판막 다층 미세 유체 장치에 대한 여러 단계의 변수 높이 포토 리소그래피

이 비디오 프로토콜의 전반적인 목표는 온칩 밸브와 모든 응용 분야에 맞게 조정할 수 있는 여러 높이 기능이 있는 미세유체 마스터 금형의 완전한 다단계 포토리소그래피를 시연하는 것입니다. 이 방법은 미세유체 장치를 위해 온칩 멤브레인 밸브를 포함하여 복잡한 형상을 가진 마스터 금형을 제작하는 방법에 대한 완전한 개요입니다. 이 기술의 주요 이점은 microfluidic 장치에 있는 교류를 쉽게 통제하는 것을 가능하게 하다 이어, 생물학 신청에 있는 microfluidics에 입구에 중요한 장벽을 극복하

포토리소그래피 단계는 초보자가 마스터하기 어려운 경우가 많기 때문에 이 기술을 시각적으로 시연하는 것이 중요합니다. 적절한 정렬, 개발 및 노출은 시각적 단서와 클린룸 경험에 달려 있습니다. 시작하려면 장치를 설계하고 다층 형상에 대한 개별 포토 마스크를 준비합니다.

또한 SU-8 2050 네거티브 포토레지스트의 5미크론 층이 있는 약 4개의 웨이퍼를 준비하고 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 플러드 노출을 준비합니다. 코팅된 웨이퍼를 스핀 코터에 놓고 진공 청소기를 켜서 스핀 척에 부착합니다. 질소 또는 압축 공기를 사용하여 표면의 먼지를 불어냅니다.

그런 다음 웨이퍼 중앙에 AZ 50XT 포지티브 포토레지스트 2-3밀리리터를 도포합니다. 포토레지스트를 스핀 코팅하여 55미크론 층을 만듭니다. 코팅이 완료되면 웨이퍼를 5인치 페트리 접시에 조심스럽게 놓고 20분 동안 휴식을 취합니다.

다음으로, 시간당 섭씨 450도의 속도로 온도를 섭씨 65도에서 섭씨 112도로 높이면서 핫플레이트에서 웨이퍼를 22분 동안 소프트 베이킹합니다. 그런 다음 웨이퍼를 제거하고 주변 수분 보충을 위해 페트리 접시에서 실온에서 밤새 그대로 두십시오. 플로우 라운드 투명 마스크를 5인치 유리판에 테이프로 붙여서 인쇄면이 웨이퍼에 가장 가깝도록 하고 UV 마스크 정렬기의 마스크 포지셔너에 로드합니다.

베팅을 6 사이클에서 930 밀리 줄의 UV에 노출시킵니다. 현상액의 교반 수조에 3-5분 동안 또는 수조가 보라색으로 변하고 특징이 나타날 때까지 웨이퍼를 즉시 현상하십시오. 현상이 완료되면 웨이퍼를 제거하고 탈이온수로 잘 헹굽니다.

그런 다음 웨이퍼를 하드 베이킹하여 밸브 기능을 녹이고 둥글게 만듭니다. 시간당 섭씨 10도의 비율로 15시간 동안 온도를 섭씨 65도에서 190도까지 높입니다. 완료되면 핫플레이트를 끄고 웨이퍼를 실온으로 식힙니다.

이제 웨이퍼의 형상이 둥글게 처리되었습니다. 이 하드 베이크는 직사각형 밸브 기능을 둥근 밸브 프로파일로 적절하게 리플로우하는 데 중요합니다. 시간이 짧을수록 균열이나 불안정이 발생할 수 있습니다.

다양한 높이 기능이 있는 장치를 제작하려면 앞서 그림과 같이 청소된 웨이퍼를 스핀 코팅기에 놓습니다. 웨이퍼 중앙에 1-2ml의 SU-8 2050 네거티브 포토레지스트를 적용하고 개발된 밸브 형상 위로 포토레지스트를 회전시킵니다. 그런 다음 회전된 웨이퍼를 5인치 페트리 접시에 조심스럽게 놓고 평평한 표면에서 20분 동안 또는 줄무늬 패턴이 사라질 때까지 그대로 둡니다.

다음으로, 두 개의 핫플레이트를 섭씨 65도와 95도로 예열한 다음 웨이퍼를 섭씨 65도 플레이트에 2분, 섭씨 95도 플레이트에 8분, 섭씨 65도 플레이트에 2분 더 놓고 웨이퍼를 소프트 베이크합니다. 웨이퍼가 실온으로 다시 냉각되면 인쇄 면이 웨이퍼에 가장 가깝도록 유동 저투명도 마스크를 석영 5인치 유리판에 테이프로 붙이고 UV 마스크 정렬기의 마스크 포지셔너에 로드합니다. 그런 다음 웨이퍼를 UV 마스크 얼라이너 척에 놓고 현미경 접안렌즈 또는 카메라를 사용하여 새로운 유동 저층 형상을 유동 원형 밸브 층 형상에 조심스럽게 정렬합니다.

먼저 장치 테두리의 수평, 수직 및 기울기 축을 마스크의 장치 테두리 기능에 맞춥니다. 다음으로, 레이어 사이에 십자선 피쳐를 정렬합니다. 마지막으로, 밸브 기능이 원하는 경우 흐름 낮은 기능과 교차하는지 확인합니다.

다음으로, 웨이퍼를 170 milliJoule UV 증착에 노출시킵니다. 완료되면 웨이퍼를 제거하고 섭씨 65도와 섭씨 95도로 설정된 두 개의 핫플레이트 사이를 전환하여 노출 후 굽습니다. 웨이퍼를 현상하지 않고 실온으로 냉각시킨 다음 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 SU-8 2025를 사용하여 흐름 상위 층을 순차적으로 추가한 다음 혼돈 믹서 헤링본 층을 추가합니다.

모든 레이어가 완료된 후 25ml의 SU-8 현상액이 포함된 교반 수조에 웨이퍼를 3.5분 동안 또는 피처가 명확하게 나타날 때까지 웨이퍼를 담궈 피처를 개발합니다. 스테레오스코프를 사용하여 피쳐에 명확하고 정의된 피쳐 경계가 있는지 확인합니다. 개발하는 동안 20초마다 한 번씩 기능이 완전히 정의되고 저항이 씻겨 나갔는지 확인해야 합니다.

과도하게 개발하면 특히 복잡한 금형 설계에서 기능이 손상될 수 있습니다. 그런 다음 웨이퍼를 하드 베이킹하여 모든 포토레지스트 기능을 안정화합니다. 그 후, 수반되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 제어 계층을 제작합니다.

기존 개방형 액세스 프로토콜에 따라 유리의 푸시업 형상으로 다층 미세유체 장치를 제작하고 육안 검사를 사용하여 모든 밸브가 제어 라인에 적절하게 정렬되어 있고 진행하기 전에 모든 흡입구가 완전히 펀칭되었는지 확인합니다. 물이 적재된 Tygon 튜브를 주사기 펌프, 유체 컨트롤러 또는 저장소가 있는 오픈 소스 솔레노이드 밸브 어레이와 같은 흐름 제어 시스템에 연결합니다. 그런 다음 금속 핀을 튜브에 연결하고 금속 핀을 제어 라인 입구의 장치 포트에 연결합니다.

그런 다음 각 라인에 대해 흐름 제어 시스템을 25PSI로 설정하여 장치 제어 라인에 압력을 가합니다. 현미경으로 검사하여 밸브가 닫히고 다시 열리는지 확인하십시오. 마이크로센리퓨지 튜브에서 3.9mg의 광개시제를 100마이크로리터의 DI 물에 현탁시켜 액적을 하이드로겔 비드로 중합하는 데 사용되는 광개시제 용액을 준비합니다.

빛으로부터 보호하기 위해 용액을 덮으십시오. 두 번째 마이크로 원심분리기 튜브에 132마이크로리터의 탈이온수, 172마이크로리터의 PEG 디아크릴레이트, 12마이크로리터의 광개시제 용액 및 85마이크로리터의 HEPES 완충액을 첨가하여 하이드로겔 액적 용액을 만듭니다. 하이드로겔 액적 용액을 맞춤형 극저온 튜브 용기로 옮깁니다.

그런 다음 극저온 튜브 용기의 튜브를 제어 가능한 압력 소스에 연결하고 PEEK 튜브를 장치 시약 주입구에 연결합니다. 그런 다음 물방울을 수집하기 위해 장치 배출구에 PEEK 튜브를 삽입합니다. 장치에서 기포를 제거하고 시스템을 재가압한 다음 RO1 오일 밸브를 감압하고 오일 압력을 10PSI로 설정합니다.

다음으로, PEG 혼합 압력을 9PSI로 설정하고, 업스트림 밸브의 압력을 낮추고, 원하는 크기의 액적을 생성하도록 필요에 따라 압력을 조정합니다. 50FPS 이상의 카메라를 사용하여 현미경을 통해 액적 크기를 결정합니다. 물방울이 안정화되면 장치의 중합 영역 위에 UV 광원을 놓고 소스에서 365나노미터 빛의 제곱센티미터당 100밀리와트를 5mm 스폿에 적용합니다.

비드 체 밸브에 압력을 가하여 중합된 비드가 모이는 것을 관찰하고 방울이 비드로 굳어졌는지 확인합니다. 마지막으로, 비드 체 밸브의 압력을 낮추고 PEEK 배출 튜브를 통해 비드를 튜브로 수집합니다. 이 프로토콜은 흐름 밸브를 둥글게 만드는 방법을 시연하는 것으로 시작합니다.

여기에서는 프로파일로미터를 사용하여 이 방법으로 인한 일반적인 리플로우 후 밸브 라운딩 프로파일을 결정했으며 약 55미크론의 높이를 보여주었습니다. 왼쪽 이미지에서 밸브는 꺼져 있고 액체는 채널을 통과할 수 있습니다. 밸브에 압력을 가하여 활성화되면 이러한 밸브를 통한 흐름이 차단됩니다.

여기서, 비드 합성기 장치가 작동 중이며, T 접합 액적 발생기에서 오일 에멀젼에서 하이드로겔 액적을 생성하는 것을 볼 수 있습니다. 체 밸브를 사용하여 다운스트림 흐름을 부분적으로 닫으면 유체는 계속 흐를 수 있지만 비드는 밸브 뒤에 갇히게 됩니다. 이 공정을 사용하여 생산된 비드는 평균 직경이 52.6미크론이고 표준 편차는 1.6미크론에 불과했습니다.

거의 3,000개의 구슬 중 1% 미만이 3 표준 편차 이상으로 벗어났습니다. 이 기술을 완전히 익히면 설계부터 테스트까지 3일 만에 완료할 수 있습니다. 이를 통해 설계를 빠르게 반복할 수 있습니다.

이 절차에 따라 제조 경험이 거의 없는 연구자도 자신의 복잡한 미세유체 장치를 구축하고 자신의 생물학적 문제에 적용할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 복잡한 가변 높이 기능 또는 밸브가 있는 장치를 포함하여 모든 수준의 복잡성을 가진 미세 유체 장치를 만드는 데 필요한 포토리소그래피 단계를 수행하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.