CN101332650B - 用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具。该浇铸模具有两种，一种是由具有三维结构的器件和位于所述器件表面的光固化的环化橡胶负性光刻胶层组成；所述具有三维结构的器件可以是用基底材料直接整体加工形成，也可以是在基底表面用环氧基负性光刻胶加工出所需三维结构。另一种是由基底、位于所述基底表面光固化的环化橡胶负性光刻胶层和位于所述环化橡胶负性光刻胶层表面由环氧基负性光刻胶加工出的三维结构层组成。本发明还提供了具有三维结构的浇铸模具的制备方法。使用本发明的浇铸模具制备的PDMS铸件非常容易脱落，PDMS铸件结构完整，同时浇铸模具加工成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具。
背景技术
聚二甲基硅氧烷(PDMS)被广泛用于快速加工制作微流体芯片，通常用硅基片制作浇铸模具，将PDMS单体和引发剂在浇铸模具上进行浇铸成型，经过加温固化，脱模，制作PDMS塑料铸件。用硅片制作的浇铸模具是可以反复使用的。这种方法简单快速，成本低廉，使用方便，已经在生物芯片领域被广泛采用，这种加工技术也被称为软刻蚀技术。软刻蚀技术中最重要的就是PDMS元件的浇铸模具。
PDMS分子链中的氧原子很容易与材料表面的羟基基团形成结合力较强的氢键，当所使用的浇铸模具表面含有大量羟基基团时，PDMS铸件就会与浇铸模具形成很强的粘附力，从而造成脱模困难。另外，由于PDMS材料本身的强度并不高，特别是当浇铸模具上面有高深宽比的微小结构时，会容易出现如下三种问题：1、PDMS铸件的微小结构在脱模过程中被破坏；2、断掉的PDMS嵌入模具无法清除，造成浇铸模具损坏；3、脱模过程中，浇铸模具的微小结构被破坏。
环氧基紫外负性光刻胶(SU-8)是一种近几年发展起来的新型的光刻胶材料。它是一种双酚A酚醛缩水甘油醚环氧树脂溶解于GBL(r-Butyrolactone)而形成的高分子有机聚合物胶体。SU-8胶作为一种光刻材料，由于其独特的光学性能，力学性能和化学性能等，在MEMS(Micro-electro-mechanic-system)研究领域正受到了越来越多的关注，目前已被广泛的应用于MEMS器件的制备中。利用SU8在硅片生制作PDMS浇铸模具，在软刻蚀技术中被广泛采用。
通常PDMS的浇铸模具都是采用在单晶硅片表面光刻制作SU8的微结构，形成浇铸模具。单晶硅片表面有一层天然的氧化层，表面含有大量的羟基基团，所以用硅片和SU8制作的浇铸模具，在浇铸PDMS的时候，PDMS与硅片会形成较强的粘附力，从而产生上述的三个问题。
改善用硅和SU8制作的PDMS浇铸模具的脱模方法，能够简化浇铸工艺，提高成品率。常用的脱模方法是将制作好的模具放在二氯二甲基硅烷的环境中，由于挥发性的二氯二甲基硅烷，遇到空气中的水分子会发生水解形成盐酸和硅油，硅油吸附在模具表面，在这个吸附了硅油的表面上，浇铸PDMS，脱模很容易。这种方法存在两个问题：1、二氯二甲基硅烷极易挥发，毒性和腐蚀性较大，需要在通风柜中操作；2、吸附硅油的表面只能浇铸一次，下一次浇铸必重新进行吸附。
另外，由于SU8形成的薄膜在玻璃表面附着力很差，使得在玻璃表面SU8无法直接制作微结构结构，从而PDMS浇铸模具都是在硅片上制作，硅片的成本是玻璃的100-150倍。
环化橡胶负性光刻胶是1958年由美国柯达公司发明。该系列环化橡胶负性光刻胶以带双键基团的环化橡胶为成膜树脂，以含两个叠氮基团的化合物作为交联剂。交联剂在紫外线照射下叠氮基团分解形成氮宾，氮宾在聚合物分子骨架上吸收氢而产生碳自由基，使不同成膜聚合物分子间产生″桥″而交联。因为该胶具有粘附性好，感光速度快，抗湿法刻蚀能力强等优点，很快成为电子工业中应用的主导胶种。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具。该浇铸模具的加工成本低，用其制备的PDMS铸件非常容易脱落且能保持PDMS铸件结构完整。
本发明所提供的用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具有两种，一种是由具有三维结构的器件和位于所述器件表面的光固化环化橡胶负性光刻胶层组成，命名为浇铸模具1。
其中，所述具有三维结构的器件可以用基底材料直接整体加工形成，也可以在基底表面用环氧基负性光刻胶加工形成。
另一种用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具，是由基底、位于所述基底表面的光固化的环化橡胶负性光刻胶层和位于所述环化橡胶负性光刻胶层表面由环氧基负性光刻胶加工出的三维结构的器件组成，命名为浇铸模具2。
上述环化橡胶负性光刻胶可为通常市售环化橡胶负性光刻胶，如北京华科微电子材料有限公司生产的KMP-BN系列负型光刻胶，KMP-BN303、KMP-BN302、KMP-BN308、KMP-BN310等都适用于配制表面涂敷环化橡胶负性光刻胶溶液，其他厂家生产的环化橡胶负性光刻胶也适用，比如中日合资苏州瑞红电子化学品有限公司生产的FRJ-220同样适用。
上述环氧基负性光刻胶可为Su8光刻胶；所述弹性塑料可为聚二甲基硅氧烷。
本发明的用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具，在三维结构的器件表面形成一层环化橡胶负性光刻胶，使得浇铸模具与铸件表面不会形成化学键，表面的粘结力非常小，铸件非常容易从浇铸模具表面脱落并保持铸件的微型结构，浇铸模具可以反复使用，不必每次进行吸附处理，避免使用二氯二甲基硅烷产生的所有问题。
另外，环化橡胶负性光刻胶与各种常见的基底材料表面如玻璃具有很强的粘附力，并且与常用制造浇铸模具的材料-环氧基负性光刻胶有很好的粘结力，使得在用环化橡胶负性光刻胶制备浇铸模具时，不必紧紧局限于选用价格贵的单晶硅材料，制备浇铸模具的材料成本大大降低。
附图说明
图1为常规整体加工的浇铸模具。
图2为整体加工的浇铸模具表面涂敷BN303紫外负型光刻胶4形成的模具。
图3为将加工好的浇铸模具放在容器中浇铸调配好的PDMS单体和引发剂，脱气，固化。
图4为将固化好的PDMS和浇铸模具用刀片沿浇铸模具边缘切开。
图5为在基片表面上涂敷环化橡胶负性光刻胶。
图6为在基片表面涂敷环化橡胶负性光刻胶再涂敷SU-8光刻胶。
图7为涂敷环化橡胶负性光刻胶基片的基片表面制作环氧基负性光刻胶结构层，形成的浇铸模具。
图8为平基片表面结构层表面涂敷环氧基负性光刻胶。
图9为光刻加工过的环氧基负性光刻胶结构。
图10为表面涂敷环化橡胶负性光刻胶薄膜的模具结构。
具体实施方式
本发明的制作具有三维结构的弹性塑料浇铸模具的方法，包括如下步骤：
1)基片表面直接进行整体加工如光刻腐蚀、激光加工、热压等等，形成如图1所示常规模具1结构，基片可以是硅片、玻璃、金属、塑料等。
2)将光敏环化橡胶配制成一定浓度的二甲苯溶液，浓度0.001-10％。通常市售光刻胶的光敏环化橡胶浓度为8-30％，可用二甲苯直接进行稀释。对于不同浓度的负性光刻胶(具体表现为粘度不同)，需要稀释的比例不同。根据微细结构的尺寸大小决定光敏环化橡胶的浓度，结构越小，需要的浓度越稀。将该溶液用旋转涂胶机旋涂到模具表面，转速3000rpm；或采用喷涂的方法均匀喷涂浇铸模具1表面；形成图2结构的浇铸模具。
3)步骤2)的浇铸模具放置温度70-120℃的热板上，1-30分钟；
4)步骤3)中的浇铸模具采用奥地利公司生产的EV620光刻机紫外光曝光，无掩模整片曝光。光敏环化橡胶厚度越厚，曝光时间越长。
下述实施例具体阐明本发明的制作具有三维结构的微加工模具的方法。
实施例1、具有三维结构的弹性塑料浇铸模具
具有三维结构的弹性塑料浇铸模具，包括如下步骤：
1)在玻璃基片表面直接进行整体加工，通过光刻腐蚀形成如图1所示常规模具1结构。
2)将北京华科微电子材料有限公司生产的KMP-BN303紫外负型光刻胶5毫升，二甲苯95毫升，配成5％的BN303二甲苯溶液，。将该溶液用旋转涂胶机以3000rpm速度旋涂到步骤1)的浇铸模具表面，该层的厚度为0.1微米，形成图2结构的浇铸模具；
3)将图2结构的浇铸模具放置温度70-80℃的热板上，20-30分钟。
4)步骤3)中的浇铸模具采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)进行紫外光曝光，无掩模整片曝光，1秒，15.3mw/cm2。
实施例2、具有三维结构的弹性塑料浇铸模具
具有三维结构的弹性塑料浇铸模具，包括如下步骤：
a)用旋涂仪在平基片表面3涂敷环化橡胶负性光刻胶KMP-BN302，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的KMP-BN302层4，如图5所示。
b)采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)进行紫外光曝光，无掩模整片曝光，2秒，15.3mw/cm2。
c)在环化橡胶负性光刻胶KMP-BN302层4上涂敷SU-8光刻胶2，可采用涂胶机旋转涂敷，还可以采用滚涂方式将SU-8光刻胶涂敷在基片上或者通过贴膜方式是将SU-8预先制好的薄膜通过滚压的方式粘贴在基片上，采用不同的涂胶条件，可以得到不同厚度的胶膜。
本实施例采用涂胶机旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，形成图6所示结构。
d)步骤c)的基片根据膜的厚度不同，需要烘的时间不同，本实施在65℃烘3分钟，然后95℃烘15分钟。
e)步骤d)的基片根据膜的厚度不同，需要曝光的时间不同，本实施采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)用一掩模在15.3mw/cm2，曝光15秒；然后65℃烘3分钟，95℃烘2分钟；接着将基片放入PGMEA显影液中显影2-6分钟，用异丙醇冲洗干净，去掉未曝光的SU8光刻胶，形成图7所示结构的浇铸模具。
实施例3、具有三维结构的弹性塑料浇铸模具
具有三维结构的弹性塑料浇铸模具，包括如下步骤：
a)用旋涂仪在平基片表面3涂敷苏州瑞红电子化学品有限公司生产的RFJ-220负性光刻胶，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的RFJ-220负性光刻胶层4，如图5所示。
b)在RFJ-220负性光刻胶层4上涂敷SU-8光刻胶2，可采用涂胶机旋转涂敷，还可以采用滚涂方式将SU-8光刻胶涂敷在基片上或者通过贴膜方式是将SU-8预先制好的薄膜通过滚压的方式粘贴在基片上，采用不同的涂胶条件，可以得到不同厚度的胶膜。
本实施例采用涂胶机旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，形成图6所示结构。
c)步骤b)的基片根据膜的厚度不同，需要烘的时间不同，本实施在65℃烘3分钟，然后95℃烘15分钟。
d)步骤c)的基片根据膜的厚度不同，需要曝光的时间不同，本实施采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)用一掩模在15.3mw/cm2，曝光15秒；然后65℃烘3分钟，95℃烘2分钟；接着将基片放入PGMEA显影液中显影2-6分钟，用异丙醇冲洗干净，去掉未曝光的SU8光刻胶，形成图7所示结构的浇铸模具；
e)采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)进行紫外光曝光，无掩模整片曝光，2秒，15.3mw/cm2，将未曝光的RFJ-220负性光刻胶区域曝光。
实施例4、具有三维结构的弹性塑料浇铸模具
具有三维结构的弹性塑料浇铸模具，包括如下步骤：
a)用涂胶机在平基片3表面旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，制备胶厚度为50微米的SU-8层2，形成图8所示结构；
b)步骤a)的基片在65℃烘3分钟，然后95℃烘15分钟；
c)步骤b)的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)中用一掩模在15.3mw/cm2，曝光15秒；然后65℃烘3分钟，95℃烘2分钟；接着将基片放入PGMEA显影液中显影2-6分钟，用异丙醇冲洗干净，去掉未曝光的SU8光刻胶，形成图9所示的结构；
d)用旋涂仪在步骤c)的SU8层2上涂敷环化橡胶负性光刻胶KMP-BN303，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的KMP-BN302层4，如图10所示。
e)步骤d)的基片在65℃烘3分钟，然后95℃烘15分钟。
f)采用奥地利公司生产的EV620光刻机(500W汞灯)进行紫外光曝光，无掩模整片曝光，2秒，15.3mw/cm2。
实施例5、使用具有三维结构的弹性塑料浇铸模具制作PDMS铸件
1)弹性塑料浇铸：将单体和引发剂、模具放入容器中，如图3所示，具体方法如下：
a)将PDMS单体和引发剂混合：将DowCorning生产的Sylgard184单体和引发剂，按照10∶1的比例充分混合均匀。
b)将实施例1、2、3和4制作好的模具分别放入浇铸容器5中，浇铸容器放在平台上，将平台放入真空干燥箱，调节平台水平。
c)在真空干燥箱中，抽真空脱气，直至混合液中气泡脱尽，放气。
d)将真空干燥箱升温至80℃，恒温2小时。
2)将浇铸容器取出，用刀片沿浇铸模具边缘切开，从浇铸容器中将浇铸模具和切下来的PDMS(如图4所示)一同取出，放在干净的平台上，用刀片沿浇铸模具外沿仔细切割，将浇铸模具边缘暴露出来，用一只手拿住浇铸模具，另一只手轻轻将固化好的PDMS轻轻揭下，脱模完成，得到完整的PDMS塑料浇铸件6。
Claims (10)
1.用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具，其特征在于：所述浇铸模具是由具有三维结构的器件和位于所述器件表面的光固化的环化橡胶负性光刻胶层组成。
2.根据权利要求1所述的浇铸模具，其特征在于：所述具有三维结构的器件是用基底材料直接整体加工形成。
3.根据权利要求1所述的浇铸模具，其特征在于：所述具有三维结构的器件是在基底表面用环氧基负性光刻胶加工形成。
4.根据权利要求3所述的浇铸模具，其特征在于：所述环氧基负性光刻胶为Su8光刻胶。
5.根据权利要求1至4中任一所述的浇铸模具，其特征在于：所述环化橡胶负性光刻胶为下述六种中的至少一种：KMP-BN303系列紫外负型光刻胶，KMP-BN302系列紫外负型光刻胶，KMP-BN308紫外型负性光刻胶，KMP-BN310系列紫外型负性光刻胶，RFJ-210系列负型光刻胶和RFJ-220系列负型光刻胶。
6.根据权利要求5所述的浇铸模具，其特征在于：所述弹性塑料是聚二甲基硅氧烷。
7.用于制备具有三维结构的弹性塑料铸件的浇铸模具，其特征在于：所述浇铸模具是由基底、位于所述基底表面的光固化环化橡胶负性光刻胶层和位于所述环化橡胶负性光刻胶层表面由环氧基负性光刻胶加工出的具有三维结构的器件组成。
8.根据权利要求7所述的浇铸模具，其特征在于：所述环氧基负性光刻胶为Su8光刻胶。
9.根据权利要求7或8所述的浇铸模具，其特征在于：所述弹性塑料是聚二甲基硅氧烷。
10.根据权利要求9所述的浇铸模具，其特征在于：所述环化橡胶负性光刻胶为下述六种中的至少一种：KMP-BN303系列紫外负型光刻胶，KMP-BN302系列紫外负型光刻胶，KMP-BN308紫外型负性光刻胶，KMP-BN310系列紫外型负性光刻胶，RFJ-210系列负型光刻胶和RFJ-220系列负型光刻胶。
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