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

<div class="chapter_text" id="script_0">
매우 작은 샘플 볼륨을 가진 휴대용 장치에 대한 필요성이 증가함에 따라 BioMEM이라는 장치의 소형화가 주도되었습니다. 바이오메미스는 미세 제조를 통해 생산됩니다. 반도체 기술을 사용하여 마이크로 스케일 구조를 제작하는 프로세스입니다. 포토리소그래피라고 불리는 미세 제조 기술은 종종 빛을 사용하여 기판에 복잡한 패턴을 패턴화하는 데 사용됩니다. 이 비디오는 포토리소그래피 과정을 소개하고, 실험실에서 기술을 시연하며, 포토리소그래피가 사용되는 일부 응용 분야에 대한 통찰력을 제공합니다.
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반도체, 즉 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 광석 촬영을 통해 미세 제조의 기판으로 사용됩니다. 먼저 웨이퍼는 유기 오염 물질을 제거하기 위해 세척됩니다. 그런 다음 기판 층이 위에 형성됩니다. 예를 들어, 이산화실리콘은 열 산화를 사용하여 형성된다. 포토리소그래피를 시작하기 위해 점성층의 층인 광저항이라고 불리는 UV 반응성 물질은 기판상의 균일한 두께로 코팅된 스핀으로 코팅된다. 포토레지스트 코팅 기판은 포토마스크라고 불리는 정밀하게 패턴이 있는 스텐실을 통해 강렬한 자외선에 노출됩니다. 포토레지스트의 두 가지 유형이 존재합니다. 자외선에 노출되면 첫 번째 긍정적 인 저항이 용해됩니다. 대조적으로 부정적인 저항의 노출된 지역은 교차 연결되고 용해되지 않습니다. 그런 다음 개발자 솔루션을 사용하여 포토레지스트의 수용성 부분을 제거합니다. 패턴 사진 저항 및 노출 기판 영역을 남겨두는. 패턴은 노출된 이산화체 층에 새겨져 있습니다. 반응성 이온 에칭이라는 건조 에칭 기술은 웨이퍼에 증착된 물질을 제거하기 위해 화학적으로 반응성 플라즈마를 사용합니다. 대안적으로, 하이드로플루오산과 같은 습식 에칭을 이산화규금에 식히기 위해 사용될 수 있다. 에칭 기술은 처리되는 재료에 따라 달라집니다. 마지막으로, 나머지 포토레지스트가 제거되어 정확하게 패턴화된 실리콘 미세 구조를 남깁니다. 이러한 구조는 전자 및 미세 유체 장치의 제조를 위한 금형또는 직접 사용할 수 있습니다. 이제 포토리소그래피의 기본 절차가 설명되었으므로 클린룸 환경에서 절차를 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.
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먼저 패턴을 만드는 데 사용되는 포토마스크는 제조업체에서 설계 및 주문합니다. 그런 다음, 포토리소그래피 공정은 먼지 오염을 최소화하기 위해 정기적으로 공기를 필터링하는 클린룸에서 수행됩니다. 첫째, 실리콘 이산화층은 열 산화를 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 형성된다. 웨이퍼가 산화되면 스핀 코터 척에 배치됩니다. 포토레지스트는 웨이퍼 표면의 대부분을 덮을 때까지 웨이퍼 의 중앙에 부어 넣습니다. 포토레지스트는 스핀 코팅되어 균일하고 얇은 코팅을 만듭니다. 다음으로, 코팅 된 웨이퍼는 모든 용매를 증발시키기 위해 핫플레이트에 부드럽게 구워지고 포토 레지스트를 고화시합니다. 웨이퍼는 원하는 패턴에 대한 특정 포토마스크를 포함하는 마스크 정렬기에 로드됩니다. 그런 다음 웨이퍼는 포토 마스크를 통해 UV 광에 노출된 다음 하드 구워서 개발 된 포토 레지스트를 설정합니다. 포토레지스트의 수용성 영역은 사용되는 포토레지스트 유형에 맞는 개발자 솔루션을 사용하여 제거됩니다. 마지막으로 웨이퍼가 헹구고 건조되어 패턴이 있는 포토레지스트를 웨이퍼에 남깁니다.
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포토리소그래피에 이어, 패턴은 깊은 반응성 이온 에칭을 사용하여 실리콘 이산화물의 상단 층에 새겨져 있습니다. 에칭 후, 나머지 포토레지스트는 적절한 포토레지스트 리무버에 웨이퍼를 담그면 제거됩니다. 웨이퍼는 이소프로판올과 아세톤으로 헹구고 질소 아래에서 건조됩니다. 다음으로, 피라냐 세척 용액은 과도한 유기 잔류물을 제거할 준비가 되어 있습니다. 피라냐는 농축 황산과 과산화수소의 혼합물이다. 이 솔루션은 적절한 교육을 통해 승인되고 통풍이 잘 되는 후드에 사용해야 합니다. 피라냐는 매우 위험하며 폭발할 수 있습니다. 웨이퍼는 몇 분 동안 피라냐에 잠긴 다음 물로 헹구습니다. 마지막으로 웨이퍼는 아세톤과 메탄올로 헹구고 질소 가스로 건조되어 깨끗하고 최종적인 구조를 남깁니다.
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포토리소그래피에 의해 생성된 마이크로스케일 패턴은 광범위한 BioMEM 장치를 만드는 데 사용됩니다. 예를 들어, 포토리소그래피는 실리콘 웨이퍼 또는 유리 슬라이드와 같은 기판상에 금속 패턴을 생성하는 데 사용될 수 있다. 금속은 기판의 상단 층을 에칭하는 대신 스퍼터 코팅 또는 금속 증발을 사용하여 포토 레지스트 패턴 위에 증착됩니다. 이 예에서는 크롬 접착 층이 유리 슬라이드에 코팅된 다음 금층이 있습니다. 증착 후, 포토레지스트가 제거되어 금 패턴을 노출합니다. 금 패턴은 세포의 제어 조립, 또는 생체 전자 공학용 전극으로 사용될 수 있습니다. 포토리소그래피는 또한 폴리머 마이크로 패턴을 만드는 데 사용될 수 있다. 이를 위해, 폴리머층은 포토리소그래피 전에 실리콘 웨이퍼 위에 증착된다. 실리콘 웨이퍼의 이산화실리콘 층과 마찬가지로 개발된 포토레지스트에 의해 노출된 폴리머 패턴이 에칭됩니다. 나머지 포토레지스트는 패턴 폴리머만 남기도록 제거됩니다. 패턴 폴리머는 중합체 섬 주변, 제어 세포 성장을 유도하는 데 사용될 수 있다. 포토리소그래피는 마이크로스케일로 제한되지만, 나노스케일 패턴은 집중이온 빔 또는 FIB를 사용하여 제조될 수 있다. FIB는 이온 빔을 사용하여 표면에 물질을 정밀한 패턴으로 축산하거나 기탁합니다. 이 예에서, 미리 패턴된 금 전극은 몰리브덴 결정으로 기능화되었다. 이어서, 나노 규모의 백금 교량은 FIB를 사용하여 결정과 금 전극을 연결하도록 증착되었다. 이러한 구조는 BioMEM 장치를 개선하고 더 소형화하는 데 사용할 수 있습니다.
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포토리소그래피를 통해 조브의 미세 제조 소개를 방금 시청했습니다. 이제 기본 포토리소그래피 프로세스, 실험실에서 수행되는 방법 및 BioMEM 장치의 제조에 기술이 사용되는 몇 가지 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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포토리소그래피를 이용한 미세제조

BioMEM 장치의 제조는 종종 포토리소그래피라는 미세 제조 기술을 사용하여 수행됩니다. 이 널리 사용되는 방법은 빛을 사용하여 패턴을 실리콘 웨이퍼로 전송하고, 많은 유형의 BioMEM 장치의 제조에 대한 기초를 제공한다.
이 비디오는 포토리소그래피 기술을 제시하고, 클린룸에서 프로세스가 수행되는 방식을 보여주며, 프로세스의 일부 응용 프로그램을 소개합니다.

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

시료 부피가 매우 적은 휴대용 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 BioMEM이라고 하는 장치의 소형화가 추진되었습니다. BioMEM은 미세 가공을 통해 생산됩니다. 반도체 기술을 이용하여 미시적 구조를 제작하는 공정. 포토리소그래피(photolithography)라고 하는 미세 가공 기술은 종종 빛을 사용하여 기판에 복잡한 패턴을 패턴화하는 데 사용됩니다. 이 비디오는 포토리소그래피 프로세스를 소개하고, 실험실에서의 기술을 시연하며, 포토리소그래피가 사용되는 일부 응용 분야에 대한 통찰력을 제공합니다. 반도체, 즉 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 포토리소그래피를 통한 마이크로 가공의 기판으로 사용됩니다. 먼저 웨이퍼를 세척하여 유기 오염 물질을 제거합니다. 그런 다음 기판 층이 맨 위에 형성됩니다. 예를 들어, 이산화규소는 열 산화를 사용하여 형성됩니다. 포토리소그래피를 시작하기 위해 포토레지스트라고 하는 점성 UV 반응성 물질의 층을 기판에 균일한 두께로 스핀 코팅합니다. 그런 다음 포토레지스트 코팅된 기판은 포토마스크라고 하는 정밀하게 패턴화된 스텐실을 통해 강렬한 자외선에 노출됩니다. 두 가지 유형의 포토레지스트가 존재합니다. 첫 번째 포지티브 레지스트는 자외선에 노출되면 용해됩니다. 대조적으로, 음의 레지스트의 노출 된 영역은 가교되어 불용성이됩니다. 그런 다음 포토레지스트의 용해성 부분은 현상액을 사용하여 제거합니다. 패턴화된 포토레지스트와 노출된 기판 영역을 남깁니다. 그런 다음 패턴을 노출된 이산화규소 층에 에칭합니다. 반응성 이온 에칭이라고 하는 건식 에칭 기술은 화학적으로 반응하는 플라즈마를 사용하여 웨이퍼에 증착된 물질을 제거합니다. 대안적으로, 불화수소산과 같은 습식 식각을 사용하여 이산화규소를 에칭할 수 있습니다. 에칭 기술은 처리되는 재료에 따라 달라집니다. 마지막으로, 남아 있는 포토레지스트가 제거되어 정밀하게 패턴화된 실리콘 미세 구조가 남습니다. 그런 다음 이 구조를 직접 사용하거나 전자 및 미세 유체 장치 제조를 위한 금형으로 사용할 수 있습니다. 포토 리소그래피의 기본 절차에 대해 설명했으므로 이제 클린 룸 환경에서 절차를 수행하는 방법을 살펴 보겠습니다. 먼저 패턴을 만드는 데 사용할 포토 마스크는 제조업체에서 설계하고 주문합니다. 그런 다음 포토리소그래피 공정은 먼지 오염을 최소화하기 위해 정기적으로 공기를 여과하는 클린룸에서 수행됩니다. 먼저, 열 산화를 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 이산화규소층을 형성합니다. 웨이퍼가 산화되면 스핀 코터 척에 놓입니다. 포토레지스트는 웨이퍼 표면의 대부분을 덮을 때까지 웨이퍼 중앙에 붓습니다. 그런 다음 포토레지스트는 스핀 코팅되어 균일하고 얇은 코팅을 만듭니다. 다음으로, 코팅된 웨이퍼를 핫플레이트에서 연질 베이크하여 모든 용매를 증발시키고 포토레지스트를 응고시킵니다. 웨이퍼는 원하는 패턴에 대한 특정 포토마스크를 포함하는 마스크 정렬기에 로드됩니다. 그런 다음 웨이퍼를 포토마스크를 통해 자외선에 노출시킨 다음 현상된 포토레지스트를 설정하기 위해 하드 베이크합니다. 포토레지스트의 용해성 영역은 사용된 포토레지스트 유형에 특정한 현상액을 사용하여 제거합니다. 마지막으로, 웨이퍼를 헹구고 건조시켜 웨이퍼에 패턴화된 포토레지스트를 남깁니다. 포토리소그래피 후, 패턴은 심층 반응성 이온 에칭을 사용하여 이산화규소의 최상층에 에칭됩니다. 에칭 후, 웨이퍼를 적절한 포토레지스트 제거제에 담궈 잔류 포토레지스트를 제거합니다. 그런 다음 웨이퍼를 이소프로판올과 아세톤으로 헹구고 질소로 건조합니다. 다음으로, 과도한 유기 잔류물을 제거하기 위해 피라냐 세척액을 준비합니다. 피라냐는 진한 황산과 과산화수소의 혼합물입니다. 이 솔루션은 적절한 교육을 통해 승인되고 통풍이 잘 되는 후드에 사용해야 합니다. 피라냐는 매우 위험하며 폭발할 수 있습니다. 웨이퍼를 피라냐에 몇 분 동안 담근 다음 물로 헹굽니다. 마지막으로, 웨이퍼를 아세톤과 메탄올로 헹구고 질소 가스로 건조시켜 깨끗한 최종 구조를 남깁니다. 포토리소그래피에 의해 생성된 미시적 패턴은 다양한 BioMEM 소자를 만드는 데 사용됩니다. 예를 들어, 포토리소그래피는 실리콘 웨이퍼 또는 유리 슬라이드와 같은 기판에 금속 패턴을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 기판의 최상층을 에칭하는 대신 금속은 스퍼터 코팅 또는 금속 증발을 사용하여 포토레지스트 패턴 위에 증착됩니다. 이 예에서는 크롬 접착 층이 유리 슬라이드에 코팅된 다음 금 층이 코팅됩니다. 증착 후, 광 저항액은 금 패턴을 노출시키기 위해 제거됩니다. 그런 다음 금 패턴은 세포의 제어된 조립에 사용되거나 생체 전자 공학의 전극으로 사용될 수 있습니다. 포토리소그래피는 고분자 마이크로 패턴을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 이를 위해 폴리머 층이 포토리소그래피 전에 실리콘 웨이퍼 위에 증착됩니다. 실리콘 웨이퍼의 이산화규소 층과 마찬가지로, 개발된 포토레지스트에 의해 노출된 폴리머 패턴은 에칭되어 제거됩니다. 그런 다음 나머지 감광액을 제거하여 패터닝된 폴리머만 남깁니다. 패턴화된 폴리머는 폴리머 아일랜드 또는 그 주변에서 제어된 세포 성장을 유도하는 데 사용할 수 있습니다. 포토리소그래피는 마이크로 스케일로 제한되지만 나노 스케일 패턴은 집속 이온 빔 또는 FIB를 사용하여 제작할 수 있습니다. FIB는 이온 빔을 사용하여 정확한 패턴으로 표면의 물질을 제거하거나 증착합니다. 이 예에서는 사전 패턴화된 금 전극이 몰리브덴 결정으로 기능화되었습니다. 그런 다음 FIB를 사용하여 나노 스케일의 백금 브리지를 증착하여 결정을 금 전극에 연결했습니다. 그런 다음 이러한 구조를 사용하여 BioMEM?장치를 개선하고 더욱 소형화할 수 있습니다. Jove의 Photolithography를 통한 Microfabrication 소개를 시청했습니다. 이제 기본적인 포토리소그래피 공정, 실험실에서 수행되는 방법 및 BioMEM(?) 장치 제조에 이 기술이 사용되는 몇 가지 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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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

이 컬렉션은 생체재료, 조직 형태 및 전체 장기 조직 배양, 바이오프로세싱 기술 및 복잡한 시스템 수준의 bioMEM 및 바이오센싱 분야의 생산을 포함하는 핵심적인 생명공학의 개념을 다룹니다.

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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