Microfabrication via photolithographie

Le besoin accru d’appareils portables avec des volumes d’échantillons extrêmement petits a conduit à la miniaturisation des appareils appelés BioMEM. Les BioMEMs sont produits par microfabrication. Procédé de fabrication de structures à l’échelle microscopique à l’aide de la technologie des semi-conducteurs. Une technique de microfabrication, appelée photolithographie, est souvent utilisée pour modeler des motifs complexes sur un substrat à l’aide de la lumière. Cette vidéo présentera le processus de photolithographie, démontrera la technique en laboratoire et donnera un aperçu de certaines applications où la photolithographie est utilisée.

Les semi-conducteurs, à savoir les plaquettes de silicium, sont généralement utilisés comme substrat dans la microfabrication par photolithographie. Tout d’abord, la plaquette est nettoyée pour éliminer les contaminants organiques. Ensuite, une couche de substrat se forme sur le dessus. Par exemple, le dioxyde de silicium se forme par oxydation thermique. Pour commencer la photolithographie, une couche d’une substance visqueuse réactive aux UV, appelée résine photosensible, est recouverte d’un revêtement par centrifugation sur une épaisseur uniforme sur le substrat. Le substrat recouvert d’une résine photosensible est ensuite exposé à une lumière UV intense, à travers un pochoir à motifs précis appelé photomasque. Il existe deux types de photorésine ; la première réserve positive devient soluble lors de l’exposition à la lumière UV. En revanche, les régions exposées de la résine négative deviennent réticulées et sont insolubles. La partie soluble de la résine photosensible est ensuite éliminée à l’aide d’une solution de révélateur. Laissant derrière nous des photorésines à motifs et des régions de substrat exposées. Le motif est ensuite gravé dans la couche de dioxyde de silicium exposée. Une technique de gravure à sec appelée gravure ionique réactive utilise du plasma chimiquement réactif pour éliminer la matière déposée sur la plaquette. Alternativement, une gravure humide, telle que l’acide fluorhydrique, peut être utilisée pour graver le dioxyde de silicium. La technique de gravure variera en fonction du matériau traité. Enfin, la résine photosensible restante est éliminée, laissant une microstructure de silicium aux motifs précis. Cette structure peut ensuite être utilisée directement, ou comme moule pour la fabrication de dispositifs électroniques et microfluidiques. Maintenant que la procédure de base de la photolithographie a été expliquée, voyons comment effectuer la procédure dans un environnement de salle blanche.

Tout d’abord, le photomasque qui sera utilisé pour créer le motif est conçu et commandé auprès d’un fabricant. Ensuite, le processus de photolithographie est effectué dans une salle blanche, qui filtre régulièrement l’air afin de minimiser la contamination par la poussière. Tout d’abord, une couche de dioxyde de silicium se forme à la surface de la plaquette de silicium par oxydation thermique. Une fois la plaquette oxydée, elle est placée sur le mandrin de la spin-coater. La résine photosensible est versée au centre de la plaquette, jusqu’à ce qu’elle recouvre la majeure partie de la surface de la plaquette. La résine photosensible est ensuite recouverte d’un revêtement par centrifugation pour créer un revêtement mince et uniforme. Ensuite, la plaquette enrobée est cuite doucement sur une plaque chauffante pour évaporer tout solvant et solidifier la résine photosensible. La plaquette est chargée dans l’aligneur de masques, contenant le photomasque spécifique pour le motif souhaité. Ensuite, la plaquette est exposée à la lumière UV à travers le photomasque, puis cuite dur pour fixer la résine photosensible développée. Les régions solubles de la résine photosensible sont éliminées à l’aide d’une solution de révélateur spécifique au type de résine photosensible utilisé. Enfin, la plaquette est rincée et séchée, laissant la photorésine à motifs sur la plaquette.

Après la photolithographie, le motif est gravé dans la couche supérieure de dioxyde de silicium, à l’aide d’une gravure ionique réactive profonde. Après la gravure, la résine photosensible restante est éliminée en trempant la plaquette dans un dissolvant de résine photosensible approprié. La plaquette est ensuite rincée à l’isopropanol et à l’acétone et séchée sous azote. Ensuite, une solution de nettoyage pour piranha est préparée pour éliminer l’excès de résidus organiques. Le piranha est un mélange d’acide sulfurique concentré et de peroxyde d’hydrogène. Cette solution doit être utilisée dans une hotte approuvée et bien ventilée avec une formation appropriée. Le piranha est extrêmement dangereux et peut être explosif. La plaquette est immergée dans le piranha pendant plusieurs minutes, puis rincée à l’eau. Enfin, la plaquette est rincée à l’acétone et au méthanol et séchée avec de l’azote gazeux pour laisser la structure finale propre.

Des motifs à l’échelle microscopique générés par photolithographie sont utilisés pour créer une large gamme de dispositifs BioMEM. Par exemple, la photolithographie peut être utilisée pour créer des motifs métalliques sur un substrat, tel qu’une plaquette de silicium ou une lame de verre. Au lieu de graver la couche supérieure du substrat, le métal est déposé sur le motif photosensible à l’aide d’un revêtement par pulvérisation cathodique ou d’une évaporation du métal. Dans cet exemple, une couche d’adhérence au chrome est recouverte d’une lame de verre, suivie d’une couche d’or. Après le dépôt, les résines photosensibles sont retirées pour exposer les motifs dorés. Les motifs dorés peuvent ensuite être utilisés pour l’assemblage contrôlé de cellules, ou comme électrodes pour la bioélectronique. La photolithographie peut également être utilisée pour créer des micro-motifs polymères. Pour cela, une couche de polymère est déposée sur la plaquette de silicium avant la photolithographie. Comme pour les couches de dioxyde de silicium sur les plaquettes de silicium, le motif polymère exposé par la résine photosensible développée est gravé. La résine photosensible restante est ensuite retirée pour ne laisser que le polymère à motifs. Le polymère à motifs peut être utilisé pour induire une croissance cellulaire contrôlée, sur ou autour des îlots de polymère. Alors que la photolithographie est limitée à l’échelle microscopique, des motifs à l’échelle nanométrique peuvent être fabriqués à l’aide d’un faisceau d’ions focalisés, ou FIB. La FIB utilise un faisceau d’ions pour ablater ou déposer des matériaux sur une surface selon un motif précis. Dans cet exemple, des électrodes en or pré-structurées ont été fonctionnalisées avec des cristaux de molybdène. Ensuite, des ponts de platine à l’échelle nanométrique ont été déposés à l’aide de FIB pour relier le cristal à l’électrode d’or. Ces structures peuvent ensuite être utilisées pour améliorer et miniaturiser davantage les dispositifs BioMEM.

Vous venez de regarder l’Introduction de Jupiter à la microfabrication par photolithographie. Vous devez maintenant comprendre le processus de base de la photolithographie, comment il est effectué en laboratoire et certaines façons dont la technique est utilisée dans la fabrication des appareils BioMEM. Merci d’avoir regardé.