Summary
このプロジェクトは、小規模な研究所が精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすいプラットフォームを開発することを可能にします。このプラットフォームは、<10 μmの配向誤差を有する多層マイクロ流体デバイスを用いた3次元プリントされた顕微鏡マスクアライメントアダプタで構成されています。
Abstract
このプロジェクトは、クリーンルームの設定で高価な機器を使用してのみ達成できる、精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすく、費用対効果の高いプラットフォームを開発することを目的としています。プラットフォームの重要な部分は、通常の光学顕微鏡および紫外線(UV)光露光システムと互換性のある3次元(3D)プリント顕微鏡マスクアライメントアダプタ(MMAA)です。デバイスの設計を最適化する作業が行われたため、デバイスの作成プロセス全体が大幅に簡略化されました。このプロセスでは、実験室で利用可能な機器の適切な寸法を見つけ、最適化された仕様でMMAAを3Dプリントする必要があります。実験結果は、3Dプリンティングによって設計および製造された最適化されたMMAAが、一般的な顕微鏡および光露光システムで良好に機能することを示している。3DプリントされたMMAAによって作られたマスター型を使用して、多層構造を有する得られたマイクロ流体装置に<10 μmの配向誤差が含まれており、これは一般的なマイクロチップに十分である。UV光暴露システムへの装置の輸送を介した人為的ミスは、より大きな製造ミスを引き起こす可能性がありますが、この研究で達成された最小限のエラーは、実践とケアで達成可能です。さらに、MMAAは、3Dプリントシステムのモデリングファイルに変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズすることができます。このプロジェクトは、マイクロ流体装置を製造および使用する研究所が通常利用できる機器の使用のみを必要とするため、より小規模な研究所に有用な研究ツールを提供します。以下の詳細なプロトコルは、MMAA の設計と 3D 印刷プロセスの概要を示しています。また、MMAAを用いて多層マスター金型を調達し、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)マイクロ流体チップを製造する手順も本明細書に記載する。
Introduction
マイクロ流体プラットフォームを採用したアプリケーションの広大な広がりのために、工学研究の高度かつ有望な分野は、微細加工です。微細加工は、異なる化学化合物を使用してμmまたはより小さなサイズの特徴を持つ構造を製造するプロセスです。マイクロ流体研究が過去30年間に発展してきたため、ソフトリソグラフィは、ポリ(ジメチルシロキサン)または類似物質から作られたマイクロチップを製造する最も一般的な微細加工技術となっています。これらのマイクロチップは、一般的な実験室の実践1、2、3、4の微細化に広く使用されており、エンジニアが反応プロセス5、6、7、研究反応機構、およびヒトの体内で見られる器官(例えば、臓器オンチップ)8、9、10を模倣するための強力な研究ツールとなっています。しかし、アプリケーションの複雑さが増すにつれて、より複雑なマイクロ流体デバイス設計は、模倣することを意図した現実のシステムのより良い複製を可能にすることが典型的である。
基本的なソフトリソグラフィ手順は、基板をフォトレジスト物質でコーティングし、被覆基板をUV光11に施す前に被覆された基板の上に置くことを含む。フォトマスクは、マイクロ流体デバイスチャネルの所望のパターンを模倣する透明領域を有する。被覆基板をUV光に当てると、透明領域がUV光をフォトマスクに透過させ、フォトレジストが架橋される原因となる。露光ステップの後、非架橋フォトレジストは、現像物を用いて洗い流され、意図されたパターンで固体構造を残す。マイクロ流体デバイスの複雑さが大きくなるにつれて、非常に正確な寸法を持つ多層構造が必要になります。多層微細加工のプロセスは、単層微細加工に比べてはるかに困難です。
多層微細加工では、第1層の特徴と第2マスクの設計を正確に配置する必要があります。通常、このプロセスは、高価であり、機械を操作するための訓練を必要とする商用マスクアライナーを使用して実行されます。したがって、多層微細加工のプロセスは、通常、そのような努力のための資金や時間を欠いている小規模な実験室のために達成不可能です。いくつかの他のカスタムメイドのマスクアライカが開発されているが、これらのシステムは、多くの場合、多くの異なる部品の購入と組み立てを必要とし、まだ非常に複雑な12、13、14することができます。これは、小規模な研究所の場合に高価なだけでなく、システムを構築、理解、使用するための時間とトレーニングが必要です。本稿に詳述されているマスクアライナーは、追加の機器の購入は必要なく、マイクロ流体装置を製造および使用する実験室に既に存在する機器のみを必要とするため、これらの問題を緩和しようとしました。さらに、マスクアライナーは、3Dプリンティング技術の最近の進歩に伴い、手頃なコストでほとんどの研究所や大学に容易に利用できるようになった3Dプリンティングによって製造されています。
本稿で詳述するプロトコルは、費用効果が高く、操作が容易な代替マスクアライナーを作ることを目的としている。本明細書に詳述されるマスクアライナーは、従来の製造設備を持たない研究所にとって多層微細加工を可能にすることができる。顕微鏡マスクアライメントアダプター(MMAA)を使用して、複雑な特徴を持つ機能性マイクロチップは、通常のUV光源、光学顕微鏡、および一般的な実験装置を使用して達成することができます。結果は、MMAAが直立顕微鏡とUV光暴露ボックスを使用したサンプルシステムで良好に機能することを示しています。3D印刷プロセスを用いて製造されたMMAAは、最小の配位置誤差を伴うヘリンボーンマイクロ流体デバイスの二層マスター金型を取得するために使用された。3DプリントMMAAで製作されたマスターモールドを使用して、マイクロ流体デバイスは、<10 μmのアライメントエラーを含む多層構造で調製しました。<10 μmのアライメント誤差は、マイクロ流体デバイスの適用を妨げないように十分に最小限に抑えられます。
また、MMAAを用いて製造された4層マスターモールドのアライメントが成功し、位置合わせ誤差が<10μmと判定されました。マイクロ流体デバイスの機能と最小のアライメントエラーは、マルチレイヤマイクロ流体デバイスの作成におけるMMAAの正常な適用を検証します。MMAAは、3Dプリンタでファイルに小さな変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズできます。以下のプロトコルは、各ラボで利用可能な機器に合わせて MMAA を微調整し、必要な仕様で MMAA を 3D プリントするために必要な手順を概説します。さらに、このプロトコルは、システムを使用して多層マスター金型を開発し、その後、マスターモールドを使用してPDMSマイクロ流体デバイスを生成する方法を詳述しています。マスターモールドとマイクロ流体チップの生成は、ユーザーがシステムの有効性をテストすることができます。
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Protocol
1. MMAAの設計
- 図1に示すウェハホルダ(またはUV露光部)の寸法の上限となる利用可能なUV発光システムのトレイの寸法を取得する。図2Aに示すように、内側の円形リムの直径(d)、UV発光システムのトレイの内側の高さ(h)、全幅(w)、トレイの長さ(l)を測定します。
注:例として、利用可能なUV光露光システムは、4インチの円形の切り抜きで5インチ(")x 5"x 0.25"の内側のトレイの寸法を持っていました。MMAA の寸法は、 図 2Bに示すように、内部トレイの寸法が適切に収まるように設計され、システムのトレイ内に平らに配置されます。図 3 を参照してください MMAA の 3D プリント部分: フォトレジストコーティングされたシリコン ウェーハと、セットアップを顕微鏡に固定するためのファスナーを参照してください。 - スライドホルダを所定の位置に保持する、使用可能な直立した顕微鏡ステージのねじの間の長さを測定します。さらに、ねじの幅を測定します。これらの寸法を適用して、使用可能な顕微鏡に合わせて磁気ホルダー(図1)をカスタマイズし、MMAAを顕微鏡に簡単かつ正確に固定できるようにします(図4A)。
- 利用可能なコンピュータ設計アプリケーションを使用して、測定された寸法内に収まるようにウェハホルダーと磁気顕微鏡ファスナーをカスタマイズします。ウエハーホルダーの高さ、幅、長さを、UV発光システムのトレイの高さ(h)、幅(w)、長さ(l)以上にする必要があります。また、UV発光システムのトレイと同じ直径(d)のウエハホルダーの底部に円形のカットアウトを含めます。デバイスの 3D 印刷に使用する MMAA の 2 つの部分の STL ファイルまたは CAD ファイルを生成します ( 補足資料を参照)。
2.3D MMAA の印刷
- 生成された STL または CAD ファイルを、使用可能な 3D プリント ソフトウェアにアップロードします。3D-使用する3Dプロセスとプリンタの適切な手順に従って、MMAAの2つの部分を印刷します。必要なポスト印刷手順(例えば、支持材料の除去、未硬化樹脂の除去、追加の洗浄または硬化ステップ)に従って、この部分を完成させます。あるいは、利用可能な3D印刷機能を使用して、設計された部分を印刷して他の場所で完成させます。
- ウェハホルダーがうまくフィットし、利用可能なUV光露光システムのトレイ内に平らに座っていることを確認します(図2B)。さらに、顕微鏡ファスナーが顕微鏡ステージに取り付けられ、顕微鏡ステージのx位置とy-位置を制御するノブを使用して容易に移動できることを確認します(図4A)。
- ピースが完成したら、スーパーグルーやその他の固定物質を使用して、マグネットをウェハホルダーと顕微鏡ファスナー(図3A)に挿入して固定します。システムをテストする前に接着剤を乾燥させます。
注:必要に応じて、プロタイプの作品は、リソースとお金15を節約するために、FDM(融合デポジションモデリング)3Dプリンタを使用して最初に印刷することができます。このプロタイプは、利用可能な機器に正確に適合するために評価され、必要に応じて設計を修正することができます。最終的な装置はより正確なプロセス(例えば、ステレオリソグラフィー)を使用して印刷することができるので、より良い精度を得ることができます。最終的な装置はまた顕微鏡の下で最適使用のための半透明の終わりと印刷することができる。
3. MMAAの実験的試験
- マイクロ流体デバイスフォトマスクの設計と印刷
- コンピュータ設計アプリケーションを使用して、目的の二層マイクロ流体デバイス用のフォトマスクを設計します。
- 図 5A,Bに示すように、位置合わせマーカー(フォトマスク/マスター金型の端に近い)として機能するマイクロ流体デバイスチャネル構造の側面に追加の構造を含める。マイクロ流体デバイスの各側に1つのアライメントマーカーがあることを確認します(合計で4つ以上)。さらに、フォトマスクにシリコンウェーハの直線エッジと完全に一致する直線エッジが含まれていることを確認してください。
注: アライメント マーカー構造の複雑性が高いほど、追加のレイヤーの位置合わせ精度が向上します。少なくとも、1 mm x 1 mm の測定を持つ単純なクロス構造を使用する必要があります (図 6A)。アライメントマーカーの例は、二重層マスター金型を生成するために使用される第1層および第2層フォトマスクを示す図5A、Bの角と下中間端に見ることができます。 - フォトマスクは、商用ベンダーまたは他のアクセス可能な施設を通じて印刷します
- MMAA(フォトリソグラフィ)を用いた二層マスター金型の作成
- 標準的なフォトリソグラフィ技術とフォトレジストメーカーの指示を使用して、第1層フォトマスク16を使用してマスターモールドの第1層を作成する。適切なフォトレジスト(すなわち、SU−8)を備えた4インチシリコンウエハを使用して、所望の層厚さを作成する。位置合わせマーカーを識別しやすいように、最初の層の厚さが後続のレイヤーよりも大きいことを確認します。
- 明るい色のマーカー ペン(金など)を使用して、4 つの側面すべてで最初のレイヤーの位置合わせマーカーを色分けします。
- フォトレジストメーカーの指示を用いて、フォトレジストをウエハにスピンコーティングし、ソフトベーク16を行うことにより、マスターモールドの第2層を開始する。コーティングされたウエハをMMAAのウェハホルダー(図3B)に挿入し、テープを使用してコーティングされたウエハをMMAAに固定します。
- 磁気顕微鏡ファスナーを使用して、利用可能なアップリライト顕微鏡にウェハホルダーを取り付けます(図4A)。ウエハの着色されたアライメントマーカーの1つが顕微鏡レンズを通して見えるまで、顕微鏡ステージのx方向およびy方向ノブを使用してMMAAの位置を移動します。
- 2層目のフォトマスクを、塗られたウェハの上部にあるウェハホルダーに挿入する(図3C)。最初のレイヤーの色付きの配置マーカーがフォトマスクの配置マーカーを通して部分的に見えるようにします。
- サイドの切り抜き(図4B)の1つをテープで通して、フォトマスクをシザーリフト(サポートジャックとも呼ばれる)に取り付けます。はさみリフトを使用して、フォトマスクのZ方向位置を、被覆されたウェハのすぐ上に置くまで調整します(図3C)。
注:はさみリフトは、シザーリフトを使用して、付属のフォトマスクの位置をZ方向に移動させることができるため、フォトマスクのZ位置を微調整することができます。 - フォトマスクを静止したまま、顕微鏡レンズを見て、フォトマスクの位置合わせマーカーの下にある第1層の着色アライメントマーカーを特定します。顕微鏡ステージのx方向およびy方向ノブを使用して、MMAAの位置を移動します(図4D)。顕微鏡レンズを通して位置合わせマーカーの位置を観察して、フォトマスクの位置合わせマーカーが第1層の着色アライメントマーカー(図6A,B)と重畳されるまで、MMAAの位置を調整します。
- フォトマスクにわずかな力を慎重に適用し、テープを使用して、コーティングされたウエハーの上にフォトマスクを固定します。フォトマスクをシザーリフトから取り外します。フォトマスク上の 4 つのアライメント マーカーが、最初のレイヤーの 4 つのアライメント マーカーと一致していることを確認します。
- アライメントが達成されたら、顕微鏡ステージからウエハホルダーを慎重に取り外します。ウエハとフォトマスクの上にガラスの上板を挿入して、2つの部分の間のギャップを小さくします(図1)。図4Eに示すように、ウエハホルダー全体を利用可能なUV光露光システムに配置します。フォトレジストメーカーの指示16に記載されているように、適切な時間と光強度のために第2の層を露出する。
- UV光露光システムからウェハホルダを取り外します。ウェハホルダーから被覆されたウエハを取り外し、ウエハからフォトマスクを取り外します。フォトレジストメーカーの指示16に従って、第2層の処理(例えば、ポストベーク、現像、リンス及び乾燥)を完了する。
注:正確なスピンコーティング、ソフトベイク、露出、ポストベイク、および現像条件(時間、温度)は、使用されているフォトレジストと所望の層の厚さに基づいて変化します。実際の状況と正確なフォトリソグラフィの手順は、フォトレジストメーカーの指示に基づく必要があります。
- マスターモールド(ソフトリソグラフィ)を用いたマイクロ流体装置の調製
- マスターモールドを取り出し、テープ付き150ミリメートル×15ミリメートルプラスチックペトリ皿の真ん中にそれを固定します。
- メーカーの指示に基づいて、PDMSの〜15〜20 gを準備します。PDMSを真空チャンバーに入れるか、気泡がなくなるまで休ませます。マスターモールドを含むペトリ皿にPDMSを注ぎます。
- PDMSが気泡を使いなくなるまで、マスターモールドを持つペトリ皿をカウンタートップに置きます。PDMSが完全に硬化するまで、65 °Cのオーブンにペトリ皿を置きます(少なくとも3時間)。
- PDMSを切り取ってマイクロチャネル構造を明らかにする。マイクロチャネル構造の周りのPDMSを別々のマイクロチップにカットし、マイクロ流体デバイスの入口と出口穴を作成します。テープを使用して、PDMS表面に存在する可能性のある小さな微粒子を静かに取り除きます。
- PDMSチップをPDMSまたは顕微鏡スライドに接合し、PDMSチップと追加基板をプラズマ処理してマイクロチップ製造を完了します。
- 位置合わせエラーの判別
- マスターモールドを取得し、アップライト顕微鏡を使用して、第1層と第2層の間のギャップ距離(アライメント誤差)を決定します。これは、マイクロチャネル構造上の第1層から第2層がシフトおよびずれている距離を測定するだけである(測定されたギャップ距離の例については 、図5D を参照)。
- 直立顕微鏡を使用して、PDMS チップに、デバイスエッジがはっきりしたチャネルウォールが含まれているかどうかを確認します。さらに、PDMS チップで、デバイスの機能を妨げる可能性のある欠陥がないか確認します。
注: マスター モールドの製造(セクション 3.2 および 3.3)は、より低い位置合わせエラーを実現するために繰り返す必要があります。MMAAを使用して繰り返し練習することは、よく整列したマスター金型を作成するユーザーの能力を強化するために示されています。また、走査型電子顕微鏡(SEM)(図7)を用いて、配位置誤差を確認して画像を得ることができる。
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Representative Results
MMAAの最適化と使用を通じて(図1)、最小の位置合わせ誤差を伴う多層マスター金型が製作されました。最終的なMMAAは、FFF(FFF)3Dプリントプロセスを用いて作製した(図2)。FFFプロセスは、所望の装置の寸法の精度を向上させます。MMAAは、2つの主要部分(図3)から構成されています(図3):ベースピースとカスタム締結具。ベースピースは、ウエハホルダーとして機能するUV露光ユニットから構成されています。紫外線の露出の単位はフォトマスクおよび塗られたケイ素ウエハの適切なアライメントを可能にする。2番目の部分は磁石で顕微鏡のプラットホームにウエハーホルダーを固定するカスタムファスナーである。二重層マスターモールドの上層と下の層の整列に使用されるセットアップ全体を図 4に示します。このシステムと記載されたプロトコルは、フォトマスク上のマーカーとマスターモールドの初期層上のマーカーのアライメントに使用した(図6)。ヘリンボーンパターンを有するマイクロ流体デバイス用の二層SU-8マスターモールドを製造し、2層間のギャップ距離<5μmのギャップ距離を有することが示された(図5)。
2層マスターモールド(図7A)を使用して、図7Dで見ることができるPDMSマイクロチップを製造しました。図7B、Cに示すSEM画像は、ヘリンボーンパターンを持つマイクロ流体デバイスに、デバイスの適切な機能に不可欠な、明確なエッジ、ストレートチャネル壁、および適切に整列された層が含まれていることを示しています。また、MMAAを使用して、単純な円形フィーチャを備えた4層マスタ金型(図8A)を作成し、マルチレイヤマスタ金型の配置を正常に行いました。プロフィルメーターデータ(図8B)は、マスターモールドの4つの異なる層を確認します。異なるジオメトリの複数の4層フィーチャに対して得られたアライメント誤差の測定値により、アライメント誤差がレイヤー間の設計距離の5%を超え、確認できます。最終的な装置の画像から、第2層のUV露光前にマスクをMMAAに固定する際の人為的ミスにより、2つのデバイス層間のギャップ距離が増加し、ずれが生じたことは明らかである。しかし、ユーザが手順に慣れるにつれて、最終的なデバイスは、描かれた結果によって確認されるように、<10 μmの結果として得られるアライメント誤差で作り出すことができます。
図1:多層微細加工用3Dプリント可能MMAAの設計 この図は、MMAA の 2 つの部分を示しています: UV 露出ユニットとカスタム顕微鏡ファスナー。UV露光ユニットは、ウエハーに対してフォトマスクを保持するガラスの天板を降順に収容します。フォトマスク。フォトレジストコーティングされたウエハー。UV露光ユニットは、顕微鏡ステージに取り付けられたカスタム顕微鏡ファスナーに磁気的に取り付けられ、フォトマスクとウエハの適切な位置合わせを可能にします。略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプター;紫外線=紫外線。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:MMAAのカスタマイズと3Dプリント、完全硬化装置の後処理.(A)MMAAのカスタマイズに必要な測定値を示す利用可能なUV発光システムのトレイの写真。ユーザーは、内側の円形のリムの直径(d)、内側の高さ(h)、全幅(w)、トレイの長さ(l)を測定する必要があります。(B) カスタマイズ後、MMAA は次に示すようにトレイ内に平らに配置する必要があります。(C) FFF 3D 印刷プロセスの図。FFFプロセスは、3Dプリントフィラメントを重ね合わせた構造を生成します。フィラメントは、最終的な3Dプリントされた部分が生成されるまで、次の上に1つ、薄い層に堆積されます。(D) 印刷後工程の一部としてUV硬化室での最終的な3DプリントMMAAの硬化。略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプター;紫外線 = 紫外線;FFF =融合フィラメント製作。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:MMAAの3Dプリント部分(A)2枚を磁石で接続した(赤い破線の長方形で示す)。(B)光抵抗の薄層で被覆されたシリコンウエハを含むMMAA(SU-8)。(C)MMAAは、配向プロセスに備えて、コーティングされたシリコンウエハの上にフォトマスクを付けた。略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプターこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:フォトマスクのアライメントに3DプリントされたMMAAを使用する手順(A)MMAAにフォトレジストコーティングされたシリコンウエハを積み込んだ後、MMAAを直立顕微鏡システムのステージに配置し、画像に示すように磁気顕微鏡ファスナーを使用してステージに固定する。(B) フォトマスクは MMAA に挿入され、イメージに示すように MMAA の側面の 1 つを通して、Z 方向調整プラットフォーム (別名はシザーリフト) に取り付けられます。(C)は、画像に示すように、フォトマスクが塗られたシリコンウエハのすぐ上に位置するまで、シザーリフトプラットフォームの高さを調整します。この時点以降は、配置が完了するまでフォトマスクは移動しません。(D)完全なアライメントを達成するために、MMAAの位置、したがって、シリコンウエハの位置は、顕微鏡のステージ上で、顕微鏡のノブを使用してx方向およびy方向に調整されます。シリコンウエハのx位置とy位置は細かく調整され、シリコンウェーハのアライメントマーカーとフォトマスクが重ね合わされるまで顕微鏡レンズを通して観察します。これが達成されると、フォトマスクはウエハに固定することができます。(E)アライメントが達成された後、MMAAは顕微鏡段階から注意深く取り外され、UV光露光システムのトレイに置かれる。トレイは、ウエハが光レジストを治癒するためにUV照射にさらされることができるように閉じることができます。略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプターこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:MMAAを用いて作成した二層チャネル構造 二層マスター金型は、4つの並列チャネルを備えたヘリンボーンマイクロ流体デバイスの製造用に設計されています。(A)第1層フォトマスク設計の画像は、チャンネルの輪郭を含み、マイクロ流体装置の中空床を生成する。(B)マイクロ流体装置の屋根に並ぶチャネルの中にヘリンボーンパターンを組み込んだ第2層フォトマスク設計のイメージ。(C) 赤い破線の長方形で示される二重層マスター金型の入口構造 (A) と (B) 。画像は、2 つのレイヤー間の最小ギャップ距離を示しています。(D) (A) と (B) の緑の破線長方形で示されるチャネルの曲げを示す二重層マスター金型のセクション。2本の矢印間のギャップ距離は5μmです。スケールバー= 100 μm略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプター この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:マイクロファブリケーション結果とMMAA(A)および(B)はフォトマスク上のマーカーの位置合わせを示す。スケールバー= 200 μm(C) および(D) は、露光後のウエハ上のマーカーの対応する画像です。スケールバー= 100 μm略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプターこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:MMAAとマスターモールドから作られた結果のPDMSデバイスを用いて調製されたマスターモールド(A)MMAAを用いて調製したヘリンボーンマイクロ流体デバイスの二重層マスター金型は、層のアライメントを達成する。(B) と (C) は、下層を指す赤い矢印を持つ異なるスケールのヘリンボーンデバイスの SEM 画像です。(D) 二層マスターモールドを用いて作られたヘリンボーンパターンを持つ PDMS マイクロ流体デバイス (A).略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプター;PDMS = ポリ(ジメチルシロキサン);SEM = 走査型電子顕微鏡.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:MMAAを用いて作成した4層マスター金型の画像とプロフィルメータデータ (A) MMAA を使用して作成された 4 層マスター金型の画像は、レイヤーの配置に成功したことを示します。MMAA の位置合わせ機能を示すために、降順の単純な円形フィーチャが選択されました。スケールバー=1,250μm(B)同じ円形4層マスター金型のプロフィロメーターデータは、4つの異なる層の存在を確認する。略語: MMAA = 顕微鏡マスクアライメントアダプター。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
前述のプロトコルは、MMAAを3Dプリントし、システムを使用して正確な、多層、マイクロ流体デバイスマスター金型を作成するための手順を概説します。装置は使いやすいが、マスターモールド層の適切な位置合わせを確実にするために練習と注意を必要とするプロトコル内の重要なステップがある。最初の重要なステップは、MMAAの設計です。MMAA を設計する際には、UV 光露光システム内で適切な適合を可能にするデバイスの正確な測定値を決定する際に不可欠です。デバイスの位置合わせが不均等な UV ライト露出を引き起こし、マスター モールド フィーチャの変形が生じる可能性があります。2 番目の重要なステップは、MMAA を使用する場合にマスター モールドの 1 番目と 2 番目のレイヤーを整列する際に注意することです。第2層フォトマスクを第1層アライメントマーカーに合わせて配置した後、ウエハやMMAAにフォトマスクを固定する際に注意を払う必要があります。ミクロンサイズの機能は、固定中にフォトマスクが動き出して小さな位置合わせが発生すると、最終的なPDMSデバイスを使用できなくなる可能性のあるアライメントエラーが発生する可能性があることを意味します。したがって、このステップは、MMAAを使用して練習で開発することができる精度を必要とします。最後の重要なステップは、光マスクと被覆されたウエハの間に隙間がないことを確認して、UV光の露出を確実にすることです。MMAAを使用してマルチレイヤマスター金型を作成する際のこの技術は、上の重要な手順に従って層を適切に整列させるために従わなければならないため、ユーザーの細部と注意に注意することによって制限されます。
多層マイクロ流体デバイスは、従来のアライメント装置が利用可能でない限り、一般的にほとんどエラーを発生させるのが困難です。この装置は高価であり、その感受性のために特別な訓練を必要とし、典型的には、より小さい実験室で常に利用できるわけではないクリーンルーム環境。さらに、以前に公開されたカスタムメイドのマスクアライナは、通常、多くの異なる部分の購入と組み立てを必要とします。MMAAの意義は、多層マイクロ流体デバイスの製造に使用される標準機器に代わる、製造が容易でコスト効率の高い代替手段であるということです。さらに、MMAAは、その用途はかなり簡単であり、定期的にマイクロ流体装置を製造し、使用する実験室に既に存在する標準的な実験装置を使用するため、その使用のための特別な訓練を必要としません。これにより、小規模で資源の限られた実験室が、機能性を向上させた多層マイクロ流体デバイスを製造することができます。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
著者らは、このプロジェクトのための資金を提供するためのテキサス工科大学からの変革的な学部体験センターを認めたいと思います.著者らはまた、テキサス工科大学の化学工学部からの支援を認めたいと考えています。
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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