Fotolitografi ile mikrofabrikasyon

Son derece küçük numune hacimlerine sahip taşınabilir cihazlara olan ihtiyacın artması, BioMEM adı verilen cihazların minyatürleştirilmesine neden olmuştur. BioMEM’ler mikrofabrikasyon yoluyla üretilir. Yarı iletken teknolojisini kullanarak mikro ölçekli yapılar üretme süreci. Fotolitografi adı verilen bir mikrofabrikasyon tekniği, genellikle ışık kullanarak bir alt tabaka üzerine karmaşık desenler çizmek için kullanılır. Bu video, fotolitografi sürecini tanıtacak, laboratuvardaki tekniği gösterecek ve fotolitografinin kullanıldığı bazı uygulamalar hakkında bilgi sağlayacaktır.

Yarı iletkenler, yani silikon gofretler, tipik olarak fotolitografi yoluyla mikro fabrikasyonda substrat olarak kullanılır. İlk olarak, organik kirleticileri gidermek için gofret temizlenir. Daha sonra üstte bir alt tabaka tabakası oluşturulur. Örneğin, silikon dioksit termal oksidasyon kullanılarak oluşturulur. Fotolitografiye başlamak için, fotorezist adı verilen viskoz, UV reaktif bir madde tabakası, substrat üzerinde düzgün bir kalınlığa kadar döndürülerek kaplanır. Fotorezist kaplı alt tabaka daha sonra foto maske adı verilen hassas desenli bir şablon aracılığıyla yoğun UV ışığına maruz bırakılır. İki tür fotorezist vardır; ilk pozitif direnç UV ışığına maruz kaldığında çözünür hale gelir. Buna karşılık, negatif direncin maruz kalan bölgeleri çapraz bağlanır ve çözünmez. Fotorezistin çözünür kısmı daha sonra bir geliştirici solüsyonu kullanılarak çıkarılır. Desenli fotorezist ve açıkta kalan alt tabaka bölgelerini geride bırakmak. Desen daha sonra açıkta kalan silikon dioksit tabakasına kazınır. Reaktif iyon aşındırma adı verilen kuru bir aşındırma tekniği, gofret üzerinde biriken malzemeyi çıkarmak için kimyasal olarak reaktif plazma kullanır. Alternatif olarak, silikon dioksiti aşındırmak için hidroflorik asit gibi bir ıslak aşındırma kullanılabilir. Aşındırma tekniği, işlenmekte olan malzemeye bağlı olarak değişecektir. Son olarak, kalan fotorezist çıkarılır ve geriye hassas bir şekilde desenlenmiş bir silikon mikro yapı kalır. Bu yapı daha sonra doğrudan veya elektronik ve mikroakışkan cihazların imalatı için bir kalıp olarak kullanılabilir. Fotolitografinin temel prosedürü açıklandığına göre, işlemin temiz oda ortamında nasıl yapılacağına bir göz atalım.

İlk olarak, deseni oluşturmak için kullanılacak fotoğraf maskesi tasarlanır ve bir üreticiden sipariş edilir. Daha sonra, fotolitografi işlemi, toz kontaminasyonunu en aza indirmek için havayı rutin olarak filtreleyen bir temiz odada gerçekleştirilir. İlk olarak, termal oksidasyon kullanılarak silikon gofret yüzeyinde bir silikon dioksit tabakası oluşturulur. Gofret oksitlendikten sonra, döndürme kaplayıcı aynasına yerleştirilir. Fotorezist, gofret yüzeyinin çoğunu kaplayana kadar gofretin ortasına dökülür. Fotorezist daha sonra düzgün, ince bir kaplama oluşturmak için döndürülerek kaplanır. Daha sonra, kaplanmış gofret, herhangi bir çözücüyü buharlaştırmak ve fotorezisti katılaştırmak için bir ocak gözü üzerinde yumuşak bir şekilde pişirilir. Gofret, istenen desen için özel fotoğraf maskesini içeren maske hizalayıcıya yüklenir. Daha sonra gofret, fotomaske aracılığıyla UV ışığına maruz bırakılır ve daha sonra geliştirilen fotorezisti ayarlamak için sert bir şekilde pişirilir. Fotorezistin çözünür bölgeleri, kullanılan fotorezist tipine özgü bir geliştirici solüsyon kullanılarak çıkarılır. Son olarak, gofret durulanır ve kurutulur, desenli fotorezist gofret üzerinde bırakılır.

Fotolitografiyi takiben, desen, derin reaktif iyon aşındırma kullanılarak silikon dioksitin üst tabakasına kazınır. Aşındırma işleminden sonra, kalan fotorezist, gofret uygun bir fotorezist sökücüye batırılarak çıkarılır. Gofret daha sonra izopropanol ve aseton ile durulanır ve nitrojen altında kurutulur. Daha sonra, fazla organik kalıntıları gidermek için bir pirana temizleme solüsyonu hazırlanır. Piranha, konsantre sülfürik asit ve hidrojen peroksit karışımıdır. Bu çözüm, uygun eğitime sahip, onaylı, iyi havalandırılan bir davlumbazda kullanılmalıdır. Piranha son derece tehlikelidir ve patlayıcı olabilir. Gofret birkaç dakika pirana içine batırılır ve ardından su ile durulanır. Son olarak, gofret aseton ve metanol ile durulanır ve temiz, nihai yapıyı bırakmak için nitrojen gazı ile kurutulur.

Fotolitografi ile oluşturulan mikro ölçekli desenler, çok çeşitli BioMEM cihazları oluşturmak için kullanılır. Örneğin, fotolitografi, silikon gofret veya cam slayt gibi bir alt tabaka üzerinde metal desenler oluşturmak için kullanılabilir. Alt tabakanın üst tabakasını aşındırmak yerine, metal, püskürtme kaplaması veya metal buharlaştırma kullanılarak fotorezist desenin üzerine biriktirilir. Bu örnekte, bir krom yapışma tabakası bir cam slayt üzerine kaplanır ve ardından altın bir tabaka gelir. Biriktirmeden sonra, altın desenleri ortaya çıkarmak için fotorezistler çıkarılır. Altın desenler daha sonra hücrelerin kontrollü montajı için veya biyoelektronik için elektrotlar olarak kullanılabilir. Fotolitografi, polimer mikro desenler oluşturmak için de kullanılabilir. Bunun için, fotolitografiden önce silikon gofretin üzerine bir polimer tabakası bırakılır. Silikon gofretler üzerindeki silikon dioksit katmanlarında olduğu gibi, geliştirilen fotorezist tarafından açığa çıkan polimer deseni kazınır. Kalan fotorezist daha sonra sadece desenli polimeri bırakmak için çıkarılır. Desenli polimer, polimer adalarının üzerinde veya çevresinde kontrollü hücre büyümesini indüklemek için kullanılabilir. Fotolitografi mikro ölçekle sınırlı olsa da, nano ölçekli desenler odaklanmış bir iyon ışını veya FIB kullanılarak üretilebilir. FIB, malzemeleri bir yüzey üzerinde kesin bir desende ablate etmek veya biriktirmek için bir iyon demeti kullanır. Bu örnekte, önceden desenlenmiş altın elektrotlar molibden kristalleri ile işlevselleştirilmiştir. Daha sonra, kristali altın elektroda bağlamak için FIB kullanılarak nano ölçekli platin köprüler biriktirildi. Bu yapılar daha sonra BioMEM cihazlarını geliştirmek ve daha da minyatürleştirmek için kullanılabilir.

Jove’un Fotolitografi ile Mikrofabrikasyona Giriş kitabını az önce izlediniz. Artık temel fotolitografi işlemini, laboratuvarda nasıl yapıldığını ve tekniğin BioMEM cihazlarının imalatında nasıl kullanıldığını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.