Micropunching ליתוגרפיה לייצור מיקרו submicron דפוסי פולימר על מצעים

המטרה הכללית של עבודה זו היא ליצור תבניות במיקרו ובסב-מיקרון על הדופן העליונה ועל המשטחים התחתונים של תשתית פולימרית עבור יישומים שונים. הדבר מושג תחילה על ידי ציפוי שכבות פולימר ביניים ושכבות פולימר יעד על גבי משטח קשיח. לאחר מכן, מיוצרים מבני תבנית בעלי קצוות חדים ועגולים, המשמשים להטבעת התשתית בטמפרטורה שמעל טמפרטורת המעבר הזגוגי של פולימר הביניים, שהיא נמוכה מטמפרטורת ההמסחה של פולימר היעד.

לאחר קירור המצע, הסתירה מוסרת ותבניות מיקרו וסוב-מיקרון נחשפות על פני השטחים של מצעי הפולימר. היישומים הביו-רפואיים של ליתוגרפיית ניקוב מיקרו הם הראשונים. מיקרוביומים של PPY שנוצרו באמצעות פעולת חיתוך משמשים לחישור גלוקוז.

שנית, ניתן להשתמש בתעלולי HDP שנוצרו באמצעות מתיחה כתעלולים מיקרופלואידיים בתוך התקני מעבדה על שבב (lab-on-a-chip) להפחתת חיכוך זרימת הנוזלים. בהליך זה, מצע סיליקון, המצופה בפולימר ביניים ובחומר להדפסה, מחומם מעל טמפרטורת מעבר הזכוכית של הפולימר הביניים ומעט מתחת לטמפרטורת ההמסה או המעבר של החומר המיועד. לאחר מכן, התבנית והמצע מובאים למגע פיזי תחת לחץ גבוה, ולאחריהם קירור.

לבסוף, הם מופרדים כאשר הטמפרטורה שלהם יורדת מתחת לטמפרטורת המעבר של הפולימר הביניים, ובכך מושלך העברת התבנית מהתבנית לשכבה המיועדת. לצורך הליך זה, יש להכין תבניות סיליקון מיוצרות במידות הנדרשות באמצעות ליתוגרפיית UV קונבנציונלית. הכינו את שכבת הביניים על ידי בחירת גיליון PMMA שאינו מוליך והניחו אותו על מצע שטוח וקשיח.

ניתן כעת לבצע ציפוי ספין (spin coating) קונבנציונלי של פולימר מוליך בודד מעל הפולימר הביניים. בנוסף לציפוי ספין של חומרים שונים של פולימרים מוליכים, כסו את האזור שסביב השכבה הראשונה של הפולימר המוליך באמצעות סרט דבק. באמצעות הדבקה וציפוי ספין, ניתן לצפות שכבות מרובות במיקומים הרצויים על גבי התשתית.

לאחר מכן, בצעו הבלטה למצע באמצעות מכונת הבלטה חמה למשך מספר דקות, והוציאו את המצע מהתבנית בטמפרטורה שבין 80 ל-95 °C ובמהירות של 1.5 mm/min. בהליך זה, השכבה העליונה מוחלפת בשילוב של שתי ושלוש פולימרים או שכבות מתכת בהתאמה, כדי ליצור מיקרו-מבנים רב-שכבתיים. נסקר ייצור של צומתים הטרוגניים, דיודות וקבלים.

על מנת ליצור צומת הטרוג'ני (hetero junction) בעל שתי שכבות של PPY ו-pdot, יש לבצע תחילה ציפוי ספין (spin coat) של שכבת pdot בעובי 10 µm על גבי גיליון PMMA. לאחר מכן, יש לאפות את התשתית בטמפרטורה של 80 °C למשך שעה אחת. לאחר האפייה, יש לבצע ציפוי ספין של שכבת PPY בעובי 1 µm על גבי שכבת ה-pdot ולאפות את התשתית למשך חמש דקות.

כדי להפיק דיודות pdot מאלומיניום דו-שכבתי, בצעו ציפוי ספין (spin coat) של שכבת pdot בעובי 10 µm על גבי גילי PMMA ואפו את התשתית למשך שעה אחת. לאחר מכן, השתמשו באידוי תרמי כדי לצפות שכבת אלומיניום בעובי 200 nm על שכבת ה-pdot. יש להניח את התשתית כשהפנים פונה כלפי מטה, ולהגדיר את לחץ התא למספר 5 µTorr במאיד; מתח גבוה מאדה את כיתורי האלומיניום.

עקבו אחר מד עובי הקוורץ עד להגעה ל-200 nanometers. לאחר מכן, הפסיקו את המתח לאפס ושחררו את הוואקום מהתא לפני הוצאת הדגימה. כדי להפיק קבלי pdot PMMA בעלי שלושה שכבות.

בצעו סיפין-קוטינג (Spin coating) של שכבת pdot בעובי 10 µm על גבי גיליון PMMA והבקיעו את התשתית למשך שעה. לאחר מכן, בצעו סיפין-קוטינג ב-1000 RPM מספר פעמים כדי לקבל סרט PMMA בעובי 15 עד 20 µm על גבי שכבת ה-pdot, והבקיעו את התשתית למשך 30 דקות. לאחר אפיית שכבת ה-PMMA, בצעו סיפין-קוטינג של שכבת pdot בעובי 2 עד 3 µm על גבי סרט ה-PMMA והבקיעו את התשתית למשך חמש דקות. עבור כל המבנים המיקרוסקופיים, בצעו הטבעה של התשתית באמצעות מכשיר להטבעה חמה למשך מספר דקות, ולאחר מכן בצעו דה-מולדינג (demolding) של המבנים המיקרוסקופיים בטמפרטורה של 80 עד 95 °C במהירות של 1.5 mm/min.

פעולת המתיחה דומה לחיתוך, אולם היא משתמשת בתבנית קשיחה עם קצוות מעוגלים ובתבנית A-P-D-M-S. היא דורשת גם כוח הכנסה קטן יותר, מהירות הכנסה נמוכה יותר וטמפרטורת הדפסה גבוהה יותר. התחילו ביצירת מיקרו-עמודים מ-PDMS על ידי ציפוי ספינר (spin coating) של שכבה בעובי מיקרומטר של S 1813 על תבנית SU eight.

תבנית ה-SU eight מיוצרת באמצעות ליתוגרפיית UV קונבנציונלית. לאחר מכן, מרחיפים PDMS על גבי תבנית ה-SU eight המצופה ב-S 1813 במהירות של 1000 RPM ומבשלים את הדגימה בטמפרטורה של 85 °C למשך שלוש שעות על פלטה מחממת. לאחר שהשכבת ה-PDMS התמצקה, שוטפים את הדגימה באצטון כדי להמיס את ה-S 1813 ולשחרר את שכבת ה-PDMS הדקה מהתבנית של ה-SU eight.

לאחר השלמת הכנת סרט ה-PDMS בעל המיקרו-עמודים, הניחו כעת את סרט ה-PDMS על גבי גליון HDPE בעובי 1.5 מילימטר לצורך ההדפסה. הניחו תבנית אלומיניום עם קצוות מעוגלים על סרט ה-PDMS ועל גליון ה-HDPE, והסבירו אותם תחת לחץ למשך שעה. התבנית תדחף את סרט ה-PDMS כלפי מטה אל תוך גליון ה-HDPE הרך.

לאחר שהמדגם התקרר לטמפרטורת החדר, הסירו את התבנית כדי להשלים את יצירת התעלה על גבי לוח ה-HDPE. במהלך התהליך, חלק מסרט ה-PDMS שנוצר באמצעות המיקרו-עמודים מועבר לתחתית ולשני דפנות התעלה. באמצעות פעולת חיתוך MPL, נוצרו מיקרו-מבנים בשכבה אחת ב-PPY, PDOT ו-SPANI.

נעשה שימוש ב-SEM כדי לנתח תבנית קו ישר ברוחב 300 מיקרומטר ותבנית מיקו-חוט (microwire) מסלסלת ברוחב 50 מיקרומטר, וזאת כדי לבחון את הרגישות ללחות. מיקו-חוט PPY וסרט PPY בשטח של סמ"ר אחד ה exposed לרמות של לחות יחסית, בטווח שבין 45% ל-85%. הרגישות שלהם נמדדה כשינוי בהתנגדות והושוותה. נעשה שימוש ב-SEM לבחינת מספר מיקרו-מבנים רב-שכבתיים, כולל pdot של PPY בצורת מיקרו-קו ברוחב 300 מיקרומטר, דיודה של hetero junction aluminum pdot, וקבל PDOT PMMA pdot תוך שימוש בתחנת בדיקה (probe station) של keithley.

כאשר שכבת ה-pdot מחוברת להארקה ופוטנציאל הסטה של 20- וולט עד 20 וולט מופעל על שכבת ה-PPY. מתחי הפריצה קדימה ואחורה של צומת ההטרו-מבנה PPY PDOT היו 5 וולט ו-8- וולט בהתאמה. צומת הטרו-מבנה של אלומיניום ו-pdot נוצר על ידי חיבור שכבת האלומיניום להארקה והפעלת פוטנציאל הסטה של 5- וולט עד 5 וולט על שכבת ה-pdot, כאשר המדידה בוצעה בטמפרטורת החדר.

מתחי הפריצה קדימה ולאחור היו 3 ומינוס 2.5 וולט, בהתאמה. קבל pdot PMMA PDOT יוצר באמצעות תחנת בדיקה של KEITHLEY, וה-CV של הקבל נמדד בטמפרטורת החדר. הקיבול הנמדד של הקבל תחת הטיות בתדר נמוך היה כ-0.06 picofarad.

בעוד שהכמות שחושבה תיאורטית הייתה 1.38, מיקרו-עמודים של PDMS בפיקו-פראד נלחצו לתוך גליונות A-H-D-P-E כדי ליצור את דפנות התעלה. זווית המגע הממוצעת של טיפת מים בערוצי HDPE הייתה 145.5 מעלות. מיקרו-העמודים של PDMS משמשים להפחתת חיכוך הגרירה של ערוצי HDPE.

טיפה הנעה על גבי תעלה של HDPE מצופה בשכבת A-P-D-M-S נעה לאט יותר מטיפה הנעה על גבי תעלה של HDPE המקודדת בעמודי מיקרו של A-P-D-M-S. הדבר נובע מהטבע הסופר-הידרופובי של התעלה כפי שנוצר על ידי עמודי המיקרו של PDM. בעת ביצוע הליכים אלו, זכרו כי עבודה עם פוטורזיסט, פולימרים מוליכים ותרכובות אורגניות נדיפות עלולה להיות מסוכנת; נקטו תמיד באמצעי זהירות, כגון שימוש בציוד מיגון אישי ועבודה באזור מאוורר היטב.