Após o projeto do layout das MEAs, inicia-se a produção dos dispositivos. O processo de fabricação se baseia no método convencional de microfabricação em silício e foi adaptado para o substrato de vidro.
Com base no diagrama esquemático da Figura 33, que ilustra as camadas que compõem este dispositivo, o procedimento adotado pode ser dividido em cinco fases: (1) escolha e limpeza do substrato, (2) condutor, (3) grafeno, (4) isolação, e (5) finalização do dispositivo.
(a)
(b)
Figura 33 – Diagrama esquemático para a: (a) primeira; e (b) segunda versões da MEA produzida neste projeto de doutorado.
Inicialmente, há a escolha e limpeza do substrato (etapa 1), seguida pela definição dos padrões que definirão a camada de TiN (etapa 2) através da técnica de lift-off, e o nível de grafeno
(etapa 3). Depois, a camada isolação por óxido de silício (etapa 4) é realizada e, para concluir a fabricação da MEA, um anel é colado sobre a superfície do dispositivo na sua região central (etapa 5).
Dessa forma, na sequência, cada um dos aspectos referentes às etapas de fabricação das MEAs de grafeno é discutido com maior detalhamento.
4.2.1 Escolha e limpeza do substrato
Embora haja uma ampla gama de materiais para serem empregados como substratos de MEA, os mais comuns são o silício, safira e vidro (GABAY, 2009; GAIO et al., 2016; KIM et al., 2014; KUNDU et al., 2019). Devido às necessidades exigidas para substrato de MEAs, tais como trans- parência óptica, inércia química, custo e propriedades elétricas, o último tem se destacado sobre os demais (KHAN; NEWAS, 2013; KHAN; NEWAS, 2013).
Assim, o material escolhido para o substrato aqui foi o vidro (Perfecta, São Paulo, Brasil), um dos mais comuns quando se trata deste tipo de dispositivo. Dentre suas principais vantagens, estão a resistência química, alta estabilidade térmica, transparência óptica (o que permite sua utilização com microscopia invertida durante os experimentos), isolação elétrica (a qual reduz elementos parasitários que geralmente aparecem em substrato de silício), e biocompatibilidade (NGUYEN; WERELEY, 2002).
Na sequência, foi realizada a limpeza dos mesmos. Trata-se de uma fase essencial, pois garante que as impurezas que porventura estejam contidas no substrato alcancem as camadas subsequentes e, portanto, visa evitar a contaminação do dispositivo que será criado sobre o vidro.
Para tanto, todos os substratos utilizados aqui foram previamente limpos seguindo o pro- tocolo de limpeza de vidro, descrito em detalhes na Erro! Fonte de referência não encontrada.5 (Figura 34). Entre cada etapa de limpeza, as lâminas são submetidas a enxágue por fluxo de água deionizada (18 MΩ) por cerca de 1 minuto.
Após esta limpeza, o substrato de vidro passa por secagem por jato de nitrogênio e ele está pronto para seguir para os passos subsequentes de fabricação da MEA.
Tabela 5 - Descrição do processo de limpeza dos substratos de vidro
Reagentes Razão Tempo Descrição
EXTRAN MA02 (3%
v/v, Merk) - -
Imersão em solução detergente até que o meio atinja a temperatura de 60ºC, para maior eficiência da lim- peza. Responsável pela remoção de micropartículas e gordura.
EXTRAN MA02 (3%
v/v, Merk) - 10 min
Introdução em uma lavadora ultras- sônica (UltraSonic Cleaner, LJSC 1400, Unique)
Água deionizada, pe- róxido de hidrogênio
e hidróxido de amô- nio
5:1:1 15 min
Imersão em água até atingir a tem- peratura de ± 85ºC. Neste ponto, são adicionados ao meio o peróxido de hidrogênio (30%, da UltraPure Solutions Inc) e o hidróxido de amô- nio (29%, da J. T. Baker) quando a temperatura estiver em 80ºC.
(a) (b) (c)
Figura 34 – Etapas de limpeza das lâminas de vidro: na primeira etapa (a), elas são submersas em solução deter- gente. Na sequência, (b) o recipiente contendo a solução detergente é transferido para a lavadora ultrassônica (Ul- traSonic Cleaner LJSC 1400, Unique). Por fim, as amostras passam pela terceira fase de limpeza, mergulhando-se as
mesmas em solução de água com peróxido de hidrogênio (30% da UltraPure Solutions, Inc) e hidróxido de amônio (29% da J. T. Baker), na proporção de 5: 1: 1, respectivamente.
4.2.2 Condutor
O próximo estágio é a confecção dos eletrodos, trilhas e pads de contato. Embora haja uma ampla gama de materiais disponíveis (como ouro, platina, óxido de irídio), uma das opções mais tradicionais em MEAs é o TiN. Isto porque este material apresenta características adequadas para ser empregado em dispositivos que devem registrar e estimular a atividade neuronal, com baixo nível de ruído e por longos períodos (baixa impedância, biocompatibilidade, excelente es- tabilidade e grande capacidade de injeção de carga) (KIREEV et al., 2017a ; MASSOBRIO et al., 2017; TAKETANI; BAUDRY, 2006).
Portanto, ele foi escolhido para compor as estruturas condutoras nas MEAs. Para tanto, primeiro é realizada a definição do padrão sobre a qual o condutor deve permanecer. A técnica utilizada aqui é o lift – off. Inicialmente, um padrão negativo é criado sobre uma camada de fo- torresiste que é depositada sobre o substrato. Na sequência, o condutor é depositado e, por fim, a amostra é inserida em uma solução que remove o fotorresiste com consequente eliminação do filme condutor sobre ele. Assim, a região onde não havia fotorresiste permanece depositada, for- mando a região desejada na MEA, ou seja, somente a região das trilhas e pads de contato conti- nuarão com TiN (KIM et al., 2013; SILVA, 2015).
Para que isto seja possível, o processo de litografia deve ser empregado, o qual, resumi- damente, consiste na técnica que permite a criação de padrões específicos sobre o material de- sejado de tal forma que produza o dispositivo em questão. Em função do feixe de energia utili- zado, ela pode ser classificada em quatro grupos: (a) fotolitografia; (b) litografia por raio-x; (c) litografia por feixe de íons; e (d) litografia por feixe de elétrons (SANTOS, 2013).
Na presente tese, o método usado para fabricação das MEAs é o litografia óptica por es- crita direta através de dois sistemas (Figura 35): (a) DWL 66FS (Heidelberg, Alemanha), um gera- dor de padrões de alta resolução capaz de gerar máscaras e escrita direta, sobre substratos de até 6 polegadas ou 200 mm de diâmetro, em escala micrométrica e submicrométrica. Além disso, permite o alinhamento dos níveis tanto por cima quanto por baixo dos mesmos (http://www.prin- ceton.edu/prism/mnfl/the-tool-list/heidelberg-dwl66/Heidelberg-DWL66-Laser-Writer.pdf); e, (b) MicroWriter ML3 (Durham Magneto Optics Ltd, Inglaterra), uma ferramenta compacta e
bastante versátil, especialmente projetada para desenvolvimento de sensores, sistemas micro e nanoeletromecânicos, microfluídica, grafeno e materiais bidimensionais, entre outros (http://www.durhammagnetooptics.com/products/microwriter300619).
(a) (b)
Figura 35 – Fotografia dos sistemas (a) DWL 66FS, e (b) MicroWriter ML3, utilizados para a definição dos padrões das MEAs, no Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI).
Como pode ser verificado acima, sobre uma mesa óptica com isolamento para vibração, seu sistema é conectado a um computador com software baseado em Windows e, assim, permite que suas exposições sejam configuradas e iniciadas facilmente com apenas alguns cliques. Seu software possibilita que operador selecione diferentes resoluções (0,6 μm, 1 μm, 2 μm ou 5 μm), garantindo uma execução rápida das regiões não críticas do projeto, enquanto as demais são mantidas em escrita de alta resolução.
Embora sistemas tradicionais de fotolitografia exijam a utilização de máscaras de vidro durante as exposição para que os seus padrões em cromo sejam transferidos para a superfície de um material fotossensível – fotorresiste – pela exposição à luz visível ou ultravioleta, em muitos casos, é necessário variar o layout da máscara com frequência. É devido a este fator que este
trabalho focou na fabricação das MEAs via litografia por escrita direta, a qual substitui a projeção da luz através da fotomáscara por uma óptica controlada pelo computador que contém o projeto e envia comandos para exposição direta sobre a amostra. Ou seja, não há necessidade de produzir fotomáscaras, reduzindo o custo de confecção das MEAs (RAI-CHOUDHURY, 1997).
Dessa forma, o processo de litografia para lift-off (Figura 36) pode ser resumido em uma sequência de etapas (KIM et. al., 2013; RAI-CHOUDHURY, 1997):
i. Deposição de fotorresiste, polímero fotossensível, que, neste momento, é líquido e atuará como uma camada sacrificial sobre a superfície da amostra. Através do spinner, este ma- terial é espalhado por centrifugação por meio de um disco rotativo que gira a altas velo- cidades por um tempo pré-determinadas pelo usuário. Com isso, esse fotorresiste forma um filme uniforme em toda a lâmina.
ii. Pré-cura: etapa responsável pela evaporação do solvente contido no fotorresiste, preve- nindo, assim, a contaminação da máscara (para o caso de fotolitografia), além de densifi- car e melhorar a adesão do mesmo à lâmina. Para tanto, ela é colocada em uma estufa ou sobre uma placa quente sob temperatura adequada;
iii. Escrita do padrão negativo na amostra. Aqui, a transferência destes padrões ocorre de forma seletiva do fotorresiste. O laser do equipamento de escrita direta sensibiliza as re- giões desejadas do material. Com isso, estes locais são polimerizados, e os demais, não; iv. Pós cura, momento no qual ocorre o endurecimento do resiste e redução do stress mecâ-
nico, com consequente aumento da sua adesão à amostra;
v. Revelação química do fotorresiste. Por meio de uma imersão em uma solução reveladora, as parcelas indesejadas e não polimerizadas deste fotorresiste são dissolvidas e removidas do substrato, o que acaba definindo os padrões esperados na amostra;
vi. Deposição do condutor que deve compor as estruturas da MEA;
vii. Imersão da amostra em solução que remove o fotorresiste e, consequentemente, o filme metálico sobre ele, o que faz com que permaneça com metal somente nas regiões condu- toras da MEA, como eletrodos, trilhas e pads de contato (sem fotorresiste);
Para finalização do processo de lift-off, as amostras passam por fluxos de isopropanol e água deionizada, com secagem por jato de nitrogênio, para então serem encaminhadas para lim- peza orgânica.
(a) (b)
(c) (d)
(e)
Figura 36 – Diagrama esquemático para o processo lift-off: (a) Deposição e espalhamento do fotorresiste sobre toda a superfície da lâmina; (b) definição do padrão negativo sobre o fotorresiste; (c) deposição do material condu-
tor; (d) revelação da amostra; e (e) procedimento finalizado, deixando o metal somente sobre a região da lâmina onde foi projetado estar os eletrodos, trilhas e pads de contato das MEAs.
Com base nisso, a receita adaptada ao vidro para a litografia lift-off para a produção da região condutora da nossa MEA é: espalhamento de fotorresiste AZ 1518 a 6000 rpm por 30 se- gundos (para espessura de 1,47 µm), cura a 95ºC por 1 minuto, definição do padrão por escrita direta, nova cura a 95ºC por 1 minuto, e revelação por 1 minuto em AZ726MIF (MicroChem, Wes- tborouth, Estados Unidos).
Na sequência, a deposição de TiN foi realizada através do sistema de pulverização catódica (sputtering, em inglês), método que deposita determinado material sobre a amostra via ejeção de um alvo pelo bombardeamento da sua superfície com íons de argônio.
Por meio dela, é possível depositar uma ampla gama de filmes, tais como alumínio e suas ligas, platina, ouro, silício e dióxido de silício, titânio e, inclusive, silicetos de metais refratários (GAIO et. al., 2016; FERRO et. al., 2018; WANG et. al., 2019). Dentre as características destes fil- mes, destacam-se a excelente uniformidade, densidade, pureza e aderência (SAMATERIALS, 2015).
Visando a maior eficiência do processo (transferência de momento), deve-se considerar a utilização de um gás com peso atômico próximo ao do alvo. Dessa forma, geralmente, o gás em- pregado é inerte, como o argônio, embora haja relatos com o neón, para elementos leves, e xe- nônio ou criptônio, para alvos de elementos mais pesados (CARNIO, 2018).
Assim, as partículas ionizadas se difundem até atingir a amostra ou a parede da câmara de vácuo do equipamento (Figura 37). Quando surge maior pressão de gás, os átomos deste gás colidem com os íons, que, ao se mover de forma difusa, alcança a região do substrato, condensa e cria o filme desejado (WOLF; TAUBER, 1986).
Entretanto, o método de pulverização catódica apresenta algumas desvantagens (CAR- NIO, 2018; WOLF; TAUBER, 1986):
i. Baixa taxa de formação de filmes: de forma geral, é inferior a 10 Å por segundo, embora essa velocidade possa ser melhorada com a utilização de pulverização de magnetron, téc- nica que aprisiona partículas de plasma carregadas em regiões próximas da superfície do alvo por meio de campos elétricos e magnéticos;
ii. As condições de processo são delicadas e são auto dependentes, o que torna necessário o ajuste dos parâmetros de pulverização;
iii. Produção de filmes irregulares e com danos devido a alta energia do processo. Apesar disso, este obstáculo pode ser superado com a execução de tratamento térmico nas amos- tras; e
Figura 37 – Diagrama esquemático do sistema de pulverização catódica: (a) Os íons do gás inerte dentro da câmara trafegam até atingir o alvo, localizado na região inferior da imagem; (b) Neste ponto, por transferência de energia, este alvo é erodido pelos íons, causando a sua ejeção na forma de partículas neureas; (c) Por fim, estas últimas de-
positam-se sobre o substrato (amostra) de tal forma que cria um filme fino nele. Adaptado de SAMATERIALS (2015).
Em contrapartida, exibe também diversas vantagens, além daquelas já citadas (CARNIO, 2018; WOLF; TAUBER, 1986):
i. Deposição de filmes a partir de grandes alvos, o que reduz a dificuldade de se obter filmes uniformes sobre grandes amostras;
ii. Apresenta relativa facilidade no controle da espessura dos filmes. Isto é possível com a união do ajuste das condições de operação com o controle do tempo de deposição; iii. É capaz de coordenar algumas características dos filmes criados, tais como cobertura e
estrutura de grão (pela variação do potencial e pelo aquecimento da amostra), e stress e adesão dos mesmos (através do potência e pressão aplicadas no processo);
iv. Realiza maior controle da composição de ligas, se comparado com filmes produzidos por evaporação;
v. Possui alvos para diferentes materiais (metais, ligas e isolantes), cuja taxa de deposição é estável e semelhantes para os diversos tipos;
vii. Remove danos ocasionados por raio-x da evaporação por feixes de elétrons.
Com base nisso e conforme discutido anteriormente, a camada condutora da MEA pode ter espessuras entre 60 e 445 nm (KIM et. al., 2014). Portanto, após testes de filmes de TiN obtidos via sistema de pulverização catódica Magnetron reativa7 ULVAC MHC-9000 (Figura 38), a espes-
sura escolhido para compor esta região foi de 100 nm, uma vez que atendeu satisfatoriamente os requisitos necessários (ou seja, baixo ruído e impedância, assim como boa resposta durante o teste de voltametria cíclica, como será discutido na sequência).
Figura 38 – Fotografia do sistema de pulverização catódica ULVAC MHC-9000 do Centro de Componentes Semicon- dutores e Nanotecnologias (CCSNano, Unicamp) para a formação de filmes de nitreto de titânio nas MEAs.
Com os parâmetros de deposição listados a seguir, filmes de 100 nm de TiN (150 µΩ.cm) foram obtidos: alvo de titânio, potência de 1 kW RF, pressão de processo 0,3 mTorr, fluxo de Ar: N2 de 60: 10 sccm e tempo de 3 minutos e 5 segundos).
Por fim, a última fase da segunda etapa de fabricação da MEA é a remoção do fotorresiste para que somente permaneça TiN nos locais condutores deste dispositivo. Para tanto, as
7 Classificação na qual gases reativos (como nitrogênio e oxigênio) são adicionados ao ambiente de argônio. Esta injeção faz com que eles reajam com as partículas desalojadas do alvo, criando, portanto, novos filmes, dado que ocorre a absorção de um ou de mais gases (CARNIO, 2018; ROSA, 2017).
amostras foram imersas em acetona por alguns minutos. Após isto, e para preparar a amostra para as próximas etapas, ela passou por limpeza orgânica (Figura 39).
(a) (b)
Figura 39 – Fotografia das amostras após a realização da etapa 2. As imagens referem-se à região condutora (TiN) das (a) primeira e (b) segunda versões, respectivamente.
4.2.3 Isolação
Na sequência, a próxima etapa é a formação da camada de isolação da MEA. A escolha do material adotado aqui é muito importante, pois irá atuar nas capacitâncias parasitas entre ele- trodo – meio de cultura. Consequentemente, irá influenciar diretamente no desempenho do dis- positivo. É importante ressaltar também que o material empregado nesta etapa não deve remo- ver a transparência do dispositivo, e deve ser completamente capacitiva (KANDEL et al., 2014; KIREEV et al., 2017b).
Deve ser completamente capacitivo, de forma a não induzir corrente de fuga ou provocar algum indício de condutividade. Assim, esta camada tem a função de evitar que os eletrólitos existentes na solução sobre a MEA, quando são realizados experimentos biológicos, não se infil- trem por ela e consigam atingir regiões condutoras que não são os microeletrodos, efeito inde- sejado (GOMES et. al., 2019).
Em função disto e devido à necessidade de transparência da isolação de MEAs (a qual deve cobrir toda a superfície, exceto os locais de eletrodos e pads de contato), os materiais mais co- muns para tais dispositivos são nitreto de silício e óxido de silício, embora muitas vezes eles sejam utilizados também de forma combinada, com espessuras de até 1 μm (MASI et al., 2012; TA- KETANI; BAUDRY, 2006).
Uma vez que o óxido de silício proporciona um ambiente mais adequado para a cultura celular (maior adesão), possui menor permissividade relativa (Ꜫr = 3,9) que o nitreto de silício (Ꜫr = 7,5), o que minimiza a corrente capacitiva entre as trilhas e o eletrólito sobre a MEA, ele foi o escolhido para formar a camada de isolação das MEAs produzidas aqui. Além disso, após testes de deposição através da deposição de filmes com mesmas espessuras de ambos materiais sobre substratos de vidro, o primeiro se mostrou mais transparente que o nitreto, tornando-o ainda mais atrativo para tais dispositivos.
Desta forma, o protocolo adotado para a definição do padrão em SiO2 é: espalhamento
do fotorresiste AZ1518 através do spinner com rotação de 6000 rpm durante 30 segundos, cura a 95ºC por 1 minuto, exposição, pós cura a 95ºC por 1 minuto, revelação durante 1 minuto, e uma cura final a 110ºC por 20 minutos.
Na sequência, a deposição de SiO2 foi realizada via Deposição em Fase Vapor por Resso-
nância Ciclotrônica do Elétron, (ou Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition em inglês, ECR-CVD) no Laboratório de Pesquisa em Dispositivos (LPD) do Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW). Nele, o plasma de alta densidade é produzido a partir de uma excitação por um campo elétrico de alta frequência de micro-ondas (2,45 GHz), gerado pela válvula magnetron e injetado na câmara do ECR por meio de um guia de onda. Isto acaba induzindo a ionização da mistura gasosa presente na parte interna da câmara. Além disso, há também bobinas magnéticas que geram campo magnético, de ≈ 875 Gauss, aplicado ao plasma (Figura 40).
Figura 40 – Diagrama esquemático do ECR (BIASOTTO, 2005).
Em torno das linhas de campo magnético, os elétrons do plasma se movimentam com trajetórias helicoidais, cuja frequência varia em função da intensidade deste campo. Quando em ressonância, as frequências de giro dos elétrons (ciclotrônica, resultante do campo magnético nas bobinas) e de micro-ondas incidente (proveniente do campo elétrico da válvula magnetron) se igualam e isto faz com que haja o máximo de energia para os elétrons livres, que, ao serem dis- ponibilizados na câmara geram também máxima energia para as moléculas dos gases por meio das colisões. Consequentemente, o deslocamento ordenado destes elétrons acelerados pela res- sonância ciclotrônica eleva a frequência de colisões entre eles e as moléculas e/ou átomos dos gases, criando um plasma mais denso que aqueles obtidos em reator convencional planar e barril, com valores entre 10¹¹ e 10¹² cm-3. Portanto, é possível obter plasma com baixos valores de pres-
são (entre 0,1 mTorr e 50 mTorr), e deposições a temperatura ambiente (~ 20ºC) (ROSA, 2017). Entretanto, para pontos fora da zona de campo magnético uniforme, esta relação da mi- croonda com o plasma se torna relativamente fraca. Nesta situação, os elétrons originados na
porção de plasma denso se propagam através das linhas de campo magnético (caminhando para a região inferior, onde está a câmara de processo e, consequentemente, o substrato sobre o qual se deseja depositar o material para a formação dos filmes) de forma mais veloz que os íons, o que produz um campo elétrico, que, por sua vez, induz a remoção dos íons da região de plasma para a de processo (ROSA, 2017).
Adicionalmente, o ECR empregado neste projeto consiste em um reator com plasma re- moto. Neste tipo de sistema, o plasma é criado por uma descarga que é estabelecida em pontos distantes do local de processo. Tal propriedade torna este método interessante, uma vez que diminui o bombardeamento da amostra por íons de alta energia, os quais são retirados da região de plasma através de um campo divergente e se difundem até a superfície da amostra (BIASOTTO, 2005; ROSA, 2017).
O sistema ECR, além do plasma remoto, também possui uma fonte de radiofrequência (13,67 MHz) acoplada capacitivamente ao seu porta amostras, local onde a amostra é posicio- nada. Ao polarizá-la, esta fonte regula a energia de bombardeamento da mesma pelos íons ad- vindos da região de plasma (BIASOTTO, 2005).
Portanto, esse método ECR, juntamente com plasma remoto, oferece diversos pontos po- sitivos: (a) acaba com íons de alta energia, o que reduz a quantidade de defeitos produzidos na superfície do substrato por radiação; (b) gera alta densidade de espécies reativas; além de (c) possibilitar elevadas taxas de deposição (superior a 10 nm/min), e (d) de corrosão (acima de 100 nm/min) (ROSA, 2017).
Com base nisso, o procedimento aplicado no sistema ECR-CVD (SLR-770, Plasm Therm) para a obtenção de 200 nm de SiO2 sobre a MEA é como segue (Figura 41 e 42): potência de
500 W, pressão de base de 5 mTorr, temperatura do substrato de 20 ºC, fluxos de O2/ Ar/ SiH4 de
Figura 41 – Fotografia da câmara do ECR-CVD durante a deposição de SiO2 sobre a amostra de MEA (centro da ima-