用于PDMS微芯片塑性成型的SU_8模具制作工艺的优化_陆振华

1、第14卷第3期2008年6月功能材料与器件学报JOURNALOFFUNCTIONALMATERIALSANDDEVICESVol.14,No.3Jun.,2008文章编号:1007-4252(2008)03-0639-06用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化陆振华1,2,许宝建,金庆辉,赵建龙111(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海,200050;2.中国科学院研究生院,北京,100039)摘要:PDMS是制作微流控芯片的主要材料。PDMS芯片制作的主要方法是模塑法,模塑法要求有良好的塑性成型模具。SU-8以其良好的微加工特性,目前已广泛应用于微机械结构的制作,

2、也用于PDMS塑性成型的模具。本文根据模具的特殊性,如平整、无裂纹、可多次使用等要求,研究了影响SU-8模具结构与基底材料硅片的黏附性和形成裂纹的因素,优化了SU-8微模具加工工艺,在以0.5/min进行升降温、210mJ/cm的曝光剂量、200条件下硬烘30min条件下得到较好的SU-8模具,提供了一种快速、复用性高、低成本的PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具的制作方法。关键词:PDMS;塑性成型;SU-8模具;黏附性中图分类号:TN305.7文献标识码:A2FabricationprocessoptimizationofSU-8moldforPDMSmicrochipplasticmol

3、dingLUZhen-hua,XUBao-jian,JINQing-hui,ZHAOJian-long(1.ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:PDMSisthemainmaterialformanufacturingmicrofluidicchips,andthemostusedm

4、ethodforPDMSfabricationisplasticmolding,whichrequiresgoodplasticmold.SU-8hasbeenwidelyappliedforMEMSfabricationandplasticmoldforPDMSbecauseofitsmicro-machiningcharacteristics.Ac-cordingtotherequirementsofmoldsuchasflat,crack-free,andreusable,thispaperstudyfactorsin-fluencingthecohesionbetweenSU-8mol

5、dstructureandsiliconsubstrateandcracks,optimizingthefabricationprocessofSU-8,intheconditionofheattreatmentattherateof0.5/min,dosageat210mJ/cm,andhardbakeat200for30min,providingafast,reusable,lowcostSU-8moldmanufac-turingmethodforPDMSmicrochipplasticmolding.收稿日期:2007-03-21;修订日期:2007-05-25基金项目:国家重点基础研

6、究发展规划项目(973计划)(No.2005CB724305);上海市科技攻关计划项目(No.051111019);上海市科委纳米专项(No.0652nm016);上海-AM基金(No.0510).-),男,研究方向:BioM21,2111640功能材料与器件学报14卷Keywords:PDMS;plasticmolding;SU-8mold;cohesion0引言硅片、玻璃和多种聚合物材料如PMMA,PC,COC,PDMS等已成为人们研究微流控芯片的主要材料。PDMS以其成本低、加工工艺简单、重复性好、良好的生物兼容性、稳定的化学性质等成为使用1-3最广泛的基片材料。在PDMS基片上制作微通

7、道的技术41实验部分1.1塑性成型原理塑性成型加工微芯片的主要步骤如图1所示。首先利用SU-8光刻胶加工工艺技术在硅片上成型固定模具,图1(a)。此时SU-8与硅片之间的黏附性对于后续转移图形是至关重要的。将PDMS浇注于SU-8模具上,经真空抽气固化成型(图1(b),由于PDMS与SU-8以及硅片之间黏附力小,可以容易地将PDMS揭开,如图1(c),经过表面处理后与盖片封合可制得完整的微流控芯片,如图1(d)。主要有热压法、LIGA、激光烧蚀法和模塑法等。模塑法以其简单易行,不需昂贵的操作设备,可批量复制成为制作低成本芯片的主要方法。模塑法的关键在于模具的制造以及模具材料与拟制作芯片材料的选

8、择,理想的材料相互之间黏附力小,易于脱模。目前使用较多的模具材料有玻璃、硅片、PMMA等,玻璃、硅片的工艺比较成熟规范,但是成本高、工艺复杂、不易与PDMS剥离;而PMMA等聚合物物理化学性质不稳定,机械强度不够,可重复利用率低等,限制了这些材料作为微流控芯片模具的应用。SU-8材料是1995年由IBM公司开发出来的负性环氧胶,在制作塑性机械结构、微流体器件、微通道结构等MEMS方面获得了广泛的应用7-95,6。Ong,B.H等10基于两步UV光刻工艺对11SU-8光刻胶的折射系数进行边界调节,制作出适合低级别传播模式的光波导器件。王彬等通过多层SU-8微流体器件的制作,研究了SU-8微加工、

9、释放和键合等工艺。曾永彬等12提出用神经网Fig.1Schematicofplasticmoldingprocessformanufacturingmicrochip图1塑性成型加工微芯片的主要步骤络模型对SU-8工艺进行研究,得到尺寸精确、侧壁陡直的厚胶结构。但这些工艺主要集中在制作独立的SU-8结构方面11-13,对SU-8作为图形转移模具的性能方面研究不多,如与衬底材料的黏附性等,限制了SU-8作为塑性成型模具的应用。本15文利用SU-8与PDMS之间的黏附力小、易于脱模的优点,研究了影响SU-8模具结构与基底材料硅片的黏附性和形成裂纹的因素,探讨了湿度、热处理和曝光参数对模具性能的影响

10、,优化了SU-8加工工艺,提供了一种快速、复用性高、低成本的PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具的制作方法,制作了用于PDMS芯片塑性成型的模具,在进行十次PDMS图形转移后,模具保持良好。1.2SU-8模具制作工艺流程实验中使用的SU-8胶来自美国MicroChem公司生产的SU-82050系列及配套的SU-8显影液。本实验以制做厚度为50±3m的SU-8模具为例介绍SU-8的工艺流程。(1)基片准备。将硅片放入Piranha溶液(98%浓硫酸:30%双氧水=7:3)煮沸清洗15min。用去离子水冲洗5遍后用氮气吹干,并在200热板(Hotplate,ModelKW-4AH,Che

11、matTechnology,Inc.)上烘焙30min。(2)甩涂。将SU-8胶倒在硅片中央,用手握3期陆振华,等:用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化641住硅片边缘使之倾斜并缓慢旋转,使SU-8覆盖住硅片大部分区域。静置15min,使SU-8初步平坦化,同时消除掉倾倒过程中产生的气泡。用旋涂机(Spin-CoaterKW-4A,ChematTechnology,Inc.)进行两次递进式甩涂:500转/min旋涂15s,3000转/分旋涂30s,使胶分布较为均匀,静置10min缓解边缘突起效应(EdgeBeadEffect)。(3)软烘。软烘的目的是使SU-8光刻胶中的溶剂

12、挥发,工艺控制的关键是使溶剂挥发以可控的速率进行。在热板上以5/min的速率由室温逐步升到95,期间在65和95分别保持3min和6min。之后以0.5/min的速率缓慢降至室温。7(4)曝光。采用I线接触式曝光机(波长365nm),这是因为SU-8胶在365nm的紫外光波段吸收少,可以获得很好的曝光一致。(5)PEB(PostExposureBake,曝光后烘)烘焙。在热板上以5/min的速率由室温逐步升到95,期间在65和95分别保持1min和5min。之后以0.5/min的速率缓慢降至室温。(6)显影在通风橱中进行,显影液的主要成分是PGMEA。在SU-8模具与显影液分别静置达到室温后,

13、将模具放入显影液中显影6min。之后分别用异丙醇和去离子水清洗干净,并用氮气吹干。(7)硬烘。在热板上缓慢加热到200,保持30min,再缓慢降温至室温。料的特性的影响,以及工艺过程对材料的处理。(1)影响SU-8和硅片黏附性的因素首先是热膨胀系数。由于SU-8与硅片的热膨胀系数相差较大:硅的热膨胀系数为3ppm/,SU-8为50+/-5.2ppm/。在变化相同温度时,SU-8的形变量要大于硅。当相对形变量足够大时,就造成了SU-8开裂。而SU-8的聚合反应必然伴随着升降温过程,因此热处理的控制至关重要。在前烘、曝光后烘、硬烘过程中遵循的原则是递进式缓慢升降温,升降温的速率0.5/min。(2

14、)硅片干燥度。硅片经氮气吹干后,表面仍有残留水分子,一方面会造成硅片上预涂SU-8时分布不均匀,另一方面在随后的热处理或曝光聚合过程中,残留水分部分的SU-8层受热不均,从而与硅片黏附力分布不均衡,在显影过程中易脱落。在200的热板上烘焙1h以上,可以保证硅片较好的干燥度。(3)曝光剂量。曝光剂量的多少,对SU-8与硅片衬底的黏附性起着关键作用。曝光剂量不够,将不足以使SU-8中的光敏剂发生充分的光化学反应,生成的酸催化剂不够,从而在PEB(PostExpo-sureBake,曝光后烘)阶段无法充分聚合交联,进而导致SU-8与硅片表面的黏附性不好。通过曝光剂量的计算和实际摸索,我们发现适合厚度

15、为50um2的曝光剂量为210mJ/cm。图2是曝光剂量的改变对结果的影响,可以明显看到充足的曝光剂量可以改善SU-8与硅片的黏附性,图a中的亮暗条纹是由于SU-8部分浮起所形成的干涉图案。2结果与讨论2.1SU-8与硅片黏附性SU-8模具与硅片衬底的黏附性主要受两种材Fig.2Influenceofexposuredosagetocohesionandcrack(a)70mJ/cm2(b)140mJ/cm2(c)210mJ/cm2图2不同的曝光剂量对黏附性和裂纹的影响(a)70mJ/cm2,芯片浮起50%(b)140mJ/cm2,芯片浮起20%(c)210mJ/cm2,芯片浮起5%642功能

16、材料与器件学报14卷(4)硬烘。硬烘在工艺流程中起着很重要的作用,使SU-8模具跟硅片更好黏合,保证模具在重复使用中不会发生形变。2.2裂纹在SU-8加工过程中,一个重要的问题就是如何避免和消除片上SU-8出现的裂纹现象。SU-8模具出现裂纹,会导致PDMS或者其他快速成型材料管道堵塞,降低芯片成品率。裂纹的出现实质是SU-8光刻胶在温度升降过程中产生的应力没有得到有效控制和释放;或者是SU-8结构层浸泡在显影液时,先前软烘及曝光后烘因升降温时未释放出来的热能,在显影溶解过程释放出来,造成裂纹现象发生。前烘温度与前烘时间、后烘温度与时间、曝光剂量以及显影时间是影响芯片效果的主要四个工艺参数。其

17、中,曝光剂量是最重要的影响因素,足够的曝光剂量会有效减少裂纹的出现,见图2(c)。硬烘在工艺流程中起着很重要的作用,可减弱裂纹现象。这是因为曝光后烘后,SU-8的玻璃态温度(GlassTemperature)由55上升到200,此时在热板上烘烤,光刻胶再度流动产生热聚合作用修补表面微裂状况,同时使残留的显影液和溶剂得到进一步的挥发。图3表明同一片SU-8芯片经过200热板硬烘30min后能明显降低裂纹的影响,能有效改善表面微裂现象,使模具更加耐用。7Fig.3InfluenceofHardbaketocrackofmoldsurface(a)be-forethehardbake(b)after

18、thehardbake图3硬烘前后模具表面裂纹的影响(a)硬烘前(b)200热板硬烘30min后图4为硬烘前后的AFM图形,可以更清楚的看出,硬烘后能弥合之前的微裂,改善表面结构。Fig.4ComparisonofAFMofthemoldinfluencedbyhardbaking(a)beforethehardbake(b)afterthehardbake.图4硬烘前后模具的AFM图形比较(a)硬烘前(b)硬烘后掩模设计成圆形或者弧形等柔和渐变图案,也能有效改善裂纹现象。SU-8工艺过程中产生的应力会积聚在直角处,在热处理过程中形变量较大,将拐角处设计成弧形能很好的解决,见图5。2.3线条F

19、ig.5Effectofmaskdesigntocrack.(a)right-anglestruc-ture(b)arcstructure图5掩模板的设计对裂纹的影响(a)直角结构(b)弯角显影需要保证SU-8模具与衬底降至室温后,且使显影液(应存放于4冰箱)温度升至室温,以避免由显影液的温差造成的模具开裂。显影中出现白膜表明显影不足,需要重复显影或者用氧等离子去胶3期陆振华,等:用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化643处理。在小尺寸显影(<50m)时,可选用超声辅助显影。图6为采用超声(SCQ250,上海声浦超声波设备厂)显影前后的结果图,可以看到超声能得到更为清晰

20、和完整的模具,有效的改善显影效果。2.4制作好的模具和PDMS芯片SU-8模具制作好后,可以浇注PDMS聚合物成型。PDMS单体与固化剂(DowCorning,USA)按照10:1的质量配比混合均匀,除净气泡(真空干燥箱,DZF-6050型,上海精宏实验设备有限公司),倒在SU-8模具上,在调好水平(水平仪,DP91A,LAND)的热板上65保持2h固化。图7为经十次图形转移的SU-8模具与相应的PDMS芯片,可以看出弯角模具无裂纹,与衬底硅片黏附性好。在PDMSFig.6Effectofbeforeandaftersupersonicdevelopment(a)be-foreultrason

21、icdevelopment;(b)afterultrasonicdevelopment图6采用超声显影前后的效果图(a)超声显影前;(b)超声显影后Fig.7SU-8moldandthecorrespondingPDMSchip(a)SU-8moldremainsgoodaftertentimesgraphicstransfer;(b)thePDMSchip图7SU-8模具与模塑法制成的PDMS芯片(a)经十次PDMS图形转移后,模具仍然完好;(b)转移好图案的PDMS芯片Fig.8SEMofmoldbeforeandafterpatterntransform(a)thewholeviewof

22、theunusedchip(b)thewholeviewofthechipusedfortentimes(c)theboundaryviewoftheunusedchip(d)theboundaryviewofthechipusedfortentimes图8浇注模具前后模具的SEM图(a)未使用过的芯片全貌图(b)使用过十次的芯片全貌图(c)未使用过的芯片交界面(d)使用过十次的芯片交界面644功能材料与器件学报14卷5LeeKY,SZ,GelormeJD.MicromachiningapplicationsofahighresolutionultrathickphotoresistJ.JVa

23、cSciTechnolB,1995,13(6):3012-3016.6LorenzH,MD,FahrniN,SU-8:alow-costnegativeresistforMEMSJ.JMicromechMicroeng,1997,7:121-124.7SU-82000PermanentEpoxyNegativePhotoresistprocess-ingguidelinesfor:SU-82025,SU-82035,SU-82050andSU-82075,.8RibeiroJC,GM,TurmezeiP.ASU-8fluidicmicrosys-temforbiologicalfluidsan

24、alysisJ.SensorsandActua-torsA,2005,(123-124):77-81.9TiinaSikanen,ST.CharacterizationofSU-8forelectrok-ineticmicrofluidicapplicationsJ.LabChip,2005,(5):888-896.10OngB,YuanH,TjinX,etal.AdjustablerefractiveindexmodulationforawaveguidewithSU-8photoresistbydual-UVexposurelithographyJ.Appliedoptics,2006,4

25、5(31):8036-8039.11王彬,陈翔,许宝建,等.基于SU-8负胶的微流体器件的制作及研究J.功能材料与器件学报,2006,12(3):215-219.12曾永彬,朱荻,明平美,等.基于BP神经网络的SU-8光刻胶工艺参数优选研究J.机械科学与技术,2006,25(9):1082-1085.13许宝建,金庆辉,赵建龙.基于多层SU-8结构的微喷阵列芯片的制作与应用研究J.功能材料与器件学报,2006,12(5):377-382.14张金娅,陈迪,朱军,等.超厚SU-8负胶高深宽比结构及工艺研究J.功能材料与器件学报,2005,11(2):251-254.15方肇伦,等.微流控分析芯片M.科学出版社,2003.通过模具成型前后