Mikrofabrikation mittels Photolithographie

Microfabrication via Photolithography

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Bioengineering

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Microfabrication via Photolithography

1.3: Electrospinning of Silk Biomaterials

1.13: Overview of Tissue Engineering

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07:44 min

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April 30, 2023

Overview

Die Herstellung von BioMEMs Geräten geschieht oft mit einer Microfabrication Technik namens Photolithographie. Diese weit verbreitete Methode nutzt Licht, um ein Muster auf einem Silizium-Wafer übertragen und bildet die Grundlage für die Herstellung von vielen Gerätetypen BioMEMs.

Dieses Video präsentiert die Photolithographie-Technik, zeigt, wie der Prozess im Reinraum durchgeführt wird, und einige Anwendungen des Prozesses führt.

Procedure

Der gestiegenen Bedarf an tragbaren Geräten mit extrem kleinen Probenvolumina, trieb die Miniaturisierung der Geräte genannt BioMEMS. BioMEMS werden über Mikro-Fertigung produziert. Ein Prozess der Herstellung von Mikro-Strukturen mit Halbleiter-Technologie. Eine Mikro-Fertigung-Technik namens Photolithographie, wird oft verwendet, um Muster komplexe Muster auf einem Substrat mit Licht. Dieses Video wird einzuführen, den Prozess der Photolithographie, zeigen die Technik im Labor und geben einen Einblick in einige Anwendungen wo Fotolithografie verwendet wird.

Halbleiter, nämlich Silizium-Wafer, dienen in der Regel als Substrat in Mikro-Fabrikation über Photolithographie. Zuerst wird der Wafer gereinigt, um organische Verunreinigungen zu entfernen. Dann wird eine Substratschicht an der Spitze gebildet. Zum Beispiel ist Siliziumdioxid gebildet mit thermische Oxidation. Zunächst Photolithographie ist eine Schicht aus eine Viskose, UV reaktive Substanz, genannt Fotolack, Spin beschichtet, um eine einheitliche Stärke auf dem Substrat. Der Fotolack beschichtete Substrat ist dann intensive UV-Licht, durch eine präzise gemusterten Schablone namens eine Fotomaske ausgesetzt. Es gibt zwei Arten von Fotolack; erste positive Resist wird löslich bei Exposition gegenüber UV-Licht. Im Gegensatz dazu die exponierten Regionen der negativ-Resist werden vernetzt und sind unlöslich. Der lösliche Teil der Fotolack ist dann mit einer Entwicklerlösung entfernt. Hinterließ gemusterten Photoresist und gefährdeten Regionen Substrat. Das Muster wird dann in die exponierten Siliziumdioxid-Schicht geätzt. Eine trockene Radierung Technik namens reaktive Ionen Ätzen verwendet chemisch reaktive Plasma um Material abgelagert auf dem Wafer zu entfernen. Alternativ ein nass-Ätzen, wie z. B. Flusssäure Siliziumdioxid Ätzen verwendet werden kann. Die Technik der Radierung variieren je nach dem Material verarbeitet wird. Zu guter Letzt ist der restliche Fotolack entfernt, so dass eine präzise gemusterten Silizium Mikrostruktur. Diese Struktur kann dann direkt oder als eine Form für die Herstellung von elektronischen und Mikro-fluidischen Geräten verwendet werden. Jetzt, das grundlegende Verfahren der Photolithographie beschrieben hat, werfen Sie einen Blick an, wie man das Verfahren in einem Reinraum-Umgebung ausführen.

Erstens ist die Foto-Maske, die verwendet wird, um das Muster zu erstellen entworfen und von einem Hersteller bestellt. Dann erfolgt die Fotolithografie-Verfahren in einem Reinraum, die Luftfilter regelmäßig um die Staubbelastung zu minimieren. Erstens ist eine Siliziumdioxid-Schicht auf der Silizium-Wafer-Oberfläche mit thermische Oxidation gebildet. Sobald der Wafer oxidiert wird, wird er auf dem Spin Coater Futter gesetzt. Photoresist wird in der Mitte des Wafers, gegossen, bis die meisten der Wafer-Oberfläche abgedeckt. Dann ist der Fotolack, Spin-beschichtet, um eine gleichmäßige, dünne Beschichtung zu erstellen. Als nächstes ist die beschichtete Wafer weich gebacken auf einer Warmhalteplatte, Lösungsmittel verdunsten, und festigen den Fotolack. Der Wafer wird in der Maske-Aligner, mit der bestimmte Foto-Maske für das gewünschte Muster geladen. Dann ist der Wafer UV-Licht durch die Foto-Maske ausgesetzt und dann hart gebacken, um die entwickelten Photoresist festzulegen. Die löslichen Regionen von Fotolack werden mit einer Entwicklerlösung spezifisch für die Art der verwendeten Fotolack entfernt. Schließlich ist der Wafer gespült und getrocknet, verlassen die gemusterten Fotolack auf dem Wafer.

Nach Photolithographie ist das Muster in die oberste Schicht aus Siliziumdioxid, mit tief reaktive Ionen Ätzen geätzt. Nach dem Ätzen, wird der restliche Fotolack durch Einweichen des Wafers in einer geeigneten Fotolack-Entferner entfernt. Der Wafer ist dann mit Isopropanol und Aceton gespült und getrocknet unter Stickstoff. Als nächstes ist ein Piranha Reinigungs-Lösung bereit, überschüssige organische Rückstände zu entfernen. Piranha ist eine Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid. Diese Lösung muss in einem zugelassenen, gut belüfteten Haube mit der richtigen Ausbildung verwendet werden. Piranha ist extrem gefährlich und kann explosiv sein. Der Wafer ist eingetaucht in Piranha für einige Minuten, und dann mit Wasser abgespült. Schließlich wird der Wafer mit Aceton und Methanol abgespült und getrocknet mit Stickstoffgas, die saubere, endgültige Struktur zu verlassen.

Mikromaßstab Muster von Photolithographie generiert werden verwendet, um eine breite Palette von BioMEMS Geräten erstellen. Photolithographie ist beispielsweise einsetzbar, Metall Muster auf einem Untergrund, wie Silizium-Wafer oder Objektträger zu erstellen. Anstelle von Ätzen entfernt die oberste Schicht des Substrates, lagert sich Metall auf der Oberseite der Fotolack Muster mit Sputter-Beschichtung oder Metall Verdunstung. In diesem Beispiel ist eine Chromschicht Adhäsion auf einen Glasobjektträger, gefolgt von einer Goldschicht überzogen. Nach Absetzung wird die Photoresists entfernt, um die gold Muster verfügbar zu machen. Die gold-Muster können dann für die kontrollierte Montage von Zellen oder als Elektroden für die Bio-Elektronik verwendet werden. Photolithographie kann auch verwendet werden, um Polymer Mikro-Muster zu erstellen. Hierzu ist eine Schicht aus Polymer auf die Silizium-Wafer vor der Photolithographie hinterlegt. Wie ist mit Siliciumdioxid-Schichten auf Silizium-Wafer, das Polymer Muster ausgesetzt durch die entwickelten Photoresist weggeätzt. Die restlichen Photoresist wird dann entfernt, um nur das gemusterte Polymer zu verlassen. Gemusterte Polymer kann verwendet werden, um kontrolliertes Zellwachstum, am oder um den Polymer-Inseln zu induzieren. Während Photolithographie auf Mikro-Ebene beschränkt, nanoskaligen Muster können hergestellt werden, mit einem fokussierten Ionenstrahl oder FIB. FIB verwendet einen Strahl von Ionen, Abtragen oder Materialien auf einer Fläche in einem genauen Muster zu hinterlegen. In diesem Beispiel wurden vorab gemusterte goldene-Elektroden mit Molybdän-Kristallen funktionalisiert. Dann, nanoskaligen Platin Brücken mit FIB Verbindung des Kristalls zu gold Elektrode abgelagert wurden. Diese Strukturen können dann verwendet werden, um zu verbessern und weiter miniaturisiert BioMEMS Geräte.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Mikro-Fabrikation über Photolithographie beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die grundlegenden Photolithographie verarbeiten zu können, wie sie durchgeführt wird, im Labor und einige Möglichkeiten, wie die Technik in der Herstellung von BioMEMS Geräten verwendet wird. Danke fürs Zuschauen.

Transcript

The increased need for portable devices with extremely small sample volumes, has driven the miniaturization of devices called BioMEMs. BioMEMs are produced via microfabrication. A process of fabricating microscale structures using semiconductor technology. A microfabrication technique called photolithography, is often used to pattern complex patterns onto a substrate using light. This video will introduce the process of photolithography, demonstrate the technique in the laboratory, and provide insight into some applications where photolithography is used.

Semiconductors, namely silicon wafers, are typically used as the substrate in micro-fabrication via photolithography. First the wafer is cleaned to remove organic contaminants. Then a substrate layer is formed on top. For example, silicon dioxide is formed using thermal oxidation. To begin photolithography a layer of a viscous, UV-reactive substance, called photoresist, is spin coated to a uniform thickness on the substrate. The photoresist coated substrate is then exposed to intense UV light, through a precisely patterned stencil called a photomask. Two types of photoresist exist; first positive resist becomes soluble upon exposure to UV light. In contrast the exposed regions of negative resist become cross-linked and are insoluble. The soluble part of the photoresist is then removed using a developer solution. Leaving behind patterned photoresist and exposed substrate regions. The pattern is then etched into the exposed silicon dioxide layer. A dry etching technique called reactive ion etching uses chemically reactive plasma to remove material deposited on the wafer. Alternatively, a wet-etch, such as hydrofluoric acid can be used to etch silicon dioxide. The etching technique will vary depending on the material being processed. Finally, the remaining photoresist is removed, leaving a precisely patterned silicon microstructure. This structure can then be used directly, or as a mold for the fabrication of electronic and microfluidic devices. Now that the basic procedure of photolithography has been explained, let’s take a look at how to perform the procedure in a cleanroom environment.

First, the photomask that will be used to create the pattern is designed and ordered from a manufacturer. Then, the photolithography process is performed in a cleanroom, which routinely filters air in order to minimize dust contamination. First, a silicon dioxide layer is formed on the silicon wafer surface using thermal oxidation. Once the wafer is oxidized, it is placed on the spin-coater chuck. Photoresist is poured into the center of the wafer, until it covers most of the wafer’s surface. The photoresist is then spin-coated to create an even, thin coating. Next, the coated wafer is soft-baked on a hotplate to evaporate any solvent,and solidify the photoresist. The wafer is loaded into the mask-aligner, containing the specific photomask for the pattern desired. Then, the wafer is exposed to UV light through the photomask and then hard-baked to set the developed photoresist. The soluble regions of photoresist are removed using a developer solution specific to the type of photoresist used. Finally, the wafer is rinsed and dried, leaving the patterned photoresist on the wafer.

Following photolithography, the pattern is etched into the top layer of silicon dioxide, using deep reactive ion etching. After etching, the remaining photoresist is removed by soaking the wafer in an appropriate photoresist remover. The wafer is then rinsed with isopropanol and acetone and dried under nitrogen. Next, a piranha cleaning solution is prepared to remove excess organic residues. Piranha is a mixture of concentrated sulfuric acid, and hydrogen peroxide. This solution must be used in an approved, well ventilated hood with proper training. Piranha is extremely dangerous and can be explosive. The wafer is submerged in piranha for several minutes, and then rinsed with water. Finally, the wafer is rinsed with acetone and methanol and dried with nitrogen gas to leave the clean, final structure.

Microscale patterns generated by photolithography are used to create a wide range of BioMEM devices. For example, photolithography can be used to create metal patterns on a substrate, such as a silicon wafer, or glass slide. Instead of etching away the top layer of the substrate, metal is deposited on top of the photoresist pattern using sputter coating, or metal evaporation. In this example, a chromium adhesion layer is coated on a glass slide, followed by a gold layer. After deposition, the photoresists is removed to expose the gold patterns. The gold patterns can then be used for the controlled assembly of cells, or as electrodes for bioelectronics. Photolithography can also be used to create polymer micro-patterns. For this, a layer of polymer is deposited on top of the silicon wafer prior to photolithography. Like with the silicon dioxide layers on silicon wafers, the polymer pattern exposed by the developed photoresist is etched away. The remaining photoresist is then removed to leave only the patterned polymer. The patterned polymer can be used to induce controlled cell growth, on or around the polymer islands. While photolithography is limited to the microscale, nanoscale patterns can be fabricated using a focused ion beam, or FIB. FIB uses a beam of ions to ablate or deposit materials on a surface in a precise pattern. In this example, pre-patterned gold electrodes were functionalized with molybdenum crystals. Then, nano-scale platinum bridges were deposited using FIB to connect the crystal to the gold electrode. These structures can then be used to improve and further miniaturized BioMEM devices.

You’ve just watched Jove’s Introduction to Microfabrication via Photolithography. You should now understand the basic photolithography process, how it is performed in the laboratory, and some ways that the technique is used in the fabrication of BioMEM devices. Thanks for watching.

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