آزمایش شماره ۳۲:نانو لیتوگرافی وشبیه سازی آن

۱-هدف

آشنایی با نانولیتوگرافی و انجام آزمایشی ساده برای درک بهتر موضوع

۲-مقدمه

آیا تا به حال با خود اندیشیده‌اید که چگونه با پیشرفت تکنولوژی، اندازه و ابعاد وسایل الکترونیکی نظیر موبایل و لپ‌تاپ کوچک شده است؟ پاسخ این است که دانشمندان برای کاهش اندازه قطعات الکترونیکی، بایستی ابعاد تراشه‌های موجود در این قطعات را کوچک کنند. آنها حتی قادرند به کمک روش "لیتوگرافی" مدارهایی در حد و ابعاد نانو بسازند! یا به بیان دقیق‌تر به کمک روش "نانولیتوگرافی".

"لیتوگرافی" در لغت به معنای "حکاکی بر روی سنگ" است. "نانولیتوگرافی" چیست؟ نانولیتوگرافی به زبان ساده یعنی حکاکی کردن و ایجاد طرح دلخواه در ابعاد نانومتری بر روی یک سطح دلخواه که به آن "زیرلایه" گفته می‌شود. با استفاده از این روش می‌توان الگوها یا طرح‌های مورد نظر را روی سطحِ زیرلایه، ایجاد کرد. لیتوگرافی انواع مختلفی دارد که یکی از آن‌ها استفاده از یک "ماسک نوری" برای تولید تراشه‌های نانویی می‌باشد (شکل 1). به این روش "لیتوگرافی نوری" گفته می‌شود. در شکل 2 شماتیک ساده‌ای از لیتوگرافی  نوری را  مشاهده می‌کنید.  قابل ذکر است که لیتوگرافی نوری پرکاربردترین نوع لیتوگرافی در صنعت است؛ به طوری که می‌توان گفت تمامی محصولات الکترونیکی که به صورت تجاری در حال تولید هستند، با استفاده از این نوع لیتوگرافی تولید می‌شوند.

۳-تئوری آزمایش

قبل از توضیح روش نانولیتوگرافی نوری باید به توضیح چند اصطلاح بپردازیم:

نور فرابنفش: قسمتی از طیف امواج الکترومغناطیسی با طول موج بین۱۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر است.

زیرلایه: سطحی صاف و صیقلی که طرح‌ها و اجزای مختلف با استفاده از فرآیند لیتوگرافی بر روی آن ایجاد می‌شوند.

فُتورِزیست (یا ماده مقاوم): ماده‌ای که نسبت به نور حساس است و با برخورد نور به آن، در آن فعل و انفعلات شیمیایی رخ می‌دهد. فتورزیست‌ها به دو دسته "مثبت" و "منفی" تقسیم‌بندی می‌شوند.

ماسک نوری: ماسکی که بر روی آن طرح مورد نظر ایجاد شده است. این ماسک به گونه‌ای ساخته شده است که در قسمت‌هایی شفاف و در قسمت‌هایی غیرشفاف است. یعنی در قسمت‌هایی نور را از خود عبور می‌دهد و در قسمت‌هایی مانع از عبور نور می‌شود.

محلول ظاهرکننده: محلولی شیمیایی که زیرلایه پس از قرار گرفتن در معرض تابش، در آن شستشو داده می‌شود.

اِچ کردن: فرآیند اِچ کردن یا اسیدشویی به معنای ایجاد خوردگی کنترل شده بر روی سطح است.

شکل ۱: شِمایی از یک ماسک نوری

شکل ۲: شِمایی از روش لیتوگرافی نوری

در شکل (۳) شِمایی از فرآیند کلی "نانولیتوگرافی" به صورت ساده نشان داده شده است. در این روش، ابتدا سطح زیرلایه به منظور حذف هرگونه آلودگی شستشو داده شده و سپس با یک ماده فُتورِزیست (ماده مقاوم) پوشش داده می‌شود. در ادامه به سطح، پرتوهای فرابنفش تابانده می‌شود، اما یک ماسک نوری که حاوی طرح مورد نظر می‌باشد، در جلوی سطح قرار داده می‌شود. نور از قسمتهایی از ماسک که شفاف است عبور کرده و به سطح فُتورِزیست برخورد می‌کند (از قسمتهای غیرشفاف عبور نمی‌کند). در قسمتهایی از فُتورِزیست که در معرض تابش نور فرابنفش قرار گرفته‌اند، فعل و انفعالات شیمیایی رخ می‌دهد. اگر فُتورِزیست "مثبت" باشد، در اثر تابش نور فرابنفش، انحلال‌پذیری آن زیاد و اگر "منفی" باشد، انحلال‌پذیری آن در محلول ظاهرکننده، کم می‌شود (شکل ۴). سپس زیرلایه را در درون محلول ظاهرکننده قرار داده تا با انحلال فتورزیست، طرح مورد نظر بر روی آن ایجاد شود. در مرحله نهایی بخشهایی از سطح زیرلایه که ماده مقاوم از آنها محافظت نمی‌کند، حذف می‌شوند. به این کار اصطلاحا "اِچ کردن" گفته می‌شود.

شکل ۳: شمایی دیگر از روش لیتوگرافی نوری

شکل۴: تفاوت طرح نهایی ایجاد شده با ماده فُتورِزیست مثبت و منفی. همان‌طور که مشاهده می‌شود در حالتی که فتورِزیست مثبت باشد، در مرحله "ایجاد طرح"، قسمت‌هایی از فتورزیست که در معرض تابش نور فرابنفش قرار گرفته‌اند، از بین می‌رود و در حالتی که فتورزیست منفی باشد، قسمت‌هایی که در معرض فرابنفش قرار گرفته‌اند، باقی مانده و باقی قسمت‌های فتورزیست از بین می‌روند.

۴-روش کار آزمایش

 برای درک بهتر روش لیتوگرافی نوری، آزمایش زیر را با کمک مربی یا والدین خود انجام دهید.

دانش‌آموزان عزیز توجه داشته باشید این آزمایش یک شبیه‌سازی برای درک بیشتر لیتو‌گرافی است.

به طور مثال: فندک آتش‌زا به منزله نورتابیده شده، مارشمالو به عنوان زیر‌لایه و فویل آلومینیومی مشابه ماسک نوری عمل می‌کند.

و در این آزمایش مرحله اچ کردن و حذف لایه محافظ به کار برده نمی‌شود.

 درنهایت انتظار می‌رود دانش‌آموزان با نانو‌لیتو‌گرافی بر روی تراشه‌ها و کاربرد گسترده آن در صنعت آشنا شوند.

شکل۵: اشکال مختلف لیتو گرافی

۱-۴-مواد و ابزار مورد نیاز

مارشمالو (با هر طعم یا رنگی)

فویل آلومینیومی

قیچی یا تیغ کاتر

انبر

سشوار یا فندک آتش‌زا یا رنگ غذا

نکته مهم: آزمایش زیر رو حتما به کمک مربی یا والدین انجام دهید.

۲-۴-روش انجام آزمایش

مرحله اول: یه شب قبل انجام آزمایش، مارشمالوها را در هوای آزاد بگذارید تا کمی خشک شوند.

دوم: فویل آلومینیومی رو حداقل 6 بار تا بزنید تا ضخامتش زیاد شود. دقت کنید فویل نهایی به اندازه کافی پهن باشد که تمام سطح مارشمالو رو بپوشاند.

سوم: به کمک یک قیچی یا چاقوی فشرده‌سازی (X-acto) شکل دلخواه خودتان ( همان شکلی که می‌خواهید نهایتا روی مارشمالو ایجاد بشود) را روی فویل آلومینیومی ایجاد کنید (مثلا مشابه شکل زیر).

شکل۶: طرح روی فویل

چهارم: مارشمالو را روی یه سطح که نسبت به حرارت مقاوم است قرار دهید و بعد روی آن را با فویلی که در مرحله 3 آماده شده بپوشانید.

پنجم: به کمک انبر، فویل آلومینیومی را که دورتادور مارشمالو پیچیده‌اید، نگه داشته و بعد سشوار یا فندک آتش‌زا را روشن کنید و با فاصله حداقل 10 سانتی‌متر از مارشمالو نگه دارید (درصورت نیاز فاصله گفته شده را کمتر یا بیشترکنید).

ششم: حرارت دادن را تازمانی که شکل مورد نظر روی مارشمالو ایجاد شود ادامه دهید (توجه کنید که حرارت زیاد موجب ذوب مارشمالو می‌شود).

هفتم: می‌توانید در مراحل بالا به جای استفاده از سشوار یا فندک آتش‌زا، از رنگ غذا استفاده کنید.

شکل ۷: طرح ایجاد شده روی مارشمالو به کمک فندک آتش زا(عکس سمت راست) به کمک سشوار(عکس سمت چپ)