用于PDMS微芯片塑性成型的SU_8模具制作工藝的優(yōu)化_陸振華

1、第14卷第3期2008年6月功能材料與器件學(xué)報(bào)JOURNALOFFUNCTIONALMATERIALSANDDEVICESVol.14,No.3Jun.,2008文章編號(hào):1007-4252(2008)03-0639-06用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工藝的優(yōu)化陸振華1,2,許寶建,金慶輝,趙建龍111(1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海,200050;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京,100039)摘要:PDMS是制作微流控芯片的主要材料。PDMS芯片制作的主要方法是模塑法,模塑法要求有良好的塑性成型模具。SU-8以其良好的微加工特性,目前已廣泛應(yīng)用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作,

2、也用于PDMS塑性成型的模具。本文根據(jù)模具的特殊性,如平整、無裂紋、可多次使用等要求,研究了影響SU-8模具結(jié)構(gòu)與基底材料硅片的黏附性和形成裂紋的因素,優(yōu)化了SU-8微模具加工工藝,在以0.5/min進(jìn)行升降溫、210mJ/cm的曝光劑量、200條件下硬烘30min條件下得到較好的SU-8模具,提供了一種快速、復(fù)用性高、低成本的PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具的制作方法。關(guān)鍵詞:PDMS;塑性成型;SU-8模具;黏附性中圖分類號(hào):TN305.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A2FabricationprocessoptimizationofSU-8moldforPDMSmicrochipplasticmol

3、dingLUZhen-hua,XUBao-jian,JINQing-hui,ZHAOJian-long(1.ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:PDMSisthemainmaterialformanufacturingmicrofluidicchips,andthemostusedm

4、ethodforPDMSfabricationisplasticmolding,whichrequiresgoodplasticmold.SU-8hasbeenwidelyappliedforMEMSfabricationandplasticmoldforPDMSbecauseofitsmicro-machiningcharacteristics.Ac-cordingtotherequirementsofmoldsuchasflat,crack-free,andreusable,thispaperstudyfactorsin-fluencingthecohesionbetweenSU-8mol

5、dstructureandsiliconsubstrateandcracks,optimizingthefabricationprocessofSU-8,intheconditionofheattreatmentattherateof0.5/min,dosageat210mJ/cm,andhardbakeat200for30min,providingafast,reusable,lowcostSU-8moldmanufac-turingmethodforPDMSmicrochipplasticmolding.收稿日期:2007-03-21;修訂日期:2007-05-25基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研

6、究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(No.2005CB724305);上海市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(No.051111019);上海市科委納米專項(xiàng)(No.0652nm016);上海-AM基金(No.0510).-),男,研究方向:BioM21,2111640功能材料與器件學(xué)報(bào)14卷Keywords:PDMS;plasticmolding;SU-8mold;cohesion0引言硅片、玻璃和多種聚合物材料如PMMA,PC,COC,PDMS等已成為人們研究微流控芯片的主要材料。PDMS以其成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、良好的生物兼容性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等成為使用1-3最廣泛的基片材料。在PDMS基片上制作微通

7、道的技術(shù)41實(shí)驗(yàn)部分1.1塑性成型原理塑性成型加工微芯片的主要步驟如圖1所示。首先利用SU-8光刻膠加工工藝技術(shù)在硅片上成型固定模具,圖1(a)。此時(shí)SU-8與硅片之間的黏附性對(duì)于后續(xù)轉(zhuǎn)移圖形是至關(guān)重要的。將PDMS澆注于SU-8模具上,經(jīng)真空抽氣固化成型(圖1(b),由于PDMS與SU-8以及硅片之間黏附力小,可以容易地將PDMS揭開,如圖1(c),經(jīng)過表面處理后與蓋片封合可制得完整的微流控芯片,如圖1(d)。主要有熱壓法、LIGA、激光燒蝕法和模塑法等。模塑法以其簡(jiǎn)單易行,不需昂貴的操作設(shè)備,可批量復(fù)制成為制作低成本芯片的主要方法。模塑法的關(guān)鍵在于模具的制造以及模具材料與擬制作芯片材料的選

8、擇,理想的材料相互之間黏附力小,易于脫模。目前使用較多的模具材料有玻璃、硅片、PMMA等,玻璃、硅片的工藝比較成熟規(guī)范,但是成本高、工藝復(fù)雜、不易與PDMS剝離;而PMMA等聚合物物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度不夠,可重復(fù)利用率低等,限制了這些材料作為微流控芯片模具的應(yīng)用。SU-8材料是1995年由IBM公司開發(fā)出來的負(fù)性環(huán)氧膠,在制作塑性機(jī)械結(jié)構(gòu)、微流體器件、微通道結(jié)構(gòu)等MEMS方面獲得了廣泛的應(yīng)用7-95,6。Ong,B.H等10基于兩步UV光刻工藝對(duì)11SU-8光刻膠的折射系數(shù)進(jìn)行邊界調(diào)節(jié),制作出適合低級(jí)別傳播模式的光波導(dǎo)器件。王彬等通過多層SU-8微流體器件的制作,研究了SU-8微加工、

9、釋放和鍵合等工藝。曾永彬等12提出用神經(jīng)網(wǎng)Fig.1Schematicofplasticmoldingprocessformanufacturingmicrochip圖1塑性成型加工微芯片的主要步驟絡(luò)模型對(duì)SU-8工藝進(jìn)行研究,得到尺寸精確、側(cè)壁陡直的厚膠結(jié)構(gòu)。但這些工藝主要集中在制作獨(dú)立的SU-8結(jié)構(gòu)方面11-13,對(duì)SU-8作為圖形轉(zhuǎn)移模具的性能方面研究不多,如與襯底材料的黏附性等,限制了SU-8作為塑性成型模具的應(yīng)用。本15文利用SU-8與PDMS之間的黏附力小、易于脫模的優(yōu)點(diǎn),研究了影響SU-8模具結(jié)構(gòu)與基底材料硅片的黏附性和形成裂紋的因素,探討了濕度、熱處理和曝光參數(shù)對(duì)模具性能的影響

10、,優(yōu)化了SU-8加工工藝,提供了一種快速、復(fù)用性高、低成本的PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具的制作方法,制作了用于PDMS芯片塑性成型的模具,在進(jìn)行十次PDMS圖形轉(zhuǎn)移后,模具保持良好。1.2SU-8模具制作工藝流程實(shí)驗(yàn)中使用的SU-8膠來自美國(guó)MicroChem公司生產(chǎn)的SU-82050系列及配套的SU-8顯影液。本實(shí)驗(yàn)以制做厚度為50±3m的SU-8模具為例介紹SU-8的工藝流程。(1)基片準(zhǔn)備。將硅片放入Piranha溶液(98%濃硫酸:30%雙氧水=7:3)煮沸清洗15min。用去離子水沖洗5遍后用氮?dú)獯蹈?并在200熱板(Hotplate,ModelKW-4AH,Che

11、matTechnology,Inc.)上烘焙30min。(2)甩涂。將SU-8膠倒在硅片中央,用手握3期陸振華,等:用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工藝的優(yōu)化641住硅片邊緣使之傾斜并緩慢旋轉(zhuǎn),使SU-8覆蓋住硅片大部分區(qū)域。靜置15min,使SU-8初步平坦化,同時(shí)消除掉傾倒過程中產(chǎn)生的氣泡。用旋涂機(jī)(Spin-CoaterKW-4A,ChematTechnology,Inc.)進(jìn)行兩次遞進(jìn)式甩涂:500轉(zhuǎn)/min旋涂15s,3000轉(zhuǎn)/分旋涂30s,使膠分布較為均勻,靜置10min緩解邊緣突起效應(yīng)(EdgeBeadEffect)。(3)軟烘。軟烘的目的是使SU-8光刻膠中的溶劑

12、揮發(fā),工藝控制的關(guān)鍵是使溶劑揮發(fā)以可控的速率進(jìn)行。在熱板上以5/min的速率由室溫逐步升到95,期間在65和95分別保持3min和6min。之后以0.5/min的速率緩慢降至室溫。7(4)曝光。采用I線接觸式曝光機(jī)(波長(zhǎng)365nm),這是因?yàn)镾U-8膠在365nm的紫外光波段吸收少,可以獲得很好的曝光一致。(5)PEB(PostExposureBake,曝光后烘)烘焙。在熱板上以5/min的速率由室溫逐步升到95,期間在65和95分別保持1min和5min。之后以0.5/min的速率緩慢降至室溫。(6)顯影在通風(fēng)櫥中進(jìn)行,顯影液的主要成分是PGMEA。在SU-8模具與顯影液分別靜置達(dá)到室溫后,

13、將模具放入顯影液中顯影6min。之后分別用異丙醇和去離子水清洗干凈,并用氮?dú)獯蹈伞?7)硬烘。在熱板上緩慢加熱到200,保持30min,再緩慢降溫至室溫。料的特性的影響,以及工藝過程對(duì)材料的處理。(1)影響SU-8和硅片黏附性的因素首先是熱膨脹系數(shù)。由于SU-8與硅片的熱膨脹系數(shù)相差較大:硅的熱膨脹系數(shù)為3ppm/,SU-8為50+/-5.2ppm/。在變化相同溫度時(shí),SU-8的形變量要大于硅。當(dāng)相對(duì)形變量足夠大時(shí),就造成了SU-8開裂。而SU-8的聚合反應(yīng)必然伴隨著升降溫過程,因此熱處理的控制至關(guān)重要。在前烘、曝光后烘、硬烘過程中遵循的原則是遞進(jìn)式緩慢升降溫,升降溫的速率0.5/min。(2

14、)硅片干燥度。硅片經(jīng)氮?dú)獯蹈珊?表面仍有殘留水分子,一方面會(huì)造成硅片上預(yù)涂SU-8時(shí)分布不均勻,另一方面在隨后的熱處理或曝光聚合過程中,殘留水分部分的SU-8層受熱不均,從而與硅片黏附力分布不均衡,在顯影過程中易脫落。在200的熱板上烘焙1h以上,可以保證硅片較好的干燥度。(3)曝光劑量。曝光劑量的多少,對(duì)SU-8與硅片襯底的黏附性起著關(guān)鍵作用。曝光劑量不夠,將不足以使SU-8中的光敏劑發(fā)生充分的光化學(xué)反應(yīng),生成的酸催化劑不夠,從而在PEB(PostExpo-sureBake,曝光后烘)階段無法充分聚合交聯(lián),進(jìn)而導(dǎo)致SU-8與硅片表面的黏附性不好。通過曝光劑量的計(jì)算和實(shí)際摸索,我們發(fā)現(xiàn)適合厚度

15、為50um2的曝光劑量為210mJ/cm。圖2是曝光劑量的改變對(duì)結(jié)果的影響,可以明顯看到充足的曝光劑量可以改善SU-8與硅片的黏附性,圖a中的亮暗條紋是由于SU-8部分浮起所形成的干涉圖案。2結(jié)果與討論2.1SU-8與硅片黏附性SU-8模具與硅片襯底的黏附性主要受兩種材Fig.2Influenceofexposuredosagetocohesionandcrack(a)70mJ/cm2(b)140mJ/cm2(c)210mJ/cm2圖2不同的曝光劑量對(duì)黏附性和裂紋的影響(a)70mJ/cm2,芯片浮起50%(b)140mJ/cm2,芯片浮起20%(c)210mJ/cm2,芯片浮起5%642功能

16、材料與器件學(xué)報(bào)14卷(4)硬烘。硬烘在工藝流程中起著很重要的作用,使SU-8模具跟硅片更好黏合,保證模具在重復(fù)使用中不會(huì)發(fā)生形變。2.2裂紋在SU-8加工過程中,一個(gè)重要的問題就是如何避免和消除片上SU-8出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象。SU-8模具出現(xiàn)裂紋,會(huì)導(dǎo)致PDMS或者其他快速成型材料管道堵塞,降低芯片成品率。裂紋的出現(xiàn)實(shí)質(zhì)是SU-8光刻膠在溫度升降過程中產(chǎn)生的應(yīng)力沒有得到有效控制和釋放;或者是SU-8結(jié)構(gòu)層浸泡在顯影液時(shí),先前軟烘及曝光后烘因升降溫時(shí)未釋放出來的熱能,在顯影溶解過程釋放出來,造成裂紋現(xiàn)象發(fā)生。前烘溫度與前烘時(shí)間、后烘溫度與時(shí)間、曝光劑量以及顯影時(shí)間是影響芯片效果的主要四個(gè)工藝參數(shù)。其

17、中,曝光劑量是最重要的影響因素,足夠的曝光劑量會(huì)有效減少裂紋的出現(xiàn),見圖2(c)。硬烘在工藝流程中起著很重要的作用,可減弱裂紋現(xiàn)象。這是因?yàn)槠毓夂蠛婧?SU-8的玻璃態(tài)溫度(GlassTemperature)由55上升到200,此時(shí)在熱板上烘烤,光刻膠再度流動(dòng)產(chǎn)生熱聚合作用修補(bǔ)表面微裂狀況,同時(shí)使殘留的顯影液和溶劑得到進(jìn)一步的揮發(fā)。圖3表明同一片SU-8芯片經(jīng)過200熱板硬烘30min后能明顯降低裂紋的影響,能有效改善表面微裂現(xiàn)象,使模具更加耐用。7Fig.3InfluenceofHardbaketocrackofmoldsurface(a)be-forethehardbake(b)after

18、thehardbake圖3硬烘前后模具表面裂紋的影響(a)硬烘前(b)200熱板硬烘30min后圖4為硬烘前后的AFM圖形,可以更清楚的看出,硬烘后能彌合之前的微裂,改善表面結(jié)構(gòu)。Fig.4ComparisonofAFMofthemoldinfluencedbyhardbaking(a)beforethehardbake(b)afterthehardbake.圖4硬烘前后模具的AFM圖形比較(a)硬烘前(b)硬烘后掩模設(shè)計(jì)成圓形或者弧形等柔和漸變圖案,也能有效改善裂紋現(xiàn)象。SU-8工藝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)積聚在直角處,在熱處理過程中形變量較大,將拐角處設(shè)計(jì)成弧形能很好的解決,見圖5。2.3線條F

19、ig.5Effectofmaskdesigntocrack.(a)right-anglestruc-ture(b)arcstructure圖5掩模板的設(shè)計(jì)對(duì)裂紋的影響(a)直角結(jié)構(gòu)(b)彎角顯影需要保證SU-8模具與襯底降至室溫后,且使顯影液(應(yīng)存放于4冰箱)溫度升至室溫,以避免由顯影液的溫差造成的模具開裂。顯影中出現(xiàn)白膜表明顯影不足,需要重復(fù)顯影或者用氧等離子去膠3期陸振華,等:用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工藝的優(yōu)化643處理。在小尺寸顯影(<50m)時(shí),可選用超聲輔助顯影。圖6為采用超聲(SCQ250,上海聲浦超聲波設(shè)備廠)顯影前后的結(jié)果圖,可以看到超聲能得到更為清晰

20、和完整的模具,有效的改善顯影效果。2.4制作好的模具和PDMS芯片SU-8模具制作好后,可以澆注PDMS聚合物成型。PDMS單體與固化劑(DowCorning,USA)按照10:1的質(zhì)量配比混合均勻,除凈氣泡(真空干燥箱,DZF-6050型,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司),倒在SU-8模具上,在調(diào)好水平(水平儀,DP91A,LAND)的熱板上65保持2h固化。圖7為經(jīng)十次圖形轉(zhuǎn)移的SU-8模具與相應(yīng)的PDMS芯片,可以看出彎角模具無裂紋,與襯底硅片黏附性好。在PDMSFig.6Effectofbeforeandaftersupersonicdevelopment(a)be-foreultrason

21、icdevelopment;(b)afterultrasonicdevelopment圖6采用超聲顯影前后的效果圖(a)超聲顯影前;(b)超聲顯影后Fig.7SU-8moldandthecorrespondingPDMSchip(a)SU-8moldremainsgoodaftertentimesgraphicstransfer;(b)thePDMSchip圖7SU-8模具與模塑法制成的PDMS芯片(a)經(jīng)十次PDMS圖形轉(zhuǎn)移后,模具仍然完好;(b)轉(zhuǎn)移好圖案的PDMS芯片F(xiàn)ig.8SEMofmoldbeforeandafterpatterntransform(a)thewholeviewof

22、theunusedchip(b)thewholeviewofthechipusedfortentimes(c)theboundaryviewoftheunusedchip(d)theboundaryviewofthechipusedfortentimes圖8澆注模具前后模具的SEM圖(a)未使用過的芯片全貌圖(b)使用過十次的芯片全貌圖(c)未使用過的芯片交界面(d)使用過十次的芯片交界面644功能材料與器件學(xué)報(bào)14卷5LeeKY,SZ,GelormeJD.MicromachiningapplicationsofahighresolutionultrathickphotoresistJ.JVa

23、cSciTechnolB,1995,13(6):3012-3016.6LorenzH,MD,FahrniN,SU-8:alow-costnegativeresistforMEMSJ.JMicromechMicroeng,1997,7:121-124.7SU-82000PermanentEpoxyNegativePhotoresistprocess-ingguidelinesfor:SU-82025,SU-82035,SU-82050andSU-82075,.8RibeiroJC,GM,TurmezeiP.ASU-8fluidicmicrosys-temforbiologicalfluidsan

24、alysisJ.SensorsandActua-torsA,2005,(123-124):77-81.9TiinaSikanen,ST.CharacterizationofSU-8forelectrok-ineticmicrofluidicapplicationsJ.LabChip,2005,(5):888-896.10OngB,YuanH,TjinX,etal.AdjustablerefractiveindexmodulationforawaveguidewithSU-8photoresistbydual-UVexposurelithographyJ.Appliedoptics,2006,4

25、5(31):8036-8039.11王彬,陳翔,許寶建,等.基于SU-8負(fù)膠的微流體器件的制作及研究J.功能材料與器件學(xué)報(bào),2006,12(3):215-219.12曾永彬,朱荻,明平美,等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SU-8光刻膠工藝參數(shù)優(yōu)選研究J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2006,25(9):1082-1085.13許寶建,金慶輝,趙建龍.基于多層SU-8結(jié)構(gòu)的微噴陣列芯片的制作與應(yīng)用研究J.功能材料與器件學(xué)報(bào),2006,12(5):377-382.14張金婭,陳迪,朱軍,等.超厚SU-8負(fù)膠高深寬比結(jié)構(gòu)及工藝研究J.功能材料與器件學(xué)報(bào),2005,11(2):251-254.15方肇倫,等.微流控分析芯片M.科學(xué)出版社,2003.通過模具成型前后