יציקה כפולה משופרת של פולידימתילסילוקסן (PDMS) באמצעות טיפול בשמן סיליקון לשכפול מיקרו-מבנה צפוף

כדי להתמודד עם אתגרי פירוק במיקרו-מבנים צפופים ויחסי גובה-רוחב גבוהים, שינינו את תהליך היציקה הכפולה של PDMS על ידי הוספת טיפול בשמן סיליקון המיושם עם חוט מתח. הפרוטוקול שלנו מציע פתרון פשוט וחסכוני המונע את הצורך בציוד יקר או חומרים מיוחדים, ומאפשר שכפול אמין של מיקרו-מבנים מתקדמים ללא נזק.

המעבדה שלנו תתמקד באוטומציה של תהליך יישום השמן ובפיתוח שמני סיליקון מותאמים אישית לזיהוי תנאים אופטימליים לשיפור יכולת השחזור והדיוק.

[קריין] כדי להתחיל, מערבבים תמיסה של הקסאן ו-OTS ביחס נפח של 40:1 בעזרת זכוכית נקייה ומוט ערבוב. מכסים את הכוס בנייר אלומיניום כדי למזער את האידוי. סוניקציה של הזכוכית האטומה לאמבט קולי בטמפרטורת החדר מלא במים. לאחר מכן טבלו את תבנית הסיליקון החרוטה מראש עם מערך חורים בתמיסת הקסאן OTS המוכנה. כעת, השתמש בפינצטה נקייה כדי להרים בעדינות את כל תבנית הסיליקון אנכית מהתמיסה. העבירו אותו מיד לכוס טרייה המכילה הקסאן מסודר, ולאחר מכן שטפו על ידי ערבוב עדין קדימה ואחורה חמש עד 10 פעמים. יבש בעדינות את התבנית באמצעות מפוח חנקן המוחזק במרחק של כשלושה סנטימטרים למשך שש עד 10 שניות עד שלא נשארת לחות נראית לעין. לאחר מכן, ערבבו את בסיס ה-PDMS וחומר הריפוי ביחס משקל של 10:1 בצלחת פטרי מפלסטיק נקייה למשך 15 דקות. מניחים את התערובת בתא ומורידים בחום של 160 טור עד שלא נשארות בועות אוויר נראות לעין. מצפים קלות צלחת פטרי מפלסטיק נקייה בשמן סיליקון בצמיגות 100 סנטיסטוק בעזרת מגב נטול מוך ספוג מראש בשמן. לאחר מכן הניחו את תבנית הסיליקון המצופה OTS עם הפנים כלפי מעלה במרכז צלחת הפטרי המצופה. יוצקים לאט את תערובת ה-PDMS נטולת הגז על התבנית עד שהיא מכוסה במלואה. הסר את התבנית הממולאת שוב במסיר בועות הוואקום עד שלא נותרו בועות גלויות. כעת, הניחו את צלחת הפטרי על פלטה חמה שחוממה מראש ל-90 מעלות צלזיוס כדי לרפא את ה-PDMS. לאחר הריפוי, קלף בעדינות את תבנית ה-PDMS מתבנית הסיליקון, וודא שהמיקרו-מבנה יישאר שלם. הנח את תבנית ה-PDMS המפוברקת על פלטה חמה המוגדרת ל-150 מעלות צלזיוס. לאחר שלושה ימים של הזדקנות תרמית, טבלו את התבנית בשמן סיליקון של צמיגות 100 סנטיסטוקים. הסר את התבנית הטבולה בשמן בוואקום בטמפרטורה של 160 טור למשך 10 עד 15 דקות. לאחר מכן הסר את התבנית בעזרת פינצטה ונגב בעדינות את המשטח שלוש עד חמש פעמים עם מגב נקי נטול מוך כדי להשאיר סרט שמן דק ואחיד. לאחר מכן, הכינו תערובת PDMS ביחס משקל בסיס של 10:1 לחומר ריפוי באותה שיטת ערבוב והסרת גז כמו קודם. יוצקים בעדינות את התערובת נטולת הגז על התבנית המטופלת, ומאפשרים לה להתפשט ולהגיע לפחות למחצית הדרך במעלה המיקרו-עמודים. אבטח חוט ניילון של 0.5 מיקרומטר במתח עדין. החלק את החוט פעם או פעמיים על פני משטח ה-PDMS בכיוון אחד כדי להפחית עודפי שמן בין מיקרו-עמודים. לאחר מכן מסירים את התבנית עם שכבת ה-PDMS הדקה בתא ואקום עד שלא נשארות בועות אוויר. כדי לייצר מוצר PDMS בדוגמת מערך חורים, מצפים קלות צלחת פטרי מפלסטיק נקייה בשמן סיליקון. מניחים את תבנית ה-PDMS לתוך צלחת הפטרי המצופה ויוצקים עליה את תערובת ה-PDMS נטולת הגז עד להגעה לגובה הרצוי. הסר את מכלול התבנית פעם נוספת כדי לחסל בועות אוויר כלואות. לאחר מכן מניחים את צלחת הפטרי על פלטה חמה שחוממת מראש ל -110 מעלות צלזיוס ומרפאים עד להתמצקות מלאה. לאחר הריפוי, הכנס בעדינות פינצטה נקייה בין התבנית להעתק, והוציא בזהירות את המוצר הסופי מהתבנית. תבנית הסיליקון כללה מערך צפוף של חורים עגולים בקוטר 143 מיקרומטר עם מרווח של 150 מיקרומטר ועומק של 284 מיקרומטר, מה שהניב יחס גובה-רוחב של 2:1. תבנית ה-PDMS ששוכפלה מתבנית הסיליקון ייצרה מיקרו-עמודים בקוטר 142 מיקרומטר ובגובה 283 מיקרומטר, התואמים היטב את המידות המקוריות. העתק ה-PDMS התיישן תרמית יום אחד ולאחר מכן טופל בשמן סיליקון של 100 סנטיסטוקים הראה קריעה חמורה והתפוררות של מבני קירות במהלך הפירוק. לאחר יומיים של הזדקנות תרמית ואחריהם טיפול בשמן סיליקון 100 סנטיסטוק, נראו קווי מתאר ברורים של עמודים, אך הקירות נותרו פגומים קשות עקב שחרור לא מספיק. עם שלושה ימים של הזדקנות תרמית וללא שכבת שמן, קישור צולב בין PDMS מרפא ולא נרפא הביא למבנים משולבים מחדש. שימוש בשמן MR-100 בעל צמיגות נמוכה לאחר שלושה ימים של הזדקנות תרמית הוביל לכיסוי לקוי ולקריעה כאשר השמן התנקז מדפנות אנכיות. שמן בעל צמיגות גבוהה יצר ציפוי עבה, מונע מילוי עובש וגורם למוצר הסופי להיראות גלי ומעוות. בתנאים אופטימליים של הזדקנות תרמית של שלושה ימים וציפוי שמן סיליקון של 100 סנטיסטוק, ההעתק הסופי שימר מיקרו-מבנים בדוגמת חורים בקוטר 148 מיקרומטר וגובה 280 מיקרומטר, המראה שונות ממדית קלה, אך מבנה שלם.