Controllable arrangement of integrated obstacles in silicon microchannels etched in 25 wt % TMAH

Abstract

In this paper, fabrication of silicon microchannels with integrated obstacles by using 25 wt.% tetramethylammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution at the temperature of 80 C is presented and analysed. We studied basic island patterns, which present union of two symmetrical parallelograms with the sides along predetermined crystallographic directions <n10> (2<n<8) and <100>. Acute angles of the parallelograms were smaller than 45o. We have derived analytical relations for determining dimensions of the integrated obstacles. The developed etching technique provides reduction of the distance between the obstacles. Before the experiments, we performed simulations of pattern etching based on the level set method and presented evolution of the etched basic patterns for the predetermined crystallographic directions <n10>. Combination of basic patterns with sides along the <610> and <100> crystallographic directions is used to fabricate a matrix of two row of silicon obstacles in a microchannel. We obtained a good agreement between the experimental results and simulations. Our results enable simple and cost-effective fabrication of various complex microfluidic silicon platforms with integrated obstacles.

U ovom radu je prezentovana i analizirana izrada silicijumskih mikrokanala sa integrisanim preprekama u vodenom rastvoru 25 mas.% tetrametilamonijum hidroksida (TMAH) na temperaturi od 80 oC. Proučavani su osnovni oblici maski koji predstavljaju uniju dva simetrična ostrva u obliku paralelograma čije su stranice duž unapred određenih kristalografskih pravaca (2<n<8) i <100>. Oštri uglovi paralelograma su manji od 45˚. Izvedene su formule za izračunavanje dimenzija integrisanih prepreka. Razvijena je tehnika nagrizanja koja smanjuje rastojanje između prepreka. Pre eksperimenata izvršene su simulacije osnovnih oblika koje se baziraju na metodi implicitno definisanih nivoa (engl. level set method). Prezentovan je razvoj nagrizanih osnovnih oblika maski za unapred određene kristalografske pravce <n10>. Kombinacija osnovnih oblika maski čije su stranice duž kristalografskih pravaca <610> i <100> je iskorišćena za izradu dva reda matrice silicijumskih prepreka u mikrokanalu. Dobijeno je dobro slaganje između eksperimenata i simulacija. Dobijeni rezultati omogućavaju jednostavnu i jeftinu izradu različitih kompleksnih mikrofluidnih silicijumskih platformi sa integrisanim preprekama.