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PDMS芯片加工过程:使用SU-8模具进行PDMS的光刻复制

PDMS光刻复制的过程:提示和技巧

PDMS是在微流体领域内被广泛使用的一种聚合物,它经常被用于制造微流体器件如lab on chip。每年,有许多实验室开始从事微流体活动,并且有时候,他们没有良好的实验设备或者不知道良好的实验方法,本文旨在为如何做PDMS光刻复制提供基础知识,PDMS光刻复制又被称为软光刻工艺。这里给您提供一些技巧和窍门,使PDMS光刻复制就像按按钮一样简单易行。

PDMS芯片的光刻复制

PDMS光刻复制可以划分为9个主要步骤:

1、硅烷化模具的准备

2、PDMS和固化剂的比例与混合

3、脱气去除气泡

4、在模具上浇注PDMS

5、PDMS烘烤

6、PDMS剥离模具

7、PDMS切割与打孔

8、PDMS键合

如下将会对以上8个步骤做简要的介绍。

1、PDMS复制:硅烷化模具的准备

模具在第一次使用时,您必须使其具有疏水性。对于模具,您可以从一些企业购买或者自己加工。事实上,SU-8模具的硅通常是非常亲水的,因此,PDMS与硅具有良好的亲和力,这种亲和力非常大以至于不太可能从硅上剥离PDMS,并且您可以操作的是打破模具并回到模具加工过程的开始步骤,因此,不要忘了模具的疏水性处理这个步骤。

有若干种方法可以使硅具有疏水性。我们使用硅烷的功能(该功能可以在表面上实现永久的粘结),它可使表面上的疏水接触角超过90°以上。您可以使用气体或液体来处理,这意味着您可以通过气体或者连续的水浴将硅烷功能粘合在表面上。我们可以简单地看下这两个解决方案。

对于人类来讲,硅烷化使用非常危险的产品,必须在适当的条件下使用比如通风厨下使用。如果有任何疑问,请及时和其他人进行交流。

液体/气体硅烷化

如果接触角测试没有确定性,请检查您的测试协议并重新执行。请不要试图把PDMS放在模具上,否则您后面会后悔的。

硅烷会与空气发生反应,因此,请确保真正密封TMCS或OTS瓶子并用石腊膜密封,以便获得更好的安全性。液体选项是最有效的方法,但是需要更多的时间和材料来完成,气体选项是最常使用的,只要稍加练习,便可以得到与液体相同的结果。

2、PDMS复制:PDMS和固化剂的比例与混合

一旦您的模具准备好了,我们就可以加工PDMS了。PDMS是聚合物的名称。为了使其更加坚硬,您必须添加固化剂。最常用的PDMS显然是Sylgard 184。对于这个PDMS的加工,PDMS和固化剂的通用比例是1:10(重量)。对于某些特定的应用,这个比例可以改变,以使PDMS更软或者更硬。

 

请遵循以下的配方来加工您的PDMS:

1)称量PDMS(例如60克)

2)添加固化剂(例如6克)

3)充分的混合PDMS和固化剂

PDMS复制:PDMS和固化剂的比例与混合

PDMS复制:PDMS和固化剂的比例与混合

看起来比较容易,但是首先要先放PDMS,然后再放固化剂。如果这两个步骤做反了,可能会导致聚合物交联不良。要混合这两种组分,您也可以使用自动PDMS混合器。

3、PDMS复制:PDMS脱气去除气泡

由于强烈混合的作用,您在制备混合PDMS和固化剂的过程中,会出现大量的气泡,但是这些气泡必须被去除,因为如果不去除气泡,它们将会被困陷在PDMS芯片内。有若干种方法可以用来去除PDMS混合物中的气泡,您可以使用离心机干燥器真空。第二种选择是最简单和最经常使用的。实际上,离心机对于较小重量的PDMS去泡来说,会更加合适些

PDMS复制:PDMS脱气去除气泡

PDMS复制:PDMS脱气去除气泡

使用干燥器去除PDMS混合物中的气泡,盖上玻璃罩子并密封好。使用真空泵或者真空管线来进行真空操作,如果抽取真空太强或者太快,那么一定要小心,不要使PDMS溢出。在保持真空的条件下,通常需要30min就可以去除PDMS混合物中的所有气泡。一旦气泡被去除,您就可以关闭真空,并烘烤PDMS。这个步骤中,一定要小心,当压力不稳定时,不要打开干燥器,否则您的PDMS可能会炸毁。

4、PDMS复制:在模具上浇注PDMS

PDMS复制:在模具上浇注PDMS

在使用之前务必要清洁模具,使用氮气或清洁的压缩空气来清除SU-8模具表面上的所有灰尘和颗粒。一旦PDMS脱气后,您就可以将PDMS浇注在先前硅烷化处理的SU-8模具中。把PDMS放在一个容器比如培养皿内,容器的大小将会决定您所需要的PDMS的用量以及您想要获得的器件的厚度。对于4 inches大小的基底来讲,40g的PDMS将会获得约5mm厚的器件。

在浇注的过程中,如果出现气泡,可以使用钢针去除气泡或者把晶圆放回到真空器皿里面。如果选择第二个选项,一定要小心操作,防止出现晶圆浮起并且PDMS进入到晶圆底部这种情况,因为一旦这种情况发生,后面释放PDMS时,会更加困难。

5、PDMS复制:PDMS烘烤

一旦PDMS和固化剂混合在一起,交联反应就已经开始发生了,但是需要24小时才能得到足够坚硬的器件。这就是为什么模具和PDMS需要烘烤的原因。在使用相同的工具下,烘烤的时间和温度是随实验室和使用者而发生变化的。我将尽量尝试给出成功进行这一步的一些建议。

PDMS烘烤

人们通常使用热板烘箱来烘烤PDMS,这里没有最好的工具,只有在烘箱的里面,您才可以同时烘烤多个模具。对于温度和时间的设定,取决有具体的仪器设备,您可以在最短的时间内进行高温烘烤,也可以在较长的时间内进行低温烘烤。通过做实验,在不同的烘烤条件下,测量PDMS层表面与水的接触角,没有测量出接触角的任何变化,所以,烘烤不会影响PDMS的化学成分,但是会影响力学性能。事实上,PDMS烘烤之后,PDMS或多或少的会变软,所以,其或多或少的会更加容易被操作。无论如何,PDMS最终会被开发出具有完全相同的机械性能,但是可能会需要更长的时间。不过,一定要小心,不要过多的烘烤您的PDMS,否则,PDMS会变“老”,这意味着后面在对PDMS打孔时,会非常困难。用旧的PDMS板(几个月后的PDMS板)来进行此项操作,也会观察到相同的现象。

温度的高低必须根据模具的器皿来进行选择,如果您使用的是培养皿,加热温度不要超过90°C。我建议您在烘箱内在80°C的温度下烘烤2h。烘烤结束并冷却后,您就可以操作您的PDMS了。

6、PDMS复制:PDMS剥离模具

待模具和PDMS冷却下来后,您就可以切割您的基底,然后剥离PDMS以便得到您的器件。您可以使用手术刀来轻松的切割PDMS。在切割的过程中,一定要小心,保持刀片与模具相切,不要破坏掉模具。

PDMS剥离模具

在剥离的过程中,只需要轻轻拉动PDMS就可以轻松的将其取出。如果PDMS紧固的粘贴在晶圆上,那么可能是因为您没有对模具做硅烷化处理或者是PDMS制作的不够好。

在此步骤中,请务必戴手套操作,以免在您的PDMS上添加脂肪类的手印或其他印痕。因为这些手印或印痕很难清除并且对后续的加工会造成较大的问题。

7、PDMS复制:PDMS复制和打孔PDMS打孔器

在这个时候,您已经有了器件所需要的全部PDMS,您必须进行切割才能得到不同的芯片。像之前一样,您可以使用手术刀来做一点。

PDMS复制和打孔

在这个步骤中,如果您想要稍后添加或者移除液体,那么您必须在PDMS中加工若干小孔,也就是对PDMS进行打孔。要做到这一点,您可以根据使用的导管大小来选择合适的钻孔机。由于PDMS是一种软质材料,所以在打孔时,需要把孔的尺寸加工的比导管的尺寸稍微小一些,如此,导管将会牢牢地维持在芯片上并且还会减少泄漏问题。

请确保在此步骤中要佩戴手套,不要在PDMS上面留下脂肪印痕等,否则其会很难清除。PDMS上遗留的脂肪印痕等会对后续的加工过程造成一定的影响。

8、PDMS复制:PDMS键合PDMS批量注塑成型机

最后一步是键合您的PDMS器件以此来获得密封的通道或沟道。PDMS可以被键合粘贴到另一块PDMS或玻璃上,两者的键合协议或规则是相同的。在进行键合操作之前,每一个部件都必须要进行良好的清洁以便清除表面上所有的灰尘、颗粒。您可以使用异丙醇(IPA)来清洁您的PDMS和玻璃片,您甚至可以使用超声波清洗液来对表面和PDMS孔的内部进行清洁。

PDMS键合

PDMS键合

PDMS键合

为了键合PDMS,您需要活化PDMS或玻璃的表面,将PDMS的Si-CH3官能团转换为Si-OH官能团,当您按压相同的官能团时,您将创建强大而永久的Si-O-Si链接。为此,最常用的工具是使用具有氧气或空气功能的等离子清洗机。为了产生更好的等离子体,您必须控制等离子清洗机腔室内的压力。我建议在500mTorr的压力下,部分设备可以帮助您实现完美的等离子处理如Equinox。为了使表面功能化,等离子体处理时间不必很长,2分钟的处理时间就可以与玻璃或PDMS形成牢固的结合。不过,在某些实验条件下,等离子体处理时间也可能会小于2分钟。




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