Revolutionäre Ein-Schritt-Maskenbeugungslithografie für präzise 3D-Schwebestrukturen

Zusammenfassung

Wir schlagen eine neuartige Ein-Schritt-Belichtungsmethode zur Herstellung dreidimensionaler (3D) Schwebestrukturen vor, die die Beugung von Maskenmustern mit kleiner Linienbreite nutzt. Ein optisches Modell des Belichtungsprozesses wird erstellt, und die 3D-Lichtintensitätsverteilung im Photolack wird basierend auf der Fresnel-Kirchhoff-Beugungsformulierung berechnet. Mehrere 3D-Schwebestrukturen aus Photolack wurden realisiert, wie Balken, Gitter, Schriftmuster und Mehrschichtstrukturen. Nach der Pyrolyse der SU-8-Strukturen werden zusätzlich schwebende, freistehende 3D-Kohlenstoffstrukturen erhalten, die großes Potenzial für Anwendungen als transparente Elektroden, halbtransparente Solarzellen und Energiespeichergeräte zeigen.

Einleitung

3D-Kohlenstoff-Mikroelektromechanische Systeme (C-MEMS) haben aufgrund ihrer hervorragenden chemischen Stabilität, elektrochemischen Aktivität und Biokompatibilität zunehmende Aufmerksamkeit erregt [1–5]. Schwebende Kohlenstoffstrukturen sind typische 3D C-MEMS-Strukturen ohne jegliche Intermolecularität [2] und bieten signifikante Vorteile in Sensoren [6, 7], Mikroelektroden [8, 9] und Energiespeicheranwendungen [9]. Verschiedene C-MEMS-Mikrostrukturen wurden durch Pyrolyse von Polymeren erreicht, wobei SU-8 der am häufigsten verwendete Vorläufer für pyrolytische Kohlenstoffstrukturen ist [10, 11]. Aufgrund seiner geringen Lichtabsorption lassen sich mit SU-8 leicht Hochseitenverhältnis-Mikrostrukturen herstellen [12]. Dennoch bleibt die Herstellung von schwebenden Polymerschablonen eine große Herausforderung.

Verschiedene Ansätze wurden entwickelt, um schwebende Mikrostrukturen herzustellen, wie E-Strahl-Schreiber [13–15], Röntgenstrahlung [10, 16] und Zweiphotonen-Lithografie [17–19]. Zweiphotonen-Lithografie ist ein gangbarer Weg für komplexe schwebende Strukturen wie schwebende hohle Mikroröhren mit hoher Genauigkeit, aber geringer Effizienz [17]. Unter Berücksichtigung von Effizienz und Kosten könnte UV-Lithografie eine bessere Wahl für die Herstellung von Photolack-Vorläufern sein. Mehrschritt-Lithografieprozesse mit kontrollierter Belichtungsdosis zur Herstellung schwebender Strukturen wurden demonstriert [3, 6, 7, 20]. Lim et al. [21] fertigten schwebende Nanodrähte und Nanogitter mittels eines zweistufigen UV-Lithografieprozesses an und erhielten glasartige Kohlenstoffnanostrukturen durch Pyrolyse. Auch Ein-Schritt-Lithografiemethoden wurden vorgeschlagen. No et al. [22] erzielten schwebende Mikrostrukturen durch einen Einzelbelichtungsprozess, bei dem ein optischer Diffusorfilm auf den Cr-Masken platziert wurde. Der Diffusorfilm hatte signifikanten Einfluss auf den Belichtungsprozess und führte zur Verformung der Photolackmuster. Long et al. [2] fertigten erfolgreich 3D-Schwebestrukturen durch Kontrolle der Belichtungsdosis und des Luftspalts zwischen Photolack und Photomaske im Nahfeldbelichtungsprozess an, wobei der Nahfeldmodus die Fertigungsauflösung begrenzte. Graustufen-Photolithografie wurde ebenfalls für schwebende Strukturen mit Graustufenmasken oder maskenlosen Lithografiesystemen angewendet [11, 23]. Da SU-8 bei Lichtwellenlängen über 350 nm fast transparent ist [12], ist es sehr schwierig, die Dicke der schwebenden Schicht durch Anpassung der Belichtungsdosis präzise zu kontrollieren [8, 10]. Hemanth et al. [10] optimierten die UV-Wellenlänge im Belichtungsprozess entsprechend den Eigenschaften von SU-8. Sie wählten 405 nm für Hochseitenverhältnis-Mikrostrukturen und 313 nm für die schwebende Schicht. Die Kombination von Belichtung mit verschiedenen UV-Wellenlängen erhöht jedoch Kosten und Schwierigkeiten des gesamten Fertigungsprozesses.

In dieser Studie demonstrieren wir einen neuartigen Ein-Schritt-Masken-basierten Beugungslithografieprozess, der mit den meisten Photolackarten kompatibel ist, um 3D-Schwebestrukturen herzustellen. Eine 3D-Lichtintensitätsverteilung wird im Photolack gemäß Kirchhoffscher Beugungstheorie simuliert und experimentell verifiziert. Die Dicke der schwebenden Strukturen wird durch die Breite der Muster kontrolliert, und schwebende Balken werden durch Stapeln mehrerer Linienmuster nebeneinander mit geeignetem Abstand verbreitert. Komplexe 3D-Schwebestrukturen wie Balken mit Gradientendicke und vollschwebende Gitter mit Schriftmustern können durch den Ein-Schritt-Lithografieprozess erreicht werden. Schließlich wurden schwebende Kohlenstoffbalken, Gitter und freistehende Kohlenstoffgitter durch einen Pyrolyseprozess erhalten.

Methoden und Experimente

Optisches Modell der Beugungslithografie

Während des UV-Lithografieprozesses wird das Beugungsphänomen sehr offensichtlich, wenn die Mustergröße zu klein ist. Hier nutzen wir die Beugung schmaler Muster mit wenigen Wellenlängenbreiten zur Herstellung schwebender Balken. Um die räumliche Lichtintensitätsverteilung im Photolack zu analysieren, erstellen wir ein optisches Modell (Abb. 1) für Beugungslithografie basierend auf Fresnel-Beugung. Der Luftspalt zwischen Photolack und Photomaske kann vernachlässigt werden, da die Belichtung im Hartkontaktmodus erfolgt. Die Maske wird mit einer ebenen Welle bei einer typischen Wellenlänge von 365 nm beleuchtet, und der Photolack wird als transparentes Material mit Brechungsindex 1,659 behandelt (Brechungsindex von SU-8 bei 365 nm, gemessen mit einem Ellipsometer). P₀ ist ein Punkt auf der Maske mit Koordinaten (x₀, y₀, 0), und P₁ ist ein beliebiger Punkt im Photolack mit Koordinaten (x₁, y₁, z₁).

Das optische Modell der Beugungslithografie

Nach der Fresnel-Kirchhoff-Beugungsformulierung [24] ist die Amplitude am Punkt P₁ im Photolack:

wobei k = 2π/λ, λ die Wellenlänge des UV-Lichts im Photolack darstellt, E(P₀) die Lichtwellenamplitude am Punkt P₀, θ der Winkel zwischen P₀P₁ und der z-Achse, r der Abstand zwischen P₁ und P₀, und Σ den Integrationsbereich des Maskenmusters darstellt. Nach der geometrischen Beziehung in Abb. 1 erhalten wir:

E(P₀) ist im Modell konstant. Die Berechnungsformel wird damit:

Dann werden die Integrale mit Matlab-Software berechnet, und die Lichtintensitätsverteilung im Photolack kann ausgedrückt werden als:

wobei (x, y, z) den Koordinaten von P₁ entsprechen.

Um die Absorption des Photolacks weiter zu untersuchen, modifizierten wir die Berechnungen der Lichtintensität unter Berücksichtigung des Absorptionskoeffizienten. Wenn ein Lichtstrahl vom Punkt P₀ zu P₁ durch den Photolack tritt, kann die Lichtintensität durch folgende Formel berechnet werden [25].

wobei I₀ die initiale Lichtintensität am Punkt P₀, I_α die Lichtintensität am Punkt P₁, α der Absorptionskoeffizient des Photolacks und r der Abstand zwischen P₀ und P₁ ist. Wir definieren I_{α=0} als die Lichtintensität am Punkt P₁, wenn α = 0 μm⁻¹. Es folgt leicht, dass I_{α=0} = I₀ gemäß Formel (6). Die Beziehungen zwischen E(P_{α=0}) (der Amplitude entsprechend I_{α=0}) und E(P_α) (der Amplitude entsprechend I_α) können ausgedrückt werden als:

Daher kann die Amplitude am Punkt P₁ (definiert als E(P_{1α})) unter Berücksichtigung der Absorption des Photolacks in der Beugungslithografie berechnet werden als:

Und die Lichtintensität kann durch Formeln (2), (3), (5) und (8) erhalten werden.

Experimentelle Details

Masken mit Linienmustern wurden zur Herstellung schwebender Strukturen verwendet, während Kreise oder Quadrate für die Herstellung von Säulen zur Unterstützung der schwebenden Schicht entworfen wurden. Zwei Arten dicker negativer Photolacke wurden in den Experimenten eingesetzt, darunter SU-8 2100 (Microchem Co., Ltd.) mit einer Dicke von ~ 50 μm und NR26-25000P (Futurrex Co., Ltd.) mit einer Dicke von ~ 30 μm. Der Belichtungsprozess wurde mit einem MJB4 Maskenaligner durchgeführt, wobei die Wellenlänge des beleuchtenden UV-Lichts 365 nm betrug. Die schwebenden Strukturen können nach Eintauchen der Proben für eine bestimmte Zeit in den Entwickler erhalten werden. Hierbei wurde Propylenglycolmethyletheracetat (PGMEA, Aladdin Co., Ltd.) als Entwickler für die SU-8 2100 Proben und RD6 Entwickler (Futurrex Co., Ltd.) für die NR26-25000P Proben gewählt. Schließlich wurde ein Pyrolyseprozess [16, 26, 27] mit einem Härteschritt und einem Karbonisierungsschritt in einem Quarzofen (MTI GAL 1400X) durchgeführt, um 3D-Kohlenstoffmikrostrukturen zu erhalten. Der gesamte Prozess ist in Abb. 2a dargestellt, und die Temperaturverläufe während der Pyrolyse sind in Abb. 2b illustriert. Die Proben wurden 30 min bei 300 °C gehärtet und dann 60 min bei 900 °C pyrolisiert. Während der Pyrolyse wurden die Proben in einer H₂(5%)/Ar(95%)-Atmosphäre mit einer Heizrate von 10 °C/min gehalten. Die erhaltenen Mikrostrukturen wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM, Helios NanoLab G3, FEI) charakterisiert.

a Der Prozess zur Herstellung 3D-Schwebekohlenstoffstrukturen. b Der Temperaturverlauf der Pyrolyse

Ergebnisse und Diskussionen

Lichtintensitätsverteilung

Abbildung 3a zeigt den Querschnitt der 3D-Lichtintensitätsverteilung unter einem linienförmigen Maskenmuster mit Linienbreiten d = 1 μm, 1,5 μm, 2 μm, 2,5 μm, 3 μm, 3,5 μm und 4 μm. Hierbei wird relative Intensität verwendet, und die einfallende Lichtintensität wird als 1 definiert. Das Licht am Boden des Photolacks streut allmählich aufgrund des Beugungseffekts. Sobald die Lichtintensität einen Schwellenwert erreicht, erhält der Photolack genügend Energie, um die Reaktion auszulösen und fest zu werden; andernfalls wird er im Entwicklungsprozess entfernt. Die Dicke des Bereichs über dem Schwellenwert (0,75 in dieser Studie) wird als Belichtungstiefe definiert, die sehr empfindlich auf die Musterbreite reagiert. Die Belichtungstiefe beträgt 5,3 μm bei d = 1 μm und 18,2 μm bei d = 2 μm. Sie steigt weiter auf 33,5 μm bei d = 3 μm und 47,5 μm bei d = 4 μm. Wenn die Linienbreite schmaler als 1 μm ist, wird die Belichtungstiefe zu klein für die Fertigung, da der Luftspalt zwischen Maske und Photolack, verursacht durch die Unebenheit des dicken Photolacks, den Belichtungserfolg verhindert. Abbildung 3b, c zeigt die Maskenmuster für die Herstellung schwebender Strukturen und die entsprechende Lichtintensitätsverteilung bei z = 5, 10, 15 und 20 μm, wobei die Linienbreite auf 2 μm eingestellt ist. Die Belichtungstiefe der Linien- und Gitterstrukturen liegt zwischen 15 und 20 μm, während die der großen Quadrate und Kreise groß genug ist, um während der Lithografie Säulen zu bilden. Somit können schwebende Balken und Gitter, unterstützt von den Säulen, hergestellt werden. Da es schwierig ist, schwebende Strukturen herzustellen, wenn die Linienbreite größer als 5 μm ist, werden Linienmuster nebeneinander gestapelt, um breite schwebende Balken oder Gitter herzustellen, wie in Abb. 3d gezeigt.

Die Maskenmuster und Simulationsergebnisse im Photolack. a Die Lichtintensitätsverteilungen unter der Photomaske bei d = 1 μm, 1,5 μm, 2 μm, 2,5 μm, 3 μm, 3,5 μm und 4 μm, wobei d die Breite des Linienmusters ist. Das Maskenmuster für b schwebende Balken, c Gitter und d Gitter mit gestapelten Linienmustern und die entsprechenden Lichtintensitätsverteilungen bei z = 5 μm, 10 μm, 15 μm und 20 μm im Photolack. Hierbei ist z der Abstand zwischen der Schnittplane und der Photomaske

Schwebende Photolackstrukturen

Experimente wurden durchgeführt, um schwebende Strukturen herzustellen. Wir testeten die minimale Belichtungszeit zur Erhaltung von Photolacksäulen und definierten sie als Belichtungsschwellenwert. Dann wurde das Vier- oder Dreifache des Schwellenwerts als Belichtungsdosis verwendet und der Schwellenwert der relativen Lichtintensität wurde gemäß der Simulation auf 0,75 evaluiert. Abbildung 4 zeigt die schwebenden Photolackbalken unter verschiedenen d-Werten. Es zeigt sich, dass die Dicke der schwebenden Schicht h positiv mit d korreliert. Für NR26-25000P Photolack beträgt h 10,9 μm bei d = 2 μm (Abb. 4a) und steigt auf 25,5 μm bei d = 4 μm (Abb. 4e). Bei d = 5 μm ist die Belichtungstiefe groß genug, um den Substrat zu erreichen, und es werden keine schwebenden Strukturen erhalten (Abb. 4f). Abbildung 4g–k zeigt die schwebenden Strukturen von SU-8. Die Funktion h vs. d für Experimente und Simulationen ist in Abb. 4l dargestellt, wobei die Geraden durch die Methode der kleinsten Quadrate angepasst wurden. Der lineare Korrelationskoeffizient R der angepassten Linien beträgt R² = 0,963, 0,988 und 0,858 für Simulationen ohne Absorptionsberücksichtigung, NR26-25000P und SU-8. Man sieht, dass die SU-8-Experimentsergebnisse sehr nahe an den Simulationsergebnissen liegen. Im Gegensatz dazu ist die schwebende Schicht von NR26-25000P viel dünner als die der Simulation ohne Absorption. Dies ist hauptsächlich auf die transparente Eigenschaft von SU-8 und die hohe Absorptionsfähigkeit von NR26-25000P zurückzuführen. Dies erklärt auch, warum Graustufenbelichtung für einige Photolacke zur Herstellung schwebender Strukturen verwendet werden kann, aber nicht für SU-8 geeignet ist.

Die schwebenden Photolackbalken aus Ein-Schritt-Beugungslithografie mit verschiedenen Linienbreiten d unter Verwendung des Maskenmusters aus Abb. 3b. NR26-25000P Photolackbalken unter a d = 2 μm, b 2,5 μm, c 3 μm, d 3,5 μm, e 4 μm und f 5 μm; SU-8 2100 Photolackbalken unter g d = 2 μm, h 2,5 μm, i 3 μm, j 3,5 μm und k 4 μm; l die Funktionen der Belichtungstiefe vs. Linienbreite in Simulation ohne Absorption, NR26-25000P, SU-8 2100 und Simulationen mit Absorptionskoeffizient α = 0,0374 μm⁻¹, wobei das Inset die geneigte Ansicht der SU-8-Schwebebalken zeigt. Die Dicke der Balken nimmt mit der Linienbreite des Maskenmusters zu. Die Skalenbalken sind 50 μm

Dann führen wir den Absorptionskoeffizienten α in das optische Modell ein und führen die Berechnungen mit Formel (8) durch. Die Ergebnisse unter α = 0,0374 μm⁻¹ (der Absorptionskoeffizient von NR21-25000P bei 365 nm, getestet mit einem UV-Vis-Spektrophotometer, UV 2600, Shimadzu Co., Ltd.) sind in Abb. 4l gezeigt, wo die angepasste Linie mit R² = 0,986 gut mit den experimentellen Ergebnissen von NR26-25000P übereinstimmt. Somit ist unsere Methode für fast alle Arten dicker negativer Photolacke zur Herstellung schwebender Strukturen mit Ein-Schritt-Belichtung verfügbar, wobei die Belichtungstiefe durch Simulationen gesteuert werden kann.

Abbildung 5a–c zeigt die verschiedenen Querverbindungsmuster und die entsprechenden Simulationsergebnisse bei z = 15 μm. Drei Linien werden nebeneinander gestapelt, um einen breiten schwebenden Balken herzustellen, wobei Linienbreite und Abstandsbreite beide 2 μm betragen. Das Querverbindungsmuster mit einem 20-μm-Kreis wird verwendet, um eine Säule zur Unterstützung der schwebenden Balken herzustellen (Abb. 5a). Hohle Querverbindungsmuster sind für die Herstellung schwebender Gitter entworfen, wie in Abb. 5b, c gezeigt. Die erhaltenen NR26-25000P Photolack-Querverbindungen sind in Abb. 5d–f dargestellt, wo die Oberflächentexturen auf den Querverbindungen zusammen mit den Balken klar beobachtet werden können, in guter Übereinstimmung mit den Simulationen (Abb. 5a–c). Schwebende Gitter mit den drei Arten von Querverbindungen sind in Abb. 5g–i gezeigt, und die Stützpfeiler werden wie erwartet erhalten (Abb. 5g). Abbildung 5h zeigt die dünnen Säulen unter den Querverbindungen, resultierend aus den dichten Mustern mit hohem Verhältnis. Das Querverbindungsmuster in Abb. 5c besitzt ein niedrigeres Tastverhältnis, wo die Lichtintensität schwach ist, was zu einem vollschwebenden Gitter führt (Abb. 5f). Somit kann das Verhältnis der Querverbindungsmuster reduziert werden, um vollschwebende Strukturen herzustellen, während Stützpfeiler leicht mit einer festen Verbindung gebildet werden können. Gleichzeitig kann die Breite des Balkens durch Anpassung der Anzahl der gestapelten Linienmuster kontrolliert werden.

Verschiedene Querverbindungsmuster mit NR26-25000P. a–c Drei Querverbindungsmuster auf der Maske und die entsprechenden Simulationsergebnisse bei z = 15 μm, wobei die Linienbreite 2 μm mit Abstand 2 μm beträgt und z der Abstand zwischen der Schnittplane und der Photomaske ist. d–f Die Texturen auf den erhaltenen Photolack-Querverbindungen und den breiten Balken, wobei die Skalenbalken 20 μm betragen. g Die schwebenden Gitter mit Stützpfeilern. h Die schwebenden Gitter mit dünnen Stützpfeilern, wobei die Pfeiler aus den dichten Querverbindungsmustern mit hohem Verhältnis resultieren. i Die vollschwebenden Gitter-Muster. Die Skalenbalken in g–i sind 100 μm

Einige komplexe 3D-Mikrostrukturen wurden ebenfalls durch eine Einzelbelichtung (Abb. 6a–c, e, f) oder eine Zwei-Schritt-Belichtung (Abb. 6d) hergestellt. Schwebende Balken mit Gradientendicke sind in Abb. 6a gezeigt, wo die Breite der Linienmuster in den beiden Bereichen von 2 auf 4 μm und 4 auf 6 μm variiert. Die Dicke der schwebenden Schicht nimmt mit der Zunahme der Linienbreite zu, in Übereinstimmung mit den in Abb. 4 gezeigten Ergebnissen. Schwebende Konzentrische Ringe und schwebende Schriftmuster können ebenfalls leicht hergestellt werden (Abb. 6b, c). Durch Kombination der zwei Belichtungsprozesse wurden zwei schwebende Schichten mit NR26-25000P integriert, wie in Abb. 6d gezeigt. Nach Abschluss der ersten Belichtung wird die zweite Schicht auf die erste aufgesponnen und belichtet. Die gestapelten Gitter werden nach den zwei Belichtungsprozessen gefolgt von einem Entwicklungsprozess erreicht. Da die zweite Belichtung die erste Schicht beschädigen kann, müssen die Strukturen sorgfältig optimiert werden, um exzellente Mehrschicht-Schwebestrukturen herzustellen. SU-8 Photolack-Schwebegitter mit Schriftmustern wurden ebenfalls erfolgreich erreicht (Abb. 6d–f), obwohl es schwieriger ist als bei NR26-25000P, die Belichtungsparameter aufgrund der hohen Transparenz zu kontrollieren.

3D-Schwebende Photolackstrukturen. a Schwebende Balken mit Gradientendicke, b schwebende konzentrische Ringe, c schwebende Schriftstrukturen, und d mehrschichtige schwebende Gitter, wobei der Photolack NR26-25000P ist. e Schwebendes SU-8-Gitter. f Schwebende SU-8-Gitter mit Schriftmustern. Die Skalenbalken sind 100 μm. Die schwebenden Strukturen in d wurden durch eine Zwei-Schritt-Belichtung erreicht, die anderen durch Ein-Schritt-Belichtung

Im Vergleich zu früheren Arbeiten [2, 11, 22, 23] bilden wir ein 3D-Lichtintensitätsverteilungsmodell im Photolack durch Nutzung der Beugung kleiner Maskenmuster. Die 3D-Schwebestrukturen können durch Simulationen gut kontrolliert und vorhergesagt werden. Der Absorptionskoeffizient des Photolacks wird ebenfalls berücksichtigt. Schwebestrukturen mit verschiedenen Dicken, wie Gradientbalken, werden leicht durch die Ein-Schritt-Belichtung gebildet. Zudem wird der Belichtungsprozess mit einer herkömmlichen Maske im typischen Kontaktbelichtungsmodus durchgeführt, und keine speziellen Masken oder Geräte sind erforderlich, was eine ausgezeichnete Kompatibilität mit hoher Fertigungsauflösung zeigt.

Pyrolytische Kohlenstoffstrukturen

SU-8 ist ein typischer Vorläufer für die Herstellung von Kohlenstoffmikrostrukturen, während andere Photolacke wie NR26-25000P die Strukturen unter hohen Temperaturen nicht aufrechterhalten können. Abbildung 7a–c zeigt die schwebenden SU-8-Strukturen, während die entsprechenden pyrolytischen Kohlenstoffstrukturen in Abb. 7d–f präsentiert werden. Große Schrumpfung tritt während des Pyrolyseprozesses aufgrund multipler gleichzeitiger Reaktionen auf, einschließlich Dehydrierung, Cyclisierung, Kondensation, Wasserstofftransfer und Isomerisierung [8, 28]. Daher wird ein beträchtlicher Restspannung in den pyrolytischen Strukturen existieren, besonders in asymmetrischen Strukturen. Die pyrolytischen Kohlenstoffbalken schrumpfen und ziehen die Pfeiler an beiden Enden, was Risse am Boden verursacht (Abb. 7d). Bei den großflächigen Gittern hält die Spannung ein relatives Gleichgewicht in jede Richtung und es finden sich keine offensichtlichen Risse in den pyrolytischen Kohlenstoffstrukturen (Abb. 7e, f). Freistehende Kohlenstoffgitter mit der Größe 12 mm × 20 mm werden erreicht, wie in Abb. 7g–i gezeigt. Der Flächenwiderstand der Kohlenstoffgitter beträgt etwa 182 Ω/sq, und die Lichttransmission erreicht ~ 67 % im gesamten Wellenlängenbereich. Die hergestellten Kohlenstoffgitter mit überlegener Leitfähigkeit und Transparenz können in Perowskit-Solarzellen als Elektrode [29–31] angewendet werden und bieten eine verfügbare Methode für die Herstellung halbtransparenter Solarzellen. Darüber hinaus besitzen die hergestellten Kohlenstoffgitter hervorragende Flexibilität und demonstrieren großes Potenzial in Anwendungen flexibler transparenter Elektroden.

Schwebende SU-8-Gitter und pyrolytische Kohlenstoffgitter. a Schwebende SU-8-Balken. b, c Schwebende SU-8-Gitter mit Stützpfeilern. d Schwebende Kohlenstoffbalken, wo große Spannungen in den Kohlenstoffstrukturen verbleiben und Risse am Boden der Pfeiler auftreten. e, f Schwebende Kohlenstoffgitter. g Freistehendes Kohlenstoffgitter nach Pyrolyse. h Vergrößerung des freistehenden Kohlenstoffgitters. i Ein 12 mm × 20 mm freistehendes Kohlenstoffgitter, das gute Flexibilität und Transparenz zeigt. Die Skalenbalken sind 100 μm

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die Herstellung schwebender Strukturen mittels einer neuartigen Ein-Schritt-Masken-basierten Beugungslithografiemethode demonstriert. Die 3D-Lichtintensitätsverteilung im Photolack wurde simuliert und zeigte, dass die Belichtungstiefe mit der Zunahme der Breite der Linienmuster bei d < 5 μm zunimmt. Dieses Phänomen konnte genutzt werden, um schwebende Strukturen mit definierter Dicke von SU-8-Photolack herzustellen, der fast transparent war und mit Graustufenlithografie schwer schwebende Strukturen zu bilden war. Die entsprechenden Experimente wurden ebenfalls durchgeführt. Wir fanden, dass die Dicke der schwebenden SU-8-Balken sehr nahe an den Simulationsergebnissen lag, während die von NR26-25000P viel dünner war als die Belichtungstiefe in den Simulationen. Dies wurde durch die hohe Lichtabsorptionsfähigkeit von NR26-25000P verursacht. Dann wurde der Absorptionskoeffizient des Photolacks in das optische Modell eingeführt, und die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den Experimenten überein. Drei verschiedene Querverbindungsmuster wurden für die Herstellung schwebender 3D-Gitter mit oder ohne Stützpfeiler entworfen, und die Oberflächentexturen wurden gut repliziert. Gitter mit Pfeilern und vollschwebende Gitter wurden ebenfalls erfolgreich erreicht. Andere komplexe 3D-Schwebende Photolackstrukturen, einschließlich schwebender Balken mit Gradientendicke, schwebender konzentrischer Ringe und schwebender Schriftstrukturen, wurden durch die Ein-Schritt-Masken-basierte Beugungslithografie erhalten.

Kohlenstoff-Schwebestrukturen und freistehende Kohlenstoffgitter wurden weiter mit einem typischen Zwei-Schritt-Pyrolyseprozess hergestellt. Die schwebenden 3D-Kohlenstoffstrukturen könnten in elektrochemischen Elektroden, Superkondensatoren und Sensoren aufgrund ihrer großen Oberfläche angewendet werden. Die freistehenden Gitter zeigten ausgezeichnete Leitfähigkeit, Flexibilität und hohe Transparenz. Somit haben wir eine vereinfachte und vielversprechende Methode für die Herstellung von 3D-Schwebestrukturen und Kohlenstoffgittern entwickelt, die großes Potenzial in Anwendungen transparenter Elektroden, halbtransparenter Solarzellen und Energiespeichergeräten zeigte.

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

C-MEMS:

Kohlenstoff-Mikroelektromechanische Systeme