Φωτοευαίσθητα πολυμερικά υλικά μηχανισμού χημικής ενίσχυσης για κατασκευή μικροσυστημάτων
Authors: Χατζηχρηστίδη Μαργαρίτα 
Published: April 2023

Το 1958 δύο ερευνητές, οι Jack Kilby (βραβείο Νόµπελ Φυσικής 2000) και Robert Noyce, κατασκεύασαν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, το πρώτο µονολιθικό ολοκληρωµένο κύκλωµα (Ο.Κ.). Από τότε, η ανάπτυξη των Ο.Κ. ακολουθεί τον εµπειρικό νόµο του Moore, δηλαδή κάθε 18 µήνες περίπου η χωρητικότητα των Ο.Κ. διπλασιάζεται. Αυτό οφείλεται: α) στην µείωση της κρίσιµης διάστασης των δοµών του Ο.Κ., οι οποίες ως επί το πλείστον κατασκευάζονται µε τη µέθοδο της φωτολιθογραφίας, β) στην αύξηση της διαµέτρου των δισκίων πυριτίου πάνω στα οποία κατασκευάζονται τα Ο.Κ. και γ) στην αύξηση του αριθµού των επίπεδων στρωµάτων από τα οποία αποτελούνται τα Ο.Κ. Η µείωση των διαστάσεων των στοιχείων ενός Ο.Κ. αποτελεί τον κύριο στόχο της σχετικής έρευνας. Τα τελευταία χρόνια, παράλληλα µε τη Μικροηλεκτρονική, αναπτύσσεται ραγδαία και ο τοµέας των Μικροσυστηµάτων. Πολλά από τα Μικροσυστήµατα κατασκευάζονται µε τεχνικές παρεµφερείς µε αυτές των Ο.Κ., όπως είναι οι τεχνικές διαµόρφωσης σχήµατος των υµενίων και ειδικότερα η λιθογραφία. Για το σκοπό αυτό πολλές φορές απαιτείται η βελτίωση παλιών τεχνικών ή η ανάπτυξη νέων µεθόδων και υλικών. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η µελέτη της δυνατότητας κατασκευής µικροσυστηµάτων µε τη µέθοδο της φωτολιθογραφίας και τη χρήση νέων φωτοπολυµερικών υλικών. Τα υλικά που µελετήθηκαν και αναπτύχθηκαν σε αυτή τη µελέτη εντάσσονται στη κατηγορία των χηµικώς ενισχυµένων φωτολιθογραφικών υλικών. Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν µεγάλα πλεονεκτήµατα κυρίως λόγω της µεγάλης τους φωτοευαισθησίας και της δυνατότητας ρύθµισης των ιδιοτήτων τους µε τροποποίηση των επί µέρους συστατικών τους. Τα χηµικώς ενισχυµένα φωτοπολυµερικά υλικά περιέχουν ως βασικά συστατικά πολυµερή, των οποίων η διαλυτότητα µε τη βοήθεια ενός φωτοπαραγωγού οξέος (παραγωγή πρωτονικού οξέος κατά την έκθεσή του σε κατάλληλο µήκος κύµατος) αλλάζει σε συγκεκριµένους διαλύτες µετά από την έκθεσή τους. Με τροποποίηση του φωτοευαισθητοποιητή είναι δυνατή η επιλογή της επιθυµητής περιοχής έκθεσης. Παράλληλα η τροποποίηση των χηµικών οµάδων των πολυµερών παρέχει πολλές δυνατότητες βελτιστοποίησης των ιδιοτήτων αυτών των υλικών. Στην διατριβή αυτή µελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν δύο συστήµατα χηµικώς ενισχυµένων φωτοπολυµερικών υλικών για δύο από τις πιο χαρακτηριστικές εφαρµογές που συναντώνται στην περιοχή των µικροσυστηµάτων περιλαµβανοµένης και της περιοχής που τελευταία αναφέρεται ως βιονανοτεχνολογία. Στην πρώτη περίπτωση το πρόβληµα προς επίλυση είναι η κατασκευή δοµών µε µεγάλο λόγο ύψους προς πλάτος. Τέτοιες δοµές βρίσκουν εφαρµογή στην κατασκευή µικροκαναλιών, µικρογραναζιών κ.α. Στην αγορά υπάρχει σήµερα φωτοπολυµερικό υλικό που χρησιµοποιείται για τέτοιες εφαρµογές και είναι σύστηµα ενός εποξειδικού πολυµερούς και ενός φωτοπαραγωγού οξέος. Το φωτοπολυµερές αυτό όµως, παρουσιάζει δύο σηµαντικά µειονεκτήµατα: πρώτον, δεν µπορεί να αποµακρυνθεί εύκολα µετά την έκθεσή του σε ακτινοβολία UV, η οποία επιφέρει το σχηµατισµό πολυµερικού δικτύου, και δεύτερον, η εµφάνιση των δοµών γίνεται σε οργανικό διαλύτη (PGMEA) ο οποίος δεν είναι συµβατός µε τοµείς της βιοµηχανίας των Ο.Κ. και δεν είναι φιλικός προς το περιβάλλον. Στη εργασία αυτή διερευνήθηκε η δυνατότητα τροποποίησης των λιθογραφικών υλικών αυτής της κατηγορίας ώστε να δώσουν: α) δοµές µεγάλου λόγου ύψους προς πλάτος, β) να εµφανίζονται σε αραιά διαλύµατα βάσης (ευρέως χρησιµοποιούµενα στη βιοµηχανία Ο.Κ.) και γ) να µπορούν να αποµακρυνθούν εύκολα στο τέλος της διεργασίας. Η προσέγγιση που προτείνεται να ακολουθηθεί είναι η τροποποίηση της σύστασης του υλικού ώστε να επιτευχθεί ο επιθυµητός ρυθµός διάλυσης σε υδατικό εµφανιστή των ανέκθετων περιοχών και ελεγχόµενη διαφοροποίηση της διαλυτότητας της εκτεθειµένης περιοχής. Στη δεύτερη περίπτωση ο στόχος ήταν η ανάπτυξη κατάλληλου φωτοπολυµερικού υλικού, το οποίο να µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε συνδυασµό µε νέα λιθογραφική µέθοδο για την κατασκευή µικροσυστοιχίας βιοµορίων. Οι µικροσυστοιχίες βιοµορίων βρίσκουν πρόσφατα µεγάλη εφαρµογή στην ευρύτερη περιοχή των βιοαναλυτικών διατάξεων και ιδιαίτερα στην ανοσοανάλυση. Υπάρχουν ήδη στην αγορά τέτοιες µικροσυστοιχίες οι οποίες κατασκευάζονται µε µεθόδους ελεγχόµενης µηχανικής εναπόθεσης (ink jetting, microspotting), οι δοµές των οποίων όµως είναι αρκετά µεγάλες, π.χ. κάθε επί µέρους περιοχή οµοίων βιοµορίων έχει διαστάσεις διαµέτρου 100µm. Η σµίκρυνση των διαστάσεων σε µικροσυστοιχίες βιοµορίων συγκεντρώνει πολύ µεγάλο ενδιαφέρον σήµερα και διεθνώς πολλοί ερευνητές ασχολούνται µε το συγκεκριµένο θέµα ενώ συνεχίζουν να παρουσιάζονται νέες µέθοδοι κατασκευής τέτοιων µικροσυστοιχιών. Στην εργασία αυτή, σκοπός είναι η κατασκευή µικροσυστοιχιών βιοµορίων µε χρήση κατάλληλα τροποποιηµένων φωτοπολυµερικών υλικών µηχανισµού χηµικής ενίσχυσης. Εισάγεται ένα νέο λιθογραφικό σχήµα για την κατασκευή των µικροσυστοιχιών, οι λιθογραφικές διεργασίες του οποίου θα πρέπει να είναι συµβατές µε την εναπόθεση βιοµορίων. Επιπρόσθετα, οι λιθογραφικές ιδιότητες των υλικών θα πρέπει να είναι κατάλληλες ώστε να κατασκευαστεί πυκνή µικροσυστοιχία διαφορετικών βιοµορίων δοµών διαστάσεων πολύ µικρότερων από 100 µm (ακόµα και µικρότερων από 1µm). Η προσέγγιση που προτείνεται και στην περίπτωση αυτή βασίζεται στη µεγιστοποίηση της διαφοροποίησης της διαλυτότητας της εκτεθειµένης και της ανέκθετης περιοχής του λιθογραφικού υλικού. Στη συνέχεια, θα επιδειχτεί η κατασκευή µικροσυστοιχιών διατάξεων µέχρι του ελαχίστου ορίου που επιτρέπει το χρησιµοποιούµενο σύστηµα έκθεσης. Παράλληλα, η διαδικασία θα χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή διατάξεων µε προκαθορισµένη γεωµετρία όπως π.χ. ηλεκτροχηµικών αισθητήρων µε χρήση των τεχνικών κατασκευής µασκών και ευθυγράµµισης των επί µέρους στοιχείων της µικροδιάταξης. Θα πρέπει να σηµειωθεί εδώ ότι οι συνθήκες που πρέπει να πληροί µία λιθογραφική διαδικασία ώστε να είναι συµβατή µε την παρουσία βιοµορίων είναι: α) θερµικές διεργασίες σε θερµοκρασίες µικρότερες των 50oC, β) εµφάνιση σε αραιό διάλυµα βάσης (TMAH) συγκέντρωσης µικρότερης από 2,6 x10-3 N και γ) έκθεση σε µήκη κύµατος µεγαλύτερα από 300nm. Οι απαιτήσεις αυτές περιορίζουν σηµαντικά τις δυνατές επιλογές βελτιστοποίησης του υλικού προς την κατεύθυνση της επίπεδης λιθογραφίας υψηλής διακριτικής ικανότητας και δυνατότητας επαναλαµβοµένων λιθογραφικών κύκλων. Συµπερασµατικά, σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση των δυνατοτήτων που παρέχει ο κατάλληλος σχεδιασµός τα φωτοπολυµερικών υλικών χηµικής ενίσχυσης για την κατασκευή µικροσυστηµάτων µε τη µέθοδο της φωτολιθογραφίας, η οποία εφαρµόζεται κυρίως για την κατασκευή Ο.Κ. Η επιτυχής αντιµετώπιση του σκοπού αυτού θα οδηγήσει σε νέες εφαρµογές µε µεταφορά τεχνογνωσίας από την περιοχή της Μικροηλεκτρονικής, και ιδιαίτερα από την περιοχή του σχεδιασµού και ανάπτυξης πολυµερικών υλικών της λιθογραφίας, σε αυτή των Μικροσυστηµάτων. Η εργασία αυτή περιλαµβάνει, εποµένως, εκτεταµένη µελέτη της επίδρασης των παραµέτρων του υλικού και των επί µέρους διεργασιών στην τελική λιθογραφική συµπεριφορά του φωτοπολυµερούς.