Electrowetting with Atomic Layer Deposition (EWALD)
Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Final Report Abstract
Das Projekt „EWALD“ hatte zum Ziel, die hydrophoben Eigenschaften von mikrostrukturierten Oberflächen auf Silizium-Substraten in Verbindung mit leitfähigen Tropfen zu untersuchen, um die Steuerung der Benetzung zu ermöglichen. Die Benetzung von Oberflächen ist abhängig vom gewählten System, welches in dieser Arbeit aus einer PBS-Lösung in Luftumgebung auf einer Festkörperoberfläche besteht. Hierbei beeinflusst die Strukturierung der Festkörperoberfläche dessen Benetzbarkeit stark, wobei die Prozessierung der Mikrostrukturierung durch die Fotolithografie in einem Post-CMOS-Prozess durch die Opferschichttechnik und die ALD-Technologie erfolgte. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass die analytisch berechneten Werte der Kontaktwinkel in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten sind und es zeigte sich eine Abhängigkeit der Hydrophobie von der Dichte der Mikrostrukturen. Mit abnehmender Dichte der Mikrostrukturanordnung steigt der Kontaktwinkel bis zu einem kritischen Winkel an, wobei bei noch größeren Abständen zwischen den Mikrostrukturen der Kontaktwinkel wieder abnimmt. Des Weiteren wurde die Kontaktwinkelhysterese unter variierter Dichte an Mikrostrukturen untersucht, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit der Literatur zeigt. Durch die Abscheidung einer zusätzlichen hydrophoben Beschichtung konnte der Kontaktwinkel dieser mikrostrukturierten Oberfläche noch weiter erhöht werden. Außerdem wurde Silikon-Öl als zusätzliches Gleitmittel auf der Oberfläche genutzt, wobei die Kontaktwinkelhysterese und damit verbunden auch der Abrollwinkel zwar abnahm. Jedoch sank dadurch auch der statische Kontaktwinkel und wirkte somit nachteilig auf die Erhöhung des Kontaktwinkels durch die Oberflächenstrukturen. Zur Untersuchung der Änderung des Kontaktwinkels unter Einfluss eines elektrischen Feldes wurden Chips entworfen und mittels der entwickelten Simulationsmethode simuliert und prozessiert. Für eine elektrische Steuerung der Benetzung ist eine Oberfläche mit eingebetteten Elektroden notwendig. Hierzu wurden mit der CMOS-Technik integrierte Leiterbahnen prozessiert, welche mit elektrisch leitfähigen ALD-Mikrostrukturen elektrisch kontaktiert wurden. Da beim Electrowetting die Steuerspannung abhängig von der Schichtdicke des Isolators ist, wurde mit Hilfe der ALD-Technologie freistehende Mikrostrukturen mit Schichtdicken im nm-Bereich prozessiert. Die elektrische Verringerung des Kontaktwinkels durch ein elektrisches Feld konnte sowohl simulativ als auch experimentell bestätigt werden. Jedoch fiel bei strukturierten Oberflächen die Änderung des Kontaktwinkels geringer aus als auf unstrukturierten, planaren Oberflächen. Trotz guter elektrischer Eigenschaften des Isolators konnte auf strukturierten Oberflächen keine Verbesserung erreicht werden, sodass eine eventuelle mechanische Ursache wie das Haften der Tropfenkontur an den Mikrostrukturen nicht ausgeschlossen werden konnte. Hierzu bedarf es an einer geeigneten Optik, welche die Grenzfläche des Tropfens mit den Mikrostrukturen untersucht. Für den Demonstrator-Aufbau wurde eine Sensorchip mit modifizierter Oberfläche entworfen und prozessiert. Zur optischen Charakterisierung der Benetzung wurde die Hard- und Software entwickelt. Die Funktionsfähigkeit des Demonstratorchips konnte nachgewiesen werden. Hinzuzufügen ist, dass die Ergebnisse aufgrund der geringen Kontaktwinkeländerung Optimierungsbedarf bieten. Am Lehrstuhl EBS wird die Erstellung des Demonstratorchips auch nach dem Ende des rojektes „EWALD“ weiterverfolgt.
Publications
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„Decreasing the Actuation Voltage in Electrowetting on Dielectric With Thin and Micro-Structured Dielectric,“ in 2018 14th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), pp. 205-208, 2018
S. Türk, E. Verheyen, R. Viga, S. Allani, A. Jupe, H. Vogt
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„Diamond like carbon as a hydrophobic material for electrowetting,“ in 3rd YRA MedTech Symposium "Young Researchers Academy MedTech in NRW", pp. 47-48, 2019
S. Türk, R. Viga, H. Vogt
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„Mikrostrukturierung für super-hydrophobe Oberflächen in Electrowetting,“ in Mikrosystemtechnik-Kongress (MST), pp. 762-765, 2019
S. Türk, A. Jupe, R. Viga, H. Vogt
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„Optimization of the dielectric layer for electrowetting on dielectric,“ in Integration: The VLSI journal, vol. 67, pp. 50 – 59, 2019
S. Türk, A. Schug, R. Viga, A. Jupe, H. Vogt
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„Analysis and simulation of super-hydrophobic layers for micro-fluidic applications,” in 7. GMM-Workshop Mikro-Nano-Integration, pp. 33-37, 2018
S. Türk, A. Jupe, R. Viga, H. Vogt
