MEMS 笔记 | 利用 SU-8 模具加工聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控器件

写在前面

本文为个人学习笔记，主体译自 “Fabrication of Polydimethylsiloxane Microfluidics Using SU-8 Molds”，作者为加州大学欧文分校机械工程系 Rabih Zaouk、Benjamin Y. Park 和 Marc J. Madou．内容涵盖利用 SU-8 模具制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控器件的工艺步骤与注意事项，此外还补充了一些 Microchem 技术手册中的内容，便于后续查阅与参考．

所有像这样放置在引用块的部分，均为笔者补充的内容．

摘要

本文介绍了一种广泛使用的工艺——利用 SU-8 模具进行聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型，加工微流控腔室和通道．尽管注塑等方法在大规模生产和成本方面更具优势，但由于其工艺简便、周期短，PDMS 模具成型几乎专用于企业与科研环境中的快速原型制作．

1. 引言

本章将介绍一种利用 SU-8 模具在 PDMS 中制备微流控通道的工艺流程．这一相对简单的工艺在科研领域被广泛用于微流控器件的原型开发．图 1 展示了 PDMS 微流控器件的制备流程．

2. 材料

设备

紫外（UV）面曝光机（见注释 1）．
光刻胶旋涂机．
烘箱或加热板（见注释 2）．

耗材（见注释 3）

硅（Si）晶圆（见注释 4）．
SU-8 光刻胶（MicroChem，公司位于美国马萨诸塞州牛顿）（见注释 5）．
SU-8 光刻胶显影液（MicroChem）．
丙酮．
异丙醇（IPA）．
Sylgard® 184 硅橡胶套装（Dow Corning，公司位于美国密歇根州米德兰）．
脱模剂（见注释 6）：三甲基氯硅烷（Sigma-Aldrich，公司位于美国密苏里州圣路易斯）或三十三氟-1,1,2,2-四氢辛基-1-三氯硅烷（United Chemical Technology，公司位于美国宾夕法尼亚州布里斯托尔）．

译者注：
后面那个一长串东西的 CAS 号为 78560-45-9，全氟辛基三氯硅烷，可在材料表面形成自组装单分子层，常用于疏水处理，环境中不可降解，致癌．

3. 方法

3.1 掩膜制作

可使用 Macromedia Freehand®、Autodesk AutoCAD® 等绘图与计算机辅助设计（CAD）软件来设计微流控器件的掩膜．

对于具有较小特征尺寸的器件，通常使用玻璃或石英掩膜；而对于特征尺寸相对较大的器件（>50 μm），可使用价格更低的透明胶片作为掩膜材料．掩膜图形可通过高分辨率打印机直接打印在常规透明胶片上即可．

在 2025 年的今天，仅需极低的成本（100 ~ 200 元）即可在淘宝加工最小线宽 10 um 的光绘菲林掩膜

对于更小的线宽，一般采用铬版掩膜进行加工，5 英寸铬版价格约 1000 元

3.2 旋涂 SU-8 光刻胶并进行软烘烤

将 SU-8 光刻胶通过光刻胶旋涂机涂覆在硅晶圆表面，旋涂转速应满足所需的膜厚．

从冷藏室取出光刻胶后，应先回温，再启瓶，避免光刻胶吸水，分辨率降低．

例如，若使用 SU-8 100 制备厚度为 100 μm 的 SU-8 膜，先以 500 rpm 旋涂 5 秒，使光刻胶均匀铺展，然后以 3000 rpm 旋涂 30 秒，获得最终厚度（见注释 7）．

对于厚膜，由于表面张力的作用几乎不可避免的会在晶圆边缘形成边缘珠（edge bead），精度要求不高时可以忽略．

随后，对晶圆进行软烘烤（soft bake），时间与温度应根据膜厚要求确定（见注释 8）．以 100 μm 膜厚为例，软烘条件为：65 °C 烘 10 分钟，再以 95 °C 烘 30 分钟．

采用双阶段烘烤可降低因热效应产生的内应力．

SU-8 光刻胶不需要一些厚膜正胶必须进行的水化（rehydration）过程，相反，脱水有助于其曝光．

3.3 曝光

将透明胶片光掩膜夹在涂有 SU-8 光刻胶的硅晶圆与一片空白玻璃板之间．将样品放入紫外曝光机，在设定的曝光剂量下进行曝光（本例为 400 mJ/cm²）．

如何计算曝光时长？
首先根据膜厚从光刻胶手册确定 Exposure Energy，然后代入下式：
$$ Exposure Time(s) = \frac{Exposure Energy (mJ \cdot cm^{-2}) }{Light Intensity (mW \cdot cm^{-2} )} $$
通过紫外光辐射计可以确定光强，笔者实验室光刻机工作波长为 I-line，测量可得光强 $25 mW \cdot cm^{-2}$ ，因此对于 $400 mJ \cdot cm^{-2}$的目标曝光剂量，曝光时长为 16 s

3.4 曝光后烘烤（PEB）

曝光完成后，进行后烘烤（postexposure bake，见注释 8），以选择性地交联曝光区域的光刻胶．本例条件为：65 °C 烘 1 分钟，随后 95 °C 烘 10 分钟．

在 95°C 下进行 1 分钟的 PEB（后烘烤）后，应当能在 SU-8 2000 光刻胶涂层中看到掩膜的图像．如果在 PEB 过程中或之后都没有看到可见的潜像，这意味着曝光、加热或两者都不足．
— SU-8 2000 Permanent Negative Epoxy Photoresist¹

实测 65 °C 预加热过程中就可以看到被固化的图案．

3.5 显影

将 SU-8 显影液倒入烧杯，并准备一个装有新鲜显影液的喷瓶．将样品放入显影液中显影，直至所有未曝光的 SU-8 完全去除．

判断显影是否完成的方法是：取出样品，用新鲜显影液喷洗，再用异丙醇冲洗，最后用氮气轻柔吹干．

和其他光刻胶一样，将掩膜浸泡在显影液中，摇动容器也可以显影，但 Microchemicals 手册称会降低分辨率．

SU-8 显影液的主要成分为 PGMEA，油漆味非常重，注意防护．

这里省略了 Hard Bake，为了获得永久固化层，可以进行 150 °C，5 ~ 30 min 的硬烘烤以提高交联度．但降温时一定一定要缓慢降温，不要直接取出硅片放置在冰冷的台面上．

3.6 涂覆脱模层

将样品置于干燥器中，暴露于三十三氟-1,1,2,2-四氢辛基-1-三氯硅烷蒸气中 2 小时，即可形成脱模层．滴加两到三滴试剂即可满足需要．

3.7 PDMS 成型

将 Sylgard® 184 套装中的 PDMS 低聚物与交联剂按 10:1 的质量比混合．一个简便的混合方法是将两种组分置于一次性塑料袋中，热封后用手揉捏混匀；也可使用一次性叉子进行混合．

混合完成后，可将其置于真空环境中进行脱气．将脱气后的 PDMS 混合物倒覆在硅/SU-8 模具上，在 65 °C 下固化 1 小时（见注释 9）．未用完的混合物可放置于冰箱或冷冻室保存，以备后用．

实测在冷藏室中保存，PDMS 依然会缓慢固化，长期保存还是需要低温冷冻．

固化冷却后，小心地将 PDMS 从模具上剥离（见注释 10）．该过程可获得一片透明的聚合物薄膜，其内部包含与光刻胶阳模结构对应的通道与腔室．

3.8 PDMS 微流控器件的组装

最后一步，将 PDMS 薄膜与一块平面基底进行封接，以完成微流控器件的制备．若器件不需承受高压，可直接通过手动施压使 PDMS 与基底贴合．

若需要获得牢固的结合，则可采用氧等离子体处理玻璃基底与 PDMS 薄膜，并在处理后立即将两者压合，即可形成强力键合．

注释

多层模具需要使用对准机（alignment machine）．对准机可在多次曝光过程中，将掩膜与已有图形进行精确对准．
所有烘烤时间均基于加热板（hot plate）条件给出．所有烘烤步骤也可使用烘箱完成，但烘烤时间可能有所不同．

Microchemicals 建议避免使用烘箱加热：
在对流烘箱中烘烤时，光刻胶表面可能会形成一层膜，这层膜会阻碍溶剂的挥发，从而导致薄膜干燥不完全和/或烘烤时间延长．
— SU-8 2000 Permanent Negative Epoxy Photoresist¹

操作过程中应全程佩戴防护装备，包括化学防护手套与安全护目镜．在开始任何工艺前，应查阅所有化学品的材料安全数据表（MSDS），以了解其毒性、易燃性和操作注意事项．
硅晶圆过薄会导致模具容易破裂．标准硅晶圆厚度为 500 μm．
SU-8 光刻胶应储存在密闭容器内，置于阴凉、避光处．仅在黄色光环境下操作．
脱模剂应在氮气保护下储存和操作．该材料的闪点极低（−18 °C）．
光刻胶旋涂后常会产生气泡，可用锋利物体小心刺破，迅速去除．
所有烘烤步骤完成后，应让样品缓慢冷却至室温（至少 15 分钟）再进行后续加工，以减少内应力．该热松弛过程对模具的完整性至关重要．
PDMS 的固化过程也可在室温下长时间（24 小时或更久）进行，以便更容易将 PDMS 从模具上剥离．经良好抛光且无氧化层的硅晶圆，通常可作为最佳基底，有助于 PDMS 的脱模．
可使用刀具沿晶圆边缘切割 PDMS，以便更容易剥离．

SU-8 2000 Permanent Negative Epoxy Photoresist. ↩︎ ↩︎

写在前面#

摘要#

1. 引言#

2. 材料#

设备#

耗材（见注释 3）#

3. 方法#

3.1 掩膜制作#

3.2 旋涂 SU-8 光刻胶并进行软烘烤#

3.3 曝光#

3.4 曝光后烘烤（PEB）#

3.5 显影#

3.6 涂覆脱模层#

3.7 PDMS 成型#

3.8 PDMS 微流控器件的组装#

注释#