Wieloetapowa fotolitografia o zmiennej wysokości dla wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych z zaworami

Ogólnym celem niniejszego protokołu wideo jest zaprezentowanie kompletnej, wieloetapowej fotolitografii matryc do mikroprzepływów z zaworami na chipie i elementami o różnych wysokościach, które można dostosować do dowolnej aplikacji. Metoda ta stanowi kompleksowy przegląd sposobu wytwarzania matryc o złożonych geometriach, w tym z membranowymi zaworami na chipie, przeznaczonych do urządzeń mikroprzepływowych. Główną zaletą tej techniki jest umożliwienie łatwego kontrolowania przepływu w urządzeniach mikroprzepływowych, co eliminuje istotną barierę wejścia w obszar mikroprzepływów w zastosowaniach biologicznych.

Wizualna demonstracja tej techniki jest kluczowa, ponieważ etapy fotolitografii są często trudne do opanowania dla osób początkujących. Prawidłowe wyrównanie, wywoływanie i naświetlanie opierają się na sygnałach wizualnych oraz doświadczeniu w pracy w pomieszczeniach typu clean room. Na początek należy zaprojektować urządzenie i przygotować poszczególne maski fotograficzne dla geometrii wielowarstwowych.

Dodatkowo należy przygotować około czterech płytek z warstwą pięciomikronową negatywowego fotorezystu SU-8 2050 i poddać je naświetlaniu całkowitemu zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym. Umieść pokrytą płytkę na powlekarce rotacyjnej i włącz podciśnienie, aby przymocować ją do uchwytu rotacyjnego. Użyj azotu lub sprężonego powietrza, aby zdmuchnąć kurz z powierzchni.

Następnie nanieś od dwóch do trzech mililitrów pozytywnego fotorezystu AZ 50XT na środek wafla. Rozprowadź fotorezyst metodą spin-coatingu, aby utworzyć warstwę o grubości 55 µm. Po pokryciu ostrożnie umieść wafel w pięciocalowej szalce Petriego i pozostaw do odpocznienia na 20 minut.

Następnie przeprowadź wstępne wygrzewanie (soft bake) wafla na płycie grzejnej przez 22 minuty, zwiększając temperaturę od 65 °C do 112 °C w tempie 450 °C na godzinę. Następnie zdejmij wafe i pozostaw go na noc w temperaturze pokojowej w szalce Petriego w celu rehydratacji w warunkach otoczenia. Przymocuj taśmą foliową maskę z przejrzystością o okrągłym przepływie do pięciocalowej płyty szklanej w taki sposób, aby strona nadruku znajdowała się najbliżej wafla, a następnie umieść ją w pozycjonerze maski urządzenia do litografii UV.

Naświetl płytkę dawką 930 milliJoules promieniowania UV w sześciu cyklach. Wywołaj płytkę niezwłocznie, zanurzając ją w mieszanej kąpieli wywoływacza na trzy do pięciu minut lub do momentu, gdy kąpiel zmieni kolor na fioletowy i pojawią się wzory. Po wywołaniu wyjmij płytkę i dokładnie opłucz ją wodą dejonizowaną.

Następnie poddaj wafelek wygrzewaniu (hard bake), aby stopić i zaokrąglić elementy zaworu. Zwiększaj temperaturę od 65 do 190 °C w ciągu 15 godzin w tempie 10 °C na godzinę. Po zakończeniu wyłącz płytkę grzejną i pozostaw wafelek do ostygnięcia do temperatury pokojowej.

Struktury na waflu są teraz zaokrąglone. Ten etap wygrzewania (hard bake) jest kluczowy dla prawidłowego przepływu materiału, aby przekształcić prostokątne elementy zaworu w profile zaokrąglone. Krótszy czas wygrzewania może doprowadzić do pękania lub niestabilności.

Aby wykonać urządzenie z elementami o zmiennej wysokości, umieść oczyszczony podłoże krzemowe na powlekarce rotacyjnej, zgodnie z wcześniej pokazaną procedurą. Nanieś od jednego do dwóch mililitrów negatywowego fotorezystu SU-8 2050 na środek podłoża, a następnie rozprowadź fotorezyst przez wirowanie nad rozwiniętymi elementami zaworu. Następnie ostrożnie umieść powlekone podłoże w pięciocalowej szalce Petriego i pozostaw je na 20 minut na płaskiej powierzchni, aż do momentu zaniknięcia wszelkich smug.

Następnie wstępnie podgrzej dwie płyty grzejne do 65 °C oraz 95 °C, a potem umieść wafer na płycie o temperaturze 65 °C na dwie minuty, na płycie o temperaturze 95 °C na osiem minut i ponownie na płycie o temperaturze 65 °C na kolejne dwie minuty, aby przeprowadzić wygrzewanie wstępne (soft bake) wafera. Po ostygnięciu wafera do temperatury pokojowej przyklej maskę o niskiej przezroczystości dla przepływu (flow low transparency mask) do kwarcowej szklanej płyty o średnicy pięciu cali w taki sposób, aby strona nadruku znajdowała się najbliżej wafera, a następnie zamocuj ją w pozycjonerze masek urządzenia do wyrównywania masek UV. Następnie umieść wafer w uchwycie urządzenia do wyrównywania masek UV i za pomocą okularu mikroskopu lub kamery starannie wyrównaj elementy nowej warstwy flow low względem elementów warstwy zaworu okrągłego (flow round valve layer).

Zacznij od wyrównania osi poziomej, pionowej oraz osi pochylenia krawędzi urządzenia względem cech krawędzi urządzenia na masce. Następnie wyrównaj znaki celownicze między warstwami. Na koniec potwierdź, że cechy zaworu przecinają cechy niskiego przepływu w zamierzonych miejscach.

Następnie poddaj wafelek naświetlaniu UV dawką 170 mJ. Po zakończeniu wyjmij wafelek i przeprowadź wygrzewanie poekspozycyjne, przełączając go pomiędzy dwiema płytkami grzewczymi ustawionymi na 65 °C i 95 °C. Bez wywoływania waferka pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej, a następnie kolejno nanieś warstwę wysokiego przepływu, a potem warstwę chaotycznego miksera typu herringbone, wykorzystując SU-8 2025 zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym.

Po ukończeniu wszystkich warstw należy wywołać wzory poprzez zanurzenie płytki w mieszanej kąpieli zawierającej 25 mililitrów wywoływacza do SU-8 na 3,5 minuty lub do momentu wyraźnego pojawienia się wzorów. Użyć stereoskopu, aby zweryfikować, czy wzory mają wyraźne i zdefiniowane krawędzie. Podczas wywoływania należy sprawdzać stan płytki co 20 sekund, aby upewnić się, że wzory zostały w pełni zdefiniowane, a rezyst został całkowicie wypłukany.

Nadmierne wywoływanie może doprowadzić do uszkodzenia struktur, zwłaszcza w przypadku złożonych projektów formy. Następnie poddaj płytkę utwardzaniu termicznemu (hard bake), aby ustabilizować wszystkie struktury fotorezystu. W dalszej kolejności wytwórz warstwę kontrolną zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym.

Wykonaj wielowarstwowe urządzenia mikroprzepływowe w geometrii typu pushup na szkle zgodnie z istniejącymi protokołami open-access, a następnie przeprowadź inspekcję wizualną, aby upewnić się, że wszystkie zawory są prawidłowo wyrównane względem linii sterujących oraz że wszystkie wloty zostały całkowicie przebite przed kontynuacją prac. Podłącz rurki Tygon wypełnione wodą do systemu kontroli przepływu, takiego jak pompa strzykawkowa, kontrolery płynów lub otwarta macierz zaworów elektromagnetycznych z rezerwuarami. Następnie połącz piny metalowe z rurkami, a piny metalowe z portami urządzenia przy wlotach linii sterujących.

Następnie ustaw system kontroli przepływu na 25 PSI dla każdej linii, aby naprzestrzenić linie sterujące urządzenia. Poprzez obserwację pod mikroskopem upewnij się, że zawory zamykają się i otwierają ponownie. W probówce do mikrocentryfugi zawieś 3,9 mg fotoinicjatora w 100 µL wody DI, aby przygotować roztwór fotoinicjatora używany do polimeryzacji kropel w kulki hydrożelowe.

Przykryć roztwór, aby chronić go przed światłem. Do drugiej probówki do mikrocentryfugi dodać 132 µL wody dejonizowanej, 172 µL diakrylanu PEG, 12 µL roztworu fotoinicjatora oraz 85 µL buforu HEPES, aby przygotować roztwór do kropli hydrożelu. Przenieść roztwór do kropli hydrożelu do dostosowanej probówki kriogenicznej.

Następnie należy podłączyć rurkę naczynia z probówką kriogeniczną do kontrolowanego źródła ciśnienia, a rurkę PEEK do wlotu odczynników urządzenia. Następnie wprowadź rurkę PEEK do wylotu urządzenia w celu zbierania kropelek. Usuń pęcherzyki powietrza z urządzenia, ponownie poddaj system nadciśnieniu, a następnie zwolnij ciśnienie z zaworu olejowego RO1 i ustaw ciśnienie oleju na 10 PSI.

Następnie ustaw ciśnienie mieszaniny PEG na 9 PSI, zwolnij ciśnienie w zaworach dopływowych i dostosuj ciśnienie w razie potrzeby, aby uzyskać krople o pożądanej wielkości. Określ wielkość kropli za pomocą mikroskopii, wykorzystując kamerę o częstotliwości 50 FPS lub wyższej. Po ustabilizowaniu się kropel umieść źródło światła UV nad obszarem polimeryzacji urządzenia i skieruj światło o długości fali 365 nanometrów o mocy 100 mW/cm² na obszar o średnicy 5 mm.

Zwiększ ciśnienie w zaworze sita do kulek, aby obserwować gromadzenie się spolimeryzowanych kulek i upewnić się, że krople stwardniały w kuleczki. Na koniec zmniejsz ciśnienie w zaworze sita i zbierz kuleczki do probówki za pomocą rurki wylotowej z PEEK. Niniejszy protokół rozpoczyna się od zaprezentowania metody zaokrąglania zaworów przepływowych.

W tym przypadku wykorzystano profilometr do wyznaczenia typowego profilu zaokrąglenia zaworu po procesie reflow, uzyskanego za pomocą tej metody, który wykazał wysokość około 55 mikronów. Na obrazie po lewej stronie zawór jest zamknięty, a ciecz może przepływać przez kanały. Po aktywacji poprzez zwiększenie ciśnienia w zaworach, przepływ przez nie zostaje odcięty.

Tutaj można zobaczyć działające urządzenie do syntezy kulek, wytwarzające krople hydrożelu w emulsji olejowej w generatorze kropel z połączeniem typu T. Poprzez częściowe zamknięcie przepływu w dół za pomocą zaworu sitowego, płyn może nadal przepływać, lecz kulki zostają uwięzione za zaworem. Kulki otrzymane w tym procesie miały średnicę średnio 52,6 microns, przy odchyleniu standardowym wynoszącym zaledwie 1,6 microns.

Z blisko 3 000 kulek mniej niż 1% odbiegało o więcej niż trzy odchylenia standardowe. Po opanowaniu technika ta może zostać zrealizowana w ciągu trzech dni, od etapu projektowania po testowanie. Pozwala to na szybką iterację projektu.

Postępując zgodnie z tą procedurą, nawet badacze z niewielkim doświadczeniem w produkcji mogą budować własne złożone urządzenia mikrofluidyczne i stosować je w swoich problemach biologicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak przeprowadzić kroki fotolitografii niezbędne do stworzenia urządzeń mikrofluidycznych o dowolnym stopniu złożoności, w tym urządzeń z elementami o złożonej, zmiennej wysokości lub zaworami.