1.5: Microfabricação via Fotolitografia

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.