فوتولیتوگرافی یا Photolithography

فوتولیتوگرافی یا Photolithography چیست؟

از آنجا که بسیاری از مشخصه‌های فیزیکی و شیمیایی نانوساختارها به شدت به سطح آنها وابسته است، امروزه اصلاح سطح در ابعاد میکرو و نانومتری توجه بسیار زیادی را جلب نموده است. از این رو مهندسی سطح در دهه اخیر نقش مهمی در ساخت میکرو و نانوسیستم‌ها داشته است. به علاوه، با توسعه تکنولوژی، فناوری‌های میکروالکترونیک و ریزساخت (Microfabrication) وظیفه داشتند تا اجزای دستگاه‌ها را تا حد امکان کوچک کنند. بنابراین، دانشمندان برای یافتن روش‌های نوین لیتوگرافی تلاش کردند.

از روش‌های اصلاح سطح میتوان به ایجاد پوشش‌های با کیفیت به کمک تکنیک‌های لایه نشانی و همچنین روش‌های لیتوگرافی نوری و الکترونی اشاره کرد. تکنولوژی ساخت میکروسیستم‌ها در طیف گسترده‌ای از صنایع مانند پزشکی، مکانیک، اپتیک، دینامیک سیالات، میکروالکترونیک و بسیاری دیگر مورد استفاده قرار گرفته است.

از سوی دیگر، روش ساخت  top-down یا بالا-پایین (که شامل ایجاد ساختارهای نانومتری از واحدهای بزرگتر می‌شوند) برای ساخت میکروسیستم‌ها از دو مرحله اصلی استفاده می‌کند:

1. ایجاد لایه نازک
2. ایجاد طرح مورد نظر از طریق لیتوگرافی نوری

پوشش‌های متنوع از انواع مواد آلی یا معدنی در ضخامت‌های نانومتر تا سانتی‌متر را میتوان با استفاده از روش‌های بالا-پایین شامل رسوب‌دهی فیزیکی بخار (PVD) مانند لایه نشانی به روش اسپاترینگ و تبخیر حرارتی و لایه نشانی یا روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) ایجاد کرد.

این لایه‌ها معمولا از لایه‌های نازک فلزی، سیلیکونی، دی اکسید سیلیکون و غیره تشکیل شده‌اند و بر اساس نوع الگودهی هر لایه به ماسک متفاوتی برای لیتوگرافی نیاز است. بنابراین ممکن است فرایند لایه نشانی و پروسه لیتوگرافی چندین بار در طول ساخت یک میکروسیستم تکرار شود.

لایه نشانی به روش رسوب‌دهی فیزیکی بخار (PVD)

رسوب‌دهی فیزیکی بخار (PVD)، به تکنیکی گفته می‌شود که طی آن ماده مورد نظر در شرایط خلاء، تبخیر می‌شود و روی زیرلایه در ضخامت اتمی نشانده می‌شود. این روش برای تهیه لایه‌های نازک و پوشش‌دهی سطحی، استفاده می‌شود.

فرآیند PVD را میتوان با توجه به مراحل زیر توصیف کرد:

• در ابتدا ماده‌ای که قرار است روی سطح لایه نشانی شود، از طریق سیستم‌های لایه نشانی، تبخیر می‌شود
• سپس، این بخار از منبع تبخیر به سطح مورد نظر (محل کم فشارتر) منتقل می‌شود
• پس از آن، بخار بر روی سطح نشسته و فرآیند چگالش اتفاق می‌افتد تا یک لایه نازک تهیه شود

لیتوگرافی یا Lithography

لیتوگرافی به ایجاد الگوی مشخص بر روی سطح با استفاده از ماسک‌های نوری گفته می‌شود. این فرآیند برای اولین بار توسط Alois Senefelder در سال ۱۷۹۶ اختراع شد. در اینجا به لیتوگرافی نوری یا فوتولیتوگرافی، که رایج‌ترین نوع لیتوگرافی یا Lithography است، پرداخته شده است.

فرایند فوتولیتوگرافی

فوتولیتوگرافی، ساده‌ترین روش برای ایجاد الگو‌های منظم در ابعاد نانومتری یا میکرومتری بر روی سطح یک فیلم نازک یا بالک است. در این روش میتوان طرح ماسک نوری را با استفاده از موادی به اسم فتورزیست که پلیمر‌های حساس به نور هستند، بر روی لایه حک کرد.

لیتوگرافی نوری شامل سه اصل است:

1. پوشش سطح با پلیمر حساس به نور (فتورزیست)
2. تابش الکترومغناطیسی به لایه فتورزیستی که با ماسک نوری پوشانده شده است
3. و درنهایت تشکیل الگوی مورد نظر روی سطح (فتورزیست بسته به مثبت یا منفی بودن ممکن است در اثرتابش نور دچار تغییرات ساختاری شده که با محلول مناسب پاک می‌شود)

کاربرد‌های فوتولیتوگرافی

از روش فوتولیتوگرافی برای ایجاد الگو در ساخت قطعات الکترونیکی میتوان استفاده کرد که دانشمندان هر روزه در آزمایشگاه‌ها از آن استفاده می‌کنند. مزیت اصلی این تکنیک، تولید ساختار‌های طرح‌دار در سایز میکرو و نانومتری با هندسه قابل کنترل است. به علاوه، سطوح ساخته شده با این روش را میتوان در زمینه‌های مختلفی مانند بیولوژیک، میکروسیالات، دستگاه‌های آزمایشگاهی، ساخت تراشه‌ها، در صنعت برای ساخت MEMS/NEMS، ریزساختار‌های سه بعدی و نانوفوتونیک‌‌ها استفاده کرد.

به طور کلی از تکنیک‌های PVD، برای لایه نشانی فیلم‌هایی با ضخامت‌های مختلف از نانومتر تا سانتی‌متر استفاده می‌شود. همچنین، این تکنیک میتواند برای تشکیل ساختارهای چند لایه با مواد متفاوت استفاده شود. شرکت پوشش‌های نانوساختار، به‌ عنوان طراح و تولید سیستم‌های لایه نشانی در خلاء، دستگاه‌های لایه نشانی DST3 ،DST3-T و DTT را برای آماده‌سازی این طیف از لایه‌های نازک توصیه می‌کند. در نتیجه، لایه نازک مقرون ‌به ‌صرفه و با کیفیت، برای فرآیند لیتوگرافی ایجاد می‌شود.

منابع

1. https://www.researchgate.net/publication/258802091_Fabrication_of_3D_charged_particle_trap_using_through-silicon_vias_etched_by_deep_reactive_ion_etching/figures?lo=1
2. https://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.4774061