Mikrofabrykacja za pomocą fotolitografii

Zwiększone zapotrzebowanie na przenośne urządzenia o bardzo małych objętościach próbek spowodowało miniaturyzację urządzeń zwanych BioMEM. BioMEM-y są produkowane w procesie mikrofabrykacji. Proces wytwarzania struktur w mikroskali przy użyciu technologii półprzewodnikowej. Technika mikrofabrykacji zwana fotolitografią jest często stosowana do modelowania złożonych wzorów na podłożu za pomocą światła. Ten film przedstawi proces fotolitografii, zademonstruje technikę w laboratorium i zapewni wgląd w niektóre zastosowania, w których wykorzystuje się fotolitografię.

Półprzewodniki, a mianowicie płytki krzemowe, są zwykle używane jako podłoże w mikrowytwarzaniu za pomocą fotolitografii. Najpierw wafel jest czyszczony w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych. Następnie na wierzchu formuje się warstwę podłoża. Na przykład dwutlenek krzemu powstaje w wyniku utleniania termicznego. Aby rozpocząć fotolitografię, warstwa lepkiej, reagującej na promieniowanie UV substancji, zwana fotorezystem, jest powlekana wirowo do jednolitej grubości na podłożu. Podłoże pokryte fotorezystem jest następnie wystawiane na działanie intensywnego światła UV za pomocą precyzyjnie wzorzystego szablonu zwanego fotomaską. Istnieją dwa rodzaje fotorezystu; pierwszy dodatni rezystor staje się rozpuszczalny po wystawieniu na działanie światła UV. W przeciwieństwie do tego, odsłonięte obszary ujemnego oporu stają się usieciowane i są nierozpuszczalne. Rozpuszczalna część fotorezystu jest następnie usuwana za pomocą roztworu wywoływacza. Pozostawia wzorzyste fotorezysty i odsłonięte obszary podłoża. Wzór jest następnie wytrawiany w odsłoniętej warstwie dwutlenku krzemu. Technika trawienia na sucho zwana reaktywnym trawieniem jonowym wykorzystuje chemicznie reaktywną plazmę do usuwania materiału osadzonego na płytce. Alternatywnie do wytrawiania dwutlenku krzemu można użyć trawienia na mokro, takiego jak kwas fluorowodorowy. Technika trawienia będzie się różnić w zależności od obrabianego materiału. Na koniec usuwa się pozostały fotorezyst, pozostawiając precyzyjnie wzorzystą mikrostrukturę krzemu. Struktura ta może być następnie wykorzystana bezpośrednio lub jako forma do produkcji urządzeń elektronicznych i mikroprzepływowych. Teraz, gdy podstawowa procedura fotolitografii została wyjaśniona, przyjrzyjmy się, jak wykonać tę procedurę w środowisku pomieszczenia czystego.

Po pierwsze, fotomaska, która zostanie użyta do stworzenia wzoru, jest projektowana i zamawiana u producenta. Następnie proces fotolitografii odbywa się w pomieszczeniu czystym, w którym rutynowo filtrowane jest powietrze w celu zminimalizowania zanieczyszczenia pyłem. Najpierw na powierzchni płytki krzemowej tworzy się warstwa dwutlenku krzemu za pomocą utleniania termicznego. Po utlenieniu wafla umieszcza się go na uchwycie do powlekania wirowego. Fotorezyst wlewa się do środka płytki, aż pokryje większość powierzchni płytki. Fotorezystor jest następnie powlekany wirowo, aby uzyskać równą, cienką powłokę. Następnie powlekany wafel jest miękko wypalany na płycie grzejnej w celu odparowania rozpuszczalnika i zestalenia fotorezystu. Wafel jest ładowany do wyrównywacza maski, zawierającego określoną fotomaskę dla pożądanego wzoru. Następnie wafel jest wystawiany na działanie światła UV przez fotomaskę, a następnie wypalany na twardo w celu ustawienia wywołanego fotorezystu. Rozpuszczalne obszary fotorezystu są usuwane za pomocą rozwiązania deweloperskiego specyficznego dla typu użytego fotorezystu. Na koniec wafel jest płukany i suszony, pozostawiając wzorzysty fotorezystor na płytce.

Po fotolitografii wzór jest wytrawiany w górnej warstwie dwutlenku krzemu za pomocą głębokiego reaktywnego trawienia jonowego. Po wytrawieniu pozostały fotorezystor usuwa się poprzez namoczenie płytki w odpowiednim zmywaczu fotorezystu. Wafel jest następnie płukany izopropanolem i acetonem i suszony pod azotem. Następnie przygotowuje się roztwór czyszczący piranię w celu usunięcia nadmiaru pozostałości organicznych. Pirania to mieszanina stężonego kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru. To rozwiązanie musi być używane w atestowanym, dobrze wentylowanym kapturze z odpowiednim przeszkoleniem. Pirania jest niezwykle niebezpieczna i może być wybuchowa. Wafel zanurza się w piranii na kilka minut, a następnie spłukuje wodą. Na koniec wafel jest płukany acetonem i metanolem i suszony gazowym azotem, aby pozostawić czystą, końcową strukturę.

Wzorce w mikroskali generowane przez fotolitografię są wykorzystywane do tworzenia szerokiej gamy urządzeń BioMEM. Na przykład fotolitografia może być używana do tworzenia metalowych wzorów na podłożu, takim jak płytka krzemowa lub szkiełko podstawowe. Zamiast wytrawiać wierzchnią warstwę podłoża, metal jest osadzany na wierzchu wzoru fotorezystu za pomocą napylania lub odparowywania metalu. W tym przykładzie warstwa adhezyjna chromu jest pokryta na szkiełku szkiełkowym, a następnie warstwa złota. Po osadzeniu fotorezystu usuwa się, aby odsłonić złote wzory. Złote wzory mogą być następnie wykorzystane do kontrolowanego montażu ogniw lub jako elektrody do bioelektroniki. Fotolitografia może być również wykorzystywana do tworzenia mikrowzorów polimerowych. W tym celu warstwa polimeru jest osadzana na wierzchu płytki krzemowej przed fotolitografią. Podobnie jak w przypadku warstw dwutlenku krzemu na płytkach krzemowych, wzór polimerowy odsłonięty przez opracowany fotorezyst jest wytrawiany. Pozostały fotorezyst jest następnie usuwany, aby pozostawić tylko wzorzysty polimer. Wzorzysty polimer może być używany do indukowania kontrolowanego wzrostu komórek na wyspach polimerowych lub wokół nich. Podczas gdy fotolitografia jest ograniczona do mikroskali, wzory w nanoskali można wytwarzać za pomocą skupionej wiązki jonów lub FIB. FIB wykorzystuje wiązkę jonów do ablacji lub osadzania materiałów na powierzchni w precyzyjny wzór. W tym przykładzie wstępnie wzorzyste złote elektrody zostały sfunkcjonalizowane kryształami molibdenu. Następnie nano-skalowe platynowe mostki zostały zdeponowane za pomocą FIB w celu połączenia kryształu ze złotą elektrodą. Struktury te mogą być następnie wykorzystane do ulepszania i dalszej miniaturyzacji urządzeń BioMEM.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie Jowisza do mikrofabrykacji za pomocą fotolitografii. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowy proces fotolitografii, sposób, w jaki jest on wykonywany w laboratorium i niektóre sposoby wykorzystania tej techniki w produkcji urządzeń BioMEM. Dzięki za oglądanie.