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要約

このプロジェクトは、小規模な研究所が精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすいプラットフォームを開発することを可能にします。このプラットフォームは、<10 μmの配向誤差を有する多層マイクロ流体デバイスを用いた3次元プリントされた顕微鏡マスクアライメントアダプタで構成されています。

要約

このプロジェクトは、クリーンルームの設定で高価な機器を使用してのみ達成できる、精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすく、費用対効果の高いプラットフォームを開発することを目的としています。プラットフォームの重要な部分は、通常の光学顕微鏡および紫外線(UV)光露光システムと互換性のある3次元(3D)プリント顕微鏡マスクアライメントアダプタ(MMAA)です。デバイスの設計を最適化する作業が行われたため、デバイスの作成プロセス全体が大幅に簡略化されました。このプロセスでは、実験室で利用可能な機器の適切な寸法を見つけ、最適化された仕様でMMAAを3Dプリントする必要があります。実験結果は、3Dプリンティングによって設計および製造された最適化されたMMAAが、一般的な顕微鏡および光露光システムで良好に機能することを示している。3DプリントされたMMAAによって作られたマスター型を使用して、多層構造を有する得られたマイクロ流体装置に<10 μmの配向誤差が含まれており、これは一般的なマイクロチップに十分である。UV光暴露システムへの装置の輸送を介した人為的ミスは、より大きな製造ミスを引き起こす可能性がありますが、この研究で達成された最小限のエラーは、実践とケアで達成可能です。さらに、MMAAは、3Dプリントシステムのモデリングファイルに変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズすることができます。このプロジェクトは、マイクロ流体装置を製造および使用する研究所が通常利用できる機器の使用のみを必要とするため、より小規模な研究所に有用な研究ツールを提供します。以下の詳細なプロトコルは、MMAA の設計と 3D 印刷プロセスの概要を示しています。また、MMAAを用いて多層マスター金型を調達し、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)マイクロ流体チップを製造する手順も本明細書に記載する。

概要

マイクロ流体プラットフォームを採用したアプリケーションの広大な広がりのために、工学研究の高度かつ有望な分野は、微細加工です。微細加工は、異なる化学化合物を使用してμmまたはより小さなサイズの特徴を持つ構造を製造するプロセスです。マイクロ流体研究が過去30年間に発展してきたため、ソフトリソグラフィは、ポリ(ジメチルシロキサン)または類似物質から作られたマイクロチップを製造する最も一般的な微細加工技術となっています。これらのマイクロチップは、一般的な実験室の実践1、2、3、4の微細化に広く使用されており、エンジニアが反応プロセス5、6、7、研究反応機構、およびヒトの体内で見られる器官(例えば、臓器オンチップ)8、9、10を模倣するための強力な研究ツールとなっています。しかし、アプリケーションの複雑さが増すにつれて、より複雑なマイクロ流体デバイス設計は、模倣することを意図した現実のシステムのより良い複製を可能にすることが典型的である。

基本的なソフトリソグラフィ手順は、基板をフォトレジスト物質でコーティングし、被覆基板をUV光11に施す前に被覆された基板の上に置くことを含む。フォトマスクは、マイクロ流体デバイスチャネルの所望のパターンを模倣する透明領域を有する。被覆基板をUV光に当てると、透明領域がUV光をフォトマスクに透過させ、フォトレジストが架橋される原因となる。露光ステップの後、非架橋フォトレジストは、現像物を用いて洗い流され、意図されたパターンで固体構造を残す。マイクロ流体デバイスの複雑さが大きくなるにつれて、非常に正確な寸法を持つ多層構造が必要になります。多層微細加工のプロセスは、単層微細加工に比べてはるかに困難です。

多層微細加工では、第1層の特徴と第2マスクの設計を正確に配置する必要があります。通常、このプロセスは、高価であり、機械を操作するための訓練を必要とする商用マスクアライナーを使用して実行されます。したがって、多層微細加工のプロセスは、通常、そのような努力のための資金や時間を欠いている小規模な実験室のために達成不可能です。いくつかの他のカスタムメイドのマスクアライカが開発されているが、これらのシステムは、多くの場合、多くの異なる部品の購入と組み立てを必要とし、まだ非常に複雑な12、13、14することができます。これは、小規模な研究所の場合に高価なだけでなく、システムを構築、理解、使用するための時間とトレーニングが必要です。本稿に詳述されているマスクアライナーは、追加の機器の購入は必要なく、マイクロ流体装置を製造および使用する実験室に既に存在する機器のみを必要とするため、これらの問題を緩和しようとしました。さらに、マスクアライナーは、3Dプリンティング技術の最近の進歩に伴い、手頃なコストでほとんどの研究所や大学に容易に利用できるようになった3Dプリンティングによって製造されています。

本稿で詳述するプロトコルは、費用効果が高く、操作が容易な代替マスクアライナーを作ることを目的としている。本明細書に詳述されるマスクアライナーは、従来の製造設備を持たない研究所にとって多層微細加工を可能にすることができる。顕微鏡マスクアライメントアダプター(MMAA)を使用して、複雑な特徴を持つ機能性マイクロチップは、通常のUV光源、光学顕微鏡、および一般的な実験装置を使用して達成することができます。結果は、MMAAが直立顕微鏡とUV光暴露ボックスを使用したサンプルシステムで良好に機能することを示しています。3D印刷プロセスを用いて製造されたMMAAは、最小の配位置誤差を伴うヘリンボーンマイクロ流体デバイスの二層マスター金型を取得するために使用された。3DプリントMMAAで製作されたマスターモールドを使用して、マイクロ流体デバイスは、<10 μmのアライメントエラーを含む多層構造で調製しました。<10 μmのアライメント誤差は、マイクロ流体デバイスの適用を妨げないように十分に最小限に抑えられます。

また、MMAAを用いて製造された4層マスターモールドのアライメントが成功し、位置合わせ誤差が<10μmと判定されました。マイクロ流体デバイスの機能と最小のアライメントエラーは、マルチレイヤマイクロ流体デバイスの作成におけるMMAAの正常な適用を検証します。MMAAは、3Dプリンタでファイルに小さな変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズできます。以下のプロトコルは、各ラボで利用可能な機器に合わせて MMAA を微調整し、必要な仕様で MMAA を 3D プリントするために必要な手順を概説します。さらに、このプロトコルは、システムを使用して多層マスター金型を開発し、その後、マスターモールドを使用してPDMSマイクロ流体デバイスを生成する方法を詳述しています。マスターモールドとマイクロ流体チップの生成は、ユーザーがシステムの有効性をテストすることができます。

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プロトコル

1. MMAAの設計

  1. 図1に示すウェハホルダ(またはUV露光部)の寸法の上限となる利用可能なUV発光システムのトレイの寸法を取得する。図2Aに示すように、内側の円形リムの直径(d)、UV発光システムのトレイの内側の高さ(h)、全幅(w)、トレイの長さ(l)を測定します。
    注:例として、利用可能なUV光露光システムは、4インチの円形の切り抜きで5インチ(")x 5"x 0.25"の内側のトレイの寸法を持っていました。MMAA の寸法は、 図 2Bに示すように、内部トレイの寸法が適切に収まるように設計され、システムのトレイ内に平らに配置されます。図 3 を参照してください MMAA の 3D プリント部分: フォトレジストコーティングされたシリコン ウェーハと、セットアップを顕微鏡に固定するためのファスナーを参照してください。
  2. スライドホルダを所定の位置に保持する、使用可能な直立した顕微鏡ステージのねじの間の長さを測定します。さらに、ねじの幅を測定します。これらの寸法を適用して、使用可能な顕微鏡に合わせて磁気ホルダー(図1)をカスタマイズし、MMAAを顕微鏡に簡単かつ正確に固定できるようにします(図4A)。
  3. 利用可能なコンピュータ設計アプリケーションを使用して、測定された寸法内に収まるようにウェハホルダーと磁気顕微鏡ファスナーをカスタマイズします。ウエハーホルダーの高さ、幅、長さを、UV発光システムのトレイの高さ(h)、幅(w)、長さ(l)以上にする必要があります。また、UV発光システムのトレイと同じ直径(d)のウエハホルダーの底部に円形のカットアウトを含めます。デバイスの 3D 印刷に使用する MMAA の 2 つの部分の STL ファイルまたは CAD ファイルを生成します ( 補足資料を参照)。

2.3D MMAA の印刷

  1. 生成された STL または CAD ファイルを、使用可能な 3D プリント ソフトウェアにアップロードします。3D-使用する3Dプロセスとプリンタの適切な手順に従って、MMAAの2つの部分を印刷します。必要なポスト印刷手順(例えば、支持材料の除去、未硬化樹脂の除去、追加の洗浄または硬化ステップ)に従って、この部分を完成させます。あるいは、利用可能な3D印刷機能を使用して、設計された部分を印刷して他の場所で完成させます。
  2. ウェハホルダーがうまくフィットし、利用可能なUV光露光システムのトレイ内に平らに座っていることを確認します(図2B)。さらに、顕微鏡ファスナーが顕微鏡ステージに取り付けられ、顕微鏡ステージのx位置とy-位置を制御するノブを使用して容易に移動できることを確認します(図4A)。
  3. ピースが完成したら、スーパーグルーやその他の固定物質を使用して、マグネットをウェハホルダーと顕微鏡ファスナー(図3A)に挿入して固定します。システムをテストする前に接着剤を乾燥させます。
    注:必要に応じて、プロタイプの作品は、リソースとお金15を節約するために、FDM(融合デポジションモデリング)3Dプリンタを使用して最初に印刷することができます。このプロタイプは、利用可能な機器に正確に適合するために評価され、必要に応じて設計を修正することができます。最終的な装置はより正確なプロセス(例えば、ステレオリソグラフィー)を使用して印刷することができるので、より良い精度を得ることができます。最終的な装置はまた顕微鏡の下で最適使用のための半透明の終わりと印刷することができる。

3. MMAAの実験的試験

  1. マイクロ流体デバイスフォトマスクの設計と印刷
    1. コンピュータ設計アプリケーションを使用して、目的の二層マイクロ流体デバイス用のフォトマスクを設計します。
    2. 図 5A,Bに示すように、位置合わせマーカー(フォトマスク/マスター金型の端に近い)として機能するマイクロ流体デバイスチャネル構造の側面に追加の構造を含める。マイクロ流体デバイスの各側に1つのアライメントマーカーがあることを確認します(合計で4つ以上)。さらに、フォトマスクにシリコンウェーハの直線エッジと完全に一致する直線エッジが含まれていることを確認してください。
      注: アライメント マーカー構造の複雑性が高いほど、追加のレイヤーの位置合わせ精度が向上します。少なくとも、1 mm x 1 mm の測定を持つ単純なクロス構造を使用する必要があります (図 6A)。アライメントマーカーの例は、二重層マスター金型を生成するために使用される第1層および第2層フォトマスクを示す図5A、Bの角と下中間端に見ることができます。
    3. フォトマスクは、商用ベンダーまたは他のアクセス可能な施設を通じて印刷します
  2. MMAA(フォトリソグラフィ)を用いた二層マスター金型の作成
    1. 標準的なフォトリソグラフィ技術とフォトレジストメーカーの指示を使用して、第1層フォトマスク16を使用してマスターモールドの第1層を作成する。適切なフォトレジスト(すなわち、SU−8)を備えた4インチシリコンウエハを使用して、所望の層厚さを作成する。位置合わせマーカーを識別しやすいように、最初の層の厚さが後続のレイヤーよりも大きいことを確認します。
    2. 明るい色のマーカー ペン(金など)を使用して、4 つの側面すべてで最初のレイヤーの位置合わせマーカーを色分けします。
    3. フォトレジストメーカーの指示を用いて、フォトレジストをウエハにスピンコーティングし、ソフトベーク16を行うことにより、マスターモールドの第2層を開始する。コーティングされたウエハをMMAAのウェハホルダー(図3B)に挿入し、テープを使用してコーティングされたウエハをMMAAに固定します。
    4. 磁気顕微鏡ファスナーを使用して、利用可能なアップリライト顕微鏡にウェハホルダーを取り付けます(図4A)。ウエハの着色されたアライメントマーカーの1つが顕微鏡レンズを通して見えるまで、顕微鏡ステージのx方向およびy方向ノブを使用してMMAAの位置を移動します。
    5. 2層目のフォトマスクを、塗られたウェハの上部にあるウェハホルダーに挿入する(図3C)。最初のレイヤーの色付きの配置マーカーがフォトマスクの配置マーカーを通して部分的に見えるようにします。
    6. サイドの切り抜き(図4B)の1つをテープで通して、フォトマスクをシザーリフト(サポートジャックとも呼ばれる)に取り付けます。はさみリフトを使用して、フォトマスクのZ方向位置を、被覆されたウェハのすぐ上に置くまで調整します(図3C)。
      注:はさみリフトは、シザーリフトを使用して、付属のフォトマスクの位置をZ方向に移動させることができるため、フォトマスクのZ位置を微調整することができます。
    7. フォトマスクを静止したまま、顕微鏡レンズを見て、フォトマスクの位置合わせマーカーの下にある第1層の着色アライメントマーカーを特定します。顕微鏡ステージのx方向およびy方向ノブを使用して、MMAAの位置を移動します(図4D)。顕微鏡レンズを通して位置合わせマーカーの位置を観察して、フォトマスクの位置合わせマーカーが第1層の着色アライメントマーカー(図6A,B)と重畳されるまで、MMAAの位置を調整します。
    8. フォトマスクにわずかな力を慎重に適用し、テープを使用して、コーティングされたウエハーの上にフォトマスクを固定します。フォトマスクをシザーリフトから取り外します。フォトマスク上の 4 つのアライメント マーカーが、最初のレイヤーの 4 つのアライメント マーカーと一致していることを確認します。
    9. アライメントが達成されたら、顕微鏡ステージからウエハホルダーを慎重に取り外します。ウエハとフォトマスクの上にガラスの上板を挿入して、2つの部分の間のギャップを小さくします(図1)。図4Eに示すように、ウエハホルダー全体を利用可能なUV光露光システムに配置します。フォトレジストメーカーの指示16に記載されているように、適切な時間と光強度のために第2の層を露出する。
    10. UV光露光システムからウェハホルダを取り外します。ウェハホルダーから被覆されたウエハを取り外し、ウエハからフォトマスクを取り外します。フォトレジストメーカーの指示16に従って、第2層の処理(例えば、ポストベーク、現像、リンス及び乾燥)を完了する。
      注:正確なスピンコーティング、ソフトベイク、露出、ポストベイク、および現像条件(時間、温度)は、使用されているフォトレジストと所望の層の厚さに基づいて変化します。実際の状況と正確なフォトリソグラフィの手順は、フォトレジストメーカーの指示に基づく必要があります。
  3. マスターモールド(ソフトリソグラフィ)を用いたマイクロ流体装置の調製
    1. マスターモールドを取り出し、テープ付き150ミリメートル×15ミリメートルプラスチックペトリ皿の真ん中にそれを固定します。
    2. メーカーの指示に基づいて、PDMSの〜15〜20 gを準備します。PDMSを真空チャンバーに入れるか、気泡がなくなるまで休ませます。マスターモールドを含むペトリ皿にPDMSを注ぎます。
    3. PDMSが気泡を使いなくなるまで、マスターモールドを持つペトリ皿をカウンタートップに置きます。PDMSが完全に硬化するまで、65 °Cのオーブンにペトリ皿を置きます(少なくとも3時間)。
    4. PDMSを切り取ってマイクロチャネル構造を明らかにする。マイクロチャネル構造の周りのPDMSを別々のマイクロチップにカットし、マイクロ流体デバイスの入口と出口穴を作成します。テープを使用して、PDMS表面に存在する可能性のある小さな微粒子を静かに取り除きます。
    5. PDMSチップをPDMSまたは顕微鏡スライドに接合し、PDMSチップと追加基板をプラズマ処理してマイクロチップ製造を完了します。
  4. 位置合わせエラーの判別
    1. マスターモールドを取得し、アップライト顕微鏡を使用して、第1層と第2層の間のギャップ距離(アライメント誤差)を決定します。これは、マイクロチャネル構造上の第1層から第2層がシフトおよびずれている距離を測定するだけである(測定されたギャップ距離の例については 、図5D を参照)。
    2. 直立顕微鏡を使用して、PDMS チップに、デバイスエッジがはっきりしたチャネルウォールが含まれているかどうかを確認します。さらに、PDMS チップで、デバイスの機能を妨げる可能性のある欠陥がないか確認します。
      注: マスター モールドの製造(セクション 3.2 および 3.3)は、より低い位置合わせエラーを実現するために繰り返す必要があります。MMAAを使用して繰り返し練習することは、よく整列したマスター金型を作成するユーザーの能力を強化するために示されています。また、走査型電子顕微鏡(SEM)(図7)を用いて、配位置誤差を確認して画像を得ることができる。

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結果

MMAAの最適化と使用を通じて(図1)、最小の位置合わせ誤差を伴う多層マスター金型が製作されました。最終的なMMAAは、FFF(FFF)3Dプリントプロセスを用いて作製した(図2)。FFFプロセスは、所望の装置の寸法の精度を向上させます。MMAAは、2つの主要部分(図3)から構成されています(図3):ベースピースとカスタム締結具。ベースピー?...

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ディスカッション

前述のプロトコルは、MMAAを3Dプリントし、システムを使用して正確な、多層、マイクロ流体デバイスマスター金型を作成するための手順を概説します。装置は使いやすいが、マスターモールド層の適切な位置合わせを確実にするために練習と注意を必要とするプロトコル内の重要なステップがある。最初の重要なステップは、MMAAの設計です。MMAA を設計する際には、UV 光露光システム内で適?...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

著者らは、このプロジェクトのための資金を提供するためのテキサス工科大学からの変革的な学部体験センターを認めたいと思います.著者らはまた、テキサス工科大学の化学工学部からの支援を認めたいと考えています。

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資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing FilamentProvided by the Texas Tech University 3D printing facility
BX53, Upright MicroscopeOlympus
Form 2, Stereolithography 3D printerFormlabs
Advanced Hot Plate StirrerVWR97042-642
Isoproyl Alcohol, 70% (v/v)VWRBDH7999-4
Light Colored MarkerSharpie
Magnets, 3 mm x 3 mmWOTOYASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 Silicone Elastomer KitDOW4019862
Petri Dish, 150 mm x 15 mmVWR25384-326
Printed PhotomasksCAD/Art Services, Inc.
Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor LiftVWR12620-904
Silicon WaferUniversity Wafer452
Sodium HydroxideVWR
Sonication BathBransonCPX3800H
Spin CoaterLaurell Technologies CorporationModel WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30MakerBot Industries, LLCSR-30Dissolvable support material for 3D printing
Stratasys uPrint SE 3D PrinterComputer Aided Technology, LLC
SU-8 50KayakuY131269 0500L1GL
SU-8 100KayakuY131273 0500L1GL
SU-8 DeveloperKayakuY020100 4000L1PE
Super glueGorilla Glue
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneSigma-Aldrich448931-10G
TapeScotch
Form Cure, UV Curing ChamberFormlabsFH-CU-01
UV-KUB2, UV Light-Exposure BoxKloeUV-KUB2

参考文献

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