バルブ付き多層マイクロ流体デバイスのための多段階可変高さのフォトリソグラフィ

このビデオプロトコルの全体的な目標は、オンチップバルブと任意のアプリケーションに合わせて調整可能な複数の高さ機能を備えたマイクロ流体マスターモールドの完全なマルチステップフォトリソグラフィーを実証することです。この方法は、マイクロ流体デバイス用のオンチップメンブレンバルブを含む複雑な形状のマスターモールドを作製する方法の完全な概要です。この技術の主な利点は、マイクロ流体デバイスの流れを簡単に制御することが可能になり、生物学的アプリケーションにおけるマイクロ流体工学への参入に対する大きな障壁を克服できることです。

フォトリソグラフィーの手順は初心者が習得するのが難しいことが多いため、この手法を視覚的にデモンストレーションすることは非常に重要です。適切なアライメント、現像、露出は、視覚的な手がかりとクリーンルームでの経験にかかっています。まず、デバイスを設計し、多層ジオメトリの個々のフォトマスクを準備します。

さらに、SU-8 2050ネガフォトレジストの5ミクロン層を持つ約4枚のウェーハを準備し、付属のテキストプロトコルで説明されているようにフラッドエクスポージャーします。コーティングされたウェーハをスピンコーターに置き、真空をオンにしてスピンチャックに貼り付けます。窒素または圧縮空気を使用して、表面のほこりを吹き飛ばします。

次に、2〜3ミリリットルのAZ 50XTポジ型フォトレジストをウェーハの中央に塗布します。フォトレジストにスピンコートを施し、55ミクロンの層を作ります。コーティングしたら、ウェーハを5インチのシャーレに慎重に置き、20分間リラックスさせます。

次に、温度を摂氏65度から摂氏112度まで1時間あたり450度の割合で上昇させながら、ホットプレートでウェーハを22分間ソフトベークします。次に、ウェーハを取り出し、ペトリ皿で室温で一晩休ませて、周囲の水分補給を行います。フローラウンド透明マスクを5インチガラスプレートにテープで貼り付けて、印刷面がウェーハに最も近いようにし、UVマスクアライナーのマスクポジショナーにロードします。

賭け金を6サイクルで930ミリジュールのUVにさらします。ウェーハを現像液の攪拌槽に3〜5分間浸すことにより、または浴が紫色に変わり、特徴が現れるまで、ウェーハをすぐに現像します。現像したら、ウェーハを取り出し、脱イオン水でよくすすいでください。

次に、ウェーハを固く焼き付けて溶融させ、バルブの特徴を丸めます。1時間あたり10°Cの速度で、15時間かけて65°Cから190°Cまで温度を上げます。終了したら、ホットプレートの電源を切り、ウェーハを室温まで冷まします。

ウェーハ上の特徴が丸みを帯びています。このハードベイクは、長方形のバルブ機能を丸みを帯びたバルブプロファイルに適切にリフローするために重要です。時間が短いと、ひび割れや不安定になる場合があります。

高さが可変のデバイスを製造するには、前に示すように、洗浄したウェーハをスピンコーターに置きます。1〜2ミリリットルのSU-8 2050ネガ型フォトレジストをウェーハの中央に塗布し、開発したバルブ機能上でフォトレジストを回転させます。次に、回転させたウェーハを5インチのシャーレに慎重に置き、平らな面で20分間、または縞模様が消えるまでリラックスさせます。

次に、2つのホットプレートを摂氏65度と摂氏95度に予熱し、ウェーハを摂氏65度のプレートに2分間、摂氏95度のプレートに8分間、摂氏65度のプレートにさらに2分間セットして、ウェーハをソフトベークします。ウェーハが室温に戻ったら、フロー低透明マスクを石英5インチガラスプレートにテープで貼り付けて、印刷面がウェーハに最も近いようにし、UVマスクアライナーのマスクポジショナーにロードします。次に、ウェーハをUVマスクアライナーチャックに置き、顕微鏡の接眼レンズまたはカメラを使用して、新しいフローローレイヤーの特徴をフローラウンドバルブレイヤーの特徴に慎重に位置合わせします。

まず、デバイスの境界線の水平軸、垂直軸、傾斜軸をマスク上のデバイス境界線の特徴に揃えます。次に、レイヤー間で十字線の特徴を揃えます。最後に、バルブの特徴が目的の場所でフローローの特徴と交差していることを確認します。

次に、ウェーハを170ミリジュールのUV蒸着にさらします。終了したら、ウェーハを取り外し、摂氏65度と摂氏95度に設定された2つのホットプレートを切り替えて露光後に焼きます。ウェーハを現像せずに、室温まで冷却してから、付属のテキストプロトコルで説明されているように、SU-8 2025を使用してフローハイ層を順次追加し、次にカオスミキサーヘリンボーン層を追加します。

すべての層が完成したら、25ミリリットルのSU-8現像液が入った攪拌槽にウェーハを3.5分間、または特徴がはっきりと浮かび上がるまで浸して特徴を現像します。ステレオスコープを使用して、フィーチャに明確な定義済みフィーチャ境界があることを確認します。開発中は、20秒ごとにチェックして、機能が完全に定義され、レジストが洗い流されていることを確認してください。

開発しすぎると、特に複雑な金型設計では、フィーチャが損傷する可能性があります。次に、ウェーハをハードベークして、すべてのフォトレジスト機能を安定させます。続いて、付随するテキストプロトコルに記載されているように制御層を作製します。

既存のオープンアクセスプロトコルに従って、ガラス上のプッシュアップ形状の多層マイクロ流体デバイスを作製し、目視検査を使用して、すべてのバルブが制御ラインに適切に位置合わせされていること、およびすべての入口が完全にパンチされていることを確認してから続行します。水を充填したタイゴンチューブを、シリンジポンプ、流体コントローラー、リザーバー付きのオープンソースソレノイドバルブアレイなどの流量制御システムに接続します。次に、金属ピンをチューブに接続し、金属ピンを制御ライン入口のデバイスポートに接続します。

次に、フロー制御システムを各ラインで25 PSIに設定して、デバイス制御ラインを加圧します。顕微鏡で検査することにより、バルブが閉じて再度開くことを確認します。マイクロセンリフュージチューブで、100マイクロリットルの脱イオン水に3.9ミリグラムの光開始剤を懸濁し、液滴をヒドロゲルビーズに重合するために使用される光開始剤溶液を調製します。

溶液を光から保護するために、溶液を覆います。2番目のマイクロ遠心チューブに、132マイクロリットルの脱イオン水、172マイクロリットルのPEGジアクリレート、12マイクロリットルの光開始剤溶液、および85マイクロリットルのHEPESバッファーを追加して、ハイドロゲル液滴溶液を作ります。ヒドロゲル液滴溶液をカスタマイズされた極低温チューブ容器に移します。

次に、極低温チューブ容器のチューブを制御可能な圧力源に接続し、PEEKチューブをデバイス試薬入口に接続します。次に、液滴を収集するために、デバイスの出口にPEEKチューブを挿入します。デバイスから気泡を取り除き、システムを再加圧してから、RO1オイルバルブを減圧し、油圧を10PSIに設定します。

次に、PEG混合物圧力を9PSIに設定し、上流のバルブを減圧し、必要に応じて圧力を調整して、目的のサイズの液滴を生成します。50FPS以上のカメラを使用した顕微鏡で液滴サイズを決定します。液滴が安定したら、デバイスの重合領域にUV光源を配置し、光源からの365ナノメートルの光を1平方センチメートルあたり100ミリワットを5ミリメートルのスポットに印加します。

ビーズふるいバルブを加圧して、重合ビーズが集まり、液滴がビーズに固まったことを確認します。最後に、ビーズふるいバルブを減圧し、PEEK出口チューブを介してビーズをチューブに集めます。このプロトコルは、フローバルブを丸める方法を示すことから始まります。

ここでは、プロファイラー(表面形状測定機)を使用して、この方法から得られる典型的なリフロー後のバルブ丸めプロファイルを決定し、約55ミクロンの高さを示しました。左の画像では、バルブがオフになっており、液体がチャネルを通過できます。バルブを加圧して作動させると、これらのバルブを通る流れが遮断されます。

ここでは、ビーズシンセサイザー装置が動作している様子が見られ、Tジャンクション液滴発生器のオイルエマルジョン中にハイドロゲル液滴が生成されます。ふるいバルブを使用して下流の流れを部分的に閉じることにより、流体は流れ続けることができますが、ビーズはバルブの後ろに閉じ込められます。このプロセスで製造されたビーズの平均直径は52.6ミクロンで、標準偏差はわずか1.6ミクロンでした。

約3,000個のビーズのうち、標準偏差が3倍以上ずれているのは1%未満でした。この手法を習得すれば、設計からテストまで3日で完了することができます。これにより、迅速な設計の反復が可能になります。

この手順を踏めば、製造経験の少ない研究者でも、複雑なマイクロ流体デバイスを自分で作製し、自分の生物学的問題に応用することができます。このビデオを見れば、複雑な可変高さの特徴やバルブを持つデバイスなど、あらゆるレベルの複雑なマイクロ流体デバイスを作るために必要なフォトリソグラフィーの手順を十分に理解できるはずです。