Микропроизводство с помощью фотолитографии

Возросшая потребность в портативных устройствах с чрезвычайно малыми объемами образцов привела к миниатюризации устройств, называемых биоMEM. БиоМЕМ производятся методом микропроизводства. Процесс изготовления микромасштабных структур с использованием полупроводниковой технологии. Метод микропроизводства, называемый фотолитографией, часто используется для моделирования сложных узоров на подложке с помощью света. В этом видео будет представлен процесс фотолитографии, продемонстрирован метод работы в лаборатории, а также дано представление о некоторых приложениях, в которых используется фотолитография.

Полупроводники, а именно кремниевые пластины, обычно используются в качестве подложки при микропроизводстве с помощью фотолитографии. Сначала пластина очищается от органических загрязнений. Затем сверху формируется слой субстрата. Например, диоксид кремния образуется с помощью термического окисления. Чтобы начать фотолитографию, слой вязкого, реагирующего на ультрафиолетовое излучение вещества, называемого фоторезистом, покрывается на подложку до равномерной толщины. Затем подложка, покрытая фоторезистом, подвергается воздействию интенсивного ультрафиолетового излучения с помощью трафарета с точным рисунком, называемого фотомаской. Существует два типа фоторезиста; Первый положительный резист становится растворимым под воздействием ультрафиолетового излучения. Напротив, открытые участки отрицательного резиста становятся сшитыми и нерастворимыми. Затем растворимая часть фоторезиста удаляется с помощью раствора проявителя. Оставляем после себя узорчатый фоторезист и открытые участки подложки. Затем узор вытравливается на открытом слое диоксида кремния. Метод сухого травления, называемый реактивным ионным травлением, использует химически активную плазму для удаления материала, отложенного на пластине. В качестве альтернативы для травления диоксида кремния можно использовать методом мокрого травления, например, фтористоводородной кислотой. Техника травления будет варьироваться в зависимости от обрабатываемого материала. Наконец, оставшийся фоторезист удаляется, оставляя точно структурированную кремниевую микроструктуру. Эта структура может быть использована непосредственно или в качестве пресс-формы для изготовления электронных и микрофлюидных устройств. Теперь, когда мы объяснили основную процедуру фотолитографии, давайте рассмотрим, как выполнять эту процедуру в условиях чистого помещения.

Во-первых, фотошаблон, который будет использоваться для создания узора, разрабатывается и заказывается у производителя. Затем процесс фотолитографии выполняется в чистом помещении, которое регулярно фильтрует воздух, чтобы свести к минимуму загрязнение пылью. Сначала на поверхности кремниевой пластины с помощью термического окисления формируется слой диоксида кремния. После окисления пластина помещается на патрон прядильной машины. Фоторезист заливается в центр пластины, пока он не покроет большую часть поверхности пластины. Затем фоторезист покрывается отжимом для создания ровного тонкого покрытия. Затем покрытая пластина мягко запекается на конфорке, чтобы испарить любой растворитель и затвердеть фоторезист. Пластина загружается в маску-выравниватель, содержащий конкретную фотомаску для желаемого шаблона. Затем пластина подвергается воздействию ультрафиолетового излучения через фотомаску, а затем сильно запекается для закрепления полученного фоторезиста. Растворимые участки фоторезиста удаляют с помощью раствора проявителя, специфичного для используемого типа фоторезиста. Наконец, вафлю промывают и сушат, оставляя на пластине фоторезист с рисунком.

После фотолитографии узор вытравливается в верхнем слое диоксида кремния с помощью глубокого реактивного ионного травления. После травления остатки фоторезиста удаляются путем замачивания пластины в соответствующем средстве для удаления фоторезиста. Затем пластину промывают изопропанолом и ацетоном и сушат под азотом. Далее готовится чистящий раствор для пираньи для удаления лишних органических остатков. Пиранья представляет собой смесь концентрированной серной кислоты, и перекиси водорода. Это решение необходимо использовать в одобренной, хорошо проветриваемой вытяжке при соответствующей подготовке. Пиранья чрезвычайно опасна и может быть взрывоопасной. Вафлю погружают в пиранью на несколько минут, а затем промывают водой. Наконец, пластина промывается ацетоном и метанолом и высушивается газообразным азотом, чтобы оставить чистую окончательную структуру.

Микромасштабные узоры, полученные с помощью фотолитографии, используются для создания широкого спектра устройств BioMEM. Например, фотолитография может быть использована для создания металлических узоров на подложке, такой как кремниевая пластина или предметное стекло. Вместо того, чтобы вытравливать верхний слой подложки, металл наносится поверх фоторезистного рисунка с помощью напыления или испарения металла. В этом примере слой адгезии хрома нанесен на предметное стекло, за которым следует слой золота. После осаждения фоторезисты удаляются, чтобы обнажить золотые узоры. Золотые узоры затем могут быть использованы для контролируемой сборки клеток или в качестве электродов для биоэлектроники. Фотолитография также может быть использована для создания полимерных микроузоров. Для этого слой полимера наносится поверх кремниевой пластины перед фотолитографией. Как и в случае со слоями диоксида кремния на кремниевых пластинах, полимерный рисунок, обнаженный разработанным фоторезистом, вытравливается. Оставшийся фоторезист затем удаляют, оставляя только узорчатый полимер. Структурированный полимер может быть использован для индуцирования контролируемого роста клеток на полимерных островах или вокруг них. В то время как фотолитография ограничена микромасштабом, наноразмерные модели могут быть изготовлены с использованием сфокусированного ионного пучка, или FIB. FIB использует пучок ионов для абляции или осаждения материалов на поверхность в точном порядке. В этом примере предварительно структурированные золотые электроды были функционализированы кристаллами молибдена. Затем наноразмерные платиновые мостики были нанесены с помощью FIB для соединения кристалла с золотым электродом. Эти структуры затем могут быть использованы для улучшения и дальнейшей миниатюризации устройств BioMEM.

Вы только что посмотрели книгу Юпитера «Введение в микропроизводство с помощью фотолитографии». Теперь вы должны понять основной процесс фотолитографии, как она выполняется в лаборатории, и некоторые способы использования этой техники при изготовлении устройств BioMEM. Спасибо за просмотр.