Microfabbricazione tramite fotolitografia

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.