微流控芯片的制作.docx

微流控芯片的制作.docx

《微流控芯片的制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微流控芯片的制作.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

微流控芯片的制作

PDMS－玻璃杂合芯片快速制作方法详解（初稿）

前言

本文以实战制作高度15～80µm的通道为例，详细介绍的PDMS－玻璃杂合芯片的快速制作方法。

注意：

进入芯片加工间需穿实验服，进行芯片制作时需带上无粉乳胶手套。

一、快速制作SU-8阳模步骤：

1.硅片清洗

2．基片加热除湿

3．倒胶匀胶

4．SU-8基片前烘

5．SU-8基片曝光

6．SU-8基片后烘

7．显影

8．坚模

二、制作PDMS玻璃杂合芯片步骤

1．制备PDMS预聚体

2．除去PDMS预聚体中的气泡

3．倒胶及PDMS预聚体固化

4．揭模，切边，打孔

5．键合

6．粘蓄液池（可选）

三、PDMS－玻璃杂合芯片制作中其他相关细节详解

一、快速制作SU-8阳模步骤：

一、硅片清洗

1．丙酮清洗

目的：

去除或软化硅片表面有机物

操作：

带上一次性PE手套。

硅片用玻璃棒隔开，将丙酮倒入烧杯，液面高于硅片顶端所在平面2cm左右，然后放入超声机，超声40分钟左右（对于旧硅片，可以升温超声，时间也可适当延长）；丙酮清洗后，将丙酮小心倒入装丙酮的空瓶，标明“回收”。

2、浓硫酸清洗

目的：

去除硅片表面的无机物和有机物

操作：

带上乳胶手套，再带上一次性EP手套，穿实验服。

丙酮清洗过的硅片，先用自来水多涮洗几次，较彻底地去除残余丙酮，避免硫酸和丙酮反应；然后将双氧水倒入烧杯至目标体积的1/4。

然后将烧杯移至合成间的通风厨，小心缓慢将浓硫酸倒入烧杯至目标体积，之后在烧杯上盖上一个玻璃培养皿以减少酸雾的挥发。

3个小时后，浓硫酸与双氧水反应基本结束，将烧杯移至超声机（注意作上浓硫酸的标记以避免别人误伤）超声30min左右，即可将浓硫酸回收。

硫酸回收，一定要倒入装硫酸的瓶子，若没有，可

用装过乙醇或丙酮的瓶子，但一定要多用自来水多清洗几次，以避免硫酸与之反应，发生安全事故。

将硫酸倒出时，注意倾倒角度，避免烧杯内的硅片和玻璃棒滑落。

（此步相对较危险，一定要注意安全。

）

3．去离子水清洗（18.2）

目的：

清除浓硫酸和硅片表面一些残余小颗粒

操作：

带上一次性PE手套。

将倒出硫酸后的硅片，先用去离子水清洗两遍，再用去离子水超声5遍，每遍20min。

二．基片加热除湿

（1）目的：

基片加热除湿有利于增加基片和SU-8阳模之间的粘附力

（2）仪器工具：

热平板：

加温

氮气枪：

吹去基片表面水份和灰尘

镊子：

夹持基片

玻璃培养皿

（3）步骤描述：

从烧杯中取出硅片，用氮气枪吹干表面，然后放在热平板上加热除湿。

此步使用程序一，即150加热1h后降至常温。

此步估计为2小时完成。

程序Ⅰ

Step1：

目标温度150℃。

Step2:

目标温度28℃，降温速度450℃/h。

2．倒胶匀胶

（1）目的：

在基片上铺上一层目标厚度的SU-8胶

（2）仪器工具：

KW型匀胶机：

匀胶

SU-8胶瓶

滴管：

用于停止胶的流出

氮气枪：

吹去基片表面灰尘

镊子：

夹持基片

（3）步骤描述：

当基片冷却后，取SU-8胶瓶向基片中心倒胶1－2ml，用滴管止倒。

将SU-8胶瓶盖好后收入柜子中。

将带有SU-8的基片放到匀胶机的载物台上，让胶的中心位于载物台圆的中心，静置3min左右，让胶先自然辅开，。

打开电源开关，按“控制”键，打开真空泵开关，然后按“吸片”键和“启动”键。

匀胶分为初匀和终匀，初匀的作用是将胶铺到整块基片上，终匀的作用是获取铺有目标厚度SU-8。

初匀的速度和时间由“Ⅰ档转速”和“Ⅰ速匀胶时间”控制，终匀的速度和时间由“Ⅱ档转速”和“Ⅱ速匀胶时间”控制。

通常情况下，初匀两次即可将胶铺满整块基片，终匀的时间为60s。

程序可以如下设置：

Step1:

Ⅰ档转速：

600rpm

Ⅰ速匀胶时间：

18s

Ⅱ档转速：

2100rpm

Ⅱ速匀胶时间：

0s

Step2:

Ⅰ档转速：

800rpm

Ⅰ速匀胶时间：

18s

Ⅱ档转速：

2100rpm

Ⅱ速匀胶时间：

60s

（此转速大概对应30um厚度的阳模）

匀胶结束后，先后按上“吸片”和“控制”键，然后关闭真空泵开关和匀胶机开关。

将基片从载物台上取下。

三．SU-8基片前烘（注意区分胶是哪一种，时间温度不一样）

（1）目的：

除去SU-8中的溶剂

（2）仪器工具：

热平板：

加温

镊子

玻璃培养皿

（3）步骤

匀胶结束后，如果热平板温度已经降至30℃或以下，将SU-8基片放到热平板上启动程序Ⅱ开始前烘。

如果热平板温度还没有降至30℃，则须等温度降低

后再放上热平板前烘。

使用程序二。

热平板温度设置如下程序Ⅱ：

程序Ⅱ

Step1:

目标温度28℃，升温速度120℃/h，保持时间1h;

Step2：

目标温度65℃，升温速度120℃/h，保持时间15min;

Step3：

目标温度95℃，升温速度120℃/h，保持时间2h;

Step4:

目标温度28℃，降温速度120℃/h，保持时间1min。

从启动前烘程序到前烘结束用，所用时间约为4.5h。

（4）提前准备步骤：

在前烘期间打开光刻机电源开关，打开光刻机汞灯开关，进行预热。

一般汞灯打开10min以后，汞灯光谱达到稳定才可以曝光。

将要光刻的掩模取出，用氮气枪轻轻吹掉掩模表面的灰尘。

将光刻机掩模架上的方块石英玻璃取下，用擦镜纸的光面轻擦其表面的不干净处，擦干净后，用氮气枪吹到石英玻璃表面的纤维和灰尘。

将掩模的打印面朝下置于光刻机掩模架上，掩模架上有三个圆柱点用于掩模定位。

然后将石英玻璃块放到掩模上，同样用上面的圆柱点定位将掩模压平。

将橡胶圈垫片放到石英玻璃块上，按上两边的固定架，将整个石英玻璃块压紧，并且固定牢固。

调整光刻机载物台，使其处于水平：

水平移动载物台，使其中心对光刻机掩模架的右边沿，调升载物台，使载物台和光刻机掩模架紧密接触。

水平移动载物台，使其右半圆对光刻机掩模架的右边沿，调升载物台使载物台和光刻机掩模架紧密接触。

反复几次即可调平载物台。

设定曝光时间：

曝光时间控制器“m”后面数字表示“分”，“s”后面表示

“秒”

每个数位下面的两个按钮用于增加或者减少每一位的时间。

设定曝光时间为60s后，按复位键确定已经修改的时间。

四．SU-8基片曝光（掩膜图形正面朝下）

（1）目的：

将掩模图形转移到基片上的SU-8薄层中去。

（2）仪器工具：

光刻机：

曝光

2XZ型系列直联旋片式真空泵：

连在光刻机的气体通路上，用于吸基片和掩模。

掩模

氮气枪

（3）步骤：

打开光刻机汞灯开关，进行预热。

一般汞灯打开10分钟以后，汞灯灯光达到稳定才可曝光。

将要光刻的掩模取出，用氮气枪轻轻吹掉掩模表面的灰尘。

将光刻机掩模架上的方块石英玻璃取下，用擦镜纸的光面轻擦其表面的不干净处，擦干净后，用氮气枪吹到石英玻璃表面的纤维和灰尘。

然后将石英玻璃块放到掩模上，同样用上面的圆柱点定位将掩模压平。

将橡胶圈垫片放到石英玻璃块上，按上两边的固定架，将整个石英玻璃块压紧，并且固定牢固。

按上掩膜开关的按钮让其变亮。

设定曝光时间：

曝光时间控制器“m”表示“分”，此时它后面的数据表示秒，即X分XX秒；“s”表示“秒”，即X秒。

每个数位下面的两个按钮用于增加或者减少每一位的时间。

设定曝光时间为

70s后，按复位键确定已经修改的时间。

将光刻机载物台移至目标位置，使左下角的小灯变亮；将放置硅片的托盘移降至最低；打开光刻机卤素灯，在载物台上出现绿色光点，然后将掩膜板推至托盘上方，调节光刻机的焦距使目镜视野中出现清晰的图形，将掩膜中心调至视野中心，然后将掩膜移至托盘上方的右边。

待SU-8基片冷却后，将基片放到光刻机载物台上。

调整基片在载物台上的位置，使基片和掩模图形对准。

将真空泵气体通路调整到光刻机一路，打开真空泵，按下吸片。

将掩模架移回载物台上，锁上掩模架开关。

左手扶住载物台，右手调整载物台使载物台上升至和掩模紧密接触，再将载物台下方的小旋钮的“0”刻度顺时针旋至“3”，使掩膜与硅片贴合的更加紧密。

按下“真空曝光”按钮，实验者迅速走开，以躲避紫外光对眼睛和皮肤的伤害。

听到“咔嚓”声音后，表明曝光完毕。

降低载物台，打开掩模架开关，移开掩膜架，按“吸片”按钮，关闭真空泵，取下玻片，准备后烘。

取下掩模收藏好，待下次使用。

关闭汞灯开关，待10min之后关闭光刻机开关。

五．SU-8基片后烘

（1）目的：

促进SU-8曝光处的交联反应

（2）仪器工具：

热平板：

加热

镊子

（3）步骤：

曝光结束后，将SU-8基片放到热平板上启动程序Ⅲ开始前烘。

程序Ⅲ：

step1：

目标温度65℃，升温速度120℃/h，保持时间15min

step2：

目标温度95℃，升温速度120℃/h，保持时间40min。

step3：

目标温度30℃，降温速度120℃/h，保持时间1min。

从后烘开始到后烘完成用时约为100分钟

六．显影

（1）目的：

洗掉基片上没有曝光的SU-8，让图形完全显现出来

（2）仪器工具：

通风橱

滴管

两个玻璃培养皿

镊子

滤纸

废液缸

PGMEA最强二丙醇最弱

异丙醇终止反应

（3）步骤：

后烘完毕后将基片取下。

在一个玻璃培养皿内倒入4mm高左右的PGMEA用于泡硅片，在另一个玻璃培养皿内倒入4mm高左右的PGMEA（高度根据硅片上的图形决定，如果图形比较靠近硅片的边沿，则此高度需要小些）用于“滚车轮”，；左手拿硅片竖立在后面的玻璃培养皿内，右手旋转硅片，让硅片边沿的胶泡在PGMEA中，这一步用来去除硅片边沿较厚的SU8胶，称之为“滚车轮”。

然后将硅片放至第一个玻璃皿内浸泡，有胶的面朝上，轻轻摇晃玻璃皿，使PGMEA充分浸泡SU8胶，观察图形，待泡至图形若影若现时，即用镊子夹起硅片，用PGMEA冲洗残余的SU8至“流沙”消失，此时马上用异丙醇冲洗残余的PGMEA，此时如果有白色出现说明该处显影没有完成，应继续显影，直至白色消失。

然后在硅片背面放至一张滤纸以吸走多余的显影液，用氮气枪轻轻吹干表面的液体（一定要小心轻轻吹，避免吹动阳模甚至将硅片吹至地上），准备后烘。

安全：

PGMEA对人体具有毒性，显影应该在通风橱中完成，且显影完后应尽快将废液拿到分生，稀释后小心倒至水槽，且同时打开水龙头冲洗。

实验完毕，物品归位，清洗器皿

七．坚模

（1）目的：

增加SU-8阳模和玻璃基片之间的粘附力

（2）仪器工具：

热平板

（3）步骤：

显影结束后，将SU-8阳模放到热平板上启动程序开始坚模。

程序Ⅳ：

step1：

目标温度135℃，升温速度120℃/h，保持时间2h。

step2：

目标温度30℃，降温速度120℃/h，保持时间1min。

当SU-8阳模温度降到室温后，将其收藏到培养皿中以便制作PDMS芯片使用。

此过程需要3h左右。

二、制作PDMS玻璃杂合芯片步骤

1．制备PDMS预聚体

（1）目的：

将PDMS单体和PDMS固化剂混合成为PDMS预聚体

（2）仪器工具：

电子天平

剪刀

一次性塑料杯

滴管2个

PDMS单体

PDMS固化剂

（3）步骤：

将一次性塑料杯放到电子天平上，打开电子天平，清零，小心从PDMS单体瓶中倒

入PDMS至杯中，接近目标量时，应提前将瓶口抬高，减慢倾倒速度，最后小心倒入直至目标量。

记下天平显示PDMS的质量，将该质量除以10即得所需PDMS固化剂的质量。

将天平归零。

用一支新滴管从固化剂瓶中，吸取滴加到塑料杯中，直到天平示数达到所需质量。

用滴管搅拌混合PDMS预聚体（即PDMS单体和固化剂的混合物），直到其呈现为唾沫状。

搅拌时要注意杯边壁上的预聚体，使其完全混合均匀。

2．除去PDMS预聚体中的气泡

（1）目的：

除去PDMS中气泡，防止将气泡固化入PDMS中。

（2）仪器工具：

真空干燥器

真空泵

吸耳球

（3）步骤：

将装有PDMS预聚体的塑料杯放入真空干燥器中，上旋钮的切口对准干燥器上的管口。

将气路打到真空干燥器一路，打开真空泵抽气，当气泡高度升至PDMS量的两倍左右时（别溢出杯子），关闭真空泵；连通真空泵的抽气口和外界大气，防止倒吸；等待1min，再抽一次。

然后放置20min左右，直到杯中气泡几本消失，即可取出杯子。

拿出塑料杯后可用吸耳球将预聚体表面气泡吹破。

3．倒胶及固化

（1）仪器工具：

电子天平

滴管

（2）步骤：

将少量PDMS倒入一次性培养皿中，在匀胶机上用600rpm的低速将胶辅匀（一定要确认培养皿被吸紧后再开启匀胶机），然后将加工有阳模的硅片放至培养皿内，可用几个小的回收的PDMS小块将硅片卡在中央，也可用回收的PDMS填在没有图形的地方以节约PDMS。

将培养皿放在天平上，倒入PDMS至目标高度，记下此用量，可以作为以后所需PDMS量的参考。

静置半小时左右，使气泡完全消除，将之放至65℃真空干燥箱，加热3小时左右。

4．揭模，切边，打孔

（1）仪器工具：

体式显微镜

手术刀：

用于PDMS切边

打孔器或磨好的针头

（2）步骤：

切胶：

带上乳胶手套，用手术刀按照图形上的边切胶，小心取出对应的PDMS小块，有图形面朝上放在培养皿内。

打孔：

选择合适大小的打孔器或针头，将PDMS模放在体式显微镜下，移动PDMS模让要打孔的通道端点进入视场。

打孔器口对准端点，垂直下压打孔器或针头，然后拔出。

用镊子或者平头针或氮气枪推出孔所在位置的PDMS。

清洁芯片表面：

用乙醇、超纯水、氮气冲洗芯片表面除去表面杂质。

5．键合

（1）仪器工具：

真空干燥箱

氮气枪

培养皿

镊子

（2）步骤

带上乳胶手套。

将清洗干净的载玻片（与硅片的清洗方式相同，一次可洗多个），用氮气枪将其表面吹干净，然后放热平板上，100℃1h除湿。

除湿吹干灰尘后，将玻片和PDMS一些放置玻璃培养皿中。

将原来和真空泵相连的光刻机抽气软管取下，换上与氧等离子体机连接的软管。

将装有PDMS模和基片的玻璃培养皿，放入等离子清洗器中，注意要有微通道的面朝上。

将等离子清洗器的进气阀门关闭，使腔体与外界空气隔离。

打开真空泵，打开等离子清洗器电源，将清洗时间调至2min以上，清洗强度调至最大，等待起辉（腔内放出紫色光芒，即为起辉），起辉后立即将清洗强度调至800V，氧气进气速度调至小于800ml/min（逆时针小心旋动旋钮）。

从起辉开始，用计时2min倒计时。

时间到后，立即将清洗强度调至0V，关闭氧气（顺时针小心旋动旋钮），稍微打开进气阀，少量进气后关闭真空泵。

开大进气阀至负压为0，打开气腔门，取出培养皿。

键合方式分干键和湿键。

干键：

将PDMS取出，用氮气枪吹干灰尘，然后将朝上的面贴至载玻片上，轻轻按压（注意赶走气泡）。

然后放入65℃真空干燥箱中加热2h。

取出芯片，冷却至室温。

至此，键合完成

湿键：

将PDMS取出，使用装有超纯水的洗瓶将键合面湿润，将PDMS模和载玻片贴合，对齐，用滤纸吸出两头多余的水。

然后放入65℃真空干燥箱中，抽真空加热2h，取出芯片，冷却至室温。

至此，键合完成。

6．粘蓄液池

（1）目的：

用于电场驱动微流控芯片实验

（2）仪器工具：

合众200AB胶

真空干燥箱

平头针

（3）步骤：

将合众200胶的A胶和B胶分别挤出相同体积于称量纸上，用平头针拌匀。

然后粘好蓄液池至打孔处，将芯片放入65℃烘箱内放置加热2h，然后冷却至室温。

三、PDMS－玻璃杂合芯片制作中其他相关细节详解

1．影响SU-8和玻璃基片之间粘附力的相关因素

基片表面越干净、干燥，SU-8和基片之间的粘附力越强，显影时越不容易将SU-8图形显掉。

前烘一步也有增强SU-8和基片之间的粘附力的作用。

坚模可以除去SU-8中的溶剂和水份，增强阳模和基片的粘附。

2010年12月2日

切胶（带有通道）—打孔—用无水乙醇清洗，氮气吹干，硅片（上面有梳状阀阳膜）和PDMS一块做等离子体清洗（放在大的平板里），显微镜下做键合，注意对准孔道，可以用镊子按压一下，除去气泡，避免漏气和漏液

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！