Name: Micropunching为微型和亚微米模式聚合物基板上生成的光刻 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 24 s
Description: 学习微冲压光刻技术，用于在聚合物基底上生成微米和亚微米级图案。该方法无需使用腐蚀性化学品，可快速制备导电聚合物结构，适用于生物医学传感器和微流控芯片等应用领域。

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本工作部分得到了以下资助：NSFDMI-0508454、NSF/LEQSF(2006)-Pfund-53、NSF-CMMI-0811888 和 NSF-CMMI-0900595 项目。

<ol><li>Menon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conducting+polymers%3A+Nobel+Prize+in+Chemistry%2C+2000%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Science%22%5BJournal%5D)">Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000.</a> Current Science. 79, 1632(2000).</li>
<li>Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+and+proton+conducting+polymers%3A+recent+developments+and+prospects%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects.</a> Electrochimica Acta. 45, 2403(2000).</li>
<li>Adhikari, B., Majumdar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymers+in+sensor+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">Polymers in sensor applications.</a> Progress in Polymer Science. 29, 699(2004).</li>
<li>Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+intermediate-layer+lithography+method+for+generating+multiple+microstructures+made+of+different+conducting+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers.</a> Microsystem Technologies. 13 (8), 1175(2007).</li>
<li>Madou, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMadou%2C+M+%22Fundamentals+of+Microfabrication%22">Fundamentals of Microfabrication</a>. , CRC Press. (1995).</li>
<li>Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+micromachining+for+microelectromechanical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+IEEE%22%5BJournal%5D)">Surface micromachining for microelectromechanical systems.</a> Proceedings of the IEEE. 86, 1552(1998).</li>
<li>Liu, X., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intermediate-layer+lithography+for+producing+metal+micropatterns%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+and+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677(2007).</li>
<li>Chakraborty, A., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+conducting+polymer+microwire+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">Multiple conducting polymer microwire sensors.</a> Microsystem Technologies. 15, 1737(2009).</li>
<li>Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChakraborty%2C+A+%22Polypyrrole%3A+A+new+patterning+approach+and+applications.+Polypyrrole%3A+Properties%2C+Performance+and+Applications%22">Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications</a>. Mason, E. C., Weber, A. P. , Nova Science Publishers, Inc. (2011).</li>
<li>Poddar, R., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+approach+to+fabricate+a+PPy%2Fp-type+Si+heterojunction%5BTitle%5D)+AND+%22Solid-State+Electronics%22%5BJournal%5D)">A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction.</a> Solid-State Electronics. 50, 1687(2006).</li>
<li>Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiu%2C+X+%22Generation+of+all-polymeric+diodes+and+capacitors+using+an+innovative+intermediate-layer+lithography.+Progress+in+Solid+State+Electronics+Research%22">Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research</a>. Martingale, J. P. , Nova Science Publishers, Inc. 127-139 (2008).</li>
<li>Liu, X., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Au+sidewall+micropatterns+using+a+Si-reinforced+PDMS+mold%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold.</a> Sensors and Actuators A. 152, 96(2009).</li>
<li>Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+micropatterns+on+the+sidewalls+of+a+thermal+shape+memory+polystyreme+block%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025(2010).</li>
<li>Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+micropatterns+on+channel+sidewalls+using+strain-recovery+property+of+a+shape-memory+polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer.</a> Sensors and Actuators A. , Accepted (2011).</li>
<li>Liu, X., Luo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+supe-hydrophobic+channels%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Fabrication of supe-hydrophobic channels.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029(2010).</li>
<li>Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reinforcement+of+PDMS+master+using+an+oxide-coated+silicon+plate%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronics+Journal%22%5BJournal%5D)">Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate.</a> Microelectronics Journal. 37, 5(2006).</li>
<li>Luo, C., Garra, J., Schneider, T., White, R., Currie, J., Paranjape, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+ablation+of+PMMA+for+water+release+using+a+microheater%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Thermal ablation of PMMA for water release using a microheater.</a> Sensors and Actuators A. 114, 123(2004).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

故障排除信息： 使用“切割”工艺制备导电聚合物和金属单层及多层微图案的关键要点：（1）压印温度需确保中间PMMA层具有足够的流动性，以获得最佳效果。建议从温度范围的下限开始，若未达到理想结果，再逐步升高温度。过高的温度可能导致导电聚合物层的化学和/或电学性质发生变化。（2）若压印力过大，可能导致硅模具在压印过程中开裂；而压印力过低则可能导致模具填充不充分，聚合物层无法被完全切断。（3）压印设备应设置为仅在基底达到设定温度后才开始压印操作。（4）压印图案的轮廓取决于特征尺寸、压印力、温度及模具压入时间，其形貌可能从边缘锐利变为较为圆润。随着聚合物层数的增加，边缘轮廓趋于圆化。（5）应优先选用具有锐利边缘的硅模具，以确保导电聚合物/金属层按预期被切断。不建议使用侧壁倾斜的硅模具。（6）使用过深的硅模具可能导致模具与聚合物层之间发生粘连；若模具过浅，则可能无法实现对顶层（或若干层）的有效“切割”。（7）建议使用防粘连薄膜（例如，聚四氟乙烯）应涂覆在硅模具上，以便在脱模过程中易于将其与基底分离。（8）较短的压模时间可能导致无法实现“切割”效果，且模具轮廓可能变得圆滑。如果特征尺寸较小，则需要更...

<table><tbody><tr><td>PMMA </td><td>Sigma-Aldrich</td><td>495C9</td><td>溶剂为氯苯。应在通风良好的通风橱中操作PMMA溶液。避免吸入蒸气。请参考材料安全数据表（MSDS）以获取安全操作说明。</td></tr><tr><td>PPy </td><td>Sigma-Aldrich</td><td>--</td><td>水中质量分数5%。直接使用，无需处理。</td></tr><tr><td>PEDOT-PSS</td><td>H. C. Starck Co.</td><td>Baytron P HC V4</td><td>专用溶剂。直接使用，无需处理。</td></tr><tr><td>SPANI</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>--</td><td>水溶性形式。直接使用，无需处理。</td></tr><tr><td>热压印机 </td><td>JenoptikMikrotechnik Co.</td><td>HEX 01/LT</td><td></td></tr><tr><td>溅射仪</td><td>Cressington Co.</td><td>208HR</td><td></td></tr><tr><td>聚焦离子束（FIB）系统 </td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td>FIB Crossbeam 1540 XB</td><td></td></tr><tr><td>旋涂仪</td><td>Headway Research Inc.</td><td>PWM32-PS-R790 Spinner System</td><td></td></tr><tr><td>反应离子刻蚀（RIE）系统</td><td>Technics MicroRIE Co.</td><td>--</td><td></td></tr><tr><td>光刻胶 </td><td>Shipley Co.</td><td>S1813</td><td></td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184 硅橡胶弹性体套件</td><td></td></tr><tr><td>高密度聚乙烯（HDPE）片材 </td><td>US Plastic Corp.</td><td>--</td><td></td></tr><tr><td>PMMA 片材</td><td>Cyro Co.</td><td>--</td><td></td></tr><tr><td>双面胶带 </td><td>Scotch Co.</td><td>--</td><td></td></tr><tr><td>单面胶带</td><td>Delphon Co.</td><td>Ultratape # 1310</td><td></td></tr><tr><td>玻璃微电极</td><td>FHC, Inc.</td><td>30-30-1</td><td></td></tr><tr><td>夹子</td><td>Office Depot</td><td>长尾夹</td><td></td></tr><tr><td>加湿器</td><td>Vicks Co.</td><td>无滤网加湿器</td><td></td></tr></tbody></table>

用于在聚合物基底上生成微米及亚微米级图案的微孔冲压光刻技术

Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates

自1977年发现掺杂聚乙炔具有高导电性以来，导电聚合物引起了广泛关注1。这类材料具有质量轻、性能易于调控以及应用范围广泛等优势2,3。由于导电聚合物对环境条件（如空气、氧气、湿气、高温和化学溶液）敏感，因此在处理这些材料时，光刻技术面临显著的技术挑战4。例如，现有的光刻方法（如紫外光刻）因涉及湿法和/或干法刻蚀工艺，不适用于导电聚合物的图形化。此外，目前的微/纳系统主要采用平面结构5,6，即在已制备的下层结构表面逐层构建上层结构，通过多层堆叠在同一个基底上形成多种器件。微结构的侧壁表面尚未被用于器件构建。然而，侧壁图形可被用于例如构建三维电路、修饰微流道以及引导纳米线和纳米管的横向生长。
宏冲压技术在制造业中已应用百余年，用于在金属板材上制造宏观图案。受此方法启发，我们开发了一种微冲压光刻技术（MPL），以克服导电聚合物图案化及侧壁图案生成中的障碍。与宏冲压方法类似，MPL也包含两个操作步骤（图1）：（i）切割；（ii）拉伸成形。“切割”操作已用于对三种导电聚合物4——聚吡咯（PPy）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PEDOT）和聚苯胺（PANI）——进行图案化，同时也用于制备铝微结构7。所制备的导电聚合物微结构已被用作湿度8、化学8和葡萄糖传感器9。铝与导电聚合物的复合微结构已被用于制造电容器及多种异质结9,10,11。“切割”操作还被用于生成亚微米级图案，例如100 nm和500 nm宽的PPy线以及100 nm宽的金线。“拉伸成形”操作则用于两个方面：（i）在高密度聚乙烯（HDPE）通道上制备金侧壁图案，可用于构建三维微系统12,13,14；（ii）在HDPE基底上制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱，以增大通道的接触角15。

开发了一种微冲压光刻技术，用于在聚合物基底的顶面、侧壁和底面生成微米及亚微米级图案。该方法克服了导电聚合物图案化以及侧壁图案制备的难题，可实现多种结构的快速制造，且无需使用强腐蚀性化学试剂。

导电聚合物自1977年发现掺杂聚乙炔具有高导电性以来，一直备受关注1。它们具有……等优点。

本研究的总体目标是在聚合物基底的顶部侧壁和底面形成微米及亚微米级图案，以用于多种应用。该目标首先通过在刚性表面涂覆中间聚合物层和目标聚合物层来实现。随后制备具有锐边和圆边结构的模具，并在中间聚合物玻璃化转变温度以上（但低于目标聚合物熔点）对基底进行热压印。 基底冷却后，移除模具，即可在聚合物基底表面显现出微米和亚微米级图案。微冲压光刻技术的生物医学应用居于首位。通过切割操作制备的PPY微生物组可用于葡萄糖检测。其次，通过压印生成的HDP通道可作为芯片实验室设备内的微流控通道，以降低流体流动摩擦。在此过程中，将涂有中间聚合物和待打印材料的硅胶基底加热至高于中间聚合物的玻璃化转变温度，但低于目标材料的熔点或相变温度。接着，在高压下使模具与基底发生物理接触，随后进行冷却。最后，当温度降至中间层聚合物的相变温度以下时，两者分离，从而完成从模具到目标层的图案转移。在此过程中，必须使用传统的紫外光刻技术制备所需尺寸的硅模具。选择一块非导电的PMMA片材作为中间层，并将其放置在刚性平坦的基底上。现在可以通过常规旋涂法将单一导电聚合物涂覆在中间聚合物的上方。此外，为了旋涂多种导电聚合物材料，需使用胶带覆盖第一层导电聚合物周围的区域。通过贴胶带和旋涂，可在基底的指定位置涂覆多层材料。接下来，使用热压印机对基底进行几分钟的压印，并在80至95摄氏度之间以1.5毫米/分钟的速度脱模。在此工艺中，顶层分别被两层或三层聚合物或金属层的组合所替代，以制备多层微结构。本文综述了异质结、二极管和电容器的 fabrication（制备）过程。为了制备双层PPY pdot异质结，首先在PMMA片上旋涂一层10微米厚的pdot层。接着，将基底在80摄氏度下烘烤一小时。烘烤完成后，在pdot层上旋涂一层1微米厚的PPY薄膜，并将基底再次烘烤五分钟。制备双层铝-聚噻吩二极管时，先将一层10微米厚的聚噻吩（pdot）旋涂在PMMA片上，并将基底烘烤一小时。然后使用热蒸发法在聚噻吩层上沉积一层200纳米厚的铝膜。基底应倒置放置，蒸发腔内的压力应设定为5微托，通过施加高电压使铝颗粒蒸发沉积。监测石英厚度监测仪，直至达到 200 纳米。然后将电压降至零，对腔室通气，再取出样品。用于制备三层 Pdot、PMMA-Pdot 电容器。在PMMA片材上旋涂一层10微米厚的Pdot层，并将基底烘烤一小时。接着以1000 RPM多次旋涂，使Pdot层上形成15至20微米厚的PMMA薄膜，并将基底烘烤30分钟。PMMA层烘烤完成后，在PMMA薄膜上旋涂一层2至3微米厚的Pdot层，并将基底烘烤五分钟。针对所有微结构，使用热压印机压印数分钟，随后在80至95摄氏度下以1.5毫米每分钟的速度脱模微结构。绘制操作与切割类似，但使用带有圆边和 A-P-D-M-S 模具的刚性模具。该操作还需要较小的插入力、较低的插入速度以及较高的打印温度。通过在 SU 八号模具上旋涂一层微米级厚度的 S 1813 来开始制备 PDMS 微柱。采用常规紫外光刻技术制备SU-8模具。随后，将PDMS以1000 RPM的转速旋涂在涂有S 1813的SU-8模具上，并在热板上85摄氏度条件下烘烤三小时。PDMS层固化后，用丙酮清洗样品以溶解S 1813，从而将薄PDMS膜从SU-8模具上剥离下来。至此，完成微柱结构的PDMS薄膜即可用于打印。将具有微柱结构的PDMS薄膜置于一张厚度为1.5毫米的HDPE片材上。将带有圆角边缘的铝制模具放置在PDMS薄膜和HDPE片材之上，并在压力下加热1小时。模具会将PDMS薄膜压向柔软的HDPE片材。待样品冷却至室温后，取下模具，完成在HDPE片材上制备微通道的过程。在此过程中，部分由微柱形成的PDMS薄膜被转移至通道的底部及两侧壁。利用MPL切割操作，分别在PPY、PDOT和SPANI中制备了单层微结构。采用扫描电子显微镜（SEM）分析了一条宽300微米的直线图案和一条宽50微米的蛇形微线图案，以测试其对湿度的敏感性。将一条聚吡咯（PPY）微线和一片面积为1平方厘米的PPY薄膜分别暴露于45%至85%的相对湿度环境中，通过测量电阻变化来评估并比较二者的敏感性。利用吉时利探针台结合SEM，对多种多层微结构进行了检测，包括宽300微米的微线形PPY pdot结构、异质结铝-pdot二极管以及PDOT-PMMA-pdot电容器。将pdot层接地，并在PPY层施加-20伏至20伏的偏置电压。PPY与PDOT异质结的正向和反向击穿电压分别为5伏和-8伏。通过将铝层接地，并在pdot层施加-5伏至5伏的偏置电压，在室温下测得铝-pdot异质结的特性。正向和反向击穿电压分别为三伏和负2.5伏。使用KEITHLEY探针台制备了pdot PMMA PDOT电容器，并在室温下测量了该电容器的CV特性。在低频偏压下测得的电容器电容约为0.06皮法。尽管理论计算值为1.38皮法，但仍将皮法级PDMS微柱压入高密度聚乙烯（HDPE）薄膜中以形成微通道侧壁。水滴在HDPE微通道内的平均接触角为145.5度。PDMS微柱用于降低HDPE通道的拖曳摩擦阻力。在涂覆有A-P-D-M-S薄膜的HDPE通道中移动的液滴，其运动速度慢于在A-P-D-M-S微柱编码的HDPE通道中横向移动的液滴。这是由于PDM微柱赋予通道超疏水特性所致。在进行这些操作时，请务必注意：使用光刻胶、导电聚合物和挥发性有机化合物可能存在危险，应始终采取预防措施，例如佩戴个人防护装备，并在通风良好的环境中操作。

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Micropunching为微型和亚微米模式聚合物基板上生成的光刻

在金表面由长链烷烃硫醇形成的自组装单分子层（SAMs）为蛋白质图案化和细胞限域提供了明确的基底。使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章对十六烷硫醇进行微接触印刷，随后用端基为乙二醇的烷烃硫醇单体进行反向填充，可形成一种图案，其中蛋白质和细胞仅吸附于印章转移的十六烷硫醇区域。...

创建用于蛋白质和细胞限制的二维图案化基底

本文介绍了一种通过光刻技术实现的无模具聚合物微针制备方案。...

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本文介绍了一种利用小型纳米图案化模具制备大面积纳米图案化基底的方案，用于研究纳米形貌对细胞行为的调控作用。...

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本报告介绍了一种简单且易于操作的技术，利用低压真空将细胞和底物填充至微流控通道中，用于生物学研究。...

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报道了用于在表面图案化沉积叠氮内酯嵌段共聚物纳米级厚度刷状层或微米级厚度交联薄膜的制备方法。讨论了每种方法的关键实验步骤、代表性结果及其局限性。这些方法可用于构建具有定制物理结构和可调表面反应性的功能化界面。...

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本文介绍的实验方案可实现微图案的自动化制备，从而标准化哺乳动物细胞的细胞形态，用于研究细胞内的细胞骨架结构。该技术操作简便，可使用市售的成像系统进行搭建，无需标准细胞生物学实验室难以获得的专用设备。...

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传统上，细胞培养是在平面基底上进行的，而这种基底无法很好地模拟细胞的天然微环境...

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任意基底上垂直排列的小分子有机纳米线超高清密度阵列

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