Microfabbricazione tramite fotolitografia

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.

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.

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.

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.

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.

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.