Microfabricación mediante Fotolitografía

La creciente necesidad de dispositivos portátiles con volúmenes de muestra extremadamente pequeños ha impulsado la miniaturización de dispositivos llamados BioMEMs. Los BioMEMs se producen a través de la microfabricación. Proceso de fabricación de estructuras a microescala utilizando tecnología de semiconductores. Una técnica de microfabricación llamada fotolitografía se utiliza a menudo para modelar patrones complejos en un sustrato utilizando la luz. Este video presentará el proceso de fotolitografía, demostrará la técnica en el laboratorio y proporcionará información sobre algunas aplicaciones en las que se utiliza la fotolitografía.

Los semiconductores, es decir, las obleas de silicio, se utilizan normalmente como sustrato en la microfabricación mediante fotolitografía. Primero se limpia la oblea para eliminar los contaminantes orgánicos. Luego se forma una capa de sustrato en la parte superior. Por ejemplo, el dióxido de silicio se forma mediante oxidación térmica. Para comenzar la fotolitografía, se recubre una capa de una sustancia viscosa reactiva a los rayos UV, llamada fotorresistencia, hasta obtener un grosor uniforme en el sustrato. A continuación, el sustrato recubierto de fotorresistencia se expone a una luz ultravioleta intensa, a través de una plantilla con un patrón preciso llamada fotomascarilla. Existen dos tipos de fotorresistencia; La primera resistencia positiva se vuelve soluble al exponerse a la luz ultravioleta. Por el contrario, las regiones expuestas de resistencia negativa se entrecruzan y son insolubles. A continuación, la parte soluble de la fotorresistencia se elimina con una solución reveladora. Dejando atrás las regiones de fotorresistencia estampadas y sustrato expuestas. A continuación, el patrón se graba en la capa de dióxido de silicio expuesta. Una técnica de grabado en seco llamada grabado iónico reactivo utiliza plasma químicamente reactivo para eliminar el material depositado en la oblea. Alternativamente, se puede usar un grabado húmedo, como el ácido fluorhídrico, para grabar dióxido de silicio. La técnica de grabado variará según el material que se procese. Finalmente, se elimina la fotorresistencia restante, dejando una microestructura de silicio con un patrón preciso. Esta estructura se puede utilizar directamente o como molde para la fabricación de dispositivos electrónicos y microfluídicos. Ahora que se ha explicado el procedimiento básico de la fotolitografía, echemos un vistazo a cómo realizar el procedimiento en un entorno de sala limpia.

En primer lugar, se diseña la fotomáscara que se utilizará para crear el patrón y se encarga a un fabricante. Luego, el proceso de fotolitografía se realiza en una sala limpia, que filtra el aire de forma rutinaria para minimizar la contaminación por polvo. Primero, se forma una capa de dióxido de silicio en la superficie de la oblea de silicio mediante oxidación térmica. Una vez que la oblea se oxida, se coloca en el mandril de centrifugación. La fotorresistencia se vierte en el centro de la oblea, hasta que cubre la mayor parte de la superficie de la oblea. A continuación, el fotorresistente se recubre por rotación para crear una capa uniforme y fina. A continuación, la oblea recubierta se hornea suavemente en una placa calefactora para evaporar cualquier solvente y solidificar la fotorresistencia. La oblea se carga en el alineador de mascarillas, conteniendo la fotomáscara específica para el patrón deseado. Luego, la oblea se expone a la luz ultravioleta a través de la fotomáscara y luego se hornea para establecer la fotorresistencia revelada. Las regiones solubles de la fotorresistencia se eliminan utilizando una solución reveladora específica para el tipo de fotorresistencia utilizada. Finalmente, la oblea se enjuaga y se seca, dejando la fotorresistencia estampada en la oblea.

Después de la fotolitografía, el patrón se graba en la capa superior de dióxido de silicio, utilizando un grabado iónico reactivo profundo. Después del grabado, la fotorresistencia restante se elimina remojando la oblea en un removedor de fotorresistencia adecuado. A continuación, la oblea se enjuaga con isopropanol y acetona y se seca con nitrógeno. A continuación, se prepara una solución limpiadora de pirañas para eliminar el exceso de residuos orgánicos. La piraña es una mezcla de ácido sulfúrico concentrado y peróxido de hidrógeno. Esta solución debe usarse en una campana aprobada, bien ventilada y con la capacitación adecuada. La piraña es extremadamente peligrosa y puede ser explosiva. La oblea se sumerge en piraña durante varios minutos y luego se enjuaga con agua. Finalmente, la oblea se enjuaga con acetona y metanol y se seca con gas nitrógeno para dejar la estructura final limpia.

Los patrones a microescala generados por fotolitografía se utilizan para crear una amplia gama de dispositivos BioMEM. Por ejemplo, la fotolitografía se puede utilizar para crear patrones metálicos en un sustrato, como una oblea de silicona o un portaobjetos de vidrio. En lugar de grabar la capa superior del sustrato, el metal se deposita sobre el patrón fotorresistente mediante un recubrimiento de pulverización catódica o evaporación del metal. En este ejemplo, se recubre una capa de adherencia de cromo sobre un portaobjetos de vidrio, seguida de una capa de oro. Después de la deposición, se retiran las fotorresistencias para exponer los patrones dorados. Los patrones de oro se pueden utilizar para el ensamblaje controlado de células, o como electrodos para la bioelectrónica. La fotolitografía también se puede utilizar para crear micropatrones de polímeros. Para ello, se deposita una capa de polímero sobre la oblea de silicio antes de la fotolitografía. Al igual que con las capas de dióxido de silicio en las obleas de silicio, el patrón de polímero expuesto por el fotorresistente desarrollado se graba. A continuación, se retira el fotorresistente restante para dejar solo el polímero estampado. El polímero estampado se puede utilizar para inducir el crecimiento celular controlado, en o alrededor de las islas de polímero. Mientras que la fotolitografía se limita a la microescala, los patrones a nanoescala se pueden fabricar utilizando un haz de iones enfocado, o FIB. FIB utiliza un haz de iones para ablacionar o depositar materiales en una superficie en un patrón preciso. En este ejemplo, los electrodos de oro premodelados se funcionalizaron con cristales de molibdeno. A continuación, se depositaron puentes de platino a nanoescala utilizando FIB para conectar el cristal al electrodo de oro. Estas estructuras se pueden utilizar para mejorar y miniaturizar aún más los dispositivos BioMEM.

Acabas de ver la Introducción a la Microfabricación a través de la Fotolitografía de Jove. Ahora debe comprender el proceso básico de fotolitografía, cómo se realiza en el laboratorio y algunas formas en que se utiliza la técnica en la fabricación de dispositivos BioMEM. Gracias por mirar.