PDMS芯片加工过程:使用SU-8模具进行PDMS的光刻复制

PDMS光刻复制的过程：提示和技巧

PDMS是在微流体领域内被广泛使用的一种聚合物，它经常被用于制造微流体器件如lab on chip。每年，有许多实验室开始从事微流体活动，并且有时候，他们没有良好的实验设备或者不知道良好的实验方法，本文旨在为如何做PDMS光刻复制提供基础知识，PDMS光刻复制又被称为软光刻工艺。这里给您提供一些技巧和窍门，使PDMS光刻复制就像按按钮一样简单易行。

PDMS光刻复制可以划分为9个主要步骤：

1、硅烷化模具的准备

2、PDMS和固化剂的比例与混合

3、脱气去除气泡

4、在模具上浇注PDMS

5、PDMS烘烤

6、PDMS剥离模具

7、PDMS切割与打孔

8、PDMS键合

如下将会对以上8个步骤做简要的介绍。

1、PDMS复制：硅烷化模具的准备

模具在第一次使用时，您必须使其具有疏水性。对于模具，您可以从一些企业购买或者自己加工。事实上，SU-8模具的硅通常是非常亲水的，因此，PDMS与硅具有良好的亲和力，这种亲和力非常大以至于不太可能从硅上剥离PDMS，并且您可以操作的是打破模具并回到模具加工过程的开始步骤，因此，不要忘了模具的疏水性处理这个步骤。

有若干种方法可以使硅具有疏水性。我们使用硅烷的功能（该功能可以在表面上实现永久的粘结），它可使表面上的疏水接触角超过90°以上。您可以使用气体或液体来处理，这意味着您可以通过气体或者连续的水浴将硅烷功能粘合在表面上。我们可以简单地看下这两个解决方案。

对于人类来讲，硅烷化使用非常危险的产品，必须在适当的条件下使用比如通风厨下使用。如果有任何疑问，请及时和其他人进行交流。

如果接触角测试没有确定性，请检查您的测试协议并重新执行。请不要试图把PDMS放在模具上，否则您后面会后悔的。

硅烷会与空气发生反应，因此，请确保真正密封TMCS或OTS瓶子并用石腊膜密封，以便获得更好的安全性。液体选项是最有效的方法，但是需要更多的时间和材料来完成，气体选项是最常使用的，只要稍加练习，便可以得到与液体相同的结果。

2、PDMS复制：PDMS和固化剂的比例与混合

一旦您的模具准备好了，我们就可以加工PDMS了。PDMS是聚合物的名称。为了使其更加坚硬，您必须添加固化剂。最常用的PDMS显然是Sylgard 184。对于这个PDMS的加工，PDMS和固化剂的通用比例是10:1（重量）。对于某些特定的应用，这个比例可以改变，以使PDMS更软或者更硬。

请遵循以下的配方来加工您的PDMS：

（1）称量PDMS（例如60克）

（2）添加固化剂（例如6克）

（3）充分的混合PDMS和固化剂

看起来比较容易，但是首先要先放PDMS，然后再放固化剂。如果这两个步骤做反了，可能会导致聚合物交联不良。要混合这两种组分，您也可以使用自动PDMS混合器。

3、PDMS复制：PDMS脱气去除气泡

由于强烈混合的作用，您在制备混合PDMS和固化剂的过程中，会出现大量的气泡，但是这些气泡必须被去除，因为如果不去除气泡，它们将会被困陷在PDMS芯片内。有若干种方法可以用来去除PDMS混合物中的气泡，您可以使用离心机或干燥器和真空泵。第二种选择是最简单和最经常使用的。实际上，离心机对于较小重量的PDMS去泡来说，会更加合适些。

使用干燥器去除PDMS混合物中的气泡，盖上玻璃罩子并密封好。使用真空泵或者真空管线来进行真空操作，如果抽取真空太强或者太快，那么一定要小心，不要使PDMS溢出。在保持真空的条件下，通常需要30min就可以去除PDMS混合物中的所有气泡。一旦气泡被去除，您就可以关闭真空，并烘烤PDMS。这个步骤中，一定要小心，当压力不稳定时，不要打开干燥器，否则您的PDMS可能会炸毁。

4、PDMS复制：在模具上浇注PDMS

在使用之前务必要清洁模具，使用氮气或清洁的压缩空气来清除SU-8模具表面上的所有灰尘和颗粒。一旦PDMS脱气后，您就可以将PDMS浇注在先前硅烷化处理的SU-8模具中。把PDMS放在一个容器比如培养皿内，容器的大小将会决定您所需要的PDMS的用量以及您想要获得的器件的厚度。对于4 inches大小的基底来讲，40g的PDMS将会获得约5mm厚的器件。

在浇注的过程中，如果出现气泡，可以使用钢针去除气泡或者把晶圆放回到真空器皿里面。如果选择第二个选项，一定要小心操作，防止出现晶圆浮起并且PDMS进入到晶圆底部这种情况，因为一旦这种情况发生，后面释放PDMS时，会更加困难。

5、PDMS复制：PDMS烘烤

一旦PDMS和固化剂混合在一起，交联反应就已经开始发生了，但是需要24小时才能得到足够坚硬的器件。这就是为什么模具和PDMS需要烘烤的原因。在使用相同的工具下，烘烤的时间和温度是随实验室和使用者而发生变化的。我将尽量尝试给出成功进行这一步的一些建议。

人们通常使用热板或烘箱来烘烤PDMS，这里没有最好的工具，只有在烘箱的里面，您才可以同时烘烤多个模具。对于温度和时间的设定，取决有具体的仪器设备，您可以在最短的时间内进行高温烘烤，也可以在较长的时间内进行低温烘烤。通过做实验，在不同的烘烤条件下，测量PDMS层表面与水的接触角，没有测量出接触角的任何变化，所以，烘烤不会影响PDMS的化学成分，但是会影响力学性能。事实上，PDMS烘烤之后，PDMS或多或少的会变软，所以，其或多或少的会更加容易被操作。无论如何，PDMS最终会被开发出具有完全相同的机械性能，但是可能会需要更长的时间。不过，一定要小心，不要过多的烘烤您的PDMS，否则，PDMS会变“老”，这意味着后面在对PDMS打孔时，会非常困难。用旧的PDMS板（几个月后的PDMS板）来进行此项操作，也会观察到相同的现象。

温度的高低必须根据模具的器皿来进行选择，如果您使用的是培养皿，加热温度不要超过90°C。我建议您在烘箱内在80°C的温度下烘烤2h。烘烤结束并冷却后，您就可以操作您的PDMS了。

6、PDMS复制：PDMS剥离模具

待模具和PDMS冷却下来后，您就可以切割您的基底，然后剥离PDMS以便得到您的器件。您可以使用手术刀来轻松的切割PDMS。在切割的过程中，一定要小心，保持刀片与模具相切，不要破坏掉模具。

在剥离的过程中，只需要轻轻拉动PDMS就可以轻松的将其取出。如果PDMS紧固的粘贴在晶圆上，那么可能是因为您没有对模具做硅烷化处理或者是PDMS制作的不够好。

在此步骤中，请务必戴手套操作，以免在您的PDMS上添加脂肪类的手印或其他印痕。因为这些手印或印痕很难清除并且对后续的加工会造成较大的问题。

7、PDMS复制：PDMS复制和打孔（PDMS打孔器）

在这个时候，您已经有了器件所需要的全部PDMS，您必须进行切割才能得到不同的芯片。像之前一样，您可以使用手术刀来做一点。

在这个步骤中，如果您想要稍后添加或者移除液体，那么您必须在PDMS中加工若干小孔，也就是对PDMS进行打孔。要做到这一点，您可以根据使用的导管大小来选择合适的钻孔机。由于PDMS是一种软质材料，所以在打孔时，需要把孔的尺寸加工的比导管的尺寸稍微小一些，如此，导管将会牢牢地维持在芯片上并且还会减少泄漏问题。

请确保在此步骤中要佩戴手套，不要在PDMS上面留下脂肪印痕等，否则其会很难清除。PDMS上遗留的脂肪印痕等会对后续的加工过程造成一定的影响。

8、PDMS复制：PDMS键合（PDMS批量注塑成型机）

最后一步是键合您的PDMS器件以此来获得密封的通道或沟道。PDMS可以被键合粘贴到另一块PDMS或玻璃上，两者的键合协议或规则是相同的。在进行键合操作之前，每一个部件都必须要进行良好的清洁以便清除表面上所有的灰尘、颗粒。您可以使用异丙醇（IPA）来清洁您的PDMS和玻璃片，您甚至可以使用超声波清洗液来对表面和PDMS孔的内部进行清洁。

为了键合PDMS，您需要活化PDMS或玻璃的表面，将PDMS的Si-CH3官能团转换为Si-OH官能团，当您按压相同的官能团时，您将创建强大而永久的Si-O-Si链接。为此，最常用的工具是使用具有氧气或空气功能的等离子清洗机。为了产生更好的等离子体，您必须控制等离子清洗机腔室内的压力。我建议在500mTorr的压力下，部分设备可以帮助您实现完美的等离子处理如Equinox。为了使表面功能化，等离子体处理时间不必很长，2分钟的处理时间就可以与玻璃或PDMS形成牢固的结合。不过，在某些实验条件下，等离子体处理时间也可能会小于2分钟。