میکروفبریکیشن:

امروزه تولید ساختارهای ریز، محور علوم و تکنولوژی جدید قرار گرفته است. میکروفبریکیشن فرآیند ساخت ساختارهای بسیار کوچک در ابعاد کمتر از میکرومتر تا میلیمتر است که اولین بار از میکروفبریکیشن برای ساخت نیمه هادی‏ها در مدارهای مجتمع استفاده شد.

میکروفبریکیشن در زمینه‏های مختلفی کاربرد دارد که شامل موارد زیر است:

Microelectromechanical Systems (MEMS)

Microsystems Optical

Micromachines

Microfluidics

lab-on-a-chip

و در ابعاد نانو

Nano Electro Mechanical Systems (NEMS)

‏Micro-Total Analysis (micro TAS)

همچنین درتکنولوژی‏های

Flat-Panel Displays

Solar Cells

ابزارهای میکروفابریکیشن می‏توانند شامل ساختارهای بسیار ریزی از جمله کانتیلورها و دیافراگم‏ها، ساختار‏های static از جمله کانال‏ها و دیواره‏ها، سطوح حساس شیمیایی از جمله پروتئین‏ها و سلول‏ها، و ابزارهای الکتریکی از جمله مقاومت‏ها و ترانزیستورها باشند.

میکروساختارها می‏بایست موقعیتی را برای مطالعه علمی پدیده‏هایی که در ابعاد کوچک اتفاق می‏افتند را فراهم کند زیرا به عنوان مثال بسیاری از پدیده‏های جدید از جمله اثر اندازه کوانتومی، سد کولنی  و تونل زنی تک الکترون  در ابعاد نانو مقیاس ظاهر می‏شوند.

با تولید ساختارهای ریز یا با کوچک سازی ساختارهای موجود و ادغام گستره‏ای از ابزارها، فرصت‏هایی زیادی تحقق می‏یابد و می‏توان به کارایی‏های جدیدی دست یافت که بارزترین نمونه‏ها در میکروالکترونیک‏ها هستند که ابزارهایی در ابعاد کوچکتر دارای قیمت ارزانتر، قطعات بیشتر در هر تراشه، عملکرد سریعتر، کارایی بیشتر، و توان مصرفی کمتر هستند که از این رو ترانزیستورها در سال ۱۹۴۷ اختراع شدند.

میکروسیستم‏ها می‏توانند بر زیرلایه‏های مختلفی از جمله سیلیکون کریستال، سیلیکون آمورف، شیشه، کوارتز، پلیمرهای طبیعی ساخته شوند. زیرلایه‏های سیلیکون کریستال بنا به دلایل زیر بیشتر در میکروفابریکیشن استفاده می‏شوند:

1. سیلیکون می‏تواند با استفاده فوتورزیست‏های طبیعی سونش شود که این تکنولوژی بسیار توسعه یافته است.
2. اشکال سه بعدی می‏توانند در سیلیکون با دقت بالایی تکثیر شده و در تکنولوژی ریزماشینسازی به کار گرفته شوند.
3. ابزارهای سیلیکونی می‏توانند بصورت دسته‏ای ساخته شوند که این تکنولوژی در ساخت مدارهای مجتمع کاربرد دارد.
4. سیلیکون و سیلیکون دی اکسید پایداری شیمیایی و حرارتی دارند.

۱-۱ میکروالکترونیک:

میکروالکترونیک‏ یکی از زیرشاخه‏های الکترونیک هستند که معمولا این ابزارها از مواد نیمرسانا ساخته می‏شوند. میکروالکترونیک در صنایعی از جمله ارتباطات، تکنولوژی کامپیوتر و خودرو کاربرد دارند. ترانزیستورها، خازن‏ها، مقاومت‏ها، دیودها، عایق‏ها و نیمرساناها با تکنولوژی میکروالکترونیک ساخته می‏شوند.

۱-۲ میکروفلویدیک:‏

میکروفلویدیک‏ها از شبکه‏های میکروکانالی ساخته می‏شود که کاربردهای بخصوصی در طراحی سیستم‏هایی با حجم کوچک دارد. تعداد مختلف درگاه‏های ورودی و خروجی در این ابزارها موجب می‏شود مایع داخل را از کانال‏هایی با ابعاد مختلف عبور دهند که معمولادر ابعاد ۵ تا ۵۰۰ میکرون هستند.

میکروفلویدیک‏ها که در سال ۱۹۸۰ ظهور کرد و برای پیشرفت هد پرینتر جوهر افشان ، پزشکی، نیرومحرکه میکرونی ،DNA-chip laboratory-on-chip (LoC), و تکنولوژی میکروحرارتی کاربرد داشت.

:Lob-on-chip1-3

آزمایشگاه روی تراشه (LOC)، از تجمع عملگرهای آزمایشگاهی متعدد روی یک تراشه به ابعاد چند میلیمتر یا سانتیمتر مربع تشکیل شده است. LOC با حجم‏های بسیار کم مایعات حتی کمتر از چند پیکولیتر سروکار دارد.

تکنولوژی میکروفلویدیک در ابزارهای LOC فعال در ساخت میلیون‏ها میکروکانال استفاده شده است. میکروکانال‏ها می‏توانند مایعات را در حجم‏های کمتر از پیکولیتر اداره کنند.

فوتولیتوگرافی

فوتولیتوگرافی تکنولوژی موفقی در میکروالکترونیک است که به طور گسترده‏ در صنعت استفاده می‏شود. این تکنولوژی  در سال ۱۹۵۹ اختراع شد و به طور گسترده‏ای در صنعت نیمه‏هادی‏ها و مدارهای مجتمع به کار گرفته می‏شود. فوتولیتوگرافی برای ساخت ساختارهای میکروالکترونیک برپایه طرح چاپ استفاده می‏شود.

یک میکروساختار سه بعدی در چند مرحله ساخته می‏شود: ۱٫ لایه‏نشانی یکنواخت لایه مورد نظر بر روی زیرلایه ۲٫ لیتوگرافی با ایجاد تصویری از طرح ۳٫ سونش برای انتقال الگو به لایه.

فرآیند لیتوگرافی:

لیتوگرافی فرآیند ایجاد یک تصویر سه بعدی بر روی سطح یک ویفر است که به کمک انتقال طرح‏های هندسی از ماسک بر روی لایه نازکی از ماده حساس به نور انجام می‏شود که این لایه سطح ویفر نیمه هادی را پوشانده است.

فرآیند لیتوگرافی کلی شامل بخش‏های زیر می‏باشد که در تصویر نیز این مراحل مشاهده می‏شوند:

آماده سازی زیرلایه، لایه‏نشانی فوتورزیست، نوردهی، حل کردن فوتورزیست، سونش، تهی کردن لایه از رزیست

یک فوتورزیست ایده‏آل تصویر دقیقی از الگوی مورد نظر را بر روی زیرلایه طراحی می‏کند. به منظور راحتی کار پلیمر فوتورزیست باید بصورت محلول بوده با استفاده از روش لایه‏نشانی اسپینی^[۱] لایه‏نشانی می‏شود. پس طرح مورد نظر باید شامل دو قسمت باشد: قسمتی از زیرلایه که با رزیست پوشش داده می‏شود و قسمت‏هایی دیگر که باید بدون پوشش باشند. حساس بودن فوتورزیست به چشمه نور خاصی برای عملکرد فوتورزیست ضروری است.

چهار ترکیب اساسی فوتورزیست‏ها شامل، پلیمر، یک حلال، حساس کننده و دیگر مواد افزودنی است.

دو نوع فوتورزیست‏ مثبت و منفی وجود دارد. پلیمر زمانی که تحت تابش نور قرار می‏گیرد بسپار شده (polymerize) یا قابلیت انحلال پذیری (photosolubilize) پیدا می‏کند. پلیمرهای رزیست منفی بطور شیمیایی به یکدیگر اتصال ندارند، اما با قرارگیری در معرض نور، پلیمرها بطور عرضی به یکدیگر اتصال یافته یا ترکیب می‏شوند و در حلال غیر قابل حل می‏شوند. پلیمرهای فوتورزیست مثبت قبل از قرار گرفتن در معرض نور غیر

قابل انحلال هستند، اما با قرار گیری در معرض نور، ماده حساس به نور انرژی تشعشعی را جذب کرده و ساختار شیمیایی آن تغییر پیدا می‏کند و پلیمرها قابلیت حلالیت پذیری پیدا می‏کنند.

پس از لایه‏نشانی فوتورزیست روی لایه مورد نظر و تحت پخت قرار می‏گیرد که بر اثر حرارت دادن این ساختار به حالت پایدار می‌رسد که در ماده حلال حل نمی شود

ماسک روی زیرلایه قرار داده شده و نمونه توسط اشعه ماوراء بنفش نوردهی می‏شود. دو نوع ماسک مثبت و منفی می‏تواند طراحی شود که الگوهای آنها معکوس یکدیگر است. طبق الگوی ماسک، فقط نواحی بخصوصی از لایه تحت تابش نور قرار می‏گیرند.

در نهایت با قراردادن نمونه در حلال فوتورزیست، در فوتورزیست مثبت قسمت‏هایی از لایه که در معرض نور قرار گرفته اند تضعیف می‏شوند و سایر نواحی باقی می‏مانند و در فوتورزیست منفی ناحیه‏هایی که در معرض نور قرار گرفته اند، تثبیت شده و باقی می‏مانند.

سپس سونش در گاز یا مایع آغاز شده و قسمت‏هایی از لایه که با فوتورزیست محافظت نشده‏اند توسط ماده خورنده لایه، از بین می‏روند. سونش شامل مکانیزم‏های فیزیکی و شیمیایی برای از بین بردن موادی است که توسط فوتورزیست محافظت نشده‏اند. دو نوع سونش وجود دارد که شامل سونش خشک و مرطوب است. سونش خشک با روش‏هایی از جمله پلاسما، کندوپاش، سونش واکنش  یونی (CAIBE) chemically assisted ion beam etching، (ECR)  Electron cyclotron resonanceانجام می‏شود.

سونش مرطوب شاید ساده‏ترین فرآیند سونش است که از یک محلول از جمله یک اسید استفاده می‏شود که لایه را بطور شیمیایی مورد حمله قرار می‏دهد. در حالتی که نرخ سونش مستقل از جهت‏گیری است، فرآیند سونش مرطوب همسانگرد نامیده می‏شود که تقریباً خورندگی در همه جهات وجود دارد و حفراتی با سطح گرد تقریبا در همه جهات به وجود می‏آیند که می‏توانند تلاطم خوبی را فراهم کنند. در شکل سطح مقطع سونش همسانگرد مشاهده می‏شود.

یک خصوصیت مورد توجه فوتورزیست، سونش انتخابگر آن است که وابسته به خصوصیات مواد فوتورزیست و فرآیند طبیعی اچ کردن برای لایه‏های به خصوص است. انتخابگری سونش ضخامت لایه مورد نظر، حداقل ضخامت فوتورزیست مورد نیاز را مشخص می‏کند. همچنین خواص مکانیکی رزیست از جمله، چسبندگی به زیرلایه و مقاومت در مقابل تغییر شکل مکانیکی، نقش اساسی را در طول سونش ایفا می‏کند. ترکیب رایج غالباً از مخلوط کردن هیدروفلوریک، نیتریک و استیک اسید ساخته می‏شود.

HNA: HF + HNO3 + CH3COOH

مشکل اصلی سونش مرطوب همسانگرد، کنترل سخت فرآیند و نرخ سونش خیلی زیاد است که در حدود چند میکرومتر در دقیقه است. همچنین کوچکترین تغییرات دمایی، تغییر در هم زدن محلول و ترکیب می‏تواند موجب تغییرات بزرگ در نرخ و خواص سونش شود. نرخ سونش، زبری سطح و موقعیت‏ هندسی لبه‏ها به ترکیب ماده سونش وابسته است. بنابراین استفاده از این فرآیند به شدت محدود است.

در سونش مرطوب ناهمسانگرد نرخ سونش وابسته به جهت گیری بلور است و خورندگی در بعضی از جهت‏ها خیلی سریعتر از دیگر جهت گیری‏های بلوری است. معمولا از ترکیب KOH و TMAH استفاده می‏شود که نرخ سونش معمولا ۱ میکرون در دقیقه است. که نمونه‏ای از سونش ناهمسانگرد در شکل مشاهده می‏شود. در جدول زیر مقایسه‏ای از سونش مرطوب و خشک انجام شده است.

در نهایت مجدداً قسمت‏هایی از فوتوررزیست که باقی مانده‏اند توسط محلول حلال فوتورزیست از بین می‏روند.