Mikrofabrikation mittels Photolithographie

Der gestiegene Bedarf an tragbaren Geräten mit extrem kleinen Probenvolumina hat die Miniaturisierung von Geräten, die als BioMEMs bezeichnet werden, vorangetrieben. BioMEMs werden mittels Mikrofabrikation hergestellt. Ein Verfahren zur Herstellung von mikroskaligen Strukturen mit Hilfe der Halbleitertechnologie. Eine Mikrofabrikationstechnik namens Photolithographie wird häufig verwendet, um komplexe Muster mit Hilfe von Licht auf ein Substrat zu bringen. In diesem Video wird der Prozess der Photolithographie vorgestellt, die Technik im Labor demonstriert und ein Einblick in einige Anwendungen gegeben, bei denen die Photolithographie zum Einsatz kommt.

Halbleiter, nämlich Siliziumwafer, werden typischerweise als Substrat in der Mikrofabrikation mittels Photolithographie verwendet. Zuerst wird der Wafer gereinigt, um organische Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend bildet sich darauf eine Substratschicht. Siliziumdioxid wird zum Beispiel durch thermische Oxidation gebildet. Um mit der Photolithographie zu beginnen, wird eine Schicht einer viskosen, UV-reaktiven Substanz, Photolack genannt, auf dem Substrat mit einer gleichmäßigen Dicke geschleudert. Das mit Fotolack beschichtete Substrat wird dann durch eine präzise gemusterte Schablone, die als Fotomaske bezeichnet wird, intensivem UV-Licht ausgesetzt. Es gibt zwei Arten von Fotolacken; Der erste Positivlack wird löslich, wenn er UV-Licht ausgesetzt wird. Im Gegensatz dazu werden die freigelegten Bereiche des negativen Resists vernetzt und sind unlöslich. Der lösliche Teil des Fotolacks wird dann mit einer Entwicklerlösung entfernt. Hinterlassen Sie gemusterten Fotolack und belichtete Substratbereiche. Das Muster wird dann in die freiliegende Siliziumdioxidschicht geätzt. Eine Trockenätztechnik, die als reaktives Ionenätzen bezeichnet wird, verwendet chemisch reaktives Plasma, um auf dem Wafer abgelagertes Material zu entfernen. Alternativ kann ein Nassätzmittel, wie z. B. Flusssäure, zum Ätzen von Siliziumdioxid verwendet werden. Die Ätztechnik variiert je nach dem zu verarbeitenden Material. Schließlich wird der verbleibende Fotolack entfernt, so dass eine präzise strukturierte Silizium-Mikrostruktur zurückbleibt. Diese Struktur kann dann direkt oder als Form für die Herstellung von elektronischen und mikrofluidischen Geräten verwendet werden. Nachdem nun das grundlegende Verfahren der Photolithographie erklärt wurde, werfen wir einen Blick darauf, wie das Verfahren in einer Reinraumumgebung durchgeführt wird.

Zuerst wird die Fotomaske, die zur Erstellung des Musters verwendet wird, entworfen und bei einem Hersteller bestellt. Anschließend wird der Photolithographie-Prozess in einem Reinraum durchgeführt, in dem die Luft routinemäßig gefiltert wird, um die Staubkontamination zu minimieren. Zunächst wird durch thermische Oxidation eine Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers gebildet. Sobald der Wafer oxidiert ist, wird er auf das Spin-Coater-Futter gelegt. Der Fotolack wird in die Mitte des Wafers gegossen, bis er den größten Teil der Oberfläche des Wafers bedeckt. Der Fotolack wird dann geschleudert, um eine gleichmäßige, dünne Beschichtung zu erzeugen. Als nächstes wird der beschichtete Wafer auf einer Heizplatte weich eingebrannt, um jegliches Lösungsmittel zu verdampfen und den Fotolack zu verfestigen. Der Wafer wird in den Masken-Aligner geladen, der die spezifische Fotomaske für das gewünschte Muster enthält. Dann wird der Wafer durch die Fotomaske mit UV-Licht belichtet und dann fest gebrannt, um den entwickelten Fotolack zu fixieren. Die löslichen Bereiche des Fotolacks werden mit einer Entwicklerlösung entfernt, die für die Art des verwendeten Fotolacks spezifisch ist. Schließlich wird der Wafer gespült und getrocknet, wobei der strukturierte Fotolack auf dem Wafer verbleibt.

Nach der Fotolithographie wird das Muster in die oberste Schicht aus Siliziumdioxid geätzt, wobei tiefes reaktives Ionenätzen verwendet wird. Nach dem Ätzen wird der restliche Fotolack entfernt, indem der Wafer in einem geeigneten Fotolackentferner eingeweicht wird. Anschließend wird der Wafer mit Isopropanol und Aceton gespült und unter Stickstoff getrocknet. Als nächstes wird eine Piranha-Reinigungslösung hergestellt, um überschüssige organische Rückstände zu entfernen. Piranha ist eine Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid. Diese Lösung muss in einer zugelassenen, gut belüfteten Haube mit entsprechender Schulung verwendet werden. Piranhas sind extrem gefährlich und können explosiv sein. Die Waffel wird einige Minuten lang in Piranhas getaucht und dann mit Wasser abgespült. Schließlich wird der Wafer mit Aceton und Methanol gespült und mit Stickstoffgas getrocknet, um die saubere, endgültige Struktur zu hinterlassen.

Mikroskalige Muster, die durch Photolithographie erzeugt werden, werden verwendet, um eine breite Palette von BioMEM-Geräten herzustellen. Die Fotolithographie kann beispielsweise verwendet werden, um Metallmuster auf einem Substrat wie einem Siliziumwafer oder einem Objektträger zu erzeugen. Anstatt die oberste Schicht des Substrats wegzuätzen, wird Metall mittels Sputterbeschichtung oder Metallverdampfung auf das Fotolackmuster aufgebracht. In diesem Beispiel wird eine Chrom-Adhäsionsschicht auf einen Objektträger aufgebracht, gefolgt von einer Goldschicht. Nach der Abscheidung werden die Fotolacke entfernt, um die Goldmuster freizulegen. Die Goldmuster können dann für den kontrollierten Zusammenbau von Zellen oder als Elektroden für die Bioelektronik verwendet werden. Die Photolithographie kann auch verwendet werden, um Polymer-Mikromuster zu erzeugen. Dazu wird vor der Photolithographie eine Polymerschicht auf den Siliziumwafer aufgebracht. Wie bei den Siliziumdioxid-Schichten auf Siliziumwafern wird das Polymermuster, das durch den entwickelten Fotolack belichtet wird, weggeätzt. Der verbleibende Fotolack wird dann entfernt, so dass nur das strukturierte Polymer übrig bleibt. Das gemusterte Polymer kann verwendet werden, um ein kontrolliertes Zellwachstum auf oder um die Polymerinseln herum zu induzieren. Während die Photolithographie auf den Mikrobereich beschränkt ist, können nanoskalige Muster mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) hergestellt werden. FIB verwendet einen Ionenstrahl, um Materialien auf einer Oberfläche in einem präzisen Muster abzutragen oder abzuscheiden. In diesem Beispiel wurden vorstrukturierte Goldelektroden mit Molybdänkristallen funktionalisiert. Dann wurden nanoskalige Platinbrücken mit FIB abgeschieden, um den Kristall mit der Goldelektrode zu verbinden. Diese Strukturen können dann genutzt werden, um BioMEM-Geräte zu verbessern und weiter zu miniaturisieren.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Mikrofabrikation mittels Fotolithografie gesehen. Sie sollten nun den grundlegenden Photolithographie-Prozess verstehen, wie er im Labor durchgeführt wird und wie die Technik bei der Herstellung von BioMEM-Geräten eingesetzt wird. Danke fürs Zuschauen.