הדפסה במיקרו-מגע
הדפסה במיקרו מגע היא סוג של ליתוגרפיה רכה תבנית:אנ להדפסה מולקולארית על פני מצע באמצעות גלופה רכה העשויה מ-Polydimethylsiloxane תבנית:אנ (או בקיצור PDMS) הפועלת כחותמת. החותמת PDMS מוצפת בחומר המולקולארי ולאחר מכן מוצמדת למצע. המגע של תבנית ה-PDMS עם המצע בתהליך של החתמה מטביעה את תבנית הגלופה על פני שטח המצע באמצעות החומר המולקולרי המקיים תהליך של הרכבה עצמית בבואו במגע עם פני השטח. לאחר ההחתמה מתקבלת תבנית ברזולוציה של ננומטרים בודדים על פני המצע. המאפיינים האלסטיים של החותמת העשויה מ-PDMS מאפשרים החתמה גם על פני מצעים שאינם שטוחים.
שילוב של שיטות הדפסה הידועות זה עשרות שנים, המבוססות על החתמת תבנית על מצע, עם שיטות פוטוליתוגרפיות המאפשרות יצירת תחריטים וגלופות ברזולוציה גבוהה יצרו את הבסיס לשיטות חדשניות כמו הדפסה במיקרו מגע. שיטה של הדפסה במיקרו מגע הוצגה על ידי ג'ורג' מ. ווייתסידס (George M. Whitesides) תבנית:אנ ואמית קומר (Amit Kumar) באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20 באוניברסיטת הרווארד. בעקבות האמצאה שלהם התפתחו שיטות מגוונות של ליתוגרפיה רכהתבנית:הערהתבנית:הערהתבנית:הערהתבנית:הערהתבנית:הערהתבנית:הערה.
תהליך ההדפסה
- שיטת ההדפסה במיקרו מגע היא בעלת כמה שלבים:
בניית גלופת מקור - המסטר
- בנייה של גלופת מקור הנקראת "מסטר", מתבצעת בתהליך של פוטו-ליתוגרפיה רגילה, כאשר מקרנים קרני UV דרך מסכה שבה מוטבעת התבנית הרצויה. בדרך כלל יוצרים את גלופת המקור על מצע של פרוסת צורן (סיליקון), אך כל חומר בעל מבנה גבישי מסודר מתאים. בסוף של התהליך גלופת המקור מנוקה.
יצירה של גלופה רכה מ-PDMS, חותמת
- יוצקים את תערובת ה-PDMS על המסטר הנמצא במכל. בתערובת PDMS בדרך כלל נמצאים: אלסטומר סיליקון תבנית:אנ, גורם מצמד להקשחת ה-PDMS, וזרז מפלטינה. היחסים בתערובת משתנים בהתאם לסוג יישום. מייבשים היציקה בטמפרטורות גבוהות כדי ליצור פולימר מוצק עם מאפיינים אלסטיות. את גלופת ה-PDMS מקלפים וחותכים בהתאם לגודל רצוי. התבנית שמתקבלת היא תשליל טופוגרפי למסטר, תבליטים על ה-PDMS מתקבלות במקומות שהיו בקעות במסטר והפוך.
דיותת גלופת ה-PDMS
- דיותת גלופת ה-PDMS מכילה תערובת על בסיס חומר מולקולארי המורכב משרשרות פחמניות בעלי קבוצות תיוליות (Thiol). הגלופה מוטבלת בחומר או מכוסה בו, בהתאם לסוג שיטת יישום. בגלל תכונות הידרופוביות של PDMS התערובת מפעפעת לתוך ה-PDMS ולא נמצאת רק על שטח פניו. נוכחות של התערובת בתוך ה-PDMS מתפקדת כמאגר לחומר ומאפשרת הטבעה רב פעמית. רק לאחר שכל התערובת תפעפע פנימה ושטח פנים של המסטר יתייבשו ניתן להשתמש בו.
הצמדה של הגלופה למצע
- בתהליך פשוט של מגע ישיר, גלופת ה-PDMS נוגעת פיזית במצע והתערובת המולקולארית מוטבעת על פני המצע. למרות שכל ה-PDMS ספוג בתערובת רק התבליטים נוגעים במצע כתלות בתכנון המסטר. בזמן ההטבעה שרשרות הפחמן של תערובת מקיימים תהליך של הרכבה עצמית עם שטח פנים של המצע כאשר הקבוצות התיוליות נקשרות אל פני שטח המצע. תהליך זה נמשך בין 40 ל-60 שניותתבנית:הערה ובסופו מתקבל הדפס בעל שכבה בעובי מולקולרי של החומר על המצע.
טכניקות נוספות
- ישנה טכניקה נוספת להטבלת בשיטת גלגול. בשיטה זו מגלגלים את הגלופה בצורת גליל על פני שטח מצע שטוחים, או להפך מגלגלים מצע עגול על פני גלופה שטוחה.
יתרונות של הדפסה במיקרו מגע
- תהליך ההטבעה פשוט ולא דורש לחצים גבוהים או טמפרטורות גבוהות.
- ניתן לבצעה תהליך בטמפרטורת החדרתבנית:הערה.
- לחץ הצמדה נמוך, פחות מ-תבנית:הערהתבנית:הערה.
- שטח ההדפסה גדול מאוד. מכיוון שחותמת עשויה מחומר אלסטי ניתן להשתמש בה על פני שטח גדול כמו פרוסת סיליקון בקוטר של עד 300 מילימטר. בשיטות דומות בהם משתמשים בחותמות קשיחות גודל ההדפסה הוא עד 25x25 מילימטרתבנית:הערה.
- דיוק גבוה – רזולוציית הדפסה עד 50 ננומטר על פני כל שטח מצעתבנית:הערה.
- אין צורך בחדר נקי (חדר נקי נדרש רק לייצור גלופת המקור בתהליך של פוטוליתוגרפיה).
- המאפיינים האלסטיים של החותמת העשויה מ-PDMS מאפשרים החתמה גם על פני מצעים שאינם שטוחים.
- אפשרת הטבעה רב פעמית עם חותמת יחידה בלי לחזור לדיותה ובלאי מזערי של החותמת.
- שיטה פשוטה, זולה וחסכונית להדפסה מולקולארית ברזולוציה של ננומטרים.
יישומים
יתרונות של השיטה, הדפסה במיקרו מגע, מאפשרים שימוש בשיטה זו במעבדות קטנות, אוניברסיטאות ומרכזי פיתוח. בהתאם לסוג מצע וסוג דיו בשיטת זו משתמשים ביישומים שונים, כגון:
מיקרו מעגלים אלקטרונים
- שימוש בשיטת הדפסת מיקרו מגע להדפסת מעגלים חשמליים בממדים ננומטרים. שימושי בשלבי פיתוח ותכנון ביצועי המעגלים. השיטה כלכלית גם עבור הדפסה של מספר קטן של מצעים.
ביו טכנולוגיה
- הדפס בממדים קטנים מאוד, מגודל של תאים, מאפשרים יצירת מבנים ננומטרים שישמשו להנדסת רקמות או פיתוח שבבי DNA לזיהוי וסריקת הגנום. מהירות השיטה וצריכה מועטה של חומרי גלם מהווים יתרון משמעותי לשיטה זו ביישומים אלה. בשיטה זו חוקרים גם את האינטראקציה של תאים עם חומרים שונים בממדים מולקולריים על פני מצע, תחום מחקר שמתאפשר רק בעקבות שיטה הדפסה במיקרו מגע.
מיקרו מכונות
- שיטה של הדפסה במיקרו מגע מתאימה ליישומים של הדפסת מיקרו מכונות, MEMS. עבור יישומים אלה משתמשים בתערובת אלקאן-תיול תבנית:אנ עם ריכוז של מתכות כמו נחושת, פלדיום, כסף או זהב כאשר האלקאן-תיול מהווה את דיותת גלופת ה-PDMS. בעת מגע שלאלקאן-תיול עם המצע של מתכת יוצרת מגע קשוח וחזק עם המצע בתבנית שתוכננה במסטר (גלופת המקור), הדבר שמאפשר ייצור תבנית חדה במיוחד וברזולוציה גבוהה. תכונה זו מאוד הכרחית לבניה של מיקרו מכונות בגלל מספר גדול של החזרות הנדרש לקבלת תבנית סופית תלת־ממדית באמצעות ריבוד השכבות, כך שכל שכבה חדשה מרובדת על שכבה שמתחתיה.