PDMS-玻璃键合芯片完整工艺

1、芯片阳模的制作

 在制作芯片阳膜之前，提前要做好掩膜版（Mask），主要作用是在后续光刻工艺中遮挡特定区域，从而将设计的图形转移到光刻胶上。具体过程为：首先用L-Edit /CAD软件对所设计的芯片结构进行版图绘制，并保存为 DXF 格式文件。将版图文件交由制版公司进行打印，打印机将芯片微通道图形打印到透明塑料薄膜上。塑料薄膜材料为菲林，其中打印机用的是比利时BARCO 公司的 Silver Writer 8850 光绘机。由于后续实验用到的光刻胶为 SU-8 GM1050 负性光刻胶，因此打印的反性掩膜版上透明区域为微通道部分，不透明区域为非通道部分，具体如图 1所示。

掩膜版制作完成后，接下来开始进行芯片阳膜的制作，主要是利用光刻技术将掩膜版上的图形转移到一定厚度的 SU-8 光刻胶的硅片上。图形转移的过程一般包含以下几个步骤：预处理、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影和坚膜，主要的工艺流程如图 2 所示。本文的阳膜是在超净间内制作完成，其中所用的主要设备是匀胶机，曝光机 ，以及可编程热板 PHP-8 等，设备如图 3 所示。

（1）预处理：首先将 NH4OH/H2O2/H2O（氢氧化铵/过氧化氢/去离子水）按照 1:1:5 的配比进行混合，然后将 4 寸硅片浸泡于该混合液中，接着将其放置于80°C 的热板上烘烤 20min。浸泡完毕后用去离子水对硅片进行反复冲洗，并用氮气枪吹干。该步骤的目的是去除硅片表面杂质颗粒，使得硅片表面和 SU-8 光刻胶之间粘附的更好。

 （2）甩胶：将预处理后的硅片固定在匀胶机内的托盘上，保证硅片位于托盘的正中央。本实验中用到的 100μm 厚的 SU-8 光刻胶，需要将匀胶机设置的参数为：前转 10s，转速 600rpm；等待 1min；后转 40s，转速 1000rpm。参数设置好后，将适量 SU-8 光刻胶倒在硅片中心，开启机器。

 （3）前烘：将匀胶后的衬底片放置在温度为 65°C 的热板上，保持 5min；接着将热板温度设置为 95°C，保持 10min；然后将热板温度再降到 65°C，保持5min，最后降至室温。该步骤目的是使 SU-8 光刻胶中的溶剂蒸发去除，使得硅片上光刻胶的有更好的均匀性。

 （4）紫外曝光：将冷却后的衬底片放置在曝光机下，接着把准备好的反性掩膜版放置于基片上，100μm 厚度的 SU-8 光刻胶需要的曝光剂量为 3.6m W/cm2，曝光时间 35s。 

（5）后烘：将曝光后的衬底片放置于 65°C 的热板上，保持 2min；接着把热板温度调至 95°C，保持 8min，最后降至室温。 

（6）显影：将衬底片分别放置于丙二醇甲醚醋酸酯与异丙醇溶液中进行各15s 的循环显影，直至没有白色析出物出现，最后用氮气枪吹干。 

（7）坚膜：将显影后的衬底片放置于 150°C 的真空干燥箱内静置 10min，蒸发掉存留的 SU-8 光刻胶溶剂，并使衬底片上的 SU-8 光刻胶与硅片之间的粘附更加牢固。至此完成芯片阳模的制备，如图 4所示。

2、PDMS 基片的制作

芯片的阳模制作完成后，接下来要利用模塑法制作带有微通道的弹性 PDMS基片。模塑法的主要原理是将 PDMS 浇注在模具上后进行固化，然后将剥离下来的 PDMS 基片与玻璃键合后形成微流控芯片。本文用的 PDMS 材料是购于美国道康宁公司，型号是 SYLGARD184，等离子清洗机购于美国 HARRICK 公司，型号为 PDC-002。具体制作流程如图 5所示。

（1）浸泡脱模剂：将芯片的阳模放在提前准备好的脱模剂溶液中浸泡 15 分

钟，然后将其放入培养皿后，置于 80°C 的烘箱中进行烘干。由于培养皿的材料为塑料，烘箱的温度不可太高。

 （2）PDMS 预聚体配置：将塑料杯置于电子秤上，电子秤去皮清零。向塑料杯中倒入一定质量的PDMS试剂，按照PDMS的试剂质量计算固化剂的质量，电子秤再次去皮清零，用另一干净滴管滴定 1/10 质量的固化剂到塑料杯中。PDMS 和固化剂混合后，采用搅拌棒充分搅拌 10 分钟，使塑料杯中形成均匀分布的小气泡。

 （3）PDMS 预聚体抽真空处理：将分布有均匀小气泡的 PDMS 预聚体置于

真空干燥锅中，慢速抽真空，直至小气泡均被排出，在抽真空过程中若出现试剂漫出塑料杯边沿的情况，则需要多次关断真空泵，避免试剂漫出容器。

 （4）PDMS 预聚体浇注：将模具水平放置于塑料培养皿中，然后将配置好

的 PDMS 预聚体倒入塑料培养皿中。在倒的过程中，需要从阳模的中间开始倒，此时的 PDMS 预聚体会逐渐向周围扩散，直到 PDMS 预聚体完全覆盖阳模，并有一定的高度。由于在 PDMS 浇注过程中还会产生少量的气泡，此时要再次重复步骤（3）。

 （5）PDMS 预聚体固化：待气泡完全消失后，将塑料培养皿放置于 75°C

烘箱中，使 PDMS 预聚体在烘箱中静置 3 个小时。待 PDMS 预聚体固化聚合后，将其从烘箱中取出。

 （6）PDMS 预聚体脱模：用小刀沿压印阳模边缘切割 PDMS 固化膜，将阳模连同其上方覆盖的 PDMS 固化膜一同取下，之后再将膜与阳模轻轻分离。脱模时要尽量沿着流道方向进行，这样可以避免流道边缘产生破裂的风险。

 （7）PDMS 基片打孔：用孔径为 1mm 的打孔器在微流道的入液口和出液口位置打穿通孔，打孔时尽量使打孔器与 PDMS 基片垂直，这样打出来的通孔是垂直的，方便之后实验的操作。

 （8）PDMS 基片清洗与键合：将压印有微流道结构，同时制备有入液/出液孔的 PDMS 基片与键合所需的玻璃基底放入无水乙醇试剂中超声清洗 10 分钟，取出后放入烘箱中进行烘干。烘干后取出，将 PDMS 基片微流道面朝上，与玻璃盖片一起放入氧等离子体清洗机中轰击 15s。将取出来 PDMS 基片和玻璃基底对准后贴合在一起，并用镊子轻轻按压 PDMS 基片表面，完成 PDMS 与玻璃的不可逆封接。键合后将其在 65°C 的真空干燥箱内放置 30min，最终完成倍比稀释微流控芯片的制备，如图 6 所示。将制备完成的芯片放置于显微镜下进行观察，检查芯片结构是否完整，图 7 给出了该芯片部分重点结构的局部放大图。

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