フォトリソグラフィによる微細加工

サンプル量が非常に少ないポータブルデバイスのニーズが高まっているため、BioMEMと呼ばれるデバイスの小型化が進んでいます。BioMEMは、マイクロファブリケーションによって製造されます。半導体技術を用いてマイクロスケールの構造体を作製するプロセス。フォトリソグラフィーと呼ばれる微細加工技術は、光を使用して基板上に複雑なパターンをパターン化するためによく使用されます。このビデオでは、フォトリソグラフィーのプロセスを紹介し、実験室での技術を実演し、フォトリソグラフィーが使用されるいくつかのアプリケーションについての洞察を提供します。

半導体、すなわちシリコンウェーハは、通常、フォトリソグラフィーによる微細加工の基板として使用されます。まず、ウェーハを洗浄して有機汚染物質を除去します。次に、基板層が上部に形成されます。例えば、二酸化ケイ素は熱酸化を用いて形成される。フォトリソグラフィーを開始するには、フォトレジストと呼ばれる粘性のあるUV反応性物質の層を、基板上に均一な厚さにスピンコーティングします。次に、フォトレジストコーティングされた基板は、フォトマスクと呼ばれる正確にパターン化されたステンシルを介して、強い紫外線にさらされます。フォトレジストには2つのタイプがあります。まず、ポジ型レジストは紫外線にさらされると可溶性になります。対照的に、ネガティブレジストの露出領域は架橋され、不溶性です。次に、フォトレジストの可溶性部分を現像液を使用して除去します。パターン化されたフォトレジストと露出した基板領域を残します。次に、パターンを露出した二酸化ケイ素層にエッチングします。反応性イオンエッチングと呼ばれるドライエッチング技術は、化学的に反応性のあるプラズマを使用して、ウェーハ上に堆積した材料を除去します。あるいは、フッ化水素酸などのウェットエッチングを使用して、二酸化ケイ素をエッチングすることもできます。エッチング技術は、加工する材料によって異なります。最後に、残りのフォトレジストが除去され、正確にパターン化されたシリコン微細構造が残ります。この構造は、直接使用することも、電子デバイスやマイクロ流体デバイスの製造用の金型として使用することもできます。フォトリソグラフィーの基本的な手順を説明してきたところで、クリーンルーム環境での手順を見てみましょう。

まず、パターンを作成するために使用されるフォトマスクを設計し、メーカーに注文します。その後、フォトリソグラフィープロセスはクリーンルームで行われ、ほこりの汚染を最小限に抑えるために定期的に空気をろ過します。まず、熱酸化によりシリコンウェーハ表面に二酸化ケイ素層を形成します。ウェーハが酸化されると、スピンコーターチャックに載せられます。フォトレジストは、ウェーハの表面の大部分を覆うまで、ウェーハの中心に注がれます。次に、フォトレジストをスピンコーティングして、均一な薄いコーティングを作成します。次に、コーティングされたウェーハをホットプレート上でソフトベーキングし、溶剤を蒸発させ、フォトレジストを固めます。ウェーハはマスクアライナーにロードされ、目的のパターンの特定のフォトマスクが含まれています。次に、ウェーハをフォトマスクを介してUV光にさらし、次に固く焼き付けて、現像したフォトレジストをセットします。フォトレジストの可溶性領域は、使用するフォトレジストの種類に固有の現像液を使用して除去されます。最後に、ウェーハをすすぎ、乾燥させ、パターン化されたフォトレジストをウェーハ上に残します。

フォトリソグラフィーに続いて、パターンは深部反応性イオンエッチングを使用して二酸化ケイ素の最上層にエッチングされます。エッチング後、ウェーハを適切なフォトレジスト除去剤に浸すことにより、残りのフォトレジストを除去します。次に、ウェーハをイソプロパノールとアセトンですすぎ、窒素下で乾燥させます。次に、余分な有機残留物を取り除くためにピラニア洗浄液を準備します。ピラニアは、濃硫酸と過酸化水素の混合物です。このソリューションは、適切なトレーニングを受けた、承認された換気の良いフードで使用する必要があります。ピラニアは非常に危険で、爆発する可能性があります。ウェーハをピラニアに数分間沈めた後、水ですすいでください。最後に、ウェーハをアセトンとメタノールですすぎ、窒素ガスで乾燥させて、クリーンな最終構造を離れます。

フォトリソグラフィーで生成されたマイクロスケールのパターンは、さまざまなBioMEMデバイスを作成するために使用されます。例えば、フォトリソグラフィーは、シリコンウェーハやスライドガラスなどの基板上に金属パターンを作成するために使用できます。基板の最上層をエッチングする代わりに、スパッタコーティングまたは金属蒸着を使用して、フォトレジストパターンの上に金属を堆積させます。この例では、スライドガラス上にクロム接着層をコーティングし、続いて金層をコーティングしています。蒸着後、フォトレジストが除去され、金のパターンが露出します。金のパターンは、細胞の制御された組み立てに、またはバイオエレクトロニクスの電極として使用できます。フォトリソグラフィーは、ポリマーのマイクロパターンを作成するためにも使用できます。このために、フォトリソグラフィーの前にシリコンウェーハの上にポリマーの層が堆積されます。シリコンウェーハ上の二酸化ケイ素層と同様に、現像されたフォトレジストによって露光されたポリマーパターンはエッチングされます。その後、残りのフォトレジストを除去して、パターン化されたポリマーのみを残します。パターン化されたポリマーは、ポリマーアイランド上またはポリマーアイランドの周囲に制御された細胞増殖を誘導するために使用できます。フォトリソグラフィーはマイクロスケールに限定されていますが、集束イオンビーム(FIB)を使用してナノスケールのパターンを作製できます。FIBは、イオンビームを使用して、表面上の材料を正確なパターンでアブレーションまたは堆積させます。この例では、事前にパターン化された金電極をモリブデン結晶で官能化しました。次に、FIBを使用してナノスケールの白金架橋を堆積し、結晶を金電極に接続しました。これらの構造は、BioMEMデバイスの改良やさらなる小型化に利用することができます。

Joveの「Introduction to Microfabrication via Photolithography」をご覧になりました。これで、基本的なフォトリソグラフィープロセス、それが実験室でどのように行われるか、およびこの技術がBioMEMデバイスの製造に使用されるいくつかの方法を理解できるはずです。ご覧いただきありがとうございます。