通过光刻技术进行微加工

对能够处理极小样本体积的便携式设备日益增长的需求，推动了被称为生物微机电系统（BioMEMs）的设备微型化发展。BioMEMs 通过微加工技术制造，该技术利用半导体工艺来构建微米尺度的结构。一种名为光刻技术的微加工方法，常被用来通过光照在基底上形成复杂的图形。本视频将介绍光刻技术的原理，在实验室中演示该技术的操作过程，并展示光刻技术在若干应用领域中的实际用途。

半导体，特别是硅晶圆，通常在光刻微加工中用作基底材料。首先，晶圆需经过清洗以去除有机污染物。随后在表面形成一层基底材料，例如通过热氧化法生成二氧化硅层。光刻过程开始时，将一层黏稠且对紫外光敏感的物质——光刻胶，通过旋转涂布的方式均匀地覆盖在基底上。接着，将涂有光刻胶的基底通过一个精确设计图案的模板（称为光掩模）暴露于强紫外光下。光刻胶分为两种类型：正性光刻胶在紫外光照射后变得可溶；而负性光刻胶则在曝光区域发生交联，从而变得不溶。随后使用显影液去除可溶部分的光刻胶，留下具有特定图案的光刻胶以及暴露出来的基底区域。接下来，将该图案刻蚀到暴露的二氧化硅层中。一种称为反应离子刻蚀的干法刻蚀技术利用化学活性等离子体去除沉积在晶圆上的材料；或者也可采用湿法刻蚀，例如使用氢氟酸来刻蚀二氧化硅。所采用的刻蚀技术取决于待处理材料的性质。最后，去除剩余的光刻胶，留下精确图案化的硅微结构。该结构可直接使用，也可作为制造电子器件和微流控器件的模具。在已了解光刻基本流程之后，接下来让我们看看如何在洁净室环境中实际操作这一过程。

首先，设计用于创建图案的光掩模，并从制造商处订购。然后，在洁净室中进行光刻工艺，洁净室会定期过滤空气，以最大限度地减少灰尘污染。首先，通过热氧化在硅晶圆表面形成一层二氧化硅。晶圆氧化后，将其放置在旋涂机的卡盘上。将光刻胶倒入晶圆中心，直至覆盖晶圆大部分表面。随后对光刻胶进行旋涂 ，形成均匀且 薄的涂层。接下来，将涂覆好的晶圆放在热板上进行前烘 ，以蒸发残留溶剂并固化光刻胶。将晶圆装入掩模对准器中，其中包含所需图案对应的特定光掩模。然后，通过光掩模对晶圆进行紫外光曝光，再进行后烘以固定已显影的光刻胶。使用与所用光刻胶类型相匹配的显影液去除可溶性区域的光刻胶。最后，将晶圆冲洗并干燥，使图案化的光刻胶保留在晶圆上。

光刻完成后，使用深反应离子刻蚀技术将图案刻蚀到二氧化硅顶层。刻蚀后，将晶圆浸泡在适当的光刻胶去除剂中以去除残留的光刻胶。随后用异丙醇和丙酮冲洗晶圆，并在氮气下吹干。接下来，配制piranha清洗液以去除多余的有机残留物。piranha溶液是浓硫酸和过氧化氢的混合物。该溶液必须在经过认证且通风良好的通风橱中，并在经过适当培训后使用。piranha溶液极其危险，可能引发爆炸。将晶圆浸入piranha溶液中数分钟，然后用水冲洗。最后，用丙酮和甲醇冲洗晶圆，并用氮气吹干，得到洁净的最终结构。

通过光刻技术生成的微米级图案被用于制造各种生物微机电系统（BioMEM ）器件。例如，光刻可用于在基底（如硅晶圆或玻璃载片）上形成金属图案。该方法并非蚀刻去除基底的顶层，而是在光刻胶图案上通过溅射镀膜或金属蒸发的方式沉积金属。在此示例中，先在玻璃载片上涂覆一层铬作为粘附层，随后再沉积一层金。沉积完成后，去除光刻胶以暴露出金图案。这些金图案可用于实现细胞的可控组装，或作为生物电子器件中的电极。光刻技术也可用于制造聚合物微米图案。在此类应用中，需在光刻前先在硅晶圆表面沉积一层聚合物。与硅晶圆上的二氧化硅层类似，经显影后暴露的聚合物区域将被蚀刻去除，随后清除残留的光刻胶，仅留下图案化的聚合物结构。这些图案化的聚合物可用于诱导细胞在聚合物岛内部或周围进行可控生长。尽管光刻技术主要限于微米尺度，但纳米尺度的图案可通过聚焦离子束（FIB）技术实现。FIB利用离子束在表面精确地进行材料的去除或沉积，从而形成特定图案。在此示例中，预先图案化的金电极被功能化修饰上钼晶体，随后利用FIB沉积纳米尺度的铂桥，将晶体与金电极连接。这些结构可用于提升生物微机电系统（BioMEM ）器件的性能并进一步实现其微型化。

您刚刚观看了 JoVE 关于通过光刻技术进行微加工的简介。现在，您应该理解了光刻的基本流程、其在实验室中的操作方法，以及该技术在生物微机电系统（BioMEM devices）制造中的一些应用。感谢观看。