CN108181789A - 一种针对pdms芯片转印的光刻胶模板加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，采用在光刻胶微结构与硅片之间增加一层厚度为5‑10um的光刻胶整体过渡层的方式来增加光刻胶微结构与硅片之间粘接能力，该光刻胶模板整体是疏水的，易于脱模，并且光刻胶微结构是做在一整片光刻胶过渡层上，所以大大提高了微结构的稳定性。并且该PDMS转印模板使用寿命比常规模板高出几十次甚至几百次，不仅提升了PDMS芯片制备效率，降低了芯片制备成本，而且减少了资源消耗，为PDMS芯片量产提供了可能。

Description

一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片加工技术领域，具体涉及一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法。
背景技术
目前的生物微流控芯片的PDMS模板大多采用光刻胶模板进行，其基本结构是在硅片上直接制作一层光刻胶质地的微结构。光刻胶模板是指在硅片上通过光刻工艺制作光刻胶结构，然后利用PDMS浇铸固化后剥离获得带有该微结构的PDMS芯片基底，然后与玻璃进行键合得到PDMS芯片。光刻胶模板是目前制备PDMS芯片采用的最主要的模板方式，然而由于光刻胶微结构与硅基底之间的粘结不是很牢固，所以在剥离PDMS的过程中易导致光刻胶部分或者整体微结构出现从硅片上脱落或者断裂的情况，从而导致模板无法继续使用。
通常情况下普通的光刻胶模板只能使用十几次甚至几次就会报废，对于微结构复杂的光刻胶模板甚至只能使用1-2次左右就会出现结构脱落导致无法继续使用。光刻胶模板的加工通常需要经过光刻掩模板制备、硅片清洗烘干、匀胶、前烘、光刻、坚膜、显影以及后烘等一系列步骤，其中任何一个步骤出现问题均会导致光刻胶模板的制备失败，所以一片良好的光刻胶模板是十分珍贵的，并且是占用了大量的资源才能获得的，如果光刻胶模板只能使用几次就报废不仅大大降低PDMS芯片的制备效率、增加了芯片制备成本而且还会造成资源浪费。
传统的光刻胶模板由于微结构是长在硅片上的，由于硅片的亲水性会导致固化后的PDMS脱模难度增加，脱模难度的增加同样会导致模板光刻胶微结构的破坏。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，该方法可以正常转印PDMS次数大大增加，大大延长了模板的使用寿命从而节约了资源并且降低了PDMS芯片的制作成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，采用在光刻胶微结构与硅片之间增加一层厚度为5-10um的光刻胶整体过渡层的方式来增加光刻胶微结构与硅片之间粘接能力，整体过渡层为SU8光刻胶材质，起到衔接下面的硅片基底与上面的SU8光刻胶微结构的作用，光刻胶微结构与光刻胶本身之间的粘附能力远远高于光刻胶微结构与硅片之间的粘附能力。该光刻胶模板整体是疏水的，易于脱模，并且光刻胶微结构是做在一整片光刻胶过渡层上，所以大大提高了微结构的稳定性。其具体的加工方法包括如下步骤：
(1)硅片清洗：取四寸硅片用10％的丙酮溶液超声清洗10-15min，然后利用氮气吹干后在180-220℃温度条件下烘干25-30min，自然冷却至室温备用；
(2)第一次匀胶：将硅片置于匀胶机吸盘上吸取2ml SU8光刻胶置于硅片中间进行匀胶；
(3)第一次前烘：将第一次匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第一次前烘；
(4)第一次曝光：将第一次前烘后自然冷却至室温的硅片置于曝光机中曝光；
(5)第一次后烘：将第一次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第一次后烘；
(6)第二次匀胶：将经过上述处理的镀有一层光刻胶的硅片自然冷却至室温后进行第二次匀胶；
(7)第二次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次前烘；
(8)第二次曝光：将第二次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中曝光；
(9)第二次后烘：将第二次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次后烘；
(10)显影：将经过第二次后烘的光刻胶置于直径为15mm的玻璃培养皿内，添加20ml SU8显影液进行显影5-10min，然后用去离子水漂洗3-10min后取出，用氮气吹干；
(11)坚膜：将显影完成后的硅片光刻胶模板置于热板上烘烤，最后自然冷却即得光刻胶模板。
优选地，步骤(1)超声清洗的时间为15min，烘干温度为200℃，烘干时间为30min。
进一步地，步骤(2)中第一次匀胶参数为6500R/M，时间40s；步骤(6)中第二次匀胶参数为1000-5000R/M，时间40s。
进一步地，步骤(3)中第一次前烘具体操作为：首先在65℃温度条件下烘烤3min，然后在95℃温度条件下烘烤7min；步骤(7)中第二次前烘具体操作为：具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤30min。
进一步地，步骤(4)中第一次曝光条件为不加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟；步骤(8)中第二次曝光条件为加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟，曝光间距为1um。
进一步地，步骤(5)中第一次后烘具体为首先在65℃温度条件下烘烤1min，再在95℃温度条件下烘烤3min；步骤(9)中第二次后烘具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤15min。
优选地，步骤(10)中所述显影时间为7min；去离子水漂洗时间为3min。
进一步地，步骤(11)中烘烤的具体操作为：首先在95℃烘烤10min，然后将温度升高至150℃烘烤10-20min。
本发明方法具有如下优点：
1、本发明通过在光刻胶微结构与硅片之间增加整体过渡层，并且整体过渡层的材质是SU8，起到衔接下面的硅片基底与上面的SU8光刻胶微结构的作用。由于上面的光刻胶微结构的材质和下面的过渡层的光刻胶材质一致，所以其连结能力远远高于直接与硅片之间的连结能力，硅片与光刻胶微结构之间由于是通过一个整体的光刻胶层衔接的，在PDMS脱模过程中剥离力很难迫使微结构直接从硅片上脱落，其剥离受力面积更大，结构更稳固。
2、该PDMS转印模板使用寿命比常规模板高出几十次甚至几百次，不仅提升了PDMS芯片制备效率，降低了芯片制备成本，而且减少了资源消耗，为PDMS芯片量产提供了可能。
3、该PDMS转印模板相比常规模板更易脱模，提高了芯片制备效率。同样整体疏水结构使脱模更简单，更有利于光刻胶微结构的保护，增加其使用寿命。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明进行详细的描述。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例1
一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，包括如下步骤：
(1)硅片清洗：取四寸硅片用10％的丙酮溶液超声清洗15min，然后利用氮气吹干后在200℃温度条件下烘干30min，自然冷却至室温备用；
(2)第一次匀胶：将硅片置于匀胶机吸盘上吸取2ml SU8光刻胶置于硅片中间，6500R/M条件下匀胶40s；
(3)第一次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤3min，然后在95℃温度条件下烘烤7min；
(4)第一次曝光：将前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中不加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟；
(5)第一次后烘：将曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤1min，再在95℃温度条件下烘烤3min；
(6)第二次匀胶：将经过上述处理的镀有一层光刻胶的硅片自然冷却至室温后进行第二次匀胶；以整体结构50um厚度为例，取5ml SU8-2075光刻胶置于硅片中间，设置好参数进行匀胶，匀胶参数为1800R/M匀胶40s；
(7)第二次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤30min；
(8)第二次曝光：将第二次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟，曝光间距为1um；
(9)第二次后烘：将第二次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤15min；
(10)显影：将经过第二次后烘的光刻胶硅片置于直径为15mm的玻璃培养皿内，添加20ml SU8显影液进行显影7min，然后用去离子水漂洗3min后取出，用氮气吹干；
(11)坚膜：将显影完成后的硅片光刻胶模板置于热板上在95℃烘烤10min，然后将温度升高至150℃烘烤15min，最后自然冷却即得光刻胶模板。
实施例2
一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，包括如下步骤：
(1)硅片清洗：取四寸硅片用10％的丙酮溶液超声清洗10min，然后利用氮气吹干后在180℃温度条件下烘干30min，自然冷却至室温备用；
(2)第一次匀胶：将硅片置于匀胶机吸盘上吸取2ml SU8光刻胶置于硅片中间，6500R/M条件下匀胶40s；
(3)第一次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤3min，然后在95℃温度条件下烘烤7min；
(4)第一次曝光：将前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中不加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟；
(5)第一次后烘：将曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤1min，再在95℃温度条件下烘烤3min；
(6)第二次匀胶：将经过上述处理的镀有一层光刻胶的硅片自然冷却至室温后进行第二次匀胶；以整体结构20um厚度为例，取5ml SU8-2075光刻胶置于硅片中间，设置好参数进行匀胶，匀胶参数为3500R/M匀胶40s；
(7)第二次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤30min；
(8)第二次曝光：将第二次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟，曝光间距为1um；
(9)第二次后烘：将第二次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤15min；
(10)显影：将经过第二次后烘的光刻胶硅片置于直径为15mm的玻璃培养皿内，添加20ml SU8显影液进行显影5min，然后用去离子水漂洗7min后取出，用氮气吹干；
(11)坚膜：将显影完成后的硅片光刻胶模板置于热板上在95℃烘烤10min，然后将温度升高至150℃烘烤10min，最后自然冷却即得光刻胶模板。
实施例3
一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，包括如下步骤：
(1)硅片清洗：取四寸硅片用10％的丙酮溶液超声清洗12min，然后利用氮气吹干后在220℃温度条件下烘干25min，自然冷却至室温备用；
(2)第一次匀胶：将硅片置于匀胶机吸盘上吸取2ml SU8光刻胶置于硅片中间，6500R/M条件下匀胶40s；
(3)第一次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤3min，然后在95℃温度条件下烘烤7min；
(4)第一次曝光：将前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中不加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟；
(5)第一次后烘：将曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤1min，再在95℃温度条件下烘烤3min；
(6)第二次匀胶：将经过上述处理的镀有一层光刻胶硅片的硅片自然冷却至室温后进行第二次匀胶；以整体结构100um厚度为例，取5ml SU8-2075光刻胶置于硅片中间，设置好参数进行匀胶，匀胶参数为1000R/M匀胶40s；
(7)第二次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次前烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤30min；
(8)第二次曝光：将第二次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟，曝光间距为1um；
(9)第二次后烘：将第二次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次后烘，具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤15min；
(10)显影：将经过第二次后烘的光刻胶硅片置于直径为15mm的玻璃培养皿内，添加20ml SU8显影液进行显影10min，然后用去离子水漂洗10min后取出，用氮气吹干；
(11)坚膜：将显影完成后的硅片光刻胶模板置于热板上在95℃烘烤10min，然后将温度升高至150℃烘烤20min，最后自然冷却即得光刻胶模板。
为了验证本发明的有效性及有益效果，发明人进行了如下试验，具体如下：
将制备得到的硅片光刻胶模板放置在120mm直径玻璃培养皿内，浇铸搅拌均匀的混合液(PDMS:固化剂＝10:1，所述比例为体积比)60ml，真空脱泡后置于65℃加热板固化60min。固化完成后取出，将固化后的PDMS从光刻胶模具上揭下来，这样算作一次脱模。如此反复进行脱模实验，直到光刻胶模具上出现某些结构全部或者部分缺失即说明模具破坏失效。这样的光刻胶胶模板每天使用3次，通常可以使用20天甚至更长时间，结果表明，该发明制得的光刻胶模板可以使用50次以上有的甚至几百次，大大延长了光刻胶模板的使用寿命。
发明人还进行了以下对比实验，按照常规工艺制备带有100um宽、50um深以及10mm长的7个微结构光刻胶模板15片，将这15片模板称为A组；另外按照本方法制备同样结构的光刻胶模板15片，称为B组；A、B两组同时开始脱模实验进行对比，实验发现A组模板在脱模2次后开始出现1片模板失效，脱模3次后其中再有11片失效，脱模4次后再有2片失效，脱模5次后最后1片失效。发现B组模板在脱模7次后开始出现1片模板失效，脱模31次后其中再有6片失效，脱模42次后再有7片失效，脱模63次后最后1片失效。可见，本发明的光刻胶胶模板比常规的方法使用次数更多。
从成本方面计算，以100片芯片，每次脱模可以制得2片芯片为例，没有中间过渡层的光刻胶模板(常规方法制得的模板)以最长脱模5次计算，那么需要准备10个这样的模具才能满足100片芯片的用量要求。如果采用这种有整体中间过渡层的模具(本发明)要满足100片芯片的用量要求，只需要1个这样的模具就行了，节省了9片硅片模具的制备费用，保守以每片硅片制备成本800元(人工费用、耗材以及设备折旧)计算，那么这100片芯片可以节省7200元，还不算模具的制作时间成本，那么每片芯片的生产即可节省72元。
发明人还对其粘附力进行了简单的对比，把一个10um宽20um长10um深的光刻胶材质的微结构直接附着在四英寸硅片上，结果发现PDMS固化后脱离过程中剥离力很容易将这个小结构直接一并从硅片上脱下，结构容易破坏。如果按照本发明的方法，那么PDMS固化后脱离过程中剥离力很难将这个小结构直接一并从硅片上脱下，原因是其首先要破坏那个整块光刻胶过渡层才行，然而破坏这个整块过渡层相对困难很多，因此其粘附力较大，结构不容易破坏。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：
(1)硅片清洗：取四寸硅片用10％的丙酮溶液超声清洗10-15min，然后利用氮气吹干后在180-220℃温度条件下烘干25-30min，自然冷却至室温备用；
(2)第一次匀胶：将硅片置于匀胶机吸盘上吸取2ml SU8光刻胶置于硅片中间进行匀胶；
(3)第一次前烘：将第一次匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第一次前烘；
(4)第一次曝光：将第一次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中曝光；
(5)第一次后烘：将第一次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第一次后烘；
(6)第二次匀胶：将经过上述处理的镀有一层光刻胶的硅片自然冷却至室温后进行第二次匀胶；
(7)第二次前烘：将匀胶完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次前烘；
(8)第二次曝光：将第二次前烘后自然冷却至室温的光刻胶硅片置于曝光机中曝光；
(9)第二次后烘：将第二次曝光完成的光刻胶硅片置于热板上进行第二次后烘；
(10)显影：将经过第二次后烘的光刻胶硅片置于直径为15mm的玻璃培养皿内，添加20ml SU8显影液进行显影5-10min，然后用去离子水漂洗3-10min后取出，用氮气吹干；
(11)坚膜：将显影完成后的硅片光刻胶模板置于热板上烘烤，最后自然冷却即得光刻胶模板。
2.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(1)超声清洗的时间为15min，烘干温度为200℃，烘干时间为30min。
3.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(2)中第一次匀胶参数为6500R/M，时间40s；步骤(6)中第二次匀胶参数为1000-5000R/M，时间40s。
4.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(3)中第一次前烘具体操作为：首先在65℃温度条件下烘烤3min，然后在95℃温度条件下烘烤7min；步骤(7)中第二次前烘具体操作为：具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤30min。
5.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(4)中第一次曝光条件为不加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟；步骤(8)中第二次曝光条件为加掩膜版利用23.7mW的光强曝光5秒钟，曝光间距为1um。
6.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(5)中第一次后烘具体为首先在65℃温度条件下烘烤1min，再在95℃温度条件下烘烤3min；步骤(9)中第二次后烘具体为首先在65℃温度条件下烘烤5min，再在95℃温度条件下烘烤15min。
7.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(10)所述显影时间为7min；去离子水漂洗时间为3min。
8.根据权利要求1所述的针对PDMS芯片转印的光刻胶模板加工方法，其特征在于，步骤(11)烘烤的具体操作为：首先在95℃烘烤10min，然后将温度升高至150℃烘烤10-20min。
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