Prima di poter realizzare la struttura dei microcanali su un substrato di silicio attraverso la litografia ottica, ho dovuto fabbricare una fotomaschera69. Una fotomaschera è una
lastra sottile di vetro o di quarzo in cui è presente l’immagine da litografare ed è costituita da zone chiare in cui passano i raggi UV e zone scure in cui i raggi non passano. Durante la litografia ottica, la fotomaschera viene posizionata tra la lampada ad UV e il substrato. In questo modo la luce che la attraversa colpisce solo alcune regioni del substrato, permettendo il trasferimento dell’immagine.
Attraverso il software Klayout ho progettato il CAD del mio dispositivo microfluidico da trasferire prima sulla fotomaschera e in seguito sullo stampo di silicio. Il chip che ho progettato è costituito da tre canali ampi 200 µm e lunghi 1 cm che convergono in un unico canale centrale con la medesima ampiezza ma lungo 2.5 cm. Ho scelto di progettare un dispositivo con una lunghetta totale di 4 cm e larghezza di 2 cm per utilizzare un vetrino portaoggetti al momento del montaggio del chip. I due canali laterali non sono perpendicolari rispetto al canale centrale, come nella classica forma a croce sviluppata da altri studi70, ma sono disposti a 45° (Figura 8).
Figura 8. CAD del dispositivo microfluidico che ho progettato con l’utilizzo del software Klayout per la sintesi di NP polimeriche.
La disposizione dei canali laterali a 45° è stata scelta per far sì che, quando il liquido viene iniettato nei canali laterali, sia sfavorito a tornare indietro verso l’entrata del canale centrale ma prosegua più facilmente verso la direzione del flusso.
Evaporazione di sottili film metallici
Per realizzare la fotomaschera ho utilizzato un vetrino portaoggetti lungo 4.5 cm e largo 2.5 cm. Dopo essere stato opportunatamente lavato con acetone e 2-propanolo in presenza di ultrasuoni, il vetrino è stato trattato con plasma ossigeno con una potenza di 100 W per 1 min al fine di eliminare i possibili residui organici. In seguito, ho depositato un sottile strato di metallo sulla sua superficie utilizzando la tecnica dell’evaporazione termica71. Un evaporatore è costituito da una camera ad alto vuoto in cui vengono
raggiunte temperature tali da far evaporare i metalli. Il campione viene posizionato nella parte alta della camera e con la superficie da metallizzare verso il basso. L’alluminio viene disposto in un crogiuolo, costituito da un materiale con una temperatura di fusione più elevata rispetto a quella in cui evapora il metallo utilizzato. Quando si instaura l’alto
quella della camera permettendo l’evaporazione del metallo che si deposita sul campione creando un sottile film metallico (Figura 9). Grazie all’instaurazione di un alto vuoto (< 10-4 mTorr) si può effettuare un’evaporazione del campione a basse velocità (1-3 Å/s)
per ottenere una deposizione di pochi nm.
Figura 9. Schema di un evaporatore termico. Dopo aver instaurato il vuoto nella camera, un impianto riscaldante fa aumentare la temperatura del crogiuolo che contiene il metallo da evaporare. Il metallo che è evaporato di deposita sul campione posto in alto nella camera dell’evaporatore.
Ho usato l’evaporatore per depositare 160 nm di alluminio sul vetro in cui ho realizzato in seguito la fotomaschera. Il metallo sul vetro costituisce le zone scure della fotomaschera in cui i raggi UV non passeranno e ho scelto di depositarne una quantità sufficiente ad evitare di rimuovere inavvertitamente l’alluminio con le pinzette nei passaggi di fabbricazione successivi.
Litografia ottica
Per trasferire l’immagine del dispositivo microfluidico sulla fotomaschera ho utilizzato il
resist positivo S 1818. Il processo di fabbricazione che ho eseguito, descritto nel capitolo “Materiali e metodi”, ha richiesto lo spin-coating del resist sul vetrino, seguito da un
fotomaschera al microscopio ottico con filtro verde dopo il processo di litografia ottica e sviluppo resist. Ho utilizzato un filtro verde sul microscopio ottico per impedire ai raggi UV di raggiungere il resist sviluppato ed evitare così di esporre ulteriormente la struttura. È evidente come la porzione del resist che è stata raggiunta dagli UV sia stata rimossa durante lo sviluppo con il developer.
Figura 10. Immagine al microscopio ottico con filtro verde della fotomaschera dopo lo sviluppo del resist S 1818. L’immagine del chip è costituita dalle regioni verde chiaro, in cui è stato dissolto il resist dopo lo sviluppo. Le porzioni in verde scuro sono costituite dal resist non esposto alla luce UV.
Etching
Al termine del processo di litografia il campione viene sottoposto all’etching. La tecnica dell’etching viene utilizzata per rimuovere strati di metallo sulla superficie di strutture non ricoperte dal resist. Ho utilizzato il processo chimico, detto anche etching ad umido72, che prevede l’utilizzo di una soluzione chimica costituita da ossidanti che
ossidano il metallo non protetto dal resist e acidi che lo rimuovono. In particolare, ho utilizzato il developer MF319 che ha eliminato l’alluminio non ricoperto dal resist. Il
processo chimico avviene in maniera isotropa, quindi agisce ugualmente in tutte le direzioni. Al termine del processo di fabbricazione, la fotomaschera presenta l’immagine del chip microfluidico con canali ampi 200 µm (Figura 11).
Figura 11. Immagini della fotomaschera dopo il processo di etching chimico. A sinistra (a) vi è un’immagine al microscopio ottico del punto in cui i tre canali convergono nel canale centrale. A destra (b), una foto della fotomaschera per intero.