微纳结构PDMS倒模应用

PDMS是微纳、材料、生物、微流控领域中很用的材料之一。我们前面介绍过光刻和纳米压印的关系,其中PDMS软模板在纳米压印中非常实用,另外,PDMS翻制微流控芯片具有实验简单、精度高制作快捷等优点广泛应用于科学研究中。简单来说这些过程的核心就是PDMS倒模,即使用光刻和刻蚀获得的微纳米结构硬模板,再使用PDMS复制出来对应的结构进行应用的过程。下面我们将详细介绍一下种PDMS倒模过程。

材料设备需求

基本工具:采购产品安全眼镜,手套,镊子,培养皿,移液管,勺子,杯子,刀片,手术刀,铝箔。

设备需求:通风橱,高精度天平,机械搅拌机,真空干燥机,匀胶机,手动打孔机,双目显微镜,烘箱/热板,氧气等离子体。

基本材料:Sylgard 184硅基,Sylgard固化剂,硅烷化剂(TMCS:三甲基氯硅烷,sigma公司33014)。

注意:请在使用之前仔细阅读上述材料的安全说明和操作手册,然后进行规范操作。

一般流程

PDMS成型的第一步是设计模具并制作硬模板。光刻后的SU-8或者刻蚀后的硅硬模板是最常用的母模。这个过程是非常常见为微纳加工过程,本文就不做赘述。

图1 PDMS 倒模一般流程图

表面处理

倒模前一定要对模具的表面进行修饰,这对于防止PDMS粘附在模具上非常重要。硅烷化可以钝化表面,以帮助模具从PDMS中脱模。

  • 戴上一次性的手套, 并在通风橱中操作;
  • 在湿法台的“溶剂”柜中取出TMCS( 三甲基氯硅烷 );
  • 将几滴TMCS放入TMCS干燥器中的小玻璃容器中(可使用一次性移液器);
  • 用氮气枪清除模具表面的灰尘
  • 将硅/ SU8模具放在同一干燥器中;
  • 关闭干燥器并将其置于真空中(此过程TMCS蒸发并在模具表面形成钝化层);
  • 盖紧TMCS瓶(并使用胶带封口)。填写“化学品使用登记”文件;
  • 当达到所需时间时,将干燥器排气。 请勿直接在干燥器上方呼吸;
  • 把模具取出。将TMCS瓶放回“溶剂”柜中;
图2 模具表面抗粘处理示意图

混合/除气

请务必佩戴一次性手套进行操作, 除需要用于混合和除气PDMS的设备外请勿触摸区域内的任何东西(椅子,桌子,计算机,门……)。请及时使用纸巾快速清洁污染物并避免不必要的污染。

使用前用铝箔用作衬里,以保护接触的设备(培养皿,天平等)。
一次性塑料烧杯将被用于制备PDMS混合物。塑料杯与机械搅拌器兼容,最大容量为50g。这意味着总混合物最大不能超过50克。

图3 配置PDMS溶液过程

按比例配制PDMS和固化剂并使用机械混合器正确混合均匀:

混合:1分钟@ 2000rpm
消泡:2min @ 2200rpm

关闭天平并清洗,然后清洗其他相关用具。

最后在干燥器中进行脱气 。

图4 PDMS缓和过程

浇铸/旋涂

请务必佩戴一次性手套进行操作, 除需要用于混合和除气PDMS的设备外请勿触摸区域内的任何东西(椅子,桌子,计算机,门……)。请及时使用纸巾快速清洁污染物并避免不必要的污染。

浇铸

将PDMS混合物倒入放在培养皿中的表面经过抗粘处理后的模具上。该放置培养皿的容器内部应用铝箔保护。倒入混合物时请小心进行,小心不要产生气泡。然后将混合物在干燥器中脱气以除去任何残留的气泡。如果表面形成大气泡,请缓慢排气,以免混合物起泡。将其放回真空中,直到看不到气泡为止。这也改善了小结构的填充。

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图5 浇铸后脱气前后的样品实物图

旋涂

旋涂后,必须将基材在大气压下放置约15分钟,以使边缘上的厚度均匀。同样,干燥器中的附加除气步骤可能有助于去除残留的残留空气。

图6 10:1的比例PDMS在硅片上的旋涂曲线

烘焙–固化

PDMS可以在约24小时内不加热就固化。为了减少固化时间,请将培养皿放置在〜80°C的烤箱中至少2小时。固化时间取决于温度和PDMS的厚度。固化后,晶圆很稳定,必要时可以保存几个月。

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图7 PDMS 烘烤过程

对准–脱模–通过冲压进入端口

脱模切割应在专用托盘中进行。在切割-脱模之前应放入第二铝内衬,并在离开位置之前进行处置。不允许在此托盘外进行切割脱模,以防止污染。
冷却后的PDMS非常容易剥离和切割。使用适当的工具(镊子,剃须刀……)进行操作。将PDMS切成所需的形状。

图8 PDMS切割、脱模过程

对于微流控应用中的入口孔的制作,请使用配备有光源和摄像机的手动打孔机进行打孔操作。PDMS样品与其他玻璃/ PDMS /硅片的对准可以使用双目镜进行。

图9 打孔操作

离开前要清洁好试实验台。清理第二铝衬里。确保没有残留PDMS。

表面活化及键合

可以使用氧等离子体表面活化将PDMS与玻璃、硅及PDMS本身进行键合,PDMS是疏水的,具有低能量和非活性表面。因此很难将其与其他表面结合。通过将PDMS暴露在氧等离子体中,其表面变得亲水且更具活性。当它接触暴露于相同氧等离子体的玻璃,硅甚至另一个PDMS片时,这将导致不可逆的键合。等离子体暴露后应迅速进行接触,因为PDMS表面将在数小时内恢复为疏水和非活性状态。如果随后进行后烘烤,则粘合会加速。

图10 MPDS进行等离子处理过程

氧等离子体处理时间需根据应用进行微调:

  • 处理时间过长会产生太多的Si-OH部位,导致二氧化硅层不粘
  • 处理时间太短将无法产生足够的Si-OH位置以实现良好键合

本文整理自网络:https://www.epfl.ch/research/domains/cmi/cmi-home-page/equiment/packaging-miscellaneous/pdms-line/   
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