Microfabricación mediante Fotolitografía

Bioengineering
 

Summary

La fabricación de dispositivos BioMEMs se realiza usando una técnica de microfabricación llamada Fotolitografía. Este método ampliamente utilizado utiliza la luz para transferir un patrón sobre una oblea de silicio y proporciona la base para la fabricación de muchos tipos de dispositivos BioMEMs.

Este video presenta la técnica de fotolitografía, muestra cómo el proceso se realiza en la sala limpia y presenta algunas aplicaciones del proceso.

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JoVE Science Education Database. Bioingeniería. Microfabricación mediante Fotolitografía. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

La necesidad creciente de dispositivos portátiles con volúmenes de muestra muy pequeña, ha llevado a la miniaturización de los dispositivos llamados BioMEMS. BioMEMS se producen a través de microfabricación. Un proceso de fabricación de estructuras de microempresas con tecnología de semiconductores. Una técnica de microfabricación llamada Fotolitografía, se utiliza a menudo a patrones complejos de patrón sobre un sustrato utilizando luz. Este video introducir el proceso de fotolitografía, demostrar la técnica en el laboratorio y proporcionar la penetración en algunas aplicaciones donde se utiliza Fotolitografía.

Semiconductores, es decir, las obleas de silicio, se utilizan típicamente como el substrato de microfabricación mediante Fotolitografía. Primero se limpia la oblea para eliminar contaminantes orgánicos. Entonces se forma una capa de sustrato en la parte superior. Por ejemplo, dióxido de silicio se forma mediante oxidación térmica. Para empezar Fotolitografía una capa de una sustancia reactiva UV viscosa, llamada Photoresist, es cubierto en un espesor uniforme en el sustrato. El sustrato de la fotoresistencia revestido entonces está expuesto a intensa luz UV, a través de una plantilla precisamente estampada llamada un Photomask. Existen dos tipos de Photoresist; primera resistencia positiva se convierte en soluble con la exposición a los rayos UV. En cambio las regiones expuestas de resistencia negativa se convierten en reticulado y son insolubles. La parte soluble de la fotoresistencia se elimina entonces usando una solución de revelado. Dejando estampadas fotoresistencia y expuestas regiones de sustrato. El patrón entonces se graba en la capa de dióxido de silicio expuesto. Una técnica de grabado seco llamado ion reactivo plasma químicamente reactivo utiliza para quitar el material depositado en la oblea de la aguafuerte. Por otra parte, un grabado húmedo, tales como ácido fluorhídrico puede ser utilizado para grabar dióxido de silicio. La técnica de grabado variará dependiendo del material que se procesa. Por último, el Photoresist restante se retira, dejando una microestructura de silicio precisamente modelada. Esta estructura puede entonces utilizar directamente, o como molde para la fabricación de dispositivos electrónicos y micro fluídicos. Ahora que se ha explicado el procedimiento básico de fotolitografía, echemos un vistazo a cómo se realiza el procedimiento en un entorno de sala limpia.

En primer lugar, la máscara de la foto que se utilizará para crear el patrón está diseñada y ordenada de un fabricante. Entonces, el proceso de fotolitografía se realiza en un recinto limpio, que rutinariamente filtros de aire para minimizar la contaminación de polvo. En primer lugar, se forma una capa de dióxido de silicio en la superficie de la oblea de silicio mediante oxidación térmica. Una vez que la oblea se oxida, se coloca en el portabrocas de la hacer girar-máquina de pintar. Fotoresistencia se vierte en el centro de la oblea, hasta que cubre la mayor parte de la superficie de la oblea. La fotoresistencia es entonces cubierto de vuelta, para crear una capa uniforme y delgada. A continuación la oblea cubierta es suave al horno en una placa caliente, se evaporan los disolventes, y solidificar la fotoresistencia. La oblea se carga en el alineador de máscara, que contiene la máscara de la foto específica para el modelo deseado. Entonces, la oblea es expuesta a la luz UV a través de la máscara de la foto y luego duro al horno para fijar la fotoresistencia desarrollado. Las regiones soluble de photoresist se eliminan usando una solución de revelador específica para el tipo de photoresist utilizado. Finalmente, la oblea se enjuaga y se seca, dejando la fotoresistencia modelada en la oblea.

Después de fotolitografía, el patrón está grabado en la capa superior de dióxido de silicio, usando aguafuerte reactiva profunda del ion. Después del grabado, el photoresist restante se retira sumergiendo la oblea en un removedor de fotoprotección adecuada. La oblea entonces se lavarlo con isopropanol y acetona y se seca bajo nitrógeno. A continuación, una piraña solución limpiadora está dispuesta a quitar exceso residuos orgánicos. Piraña es una mezcla de concentrado ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno. Esta solución debe utilizarse en una campana de aprobado, bien ventilada con una formación adecuada. Piraña es extremadamente peligroso y puede ser explosiva. La oblea es sumergida en Piraña durante varios minutos y luego enjuagar con agua. Finalmente, la oblea se enjuaga con acetona y metanol y secada con nitrógeno gaseoso para dejar la estructura limpia, final.

Micro escala patrones generados por Fotolitografía se utilizan para crear una amplia gama de dispositivos BioMEMS. Por ejemplo, puede utilizarse Fotolitografía para crear patrones metálicos sobre un sustrato, como una oblea de silicio, o portaobjetos de vidrio. En lugar de grabado a la capa superior del sustrato, metal se deposita sobre el patrón de Fotoprotección con recubrimiento sputter, o evaporación de metal. En este ejemplo, una capa de adherencia del cromo está cubierta en un portaobjetos de vidrio, seguido de una capa del oro. Después de la deposición, los photoresists se quita para exponer los patrones oro. Los patrones oro pueden utilizarse para la Asamblea controlada de las células, o como electrodos para la bio-electrónica. Fotolitografía puede utilizarse también para crear micro-patrones de polímero. Para ello, se deposita una capa de polímero sobre la oblea de silicio antes de fotolitografía. Como con las capas de dióxido de silicio en obleas de silicio, el patrón de polímero expuesto por la fotoresistencia desarrollado es grabado al agua fuerte lejos. El photoresist restante entonces se retira para dejar sólo el polímero con dibujos. El polímero patrón se puede utilizar para inducir el crecimiento celular controlado, en o alrededor de las islas de polímero. Mientras que la fotolitografía se limita a la micro escala, patrones de nano-escala se pueden fabricar usando una viga de ion enfocada o FIB. FIB utiliza un haz de iones para ablar o depositar materiales en una superficie en un patrón preciso. En este ejemplo, electrodos de oro previamente modelados fueron funcionalizados con cristales de molibdeno. Luego, nano-escala platino puentes fueron depositadas mediante FIB para conectarse el cristal del electrodo de oro. Estas estructuras pueden utilizarse para mejorar y más miniaturizados dispositivos BioMEMS.

Sólo ha visto introducción de Zeus para microfabricación mediante Fotolitografía. Ahora debería entender la fotolitografía básica del proceso, cómo se realiza en el laboratorio y algunas maneras de que la técnica se utiliza en la fabricación de dispositivos BioMEMS. Gracias por ver.

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