Litografia Introduzione alla Litografia Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Analisi del prodotto dell’esperimeno nei laboratori dell’Università Nome: Alberto Cognome: Semenzato Scuola: Liceo Scientifico Statale “Giordano Bruno”, Mestre-Venezia Classe: 4D E-mail: semenzyoh@hotmail.it Conclusioni

Introduzione alla Litografia Che cosa sono le Tecniche Litografiche? Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Analisi del prodotto dell’esperimeno nei laboratori dell’Università Conclusioni

Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Introduzione alla Litografia Introduzione Argentatura Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Ramatura Analisi del prodotto dell’esperimeno nei laboratori dell’Università Litografia Conclusioni Nichelatura

Analisi del prodotto nei laboratori dell’Università Introduzione alla Litografia Strumento di Analisi Risultato dell’analisi Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Analisi del prodotto dell’esperimento nei laboratori dell’Università Conclusioni

Conclusioni Introduzione alla Litografia Esperimento svolto nel laboratorio della scuola Analisi del prodotto dell’esperimeno nei laboratori dell’Università Conclusioni

Che cosa sono le tecniche litografiche? Le tecniche litografiche permettono la realizzazione di un dispositivo elettronico a semiconduttore, come per esempio i Cd-Rom o i transistor La litografia consiste nel far crescere o decrescere degli strati metallici su un oggetto, opportunamente preparato, esponendolo alla luce La litografia, o meglio le tecniche litografiche, permettono la realizzazione di un dispositivo elettronico a semiconduttore, ovvero componenti elettronici ch sfruttano le proprietà elettroniche di materiali semiconduttori. Un esempio di ciò sono i Cd-rom, o anche i transistor. La litografia consiste nel far aumentare, o diminuire gli strati di materiale metallico sulla superficie di un oggetto, opportunamente preparato, attraverso la semplice esposizione alla luce(soprattutto quella ultravioletta, nelle camere a raggi ultravioletti). Questo processo crea delle diverse tracce che avranno scopi ben precisi.

Ciò è stato possibile grazie a tre processi più uno: Introduzione Nell’esperimento che abbiamo affrontato, abbiamo cercato di applicare tre strati di metallo su un pezzo di policarbonato, ovvero il primo strato(fig. n.1) di un cd Ciò è stato possibile grazie a tre processi più uno: Argentatura Ramatura Nell’esperimento che abbiamo svolto nei laboratori del nostro liceo, il Liceo Scientifico “Giordano Bruno”, abbiamo cercato di applicare tre strati di metallo, più la litografia, su un pezzetto di policarbonato, ovvero la plastica utilizzata per fare i cd-rom che noi utilizziamo. Per compiere ciò abbiamo dovuto dividere il lavoro in quattro fasi: 1-Argentatura, ovvero l’applicazione di uno strato d’argento; 2-Ramatura, ovvero l’applicazione di uno strato di rame sopra quello di argento; 3-Litografia, ovvero l’applicazione del fotoresist e l’impressione sul campione di un immagine voluta; 4-Nichelatura, ovvero la deposizione di nichel nelle aree in cui non c’è il fotoresist, ovvero le aree coperte dalla litografia. Litografia Nichelatura

L’argentatura può essere divisa in tre fasi: Preparazione del policarbonato Preparazione del reattivo di Tollens Deposizione dell’Argento Il processo di deposizione dell’argento sul policarbonato, ovvero l’argentatura, si può comporre di tre fasi: la prima può sembrare banale, ma è importante, la seconda si tratta di preparare una soluzione, mentre la terza è la conclusione della fase.

Preparazione del policarbonato Preparare il policarbonato vuol dire, prima di tutto tagliarne uno spicchio e quindi pulirlo; perciò dobbiamo: 1. Pulirlo con Alcool 2. Coprirne un lato con nastro adesivo La prima fase consta nel preparare il policarbonato, ovvero prima di tutto noi utilizzeremo un solo spicchio, quindi dobbiamo tagliarne uno spicchio; poi dobbiamo pulirlo con Alcool denaturato per eliminare le impurità. Dopo aver fatto ciò dobbiamo coprire una delle due facce, tenendo lo spicchio con i polpastrelli sui bordi, e non sulle superfici, ricopriamo una faccia con nastro adesivo, facendo in modo che la deposizione avvenga solo su un lato. In seguito, con il Cloruro stannoso, portato a 0,003M, o con una soluzione già presente, oppure, come abbiamo fatto noi, diluendo una soluzione di Cloruro stannoso di 0,3M in acqua distillata. Il Cloruro stannoso serve da riducente, assorbita sulla superficie del polimero. Alla fine dobbiamo immergere il campione per 30-45 minuti, anche se noi lo abbiamo lasciato per meno tempo perché non c’era molto tempo. 3. Sensibilizzarlo con SnCl2

Preparazione del reattivo di Tollens Il reattivo di Tollens viene preparato attraverso le seguenti fasi: 1. Versare 1,25 g di AgNO3 al 5% in un matraccio con 25 ml di acqua distillata 2. Pesare 5g di NaOH al 10% e metterli in un matraccio con 50 ml di acqua 3. Versare in un cilindro graduato 24,5 ml di NH4OH al 10%, versare il tutto in un matraccio con 50 ml di acqua distillata 4. Pesare 1,8 g di C6H12O6, versarli in un matraccio con 100 ml di acqua Per prima cosa dobbiamo prendere 1,25 g di argento nitrato (AgNO3) al 5%, versarli in un matraccio e metterli in un matraccio con 25 ml di acqua distillata. Siccome l’argento nitrato è fotosensibile, dobbiamo ricoprire tutto il matraccio con la carta di alluminio. Successivamente dobbiamo pesare 5g di idrossido di sodio(NaOH) al 10%, versarli in un matraccio con 50 ml di acqua distillata. Successivamente dobbiamo prendere un cilindro graduato e in esso dobbiamo mettere 24,5 ml di ammoniaca(NH4OH) al 10%: misurati questi porli in un matraccio con 50 ml di acqua distillata. L’ultima cosa prevede da pesare 1,8 g di glucosio(C6H12O6), versarli in un matraccio con 100 ml di acqua distillata. Negli reattivo di Tollens, gli ioni argento reagiscono con gli ioni ossidrili, ovvero un radicale(gruppo di atomi con un elettrone non appaiato) formato da un atomo di ossigeno e da uno di idrogeno, formando l’ossido di argento, un solido dall’aspetto color marrone. Se non si seguono attentamente le istruzioni perché eventualmente l’evaporazione del solvente potrebbe portare alla formazione di fulminato d’argento, ovvero un esplosivo. N.b. AgNO3 è fotosensibile quindi bisogna coprire tutto il matraccio con carta di alluminio

Deposizione dell’Argento Per la deposizione dell’argento dobbiamo: 1. Prendere e pulire lo spicchio 2. Versare in una capsula alta AgNO3 e NaOH(12,5 ml) 3. Versare a goccia a goccia NH4OH finché il precipitato comincia a sciogliersi 4. Aggiungere lo spicchio e lasciarlo per 10 minuti Per prima cosa dobbiamo togliere il nostro campione dalla soluzione in cui era messo e pulirlo risciacquando con acqua distillata. Successivamente dobbiamo versare in un capsula, alta per la quantità di soluzione che vi dobbiamo mettere, tutto l’Argento nitrato preparato e 12,5ml di Idrossido di Sodio. Pi dobbiamo aggiungere a goccia a goccia l’ammoniaca con un pipetta, finché il precipitato comincia a disciogliersi. Fare molta attenzione a non inalare l’ammoniaca, quindi conviene mettersi vicino ad una finestra o munirsi di maschere. Fatto ciò mettiamo il campione nella soluzione e lo lasciamo là per 10 minuti. In seguito dobbiamo aggiungere alla soluzione il glucosio preparato, facendolo precipitare non direttamente sulla superficie. Ultimo passaggio è quello di togliere dopo altri 10 minuti dalla soluzione il campione, pulirlo risciacquandolo con acqua distillata e quindi asciugarlo, o lasciandolo ad asciugare, oppure tamponandolo con acqua. In conclusione l’argentatura è una metallizzazione del policarbonato che rende la sua superficie elettroconduttrice, in seguito la soluzione ammoniacale fa passare, reagendo con l’ossido, la maggior parte del precipitato in soluzione, evitando di aggiungere troppa ammoniaca perché potrebbe compromettere la riuscita dell’argentatura. Alla fine, l’aggiunta del Glucosio completa le reazioni. 5. Aggiungere C6H12O6(75 ml) non sulla superficie 6. Risciacquare il campione con acqua distillata e asciugare tamponando con carta N.b. Non inalare i gas prodotti dalle soluzioni

In conclusione le reazioni avvenute sono: AgNO3+NaOH→AgOH+H2O 2AgOH→Ag2O+H2O Ag2O+H2O+4NH3→2Ag(NH3)2OH Sn2++Ag(NH3)+↔Sn4++2Ag0+2NH3 C6H12O6+2Ag(NH3)++3OH-→2Ag0+C6H13O7+2NH3

Ramatura La ramatura consta di una sola fase e avviene per elettrodeposizione;la procedura è: 1. Prendere le soluzioni di CuSO4(25g) e H2SO4(4,5g) ed inserirle in un becker 2. Collegare una batteria da 4,5 V ad una piastrina di rame con il polo positivo e allo spicchio argentato il polo positivo 3. Immergere i due elettrodi nella soluzione di rame evitando il contatto e mantenere per alcuni minuti La ramatura, ovvero la deposizione di uno strato di rame, avviene per elettrodeposizione, ovvero un processo elettrochimico nel quale l’elettricità trasporta gli atomi dal polo positivo al polo negativo, ovvero da un elettrodo all’altro, grazie all’immersione in un bagno di sali, in questo caso di rame. Per prima cosa dobbiamo preparare la soluzione mettendo il solfato di rame(CuSO4) e l’acido solforico(H2SO4) in un becker. In seguito colleghiamo la piastrina di rame al polo positivo di una batteria da 4,5V, e al polo negativo il campione argentato; fatto ciò immergiamo i due elettrodi nella soluzione, evitando il contatto tra i due elettrodi e mantenendolo per alcuni minuti, finché non si noterà uno strato di rame sulla superficie. Alla fine, scollegati gli elettrodi dalla batteria, togliamo il nostro campione, lo risciacquiamo con acque distillata e lasciamo che si asciughi. Purtroppo nella nostra esperienza ci siamo fermati qui, perché avevamo alcuni problemi con la soluzione che non conduceva bene. Quindi sul nostro campione abbiamo fatto solo l’argentatura. 4. Togliere lo spicchio, pulirlo risciacquando e lasciare ad asciugare Animazione esplicativa

Come si vede dall’animazione da me prodotta, da quando la batteria è in funzione, ovvero da quando passa corrente elettrica nei cavi, gli atomi di rame si “staccano” dalla piastrina e,attraverso il bagno di Sali, raggiunge la piastrina argentata, ovvero il nostro campione. Questa animazione non prende in esame la realtà, ma la semplifica, poiché non un atomo alla volta, ma molti atomi alla volta si staccano dalla piastrina per raggiungere l’altra.

1. Preparazione della maschera Litografia La litografia consiste nell’imprimere attraverso uno sostanza e la luce ultravioletta delle immagini su una superficie e si divide in: 1. Preparazione della maschera 2. Litografia La litografia consiste nel ricoprire una superficie con una sostanza sensibile alla luce ultravioletta, ricoprire la superficie con una maschera ed esposta alla luce ultravioletta. La luce UV sensibilizza le parti di photoresist non coperte. La preparazione della maschera consta nel preparare una maschera desiderata e stamparla su un foglio trasparente o lucido e ripassare il tutto con un pennarello indelebile i tratti neri, per aumentare l’opacità, disegnare la parte ruvida del lucido. 3. Rifinitura

Litografia 1. Spruzzare il photoresist sulla superficie 2. Far aderire bene la maschera alla superficie 3. Mettere lo spicchio nella camera UV per 20 minuti Dopo aver preparato la maschera dobbiamo spruzzare sul nostro campione(lo spicchio di policarbonato)una sostanza sensibile alla luce ultravioletta, ovvero il photoresist. Dopo averlo lasciato ad asciugare, e dopo aver fatto aderire bene la maschera sulla superficie dello spicchio, prendiamo lo spicchio, gli mettiamo un vetrini sopra, in modo che funga da contrappeso, e lo mettiamo nella camera UV, ovvero una camere dove vengono prodotti raggi UltraVioletti, cioè con una lunghezza d’onda inferiore a quella della luce visibile, cioè minore di 400nm. Qui lo lasciamo per una ventina di minuti circa, poiché il tempo di esposizione varia a seconda dello spessore dello strato di photoresist. Finito, spegniamo la camera UV, stacchiamo la maschera. L’argento depositato con l’argentatura servirà a far aderire correttamente la ramatura. 4. Togliere la maschera

Rifinitura 1. Preparare la soluzione di NaOH 2. Immergere il campione nella soluzione 3. Pulire il campione Per rifinire il processo della litografia, dobbiamo preparare una soluzione di idrossido di Sodio(NaOH) in 7 g/l. Poi dobbiamo immergerci lo spicchio: ciò scioglie il photoresist non esposta ai raggi UV. I raggi UV polimerizzano(ovvero più molecole semplici si uniscono a formare complessi molecolari molto più grandi) il photoresist e lasciano scoperto il rame in queste aree. Per facilitare l’eliminazione del photoresist sarebbe opportuno far compiere un movimento lento e circolare. Quando il photoresist è completamente sciolto, lavare il campione con acqua distillata e lasciare ad asciugare o tamponare delicatamente.

Nichelatura La nichelatura è un processo che, come per la ramatura, avviene per elettrodeposizione; la procedura è la seguente: 1. Prendere 30 g di NiSO4, 2,44g di NiCl2 e 4,5 g di H3BO3 e portare il tutto a 50 ml con acqua distillata 2. Immergere la piastrina nella soluzione, attaccare un filo di nichel al polo positivo, la piastrina al polo negativo e portare il voltaggio a 10V 3. Quando si vede che la parte nera rimasta dalla litografia si è tutta riempita di nichel, staccare la spina, lavare il tutto con acetone e lasciare ad asciugare La nichelatura avviene per elettrodeposizione(come la ramatura, ma il bagno di Sali è differente). Prima di tutto bisogna preparare la soluzione di Sali nella quale immergere il nostro campione e un filo di nichel: questa soluzione è composta da 30g di Solfato di Nichel(NiSO4), 2,44g di Cloruro di Nichel(NiCl2) e 4,5g di acido borico(H3BO3). Fatto ciò dobbiamo portarla a 50 ml con l’acqua distillata. Quindi immergiamo la piastrina e la colleghiamo al polo negativo. Immergiamo anche un filo di nichel e lo colleghiamo al polo positivo. Quindi attivare l’alimentatore portandolo ad un voltaggio di 10V. Quando vedremo tutta la parte litografata(cioè quella nera) coprirsi di nichel, spegniamo l’alimentatore e puliamo lo spicchio con l’acetone, lasciandolo in seguito ad asciugare. Lavarlo con l’acetone serve per eliminare il photoresist dalle parti non litografate, poiché quest’ultime si coprono di nichel.

Strumento di analisi Lo strumento di analisi utilizzato è un microscopio denominato SEM, ovvero Scanning Electron Microscope, tradotto Microscopio a Scansione Elettronica. Quello che abbiamo utilizzato è quello riportato nell’immagine qui sotto: Importantissimo per analizzare il prodotto è stato il microscopio elettronico a scansione, ovvero il SEM(Scanning Electron Microscope). Funziona nel seguente modo: il microscopio emette un fascio di elettroni, non fisso, ma colpisce il campione da analizzare riga per riga; il campione, quindi emette particelle, fra le quali degli elettroni. Questi elettroni vengono rilevati da uno speciale rivelatore e convertiti in impulsi elettrici. Questi impulsi elettrici vengono poi trasformati in immagine in bianco e nero sullo schermo di un computer.

Queste sono alcune immagini che abbiamo ottenuto

Come si vede da quest’immagine abbiamo avuto qualche problema con il microscopio e, la causa di ciò potrebbe essere il fatto che, essendoci dello scotch nel retro del campione gli elettroni non potessero passare nel modo che dovrebbero passare.

Risultato dell’analisi Per analizzare prima di tutto bisogna salvare le immagini e poi spostarle su un altro computer in cui vi era un software di analisi. Una volta salvate le immagini, le abbiamo spostate su un altro computer e con un software di analisi le abbiamo analizzate. Come si può ben notare da questo grafico ottenuto con il software, nel campione vi è un’alta percentuale di Carbonio(poiché vi era molto policarbonato) e vi è una punta con l’Argento, prova che sul nostro campione avevamo fatto l’argentatura, l’unico processo che siamo riusciti ad applicare sul campione che abbiamo analizzato, poiché tutti gli altri processi erano seguenti alla ramatura, processo che, come già detto, non siamo stati in grado di fare, anche se dopo molti altri tentativi.

Conclusioni In conclusione possiamo dire che l’analisi del campione ha provato che l’argentatura è riuscita, mentre dalla ramatura in poi non abbiamo più potuto fare niente dei processi, poiché la soluzione di Sali era difettosa. Allora per fare la litografia e la nichelatura abbiamo utilizzato un campione già pronto. L’esperienza è stata sicuramente interessante, soprattutto nei Laboratori dell’Università, dove abbiamo potuto utilizzare la strumentazione con le nostre mani. Unica pecca penso che sia la durata: credo che, facendo gli esperimenti e l’analisi non in due giorni, ma in quattro giorni, si possa capire meglio l’esperimento che si va a compiere e l’analisi che si effettua.