Name: photolithography for silicon wafer patterning
Uploaded: 2023-04-30T06:32:27.000Z
Duration: 7 min 44 s
Channel: JoVE

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La crescente necessità di dispositivi portatili con volumi di campioni estremamente piccoli ha guidato la miniaturizzazione dei dispositivi chiamati BioMEM. I bioMEM sono prodotti tramite microfabbricazione. Un processo di fabbricazione di strutture su microscala utilizzando la tecnologia dei semiconduttori. Una tecnica di microfabbricazione chiamata fotolitografia, viene spesso utilizzata per modellare modelli complessi su un substrato usando la luce. Questo video introdurrà il processo di fotolitografia, dimostrerà la tecnica in laboratorio e fornirà informazioni su alcune applicazioni in cui viene utilizzata la fotolitografia.
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I semiconduttori, vale a dire i wafer di silicio, sono tipicamente utilizzati come substrato nella micro-fabbricazione tramite fotolitografia. Per prima cosa il wafer viene pulito per rimuovere i contaminanti organici. Quindi uno strato di substrato si forma sopra. Ad esempio, il biossido di silicio si forma utilizzando l'ossidazione termica. Per iniziare la fotolitografia uno strato di una sostanza viscosa reattiva ai raggi UV, chiamata fotoresist, viene rivestito a rotazione a uno spessore uniforme sul substrato. Il substrato rivestito di fotoresiste viene quindi esposto a un'intensa luce UV, attraverso uno stencil con motivi di precisione chiamato fotomaschera. Esistono due tipi di fotoresist; la prima resistenza positiva diventa solubile dopo l'esposizione alla luce UV. Al contrario, le regioni esposte di resistenza negativa diventano reticolate e sono insolubili. La parte solubile del fotoresist viene quindi rimossa utilizzando una soluzione di sviluppo. Lasciando dietro di sé fotoresiste modellati e regioni di substrato esposte. Il modello viene quindi inciso nello strato di biossido di silicio esposto. Una tecnica di incisione a secco chiamata incisione ionica reattiva utilizza plasma chimicamente reattivo per rimuovere il materiale depositato sul wafer. In alternativa, un'incisione a umido, come l'acido fluoridrico, può essere utilizzata per incidere il biossido di silicio. La tecnica di incisione varierà a seconda del materiale in lavorazione. Infine, il fotoresist rimanente viene rimosso, lasciando una microstruttura di silicio modellata con precisione. Questa struttura può quindi essere utilizzata direttamente o come stampo per la fabbricazione di dispositivi elettronici e microfluidici. Ora che la procedura di base della fotolitografia è stata spiegata, diamo un'occhiata a come eseguire la procedura in un ambiente di camera bianca.
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Innanzitutto, la fotomaschera che verrà utilizzata per creare il modello è progettata e ordinata da un produttore. Quindi, il processo di fotolitografia viene eseguito in una camera bianca, che filtra regolarmente l'aria per ridurre al minimo la contaminazione da polvere. In primo luogo, uno strato di biossido di silicio si forma sulla superficie del wafer di silicio utilizzando l'ossidazione termica. Una volta che il wafer è ossidato, viene posizionato sul mandrino spin-coater. Photoresist viene versato al centro del wafer, fino a coprire la maggior parte della superficie del wafer. Il fotoresist viene quindi rivestito per creare un rivestimento uniforme e sottile. Successivamente, il wafer rivestito viene cotto dolcemente su una piastra riscaldatrice per evaporare qualsiasi solvente e solidificare il fotoresist. Il wafer viene caricato nell'allineatore maschera, contenente la fotomaschera specifica per il modello desiderato. Quindi, il wafer viene esposto alla luce UV attraverso la fotomaschera e quindi cotto duramente per impostare il fotoresist sviluppato. Le regioni solubili di photoresist vengono rimosse utilizzando una soluzione di sviluppo specifica per il tipo di fotoresist utilizzato. Infine, il wafer viene risciacquato e asciugato, lasciando il fotoresist modellato sul wafer.
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Dopo la fotolitografia, il modello viene inciso nello strato superiore di biossido di silicio, utilizzando l'incisione iolica reattiva profonda. Dopo l'incisione, il fotoresist rimanente viene rimosso immergendo il wafer in un appropriato rimozione fotoresist. Il wafer viene quindi risciacquato con isopropanolo e acetone e asciugato sotto azoto. Successivamente, viene preparata una soluzione detergente piranha per rimuovere i residui organici in eccesso. Piranha è una miscela di acido solforico concentrato e perossido di idrogeno. Questa soluzione deve essere utilizzata in una cappa approvata e ben ventilata con una formazione adeguata. Piranha è estremamente pericoloso e può essere esplosivo. Il wafer viene immerso nel piranha per diversi minuti e quindi risciacquato con acqua. Infine, il wafer viene risciacquato con acetone e metanolo e asciugato con azoto gassoso per lasciare la struttura pulita e finale.
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I modelli su microscala generati dalla fotolitografia vengono utilizzati per creare una vasta gamma di dispositivi BioMEM. Ad esempio, la fotolitografia può essere utilizzata per creare modelli metallici su un substrato, come un wafer di silicio o un vetrino. Invece di incidere via lo strato superiore del substrato, il metallo viene depositato sopra il modello di fotoresist usando il rivestimento sputter o l'evaporazione del metallo. In questo esempio, uno strato di adesione al cromo è rivestito su un vetrino, seguito da uno strato d'oro. Dopo la deposizione, i fotoresist vengono rimossi per esporre i motivi d'oro. I modelli aurei possono quindi essere utilizzati per l'assemblaggio controllato di cellule o come elettrodi per la bioelettronica. La fotolitografia può anche essere utilizzata per creare micro-modelli polimerici. Per questo, uno strato di polimero viene depositato sopra il wafer di silicio prima della fotolitografia. Come con gli strati di biossido di silicio sui wafer di silicio, il modello polimerico esposto dal fotoresist sviluppato viene inciso. Il fotoresist rimanente viene quindi rimosso per lasciare solo il polimero modellato. Il polimero modellato può essere utilizzato per indurre la crescita cellulare controllata, su o intorno alle isole polimeriche. Mentre la fotolitografia è limitata alla microscala, i modelli su scala nanometrica possono essere fabbricati utilizzando un fascio iometrico focalizzato o FIB. FIB utilizza un fascio di ioni per ablare o depositare materiali su una superficie in uno schema preciso. In questo esempio, gli elettrodi d'oro pre-modellati sono stati funzionalizzati con cristalli di molibdeno. Quindi, i ponti di platino su scala nanometrica sono stati depositati utilizzando FIB per collegare il cristallo all'elettrodo d'oro. Queste strutture possono quindi essere utilizzate per migliorare e miniaturizzare ulteriormente i dispositivi BioMEM.
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Hai appena visto l'introduzione di Jove alla microfabbricazione tramite fotolitografia. Ora dovresti capire il processo di fotolitografia di base, come viene eseguito in laboratorio e alcuni modi in cui la tecnica viene utilizzata nella fabbricazione di dispositivi BioMEM. Grazie per l'attenzione.
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microfabbricazione tramite fotolitografia

La fabbricazione di dispositivi BioMEM viene spesso eseguita utilizzando una tecnica di microfabbricazione chiamata fotolitografia. Questo metodo ampiamente utilizzato utilizza la luce per trasferire un modello su un wafer di silicio e fornisce la base per la fabbricazione di molti tipi di dispositivi BioMEM.
Questo video presenta la tecnica della fotolitografia, mostra come viene eseguito il processo nella camera bianca e introduce alcune applicazioni del processo.

Microfabbricazione tramite fotolitografia

The fabrication of BioMEM&#160;devices is often done using a microfabrication technique called photolithography. This widely used method utilizes light to ...

L'aumento della necessità di dispositivi portatili con volumi di campione estremamente piccoli ha guidato la miniaturizzazione di dispositivi chiamati BioMEM. I BioMEM sono prodotti tramite microfabbricazione. Un processo di fabbricazione di strutture su microscala utilizzando la tecnologia dei semiconduttori. Una tecnica di microfabbricazione chiamata fotolitografia, viene spesso utilizzata per modellare modelli complessi su un substrato utilizzando la luce. Questo video introdurrà il processo della fotolitografia, dimostrerà la tecnica in laboratorio e fornirà informazioni su alcune applicazioni in cui viene utilizzata la fotolitografia. I semiconduttori, in particolare i wafer di silicio, sono generalmente utilizzati come substrato nella microfabbricazione tramite fotolitografia. Innanzitutto, il wafer viene pulito per rimuovere i contaminanti organici. Quindi si forma uno strato di substrato sulla parte superiore. Ad esempio, il biossido di silicio si forma mediante ossidazione termica. Per iniziare la fotolitografia, uno strato di una sostanza viscosa e reattiva ai raggi UV, chiamato fotoresist, viene rivestito in spin fino a ottenere uno spessore uniforme sul substrato. Il substrato rivestito di fotoresist viene quindi esposto a un'intensa luce UV, attraverso uno stencil modellato con precisione chiamato fotomaschera. Esistono due tipi di fotoresist; il primo resist positivo diventa solubile dopo l'esposizione alla luce UV. Al contrario, le regioni esposte del resist negativo diventano reticolate e sono insolubili. La parte solubile del fotoresist viene quindi rimossa utilizzando una soluzione sviluppatrice. Lasciando dietro di sé il fotoresist modellato e le regioni di substrato esposte. Il modello viene quindi inciso nello strato di biossido di silicio esposto. Una tecnica di incisione a secco chiamata incisione ionica reattiva utilizza plasma chimicamente reattivo per rimuovere il materiale depositato sul wafer. In alternativa, è possibile utilizzare un'incisione a umido, come l'acido fluoridrico, per mordenzare il biossido di silicio. La tecnica di incisione varia a seconda del materiale da lavorare. Infine, il fotoresist rimanente viene rimosso, lasciando una microstruttura di silicio modellata con precisione. Questa struttura può quindi essere utilizzata direttamente o come stampo per la fabbricazione di dispositivi elettronici e microfluidici. Ora che la procedura di base della fotolitografia è stata spiegata, diamo un'occhiata a come eseguire la procedura in un ambiente di camera bianca. Innanzitutto, la fotomaschera che verrà utilizzata per creare il modello viene progettata e ordinata da un produttore. Quindi, il processo di fotolitografia viene eseguito in una camera bianca, che filtra regolarmente l'aria per ridurre al minimo la contaminazione da polvere. In primo luogo, si forma uno strato di biossido di silicio sulla superficie del wafer di silicio mediante ossidazione termica. Una volta ossidato, il wafer viene posizionato sul mandrino della centrifuga. Il fotoresist viene versato al centro del wafer, fino a coprire la maggior parte della superficie del wafer. Il fotoresist viene quindi rivestito in centrifuga per creare un rivestimento uniforme e sottile. Successivamente, il wafer rivestito viene cotto in modo morbido su una piastra riscaldante per far evaporare qualsiasi solvente e solidificare il fotoresist. Il wafer viene caricato nell'allineatore maschera, contenente la fotomaschera specifica per il modello desiderato. Quindi, il wafer viene esposto alla luce UV attraverso la fotomaschera e quindi cotto per impostare il fotoresist sviluppato. Le regioni solubili del fotoresist vengono rimosse utilizzando una soluzione di sviluppo specifica per il tipo di fotoresist utilizzato. Infine, il wafer viene risciacquato e asciugato, lasciando il fotoresist modellato sul wafer. Dopo la fotolitografia, il modello viene inciso nello strato superiore di biossido di silicio, utilizzando l'incisione ionica reattiva profonda. Dopo l'incisione, il fotoresist rimanente viene rimosso immergendo il wafer in un apposito dispositivo di rimozione del fotoresist. Il wafer viene quindi risciacquato con isopropanolo e acetone ed essiccato sotto azoto. Successivamente, viene preparata una soluzione detergente per piranha per rimuovere i residui organici in eccesso. Piranha è una miscela di acido solforico concentrato e perossido di idrogeno. Questa soluzione deve essere utilizzata in una cappa omologata, ben ventilata e con una formazione adeguata. Il piranha è estremamente pericoloso e può essere esplosivo. L'ostia viene immersa nel piranha per diversi minuti e poi risciacquata con acqua. Infine, il wafer viene risciacquato con acetone e metanolo e asciugato con azoto gassoso per lasciare la struttura finale pulita. I modelli su microscala generati dalla fotolitografia vengono utilizzati per creare un'ampia gamma di dispositivi BioMEM. Ad esempio, la fotolitografia può essere utilizzata per creare motivi metallici su un substrato, come un wafer di silicio o un vetrino. Invece di incidere lo strato superiore del substrato, il metallo viene depositato sopra il modello di fotoresist utilizzando il rivestimento sputter o l'evaporazione del metallo. In questo esempio, uno strato di adesione al cromo viene rivestito su un vetrino, seguito da uno strato d'oro. Dopo la deposizione, i fotoresist vengono rimossi per esporre i modelli d'oro. I modelli d'oro possono quindi essere utilizzati per l'assemblaggio controllato di celle o come elettrodi per la bioelettronica. La fotolitografia può essere utilizzata anche per creare micro-pattern polimerici. Per questo, uno strato di polimero viene depositato sopra il wafer di silicio prima della fotolitografia. Come per gli strati di biossido di silicio sui wafer di silicio, il modello polimerico esposto dal fotoresist sviluppato viene inciso. Il fotoresist rimanente viene quindi rimosso per lasciare solo il polimero modellato. Il polimero modellato può essere utilizzato per indurre una crescita cellulare controllata, sopra o intorno alle isole polimeriche. Mentre la fotolitografia è limitata alla microscala, i modelli su scala nanometrica possono essere fabbricati utilizzando un fascio ionico focalizzato, o FIB. La FIB utilizza un fascio di ioni per ablare o depositare materiali su una superficie secondo uno schema preciso. In questo esempio, gli elettrodi d'oro pre-modellati sono stati funzionalizzati con cristalli di molibdeno. Quindi, i ponti di platino su scala nanometrica sono stati depositati utilizzando FIB per collegare il cristallo all'elettrodo d'oro. Queste strutture possono quindi essere utilizzate per migliorare e miniaturizzare ulteriormente i dispositivi BioMEM. Hai appena visto l'introduzione di Giove alla microfabbricazione tramite fotolitografia. A questo punto è necessario comprendere il processo di fotolitografia di base, come viene eseguito in laboratorio e alcuni modi in cui la tecnica viene utilizzata nella fabbricazione di dispositivi BioMEM. Grazie per l'attenzione.

Education

Didattica

JoVE Science Education

Engineering

Ingegneria

Bioengineering

Bioingegneria

Microfabrication via Photolithography

photolithography for silicon wafer patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices.

The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

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overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Questa collezione tratta i concetti di bioingegneria di base, che includono la produzione di
biomateriali, colture di tessuti istotipici e di organi interi, tecniche di processamento biologico, e i campi complessi a livello sistemico di bioMEM e biorilevamento.

See how photolithography uses light to pattern a silicon wafer in a cleanroom and supports the fabrication of BioMEM devices and related applications.

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

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