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高通量微流控器件的設計與加工 羅春雄 掩模的制作 掩模的制備是光刻中的關鍵步驟之一，其作用是在一個平面上有選擇性的阻擋紫外光的通過，從而實現光刻膠的局部曝光。掩模的圖形及尺度由計算機設計完成，常用的設計軟件有L-edit（目前最新版本為10.0）和AutoCAD等。帶有圖形結構的掩模常用介質有透明膜和玻璃板，圖形結構一般由透明和不透明的區(qū)域組成。掩模有時也被稱作原圖或光刻版。 當分辨率要求不高時，掩模可用簡單的方法來制備。最常用的方法是使用高分辨率的激光照排機（3000dpi以上）將圖形打印在透明膠片上，這種方法的誤差一般為3-7μm，視激光照排機的精度而定。當圖形的尺度為10μm量級時，此法制成的掩模可近似視為精確。使用激光照排機的優(yōu)點在于設備易得，一般的出版社就有可以滿足要求的機器；并且制作過程很簡單，只需要一步打印。 圖1 采用L-edit設計的模版圖。 通過電子束曝光的方法可以得到精度更高的掩模版，精度可達100nm甚至10nm級。這種掩模版為金屬掩模，所以不論是精度、壽命還是使用時的方便程度，均要優(yōu)于打印方法制成的模版。但它的缺點也十分明顯：成本非常高（一塊模版通常要上千元人民幣），并且制作周期時間長。 還有其他一些方法可以得到掩模版，如準分子激光刻蝕和光學縮小等方法，這樣得到的模版精度較高，但對設備的要求都比較高。 光刻膠 光刻膠是由溶解在一種或幾種有機溶劑中的光敏聚合物或預聚合物的混合物組成的，它是用光刻技術將掩模上的微結構精確轉移到基片的關鍵媒介。根據用途不同，有多種黏度、光學性質及物理化學性質不同的品種供選擇。 光刻膠有兩種基本的類型：一種是負型光刻膠，它們在曝光時發(fā)生交聯(lián)反應形成較曝光前更難溶的聚合物；另一種是正型光刻膠，它們在曝光時聚合物發(fā)生鏈斷裂分解而變得更容易溶解。根據它們的特性，負型光刻膠顯影后曝光部分被固定而非曝光部分被洗掉；正型光刻膠則是曝光的部分在顯影后被洗掉，非曝光部分被固定。下面分別介紹這兩種光膠： a.負光膠 負光膠曝光中發(fā)生的光化學反應比正光膠相對簡單。例如Minsk于1954賣給Eastman Kodak公司的專利，應用的是聚乙烯醇肉桂酸酯中的肉硅酸部分的雙鍵對紫外線敏感，雙鍵之一被打開后形成雙游離基，這些雙游離基不穩(wěn)定，很快與其他游離基間相互連接，形成新的碳-碳鏈，并與其他線形分子交聯(lián)形成更大的聚合物分子。與曝光前相比，聚合物變得更不易溶解且抗化學侵蝕性更強，因而未曝光的部分可被顯影液溶解而去掉。此即為KPR（柯達光刻膠）和其他負膠的基本原理。我們實驗室常用的負光膠是國產的BP系列，特點是光膠?。?-3μm），附著力極好，分辨率高，但缺點是難去除。 另一種具有代表性的光敏聚合物為SU-8。它是一種環(huán)氧型聚合物材料，因為平均一個單體分子中含有8個環(huán)氧基，因此名稱中有8,其結構如圖2所示。SU-8光學透明性、硬質、光敏的獨特性質，在微加工材料中獨樹一幟。主要特點如下：高機械強度；高化學惰性；可進行高深寬比、厚膜和多層結構加工。由于它在近紫外區(qū)光透過率高，因而在厚膠上仍有很好的曝光均勻性，即使膜厚達100μm，所得到的圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達50：1。 圖2 SU-8單體的典型結構。 SU-8是機理和材料完全不同的一類負光刻膠。該膠可溶于GBL（gamma-butyrolactone）溶液中。溶劑的量決定了黏度，從而也決定了可能的涂覆厚度，不同的型號可合適做不同的厚度，最常見的是10μm到100μm。引發(fā)劑三苯基硫鹽按SU-8量的10%比例加入。SU-8在前烘中有很好的自平整能力。經100oC以上固化后，交聯(lián)的SU-8有較強的抗腐蝕性，熱穩(wěn)定性大于200oC。高溫下可耐pH值13的堿性溶液的侵蝕。 SU-8的光反應機理：光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生光化學反應，生成一種強酸，其作用是在中烘過程中作為酸性催化劑促進發(fā)生交聯(lián)反應。只有曝光區(qū)域的光膠才含有這樣形成的強酸，未曝光區(qū)域則不含有。交聯(lián)反應鏈式增長，每一個環(huán)氧基都能與同一分子或不同分子中的其他環(huán)氧基反應。交聯(lián)反應形成了致密的交聯(lián)網絡結構不溶于顯影液PGMEA中。 b.正光膠 正光膠的有關技術主要來自含氮染料、印刷和復印工業(yè)。正光膠基于重氮鹽和二疊氮化物的兩個反應。在堿性條件下，重氮鹽或二疊氮化物很快與酚類偶合劑發(fā)生幾乎定量的反應，形成各種有色且難溶的染料，其顏色和溶解性取決于二疊氮化物和偶合物的結構。上述兩種成分在偏酸性緩沖液中則不發(fā)生反應。顯影液提供的堿性條件則可引發(fā)耦合反應。二疊氮化物經紫外線曝光發(fā)生分解反應，釋放出氮氣，在顯影過程中無法再發(fā)生耦合反應，而是形成容易被溶解的產物。 很多常用的正光膠含有不同烷基的萘醌二疊氮化物，具有不同的粘性、溶解性和其他特性。該類疊氮化物在紫外線照射下分解并重排生成乙烯酮，在潮濕氣氛下進一步轉化成羧基酸茚。在堿性溶液中顯影時，羧基酸茚被溶解，即曝光的光膠部分被溶解，而未被曝光的疊氮化物之間與共存的酚類化合物在堿性顯影液中發(fā)生耦合反應，形成膠連的難溶物。 通常原理可用圖3表示： 圖3 正光膠的有關化學反應。 我們實驗室常用的正光膠有AZ公司的一系列產品，如AZ50、AZ5214、AZ9260等。它們都有不同的特性，如AZ50的黏度比較大，可以用于制作厚膠模版（10-60μm厚）；AZ5214則為薄膠（1-3μm），分辨率較高，作掩模的耐腐蝕性也很好。 光刻標定高度曲線圖(SU-8 3000系列) 光刻標定相關數據（SU-8 3005） 膠型 環(huán)境溫度 環(huán)境濕度 涂膠轉數 前烘時間 后烘時間 光刻機光強 曝光時間 平均高度 65℃ 95℃ 65℃ 95℃ SU-8 3005 23℃ 39% 10〞500rpm 1min 4min 1min 3min 20μw∕cm2 70sec 9.6μm 30〞1000rpm SU-8 3005 22℃ 22% 10〞500rpm 1min 4min 1min 2min 20.8μw∕cm2 65sec 8μm 30〞1500rpm SU-8 3005 24℃ 20% 10〞500rpm 1min 4min 1min 2min 20.8μw∕cm2 60sec 6.95μm 30〞2000rpm SU-8 3005 24℃ 20% 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 20.8μw∕cm2 55sec 5.6μm 30〞2500rpm SU-8 3005 22℃ 30% 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 20μw∕cm2 50sec 5.05μm 30〞3000rpm SU-8 3005 23℃ 26% 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 20μw∕cm2 45sec 4.4μm 30〞3500rpm SU-8 3005 23℃ 24% 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 21.7μw∕cm2 38sec 3.65μm 30〞4000rpm 光刻標定相關數據（SU-8 3010） 膠型 環(huán)境溫度 環(huán)境濕度 涂膠轉數 (兩步程序) 前烘時間 后烘時間 光刻機光強 曝光時間 平均高度 65℃ 95℃ 65℃ 95℃ SU-8 3010 21℃ 20% 10〞500rpm 2min 10min 1min 4min 17.3μw∕cm2 100sec 18.4μm 30〞1000rpm SU-8 3010 23℃ 20% 10〞500rpm 2min 10min 1min 4min 18μw∕cm2 95sec 14.3μm 30〞1500rpm SU-8 3010 24℃ 20% 10〞500rpm 1min 9min 1min 3min 18μw∕cm2 90sec 12.1μm 30〞2000rpm SU-8 3010 24℃ 20% 10〞500rpm 1min 4min 1min 2min 18μw∕cm2 85sec 10.7μm 30〞2500rpm SU-8 3010 22℃ 52% 10〞500rpm 1min 4min 1min 2min 17.8μw∕cm2 80sec 9.6μm 30〞3000rpm SU-8 3010 23℃ 44% 10〞500rpm 1min 4min 1min 2min 18.3μw∕cm2 75sec 9μm 30〞3500rpm SU-8 3010 23℃ 46% 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 18.3μw∕cm2 70sec 8.1μm 30〞4000rpm 光刻標定相關數據（SU-8 3025） 膠型 環(huán)境溫度 環(huán)境濕度 涂膠轉數 (兩步程序) 前烘時間 后烘時間 光刻機光強 曝光時間 平均高度 65℃ 95℃ 65℃ 95℃ SU-8 3025 23℃ 30% 10〞500rpm 2min 20min 1min 5min 19.1μw∕cm2 170sec 76.15μm 30〞1000rpm SU-8 3025 24℃ 21% 10〞500rpm 2min 17min 1min 9min 23.2μw∕cm2 150sec 49μm 30〞1500rpm SU-8 3025 22℃ 60% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 16μw∕cm2 135sec 42.5μm 30〞2000rpm SU-8 3025 24℃ 24% 10〞500rpm 2min 8min 1min 5min 20.7μw∕cm2 115sec 31μm 30〞2500rpm SU-8 3025 22℃ 22% 10〞500rpm 2min 6min 1min 4min 20.7μw∕cm2 90sec 25.8μm 30〞3000rpm SU-8 3025 25℃ 不詳 (不到20%) 10〞500rpm 2min 5min 1min 3min 19μw∕cm2 80sec 22μm 30〞3500rpm SU-8 3025 22℃ 不詳 (不到20%) 10〞500rpm 1min 3min 1min 2min 19μw∕cm2 65sec 19μm 30〞4000rpm 光刻標定相關數據（SU-8 3050） 膠型 環(huán)境溫度 環(huán)境濕度 涂膠轉數 (兩步程序) 前烘時間 后烘時間 光刻機光強 曝光時間 平均高度 65℃ 95℃ 65℃ 95℃ SU-8 3050 20℃ 52% 10〞500rpm 2min 25min 1min 7min 18μw∕cm2 230sec 182.4μm 30〞1000rpm SU-8 3050 23℃ 42% 10〞500rpm 2min 20min 1min 6min 19.5μw∕cm2 190sec 82.45μm 30〞1500rpm SU-8 3050 22℃ 20% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 18μw∕cm2 160sec 72.4μm 30〞2000rpm SU-8 3050 23℃ 22% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 18.8μw∕cm2 130sec 57.85μm 30〞2500rpm SU-8 3050 24℃ 24% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 19.2μw∕cm2 100sec 45.15μm 30〞3000rpm SU-8 3050 22℃ 20% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 19.9μw∕cm2 90sec 35.65μm 30〞3500rpm SU-8 3050 23℃ 20% 10〞500rpm 2min 15min 1min 5min 18.3μw∕cm2 80sec 35.45μm 30〞4000rpm 光膠的涂布 光膠的均勻涂布是通過甩膠機完成的。先將基片（通常是硅片襯底）置于甩膠機的轉盤上，基片在真空的作用下被吸在盤上。液體光刻膠被置于基材的中間?；谵D動盤的帶動下快速旋轉，一般先用較低速運轉數秒使膠散開，然后再以高速運轉使膠在離心力的作用下均勻的覆蓋在基片上，此過程稱旋涂（Spin-Coating）。涂敷光膠層的厚度取決于光膠黏度和旋轉的速度。此外，光膠預烘烤的溫度和時間、光膠的施加量及環(huán)境溫度也有一定影響。 甩膠通常要在超凈間內進行，否則有兩個原因可以導致缺陷：甩膠和曝光時空氣中的微塵顆粒和液體光膠中含有沾污的顆粒。超凈間內微塵的數量一般為千級(每立方英尺空氣中的直徑大于0.5μm的微粒數低于1000個)，局部為百級，可以很好的保證甩膠的質量。 另外，有些光膠與硅片襯底之間的附著力并不是很好，這會影響甩膠的厚度均一性，同時也會增大顯影的難度。解決的方法為在硅片上預先涂上一層物質，使光膠的附著力增強。對于AZ系列的光膠，常用的物質為HMDS，它可以很好的增加其附著力。 光刻及顯影 光膠涂布后，要進行前烘烤，使液態(tài)光膠固化，稱為前烘。前烘時間一般為3-5分鐘，具體要依照光刻膠的種類和厚度。一般曝光設備大多采用紫外光源如汞燈，且具有X-Y方向的對位功能，簡易式的可只需一個汞燈光源。 圖4北大微流與納米技術中心的紫外曝光機。 經過光刻，可將掩模上的圖形轉移到硅片上。具體過程為，在曝光間內，將前烘好的基片置于曝光臺上，再將掩模置于其上。之后進行紫外曝光，曝光機在曝光的區(qū)域內光強的誤差一般會小于5%，這使得整個基片上的光刻膠可以均勻的進行曝光。曝光時間一般由光膠厚度決定。如圖5所示： 圖5 光刻膠對掩模上圖形的轉移。 曝光后的光膠經過顯影就完成了對掩模上圖形的轉移。使用正光膠時，顯影 得到的圖形與所用掩模的圖像相同；使用負光膠時，顯影得到的圖形與掩模上的圖形相反。 利用掩模圖形的灰度變化或在掩模之上加帶有光透過率梯度的濾光片還可能在光膠上進行不同程度的曝光，從而形成立體結構。 根據不同的需要，顯影后有時要進行定影和后烘烤，以保證圖形的平整度和堅固性。 總結： 光刻工藝： 一、 光刻前首先把硅片放在195℃熱板上烘烤5分鐘，目的是烘干水分。 二、 按甩膠，前烘，曝光，后烘，顯影，吹干步驟完成由掩模上的圖形轉移到光刻膠上。 三、 使用臺階儀對高度進行進一步測定，以及記錄 PDMS的塑模 聚二甲基硅氧烷（polydimethylsilicone）簡稱PDMS，俗稱硅橡膠，是當前應用最多的微流芯片材料之一。PDMS由于具有獨特的彈性，良好的透光性，高介電性，化學惰性，無毒，容易加工，價格便宜而得到廣泛的應用。PDMS容易由單體和交聯(lián)劑的預聚物熱交聯(lián)而得到固體狀態(tài)。PDMS對300nm以上的光有很好的光透性。 圖6 PDMS聚合后的分子式和實物A膠（單體）與B膠（膠聯(lián)劑）。 通過控制單體和交聯(lián)劑的比例可以調節(jié)PDMS的硬度。通常，交聯(lián)劑的比例越高，硬度越大。將攪勻的液態(tài)PDMS倒在模具上，等到無氣泡時，放到80oC的恒溫箱內30分鐘，PDMS完全固化后，將其從模具上剝離，即可得到有圖形的PDMS。為了使PDMS能夠完整的從模具上剝離，通常要在往模具上倒液態(tài)PDMS之前，對模具用三甲基氯硅烷在氣相中處理幾分鐘，以防止再塑模過程中PDMS的粘附。圖7為制作芯片PDMS部分的示意圖： 圖7 PDMS的鑄模過程。 b. PDMS芯片的封合 通常需要封合的為PDMS與PDMS或PDMS與玻璃。PDMS與PDMS之間的封合通常采用熱封合的辦法。將需要封合的兩塊PDMS放在一起并施以很小的壓力，再放入恒溫箱內加熱2-3小時，即可完成封合。 圖8 北大微流與納米技術中心空氣等離子體處理器。 PDMS與玻璃（通常為載玻片）之間的封合通常采用等離子輔助鍵合的方法。用氧離子轟擊玻璃和PDMS的表面，可以提高其表面活性，之后通過一定的壓力即可使二者永久鍵合。等離子輔助鍵合的方法由于不需要高溫高壓等條件，故能夠很好的保持芯片上的圖形。同時，等離子體轟擊表面還有助于表面的凈化。由于此方法有很多優(yōu)點，所以得到了廣泛的應用。 總結： PDMS軟注膜以及芯片粘合： 1． 配置A:B=10：1的PDMS約30克，攪拌均勻后等倒入模具盒子內等氣泡消失。 2． 放入75度烘箱30分鐘。 3． 取出冷卻后按不同區(qū)域用刀片切好。 4． 用1.0mm直徑的打孔器在對應的位置打孔 5． 清潔好表面后，放入等離子處理機內中空氣等離子體處理1分鐘后取出粘合，放到烘箱內烘烤過夜