通过光刻的微细加工

Bioengineering
 

Summary

BioMEMs 器件的制造通常是用一种叫做光刻的微细加工技术来完成的。这种广泛使用的方法利用光把一个图案转移到硅片上, 并为许多类型的 BioMEMs 器件的制造提供了基础。

本视频介绍了光刻技术, 展示了如何在洁净室进行过程, 并介绍了该过程的一些应用。

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JoVE Science Education Database. 生物工程. 通过光刻的微细加工. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

对具有极小样本量的便携设备的需求增加, 推动了称为 BioMEMS 的设备的小型化。BioMEMS 是通过微加工生产的。利用半导体技术制作微尺度结构的过程。一种叫做光刻的微制造技术, 通常用来将复杂的图案用光投射到基板上。这段视频将介绍光刻的过程, 在实验室演示技术, 并提供一些应用的洞察力, 影印是使用。

半导体, 即硅片, 通常用作微制造的基板, 通过光刻。首先, 对硅片进行清洗, 去除有机污染物。然后在顶部形成基板层。例如, 二氧化硅是利用热氧化形成的。要开始光刻, 一层粘性的, UV 活性物质, 称为光刻胶, 是在基板上的均匀厚度的旋转涂层。该光刻胶涂层基板, 然后暴露在强烈的 UV 光, 通过一个精确的图案模具称为掩。存在两种类型的光刻胶;第一正面抵抗变得可溶解在曝光到紫外光。相反, 负抵抗的暴露区域成为交叉连接并且是不溶的。然后用显影液除去光刻胶的可溶性部分。留下图案的光刻胶和暴露的基底区域。该模式被蚀刻到暴露的二氧化硅层。一种称为反应离子蚀刻的干法蚀刻技术使用化学反应等离子体去除晶片上沉积的物质。另外, 湿蚀刻, 如氢氟酸可以用来蚀刻二氧化硅。蚀刻技术将因所处理的材料而异。最后, 去除剩余的光刻胶, 留下精确的硅微结构。这种结构可以直接使用, 或者作为制造电子和微流体装置的模具。现在已经解释了光刻的基本步骤, 让我们来看看如何在一个干净的房间环境中执行程序。

首先, 将用于创建图案的照片掩码由制造商设计并订购。然后, 光刻过程是在一个干净的房间, 定期过滤空气, 以减少灰尘污染。首先, 用热氧化法在硅片表面形成二氧化硅层。一旦晶片被氧化, 它就被放在自旋涂布机卡盘上。光刻胶被倒入晶片的中心, 直到它覆盖了晶片的大部分表面。该光刻胶是然后旋转涂层, 创造一个均匀, 薄涂层。其次, 涂层的硅片是软出炉的热板, 蒸发任何溶剂, 并固化的光刻胶。晶片被装入掩模器, 包含所需图案的特定照片掩码。然后, 晶片暴露在 UV 光透过照片掩膜, 然后硬烘烤, 以设置开发的光刻胶。使用特定于所使用的光刻胶类型的显影液去除光刻胶的可溶性区域。最后, 晶片被冲洗和烘干, 在晶片上留下图案的光刻胶。

在光刻之后, 采用深反应离子蚀刻的方式蚀刻到二氧化硅的顶层。蚀刻后, 其余的光刻胶通过浸泡在适当的光刻胶去除的晶片。然后用异丙醇和丙酮冲洗硅片, 在氮气下烘干。接下来, 一个食人鱼清洁解决方案准备去除过剩的有机残留物。食人鱼是浓硫酸和过氧化氢的混合物。这个解决方案必须使用在一个批准, 通风良好的引擎盖与适当的培训。食人鱼是非常危险的, 可以是爆炸性的。该晶片被淹没在食人鱼几分钟, 然后用水冲洗。最后, 用丙酮和甲醇冲洗硅片, 用氮气烘干, 留下干净、最终的结构。

采用光刻法生成的微尺度图案, 用于制造广泛的 BioMEMS 器件。例如, 光刻可以用于在基板上创建金属图案, 如硅片或玻璃滑动片。金属是用溅射涂层或金属蒸发在光刻胶图案的顶端沉积, 而不是蚀刻掉基体的顶层。在这个例子中, 一个铬粘附层是涂在一个玻璃幻灯片, 其次是一个金色的层。沉积后, 光刻被清除, 以揭露黄金图案。金图案可用于细胞的可控组装, 或用作生物电子学的电极。光刻也可用于制造聚合物微模式。为此, 在光刻之前, 一层聚合物被沉积在硅片的顶部。就像硅晶片上的二氧化硅层一样, 被发达的光刻胶暴露出来的聚合物模式也被蚀刻掉了。剩下的光刻胶被去除, 只留下图案的聚合物。这种带图案的聚合物可用于诱导聚合物岛上或周围的受控细胞生长。虽然光刻是有限的微尺度, 纳米尺度的模式可以制造使用聚焦离子束, 或谎言。蚀用一束离子以精确的方式在一个表面上沉积材料。在这个例子中, 预图案金电极功能化钼晶体。然后, 纳米级的铂桥被沉积使用的谎言连接晶体的金电极。这些结构可以用来改善和进一步小型化 BioMEMS 设备。

你刚刚看了朱庇特的介绍微制造通过光刻。你现在应该了解基本的光刻工艺, 它是如何在实验室进行的, 以及一些方法, 该技术是用于制造 BioMEMS 设备。谢谢收看

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