Sommario Il micromachining elettrochimico (ECM) è una nuova tecnologia di microlavorazione basata su un processo di dissoluzione elettrochimico del silicio di tipo n

Sommario

Il micromachining elettrochimico (ECM) è una nuova tecnologia di microlavorazione basata su un processo di dissoluzione elettrochimico del silicio di tipo n in soluzioni acquose contenenti acido fluoridrico. Le principali caratteristiche dell’ECM sono: i) elevato aspect-ratio (AR) delle struttre fabricabili e, quindi, l’elevata densità di integrazione; ii) controllo dell'anisotropia dell'attacco elettrochimico (da 0 ad 1) e, quindi, l’elevata flessibilità iii) elevata qualità in termini di rugosità delle superfici microlavorate (inferiore a 20 nm).

Questo lavoro di tesi ha lo scopo di dimostrare che l'ECM può essere impiegato con successo nella fabbricazione di microstrutture/microsistemi in silicio (Si) con impiego in vari campi quali: l'ottica integrata, l'optofluidica, la biologia (colture cellulari 3D), e la sintesi di polimeri conduttori micro/nano strutturati.

Relativamente alle applicazioni ottiche, per la prima volta, viene riportata la fabbricazione di una piattaforma ottica in cui la luce viaggiante in una fibra ottica monomodale è direttamente accoppiata con un cristallo fotonico (CF) in Si/aria ad elevato ordine di riflettività ed operante nel vicino infrarosso. Tale piattaforma è costituita da un substrato di Si microlavorato mediante ECM ed integrante: i) un array di CF in Si/aria con un spettro di trasmissione che ha un massimo ad 1.55 µm, ii) alloggiamenti per le fibre ottiche di lettura e iii) stopper meccanici di finecorsa per fibre ottiche stesse.

Relativamente alle applicazioni optofluidiche, CF verticali ad elevato AR ed ottenuti mediante ECM sono stati integrati in microsistemi optofluidici (MOF) insieme a microcanali fluidici ottenuti mediante attacco di tipo wet del silicio in soluzioni a base di idrossido di potassio. Tale MOF, come sensore di indice di rifrazione ha una sensibilità di 1049 nm/RIU a 1.55 µm ed una risoluzione di circa 10-3 RIU. Inoltre, è stata dimostrata la possibilità di realizzare mediante utilizzo esclusivo della tecnologia ECM un MOF in silicio in cui sono integrati mediante un unico passo di microlavorazione elettrochimica uno o più CF ad elevato AR in Si/aria, serbatoi/canali microfluidici e gli alloggiamenti per le fibre ottiche di lettura. Come sensore di indice di rifrazione tale MOF presenta un sensibilità di 670 nm/RIU a 1.55 µm ed una risoluzione di circa 10-3_RIU.

Nell'ambito della biologia, è stato dimostrato che l'ECM può essere impiegato nella fabbricazione di microincubatori in silicio integrati struture ad elevato AR. In particolare, tale micorincubatore selezione celleule di tipo mesenchimale le quali possono popolare gli spazi interni delimitati da strututre in silicio ad elevato AR.

Infine, è stato sviluppata una nuova tecnologia di elettrosintesi attivata da illuminazione per la deposizione di film di polypirrolo (PPy) su un substrati di silicio microstrutturati mediante ECM. Analisi al microscopio elettronico a scansione evidenziano una crescita altamente conforme del polimero che permette di ottenere strutture 3D in PPy che replicano esattamente le geometrie del substrato

Abstract

Electrochemical micromachining technology, namely ECM, is a newly proposed microstructuring technique based on electrochemical etching of n-type silicon in water/hydrofluoric acid electrolytes. Among the main features of ECM there are: i) high aspect-ratio (HAR) of feasible structures, and in turn, high integration density; ii) fine control of etching anisotropy (from 0 to 1), and in turn, enhanced flexibility in fabrication; iii) reduced roughness (about 20 nm) of etched surface.

This thesis is aimed at demonstrating that ECM technology can be successfully used for the fabrication of silicon (Si) based microstructures and microsystems for a wide range of applications ranging from integrated optics, to optofluidics, from biology (3D cell culture) to synthesis of nano/micro-structured conducting polymers film.

As to optics applications, for the first time, we report fabrication of a novel Si-optical platform where light from standard single mode Si-optical fiber is directly coupled in and out high order vertical silicon/air PhCs operating in the near-infrared region. The platform consists of ECM-micromachined Si-substrate integrating an array of vertical silicon/air PhCs featuring a transmission peak at λ=1.55 μm, together with U-grooves and mechanical end-stop structures for readout optical fibers thus enabling easy-to-use and plug-and-play operation mode.

As to optofluidic applications, ECM-fabricated vertical HAR-PhCs were integrated into optofluidic microsystems (OFM) together with fluidic microchannels obtained by potassium hydroxide (KOH) etching. A sensitivity value of 1049 nm/RIU at 1.55 μm and limit of detection of 10-3 RIU are obtained. Moreover, we report the successful application of ECM technology to the realization of all-silicon OFMs in which HAR-PhCs are integrated by one-etching-step together with microfluidic reservoirs/channels and fiber grooves, for alignment/positioning of readout optical fibers in front of the PhC. Assessment of this OFM as refractive index sensor was also performed. High sensitivity of 670 nm/RIU at 1.55 μm and good limit of detection of about 10-3_{of PhC-OFMs were}

obtained.

As to 3D cell culture applications, we have demonstrated ECM-fabrication of in vitro 3D-microincubators featuring HAR Si-microstructures for mesenchymal cells culturing. In particular, the proposed microincubator selects mesenchymal cells that show the ability to grow in the gaps between two adjacent HAR silicon walls.

Finally, we have developed a novel technology for microstructuring polypyrrole (PPy) films based on light-activated PPy electrosynthesis on ECM-micromachined Si-substrates. Scanning electron microscopy highlights as light-activation allows a highly conformal polymer growth yielding a 3D-PPy structure perfectly replicating the Si microstructure.

Contents

Introduction 1

Chapter 1

Silicon bulk-microstructuring technology for high complex microsystems and microstructures fabrication: a review

1. Introduction 3

2. Wet anisotropic etching 4

2.1 Origin of silicon etching anisotropy in alkaline solutions 4

2.2 Geometrical features of wet-micromachined microstructures 5

2.3 Wet anisotropic etching of silicon: applications 7

2.4 Equipments for Wet Microstructuring 9

3. Dry etching 9

3.1 Dry: DRIE operation principle 10

3.2 Geometrical features of dry-etched microstructures 10

3.3 DRIE of silicon: applications 12

3.4 Equipments for dry (DRIE) microstructuring 15

4. ECM 16

4.1 Geometrical features of ECM-microstructures 16

4.2 Equipments for ECM 20

5. Laser Etching 21

Conclusions 22

Reference 22

Chapter 2 Optical Quality-Assessment of High-Order One-Dimensional Silicon Photonic Crystals With a Reflectivity Notch at λ ~1:55 μm 1. Introduction 27

2. Design and Fabrication 29

3. Spectral Reflectivity Measurements With High Spatial Resolution by PhC Scanning 31

4. Spectral Reflectivity Elaboration for the Assessment of Porosity

Variations 33

5. On-Sample and Sample-to-Sample Optical Feature Distribution 35

6. Conclusion 38

References 39

Chapter 3 All-silicon optical platform based on electrochemically micromachined high aspect-ratio vertical Silicon/Air Photonic Crystals: Design, Fabrication and Characterization 1. Introduction 43

2. 1DPhC-SiOP Design and Fabrication 48

3. 1DPhC-Si-OP Optical Characterization 51

4. Conclusions 59

5. Materials and Methods 59

6. References 61

Chapter 4 Investigation of cell culturing on high aspect-ratio, three-dimensional silicon microstructures 1. Introduction 63

2. Materials and Methods 66

3. Results and Discussion 70

4. Conclusions 75

5. References 76

Chapter 5 Integrated optofluidic microsystem based on vertical high-order one-dimensional silicon photonic crystals 1. Introduction 80

2. Design and Fabrication of the optofluidic microsystem 82

3. Evaluation of functionality 87

Chapter 6

Optofluidic Microsystems with Integrated Vertical One-Dimensional Photonic Crystals for Chemical Analysis

1. Introduction 96

2. PhC-OFM Design and Fabrication 99

3. PhC-OFM Operation and Characterization 108

3.1. Capillary action operation 109

3.2. Pressure-driven operation 113

4. Conclusion 115

5. Materials and Methods 116

6. References 121

Chapter 7 Highly conformal growth of microstructured polypyrrole films by electrosynthesis on micromachined silicon substrates 1. Introduction 124

2. Experimental 125

3. Results and Discussion 126

4. Conclusions 129

5. References 129