聚二甲基硅氧烷微流控芯片复型光固化树脂模具制作方法技术

本发明专利技术公开了一种聚二甲基硅氧烷微流控芯片复型光固化树脂模具制作方法，采用环氧类光敏树脂配制的液态光刻胶为微模具材料，以石英玻璃为背衬基片，通过基片上的硅烷偶联剂涂层增加模具结构与基片的结合力，用在基片周围粘贴不同厚度的塑料薄片的方法控制光刻胶厚度，以高分辨率激光照排机输出的感光软片为光刻掩模，以普通紫外灯或紫外线激光器为曝光光源，以Ｆ４６薄膜为曝光时的保护膜，以无水乙醇为显影液，通过振荡获得干净清晰的显影轮廓，通过显影后的二次光固化提高结构强度及结构与基片的结合力。该模具可用于复制ＰＤＭＳ材料的微流控芯片、生物芯片、压印光刻工艺中使用的软模具，还可用于其它微机械电子系统（ＭＥＭＳ）的加工领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微制造
，特别涉及一种。
技术介绍
微流控芯片主要应用于分析化学，它将整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在以微管道网络为结构特征的微小芯片上。由于微米级通道中的高导热和传质速率，使分析速度大大提高，同时贵重试样的消耗大大减少，因此分析系统正向微型化方向发展，而制作微流控芯片的关键是其微加工技术。传统的微加工技术主要以硅片或玻璃为结构材料制作微流路，由于加工成本高、设备昂贵、制作周期长、需要超净环境等问题，近年来聚合物芯片得到广泛应用，其中PDMS(聚二甲基硅氧烷，又名硅橡胶)是微流控芯片中使用最多的聚合物材料之一。PDMS芯片可以通过模塑法大批量复制以降低制作成本，但传统方法以硅工艺制作硅模具，或以LIGA(或UV-LIGA)工艺制作金属模具，模具制作仍存在工艺复杂、成本高等问题。近几年也出现了以光刻胶结构为模具复制PDMS芯片的方法，取得了良好的制作效果。模具材料通常为SU-8负性固态光刻胶。但这种光刻胶模具制作过程时间长、工序多，曝光前需要对光刻胶前烘使其固化，曝光显影后还需对制作好的光刻胶结构进行数小时的烘烤，易引起热膨胀和内应力而导致微通道尺寸改变、线条扭曲或图形龟裂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种速度快、工艺简单、成本低的。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是以西安交通大学先进制造技术研究所自行开发研制的环氧类光敏树脂配制的液态光固化树脂为材料，(该树脂在固化前后均透明)，采用光刻工艺制作微模具。其液态光固化树脂具体配制参考以下文献Duan Yugang，Wang Suqin，Tang Yiping，Lu BinghengResearch onEpoxy Cationic Photopolymerization Modified by Ethoxylated Acrylate，AsiaRadiation Curing Conference，kunmin，Chnia，5，2001。段玉岗，王素琴，李涤尘，卢秉恒一种用于激光固化快速成形的低翘曲光敏树脂的研究，西安交通大学学报，Vol.35，No.11，1155～1158，2001。王素琴，曹瑞军，段玉岗光固化树脂的制备及应用，化学工程，Vol.27，No.6，44～46，1999.(EIID2047866)。王素琴，曹瑞军，段玉岗激光快速成型光固化树脂的研究应用，感光材料，84～87，1999年增刊。光刻工艺通过曝光和显影形成微结构。曝光使用的光刻掩模为感光软片。由于微流控芯片的微流路线宽一般在几十微米到几百微米，成本低廉的高分辨率感光软片即可满足精度要求。结构图形采用CorelDRAW软件绘制，软片由高分辨率激光照排机输出。曝光使用的紫外光源为汞氙灯、高压汞灯或紫外激光器。其中采用汞氙灯或高压汞灯为光源时，配备有抛物面反射镜，紫外灯放在反射镜的焦点上，以获得平行光。使用紫外线激光器扫描的方法进行曝光可以得到更细的线宽和更大的深宽比，但相应的制作成本及设备价格升高。由于本专利技术在液态下对光刻胶进行曝光，与SU-8等经过前烘固化的光刻胶相比，液态光刻胶曝光后会与相接触的材料发生粘结，如果曝光时将光刻掩模直接覆盖在光刻胶上，曝光后揭开光刻掩模，会有部分固化的光刻胶结构粘附在光刻掩模上，既破坏了光刻掩模又损坏了制作的结构。本专利技术通过在光刻胶与光刻掩模之间铺一层高透明度的防粘材料F46(聚全氟乙丙烯)薄膜的方法，有效地解决了该问题。显影液为无水乙醇、丙酮或其它有机溶剂，本专利技术所使用的环氧类液体光刻胶可被其溶解。该方法包括以下步骤1.基片预处理以石英或玻璃材质为基片，用硅烷偶联剂对基片进行预处理以增加光刻胶与基片的结合力。2.铺胶将具有一定厚度的塑料薄片粘贴在基片周围形成一个空腔，液态光刻胶注入空腔中，光刻胶厚度可以通过更换不同厚度的塑料薄片来控制。3.曝光通过曝光可使液态光刻胶固化。本专利技术使用的液态光刻胶属负性光刻胶，光刻掩模上的透光部分所对应的光刻胶经紫外线照射后发生交联反应而固化，光刻掩模的黑色部分掩蔽下的光刻胶仍为液体状态，可通过显影清除，从而得到与光刻掩模图形一致、具有一定厚度的光刻胶结构。在液态光刻胶表面覆盖一层F46保护膜。光刻掩模覆盖在F46薄膜上，再覆盖一片石英，夹紧后在紫外光源下曝光。由于光刻掩模与光刻胶的间隙增大，会使曝光时的散射增加，从而引起图形精度下降，因此必须通过夹紧保证光刻胶、保护膜和光刻掩模之间的紧密接触。4.显影通过显影可将曝光后未固化的光刻胶溶解清除。揭掉光刻掩模和F46保护膜，将基片及其上的光刻胶完全浸入显影液中，显影时要对显影容器进行振荡。如果显影过程中容器静置，显影液不易渗透到结构底部，通过振荡可以加速残余胶的溶解速度，有利于结构底部两侧的残余胶的清除，从而获得干净清晰的结构轮廓。但不能使用超声波振荡，超声波振荡频率过高，会使结构整体脱落。显影后取出吹干。5.二次光固化第一次曝光时为保证结构的线宽精度和断面形状，一般曝光时间较短，光刻胶固化不完全，为增加光刻胶结构的刚度和光刻胶结构与基片的结合力，将显影后的基片放置在紫外光源下进行二次曝光，以使光刻胶完全固化，并进一步加强与基片的粘结性。通过以上操作过程就完成了光刻胶微模具的制作，可以用该模具对PDMS材料进行模塑，复制出微通道结构。本专利技术制作的光刻胶模具还可用于复制压印光刻工艺中使用的软模具(PDMS材料)。专利技术的方法所带来的技术效果是传统光刻工艺中曝光使用的光刻掩模为镀铬玻璃板或镀铬石英板，制作时需要专用图形发生器，虽然具有0.5微米的高精度，但设备昂贵，加工成本很高。本专利技术根据微流控芯片的微通道尺寸一般在几十微米到几百微米的特点(同样适用于具有类似特征尺寸的微细结构或器件)，使用感光软片作为光刻掩模即可满足精度要求，而按本专利技术使用的基片尺寸(75mm×25mm)计算的软片材料及其制作成本合计仅0.40元/片。用硅烷偶联剂对基片进行预处理，大大提高了模具结构与基片的结合力。对比实验显示，未经预处理的微细结构在显影后吹干的过程中就自行翘起、甚至脱落，而经过预处理的微结构则可以经历100次复制而不脱落。用在基片周围粘贴塑料薄片的方法控制光刻胶厚度，相对于传统方法使用的甩胶机，不仅无需专用设备，且可获得较大厚度，操作简便。通过在光刻胶与光刻掩模之间增加F46保护膜的方法，有效地解决了液态光刻胶固化后与光刻掩模的粘结问题。本专利技术制作的微结构具有陡直的侧壁，光滑的图形轮廓。使用紫外灯作为曝光光源时，在结构高度为30微米时可以做出的最小线宽为12微米，高度130微米时可做出的最小线宽为40微米，65微米线宽下可做出370微米高度，最大深宽比达到6。使用紫外线激光器作为曝光光源时，高度130微米时做出的最小线宽为20微米，35微米线宽下可做出350微米高度，50微米下可做出480微米高度，最大深宽比达到10。通过在显影过程中振荡容器的方法，有效地提高了显影速度和质量，获得的结构轮廓干净清晰。模具制作所需要的设备和器材有烘箱、紫外灯曝光箱或紫外激光器、烧杯、玻璃棒、镊子、夹子、吹风机，需要的试剂和原材料有石英玻璃片、均匀厚度塑料薄片、密封剂、F46薄膜、硅烷偶联剂、感光软片、液态光刻胶(环氧类光敏树脂)、无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚二甲基硅氧烷微流控芯片复型光固化树脂模具制作方法，以石英或玻璃为基片，以环氧类光敏树脂配制的液态光刻胶为材料，采用光刻工艺制作用于聚二甲基硅氧烷微流控芯片复型的微模具；其特征在于，包括以下步骤：１）基片预处理在基片上涂 敷一层硅烷偶联剂，置入烘箱在１２０℃下烘烤４０分钟；２）铺胶用塑料薄片粘贴在经预处理后的基片周围，使塑料薄片和基片形成一个空腔，将液态光刻胶注入该空腔中，液态光刻胶厚度通过更换不同高度的塑料薄片控制；３）曝光 在液态光刻胶表面覆盖一层保护膜，并在保护膜上覆盖光刻掩模，再覆盖一片石英玻璃，夹紧后在紫外光源下曝光４５ｓ～５０ｓ，即可得到厚度大于３００μｍ、侧壁陡直的聚二甲基硅氧烷微流控芯片微结构；４）显影曝光后揭掉光刻掩模和保护膜，将 基片及其上的光刻胶完全浸入无水乙醇显影液中，显影过程中对显影容器进行手工振荡２分钟，显影后取出吹干；５）二次光固化将显影后的基片放置在紫外光源下进行２分钟的二次曝光，使液态光刻胶完全固化即可获得干净清晰的聚二甲基硅氧烷微流控 芯片结构轮廓的微模具。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段玉岗，徐书洁，丁玉成，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]