklardan kaynaklanmaktadır.


Üstteki resim bir mikro kılcal üzerine mikro kontak baskı yoluyla oluşturulmuş bir sürekli iletken mikro bobinin optik mikrografını göstermektedir. Basılı mikro bobinlerin bu türü mikro kılcalların deliğinde yerleşik akışkanın nano litre hacminden nükleer manyetik rezonans spektrumunun uyarımı ve tespiti için oldukça uygundur. Alttaki çerçeve, üstteki çerçevedeki gösterilene benzer bir yapıyı kullanan etil benzenin ≈12 nL’lik hacminden alınmış bir spektrum izini göstermektedir.


İçteki resim iki farklı mikro kılcal tüp üzerine basılı mikro bobinleri kullanarak oluşturulmuş ortak merkezli bir mikro transformatörü göstermektedir. Tüplerin daha küçüğü (dış çapı 135 um) kendi çekirdeği boyunca içinden geçirilmiş bir ferromanyetik tele sahiptir. Daha büyüğü (dış çapı 350 um) çekirdeği boyunca içinden geçirilmiş daha küçük tüplere sahiptir. Ortaya çıkan yapı ≈1 MHz’e kadar olan frekanslarda iyi kuplaj katsayısı gösteren bir mikro transformatördür. Graf performansını göstermektedir.


Dağıtık düzlemsel lazer yapıları ya da entegre optik için diğer bileşenleri içine alabilen yüksek çözünürlüklü ızgaraların imali için mikro kontak baskının kullanımının şematik çizimi. Burada gösterilen geometriler kırmızıda çalışan üçüncü derece dağıtık geri besleme (distributed feedback - DFB) lazerleridir.


Üstteki çerçeveler yüksek çözünürlüklü ızgaraların doğrudan sırt dalga kılavuzlarının üst yüzeyleri üzerine mikro kontak baskı için adımların şematik çizimini vermektedir. Baskı sonradan kaldırılan altının kurbanlık aşındırma maskesini tanımlamaktadır. Bu yapı türünün düzlemsel olmayan subtratın bu türü üzerinde foto duyarlı spin-castte görülen ciddi kalınlık düzensizliklerinden dolayı foto litografi ile tanımlanması zordur. Daha üstteki alt çerçeve sırt dalga kılavuzları üzerinde basılı altın çizgilerin optik mikrografını göstermektedir. Daha üstteki alt çerçeve kazanç medyanın basılı yapısını ve bir ince buharlaşmış katmanını kullanan bir plastik foto pompalanmış lazerin emisyon çıktısını göstermektedir.


Cam subtratlar üzerinde yüzeyi rölyef dağıtık Bragg reflektörleri (DBR) ve dağıtık geri besleme ızgaraları (DFB)’na dayanan mikrokontak basılı rezonatörleri kullanan plastik lazerlerin lazer uygulama spekturumunun şematik çizimi. Her iki durumda da ızgara periyotları ≈ 600 nm dir. Lazerler basılı ızgaralar üzerinde biriktirilmiş ince film plastik kazanç medyasını kullanırlar. Bu katman ışığı subtrat yüzeyine sınırlayan bir düzlemsel dalga kılavuzu oluşturur. Lazer çıkışı karakterize etmek için kullanılan spektrometrenin çözünürlüğüyle sınırlı olan genişlikte dar bir dalga boyu aralığında emisyon gösterir. Her iki durumda da cihazların emisyon profilleri, lazer uygulama eşikleri ve diğer karakteristikleri yüksek çözünürlüklü projeksiyon mod fotolitografiyle oluşturulmuş rezonatörleri kullanan benzer lazerlerle karşılaştırılabilir.


KAYNAK

Bharat, B. 2010. Handbook of Nanotechnlogy. 3rd ed. Springer

DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER

mikro ve nano fabrikasyon İçin stampa teknolojisi

Technology