Soft lithography for surface micropatterning

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2006
Major/Subject
Electron physics
Elektronifysiikka
Mcode
S-69
Degree programme
Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
Tämän työn ensimmäisessä osassa on tehty kirjallisuusselvitys pehmeän litografian menetelmistä. Pehmeää litografiaa voidaan tehdä useilla eri tekniikoilla, joilla voidaan valmistaa kaksi- tai kolmiulotteisia mikro- ja nanorakenteita. Menetelmät perustuvat muovaukseen, kohokuviointiin ja painamiseen. Työn kokeellisessa osassa on valmistettu kahdella eri pehmeän litografian menetelmällä substraatin pinnalle kultapistematriisi. Menetelmät ovat microcontact printing ja transfer printing. Erilaisten masterien rakenteet, sekä masterien ja stämppien valmistus on esitelty. Masterit on valmistettu perinteisillä mikrovalmistustekniikoilla ja valolitografialla. Työssä käytetyt master-rakenteet ovat ylösalainen pyramidirakenne, korkean aspektisuhteen rakenne, sekä matalan aspektisuhteen valoresistirakenne. Elastomeeristen stämppien materiaali on poly(dimetyylisiloksaani) (PDMS). Stämpeissä on säännöllinen matriisi kohollaan olevia rakenteita, joiden on tarkoitus muodostaa kontakti substraatin kanssa. Microcontact printing -kokeisiin on valittu pyramidi- ja matalan aspektisuhteen stämpit. Eikosaanitioliliuosta on käytetty musteena jolla stämppi on kostutettu ja stämpin kuviointi on painettu kultapäällystettyyn substraattiin. Musteen levitykseen on käytetty märkä- ja kontaktimenetelmää. Eikosaanitioli muodostaa itsejärjestyvän molekyylikerroksen kullan pinnalle. Painettu kuviointi toimii etsausmaskina seuraavassa kullan märkäetsauksessa. Etsaus on suoritettu tiourea ja rauta(III)nitraatti -liuoksessa. Etsaamisen jälkeen substraatin pinnalla on kultapistematriisi. Transfer printing -kokeisiin on valittu matalan aspektisuhteen stämppi. Tässä työssä käytetyssä versiossa eikosaanitioli muodostaa kerroksen piidioksidikerroksen päälle muodostamatta itsejärjestyvää molekyylikerrosta. Kullattua stämppiä käytetään siirtämään kultakuvio esikäsitellyn substraatin pinnalle. Microcontact printing -kokeiden tulokset osoittavat kuvioiden olevan pienempiä kuvioidun alueen reunoilla, johtuen mahdollisesti epätasaisesta paineesta painamisen aikana tai stämpin epätasaisuudesta. Matalan aspektisuhteen stämppien valmistuksessa käytetty maski ei ollut riittävän hyvälaatuinen tuottaakseen homogeenisiä stämppejä, vaan aiheutti jaksollisen vaihtelun kuvioiden kokoon. Sen vuoksi pyramidistämppi sopii paremmin pienten pisteiden kuviointiin microcontact printing -menetelmällä. Tiolien diffuusio aiheuttaa kuvion vääristymistä microcontact printing -menetelmässä. Kontaktimenetelmällä voidaan tuottaa pienempiä kuvioita kuin märkämenetelmä. Transfer printing -menetelmällä valmistettu kuviointi on kauttaaltaan säännöllinen ja siisti, eikä jaksollista kuvioiden koon vaihtelua ole havaittavissa. Matalan aspektisuhteen stämppi soveltuu transfer printing -menetelmään. Kumpikin menetelmä soveltuu kultapistematriisin valmistamiseen. Näillä menetelmillä valmistettujen pisteiden halkaisija on 1 – 2 µm.

In the first part of this work, a literature review of soft lithographic techniques is presented. Soft lithography includes a number of techniques for the fabrication of two- and three dimensional micro and nanostructures based on molding, embossing and printing. In the experimental part of this work, two soft lithographic methods of surface micropatterning are used in order to produce an array of gold dots onto a substrate. The methods used are microcontact printing and transfer printing. Different master designs and their fabrication is presented, followed by stamp fabrication. The masters are fabricated using conventional microfabrication techniques and photolithography. Master designs tested are inverted pyramid shape fabricated by anisotropic etching of silicon, a high aspect ratio master and a low aspect ratio photoresist master. The elastomeric stamps are negative replicas of the masters and they are fabricated of poly(dimethylsiloxane) (PDMS). The stamps have a regular array of protruding features, in order to make a contact to the substrate during printing. Stamp designs chosen for microcontact printing are the pyramid stamp and the low aspect ratio stamp. In microcontact printing experiments eicosanethiol solution is used as the ink with which the stamp is wetted and the pattern of the stamp printed onto a gold-coated substrate. Both wet and contact inking methods are tested. Eicosanethiol forms a self assembling monolayer (SAM) onto the gold surface. The printed pattern is used as an etch mask in the subsequent wet of etching gold, which is performed in a solution of thiourea and ferric(III)nitrate. After the etching, an array of gold dots remains on the substrate. Stamp design chosen for transfer printing is the low aspect ratio stamp. In the version of transfer printing used in this work, eicosanethiol forms a layer on the silicon dioxide film, without the formation of a SAM. A gold-coated PDMS stamp is used to transfer a gold pattern onto the pre-treated silicon substrate. The results of microcontact printing show that the features are smaller at the edges of the printed area, possibly due to uneven pressure during printing or unevenness of the stamp itself. The mask used in the fabrication of the low aspect ratio stamps was not of high enough quality to produce homogenous stamps, thus leading to a periodical size variation in the prints made with the low aspect ratio stamps. Therefore, pyramid stamp is better suited for microcontact printing of gold dots. Diffusion of the thiols causes pattern distortion in microcontact printing; contact inking diminishes diffusion and produces smaller patterns than wet inking. In transfer printing the pattern is overall regular and smooth and the periodical size variation is not visible. The low aspect ratio stamp is well suited for transfer printing. Both methods are suited for the gold dot array fabrication. The diameter of the dots created with these methods is in the range of 1 – 2 µm.
Description
Supervisor
Kuivalainen, Pekka; Prof.
Thesis advisor
Franssila, Sami; Dosentti
Grigoras, Kestutis; TkT
Keywords
soft lithography, microfabrication, PDMS, surface patterning, self assembled monolayers, microcontact printing, transfer printing, pehmeä litografia, mikrovalmistus, PDMS, pinnan kuviointi, itsejärjestyvä molekyylikerros, microcontact printing, transfer printing
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-007401