当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第八章 微流体与芯片实验室 > 第2小节 软光刻技术 > 软光刻技术
下面我们来介绍在微流体领域里
所广泛应用的一种加工技术
我们把它叫做软光刻
软光刻这个词在英文里面是soft lithography
那么它所表示的是跟我们在半导体制造领域里
所用的硬的石英掩膜版所不同
那么它的掩膜版主要是一些软性材料
它的基本过程包括了母版的制造
弹性体印章的制造
以及以弹性体印章或者以母版为根源
再进行多次复制这样的一个过程
我们来看这幅图
如果利用SU-8作为一种光刻材料
我们能够通过光刻过程来定义
一些SU-8的图形
SU-8的图形实现以后
我们把一种叫做PDMS的材料
浇铸在SU-8的表面
在固化以后可以把PDMS从SU-8
表面上揭下来
这个时候我们就得到了一个与SU-8
图案所互补的一个PDMS的结构
通常情况下
我们把SU-8这个结构成为母版
把PDMS制造出来的结构称为弹性体印章
如果进一步与弹性体印章作为出发点
我们可以通过微接触印刷以及毛细管微模铸等
不同的技术来实现一些与弹性体印章
有关的图案
那么我们就把以这种软性的PDMS作为
图形复制根源的这样的一个过程叫做软光刻
我们先来看一下PDMS
PDMS呢
是一种硅橡胶
它的全称叫做聚二甲基硅氧烷
那么在英文里边我们把它简称为PDMS
在我们常用的PDMS主要是
Dow Corning公司生产的184系列
它是一个双组份的材料
包括基体和固化剂
把基体和固化剂按照一定的比例混合以后加热
就可以得到一个固态的PDMS形态的结构
这两种结构的比例不同
那么它们具有不同的交联特性
那么获得的固态PDMS也有些变化
通常来讲没有固化的PDMS
它是一个透明的状态
粘度很低
流动性非常好
那么固化以后它的表面表现为一定的疏水特性
这幅图给大家看到的就是PDMS这种
硅橡胶的单体
和它聚合时的化学结构
那么PDMS在制造弹性体印章的过程
主要包括下面几个步骤
我们来看一下
首先
把基体和固化剂按照10比1
这是一个非常常用的比例进行混合
然后在真空中去除混合剂中的气泡
去除以后对母版的表面进行一定的预处理
例如硅烷化等
然后将液态的PDMS浇铸在母版表面
进行平整和一定的加温固化
固化可以是从室温到150度范围都可以
温度越高
所需要的固化时间越短
固化以后将PDMS从母版上剥离
那么我们就得到了一个与母版图案互补的
一个PDMS的形状
在固化的过程中
PDMS有一定的收缩率
随着温度的升高
收缩率有所增加
我们来看这个曲线
在140度或者150度左右的时候
PDMS的收缩率大概是3%
而在室温以下的时候的时候
它的收缩率会低于0.5%
那么固化以后的PDMS
表现为一定的疏水特性
但是在我们生化反应或者是一些制造的过程
我们需要一些亲水特性
这个时候我们可以采用等离子体处理的办法
来将表面的疏水特性改变为亲水特性
那么以PDMS的弹性体印章为基础
我们可以通过不同的模式去制造一些
与PDMS结构有一定关联的一些新的图形转移
例如微接触印刷
那么它的过程实际上是将PDMS结构的
下表面固定上一些自组装分子膜的材料
然后与一个平面上的金衬底相互接触
那么
突起的部分与金衬底接触以后
把PDMS表面的自组装分子材料
转移到了金的表面上
这个时候我们就得到了一个
与PDMS突起形状完成一致的结构
以这个结构例如做一个刻蚀
我们就可以把金去掉
也就是把金进行图形化
那么再进一步进行刻蚀
或者进一步沉积
我们就得到了与PDMS突起相同
或者互补的一些结构形式
那么利用这样的一个方式可以转移
非常精细的图形
那么最小的图形分辨率可以做到
十几到几十个纳米
这是一项非常高分辨率的图形转移技术
除此以外我们还可以以PDMS或者
以SU-8母版作为基底进行弹性体的复制
例如以PDMS作为母版时
我们对表面进行一个感性处理以后
可以将液态的PDMS再浇铸在
固态PDMS表面上
然后将二者固化分离以后
就得到了一个互补的图案
这个图案也可以转移非常细小的线条
例如这幅图看到的最小的线条宽度
只有60纳米
那么在软光刻技术里面常用的
还包括压印和热压
所谓的压印是指利用压力将母版上的图形
转移到一个可变形的高分子衬底上
这样的一个过程
例如
我们通过硅加工的办法制造一个硅的模具
然后把另一个聚碳酸酯的衬底与硅相接触
加热到一定温度
使聚碳酸酯发生软化
再施加一定的压力
让聚碳酸酯变形填充硅的结构
最后将二者剥离开以后
我们就得到了一个与硅图案互补的
聚碳酸酯的图案
这个过程既可以通过增大压力来实现
也可以通过来提高温度
使材料进入到一个软化态进行实现
那么以PDMS作为出发点
我们还可以通过毛细管微模铸的办法
来进行图形化
像这幅图我们看到的
把一个PDMS结构倒扣在芯片衬底上
那么在管道的开口边缘滴入一些液态的
高分子材料
由于管道的毛细作用会把液态的材料
吸入到管道内部
那么加热固化把PDMS剥离以后
我们就得到了与PDMS结构互补的
一些结构形式
这样的一个制造方法也可以实现
非常精细的结构
但是它有一个限制条件就是
我们不容易实现一些独立的结构
例如一些独立的铸体等等
主要是由于这些独立的铸体没办法
从侧壁的边缘将可流动的高分子材料吸入
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