PDMS芯片加工工艺详解
本文全面解析PDMS芯片加工工艺，涵盖掩膜制作、光刻流程、PDMS浇筑与TMCS处理脱模技巧、等离子键合技术等关键步骤，详细对比不同工艺的优缺点，并提供高深宽比结构脱模优化方案。
一、PDMS芯片概述
定义
PDMS（聚二甲基硅氧烷）芯片是一种基于柔性有机硅材料的微流控器件，通过微纳加工技术在PDMS基底上构建微米级通道、腔室及功能结构，广泛应用于生物医学、化学分析、微流体操控等领域。
核心优势
生物相容性：无毒且适合细胞培养
光学透明性：透光率>90%（可见光范围）
透气性：允许气体交换（如细胞培养中CO₂/O₂渗透）
柔性加工：可复制纳米至毫米级结构
局限性
机械强度低：易撕裂，长期使用易变形
表面疏水性：需等离子处理增强亲水性
耐溶剂性差：易被有机溶剂（如丙酮、乙醇）溶胀
二、掩膜制作工艺
1. 菲林掩膜
材料：高分辨率透明胶片（线宽大于20um）
工艺：
使用激光光绘机或高精度打印机输出设计图案
显影定影后获得二元化（透明/不透明）掩膜
优点：成本低（单张约100元）、快速迭代
缺点：边缘粗糙度高，寿命短
2. 铬板掩膜
材料：玻璃基底镀铬层（厚度80-100 nm）
工艺：
电子束曝光或激光直写刻蚀铬层
分辨率可达1 μm以下
优点：精度高、寿命长（>1000次）
缺点：成本高（600-800/片）
选择建议：
对流到精度要求低的推荐菲林掩膜
量产或高精度需求选择铬板
三、光刻工艺流程
1. 基片预处理
硅片/玻璃片超声清洗（丙酮→异丙醇→去离子水）
脱水烘烤（150℃, 10 min）
必要时进行氧等离子处理（提高表面亲水性，增强SU-8附着力）
2. 光刻胶选择
参数 | SU-8负胶 | AZ正胶（如AZ 5214） |
曝光后行为 | 曝光区域交联固化（不可溶） | 曝光区域化学键断裂（可溶） |
显影结果 | 未曝光区域被显影液溶解 | 曝光区域被显影液溶解 |
光敏感波长 | 365 nm（i-line） | 365 nm或405 nm（g-line/i-line） |
2. 结构特性对比
参数 | SU-8负胶 | AZ正胶 |
分辨率 | 1–300 μm（适合高深宽比结构） | 0.5–2 μm（适合高精度线条） |
深宽比 | 可达20:1（如300 μm厚胶） | 通常<5:1（厚度<10 μm时） |
侧壁形貌 | 近垂直（曝光剂量优化后） | 直壁或轻微正锥角 |
机械强度 | 高（交联后硬度类似塑料） | 低（显影后胶层较脆） |
3. 光刻步骤
匀胶：旋涂光刻胶（转速500-3000 rpm，厚度1-300 μm）
前烘：热板或烘箱中分阶段加热，避免热应力（例如65℃预热5分钟，95℃烘15-60分钟，依厚度调整）
曝光：紫外光（i-line, 365 nm）照射，剂量100-400 mJ/cm²
后烘（仅负胶）：促进交联反应，热板或烘箱中分阶段加热，避免热应力（例如65℃预热5分钟，95℃烘15-60分钟，依厚度调整）
显影：
正胶：0.5% TMAH溶液
SU-8：PGMEA溶剂
步骤：
浸入显影液轻摇1-3分钟，未曝光部分溶解。
异丙醇漂洗，氮气吹干。
检查结构完整性，必要时二次显影。
坚膜：150℃ 5min (SU-8推荐)
硅烷化：常用tmcs处理，也可以用氟硅烷处理（参考衔接）
关键参数：
对准精度：±2 μm（需掩膜对准机）
曝光深度控制：能量密度×时间
四、PDMS浇筑与脱模
1. PDMS配制
基胶与固化剂比例：
标准硬度：10:1（w/w）
柔性需求：5:1（适用于可拉伸器件）
混合脱泡：
离心脱泡：2000 rpm × 5 min
真空脱泡：-90 kPa至气泡消失（约30 min）
2. 浇筑成型
倾注PDMS至模具表面（厚度建议>3 mm防撕裂），避免气泡
固化条件：
常规固化：80～90℃ × 1h
快速固化：120℃ × 20 min（需验证热膨胀影响）
3. 脱模操作
冷却至室温避免热应力
从边缘缓慢剥离（推荐使用手术刀片辅助）
异丙醇冲洗去除残留未固化PDMS
氮气吹干保存
注意事项：
高深宽比结构（>5:1）需浸泡乙醇降低粘附力
避免直接接触通道区域（镊子使用硅胶头）
SU-8厚度控制：旋涂速度与粘度决定厚度，需校准参数
曝光剂量优化：避免欠曝（结构不完整）或过曝（细节损失）
温度梯度：前烘和后烘需缓慢升降温，防止SU-8开裂
脱模技巧：PDMS柔性好，但复杂结构需小心剥离，避免撕裂或无法脱模
五、PDMS键合工艺
1. 表面活化处理
等离子处理（不同厂家等离子以实际为准）：
参数：50 W, 30 s, O₂流量50 sccm
效果：生成Si-OH键，有效期<10 min
化学处理：通过化学处理提高键合强度
2. 键合操作
将PDMS与玻璃/另一片PDMS对准贴合
施加均匀压力（~10 kPa）
二次固化：75℃ × 1 h增强结合力
键合质量检测：
显微镜观察界面无气泡
压力测试：通入液体至破裂压力（通常>30 psi）
六、总结与优化建议
掩膜设计：根据掩膜工艺设计不同线宽
脱模剂处理：模具需要进行硅烷化处理方便脱模
快速原型方案：3D打印模具（精度50 μm）+ PDMS浇筑（总周期<6 h）
参考文献：
Whitesides, G. M. (2001). Soft Lithography in Biology and Biochemistry.
Xia, Y. N. (1998). Soft Lithography. Angewandte Chemie.
此工艺指南基于实验室级生产环境编写，如有疑问，可以联系我们技术人员。
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