紫外光刻干膜微流控模具制作研究

張 敏，李松晶，劉 航

紫外光刻干膜微流控模具制作研究

張 敏1，李松晶2，劉 航1

（1. 華北科技學院機電工程學院，河北 廊坊 065201； 2. 哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

提出了一種基于感光干膜的微流控模具制作方法。以50 μm厚的感光干膜為主要原材料，設(shè)計并制作了不同微流道結(jié)構(gòu)的干膜微流控模具。針對紫外曝光和顯影主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵實驗參數(shù)進行了選擇優(yōu)化。利用該工藝制作的干膜微流控模具，完成了不同結(jié)構(gòu)和功能的微流控芯片的封裝及應用。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)光刻微流控模具制作方法相比，干膜微流控模具制備工藝具有操作簡單快速、成本低、無需昂貴實驗設(shè)備和專業(yè)操作人員，且制作后的干膜微流控模具邊界規(guī)則、圖形分辨率高，應用效果良好。

干膜；微流控模具；曝光；顯影

微流控技術(shù)作為一門新興的交叉學科逐漸發(fā)展起來，引起國內(nèi)外學者廣泛的研究興趣，并越來越多地應用于化學分析[1-2]、醫(yī)學診斷[3-4]及光學[5-6]等領(lǐng)域。

微流控系統(tǒng)的研究和應用中，一個必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為微流控模具制作。目前，國內(nèi)外常用的模具制作方法是基于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)來完成[7-8]，必須在標準潔凈的實驗室環(huán)境下，由經(jīng)過專門培訓的工作人員嚴格按照制作流程完成整個光刻過程，且光刻中所需掩膜版的質(zhì)量和精度要求較高（通常需使用標準的鉻版）。光刻工藝復雜、成本高、周期長，是制約微流控技術(shù)在非潔凈環(huán)境下研究和發(fā)展的主要瓶頸。

感光干膜具有感光效果好、邊界規(guī)則、成本低等特點，目前已被廣泛應用于印刷電路板（PCB）的制作[9-10]，但和微流控技術(shù)相結(jié)合的應用較少。

本文以感光干膜為主要原材料，利用紫外光刻工藝，在普通非潔凈實驗環(huán)境下，實現(xiàn)了微流控模具的制作，并利用制作后的干膜微流控模具實現(xiàn)了微流控變色和微流控濾光應用。結(jié)果表明，該制作方法具有操作簡單、成本低、無需潔凈環(huán)境和專業(yè)人員等優(yōu)點，且制作后的模具結(jié)構(gòu)精度較高，應用效果良好。

1 實驗原理及過程

1.1 實驗原理

感光干膜是相對于濕膜的一種高分子聚合物[11-12]，主要結(jié)構(gòu)有聚酯薄膜、光致抗蝕劑膜和聚乙烯保護膜，如圖1所示（圖中蘭色為感光干膜）。光致抗蝕劑膜是感光干膜的主體，感受紫外光的照射，并產(chǎn)生分子間的聚合反應。覆蓋在兩側(cè)的聚酯薄膜和聚乙烯保護膜保護薄膜主體不受污染且相互間不粘連。

將制作好的具有微流道結(jié)構(gòu)的掩模板平鋪在感光干膜的表面，在紫外光的照射下，曝光部位的干膜發(fā)生聚合反應，生成不溶于顯影液的聚合物，而未經(jīng)曝光的部位則不會發(fā)生聚合反應，在后續(xù)的顯影過程中會被清洗掉，從而得到所需要的微流道凸模模型。

圖1 實驗用感光干膜

1.2 實驗材料

主要原材料和工具包括感光干膜（長興干膜，50 μm厚）、10 cm×10 cm的鏡面不銹鋼板、壓膜機、菲林掩模板、365 nm紫外燈、XSP-63B光學顯微鏡、無水碳酸鈉、去離子水、高純氮氣等。

1.3 實驗過程

（1）制作菲林掩模板。利用AutoCAD軟件繪制所需制作的微流道模型，利用高精度的菲林打印機（分辨率>2400 dpi）將繪制好的微流道模型輸出到菲林片上，作為紫外光刻掩模板備用。

（2）壓膜。將壓膜機在110 ℃加熱模式下預熱，用去離子水將10 cm×10 cm的高精度鏡面不銹鋼板表面清洗干凈，并用高純氮氣吹干，作為微流控模具基底備用；將圖1中的感光干膜裁剪為10 cm×10 cm大小，用鑷子輕輕將其一側(cè)的保護膜去掉，無保護膜層的表面貼敷在鋼板潔凈面上，并在預熱后的壓膜機中反復壓制3~5遍，保證干膜表面與不銹鋼基底表面完全貼合，增加貼合強度。

（3）氣泡檢查。將壓膜后的不銹鋼板放置在光學顯微鏡下觀測，觀察膜層與鋼板之間否有明顯的氣泡，是否對微流道的精度產(chǎn)生明顯影響；如果氣泡尺寸較大或恰好位于流道位置，則需要去除感光干膜，重新壓膜，并重復上述步驟。

（4）紫外曝光。將制作后的菲林掩模版平鋪在壓膜后的不銹鋼板上，表面用透明的亞克力蓋板壓緊，四周用固定夾夾緊固定，防止漏光；然后將固定后的裝置放置在處于暗室中的365 nm紫外燈下15 cm處，進行紫外曝光，曝光時間根據(jù)感光干膜膜層數(shù)量和總膜層厚度確定。

（5）顯影。將曝光后的不銹鋼裝置取出，靜置10 min冷卻后，放入配置好的碳酸鈉水溶液中進行顯影；顯影后，未經(jīng)曝光部位的干膜會被顯影液溶解，而經(jīng)過曝光的部位（流道部位）則會保留下來，形成制作微流控芯片所需要的微流道結(jié)構(gòu)模型。曝光時間也應根據(jù)感光干膜膜層數(shù)量和總膜層厚度確定。

（6）清洗。將顯影后的不銹鋼裝置用去離子水反復清洗，并置于高純氮氣下吹干，即得所需的干膜微流控模具。

圖2為上述實驗過程中不同制作階段的實驗照片。

圖2 干膜微流控模具制作實驗照片

2 實驗分析及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，影響制作后干膜微流控模具精度的主要因素是壓膜后干膜表面與不銹鋼基底表面間的氣泡檢查，以及合理的曝光時間和顯影時間。

2.1 壓膜后的氣泡檢查

壓膜后的氣泡檢查對制作后的微流控模具精度至關(guān)重要。實驗發(fā)現(xiàn)，當壓膜后干膜與不銹鋼基底表面之間產(chǎn)生的氣泡正好位于微流道結(jié)構(gòu)處，且直徑較大（>20%微流道寬度）時，會嚴重影響制作后的模具精度。因此壓膜后的氣泡檢查十分必要，如不滿足要求需要反復重復此步驟以保證模具精度。

2.2 曝光時間優(yōu)化

曝光不足則會使干膜內(nèi)部不能完全聚合，在顯影過程中所需要的微流道結(jié)構(gòu)也會被顯影液清洗掉，導致顯影后的微流道結(jié)構(gòu)尺寸小于預先設(shè)計的流道尺寸，影響模具精度。反之，過度曝光會導致感光干膜內(nèi)部產(chǎn)生過度聚合反應，而過度聚合的干膜很難被碳酸鈉顯影液清洗干凈，因此導致顯影后的微流道結(jié)構(gòu)尺寸大于預先設(shè)計的流道尺寸，降低模具精度。因此合適的曝光時間是提高微流控模具精度的關(guān)鍵參數(shù)。圖3所示為實驗過程中所拍攝的不同曝光條件下形成的微流道結(jié)構(gòu)顯微圖。

圖3 不同曝光條件下微流道顯微觀測圖

實驗中，對不同膜層數(shù)和不同厚度的干膜進行了大量曝光實驗研究，并通過顯微觀測微流道的結(jié)構(gòu)精度，完成了曝光時間的優(yōu)化選擇。表1為不同膜層數(shù)和不同膜層厚度干膜的最優(yōu)曝光時間。由表1可知，干膜膜層越厚，所需最優(yōu)曝光時間越長，實驗中，應根據(jù)實際所需微流道模型結(jié)構(gòu)確定膜層厚度，進而合理地選擇最優(yōu)曝光時間。

表1 不同實驗條件下的最優(yōu)曝光時間

2.3 顯影時間優(yōu)化

過度顯影會使曝光部位已形成的流道凸模被顯影液過度浸泡而被清洗掉，破壞流道結(jié)構(gòu)；顯影不充分則會使未曝光部位的干膜不能完全被清洗掉，導致所需流道結(jié)構(gòu)之外多余的干膜殘留，影響模具精確度。因此，恰當?shù)娘@影時間是影響干膜微流控模具精確度的另外一個關(guān)鍵參數(shù)。同時，顯影液濃度的不同也會影響顯影速率和顯影時間。

本文采用無水碳酸鈉配置不同濃度的顯影液，針對不同膜層數(shù)和膜層厚度的干膜，開展大量的顯影實驗，研究最優(yōu)曝光時間及顯影液濃度對曝光速率的影響，結(jié)果見表2。由表2可知，同等顯影液濃度條件下，隨著膜層厚度的增加，最優(yōu)顯影時間也逐漸增加；同等膜層厚度條件下，顯影液濃度越大，所需最優(yōu)顯影時間越短。實驗中，通常選取質(zhì)量濃度為1%的碳酸鈉水溶液作為顯影液。因此，應根據(jù)實際干膜厚度和所選取的顯影液濃度，選擇最優(yōu)的顯影時間。

表2 不同實驗條件下的最優(yōu)顯影時間

圖4為采用上述制作工藝，選擇最優(yōu)曝光時間和最優(yōu)顯影時間后，制作完成的具有不同微流道結(jié)構(gòu)的干膜微流控模具顯微圖，膜層厚度均為100 μm。由圖4可以直觀發(fā)現(xiàn)，加工后的干膜微流控模具表面微流道結(jié)構(gòu)光滑，精度較高。

圖4 不同結(jié)構(gòu)微流道模具顯微效果圖（W：流道寬度）

3 應用

采用上述工藝所制作的感光干膜微流控模具，制作了不同流道結(jié)構(gòu)的PDMS微流控薄膜，并完成了微流控芯片的封裝，用于實現(xiàn)微流控變色和微流控濾光功能，結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為基于感光干膜模具制作后的微流控變色鏡片，圖5(b)為基于感光干膜模具制作的流道式濾光片。實驗結(jié)果表明，制作后的微流控芯片流道結(jié)構(gòu)規(guī)則、精度高，能夠滿足不同芯片的應用需求。

圖5 干膜微流控模具應用效果圖

4 結(jié)語

本文以感光干膜為主要原材料，實現(xiàn)了微流控模具的快速制作成型。給出了具體的實驗操作工藝流程，并針對影響模具精度的主要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵實驗參數(shù)進行了優(yōu)化。實驗表明，優(yōu)化后的干膜微流控模具流道結(jié)構(gòu)規(guī)則、精度較高，且基于該模具制作封裝后的微流控芯片應用效果良好。因此，感光干膜微流控模具制作操作簡單、成本低、流道結(jié)構(gòu)規(guī)則、無需潔凈的實驗環(huán)境和專業(yè)人員操作，為微流控模具制作提供了新的技術(shù)選擇。

[1] SINHA A, GOPINATHAN P, CHUNG Y D, et al. An integrated microfluidic platform to perform uninterrupted SELEX cycles to screen affinity reagents specific to cardiovascular biomarkers [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2018(122): 104–112.

[2] WONGA V L, LOIZOU K, LAU P L, et al. Numerical studies of shear-thinning droplet formation in a microfluidic T-junction using two-phase level-SET method[J]. Chemical Engineering Science, 2017(174): 157–173.

[3] DOU M W, SANCHEZ J, TAVAKOLI H A, et al. low-cost microfluidic platform for rapid and instrument-free detection of whooping cough[J]. Analytic Chimica Acta, 2019(1065): 71–78.

[4] RAJ M K, BHATTACHARYA S, DASGUPTA S, et al.Collectivedynamics of red blood cells on an in vitro microfluidic platform[J]. Lab on Chip, 2018(18): 3939–3948.

[5] 張敏，李松晶，蔡申.基于無閥壓電微泵控制的微流控液體變色眼鏡[J].吉林大學學報，2017(2): 498–503.

[6] MORRISH W, RIESEN N, STOBIE S, et al. Geometric resonances for high-sensitivity microfluidic lasing sensors[J]. Physical Review Applied, 2018(10): 051001.

[7] WONJU J, DAYEONG J, JUNHO K, et al. Microfluidic fabrication of cell-derived nanovesicles as endogenous RNA carriers[J]. Lab on Chip. 2014(14): 1261–1269.

[8] QIN D, XIA Y N, Whitesides G M. Rapid prototyping of complex structures with feature sizes larger than 20 μm[J]. Adv Mater, 1996(8): 917–919.

[9] KUKHARENKA E, FAROOQUI M M, GRIGORE L, et al. Electroplating moulds using dry film thick negative photophotoresist[J]. J Micromech Microeng, 2003(13): 67–74.

[10] 張林武，曹新建.外層線路制程掉膜的原因分析與預防[J].印制電路信，2008(3): 61–63.

[11] DAUDA A, NASER M A, SHAHROM M. The study on the effect of wet and dry oxidation of nickel thin film on sensitivity of EGFET based pH sensor[J]. Solid State Phenomena, 2019(290): 199–207.

[12] SUNHO K, BYUNGIL H. Ag nanowire electrode with patterned dry film photoresist insulator for flexible organic light-emitting diode with various designs[J]. Materials and Design, 2018(9): 572–577.

Research on tabrication of microfluidic die for ultraviolet lithography dry film

ZHANG Min1, LI Songjing2, LIU Hang1

(1. School of Mechatronics Engineering, North China Institute of Science and Technology, Langfang 065201, China; 2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to simplify the manufacturing process of the microfluidic mold and reduce the cost, a method of manufacturing microfluidic mold based on photosensitive dry film is proposed. With the 50 thick photosensitive dry film as the main raw material, the dry film microfluidic mold with different micro channel structure is designed and made. The key experimental parameters of ultraviolet exposure and development are optimized. The dry film microfluidic die made by this technology has completed the packaging and application of microfluidic chips with different structures and functions. The results show that compared with the traditional method, the dry film microfluidic mold preparation process has the advantages of simple and fast operation, low cost, no expensive experimental equipment and professional operators, and the manufactured dry film microfluidic mold has regular boundary, high graphic resolution and good application effect.

dry film; microfluidic mold; exposure; developing

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.010

TH145.41；TH137.51

A

1002-4956(2019)12-0040-04

2019-06-06

河北省自然科學基金項目（E2019508105）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助（3142019003）

張敏（1981—），女，河北石家莊，博士，講師，主要研究方向為流體傳動控制、微流體技術(shù)。E-mail: zhangmin_0124@163.com