Summary
이 프로젝트를 통해 소규모 실험실에서는 정밀다층 미세 유체 장치를 제조하기 위한 사용하기 쉬운 플랫폼을 개발할 수 있습니다. 플랫폼은 <10 μm의 정렬 오차가 있는 다층 미세 유체 장치를 사용하여 3차원인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터로 구성됩니다.
Abstract
이 프로젝트는 일반적으로 깨끗한 실내 환경에서 비용이 많이 드는 장비를 사용하여 달성 할 수있는 정밀한 다층 미세 유체 장치의 제조를위한 사용하기 쉽고 비용 효율적인 플랫폼을 개발하는 것을 목표로합니다. 플랫폼의 핵심 부분은 일반 광학 현미경 및 자외선 (UV) 광 노출 시스템과 호환되는 3차원 (3D) 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터 (MMAA)입니다. 장치 설계를 최적화하기 위해 수행된 작업으로 인해 장치를 만드는 전체 프로세스가 크게 간소화되었습니다. 이 프로세스는 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 적합한 치수를 찾고 최적화된 사양으로 MMAA를 3D 프린팅하는 것을 수반합니다. 실험 결과에 따르면 3D 프린팅에 의해 설계및 제조된 최적화된 MMAA는 일반적인 현미경 및 광 노출 시스템과 잘 어울림합니다. 3D 프릭 MMAA에서 제조한 마스터 몰드를 사용하여 다층 구조가 있는 생성된 미세 유체 장치는 일반적인 마이크로칩에 충분한 <10 μm의 정렬 오류를 포함합니다. 장치의 수송을 통해 UV 광 노출 시스템으로의 인간의 오류는 더 큰 제조 오류를 일으킬 수 있지만,이 연구에서 달성 된 최소한의 오류는 연습과 주의로 달성 할 수 있습니다. 또한 MMAA는 3D 프린팅 시스템의 모델링 파일을 변경하여 모든 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 이 프로젝트는 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에서 이미 사용할 수 있는 장비만 사용해야 하기 때문에 소규모 실험실에 유용한 연구 도구만 제공합니다. 다음 세부 프로토콜은 MMAA의 설계 및 3D 프린팅 프로세스를 간략하게 설명합니다. 또한, MMAA를 이용하여 다층 마스터 몰드를 조달하고 폴리(디메틸실록산) (PDMS) 미세유체 칩을 생산하는 단계도 본원에 설명되어 있다.
Introduction
엔지니어링 연구에서 잘 발달되고 유망한 분야는 미세 유체 플랫폼을 사용하는 광범위한 응용 분야로 인해 미세 제조입니다. 미세 제조는 서로 다른 화학 화합물을 사용하여 μm 또는 작은 크기의 피처로 구조물이 생산되는 공정이다. 지난 30년 동안 미세유체 연구가 발전함에 따라 소프트 리소그래피는 폴리(디메틸실록산) 또는 이와 유사한 물질로 만든 마이크로칩을 생산하는 가장 인기 있는 미세 제조 기술이 되었습니다. 이러한 마이크로칩은 일반적인 실험실 관행1,2,3,4의 소형화에 널리 사용되어 왔으며, 엔지니어들이 반응 과정5,6,7,연구 반응 메커니즘을 모방하고 체외에서 인체에서 발견되는 장기를 모방하는 강력한 연구 도구가 되었다(예를 들어, 장기-온-칩)8,9,10. 그러나, 응용 프로그램의 복잡성이 증가함에 따라, 보다 복잡한 미세 유체 장치 설계가 실제 시스템을 더 잘 복제할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
기본 소프트 리소그래피 절차는자외선(11)에기판을 적용하기 전에 포토레지스트 물질로 기판을 코팅하고 코팅된 기판 위에 포토마스크를 배치하는 것을 포함한다. 포토마스크에는 미세유체 장치 채널의 원하는 패턴을 모방하는 투명 영역이 있습니다. 코팅된 기판을 UV 광으로 적용할 때 투명 영역은 자외선이 포토마스크를 통해 침투할 수 있게 하여 포토레지스트가 교차연결될 수 있도록 합니다. 노출 단계 후, 교차되지 않은 포토레지스트는 개발자를 사용하여 씻어 내고 의도된 패턴으로 고체 구조를 남깁니다. 미세 유체 장치의 복잡성이 커짐에 따라 매우 정확한 치수로 다층 구조가 필요합니다. 다층 미세 제조 과정은 단일 층 미세 제조에 비해 훨씬 더 어렵습니다.
다층 미세 제조는 두 번째 마스크의 설계와 첫 번째 층 피처의 정확한 정렬이 필요합니다. 일반적으로 이 프로세스는 상업용 마스크 정렬기를 사용하여 수행되며, 이는 비용이 많이 들고 기계 작업을 위한 교육이 필요합니다. 따라서, 다층 미세 제조 의 과정은 일반적으로 이러한 노력에 대한 자금이나 시간이 부족한 작은 실험실에 대해 달성 할 수 없습니다. 여러 개의 다른 맞춤형 마스크 정렬기를 개발했지만, 이러한 시스템은 종종 많은 다른 부품의 구매 및 조립이 필요하며 여전히 매우 복잡한12,13,14일수 있습니다. 이는 소규모 실험실에 비용이 많이 들 뿐만 아니라 시스템을 구축, 이해 및 사용하기 위한 시간과 교육이 필요합니다. 이 백서에 자세히 설명된 마스크 정렬기는 추가 장비를 구입할 필요가 없으므로 이러한 문제를 완화하기 위해 노력했으며, 일반적으로 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에 이미 존재하는 장비만 요구합니다. 또한, 마스크 얼라이너는 3D 프린팅 기술로 제작되었으며, 최근 3D 프린팅 기술이 발전하면서 대부분의 실험실 및 대학에서 저렴한 비용으로 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다.
이 백서에 자세히 설명된 프로토콜은 비용 효율적이고 조작이 용이한 대체 마스크 리정렬기를 만드는 것을 목표로 합니다. 본 명세서에 상세한 마스크 정렬기는 기존의 제조 시설없이 연구 실험실에 대한 다층 미세 제조를 가능하게 할 수 있습니다. 현미경 마스크 정렬 어댑터(MMAA)를 사용하여 복잡한 기능을 갖춘 기능성 마이크로칩은 일반 UV 광원, 광학 현미경 및 일반적인 실험실 장비를 사용하여 달성할 수 있습니다. 결과는 MMAA가 똑바로 현미경 및 UV 광 노출 상자를 사용하여 예 시스템과 잘 수행한다는 것을 보여줍니다. 3D 프린팅 공정을 사용하여 생산된 MMAA는 최소한의 정렬 오차를 가진 헤링본 미세 유체 장치의 이중 레이어 마스터 몰드를 획득하는 데 사용되었습니다. 3D 프릭 MMAA로 제작된 마스터 몰드를 사용하여 <10 μm의 정렬 오류를 포함하는 다층 구조로 미세 유체 장치를 제조하였다. <10 μm의 정렬 오차는 미세 유체 장치의 적용을 방해하지 않을 만큼 최소화됩니다.
또한, MMAA를 이용하여 생산된 4층 마스터 몰드의 성공적인 정렬이 확인되었고, 정렬 오차는 <10 μm으로 결정되었다. 미세 유체 장치의 기능과 최소 정렬 오류는 다층 미세 유체 장치를 만드는 데 MMAA의 성공적인 적용을 검증합니다. MMAA는 3D 프린터의 파일을 약간 변경하여 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 각 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 맞게 MMAA를 미세 조정하고 MMAA에 필요한 사양을 3D 인쇄하는 데 필요한 단계를 간략하게 설명합니다. 또한, 프로토콜은 시스템을 이용하여 다층 마스터 몰드를 개발하고 이후에 마스터 몰드를 사용하여 PDMS 미세 유체 장치를 생성하는 방법을 자세히 설명한다. 마스터 몰드와 미세 유체 칩의 생성은 사용자가 시스템의 효과를 테스트 할 수 있습니다.
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Protocol
1. MMAA 설계
- 도 1에도시된 웨이퍼 홀더(또는 UV 노출 단위)의 치수에 대한 상한이 되는 사용 가능한 UV 광 방출 시스템의 트레이의 치수를 획득한다. 도 2A에도시된 바와 같이, 내부 원형 림의 직경(d)을 측정하고, UV 광 방출 시스템의 트레이의 내부 높이(h), 트레이의 총 폭(w) 및 길이(l)를 측정한다.
참고: 예를 들어, 사용 가능한 UV 광 노출 시스템은 4인치 원형 컷아웃이 있는 5인치(") x 5" x 0.25"의 내부 트레이 치수를 가지고 있었습니다. 그런 다음 MMAA의 치수는 도 2B에표시된 대로 내부 트레이 치수보다 크지 않고 적절하게 맞고 시스템의 트레이 내에 평평하게 앉을 수 있도록 설계되었습니다. MMAA의 3D 인쇄 된 조각에 대한 그림 3을 참조하십시오 : 포토 레지스트 코팅 실리콘 웨이퍼와 현미경에 설정을 해결하기 위해 패스너. - 슬라이드 홀더를 제자리에 고정하는 사용 가능한 직립 현미경 스테이지의 나사 사이의 길이를 측정합니다. 또한 나사의 너비를 측정합니다. 이러한 치수를 사용하여 자기홀더(도 1)를사용자 정의하여 사용 가능한 현미경에 맞게 MMAA를 현미경(도4A)에쉽고 정밀하게 고정할 수 있도록 한다.
- 사용 가능한 컴퓨터 설계 응용 프로그램을 사용하여 웨이퍼 홀더와 자기 현미경 패스너를 측정된 치수 에 맞게 사용자 정의합니다. 웨이퍼 홀더의 높이, 너비 및 길이를 UV 광 방출 시스템의 트레이의 높이(h), 너비(w) 및 길이(l)보다 크지 않은 것으로 디자인합니다. 또한, UV 광 방출 시스템의 트레이와 동일한 직경(d)을 가진 웨이퍼 홀더의 바닥에 원형 컷아웃을 포함한다. 장치의 3D 프린팅에 사용할 MMAA의 두 조각에 대해 STL 또는 CAD 파일을 생성합니다(보충 자료참조).
2.3D MMAA 인쇄
- 생성된 STL 또는 CAD 파일을 사용 가능한 3D 프린팅 소프트웨어에 업로드합니다. 사용 된 3D 프로세스 및 프린터에 대한 적절한 절차를 따라 MMAA의 두 조각을 3D 인쇄하십시오. 필요한 인쇄 후 단계(예: 지지 재료 제거, 경화되지 않은 수지 제거, 추가 세척 또는 경화 단계)에 따라 조각을 완성하십시오. 또는 사용 가능한 3D 프린팅 시설을 사용하여 설계된 조각을 인쇄하고 다른 곳에서 완료할 수 있습니다.
- 웨이퍼 홀더가 잘 맞는지 확인하고 사용 가능한 UV 광 노출시스템(도 2B)의트레이 내부에 평평하게 앉아 있습니다. 또한 현미경 패스너가 현미경 단계에 부착되어 현미경단계(그림 4A)의x 및 y-위치를 제어하는 손잡이를 사용하여 쉽게 이동할 수 있는지 확인합니다.
- 조각이 완성되면, 삽입 및 웨이퍼 홀더와 현미경 패스너(그림 3A)에자석을 고정, 슈퍼 접착제 또는 다른 고정 물질을 사용하여. 시스템을 테스트하기 전에 접착제가 건조되도록 하십시오.
참고: 원하는 경우 FDM(FDM) 3D 프린터를 사용하여 프로타입 조각을 인쇄하여 리소스와 비용15를절약할 수 있습니다. 그런 다음 이 프로타입은 사용 가능한 장비에 정확하게 맞도록 평가할 수 있으며 필요한 경우 설계를 수정할 수 있습니다. 그런 다음 최종 장치를 보다 정확한 프로세스(예: 스테레오리소그래피)를 사용하여 인쇄하여 더 정밀도를 높일 수 있습니다. 최종 장치는 현미경에서 최적의 사용을 위해 반투명 마감으로 인쇄 할 수도 있습니다.
3. MMAA의 실험 테스트
- 정렬 마커가 있는 미세유체 장치 포토마스크의 설계 및 인쇄
- 컴퓨터 설계 응용 프로그램을 사용하여 원하는 이중 층 미세 유체 장치에 대한 포토 마스크를 설계하십시오.
- 도 5A,B에도시된 바와 같이 정렬 마커(포토마스크/마스터 몰드의 가장자리를 향해 더 가깝게) 작용하는 미세유체 장치 채널 구조의 측면에 추가 구조를 포함한다. 미세 유체 장치의 각 측면에 하나의 정렬 마커가 있는지 확인하십시오 (총 4 개 이상). 또한 포토마스크에 실리콘 웨이퍼의 직선 가장자리와 완벽하게 맞설 수 있는 직선 가장자리가 포함되어 있는지 확인합니다.
참고: 정렬 마커 구조의 복잡성이 높을수록 추가 레이어의 정렬 정확도가 높아집니다. 적어도 1mm x 1mm의 측정을 가진 간단한 교차 구조를 사용해야합니다(그림 6A). 정렬 마커의 예는 이중 층 마스터 몰드를 생성하는 데 사용되는 제 1 층 및 2 층 포토 마스크를 묘사하는 도 5A,B의모서리 및 하단 중간 가장자리에서 볼 수 있습니다. - 상용 업체또는 기타 접근 가능한 시설을 통해 포토마스크를 인쇄하십시오.
- MMAA(포토리소그래피)를 이용한 이중레이어 마스터 몰드 생성
- 표준 포토리소그래피 기술과 포토레지스트 제조업체의 지침을 사용하여 첫 번째 층포토마스크(16)를사용하여 마스터 몰드의 첫 번째 레이어를 만듭니다. 적절한 포토레지스트(즉, SU-8)를 사용하여 4" 실리콘 웨이퍼를 사용하여 원하는 층 두께를 생성합니다. 정렬 마커를 쉽게 식별할 수 있도록 첫 번째 레이어 두께가 후속 레이어보다 큰지 확인합니다.
- 밝은 색상의 마커 펜(예: 골드)을 사용하여 첫 번째 레이어의 정렬 마커를 네 면 모두에 색칠합니다.
- 포토레지스트 제조업체의 지침을 사용하여, 스위퍼에 포토레지스트를 스핀 코팅하고 부드러운베이킹(16)을수행하여 마스터 몰드의 두 번째 층을 시작한다. 코팅된 웨이퍼를 MMAA(도3B)의웨이퍼 홀더에 삽입하고 테이프를 사용하여 코팅된 웨이퍼를 MMAA에 고정합니다.
- 자기 현미경 패스너(도 4A)를사용하여 사용 가능한 수직 현미경에 웨이퍼 홀더를 부착합니다. 웨이퍼의 컬러 정렬 마커 중 하나가 현미경 렌즈를 통해 볼 때까지 현미경 단계의 x 및 y 방향 노브를 사용하여 MMAA의 위치를 이동합니다.
- 코팅 된 웨이퍼(도 3C)의위에 웨이퍼 홀더에 2 층 포토 마스크를 삽입합니다. 첫 번째 레이어의 컬러 정렬 마커가 포토마스크의 정렬 마커를 통해 부분적으로 볼 수 있는지 확인합니다.
- 테이프로 사이드 컷아웃(도4B)을통해 가위 리프트(지원 잭이라고도 함)에 포토마스크를 부착합니다. 가위 리프트를 사용하여 코팅된 웨이퍼(도3C)바로 위에 놓일 때까지 포토마스크의 z 방향 위치를 조정합니다.
참고: 가위 리프트는 가위 리프트를 사용하여 부착된 포토마스크의 위치를 z 방향으로 이동하는 데 사용할 수 있으므로 포토마스크의 z 위치를 미세하게 조정할 수 있습니다. - 포토마스크를 가만히 유지하면서 현미경 렌즈를 살펴보고 포토마스크의 정렬 마커 아래에 있는 1층의 컬러 정렬 마커를 식별합니다. 현미경 단계의 x-및 y 방향 노브를 사용하여 MMAA(도4D)의위치를 이동한다. 현미경 렌즈를 통해 정렬 마커의 위치를 관찰하여 포토마스크의 정렬 마커가 제1층(도6A,B)에착색 정렬 마커와 겹쳐지 때까지 MMAA의 위치를 조정한다.
- 포토마스크에 약간의 힘을 조심스럽게 바르고 테이프를 사용하여 코팅된 웨이퍼 위에 포토마스크를 고정합니다. 가위 리프트에서 포토마스크를 분리합니다. 포토마스크의 네 개의 정렬 마커가 첫 번째 레이어의 네 개의 정렬 마커와 정렬되어 있는지 확인합니다.
- 정렬이 완료되면, 조심스럽게 현미경 단계에서 웨이퍼 홀더를 분리. 웨이퍼 와 포토 마스크 위에 유리 상단 플레이트를 삽입하여 두 조각 사이의 간격을 줄입니다(그림 1). 도 4E에도시된 바와 같이 전체 웨이퍼 홀더를 사용 가능한 UV 광 노출 시스템에 배치합니다. 포토레지스트 제조업체의지침(16)에설명된 바와 같이 적절한 시간과 광강도에 대해 두 번째 레이어를 노출한다.
- UV 광 노출 시스템에서 웨이퍼 홀더를 제거합니다. 웨이퍼 홀더에서 코팅된 웨이퍼를 제거하고 웨이퍼에서 포토마스크를 분리합니다. 포토레지스트 제조업체의지침(16)에따라 제2층(예: 굽기 후, 개발 및 헹구고 건조)의 처리를 완료한다.
참고: 정확한 스핀 코팅, 부드러운 베이킹, 노출, 포스트 베이킹 및 개발 조건(시간, 온도)은 사용되는 포토레지스트와 원하는 층 두께에 따라 달라집니다. 실제 조건과 정확한 포토리소그래피 절차는 포토레지스트 제조업체의 지침을 기반으로 해야 합니다.
- 마스터 몰드(소프트 리소그래피)를 이용한 미세유체 장치 제조
- 마스터 몰드를 검색하고 테이프로 150mm x 15mm 플라스틱 페트리 접시의 중간에 고정하십시오.
- 제조업체의 지시에 따라 PDMS 의 ~ 15-20g을 준비하십시오. PDMS를 진공 챔버에 놓거나 거품이 없을 때까지 쉬게 하십시오. 마스터 몰드가 들어 있는 페트리 접시에 PDMS를 붓습니다.
- PDMS가 거품이 없을 때까지 마스터 몰드가 싱크대에 놓인 페트리 접시를 싱크대에 놓습니다. PDMS가 완전히 경화 될 때까지 65 °C에서 오븐에 페트리 접시를 놓습니다 (적어도 3 h).
- PDMS를 잘라 마이크로 채널 구조를 드러냅니다. 마이크로 채널 구조 주위의 PDMS를 별도의 마이크로칩으로 자르고 미세 유체 장치에 대한 입구 및 콘센트 구멍을 만듭니다. 테이프를 사용하여 PDMS 표면에 놓일 수 있는 작은 미립자를 부드럽게 제거합니다.
- PDMS 칩을 PDMS 또는 현미경 슬라이드에 결합하여 PDMS 칩과 추가 기판을 플라즈마 처리하여 마이크로칩 제조를 완료합니다.
- 정렬 오류 의 결정
- 마스터 몰드를 검색하고 직립 현미경을 사용하여 첫 번째 층과 두 번째 층 사이의 갭 거리 (정렬 오차)를 결정합니다. 마이크로채널 구조의 첫 번째 레이어에서 두 번째 층이 이동되고 정렬되는 거리를 측정하기만 하면 됩니다(측정된 갭 거리의 예는 그림 5D 참조).
- 직립 현미경을 사용하여 PDMS 칩에 명확한 장치 가장자리가 있는 채널 벽이 있는지 여부를 결정합니다. 또한 PDMS 칩에서 장치 기능을 방해할 수 있는 가능한 결함이 있는지 확인합니다.
참고: 마스터 금형 제작(섹션 3.2 및 3.3)은 낮은 정렬 오류를 달성하기 위해 반복해야 할 수 있습니다. MMAA를 사용하는 반복적인 연습은 잘 정렬된 마스터 몰드를 만드는 사용자의 능력을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한, 이미지는 전자 현미경 검사법(SEM)(도7)을스캔하여 정렬 오류를 확인할 수 있다.
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Representative Results
MMAA(도1)의최적화 및 사용을 통해 정렬 오차가 최소화된 다층 마스터 몰드가 제작되었습니다. 최종 MMAA는 융합필라멘트 제조(FFF) 3D 프린팅공정(도 2)을사용하여 제작하였다. FFF 프로세스는 원하는 장치 치수에 대한 정확도를 높입니다. MMAA는 두 가지 메인피스(그림 3)로구성되어 있습니다: 기본 조각과 커스텀 패스너. 베이스 피스는 웨이퍼 홀더 역할을 하는 UV 노출 장치로 구성됩니다. UV 노출 장치는 포토마스크와 코팅된 실리콘 웨이퍼의 적절한 정렬을 허용합니다. 두 번째 조각은 웨이퍼 홀더를 자석으로 현미경의 플랫폼에 고정시키는 사용자 정의 패스너입니다. 이중 레이어 마스터 몰드의 위쪽 레이어 및 하단 레이어의 정렬을 지원하는 데 사용되는 전체 설정은 도 4에그려져 있습니다. 이 시스템과 기재된 프로토콜은 마스터 몰드의 초기 층에 마커와 함께 포토마스크상에 마커의 정렬을 위해사용되었다(도 6). 헤링본 패턴을 가진 미세 유체 장치에 대한 이중 층 SU-8 마스터 몰드가 그 후 제조되었고 두 층 사이의 간격 거리 <5 μm(도5)을갖는 것으로 나타났다.
2층 마스터 몰드(도7A)는 도 7D에서볼 수 있는 PDMS 마이크로칩을 제작하는 데 사용되었다. 도 7B,C에서 볼 수 있는 SEM 이미지는 헤링본 패턴을 가진 미세 유체 장치에 명확한 모서리, 직선 채널 벽 및 적절한 장치 기능에 필수적인 잘 정렬된 레이어가 포함되어 있음을 보여줍니다. 또한, MMAA를 사용하여 간단한 원형특징(도 8A)을갖춘 4층 마스터 몰드가 만들어졌으며, 다층 마스터 몰드의 성공적인 정렬을 보여주었다. Profilometer데이터(도 8B)는마스터 몰드의 4개의 뚜렷한 층을 확인합니다. 서로 다른 형상의 여러 4층 피쳐에 대해 얻어진 정렬 오차를 측정하면 정렬 오류가 레이어 간의 설계 거리의 5% 이상을 초과하지 않는것을 확인합니다. 최종 장치의 이미지에서, 두 번째 층의 UV 노출 전에 MMAA에 마스크를 고정하는 동안 인간의 실수가 두 장치 층 사이의 간격 거리를 증가시키고 정렬 불량을 야기한다는 것이 분명하다. 그러나, 사용자가 절차에 익숙해지면, 최종 장치는 묘사된 결과에 의해 확인된 바와 같이 <10 μm의 결과 정렬 오차로 생성될 수 있다.
그림 1: 다층 미세 제조를위한 3D 인쇄 MMAA의 설계. 이 그림은 MMAA의 두 조각인 UV 노출 장치와 맞춤형 현미경 패스너를 묘사합니다. UV 노출 유닛은 내림차순으로 웨이퍼에 대한 포토마스크를 보관하는 유리 상단 플레이트를 보관합니다. 포토마스크; 그리고 포토 레지스트 코팅 웨이퍼. UV 노출 장치는 현미경 단계에 부착된 사용자 정의 현미경 패스너에 자기적으로 부착된 다음 포토마스크와 웨이퍼의 적절한 정렬을 허용합니다. 약어: MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터; 자외선 = 자외선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: MMAA의 사용자 정의 및 3D 프린팅 및 완전 경화 장치에 대한 후처리. (A)MMAA를 사용자 정의하는 데 필요한 측정을 보여주는 사용 가능한 UV 광 방출 시스템의 트레이 사진. 사용자는 내부 원형 림의 직경(d), 내부 높이(h), 총 너비(w), 트레이의 길이(l)를 측정해야 합니다. (B)사용자 정의 후, MMAA는 여기에 표시된 대로 트레이 내부에 평평하게 앉아야한다. (C)FFF 3D 프린팅 공정의 일러스트레이션. FFF 프로세스는 3D 인쇄 필라멘트를 레이어링하여 구조를 생성합니다. 필라멘트는 최종 3D 인쇄 조각이 생성될 때까지 다음 위에 있는 얇은 층으로 증착됩니다. (D)인쇄 후 공정의 일환으로 UV 경화챔버에서 최종 3D 프린팅 MMAA의 경화. 약어: MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터; 자외선 = 자외선; FFF = 융합 필라멘트 제작. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: MMAA의 3D 인쇄 된 조각 (A)두 조각은 자석에 의해 연결되었다 (빨간색 대시 직사각형으로 표시). (B)MMAA는 포토레지스트(SU-8)의 얇은 층으로 코팅된 실리콘 웨이퍼를 함유하고 있다. (C)MMAA는 응고 공정을 준비하기 위해 코팅된 실리콘 웨이퍼 위에 포토마스크를 부착한다. 약어 : MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: 3D 프린팅 MMAA를 사용하여 포토마스크의 정렬을 위한 절차. (A)MMAA가 포토레지스트 코팅 실리콘 웨이퍼로 적재된 후, MMAA는 수직 현미경 시스템의 단계에 배치되고 이미지에 표시된 바와 같이 자기 현미경 패스너를 사용하여 무대에 고정된다. (B)포토마스크는 MMAA에 삽입된 다음 이미지에 도시된 바와 같이 MMAA의 측면 중 하나를 통해 가위 리프트라고 도모하는 z 방향 조정 플랫폼에 부착된다. (C)가위 리프트 플랫폼 높이는 화상과 같이 코팅된 실리콘 웨이퍼 바로 위에 포토마스크가 놓일 때까지 조정됩니다. 이 시점부터 는 정렬이 완료될 때까지 포토마스크가 이동되지 않습니다. (D)완벽한 정렬을 달성하기 위해, MMAA의 위치와 따라서, 실리콘 웨이퍼의, 현미경 단계에서 현미경 의 손잡이를 사용하여 x-및 y-directions로 조정된다. 실리콘 웨이퍼의 x-및 y-위치는 미세하게 조정되고 사용자는 실리콘 웨이퍼및 포토마스크의 정렬 마커가 겹쳐지 때까지 현미경 렌즈를 통해 관찰합니다. 이 작업이 완료되면, 포토 마스크는 웨이퍼에 고정 될 수있다. (E)정렬이 달성된 후, MMAA는 현미경 단계에서 조심스럽게 분리되어 UV 광 노출 시스템의 트레이에 배치된다. 트레이는 웨이퍼가 자외선 조사에 노출되어 포토레지스트를 치료할 수 있도록 닫을 수 있습니다. 약어 : MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: MMAA를 사용하여 생성된 이중 계층 채널 구조입니다. 이중 층 마스터 몰드는 4 개의 병렬 채널을 갖춘 헤링본 미세 유체 장치의 생산을 위해 설계되었습니다. (A)채널에 대한 윤곽을 포함하고 미세 유체 장치의 중공 바닥을 생성하는 1 층 포토 마스크 디자인의 이미지. (B)마이크로 유체 장치의 지붕을 일렬로 세팅하는 채널 내부의 헤링본 패턴을 통합하는 2층 포토마스크 디자인의 이미지. (C)빨간색 대시 직사각형으로 표시된 이중 층 마스터 몰드의 입구 구조(A)및(B). 이미지는 두 레이어 사이의 간격 거리를 최소화합니다. (D)녹색 파선 사각형으로 표시된 채널에서 굴곡을 나타내는 이중 층 마스터 몰드의섹션(A)및(B). 두 화살표 사이의 간격 거리는 5 μm입니다. 스케일 바 = 100 μm. 약어 : MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6: MMAA와 (A)및(B)를사용하여 미세 제조 결과는 포토마스크에 마커의 정렬을 표시한다. 스케일 바 = 200 μm.(C)및(D)는노출 후 웨이퍼상에 마커의 해당 이미지이다. 스케일 바 = 100 μm. 약어 : MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 7: 마스터 몰드로 만들어진 MMAA 및 결과 PDMS 장치를 사용하여 제조된 마스터 몰드. (A)MMAA를 사용하여 제조된 헤링본 미세 유체 장치의 이중층 마스터 몰드가 레이어의 정렬을 달성한다. (B)및(C)는하층을 가리키는 빨간색 화살표와 다른 비늘에서 헤링본 장치의 SEM 이미지이다. (D)2층 마스터 몰드(A)를 이용하여 헤링본 패턴을가진 PDMS 미세유체 장치. 약어: MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터; PDMS = 폴리 (디메틸실록산); SEM = 전자 현미경 검사. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: MMAA를 사용하여 생성된 4층 마스터 몰드의 이미지 및 교피계 데이터. (A)MMAA를 사용하여 생성된 4층 마스터 몰드의 이미지가 레이어의 성공적인 정렬을 보여 주는 다. 내림차순 크기의 간단한 원형 피쳐를 선택하여 MMAA의 정렬 기능을 시연했습니다. 스케일 바 = 1,250 μm.(B)4개의 별개의 층의 존재를 확인하는 동일한 원형 4층 마스터 몰드의 프로피로미터 데이터. 약어 : MMAA = 현미경 마스크 정렬 어댑터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
앞서 언급한 프로토콜은 MMAA를 3D 프린팅하고 시스템을 사용하여 정밀하고 다층적인 미세 유체 장치 마스터 몰드를 만드는 절차를 간략하게 설명합니다. 이 장치는 사용하기 쉽지만 마스터 금형 레이어의 적절한 정렬을 보장하기 위해 연습과 주의가 필요한 프로토콜 내에서 중요한 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 MMAA의 설계입니다. MMAA를 설계하여 UV 광 노출 시스템 내부에 적절한 적합성을 허용하는 장치에 대한 정확한 측정값을 결정할 때 필수적입니다. 장치의 정렬이 잘못되면 고르지 않은 UV 광 노출이 발생할 수 있으므로 마스터 금형 피처의 변형이 발생할 수 있습니다. 두 번째 중요한 단계는 MMAA를 사용할 때 마스터 몰드의 첫 번째 및 두 번째 레이어를 정렬할 때 주의하는 것입니다. 2층 포토마스크를 웨이퍼 및 MMAA에 고정할 때 사용자가 세심한 주의를 기울이는 1층 정렬 마커와 정렬한 후 필수적입니다. 미크론 크기의 기능은 고정 시 포토마스크의 이동으로 인한 작은 정렬 불량이 최종 PDMS 장치를 사용할 수 없게 만들 수 있는 정렬 오류를 만들 수 있음을 의미합니다. 따라서 이 단계는 MMAA를 사용하여 연습으로 개발할 수 있는 정확도가 필요합니다. 마지막 중요한 단계는 자외선 노출을 보장하기 위해 포토마스크와 코팅된 웨이퍼 사이에 틈이 없도록 하는 것입니다. MMAA를 사용하여 다층 마스터 몰드를 만드는 이 기술은 정렬된 프로토콜을 따를 때 사용자의 세부 사항 및 관리에 주의를 기울여 잘 정렬된 레이어를 보장하기 위해 위의 중요한 단계를 따라야 합니다.
다층 미세 유체 장치는 일반적으로 기존의 정렬 장비를 사용할 수 없는 한 약간의 오류로 생성하기가 어렵습니다. 이 장비는 비용이 많이 들고 민감성 때문에 특별한 교육과 일반적으로 소규모 실험실에서 항상 사용할 수 없는 깨끗한 실내 환경이 필요합니다. 또한 이전에 게시된 맞춤형 마스크 정렬기는 일반적으로 많은 다른 조각의 구매 및 조립이 필요하며, 이는 플랫폼을 생산비용이 많이 들고12,13,14를사용하기 어렵게 만들 수 있습니다. MMAA의 중요성은 다층 미세 유체 장치 제조에 사용되는 표준 장비에 대한 제작이 용이하고 비용 효율적인 대안이라는 것입니다. 또한 MMAA는 응용 프로그램이 매우 간단하고 정기적으로 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에 이미 존재하는 표준 실험실 장비를 사용하기 때문에 사용에 대한 특별한 교육이 필요하지 않습니다. 이를 통해 작고 리소스가 제한된 실험실에서 향상된 기능을 갖춘 다층 미세 유체 장치를 생성할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는이 프로젝트에 대한 자금을 제공하기위한 텍사스 기술 대학에서 변형 학부 경험센터를 인정하고 싶습니다. 저자는 또한 텍사스 공과 대학의 화학 공학 과의 지원을 인정하고 싶습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament | Provided by the Texas Tech University 3D printing facility | ||
| BX53, Upright Microscope | Olympus | ||
| Form 2, Stereolithography 3D printer | Formlabs | ||
| Advanced Hot Plate Stirrer | VWR | 97042-642 | |
| Isoproyl Alcohol, 70% (v/v) | VWR | BDH7999-4 | |
| Light Colored Marker | Sharpie | ||
| Magnets, 3 mm x 3 mm | WOTOY | ASIN #: B075PLVW8W | |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | DOW | 4019862 | |
| Petri Dish, 150 mm x 15 mm | VWR | 25384-326 | |
| Printed Photomasks | CAD/Art Services, Inc. | ||
| Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor Lift | VWR | 12620-904 | |
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Sodium Hydroxide | VWR | ||
| Sonication Bath | Branson | CPX3800H | |
| Spin Coater | Laurell Technologies Corporation | Model WS-650MZ-23NPPB | |
| STRATASYS SR-30 | MakerBot Industries, LLC | SR-30 | Dissolvable support material for 3D printing |
| Stratasys uPrint SE 3D Printer | Computer Aided Technology, LLC | ||
| SU-8 50 | Kayaku | Y131269 0500L1GL | |
| SU-8 100 | Kayaku | Y131273 0500L1GL | |
| SU-8 Developer | Kayaku | Y020100 4000L1PE | |
| Super glue | Gorilla Glue | ||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
| Tape | Scotch | ||
| Form Cure, UV Curing Chamber | Formlabs | FH-CU-01 | |
| UV-KUB2, UV Light-Exposure Box | Kloe | UV-KUB2 |
References
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