Protocol
EBL 금형에서 PDMS 금형 1. 복제
- (29) 실리콘 몰드를 제조
- 스핀 코팅은 200 ㎕의 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA) 1 분 동안 2,500 rpm에서 1 × 1cm의 실리콘 (Si) 기판 상에 용액의 박막을 형성한다.
- 2 분 동안 180 ° C에서 Si 기판의 PMMA 필름을 굽는다.
- 300 μC / ㎠의 면적 도즈 집속 전자 빔을 이용하여 PMMA 필름의 설계 나노 패턴을 작성한다.
- 80 초 동안 개발자의 PMMA의 나노 패턴을 개발합니다.
- 10 kV로, 0.5 mA의 방출 전류는 0.5 Å / sec의 증착 속도의 출력 전압 전자빔 증착기를 이용하여 두께 50 nm의 니켈 층과 PMMA의 나노 패턴을 증착.
- 20 분 동안 80 ° C에서 20 ㎖ 제거제의 PMMA 부 리프트 오프.
- 반응성 이온 에칭 (RIE) Si 기판에 나노 패턴은 원하는 깊이의 실리콘 몰드 도착.
참고 : tetr의 가스 혼합물afluoromethane (CF 4) 150 W 400 W와 RIE 전력의 유도 결합 플라즈마 (ICP) 전원으로 / 산소 (O 2) (90 % / 10 %)이 560 nm의 깊이까지 실리콘 기판을 에칭하기 위해 사용된다.
- silanization합니다 실리콘 몰드
- 100mm의 PS 페트리 접시에서 유리 커버 슬립하고 실리콘 주형을 넣어 흄 후드에 위치한 유리 데시 케이 터 내에서 전송할.
- 커버 슬립에 10 μL의 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane을 삭제합니다.
주의 : 1H는, 1H는, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane 피부 부식 및 눈에 심한 손상을 일으킬 수 있습니다. 적절한 개인 보호 장비 (PPE)를 착용 할 것. - 부분적으로 페트리 접시를 커버.
- Si를 몰드의 실란 화를 완료하는 흄 후드에서 5 시간 동안 진공하에 데시 케이 유지.
- PDMS 예비 중합체를 준비
- 일회용 계량 보트 10 g의 PDMS 수지 1.05 g 경화제를 단다.
- 플라스틱 숟가락을 사용하여 철저하게 PDMS 예비 중합체를 섞는다.
- 맑은 혼합물이 관찰 될 때까지 약 20 분 동안 진공 하에서 플라스틱 건조기에서 PDMS의 예비 중합체를 탈기.
- PDMS 몰드 복제
- 60mm 페트리 접시에 실란 화시 금형을 넣습니다.
- 페트리 접시의시 금형에 PDMS 예비 중합체를 따르십시오.
- 모든 거품이 사라질 때까지 약 10 분 동안 플라스틱 건조기 및 탈기의 페트리 접시를 놓습니다.
- 열판을 페트리 접시로 이동시켜, 4 시간 동안 70 ° C에서 PDMS의 예비 중합체를 경화.
- 신중 핀셋을 이용하여 Si를 몰드에서 PDMS 몰드를 떼어.
참고 : PDMS 금형은 일주까지 주위 조건에서 저장 될 수있다. 경화 후, PDMS 몰드 (30)의 일부 미가 교 PDMS 수지 분자 잔류 경화제가있다. 저 분자량 분자들은 점차 확산 시간 동안 표면에 축적된다. 이 PDMS 표면 (31)의 지형 및 기계적 특성에 영향을 미친다. DIF융합 1 주일 내 중요하지 않습니다.
대형, 단일 금형에 PDMS 금형 2. 바느질
- 단계 1.4을 반복하여 여러 PDMS 금형을 준비합니다.
참고 : PDMS 혼합물의 동일한 금액을 동일한 두께의 PDMS 금형을 얻을 때마다 체중. - 이러한 광학 현미경으로 nanogratings 이방성 PDMS 나노 패턴의 방향을 결정하고, 마커 펜으로 PDMS 몰드의 뒷면에 마크.
참고 : 이러한 나노 기둥으로 등방성 나노 형상의 방향을 표시 할 필요가 없습니다. - 흄 후드에서 에탄올 Si 기판을 청소하고 압축 공기로 건조.
- 블레이드 각 PDMS 몰드의 패턴 화되지 않은 영역을 낸다.
참고 : 스티치 금형의 둘레에 배치되는 PDMS 금형의 경우, 다른 사람과의 접촉 만이 패턴 화되지 않은 영역이 떨어져 손질해야한다. - 에 나노 패턴면이 아래로 트리밍 된 PDMS 몰드를 배치미러 Si 기판의면 다음은 가까이 있지만 주변 금형 (들)을 터치하지 다른 금형을 맞 춥니 다.
- PDMS 접착층 준비
- 0.5 mm 두께의 층을 형성하기 위해 깨끗한 유리 슬라이드 (2.5 cm × 7.5 cm)에 1g는 PDMS 프리폴리머 (1.05 : 10 PDMS 수지와 경화제의 비) 탈기 전송.
- 3-5 분 동안 핫 플레이트상에서 100 ℃에서 PDMS 층 굽는다. 레이어를 터치 레이어가 부분적으로하지만 완치는 것을 보장하기 위해 바늘을 사용합니다.
참고 : 부분적으로 경화 된 PDMS는 경화 PDMS 예비 중합체처럼 흐를 수 없지만 경화 PDMS에 비해 스티커입니다.
- 정렬 PDMS 몰드의 뒷면에 PDMS 층을 배치하고 신속하게 조립이 반전하고, 핫 플레이트로 옮긴다.
- PDMS의 접착제 층 및 PDMS 몰드의 배면 사이의 양호한 접촉을 보장하고, 1 시간 동안 100 ° C에서 PDMS를 접착제 층을 경화 조립체의 상부에 금속 블록을 사용 압축력 (5 kPa로)를 적용한다. <BR /> 주 : 조심 조립체의 경사를 방지하기 위해 상기 금속 블록의 위치를 조정한다.
- 금속 블록을 제거하고 실리콘 기판의 단일 스티치 PDMS 몰드를 떼어.
PS 기판에 마스터 몰드의 3 세대
주 : 유리 슬라이드에 고정화 스티칭 PDMS 몰드가 PS 판 또는 작동 나노 패턴 기판을 제조 할 수있는에서 PS 박막의 마스터 몰드를 생성하는데 사용될 수있다.
- 이 PS 판에 마스터 몰드를 생성
- 이 PS 판을 준비
- 이틀 동안 80 ℃에서 진공 오븐에서 PS 펠렛을 건조.
- 230 ° C에서 프레스 기계를 예열.
- 아래에서 위로 순서대로 알루미늄 판, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 시트와 알루미늄 스페이서를 조립한다.
- 3cm (L) × 3 cm (W) × 0.3 cm (H)의 사각형 구멍에 알루미늄 스페이서에서로드 3.5 g의 PS 펠릿.
참고 : 스페이서는 약 0입니다.1 PDMS 몰드보다 두꺼운 cm, 따라서 최종 나노 패턴의 PS 기판은 약 0.1 cm의 두께이다. - 알루미늄 스페이서의 다른 PTFE 시트 다음 다른 알루미늄 판을 놓습니다.
- 프레스 기계 어셈블리를 놓습니다.
- 30 분 동안 230 ° C에서 PS 펠렛을 예열.
- 5 분 동안 어셈블리에 압축 압력 (0.1 MPa의)를 적용합니다.
- 압력을 해제 한 후 조립 0.5 MPa의 압축 압력을 다시 적용합니다.
- 1.5 MPa의 압력의 바람직한까지, 0.5 MPa의 압력 증가 단계를 반복 3.1.1.9 진행한다.
- 프레스 기계의 히터를 끄고 1.5 MPa의 일정한 압력에서 70 ° C 이하로 냉각.
- 어셈블리를 타고 PS 판을 다시 들어가는 습기를 방지하기 위해 80 ℃의 진공 오븐에서 PS 판을 저장한다.
- PS 판에 나노 임프린트 스티칭 PDMS 몰드
- 알루미늄 스페이서의 PS 판을 놓고3 인치 실리콘 웨이퍼에 설정합니다.
주 : 상기 스페이서의 내부 치수는 PS 판과 동일하다 그래서 PS 판 바로 스페이서 맞는다. - 30 분 동안 250 ° C에서 열판에 PS 판을 가열한다.
- 용융 PS 판에 나노 패턴면이 아래로 스티치 PDMS 몰드를 넣습니다.
주 : PDMS 몰드의 일측 먼저 PS 판의 표면과 접촉에 배치되고, 다른 쪽의 계면에 기포의 형성을 방지하기 위해 PS 표면과 접촉하여 서서히 저하된다.
주의 : 핫 플레이트의 표면이 뜨겁습니다. 나노 임 프린팅 과정에서 thermogloves을 착용 할 것. - 스티칭 PDMS 금형의 유리 슬라이드에 알루미늄 판을 놓습니다.
- 알루미늄 판에 금속 블록을 사용하여 압축 압력 (12.5 kPa의)을 적용하고 3 분 동안 기다립니다.
주 : 알루미늄 플레이트가 기울어지지되어 있는지 확인합니다. - 들어 올려 알루미늄 판에서 금속 블록을 교체하고 난25 kPa의에 압축 압력을 ncrease.
- 압력과 단계를 반복 3.1.2.6는 kPa의 50로 증가.
주의 :이 단계는 PDMS 몰드와 PS 판 사이에 포획 된 공기를 제거하는 것이다. - 15 분 동안 50 kPa로의 일관된 압력을 받고 240, 250 °의 C 사이의 열판의 온도를 유지한다.
- 열판의 전원을 끄고 전체 설치를 냉각.
주 : 팬은 냉각 과정을 촉진하기 위해 사용될 수있다. - 의 PS 판에서 스티치 PDMS 몰드 박리 신중 온도가 50 ° C 이하로 된 후, 금속 블록을 제거.
주 : PS 기판 역방향 나노 패턴을 가지고 작업 PDMS 기판을 제조하여 마스터 몰드로서 사용될 수있다.
- 알루미늄 스페이서의 PS 판을 놓고3 인치 실리콘 웨이퍼에 설정합니다.
- 이 PS 판을 준비
- 이 PS 박막에 마스터 몰드를 생성
- 에 PS 박막을 준비
- 흄 후드에서 10 ml의 톨루엔에 1g의 PS를 녹여.
주의 : 톨루엔은 피부 irritatio가 발생할 수 있습니다n 및 심각한 눈 손상, 그리고 장기간 또는 반복 노출되면 장기에 손상을 줄 수 있습니다. 적절한 개인 보호구를 착용 할 것. - 1 분 동안 2,500 rpm에서 웨이퍼 2 인에 스핀 코트 1 ML의 PS 솔루션은 ~ 1 μm의 두께 PS 박막을 형성한다.
- 3 일간 흄 후드에서 Si 웨이퍼에 PS 필름을 설정하여, 필름으로부터 톨루엔을 증발시켰다.
- 밤새 80 ℃에서 진공 오븐에서 PS 박막을 어닐링.
- 흄 후드에서 10 ml의 톨루엔에 1g의 PS를 녹여.
- 나노 임프린트는 PS 박막의 PDMS 몰드
- 열판에 설정되어있는 PS 박막에 나노 형상면이 아래로 스티치 PDMS 몰드를 넣습니다.
- PDMS의 주형의 유리 측에 금속 블록을 사용하여 PDMS 몰드 12 kPa로의 압축 압력을 적용한다.
- 180 ° C에 열판의 온도를 높이고 15 분 정도 유지한다.
주의 : 용융 PS 필름 윤활제로서 기능 할 수있다. 미끄러에서 금속 블록 않도록주의. - 열판의 전원을 끄고전체 설치를 냉각.
주 : 팬은 냉각 과정을 촉진하기 위해 사용될 수있다. - 의 PS 필름으로부터 스티치 PDMS 몰드 박리 신중 온도가 50 ° C 이하로 떨어지면 후 금속 블록을 제거.
참고 : 나노 패턴 PS 필름 작업 PDMS 기판을 생산하는 마스터 몰드 될 것입니다.
- 에 PS 박막을 준비
세포 행동 4. Nanotopographical 변조
참고 : 대표 nanotopographies 셀 확산의 nanotopographical 변조를 설명하기에 인간의 상피 세포가 배양.
- 애플리케이션에 따라 3.1 또는 3.2 단계 중 하나에서 생성 된 마스터 주형으로부터 작업 PDMS 기판을 전송.
- 중공 강철 아치 펀치를 이용하여, 특정 멀티 웰 플레이트 (예를 들면, 24- 웰 플레이트)의 구성에 맞도록 디스크에 나노 패턴 PDMS 기판을 절단.
- 오 우물에 PDMS 디스크를 배치 핀셋을 사용하여FA 멀티 웰 플레이트.
- 70 % 에탄올 다음 UV 노출 30 분 동안 각을 이용하여 PDMS 기판을 소독.
- 1 배 멸균 인산 완충 식염수 (PBS)를 세 번으로 PDMS 기판을 세척 할 것.
- 코팅을 실온에서 30 분 동안 세포 외 기질 단백질 (즉, 20 μg의 / ml의 피브로넥틴)와 PDMS 기판.
- 5 분 동안 PDMS 기판을 멸균 PBS로 3 회, 각 린스.
- 10 % 소 태아 혈청 둘 베코 변형 이글 배지에 인간 폐암 세포 A549를 중단하고 혈구 세포를 사용하여 계산.
- 하루 동안 5 % 이산화탄소를 함유하는 가습 분위기하에 37 ℃에서 PDMS 기판 및 배양을 2,000 세포 / ㎠의 밀도로 시딩 세포 접시.
- PBS로 3 회 세포를 씻으십시오.
- 4 시간 동안 PBS 중의 4 % 파라 포름 알데히드 및 2 % 글루 타르 알데히드의 혼합물에 세포를 고정 및 CO 2 임계 포를 사용하여 세포를 탈수전자 현미경 관찰 (29)를 스캔 INT 건조기.
주의 : 파라 포름 알데히드와 글루 타르 알데히드는 피부에 심한 화상과 눈에 손상을 줄 수 있습니다. 화학 후드에서 작동하고 적절한 PPE를 착용하십시오.
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Representative Results
스티치 기법은 높은 정확도와 나노 패턴 기판의 넓은 영역을 생성 할 수있다. 도 1a는 각각, Si 기판 상에 PS 판과 PS 박막 스티칭 PDMS 몰드로부터 전송 된 나노 패턴의 넓은 영역을 표시 1B. 원래 EBL-기록 금형 (그림 1C) 및 기판 (그림 1D)를 작업의 최종 PDMS 사이의 비교는 EBL-기록 된 나노 패턴이 충실하게 작업 기판에 전달 될 수 있음을 확인합니다. 다양한 형상 및 크기의 나노 토포 그래피는 셀의 동작을 조절하는데 사용될 수있다. A549과도 2에서 설명한 바와 같이, 모델 셀로서 adenocarcinomic 기저 상피 세포주 이방성 nanogratings는 A549 세포 등방성 나노 기둥에 표시 다극 형태에 비해 nanograting 방향으로 셀을 길게 할 수있다.
NT를 "FO : 유지-together.within 페이지 ="1 ">
스티치 기술을 이용하여 나노 패턴 기판의 대 면적의 1 세대 도표. (A, B)는 각각 PS 판과 PS 박막에 전송 된 나노 패턴의 광학 이미지. 화살표는 스티치 PDMS 금형의 간극에서 폴리머 레이즈를 나타냅니다. (c, d) EBL 금형 및 각각 기판을 작업의 최종 PDMS에 나노 패턴의 SEM 이미지. 스케일 바는 1 ㎛이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2는 A549 세포의 세포 확산 변조 Nanotopographical. (a) 선폭이 500 nm 인 nanogratings, 간격 500 nm이고, 높이가 560 nm이고, 직경이 500 nm 인 (b) 나노 기둥 450 nm의 가장자리까지의 간격과 높이가 560 nm의 성장 A549 세포 각각. 스케일 바는 10 μm의 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
우리는 나노 패턴 기판의 넓은 영역을 생성하기 위해, 단순 저렴하면서도 다목적 방법을 제시한다. 충실하게 높은 정의 나노 패턴을 확장하려면 큰 관심은 몇 가지 중요한 단계에 지불해야한다. 첫 번째 다중 PDMS 금형을 트리밍하는 것이다. PDMS의 주형의 패터닝되지 않은 부분을 제거 할 필요가있다. 또한, 주형의 측벽 금형 사이의 갭을 최소화하기 위해 가능한 한 수직으로 완벽 절단한다. 총체적 최종 스티치 몰드에 비 패턴 영역의 일부가 감소 될 수있다. 둘째,이 PDMS 몰드의 나노 패턴 표면은 실리콘 기판 상에 변형이없는 정렬 될 필요가있다. PDMS의 나노 구조물을 변형하는 경향이 있기 때문에합니다 (PDMS 몰드와 실리콘 표면 사이의 공기를 포획하지 않도록) 부드럽고 균일하게 실리콘 기판의 거울면에 대하여 나노 패턴 표면을 배치하는 것이 중요하다. PDMS 몰드가 있지만 네이 닿지 않으면 서 최대한 가까이 정렬 될 것이다주형 ghboring하면 상기 최종 스티치 주형의 패터닝되지 않은 부분을 최소화한다. 그렇지 않으면, 터치 나노 구조는 나노 임 프린팅 동안 변형됩니다. 셋째, PDMS 몰드의 두께는 생산 로트에 따라 달라질 수 있으며, 따라서 완벽 PDMS 주조 전에 작은 실리콘 몰드 레벨링 각 몰드 균일의 두께를 결정하는 것 외에도, 두께를 균일하게하는 것이 중요하다. PDMS의 금형에 걸쳐 막 두께의 변화는 유리 슬라이드 상에 캐스팅 층 PDMS 프리폴리머 (접착제)의 두께를 조정함으로써 보상 될 수 있지만, 두꺼운 예비 중합체 층을 문제가 될 수있다. 예비 중합체는 모세관 력으로 패턴 화 된 표면에 PDMS 몰드 사이의 틈을 통해 뽑아 결과적으로 나노 패턴을 손상시킬 수있다. 두께 변화는 EBL 몰드에서 전송할 때 PDMS 혼합물을 동일한 양을 제조함으로써 최소화 될 수있다. 결과적으로, 얇은 프리폴리머 PDMS 층을 사용할 수있다. 대안 적으로, 부분적으로 경화 prepolymeR 층의 점도를 증가시키고 따라서 그 인상을 줄이고 결국 나노 패턴 표면의 손상을 제거한다.
스티치 기술은 PDMS의 탄성 특성에 의해 제한된다. 소프트 리소그래피 원칙적으로 0.5 미만 내지 (18)의 해상도에 도달 할 수있는 작은 32 내지 2로 및 피처 크기를 복제 적용 하였지만 높이 대 폭의 종횡비가 너무되면 나노 PDMS 기능을 완벽하게 복제 될 수없는 높은 (> 2) 또는 (0.2 <) 너무 낮습니다. nanofeatures 종횡비가 너무 높은 경우 축소 또는 <0.2 비율의 PDMS 스탬프 (33)를 사용할 경우 충분한 완화 될 수있다. 또한, 여러 PDMS 금형 원활 때문에 틈새와 PDMS 금형의 불완전 트리밍의 스티치 할 수 없습니다, 따라서 (예 : nanogratings 등 지속적인 나노 패턴에 대한 특히) 비 패턴과 잘못 정렬 영역이 있습니다. 불량의 작은 비율을 감안할 때영역 전체 표면적 위에 스티치 기법은 여전히 나노 패턴 기판의 넓은 면적을 생성하는 간단하고 저렴한 방법을 제공한다. 또한, 스티치 금형 폴리머 기판으로 nanoimprinted하면, 용융 중합체는 요철면 (도 1a), 그 결과 간극으로 흘러 것이다. 요철면은 도전 세포 또는 분자 생물학적 분석을 위해 샘플을 수집 할 수있다. 마이크로은 패턴 화 된 기판에 밀봉 할 때 미세 유체 응용 프로그램에서, 인상은 불완전한 밀봉됩니다. 요철의 문제는 용이하게 막 두께를 조정 통해 인상을 최소화 중합체 박막 기술을 적용함으로써 해결 될 수있다 (도 1B).
스티치 기술은 확장 정의 마스터 몰드를 필요로하지만, 이러한 스텝 앤드 플래시 리소그래피 및 롤 - 투 - 롤 lithogra 나노 임 프린팅과 같은 다른 기술에 비해 간단하고 저렴PHY. 스티치 기법은 뜨거운 접시와 스티치 나노 임 프린팅 과정에서 압축 힘을 발휘하는 방법,하지만 고가의 장비 만이 필요합니다. 또한, 스티치 처리는 필수적인 것은 아니지만 크린룸의 청정 환경에서 수행 될 수있다.
스티치 기술은 다용도. 큰 면적에 동일한 나노 패턴을 확대하는 것 외에도, 스티치 방법은 다양한 형태, 크기 및 배열의 마이크로 - 및 / 또는 나노 스케일 특징 이루어지는 금형에 적용 할 수있다. 이 점까지, 마이크로 / nanotopographies의 조합 적 라이브러리 셀 지형 상호 작용을 조사하기 위해 높은 처리량 플랫폼을 제공하기 위해 구축 될 수있다. 이 간단한 저렴하고 다용도 스티치 기술은 잠재적으로 복합 성분과 마이크로 스케일 / 나노 스케일 디바이스를 생성하기 위해 확장 될 수있다.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| JEOL field emission SEM | JEOL | JSM-7600F | EBL |
| E-beam evaporator | Kurt J. Lesker | Model: LAB 18 e-beam evaporator | nickel deposition |
| Trion Minilock III ICP/RIE | Trion technology | Model: Minilock-phantom III | |
| Press machine | PHI Hydraulic Press | Molde: SQ-230H | |
| Spin coater | Laurell Technologies | Modle: WS-400A-6NPP-LITE | |
| CO2 critical dryer | Tousimis | Modle: Autosamdri-815 | |
| Silicon wafer | University Wafer | 1080 | |
| Aluminum plates | McMaster-carr | 9057K123 | |
| Teflon sheets | McMaster-carr | 8711K92 | |
| 100 mm Petri dish | FALCON | 353003 | |
| 60 mm Petri dish | FALCON | 353004 | |
| Glass coverslip | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Glass slide | Fisher Scientific | 12-550-34 | |
| Disposable weighing boats | Fisher Scientific | 13-735-743 | |
| Glass desiccator | Fisher Scientific | 02-913-360 | |
| Plastic desiccator | Bel-Art Products | F42025-000 | |
| Hotplate | Fisher Scientific | 1110049SH | |
| Tweezer | Ted Pella, inc. | 5726 | |
| Blade | Fisher Scientific | S17302 | |
| Metal blocks | McMaster-carr | ||
| Punch | Brettuns Village Leather Craft Supplies | Arch punch | |
| Poly(methyl methacrylate) | MicroChem | 495 PMMA A4 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 kit | |
| Polystyrene | Dow Chemical | Styron 685D | |
| 1H,1H,2H,2H-perfluorooctylmethyldichlorosilane | Oakwood Chemical | 7142 | |
| Developer | MicroChem | MIBK/IPA at 1: 3 ratio | |
| Remover | MicroChem | Remover PG | |
| Ethanol | Fisher Scientific | BP2818500 | |
| Toluene | Fisher Scientific | T324-500 | |
| Phosphate buffered saline | Sigma Aldrich | D8537 | |
| Dulbecco’s modified eagle medium | Sigma Aldrich | D5796 | |
| Fetal bovine serum | Atlanta Biologicals | S11550 | |
| Paraformaldehyde | Electron Microsopy Science | 15712-S | |
| Glutaraldehyde | Fisher Chemical | G151-1 | |
| Fibronectin | Corning | 356008 | |
| A549 cells | ATCC | ATCC CCL-185 |
References
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