PDMS光刻復(fù)制的過程：提示和技巧

PDMS是在微流體領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用的一種聚合物，它經(jīng)常被用于制造微流體器件如lab on chip。每年，有許多實(shí)驗(yàn)室開始從事微流體活動(dòng)，并且有時(shí)候，他們沒有良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者不知道良好的實(shí)驗(yàn)方法，本文旨在為如何做PDMS光刻復(fù)制提供基礎(chǔ)知識，PDMS光刻復(fù)制又被稱為軟光刻工藝。這里給您提供一些技巧和竅門，使PDMS光刻復(fù)制就像按按鈕一樣簡單易行。

PDMS光刻復(fù)制可以劃分為9個(gè)主要步驟：

1、硅烷化模具的準(zhǔn)備

2、PDMS和固化劑的比例與混合

3、脫氣去除氣泡

4、在模具上澆注PDMS

5、PDMS烘烤

6、PDMS剝離模具

7、PDMS切割與打孔

8、PDMS鍵合

如下將會(huì)對以上8個(gè)步驟做簡要的介紹。

1、PDMS復(fù)制：硅烷化模具的準(zhǔn)備

模具在第一次使用時(shí)，您必須使其具有疏水性。對于模具，您可以從一些企業(yè)購買或者自己加工。事實(shí)上，SU-8模具的硅通常是非常親水的，因此，PDMS與硅具有良好的親和力，這種親和力非常大以至于不太可能從硅上剝離PDMS，并且您可以操作的是打破模具并回到模具加工過程的開始步驟，因此，不要忘了模具的疏水性處理這個(gè)步驟。

有若干種方法可以使硅具有疏水性。我們使用硅烷的功能（該功能可以在表面上實(shí)現(xiàn)永久的粘結(jié)），它可使表面上的疏水接觸角超過90°以上。您可以使用氣體或液體來處理，這意味著您可以通過氣體或者連續(xù)的水浴將硅烷功能粘合在表面上。我們可以簡單地看下這兩個(gè)解決方案。

對于人類來講，硅烷化使用非常危險(xiǎn)的產(chǎn)品，必須在適當(dāng)?shù)臈l件下使用比如通風(fēng)廚下使用。如果有任何疑問，請及時(shí)和其他人進(jìn)行交流。

如果接觸角測試沒有確定性，請檢查您的測試協(xié)議并重新執(zhí)行。請不要試圖把PDMS放在模具上，否則您后面會(huì)后悔的。

硅烷會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)，因此，請確保真正密封TMCS或OTS瓶子并用石臘膜密封，以便獲得更好的安全性。液體選項(xiàng)是最有效的方法，但是需要更多的時(shí)間和材料來完成，氣體選項(xiàng)是最常使用的，只要稍加練習(xí)，便可以得到與液體相同的結(jié)果。

2、PDMS復(fù)制：PDMS和固化劑的比例與混合

一旦您的模具準(zhǔn)備好了，我們就可以加工PDMS了。PDMS是聚合物的名稱。為了使其更加堅(jiān)硬，您必須添加固化劑。最常用的PDMS顯然是Sylgard 184。對于這個(gè)PDMS的加工，PDMS和固化劑的通用比例是10:1（重量）。對于某些特定的應(yīng)用，這個(gè)比例可以改變，以使PDMS更軟或者更硬。

請遵循以下的配方來加工您的PDMS：

（1）稱量PDMS（例如60克）

（2）添加固化劑（例如6克）

（3）充分的混合PDMS和固化劑

看起來比較容易，但是首先要先放PDMS，然后再放固化劑。如果這兩個(gè)步驟做反了，可能會(huì)導(dǎo)致聚合物交聯(lián)不良。要混合這兩種組分，您也可以使用自動(dòng)PDMS混合器。

3、PDMS復(fù)制：PDMS脫氣去除氣泡

由于強(qiáng)烈混合的作用，您在制備混合PDMS和固化劑的過程中，會(huì)出現(xiàn)大量的氣泡，但是這些氣泡必須被去除，因?yàn)槿绻蝗コ龤馀?，它們將?huì)被困陷在PDMS芯片內(nèi)。有若干種方法可以用來去除PDMS混合物中的氣泡，您可以使用離心機(jī)或干燥器和真空泵。第二種選擇是最簡單和最經(jīng)常使用的。實(shí)際上，離心機(jī)對于較小重量的PDMS去泡來說，會(huì)更加合適些。

使用干燥器去除PDMS混合物中的氣泡，蓋上玻璃罩子并密封好。使用真空泵或者真空管線來進(jìn)行真空操作，如果抽取真空太強(qiáng)或者太快，那么一定要小心，不要使PDMS溢出。在保持真空的條件下，通常需要30min就可以去除PDMS混合物中的所有氣泡。一旦氣泡被去除，您就可以關(guān)閉真空，并烘烤PDMS。這個(gè)步驟中，一定要小心，當(dāng)壓力不穩(wěn)定時(shí)，不要打開干燥器，否則您的PDMS可能會(huì)炸毀。

4、PDMS復(fù)制：在模具上澆注PDMS

在使用之前務(wù)必要清潔模具，使用氮?dú)饣蚯鍧嵉膲嚎s空氣來清除SU-8模具表面上的所有灰塵和顆粒。一旦PDMS脫氣后，您就可以將PDMS澆注在先前硅烷化處理的SU-8模具中。把PDMS放在一個(gè)容器比如培養(yǎng)皿內(nèi)，容器的大小將會(huì)決定您所需要的PDMS的用量以及您想要獲得的器件的厚度。對于4 inches大小的基底來講，40g的PDMS將會(huì)獲得約5mm厚的器件。

在澆注的過程中，如果出現(xiàn)氣泡，可以使用鋼針去除氣泡或者把晶圓放回到真空器皿里面。如果選擇第二個(gè)選項(xiàng)，一定要小心操作，防止出現(xiàn)晶圓浮起并且PDMS進(jìn)入到晶圓底部這種情況，因?yàn)橐坏┻@種情況發(fā)生，后面釋放PDMS時(shí)，會(huì)更加困難。

5、PDMS復(fù)制：PDMS烘烤

一旦PDMS和固化劑混合在一起，交聯(lián)反應(yīng)就已經(jīng)開始發(fā)生了，但是需要24小時(shí)才能得到足夠堅(jiān)硬的器件。這就是為什么模具和PDMS需要烘烤的原因。在使用相同的工具下，烘烤的時(shí)間和溫度是隨實(shí)驗(yàn)室和使用者而發(fā)生變化的。我將盡量嘗試給出成功進(jìn)行這一步的一些建議。

人們通常使用熱板或烘箱來烘烤PDMS，這里沒有最好的工具，只有在烘箱的里面，您才可以同時(shí)烘烤多個(gè)模具。對于溫度和時(shí)間的設(shè)定，取決有具體的儀器設(shè)備，您可以在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高溫烘烤，也可以在較長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行低溫烘烤。通過做實(shí)驗(yàn)，在不同的烘烤條件下，測量PDMS層表面與水的接觸角，沒有測量出接觸角的任何變化，所以，烘烤不會(huì)影響PDMS的化學(xué)成分，但是會(huì)影響力學(xué)性能。事實(shí)上，PDMS烘烤之后，PDMS或多或少的會(huì)變軟，所以，其或多或少的會(huì)更加容易被操作。無論如何，PDMS最終會(huì)被開發(fā)出具有完全相同的機(jī)械性能，但是可能會(huì)需要更長的時(shí)間。不過，一定要小心，不要過多的烘烤您的PDMS，否則，PDMS會(huì)變“老”，這意味著后面在對PDMS打孔時(shí)，會(huì)非常困難。用舊的PDMS板（幾個(gè)月后的PDMS板）來進(jìn)行此項(xiàng)操作，也會(huì)觀察到相同的現(xiàn)象。

溫度的高低必須根據(jù)模具的器皿來進(jìn)行選擇，如果您使用的是培養(yǎng)皿，加熱溫度不要超過90°C。我建議您在烘箱內(nèi)在80°C的溫度下烘烤2h。烘烤結(jié)束并冷卻后，您就可以操作您的PDMS了。

6、PDMS復(fù)制：PDMS剝離模具

待模具和PDMS冷卻下來后，您就可以切割您的基底，然后剝離PDMS以便得到您的器件。您可以使用手術(shù)刀來輕松的切割PDMS。在切割的過程中，一定要小心，保持刀片與模具相切，不要破壞掉模具。

在剝離的過程中，只需要輕輕拉動(dòng)PDMS就可以輕松的將其取出。如果PDMS緊固的粘貼在晶圓上，那么可能是因?yàn)槟鷽]有對模具做硅烷化處理或者是PDMS制作的不夠好。

在此步驟中，請務(wù)必戴手套操作，以免在您的PDMS上添加脂肪類的手印或其他印痕。因?yàn)檫@些手印或印痕很難清除并且對后續(xù)的加工會(huì)造成較大的問題。

7、PDMS復(fù)制：PDMS復(fù)制和打孔（PDMS打孔器）

在這個(gè)時(shí)候，您已經(jīng)有了器件所需要的全部PDMS，您必須進(jìn)行切割才能得到不同的芯片。像之前一樣，您可以使用手術(shù)刀來做一點(diǎn)。

在這個(gè)步驟中，如果您想要稍后添加或者移除液體，那么您必須在PDMS中加工若干小孔，也就是對PDMS進(jìn)行打孔。要做到這一點(diǎn)，您可以根據(jù)使用的導(dǎo)管大小來選擇合適的鉆孔機(jī)。由于PDMS是一種軟質(zhì)材料，所以在打孔時(shí)，需要把孔的尺寸加工的比導(dǎo)管的尺寸稍微小一些，如此，導(dǎo)管將會(huì)牢牢地維持在芯片上并且還會(huì)減少泄漏問題。

請確保在此步驟中要佩戴手套，不要在PDMS上面留下脂肪印痕等，否則其會(huì)很難清除。PDMS上遺留的脂肪印痕等會(huì)對后續(xù)的加工過程造成一定的影響。

8、PDMS復(fù)制：PDMS鍵合（PDMS批量注塑成型機(jī)）

最后一步是鍵合您的PDMS器件以此來獲得密封的通道或溝道。PDMS可以被鍵合粘貼到另一塊PDMS或玻璃上，兩者的鍵合協(xié)議或規(guī)則是相同的。在進(jìn)行鍵合操作之前，每一個(gè)部件都必須要進(jìn)行良好的清潔以便清除表面上所有的灰塵、顆粒。您可以使用異丙醇（IPA）來清潔您的PDMS和玻璃片，您甚至可以使用超聲波清洗液來對表面和PDMS孔的內(nèi)部進(jìn)行清潔。

為了鍵合PDMS，您需要活化PDMS或玻璃的表面，將PDMS的Si-CH3官能團(tuán)轉(zhuǎn)換為Si-OH官能團(tuán)，當(dāng)您按壓相同的官能團(tuán)時(shí)，您將創(chuàng)建強(qiáng)大而永久的Si-O-Si鏈接。為此，最常用的工具是使用具有氧氣或空氣功能的等離子清洗機(jī)。為了產(chǎn)生更好的等離子體，您必須控制等離子清洗機(jī)腔室內(nèi)的壓力。我建議在500mTorr的壓力下，部分設(shè)備可以幫助您實(shí)現(xiàn)完美的等離子處理如Equinox。為了使表面功能化，等離子體處理時(shí)間不必很長，2分鐘的處理時(shí)間就可以與玻璃或PDMS形成牢固的結(jié)合。不過，在某些實(shí)驗(yàn)條件下，等離子體處理時(shí)間也可能會(huì)小于2分鐘。