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

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A necessidade aumentada de dispositivos portáteis com volumes de amostra extremamente pequenos, impulsionou a miniaturização de dispositivos chamados BioMEMs. BioMEMs são produzidos por microfabricação. Um processo de fabricação de estruturas de microescala usando tecnologia de semicondutores. Uma técnica de microfabricação chamada fotolithografia, é frequentemente usada para padronizar padrões complexos em um substrato usando luz. Este vídeo introduzirá o processo de fotolitografia, demonstrará a técnica em laboratório e fornecerá insights sobre algumas aplicações onde a fotolitografia é usada.
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Semicondutores, ou seja, wafers de silício, são tipicamente usados como substrato na micro-fabricação via fotolithografia. Primeiro, o wafer é limpo para remover contaminantes orgânicos. Em seguida, uma camada de substrato é formada em cima. Por exemplo, o dióxido de silício é formado usando oxidação térmica. Para iniciar a fotolitografia, uma camada de uma substância viscosa e reativa UV, chamada fotoresist, é revestida de uma espessura uniforme no substrato. O substrato revestido fotoresistista é então exposto à luz UV intensa, através de um estêncil precisamente padronizado chamado fotomask. Existem dois tipos de fotoresist; primeira resistência positiva torna-se solúvel após a exposição à luz UV. Em contraste, as regiões expostas de resistência negativa tornam-se interlocuções e são insolúveis. A parte solúvel do fotoresist é então removida usando uma solução de desenvolvedor. Deixando para trás regiões fotoresististas padronizadas e substratos expostas. O padrão é então gravado na camada de dióxido de silício exposto. Uma técnica de gravura seca chamada gravura de íon reativo usa plasma quimicamente reativo para remover material depositado no wafer. Alternativamente, um etch molhado, como o ácido fluorídrico pode ser usado para etch dióxido de silício. A técnica de gravação vai variar dependendo do material que está sendo processado. Finalmente, o fotoresist restante é removido, deixando uma microestrutura de silício precisamente padronizada. Esta estrutura pode então ser usada diretamente, ou como um molde para a fabricação de dispositivos eletrônicos e microfluidos. Agora que o procedimento básico da fotolitografia foi explicado, vamos dar uma olhada em como realizar o procedimento em um ambiente de limpeza.
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Primeiro, a máscara fotográfica que será usada para criar o padrão é projetada e encomendada de um fabricante. Em seguida, o processo de fotolitografia é realizado em uma sala de limpeza, que filtra rotineiramente o ar para minimizar a contaminação da poeira. Primeiro, uma camada de dióxido de silício é formada na superfície do wafer de silício usando oxidação térmica. Uma vez que o wafer é oxidado, ele é colocado no mandril spin-coater. Fotoresist é derramado no centro do wafer, até cobrir a maior parte da superfície do wafer. O fotoresist é então revestido de spin para criar um revestimento uniforme e fino. Em seguida, o wafer revestido é assado em uma placa quente para evaporar qualquer solvente, e solidificar o fotoresist. O wafer é carregado no alinhador de máscaras, contendo a máscara específica para o padrão desejado. Em seguida, o wafer é exposto à luz UV através da máscara fotográfica e, em seguida, cozido para definir o fotoresist desenvolvido. As regiões solúveis do fotoresist são removidas usando uma solução de desenvolvedor específica para o tipo de fotoresist usado. Finalmente, o wafer é enxaguado e seco, deixando o fotoresist estampado no wafer.
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Após a fotolitografia, o padrão é gravado na camada superior de dióxido de silício, usando gravura de íon reativo profundo. Após a gravação, o fotoresist restante é removido encharcando o wafer em um removedor fotoresist apropriado. O wafer é então enxaguado com isopropanol e acetona e seco sob nitrogênio. Em seguida, uma solução de limpeza de piranha é preparada para remover resíduos orgânicos em excesso. Piranha é uma mistura de ácido sulfúrico concentrado, e peróxido de hidrogênio. Esta solução deve ser usada em um capô aprovado e bem ventilado com treinamento adequado. Piranha é extremamente perigosa e pode ser explosiva. O wafer fica submerso em piranha por vários minutos, e depois enxaguado com água. Finalmente, o wafer é enxaguado com acetona e metanol e seco com gás nitrogênio para deixar a estrutura limpa e final.
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Padrões de microescala gerados pela fotolitografia são usados para criar uma ampla gama de dispositivos BioMEM. Por exemplo, a fotolitografia pode ser usada para criar padrões metálicos em um substrato, como um wafer de silício ou escorregador de vidro. Em vez de gravar a camada superior do substrato, o metal é depositado em cima do padrão fotoresistista usando revestimento sputter, ou evaporação metálica. Neste exemplo, uma camada de adesão ao cromo é revestida em um escorregador de vidro, seguida por uma camada de ouro. Após o depoimento, os fotoresistas são removidos para expor os padrões de ouro. Os padrões de ouro podem então ser usados para o conjunto controlado de células, ou como eletrodos para bioeletrônica. A fotolitografia também pode ser usada para criar micro-padrões de polímeros. Para isso, uma camada de polímero é depositada em cima do wafer de silício antes da fotolitografia. Como com as camadas de dióxido de silício em wafers de silício, o padrão de polímero exposto pelo fotoresist desenvolvido é gravado. O fotoresist restante é então removido para deixar apenas o polímero padronizado. O polímero padronizado pode ser usado para induzir o crescimento celular controlado, nas ilhas de polímero ou ao redor. Embora a fotolitografia esteja limitada à microescala, padrões de nanoescala podem ser fabricados usando um feixe de íons focado, ou FIB. A FIB usa um feixe de íons para ablatar ou depositar materiais em uma superfície em um padrão preciso. Neste exemplo, eletrodos de ouro pré-padronizados foram funcionalizados com cristais de molhênio. Em seguida, pontes de platina nano-escala foram depositadas usando FIB para conectar o cristal ao eletrodo de ouro. Essas estruturas podem então ser usadas para melhorar e outros dispositivos BioMEM miniaturizados.
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Você acabou de assistir a Introdução de Jove à Microfabografia via Fotolithografia. Agora você deve entender o processo básico de fotolitografia, como é realizado em laboratório e algumas maneiras que a técnica é usada na fabricação de dispositivos BioMEM. Obrigado por assistir.
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microfabricação via fotolitografia

A fabricação de dispositivos BioMEM é frequentemente feita usando uma técnica de microfabização chamada fotolitografia. Este método amplamente utilizado utiliza a luz para transferir um padrão para um wafer de silício, e fornece a base para a fabricação de muitos tipos de dispositivos BioMEM.
Este vídeo apresenta a técnica de fotolitografia, mostra como o processo é realizado na sala de limpeza e introduz algumas aplicações do processo.

Microfabricação via Fotolitografia

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

O aumento da necessidade de dispositivos portáteis com volumes de amostra extremamente pequenos impulsionou a miniaturização de dispositivos chamados BioMEMs. BioMEMs? são produzidos por meio de microfabricação. Um processo de fabricação de estruturas em microescala usando tecnologia de semicondutores. Uma técnica de microfabricação chamada fotolitografia é frequentemente usada para padronizar padrões complexos em um substrato usando luz. Este vídeo apresentará o processo de fotolitografia, demonstrará a técnica em laboratório e fornecerá informações sobre algumas aplicações em que a fotolitografia é usada. Semicondutores, ou seja, wafers de silício, são normalmente usados como substrato na microfabricação por meio de fotolitografia. Primeiro, o wafer é limpo para remover contaminantes orgânicos. Em seguida, uma camada de substrato é formada no topo. Por exemplo, o dióxido de silício é formado usando oxidação térmica. Para iniciar a fotolitografia, uma camada de uma substância viscosa e reativa aos raios UV, chamada fotorresistente, é revestida por rotação até uma espessura uniforme no substrato. O substrato revestido com fotorresistente é então exposto à luz UV intensa, por meio de um estêncil com padrão preciso chamado fotomáscara. Existem dois tipos de fotorresistentes; primeiro positivo resiste torna-se solúvel após a exposição à luz UV. Em contraste, as regiões expostas de resistência negativa tornam-se reticuladas e insolúveis. A parte solúvel do fotorresistente é então removida usando uma solução de revelação. Deixando para trás regiões fotorresistentes padronizadas e substrato exposto. O padrão é então gravado na camada de dióxido de silício exposta. Uma técnica de corrosão a seco chamada gravação iônica reativa usa plasma quimicamente reativo para remover o material depositado no wafer. Alternativamente, um wet-gravura em àgua forte, tal como o ácido fluorídrico pode ser usado para gravar o dióxido de silicone. A técnica de gravação varia de acordo com o material que está sendo processado. Finalmente, o fotorresistente restante é removido, deixando uma microestrutura de silício padronizada com precisão. Essa estrutura pode então ser usada diretamente ou como molde para a fabricação de dispositivos eletrônicos e microfluídicos. Agora que o procedimento básico da fotolitografia foi explicado, vamos dar uma olhada em como realizar o procedimento em um ambiente de sala limpa. Primeiro, a fotomáscara que será usada para criar o padrão é projetada e encomendada a um fabricante. Em seguida, o processo de fotolitografia é realizado em uma sala limpa, que filtra rotineiramente o ar para minimizar a contaminação por poeira. Primeiro, uma camada de dióxido de silício é formada na superfície do wafer de silício usando oxidação térmica. Uma vez que o wafer é oxidado, ele é colocado no mandril do revestidor. O fotorresistente é derramado no centro do wafer, até cobrir a maior parte da superfície do wafer. O fotorresistente é então revestido por rotação para criar um revestimento fino e uniforme. Em seguida, o wafer revestido é cozido em uma placa de aquecimento - para evaporar qualquer solvente e solidificar o fotorresistente. O wafer é carregado no alinhador de máscara, contendo a fotomáscara específica para o padrão desejado. Em seguida, o wafer é exposto à luz ultravioleta através da fotomáscara e, em seguida, cozido para definir o fotorresistente desenvolvido. As regiões solúveis do fotorresistente são removidas usando uma solução reveladora específica para o tipo de fotorresistente usado. Finalmente, o wafer é enxaguado e seco, deixando o fotorresistente padronizado no wafer. Após a fotolitografia, o padrão é gravado na camada superior de dióxido de silício, usando corrosão iônica reativa profunda. Após a corrosão, o fotorresistente restante é removido embebendo o wafer em um removedor de fotorresistente apropriado. O wafer é então enxaguado com isopropanol e acetona e seco sob nitrogênio. Em seguida, uma solução de limpeza de piranha é preparada para remover o excesso de resíduos orgânicos. Piranha é uma mistura de ácido sulfúrico concentrado e peróxido de hidrogênio. Esta solução deve ser usada em um exaustor aprovado e bem ventilado com treinamento adequado. A piranha é extremamente perigosa e pode ser explosiva. A bolacha é submersa em piranha por vários minutos e depois enxaguada com água. Finalmente, o wafer é enxaguado com acetona e metanol e seco com gás nitrogênio para deixar a estrutura final limpa. Os padrões de microescala gerados pela fotolitografia são usados para criar uma ampla gama de dispositivos BioMEM. Por exemplo, a fotolitografia pode ser usada para criar padrões de metal em um substrato, como um wafer de silício ou uma lâmina de vidro. Em vez de gravar a camada superior do substrato, o metal é depositado no topo do padrão fotorresistente usando revestimento por pulverização catódica ou evaporação de metal. Neste exemplo, uma camada de adesão de cromo é revestida em uma lâmina de vidro, seguida por uma camada de ouro. Após a deposição, os fotorresistentes são removidos para expor os padrões de ouro. Os padrões de ouro podem então ser usados para a montagem controlada de células ou como eletrodos para bioeletrônica. A fotolitografia também pode ser usada para criar micropadrões de polímeros. Para isso, uma camada de polímero é depositada no topo do wafer de silício antes da fotolitografia. Como acontece com as camadas de dióxido de silício em wafers de silício, o padrão de polímero exposto pelo fotorresistente desenvolvido é gravado. O fotorresistente restante é então removido para deixar apenas o polímero padronizado. O polímero padronizado pode ser usado para induzir o crescimento celular controlado, sobre ou ao redor das ilhas de polímero. Embora a fotolitografia seja limitada à microescala, os padrões em nanoescala podem ser fabricados usando um feixe de íons focalizado, ou FIB. O FIB usa um feixe de íons para ablação ou depósito de materiais em uma superfície em um padrão preciso. Neste exemplo, eletrodos de ouro pré-padronizados foram funcionalizados com cristais de molibdênio. Em seguida, pontes de platina em nanoescala foram depositadas usando FIB para conectar o cristal ao eletrodo de ouro. Essas estruturas podem então ser usadas para melhorar e miniaturizar ainda mais os dispositivos BioMEM. Você acabou de assistir a Introdução de Jove à Microfabricação via Fotolitografia. Agora você deve entender o processo básico de fotolitografia, como ele é realizado em laboratório e algumas maneiras pelas quais a técnica é usada na fabricação de dispositivos BioMEM. Obrigado por assistir.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Engenharia

Bioengineering

Bioengenharia

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

Esta coleção abrange os principais conceitos da bioengenharia, que incluem a produção de biomateriais, culturas histotípicas e de órgãos inteiros, técnicas de bioprocessamento e os complexos campos de nível de sistema de bioMEMs e biosensoriamento.

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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