ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 37-42
УДК 533.924
ВЛИЯНИЕ РЕАКТИВНОГО ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА
© 2015 г. А. А. Миронова*, А. М. Попов, М. Л. Занавескин
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Курчатовский НБИКС-Центр, 123098Москва, Россия *Е-таИ: devicessc@mail.ru Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
Исследовано влияние кислородсодержащей, фторсодержащей и аргоновой плазмы на морфологию поверхности полиметилметакрилата в процессе реактивного ионного травления. Проведены серии экспериментов по травлению поверхности полимера на глубину в несколько десятков микрон при разных составах газов (О2, N2, Аг, О2/^, 02/Аг, СБ4, 02/СБ4). Продемонстрировано, что глубина травления материала и шероховатость поверхности дна возрастают с увеличением мощности ВЧ-ге-нератора, а также существенно зависят от состава и процентного соотношения газов, подаваемых в камеру.
Ключевые слова: реактивное ионное травление, шероховатость поверхности.
БО1: 10.7868/$020735281505008Х
полиметилметакрилат, плазма, микрофлюидика,
ВВЕДЕНИЕ
Микрофлюидика — быстро развивающаяся область науки и техники [1—4]. Основными областями применения микрофлюидных систем являются многопрофильная исследовательская деятельность [5] и биомедицина [6]. Одним из самых перспективных направлений, наряду с биосенсорикой, на сегодняшний день является кристаллизация белка в микроканалах микрофлюидных систем [7].
Для широкого использования микрофлюидных систем необходимы простые и дешевые технологии создания таких устройств. Существует много способов изготовления микрочипов (стандартные литографические процессы [8], литье под давлением [9], технология тиснения [10], метод лазерной абляции [11], ЬЮА-технологии [12]), выбор которых, в основном, определяется используемым материалом. Зачастую для большинства приложений требуется инертный, биологически совместимый материал с высокой механической прочностью и оптической прозрачностью. Одним из таких материалов является наиболее доступный полимер — полиметилметакрилат (ПММА).
Самым простым способом создания топологии микрочипа считается метод лазерной абляции. Однако, в силу специфического гауссова поперечного профиля канала, который формируется при воздействии лазерного луча на полимер, этот метод не всегда может быть применим для изготовления микроканалов малых размеров. От-
метим, что форма и поверхность канала сильно влияют на характер течения растворов в нем, что определяет режим смешивания веществ. Для кристаллизации белка путем формирования сотен капель-микрореакторов внутри микрофлюидных систем используют каналы прямоугольного сечения глубиной 20—30 мкм при ширине в 100 мкм [13]. Наряду с этим, критически важна низкая шероховатость поверхности канала, что является одним из критериев ламинарного течения жидкостей в канале.
Нами был разработан технологический процесс изготовления микрочипа из ПММА для последующей кристаллизации белка в микроканалах. Метод контактной оптической литографии был выбран для формирования микрофлюидных каналов. Кроме стандартных литографических операций, перед нанесением фоторезиста на подложку напыляется тонкий слой металла, который в дальнейшем будет предотвращать нежелательное травление ПММА в процессе реактивного ионного травления. Метод лазерной абляции был выбран для формирования отверстий ввода/вывода жидкостей на верхней пластине, метод термической сварки — для герметизации чипа. Основной задачей технологического процесса является создание микроканалов с минимальной шероховатостью поверхности.
Существует ряд работ по влиянию реактивного ионного травления на полимеры, но во многих публикациях разнятся скорости травления мате-
Глубина травления, мкм
20 30 40 50 60 70 80
Мощность, Вт
Рис. 1. Зависимость глубины травления ПММА от мощности генератора при разных соотношениях газов. Время обработки поверхности 2000 с.
риалов и, в основном, воздействие плазмы рассматривают только как метод активации поверхности [14]. Целью данной работы был выбор оптимальных параметров реактивного ионного травления для дальнейшего нанесения металлических пленок и исследование процесса травления полимера на глубину в десятки микрон в смеси газов разного состава (О2/М2, 02/Аг, 02/СБ4).
ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве основы для изготовления микрофлюидного чипа были выбраны прямоугольные пластины 45 х 15 х 1 мм ПММА марки ACRYMA®. Исследование влияния реактивного ионного травления на поверхность ПММА проводилось на установке реактивного ионного травления НИИТМ. Частота ВЧ-генератора установки составляла 13.56 МГц, мощность генератора варьировалась от 30 до 200 Вт. Расход газа по трем магистралям менялся в пределах: аргон 0—3.6 л/ч, кислород 0— 1.8 л/ч, тетрафторид углерода 0—0.9 л/ч. Положение конденсатора согласующего устройства 0.5— 9.5 В (для передачи максимальной ВЧ-мощности в реактор), диапазон рабочего давления (2—8) х х 10-2 мм рт. ст., натекание реакционной камеры не более 5 х 10-4 м3 • Па/с.
Образцы ПММА частично накрывались боро-силикатным стеклом, чтобы защитить часть поверхности от воздействия активных частиц и сделать возможным измерять не только шероховатость поверхности дна, но и глубину травления полимера. В дальнейшем планируется в качестве
защитной маски использовать пленку титана, осажденную на подложку ПММА.
Шероховатость поверхности дна канала и глубина травления определялась контактным про-филометром Bruker Dektak XT, который обеспечивает непревзойденную воспроизводимость до пяти ангстрем (<5 Á), и использовался стилус с радиусом закругления 12.5 мкм. Исследование морфологии поверхности проводилось на оптическом микроскопе Nikon Eclipse L200N.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Обработка в плазме O2/N2. Для выявления оптимальных условий травления ПММА в кислородсодержащей плазме были проведены эксперименты, где при постоянном расходе кислорода 0.2 л/ч варьировался расход азота в пределах 0.4—1.6 л/ч, в зависимости от мощности ВЧ-ге-нератора. Время процесса обработки поверхности составляло 2000 с. На рис. 1 полученные результаты представлены в виде зависимости глубины травления полимера от мощности при разных соотношениях газов.
Из анализа графика следует, что с увеличением мощности генератора глубина травления возрастает практически линейно для всех соотношений O2/N2, в то время как с увеличением доли азота в кислородсодержащей плазме скорость травления падает.
Первое явление связано с тем, что реактивное ионное травление — это совместное воздействие физического распыления и химического травления, причем трудно выделить влияние одного из механизмов, так как физическое распыление активирует поверхность материала, повышая скорость химических реакций [15]. Соответственно, при увеличении мощности ВЧ-генератора возрастает степень ионизации газа [16], что приводит к росту плотности свободных радикалов в плазме, ответственных за химическое травление образца, а также возрастает энергия ионов, движущихся к поверхности, которые, в свою очередь, бомбардируют подложку и ослабляют химические связи поверхностных атомов. В связи с этим с увеличением мощности глубина травления возрастает.
Второе явление, заключающееся в падении скорости травления при увеличении количества азота в смеси газов, связано с изменением состава и концентрации химически активных частиц в плазме: их количество уменьшается, и скорость травления ПММА замедляется.
На рис. 2 представлена зависимость шероховатости поверхности ПММА (R — среднеарифметическое отклонение профиля) от мощности ВЧ-ге-
ВЛИЯНИЕ РЕАКТИВНОГО ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ
39
нератора при разных соотношениях газов. Показано, что с увеличением мощности увеличивается не только глубина травления, но и шероховатость. Это связано с тем, что высокоэнергетичные ионы, бомбардирующие подложку, повышают скорость дефектов образования на обрабатываемой поверхности.
Из рис. 2 видно, что шероховатость поверхности образца понижается с увеличением в газовой смеси количества азота. Это можно объяснить, основываясь на теории, описывающей деструкцию и структурирование (формирование сшивок между молекулами полимера в результате встраивания радикалов) поверхностного слоя полимера [17]. Отметим, что до конца механизм влияния плазмы на полимеры не выяснен, поэтому можно только предполагать, что под воздействием кислородной плазмы, за счет разрыва основной цепи полимера (С—С), химически активный атомарный кислород присоединяется к оборванным связям, приводя к разветвлению полимерной цепи, и в поверхностном слое ПММА образуются кислородсодержащие группы (—С=0, —С—О—Н и т.д.). Далее происходит распад уже новых функциональных групп с образованием газообразных продуктов (СО2, СО, Н2О и т.д.). Однако из-за неравномерного распада межмолекулярных связей полимера, вследствие формирования локальных сшивок и разной скорости образования стабильных продуктов, поверхность ПММА, подвергаемая воздействию кислородной плазмы, отличается высокой шероховатостью.
С увеличением количества азота в кислородсодержащей плазме усиливается ионная бомбардировка поверхности. Процесс травления становится более анизотропным, что способствует равномерному воздействию плазмы на подложку, а также, как было отмечено ранее, происходит стабилизация плазмы за счет уменьшения концентрации химически активных частиц. Все это в совокупности приводит к формированию тонкого уплотняющего слоя по всей поверхности полимера (увеличивается количество общих сшивок аморфных углеродных слоев (атомов углерода)), который повышает стойкость образца к травлению и подавляет реорганизацию поверхности полимера [17].
Сходные результаты были получены и во второй серии опытов, где азот был заменен на аргон. Это связано с тем, что при используемых параметрах реактивного ионного травления, а именно при невысоких мощностях ВЧ-генератора, разница атомных масс аргона и азота не сильно отразилась на процессе физического распыления и не внесла изменений в процесс травления (плотность ионной бомбардировки осталась прежней).
♦ Время
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.