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方法文章

用于多层微流控器件制备的三维打印显微镜掩模对准适配器的设计与开发

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DOI：

10.3791/61877

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2021年1月25日

 ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, Texas Tech University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本项目使小型实验室能够开发出一种易于使用的平台，用于制备精确的多层微流控器件。该平台包含一个三维打印的显微镜掩模对准适配器，利用该适配器可实现对准误差小于<10 µm的多层微流控器件。

摘要

本项目旨在开发一种易于使用且成本低廉的平台，用于制备通常只能在洁净室环境中借助昂贵设备才能实现的精确多层微流控器件。该平台的核心部件是一种可与常规光学显微镜和紫外（UV）光曝光系统兼容的三维（3D）打印显微镜掩模对准适配器（MMAA）。由于在优化器件设计方面开展了大量工作，整个器件的制备流程已得到极大简化。该流程包括根据实验室现有设备确定合适的尺寸，并按照优化后的参数3D打印MMAA。实验结果表明，通过3D打印设计并制造的优化型MMAA能够与普通显微镜和光曝光系统良好配合使用。利用由3D打印MMAA制备的主模具，所获得的具有多层结构的微流控器件其对准误差小于<10 µm，足以满足常见微芯片的应用需求。尽管在将器件转移至UV光曝光系统过程中可能因人为操作引入更大的制造误差，但通过熟练操作和谨慎处理，本研究中实现的最小误差是可以达到的。此外，通过修改3D打印系统中的建模文件，MMAA可被定制以适配任意型号的显微镜和UV曝光系统。本项目为规模较小的实验室提供了一种实用的研究工具，因其仅需使用那些通常已在制备和使用微流控器件的实验室中普遍配备的设备。下文详细描述了MMAA的设计与3D打印流程，同时介绍了利用MMAA获取多层主模具以及制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片的具体步骤。

引言

微加工是工程研究中一个发展成熟且前景广阔的领域，因其在微流控平台的广泛应用中具有巨大潜力。微加工是一种制造具有微米尺度结构的工艺，其中结构的制作采用 µ微米或更小尺度的结构特征，可使用不同的化学化合物实现。在过去30年的微流控研究发展中，软光刻已成为制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）或类似物质微芯片最常用的微加工技术。这些微芯片已广泛应用于常规实验室操作的微型化1,2,3,4 并已成为工程师模拟反应过程的强大研究工具5,6,7，研究反应机制，以及在体外模拟人体内的器官（例如，器官芯片）8,9,10然而，随着应用复杂性的增加，通常更复杂的微流控装置设计能够更有效地模拟其拟复制的真实系统。

基本的软光刻工艺包括在基底上涂覆光刻胶，并在涂覆后的基底上放置光掩模，然后将基底暴露于紫外光下11。光掩模具有透明区域，这些区域模拟了微流控器件通道的预期图案。当对涂覆基底进行紫外光照射时，透明区域允许紫外光穿透光掩模，从而使光刻胶发生交联。曝光步骤完成后，使用显影液洗去未交联的光刻胶，留下具有目标图案的固体结构。随着微流控器件复杂性的增加，其需要具有极高精度尺寸的多层结构。与单层微加工相比，多层微加工过程要困难得多。

多层微加工需要将第一层结构与第二张掩模上的设计进行精确对准。通常，该过程需使用商用掩模对准仪完成，而这类设备价格昂贵且操作需要专业培训。因此，对于缺乏足够资金或时间的中小型实验室而言，多层微加工通常难以实现。尽管目前已开发出多种定制的掩模对准装置，但这些系统往往需要采购并组装大量不同部件，仍较为复杂12,13,14。这对小型实验室不仅成本高昂，还需要投入大量时间进行构建、学习和操作。本文所述的掩模对准仪旨在解决上述问题，无需额外购置设备，仅依赖微流控器件制备与使用实验室中通常已有的常规仪器即可完成。此外，该掩模对准仪通过3D打印技术制造，而得益于近年来3D打印技术的进步，该方法已以较低成本广泛普及于大多数实验室和高校。

本文所述方案旨在创建一种成本低廉且易于操作的替代性掩模对准仪。本方案中详述的掩模对准仪可使不具备传统加工设施的研究实验室实现多层微加工。通过使用显微镜掩模对准适配器（MMAA），仅需常规紫外光源、光学显微镜及普通实验室设备，即可制备具有复杂结构的可功能化微芯片。实验结果表明，该MMAA在使用正置显微镜与紫外曝光箱的示例系统中表现良好。通过3D打印工艺制备的MMAA，成功获得了鱼骨状微流控器件的双层主模板，且对准误差极小。利用由3D打印MMAA制备的主模板，所制备的多层结构微流控器件的对准误差小于10 µm。 <10 µm. 对准误差的 <10 µm 足够小，不会妨碍微流控器件的应用。

此外，已确认使用MMAA制备的四层母模实现了成功对准，且对准误差确定为<10 µm。微流控器件的功能表现及微小的对准误差验证了MMAA在制备多层微流控器件中的成功应用。通过在3D打印机中对文件进行微小调整，MMAA可被定制以适配任意显微镜和紫外光曝光系统。以下方案概述了为适配各实验室现有设备而对MMAA进行精细调节，并按所需规格3D打印MMAA的必要步骤。此外，该方案还详细说明了如何利用该系统制备多层母模，继而使用该母模生产聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片。母模及微流控芯片的制备完成后，用户即可测试该系统的有效性。

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方案

1. 设计MMAA

  1. 获取现有紫外光发射系统托盘的尺寸，作为晶圆 holder（或紫外曝光单元）尺寸的上限，如图1所示。如图2A所示，测量托盘内侧圆形边缘的直径（d）、紫外光发射系统托盘的内高（h）、托盘的总宽度（w）和长度（l）。
    注意：以现有紫外光曝光系统为例，其托盘内部尺寸为 5 英寸（"）× 5" × 0.25"，并带有直径为 4" 的圆形开口。随后设计 MMAA 的尺寸，使其不超过托盘内部尺寸，以便能够正确贴合并平整地放置于系统托盘内，如图2B所示。有关 MMAA 的 3D 打印部件（包括涂覆光刻胶的硅晶圆和用于将装置固定在显微镜上的紧固件），请参见图3。
  2. 测量现有直立式显微镜载物台上用于固定载玻片 holder 的两个螺丝之间的距离，并测量螺丝的宽度。利用这些尺寸对磁性 holder（图1）进行定制，使其适配现有的显微镜，从而实现 MMAA 与显微镜之间的便捷且精确的固定（图4A）。
  3. 使用现有的计算机设计软件，根据实测尺寸对晶圆 holder 和磁性显微镜紧固件进行定制化设计。晶圆 holder 的高度、宽度和长度不得超过紫外光发射系统托盘的内高（h）、宽度（w）和长度（l）。此外，在晶圆 holder 底部设计一个与紫外光发射系统托盘相同直径（d）的圆形开口。生成 MMAA 两个部件的 STL 或 CAD 文件，用于该装置的 3D 打印（参见补充材料）。

2. 3D 打印 MMAA

  1. 将生成的 STL 或 CAD 文件上传至可用的 3D 打印软件中。根据所使用的 3D 打印工艺和打印机的相应操作流程，打印 MMAA 的两个部件。完成打印后，执行所有必要的后处理步骤（例如，去除支撑材料、去除未固化树脂、额外清洗或固化步骤）。或者，也可使用现有的 3D 打印服务，将设计好的部件在其他地点完成打印和后续处理。
  2. 确保晶圆夹具能良好贴合并平整地放置在现有紫外光曝光系统的托盘内（图 2B）。此外，确保显微镜固定装置已安装在显微镜载物台上，并可通过调节显微镜载物台 X 和 Y 方向位置的旋钮轻松移动（图 4A）。
  3. 部件最终确定后，使用强力胶或其他固定材料将磁铁插入并固定在晶圆夹具和显微镜固定装置中（图 3A）。待胶水完全干燥后再测试系统。
    ​注意：如有需要，可先使用熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）3D 打印机打印一个原型部件，以节省资源和成本15。该原型可用于评估其与现有设备的适配性，并在必要时修改设计。最终装置可采用更高精度的工艺（例如，立体光刻，Stereolithography）进行打印，以获得更佳的精度。最终装置也可采用半透明表面处理，以便在显微镜下实现最佳使用效果。

3. MMAA的实验测试

  1. 带有对齐标记的微流控装置光掩模的设计与打印
    1. 使用计算机设计软件设计所需双层微流控装置的光掩模。
    2. 在微流控装置通道结构的侧面添加额外结构，作为对齐标记（靠近光掩模/主模具边缘），如图5A、B所示。确保微流控装置每侧各有一个对齐标记（总共至少四个）。此外，确保光掩模包含一条直边，可与硅片的直边完全对齐。
      注：对齐标记结构越精细，后续层的对齐精度越高。最低要求应使用尺寸为1 mm × 1 mm的简单十字结构（图6A）。图5A、B的角落及底边中点处展示了对齐标记的示例，这些图显示了用于制作双层主模具的第一层和第二层光掩模。
    3. 通过商业供应商或其他可用设施打印光掩模。
  2. 使用MMAA（光刻技术）制备双层主模具
    1. 采用标准光刻技术并遵循光刻胶制造商的说明，使用第一层光掩模制备主模具的第一层16。使用4"硅片和适当的光刻胶（如SU-8），以获得所需的层厚。确保第一层厚度大于后续各层，以便于识别对齐标记。
    2. 使用浅色记号笔（例如金色）将第一层四个侧边的对齐标记涂上颜色。
    3. 根据光刻胶制造商的说明，通过旋涂法将光刻胶涂覆于硅片上，并进行软烘16，以启动主模具第二层的制备。将涂覆后的硅片插入MMAA的硅片 holder（图3B）中，并用胶带将硅片固定在MMAA上。
    4. 使用磁性显微镜固定夹将硅片 holder 安装到现有的直立显微镜上（图4A）。通过显微镜载物台的x和y方向旋钮调节MMAA的位置，直到通过显微镜镜头能看到硅片上其中一个着色的对齐标记。
    5. 将第二层光掩模插入硅片 holder 中，置于涂覆后的硅片上方（图3C）。确保第一层的 着色对齐标记能透过光掩模上的对齐标记部分可见。 
    6. 通过光掩模一侧的切口，用胶带将其固定在剪式升降台（也称为支撑千斤顶）上（图4B）。使用剪式升降台调节光掩模的z方向位置，使其正好位于涂覆硅片的上方（图3C）。
      ​注：剪式升降台可精细调节光掩模的z方向位置，因其可在z方向上移动所附光掩模的位置。
    7. 在保持光掩模静止的同时，通过显微镜镜头观察，识别出位于光掩模对齐标记下方的第一层着色对齐标记。使用显微镜载物台的x和y方向旋钮移动MMAA的位置（图4D）。通过显微镜镜头观察对齐标记的位置，调节MMAA的位置，直至光掩模上的对齐标记与第一层上的着色对齐标记完全重合（图6A、B）。
    8. 小心地对光掩模施加轻微压力，并用胶带将其固定在涂覆硅片的上方。将光掩模从剪式升降台上取下。确保光掩模上的四个对齐标记均与第一层上的四个对齐标记精确对齐。
    9. 完成对齐后，小心地将硅片 holder 从显微镜载物台上取下。将玻璃顶板放置在硅片和光掩模上方，以减小两者之间的间隙（图1）。将整个硅片 holder 放入现有的紫外光曝光系统中，如图4E所示。根据光刻胶制造商的说明16，以适当的时间和光强对第二层进行曝光。
    10. 从紫外光曝光系统中取出硅片 holder。将涂覆后的硅片从 holder 中取出，并将光掩模从硅片上剥离。按照光刻胶制造商的说明16完成第二层的后续处理（如后烘、显影、冲洗和干燥）。
      ​注：具体的旋涂、软烘、曝光、后烘和显影条件（时间、温度）会因所用光刻胶和所需层厚的不同而有所变化。实际条件和精确的光刻工艺应依据光刻胶制造商的说明进行设定。
  3. 使用主模具制备微流控装置（软光刻）
    1. 取出主模具，用胶带将其固定在直径150 mm、高15 mm的塑料培养皿中央。
    2. 根据制造商说明配制约15–20 g的PDMS。将PDMS放入真空腔或静置至无气泡状态，然后倒入含有主模具的培养皿中。
    3. 将带有主模具的培养皿静置于实验台，直至PDMS中无气泡。随后将培养皿放入65 °C的烘箱中，直至PDMS完全固化（至少3小时）。
    4. 切割PDMS以暴露出微通道结构。沿微通道结构将PDMS切割成独立的微芯片，并为微流控装置打出入孔和出孔。使用胶带轻轻去除PDMS表面可能存在的微小颗粒。
    5. 通过等离子体处理PDMS芯片及另一基底（PDMS或载玻片），使两者键合，完成微芯片的制备。
  4. 对齐误差的测定
    1. 取出主模具，使用直立显微镜测定第一层与第二层之间的间隙距离（即对齐误差）。可通过直接测量微通道结构上第二层相对于第一层的偏移距离来实现（参见图5D中测量间隙距离的示例）。
    2. 使用直立显微镜检查PDMS芯片的通道壁是否平直、器件边缘是否清晰。同时检查PDMS芯片是否存在可能影响器件功能的任何缺陷。
      注：若需降低对齐误差，可能需要重复主模具的制备过程（第3.2和3.3节）。反复练习使用MMAA可提高用户制备高对齐精度主模具的能力。此外，可通过扫描电子显微镜（SEM）成像（图7）进一步确认对齐误差。

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结果

通过优化和使用MMAA（图1），采用融合丝状制造（FFF）3D打印工艺制备了具有最小对准误差的多层主模具。最终的MMAA是通过融合丝状制造（FFF）3D打印工艺制备的（图 2）。FFF 工艺可提高目标装置尺寸的精确度。MMAA 由两个主要部件组成（图3）：基座部件和定制固定装置。基座部件包含紫外光曝光单元，该单元作为晶圆 holder 使用。紫外光曝光单元可实现光掩模与涂覆硅片的精确对准。第二个部件是定制固定装置，通过磁铁将晶圆 holder 固定在显微镜平台之上。整个装置用于辅助双层主模具上下两层的对准，其示意图如图所示。 图4该系统及所述方案用于将光掩模上的标记与主模具初始层上的标记进行对准图6）。随后制备了具有人字形图案的微流控装置的双层SU-8母模，其显示的间隙距离为 <5 µm 两层之间（

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讨论

上述方案概述了3D打印MMAA并利用该系统制备精确多层微流控器件母模的步骤。尽管该装置易于使用，但方案中存在若干关键步骤，需要经过练习并谨慎操作，以确保母模各层的准确定位。第一个关键步骤是MMAA的设计。在设计MMAA时，必须确定装置的精确尺寸，以确保其能够恰当地适配于紫外光曝光系统内部。若装置发生错位，可能导致紫外光照射不均，从而引起母模结构的形变。第二个关键步骤是在使用MMAA时，需谨慎对准母模的第一层与第二层。在将第二层光掩模与第一层对准标记对齐后，用户必须格外小心地将光掩模固定至晶圆和MMAA上。由于特征尺寸为微米级，若在固定过程中光掩模发生轻微移动，即可能造成对准误差，导致最终的PDMS器件无法使用。因此，该步骤所需的精度需通过使用MMAA反复练习方可掌握。最后一个关键步骤是确保光掩模与涂覆晶圆之间无任何间隙，以保证紫外光均匀照射。利用MMAA制备多层母模的这一技术受限于用户在执行本方案时的细致程度与操作谨慎性，因为必须严格遵循上述关键步骤，才能获得对准良好的各层结构。

多层微流控器件的制备通常难以避免误差，除非具备传统的对准设备。这类设备价格昂贵，且由于其敏感性，使用时...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢德克萨斯理工大学本科教育转型中心为本项目提供的资金支持。作者还感谢德克萨斯理工大学化学工程系给予的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）3D打印耗材由德克萨斯理工大学3D打印设施提供
BX53 正置显微镜Olympus
Form 2 立体光刻3D打印机Formlabs
高级加热磁力搅拌器VWR97042-642
异丙醇，70%（v/v）VWRBDH7999-4
浅色记号笔Sharpie
磁铁，3 mm × 3 mmWOTOYASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 硅橡胶弹性体试剂盒DOW4019862
培养皿，150 mm × 15 mmVWR25384-326
打印的光掩模CAD/Art Services, Inc.
铝制支撑千斤顶 - 8" × 8"，剪叉式升降VWR12620-904
硅晶圆University Wafer452
氢氧化钠VWR
超声波清洗仪BransonCPX3800H
旋涂仪Laurell Technologies Corporation型号 WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30MakerBot Industries, LLCSR-303D打印用可溶性支撑材料
Stratasys uPrint SE 3D打印机Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50KayakuY131269 0500L1GL
SU-8 100KayakuY131273 0500L1GL
SU-8 显影液KayakuY020100 4000L1PE
强力胶Gorilla Glue
三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷Sigma-Aldrich448931-10G
胶带Scotch
Form Cure 紫外光固化箱FormlabsFH-CU-01
UV-KUB2 紫外光曝光箱KloeUV-KUB2

参考文献

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  16. SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials. , Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020).

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