다층 미세 유체 장치의 제조를 위한 입체 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터의 설계 및 개발

요약

이 프로젝트를 통해 소규모 실험실에서는 정밀다층 미세 유체 장치를 제조하기 위한 사용하기 쉬운 플랫폼을 개발할 수 있습니다. 플랫폼은 <10 μm의 정렬 오차가 있는 다층 미세 유체 장치를 사용하여 3차원인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터로 구성됩니다.

초록

이 프로젝트는 일반적으로 깨끗한 실내 환경에서 비용이 많이 드는 장비를 사용하여 달성 할 수있는 정밀한 다층 미세 유체 장치의 제조를위한 사용하기 쉽고 비용 효율적인 플랫폼을 개발하는 것을 목표로합니다. 플랫폼의 핵심 부분은 일반 광학 현미경 및 자외선 (UV) 광 노출 시스템과 호환되는 3차원 (3D) 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터 (MMAA)입니다. 장치 설계를 최적화하기 위해 수행된 작업으로 인해 장치를 만드는 전체 프로세스가 크게 간소화되었습니다. 이 프로세스는 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 적합한 치수를 찾고 최적화된 사양으로 MMAA를 3D 프린팅하는 것을 수반합니다. 실험 결과에 따르면 3D 프린팅에 의해 설계및 제조된 최적화된 MMAA는 일반적인 현미경 및 광 노출 시스템과 잘 어울림합니다. 3D 프릭 MMAA에서 제조한 마스터 몰드를 사용하여 다층 구조가 있는 생성된 미세 유체 장치는 일반적인 마이크로칩에 충분한 <10 μm의 정렬 오류를 포함합니다. 장치의 수송을 통해 UV 광 노출 시스템으로의 인간의 오류는 더 큰 제조 오류를 일으킬 수 있지만,이 연구에서 달성 된 최소한의 오류는 연습과 주의로 달성 할 수 있습니다. 또한 MMAA는 3D 프린팅 시스템의 모델링 파일을 변경하여 모든 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 이 프로젝트는 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에서 이미 사용할 수 있는 장비만 사용해야 하기 때문에 소규모 실험실에 유용한 연구 도구만 제공합니다. 다음 세부 프로토콜은 MMAA의 설계 및 3D 프린팅 프로세스를 간략하게 설명합니다. 또한, MMAA를 이용하여 다층 마스터 몰드를 조달하고 폴리(디메틸실록산) (PDMS) 미세유체 칩을 생산하는 단계도 본원에 설명되어 있다.

서문

엔지니어링 연구에서 잘 발달되고 유망한 분야는 미세 유체 플랫폼을 사용하는 광범위한 응용 분야로 인해 미세 제조입니다. 미세 제조는 서로 다른 화학 화합물을 사용하여 μm 또는 작은 크기의 피처로 구조물이 생산되는 공정이다. 지난 30년 동안 미세유체 연구가 발전함에 따라 소프트 리소그래피는 폴리(디메틸실록산) 또는 이와 유사한 물질로 만든 마이크로칩을 생산하는 가장 인기 있는 미세 제조 기술이 되었습니다. 이러한 마이크로칩은 일반적인 실험실 관행^1,2,3,4의 소형화에 널리 사용되어 왔으며, 엔지니어들이 반응 과정^5,6,7,연구 반응 메커니즘을 모방하고 체외에서 인체에서 발견되는 장기를 모방하는 강력한 연구 도구가 되었다(예를 들어, 장기-온-칩)^8,9,10. 그러나, 응용 프로그램의 복잡성이 증가함에 따라, 보다 복잡한 미세 유체 장치 설계가 실제 시스템을 더 잘 복제할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.

기본 소프트 리소그래피 절차는^{자외선(11)에}기판을 적용하기 전에 포토레지스트 물질로 기판을 코팅하고 코팅된 기판 위에 포토마스크를 배치하는 것을 포함한다. 포토마스크에는 미세유체 장치 채널의 원하는 패턴을 모방하는 투명 영역이 있습니다. 코팅된 기판을 UV 광으로 적용할 때 투명 영역은 자외선이 포토마스크를 통해 침투할 수 있게 하여 포토레지스트가 교차연결될 수 있도록 합니다. 노출 단계 후, 교차되지 않은 포토레지스트는 개발자를 사용하여 씻어 내고 의도된 패턴으로 고체 구조를 남깁니다. 미세 유체 장치의 복잡성이 커짐에 따라 매우 정확한 치수로 다층 구조가 필요합니다. 다층 미세 제조 과정은 단일 층 미세 제조에 비해 훨씬 더 어렵습니다.

다층 미세 제조는 두 번째 마스크의 설계와 첫 번째 층 피처의 정확한 정렬이 필요합니다. 일반적으로 이 프로세스는 상업용 마스크 정렬기를 사용하여 수행되며, 이는 비용이 많이 들고 기계 작업을 위한 교육이 필요합니다. 따라서, 다층 미세 제조 의 과정은 일반적으로 이러한 노력에 대한 자금이나 시간이 부족한 작은 실험실에 대해 달성 할 수 없습니다. 여러 개의 다른 맞춤형 마스크 정렬기를 개발했지만, 이러한 시스템은 종종 많은 다른 부품의 구매 및 조립이 필요하며 여전히 매우 복잡한¹²,^13,14일수 있습니다. 이는 소규모 실험실에 비용이 많이 들 뿐만 아니라 시스템을 구축, 이해 및 사용하기 위한 시간과 교육이 필요합니다. 이 백서에 자세히 설명된 마스크 정렬기는 추가 장비를 구입할 필요가 없으므로 이러한 문제를 완화하기 위해 노력했으며, 일반적으로 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에 이미 존재하는 장비만 요구합니다. 또한, 마스크 얼라이너는 3D 프린팅 기술로 제작되었으며, 최근 3D 프린팅 기술이 발전하면서 대부분의 실험실 및 대학에서 저렴한 비용으로 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다.

이 백서에 자세히 설명된 프로토콜은 비용 효율적이고 조작이 용이한 대체 마스크 리정렬기를 만드는 것을 목표로 합니다. 본 명세서에 상세한 마스크 정렬기는 기존의 제조 시설없이 연구 실험실에 대한 다층 미세 제조를 가능하게 할 수 있습니다. 현미경 마스크 정렬 어댑터(MMAA)를 사용하여 복잡한 기능을 갖춘 기능성 마이크로칩은 일반 UV 광원, 광학 현미경 및 일반적인 실험실 장비를 사용하여 달성할 수 있습니다. 결과는 MMAA가 똑바로 현미경 및 UV 광 노출 상자를 사용하여 예 시스템과 잘 수행한다는 것을 보여줍니다. 3D 프린팅 공정을 사용하여 생산된 MMAA는 최소한의 정렬 오차를 가진 헤링본 미세 유체 장치의 이중 레이어 마스터 몰드를 획득하는 데 사용되었습니다. 3D 프릭 MMAA로 제작된 마스터 몰드를 사용하여 <10 μm의 정렬 오류를 포함하는 다층 구조로 미세 유체 장치를 제조하였다. <10 μm의 정렬 오차는 미세 유체 장치의 적용을 방해하지 않을 만큼 최소화됩니다.

또한, MMAA를 이용하여 생산된 4층 마스터 몰드의 성공적인 정렬이 확인되었고, 정렬 오차는 <10 μm으로 결정되었다. 미세 유체 장치의 기능과 최소 정렬 오류는 다층 미세 유체 장치를 만드는 데 MMAA의 성공적인 적용을 검증합니다. MMAA는 3D 프린터의 파일을 약간 변경하여 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 각 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 맞게 MMAA를 미세 조정하고 MMAA에 필요한 사양을 3D 인쇄하는 데 필요한 단계를 간략하게 설명합니다. 또한, 프로토콜은 시스템을 이용하여 다층 마스터 몰드를 개발하고 이후에 마스터 몰드를 사용하여 PDMS 미세 유체 장치를 생성하는 방법을 자세히 설명한다. 마스터 몰드와 미세 유체 칩의 생성은 사용자가 시스템의 효과를 테스트 할 수 있습니다.

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프로토콜

1. MMAA 설계

1. 도 1에도시된 웨이퍼 홀더(또는 UV 노출 단위)의 치수에 대한 상한이 되는 사용 가능한 UV 광 방출 시스템의 트레이의 치수를 획득한다. 도 2A에도시된 바와 같이, 내부 원형 림의 직경(d)을 측정하고, UV 광 방출 시스템의 트레이의 내부 높이(h), 트레이의 총 폭(w) 및 길이(l)를 측정한다.
   참고: 예를 들어, 사용 가능한 UV 광 노출 시스템은 4인치 원형 컷아웃이 있는 5인치(") x 5" x 0.25"의 내부 트레이 치수를 가지고 있었습니다. 그런 다음 MMAA의 치수는 도 2B에표시된 대로 내부 트레이 치수보다 크지 않고 적절하게 맞고 시스템의 트레이 내에 평평하게 앉을 수 있도록 설계되었습니다. MMAA의 3D 인쇄 된 조각에 대한 그림 3을 참조하십시오 : 포토 레지스트 코팅 실리콘 웨이퍼와 현미경에 설정을 해결하기 위해 패스너.
2. 슬라이드 홀더를 제자리에 고정하는 사용 가능한 직립 현미경 스테이지의 나사 사이의 길이를 측정합니다. 또한 나사의 너비를 측정합니다. 이러한 치수를 사용하여 자기홀더(도 1)를사용자 정의하여 사용 가능한 현미경에 맞게 MMAA를 현미경(도4A)에쉽고 정밀하게 고정할 수 있도록 한다.
3. 사용 가능한 컴퓨터 설계 응용 프로그램을 사용하여 웨이퍼 홀더와 자기 현미경 패스너를 측정된 치수 에 맞게 사용자 정의합니다. 웨이퍼 홀더의 높이, 너비 및 길이를 UV 광 방출 시스템의 트레이의 높이(h), 너비(w) 및 길이(l)보다 크지 않은 것으로 디자인합니다. 또한, UV 광 방출 시스템의 트레이와 동일한 직경(d)을 가진 웨이퍼 홀더의 바닥에 원형 컷아웃을 포함한다. 장치의 3D 프린팅에 사용할 MMAA의 두 조각에 대해 STL 또는 CAD 파일을 생성합니다(보충 자료참조).

2.3D MMAA 인쇄

1. 생성된 STL 또는 CAD 파일을 사용 가능한 3D 프린팅 소프트웨어에 업로드합니다. 사용 된 3D 프로세스 및 프린터에 대한 적절한 절차를 따라 MMAA의 두 조각을 3D 인쇄하십시오. 필요한 인쇄 후 단계(예: 지지 재료 제거, 경화되지 않은 수지 제거, 추가 세척 또는 경화 단계)에 따라 조각을 완성하십시오. 또는 사용 가능한 3D 프린팅 시설을 사용하여 설계된 조각을 인쇄하고 다른 곳에서 완료할 수 있습니다.
2. 웨이퍼 홀더가 잘 맞는지 확인하고 사용 가능한 UV 광 노출시스템(도 2B)의트레이 내부에 평평하게 앉아 있습니다. 또한 현미경 패스너가 현미경 단계에 부착되어 현미경단계(그림 4A)의x 및 y-위치를 제어하는 손잡이를 사용하여 쉽게 이동할 수 있는지 확인합니다.
3. 조각이 완성되면, 삽입 및 웨이퍼 홀더와 현미경 패스너(그림 3A)에자석을 고정, 슈퍼 접착제 또는 다른 고정 물질을 사용하여. 시스템을 테스트하기 전에 접착제가 건조되도록 하십시오.
   참고: 원하는 경우 FDM(FDM) 3D 프린터를 사용하여 프로타입 조각을 인쇄하여 리소스와 비용^15를절약할 수 있습니다. 그런 다음 이 프로타입은 사용 가능한 장비에 정확하게 맞도록 평가할 수 있으며 필요한 경우 설계를 수정할 수 있습니다. 그런 다음 최종 장치를 보다 정확한 프로세스(예: 스테레오리소그래피)를 사용하여 인쇄하여 더 정밀도를 높일 수 있습니다. 최종 장치는 현미경에서 최적의 사용을 위해 반투명 마감으로 인쇄 할 수도 있습니다.

3. MMAA의 실험 테스트

1. 정렬 마커가 있는 미세유체 장치 포토마스크의 설계 및 인쇄
   1. 컴퓨터 설계 응용 프로그램을 사용하여 원하는 이중 층 미세 유체 장치에 대한 포토 마스크를 설계하십시오.
   2. 도 5A,B에도시된 바와 같이 정렬 마커(포토마스크/마스터 몰드의 가장자리를 향해 더 가깝게) 작용하는 미세유체 장치 채널 구조의 측면에 추가 구조를 포함한다. 미세 유체 장치의 각 측면에 하나의 정렬 마커가 있는지 확인하십시오 (총 4 개 이상). 또한 포토마스크에 실리콘 웨이퍼의 직선 가장자리와 완벽하게 맞설 수 있는 직선 가장자리가 포함되어 있는지 확인합니다.
      참고: 정렬 마커 구조의 복잡성이 높을수록 추가 레이어의 정렬 정확도가 높아집니다. 적어도 1mm x 1mm의 측정을 가진 간단한 교차 구조를 사용해야합니다(그림 6A). 정렬 마커의 예는 이중 층 마스터 몰드를 생성하는 데 사용되는 제 1 층 및 2 층 포토 마스크를 묘사하는 도 5A,B의모서리 및 하단 중간 가장자리에서 볼 수 있습니다.
   3. 상용 업체또는 기타 접근 가능한 시설을 통해 포토마스크를 인쇄하십시오.
2. MMAA(포토리소그래피)를 이용한 이중레이어 마스터 몰드 생성
   1. 표준 포토리소그래피 기술과 포토레지스트 제조업체의 지침을 사용하여 첫 번째 층^{포토마스크(16)를}사용하여 마스터 몰드의 첫 번째 레이어를 만듭니다. 적절한 포토레지스트(즉, SU-8)를 사용하여 4" 실리콘 웨이퍼를 사용하여 원하는 층 두께를 생성합니다. 정렬 마커를 쉽게 식별할 수 있도록 첫 번째 레이어 두께가 후속 레이어보다 큰지 확인합니다.
   2. 밝은 색상의 마커 펜(예: 골드)을 사용하여 첫 번째 레이어의 정렬 마커를 네 면 모두에 색칠합니다.
   3. 포토레지스트 제조업체의 지침을 사용하여, 스위퍼에 포토레지스트를 스핀 코팅하고 부드러운^{베이킹(16)을}수행하여 마스터 몰드의 두 번째 층을 시작한다. 코팅된 웨이퍼를 MMAA(도3B)의웨이퍼 홀더에 삽입하고 테이프를 사용하여 코팅된 웨이퍼를 MMAA에 고정합니다.
   4. 자기 현미경 패스너(도 4A)를사용하여 사용 가능한 수직 현미경에 웨이퍼 홀더를 부착합니다. 웨이퍼의 컬러 정렬 마커 중 하나가 현미경 렌즈를 통해 볼 때까지 현미경 단계의 x 및 y 방향 노브를 사용하여 MMAA의 위치를 이동합니다.
   5. 코팅 된 웨이퍼(도 3C)의위에 웨이퍼 홀더에 2 층 포토 마스크를 삽입합니다. 첫 번째 레이어의 컬러 정렬 마커가 포토마스크의 정렬 마커를 통해 부분적으로 볼 수 있는지 확인합니다.
   6. 테이프로 사이드 컷아웃(도4B)을통해 가위 리프트(지원 잭이라고도 함)에 포토마스크를 부착합니다. 가위 리프트를 사용하여 코팅된 웨이퍼(도3C)바로 위에 놓일 때까지 포토마스크의 z 방향 위치를 조정합니다.
      참고: 가위 리프트는 가위 리프트를 사용하여 부착된 포토마스크의 위치를 z 방향으로 이동하는 데 사용할 수 있으므로 포토마스크의 z 위치를 미세하게 조정할 수 있습니다.
   7. 포토마스크를 가만히 유지하면서 현미경 렌즈를 살펴보고 포토마스크의 정렬 마커 아래에 있는 1층의 컬러 정렬 마커를 식별합니다. 현미경 단계의 x-및 y 방향 노브를 사용하여 MMAA(도4D)의위치를 이동한다. 현미경 렌즈를 통해 정렬 마커의 위치를 관찰하여 포토마스크의 정렬 마커가 제1층(도6A,B)에착색 정렬 마커와 겹쳐지 때까지 MMAA의 위치를 조정한다.
   8. 포토마스크에 약간의 힘을 조심스럽게 바르고 테이프를 사용하여 코팅된 웨이퍼 위에 포토마스크를 고정합니다. 가위 리프트에서 포토마스크를 분리합니다. 포토마스크의 네 개의 정렬 마커가 첫 번째 레이어의 네 개의 정렬 마커와 정렬되어 있는지 확인합니다.
   9. 정렬이 완료되면, 조심스럽게 현미경 단계에서 웨이퍼 홀더를 분리. 웨이퍼 와 포토 마스크 위에 유리 상단 플레이트를 삽입하여 두 조각 사이의 간격을 줄입니다(그림 1). 도 4E에도시된 바와 같이 전체 웨이퍼 홀더를 사용 가능한 UV 광 노출 시스템에 배치합니다. 포토레지스트 제조업체의^{지침(16)에}설명된 바와 같이 적절한 시간과 광강도에 대해 두 번째 레이어를 노출한다.
   10. UV 광 노출 시스템에서 웨이퍼 홀더를 제거합니다. 웨이퍼 홀더에서 코팅된 웨이퍼를 제거하고 웨이퍼에서 포토마스크를 분리합니다. 포토레지스트 제조업체의^{지침(16)에}따라 제2층(예: 굽기 후, 개발 및 헹구고 건조)의 처리를 완료한다.
       참고: 정확한 스핀 코팅, 부드러운 베이킹, 노출, 포스트 베이킹 및 개발 조건(시간, 온도)은 사용되는 포토레지스트와 원하는 층 두께에 따라 달라집니다. 실제 조건과 정확한 포토리소그래피 절차는 포토레지스트 제조업체의 지침을 기반으로 해야 합니다.
3. 마스터 몰드(소프트 리소그래피)를 이용한 미세유체 장치 제조
   1. 마스터 몰드를 검색하고 테이프로 150mm x 15mm 플라스틱 페트리 접시의 중간에 고정하십시오.
   2. 제조업체의 지시에 따라 PDMS 의 ~ 15-20g을 준비하십시오. PDMS를 진공 챔버에 놓거나 거품이 없을 때까지 쉬게 하십시오. 마스터 몰드가 들어 있는 페트리 접시에 PDMS를 붓습니다.
   3. PDMS가 거품이 없을 때까지 마스터 몰드가 싱크대에 놓인 페트리 접시를 싱크대에 놓습니다. PDMS가 완전히 경화 될 때까지 65 °C에서 오븐에 페트리 접시를 놓습니다 (적어도 3 h).
   4. PDMS를 잘라 마이크로 채널 구조를 드러냅니다. 마이크로 채널 구조 주위의 PDMS를 별도의 마이크로칩으로 자르고 미세 유체 장치에 대한 입구 및 콘센트 구멍을 만듭니다. 테이프를 사용하여 PDMS 표면에 놓일 수 있는 작은 미립자를 부드럽게 제거합니다.
   5. PDMS 칩을 PDMS 또는 현미경 슬라이드에 결합하여 PDMS 칩과 추가 기판을 플라즈마 처리하여 마이크로칩 제조를 완료합니다.
4. 정렬 오류 의 결정
   1. 마스터 몰드를 검색하고 직립 현미경을 사용하여 첫 번째 층과 두 번째 층 사이의 갭 거리 (정렬 오차)를 결정합니다. 마이크로채널 구조의 첫 번째 레이어에서 두 번째 층이 이동되고 정렬되는 거리를 측정하기만 하면 됩니다(측정된 갭 거리의 예는 그림 5D 참조).
   2. 직립 현미경을 사용하여 PDMS 칩에 명확한 장치 가장자리가 있는 채널 벽이 있는지 여부를 결정합니다. 또한 PDMS 칩에서 장치 기능을 방해할 수 있는 가능한 결함이 있는지 확인합니다.
      참고: 마스터 금형 제작(섹션 3.2 및 3.3)은 낮은 정렬 오류를 달성하기 위해 반복해야 할 수 있습니다. MMAA를 사용하는 반복적인 연습은 잘 정렬된 마스터 몰드를 만드는 사용자의 능력을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한, 이미지는 전자 현미경 검사법(SEM)(도7)을스캔하여 정렬 오류를 확인할 수 있다.

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결과

MMAA(도1)의최적화 및 사용을 통해 정렬 오차가 최소화된 다층 마스터 몰드가 제작되었습니다. 최종 MMAA는 융합필라멘트 제조(FFF) 3D 프린팅공정(도 2)을사용하여 제작하였다. FFF 프로세스는 원하는 장치 치수에 대한 정확도를 높입니다. MMAA는 두 가지 메인피스(그림 3)로구성되어 있습니다: 기본 조각과 커스텀 패스너. 베이스 피스?...

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토론

앞서 언급한 프로토콜은 MMAA를 3D 프린팅하고 시스템을 사용하여 정밀하고 다층적인 미세 유체 장치 마스터 몰드를 만드는 절차를 간략하게 설명합니다. 이 장치는 사용하기 쉽지만 마스터 금형 레이어의 적절한 정렬을 보장하기 위해 연습과 주의가 필요한 프로토콜 내에서 중요한 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 MMAA의 설계입니다. MMAA를 설계하여 UV 광 노출 시스템 내부에 적절한 적합?...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament			Provided by the Texas Tech University 3D printing facility
BX53, Upright Microscope	Olympus
Form 2, Stereolithography 3D printer	Formlabs
Advanced Hot Plate Stirrer	VWR	97042-642
Isoproyl Alcohol, 70% (v/v)	VWR	BDH7999-4
Light Colored Marker	Sharpie
Magnets, 3 mm x 3 mm	WOTOY		ASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit	DOW	4019862
Petri Dish, 150 mm x 15 mm	VWR	25384-326
Printed Photomasks	CAD/Art Services, Inc.
Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor Lift	VWR	12620-904
Silicon Wafer	University Wafer	452
Sodium Hydroxide	VWR
Sonication Bath	Branson	CPX3800H
Spin Coater	Laurell Technologies Corporation	Model WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30	MakerBot Industries, LLC	SR-30	Dissolvable support material for 3D printing
Stratasys uPrint SE 3D Printer	Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50	Kayaku	Y131269 0500L1GL
SU-8 100	Kayaku	Y131273 0500L1GL
SU-8 Developer	Kayaku	Y020100 4000L1PE
Super glue	Gorilla Glue
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane	Sigma-Aldrich	448931-10G
Tape	Scotch
Form Cure, UV Curing Chamber	Formlabs	FH-CU-01
UV-KUB2, UV Light-Exposure Box	Kloe	UV-KUB2