Litografía de difracción basada en máscaras de un paso para la fabricación de estructuras suspendidas 3D

Resultados y discusiones

Distribución de la intensidad de la luz

La Figura 3a muestra la sección transversal de la distribución de la intensidad de la luz 3D bajo una máscara en forma de línea con el ancho de línea d =1 μm, 1,5 μm, 2 μm, 2,5 μm, 3 μm, 3,5 μm y 4 μm, respectivamente. Aquí, se adopta la intensidad relativa y la intensidad de la luz incidente se define como 1. La luz en la parte inferior de la fotorresistencia se dispersará gradualmente debido al efecto de difracción de la luz. Una vez que la intensidad de la luz alcanza un valor umbral, la fotorresistencia obtendrá suficiente energía para liberar la reacción y volverse sólida; de lo contrario, se eliminará en el proceso de desarrollo. El grosor de la región por encima del umbral (0,75 en este estudio) se define como la profundidad de exposición, que es muy sensible al ancho del patrón. La profundidad de exposición es de 5,3 μm bajo d =1 μm y 18,2 μm bajo d =2 μm. Aumentará aún más a 33,5 μm bajo d =3 μm y 47,5 μm bajo d =4 micras. Si el ancho de la línea es menor a 1 μm, la profundidad de exposición será demasiado pequeña para la fabricación, porque el espacio de aire entre la máscara y el fotorresistente causado por la irregularidad del fotorresistente hará que la exposición falle. La Figura 3b, c muestra los patrones de máscara para fabricar estructuras suspendidas y la distribución de intensidad de luz correspondiente en z =5, 10, 15 y 20 μm, donde el ancho de línea se establece en 2 μm. La profundidad de exposición de la línea y los patrones de malla es de entre 15 y 20 μm, mientras que la de los cuadrados y círculos grandes es lo suficientemente grande como para formar pilares durante la litografía. Así, se pueden fabricar vigas y mallas suspendidas, apoyadas en los pilares. Dado que es difícil fabricar estructuras suspendidas cuando el ancho de la línea es mayor de 5 μm, los patrones de línea se apilan uno al lado del otro para fabricar vigas o mallas suspendidas anchas, como se muestra en la Fig. 3d.

Los patrones de máscara y la simulación dan como resultado la fotorresistencia. un Las distribuciones de intensidad de luz debajo de la máscara fotográfica debajo de d =1 μm, 1,5 μm, 2 μm, 2,5 μm, 3 μm, 3,5 μm y 4 μm, donde d es el ancho del patrón de línea. El patrón de máscara para b vigas suspendidas, c mallas y d mallas con patrones de líneas apiladas y las correspondientes distribuciones de intensidad de luz en z =5 μm, 10 μm, 15 μm y 20 μm en el fotorresistente. Aquí, z es la distancia entre el plano de sección y la máscara de la foto

Estructuras fotorresistentes suspendidas

Se llevaron a cabo experimentos para fabricar estructuras suspendidas. Probamos el tiempo mínimo de exposición para obtener pilares fotorresistentes y lo definimos como el umbral de exposición. Luego, se adoptó cuatro o tres veces el valor umbral como dosis de exposición y se evaluó el umbral de la intensidad luminosa relativa en 0,75, de acuerdo con la simulación. La Figura 4 muestra las vigas fotorresistentes suspendidas bajo diferentes d valor. Se encuentra que el espesor de la capa suspendida h está relacionado positivamente con d . Para fotorresistencia NR26-25000P, h es de 10,9 μm por debajo de d =2 μm (Fig. 4a) y aumenta a 25,5 μm bajo d =4 μm (figura 4e). Como d llega a 5 μm, la profundidad de exposición es lo suficientemente grande para alcanzar el sustrato y no se obtienen estructuras suspendidas (Fig. 4f). La Figura 4g – k muestra las estructuras suspendidas de SU-8. La función de h frente a d tanto para experimentos como para simulaciones se ilustra en la Fig. 4l, donde las líneas rectas se ajustan mediante el método de mínimos cuadrados. El coeficiente de correlación lineal R de las líneas ajustadas son R ² =0,963, 0,988 y 0,858 para simulaciones sin contar la absorción, NR26-25000P y SU-8, respectivamente. Se puede ver que los resultados de los experimentos SU-8 están muy cerca de los resultados de la simulación. Por el contrario, la capa suspendida de NR26-25000P es mucho más fina que la de la simulación sin absorción. Esto se puede atribuir principalmente a la propiedad transparente de SU-8 y la alta capacidad de absorción de NR26-25000P. Esta es también la razón por la que la exposición gris se puede usar para fabricar estructuras suspendidas para algunos fotorresistentes, pero no es adecuada para SU-8.

Los haces fotorresistentes suspendidos resultaron de la litografía de difracción de un paso con diferente ancho de línea d utilizando el patrón de máscara de la Fig. 3b. Vigas fotorresistentes NR26-25000P debajo de a d =2 μm, b 2,5 μm, c 3 micras, d 3,5 micras, e 4 μm y f 5 µm; Haz fotorresistente SU-8 2100 por debajo de g d =2 μm, h 2,5 μm, i 3 micras, j 3,5 μm y k 4 micras; l las funciones de espesor de exposición frente a ancho de línea en simulación sin absorción, NR26-25000P y SU-8 2100 y simulaciones con coeficiente de absorción α =0,0374 μm ⁻¹ , donde el recuadro muestra la vista inclinada de vigas suspendidas SU-8. El grosor de las vigas aumenta con el ancho de línea del patrón de máscara. Las barras de escala son de 50 μm

Luego, introducimos el coeficiente de absorción α en modelo óptico y realizar los cálculos con la fórmula (8). Los resultados bajo α =0,0374 μm ⁻¹ (el coeficiente de absorción de NR21-25000P a 365 nm, probado por un espectrofotómetro UV-visible, UV 2600, Shimadzu Co., Ltd.) se muestran en la Fig. 4l, donde la línea ajustada con R ² =0,986 concuerda bien con los resultados experimentales de NR26-25000P. Por lo tanto, nuestro método está disponible para casi todos los tipos de fotorreservantes negativos gruesos para fabricar estructuras suspendidas con exposición en un solo paso, en las que la profundidad de exposición se puede guiar a través de simulaciones.

La Figura 5a-c muestra los variados patrones de conexión cruzada y los resultados de simulación correspondientes en z =15 micras. Se apilan tres líneas una al lado de la otra para fabricar una viga suspendida ancha, donde el ancho de la línea y el ancho del intervalo son 2 μm. El patrón de conexión cruzada con un círculo de 20 μm se utiliza para fabricar un pilar para soportar las vigas suspendidas (Fig. 5a). Los patrones de conexión cruzada hueca están diseñados para fabricar mallas suspendidas, como se muestra en la Fig. 5b, c. Las conexiones de fotorresistencia NR26-25000P obtenidas se muestran en la Fig. 5d-f, donde se pueden observar claramente las texturas superficiales en las conexiones cruzadas junto con las vigas, de acuerdo con las simulaciones (Fig. 5a-c). Las mallas suspendidas con los tres tipos de conexiones cruzadas se muestran en la Fig. 5g – i, y los pilares de soporte también se obtienen como se esperaba (Fig. 5g). La Figura 5h ilustra los pilares delgados debajo de las conexiones transversales, debido a los patrones densos con una proporción alta. El patrón de conexión cruzada en la Fig. 5c posee una relación de trabajo más baja, donde la intensidad de la luz es débil, lo que resulta en una malla completamente suspendida (Fig. 5f). Por lo tanto, la relación de los patrones de conexión cruzada se puede reducir para fabricar estructuras suspendidas completas, mientras que los pilares de soporte se pueden formar fácilmente con una conexión sólida. Mientras tanto, el ancho del haz también se puede controlar ajustando el número de patrones de líneas apiladas.

Diferentes patrones de conexión cruzada con NR26-25000P. un - c Tres patrones de conexión cruzada en la máscara y los resultados de simulación correspondientes en z =15 μm, donde el ancho de la línea es de 2 μm con un espaciado de 2 μm y z es la distancia entre el plano de sección y la máscara de la foto. d - f Las texturas en la conexión cruzada fotorresistente obtenida y los haces anchos, donde las barras de escala son de 20 μm. g Las mallas suspendidas con pilares de soporte. h Las mallas suspendidas con pilares de soporte delgados, donde los pilares resultan de los patrones de conexión cruzada densos con alta relación. yo Los patrones de malla suspendidos completos. Las barras de escala en g - yo son de 100 μm

También se han fabricado algunas microestructuras complejas en 3D mediante un método de exposición única (Fig. 6a-c, e, f) o de dos pasos (Fig. 6d). Las vigas suspendidas con un grosor de gradiente se muestran en la Fig. 6a, donde el ancho de los patrones de línea varía de 2 a 4 μm y de 4 a 6 μm en las dos regiones. El grosor de la capa suspendida aumenta con el aumento del ancho de la línea, en línea con los resultados mostrados en la Fig. 4. Los anillos concéntricos suspendidos y los patrones de palabras suspendidas también se pueden preparar fácilmente (Fig. 6b, c). Al combinar los dos procesos de exposición, se han integrado dos capas suspendidas con NR26-25000P, como se muestra en la Fig. 6d. Después de que se completa la primera exposición, la segunda capa se reviste por rotación sobre la primera capa y se expone. Las mallas apiladas se logran después de dos procesos de exposición seguidos de un proceso de revelado. Dado que la segunda exposición puede dañar la primera capa, las estructuras deben optimizarse cuidadosamente para fabricar estructuras suspendidas multicapa más excelentes. También se han logrado con éxito las mallas suspendidas de fotorresistencia SU-8 con patrones de palabras (Fig. 6d-f), aunque es más difícil que el NR26-25000P controlar los parámetros de exposición debido a la alta transparencia.

Estructuras fotorresistentes suspendidas en 3D. un Vigas suspendidas con gradiente de espesor, b anillos concéntricos suspendidos, c estructuras de palabras suspendidas y d mallas suspendidas multicapa, donde el fotorresistente es NR26-25000P. e Malla SU-8 suspendida. f Mallas SU-8 suspendidas con patrones de palabras. Las barras de escala son 100 μm. Las estructuras suspendidas en d se logra mediante una exposición de dos pasos, y los otros se fabrican con una exposición de un paso

En comparación con trabajos anteriores [2, 11, 22, 23], formamos un modelo de distribución de intensidad de luz en 3D en la fotorresistencia utilizando la difracción de los patrones de máscara pequeña. Las estructuras suspendidas en 3D se pueden controlar y pronosticar bien mediante simulaciones. Aquí también se tiene en cuenta el coeficiente de absorción del fotorresistente. Las estructuras suspendidas con varios espesores, como las vigas en pendiente, se forman fácilmente mediante la exposición en un solo paso. Además, el proceso de exposición se realiza con una máscara ordinaria en un modo de exposición por contacto típico, y no se necesitan máscaras o equipos especiales, lo que muestra una excelente compatibilidad con una alta resolución de fabricación.

Estructuras de carbono pirolítico

SU-8 es un precursor típico para la fabricación de microestructuras de carbono, mientras que otros fotorresistentes como NR26-25000P no pueden sostener las estructuras a altas temperaturas. La Figura 7a-c muestra las estructuras de SU-8 suspendidas, mientras que las correspondientes estructuras de carbono pirolítico se presentan en la Figura 7d-f. Se produce una gran contracción durante el proceso de pirólisis debido a las múltiples reacciones concurrentes, que incluyen deshidrogenación, ciclación, condensación, transferencia de hidrógeno e isomerización [8, 28]. Por tanto, existirá una tensión residual considerable en las estructuras pirolíticas, especialmente en las estructuras asimétricas. Las vigas de carbón pirolítico se encogerán y tirarán de los pilares en ambos extremos, provocando grietas en la parte inferior (Fig. 7d). En cuanto a las mallas a gran escala, la tensión mantiene un equilibrio relativo en cada dirección y no se encuentran grietas obvias en las estructuras de carbono pirolítico (Fig. 7e, f). Se logran mallas de carbono independientes con un tamaño de 12 mm × 20 mm, como se muestra en la Fig. 7g – i. La resistencia laminar de las mallas de carbono es de aproximadamente 182 Ω / sq, y la transmitancia de luz alcanza ~ 67% en toda la longitud de onda. Las mallas de carbono preparadas con conductividad y transparencia superiores se pueden aplicar en células solares de perovskita como electrodo [29,30,31], ofreciendo un método disponible para fabricar células solares semitransparentes. Además, las mallas de carbono preparadas poseen una excelente flexibilidad, lo que demuestra un gran potencial en las aplicaciones de electrodos transparentes flexibles.

Mallas suspendidas SU-8 y mallas de carbono pirolítico. un Vigas SU-8 suspendidas. b , c Mallas SU-8 suspendidas con pilares de soporte. d Vigas de carbono suspendidas, donde quedaron grandes tensiones en las estructuras de carbono y se produjeron grietas en la base del pilar. e , f Mallas de carbono suspendidas. g Malla de carbono autoportante después de la pirólisis. h Ampliación de la malla de carbono autoportante. yo Una malla de carbono autoportante de 12 mm × 20 mm, que presenta buena flexibilidad y transparencia. Las barras de escala son 100 μm

Conclusiones

En resumen, demostramos la fabricación de estructuras suspendidas a través de un nuevo método de litografía por difracción basado en máscara de un solo paso. Se simuló la distribución de la intensidad de la luz 3D en la fotorresistencia, mostrando que la profundidad de exposición aumentaba con el aumento del ancho de los patrones de línea debajo de d <5 μm. Este fenómeno podría utilizarse para fabricar estructuras suspendidas con un espesor definido de fotorresistente SU-8, que era casi transparente y difícil de formar estructuras suspendidas con litografía en escala de grises. Los experimentos correspondientes también se llevaron a cabo aquí. Descubrimos que el grosor de los haces SU-8 suspendidos estaba muy cerca de los resultados de la simulación, mientras que el del NR26-25000P era mucho más delgado que la profundidad de exposición en las simulaciones. Esto fue causado por la propiedad de alta absorción de luz del NR26-25000P. Luego, se introdujo el coeficiente de absorción de la fotorresistencia en el modelo óptico y los resultados de la simulación coincidieron bien con los experimentos. Se diseñaron tres patrones de conexión cruzada diferentes para fabricar mallas 3D suspendidas con o sin pilares de soporte, y las texturas de la superficie se replicaron bien. También se lograron con éxito mallas con pilares y mallas suspendidas completas. Otras estructuras fotorresistentes suspendidas en 3D complejas, incluidas vigas suspendidas con espesor de gradiente, anillos concéntricos suspendidos y estructuras de palabras suspendidas, se obtuvieron a través de la litografía de difracción basada en máscara de un paso.

Las estructuras suspendidas de carbono y las mallas de carbono independientes se fabricaron además con un proceso típico de pirólisis de dos pasos. Las estructuras de carbono 3D suspendidas podrían aplicarse en electrodos electroquímicos, supercondensadores y sensores debido a su gran área de superficie. Las mallas autoportantes exhibieron una conductividad, flexibilidad y alta transparencia excelentes. Por lo tanto, desarrollamos un método simplificado y prometedor para la fabricación de estructuras suspendidas en 3D y mallas de carbono, que mostró un gran potencial en las aplicaciones de electrodos transparentes, células solares semitransparentes y dispositivos de almacenamiento de energía.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

C-MEMS:

Sistemas microelectromecánicos de carbono

Compresión de ancho de línea inducida por sustrato metálico en la resonancia dipolo magnético de una nanoesfera de silicio iluminada por un haz enfocado azimutalmente polarizado Fabricación de hidrogeles compuestos de poli (ácido acrílico) / nitruro de boro con excelentes propiedades mecánicas y rápida autocuración a través de interacciones jerárquicamente físicas