4. 光刻与软光刻核心工艺
微流控芯片的通道尺寸与表面质量，几乎完全由前段的模具制作和后段的 PDMS 复制决定。本节把整条工艺链拆成两段来看：前段是在硅片或玻璃上做出 SU-8 负胶模具，后段是用 PDMS 把模具结构翻印成可键合的芯片。理解这条链的关键，是抓住“厚度由匀胶转速决定、线宽由掩模与曝光决定、侧壁垂直度由曝光与显影决定、表面质量由显影与脱模决定”这条因果主线。
一、SU-8 模具制作：匀胶、前烘、曝光、显影
SU-8 是环氧基负性光刻胶，曝光区发生交联而保留，未曝光区被显影液溶掉，因此掩模上的通道图形在模具上表现为凸起的阳模，PDMS 浇注后得到凹陷的通道。选胶先看目标厚度：SU-8 3050 在 2000 r/min 下约 50 μm，SU-8 2100 在 1500 r/min 下可达 100 μm 以上。匀胶转速与厚度近似满足 h ∝ 1/√ω，转速翻倍厚度约降到 0.7 倍，这是调参时最实用的经验关系。
匀胶分两步：先 500 r/min 低速铺展 10 s，再按目标厚度设定高速 30～60 s。匀胶后必须前烘去除溶剂，65 ℃ 10 min 加 95 ℃ 20～30 min 的阶梯烘烤可减少胶面起泡与裂纹。曝光用 365 nm 紫外光，剂量通常取 150～250 mJ/cm²；剂量不足会导致显影时图形脱落，剂量过高则侧壁外扩、线宽变宽。显影用 PGMEA，配合轻摇或超声，显影时间由胶厚决定，一般 2～5 min，随后用异丙醇冲洗——若出现白色沉淀说明显影不足，需继续显影。
二、PDMS 浇注、固化、脱模与打孔
PDMS 预聚体与固化剂按 10:1 质量比混合，搅拌均匀后必须真空脱泡 20～30 min，直到液体透明无气泡。将脱泡后的 PDMS 缓慢浇在模具上，厚度 5～10 mm 即可，太薄脱模易撕裂，太厚固化慢且浪费材料。固化在 65～80 ℃ 热板上进行 1～2 h，温度过高会使 PDMS 收缩加剧、通道尺寸偏小。
脱模时用镊子沿边缘轻挑，整片揭下，模具面朝上放置。随后用 0.5～1.5 mm 打孔器在进出口位置垂直打孔，孔径略大于外接管外径以保证密封。打孔后要用乙醇或异丙醇清洗孔口碎屑，并用氮气吹干，否则键合时颗粒会造成漏液。
三、工艺参数对通道尺寸与表面质量的影响
把上面的链条串起来看，影响最终通道尺寸的参数主要有四类。第一类是匀胶转速，它直接决定 SU-8 厚度，也就决定 PDMS 通道的高度；转速偏高 10%，厚度约下降 5%，通道变浅。第二类是曝光剂量，剂量偏低时图形边缘发虚、显影后线宽偏窄甚至脱落；剂量偏高时侧壁呈正梯形外扩，PDMS 通道顶部变宽、截面不再是矩形。第三类是显影时间，不足会留残胶使通道变浅，过度则侧壁被钻蚀、线宽变宽。第四类是固化温度与脱泡质量，温度过高使 PDMS 收缩、通道整体缩小，脱泡不彻底则气泡在通道表面形成凹坑。
| 参数 | 典型取值 | 偏高影响 | 偏低影响 |
|---|---|---|---|
| 匀胶高速转速 | 2000 r/min | 胶层偏薄、通道变浅 | 胶层偏厚、曝光难透 |
| 曝光剂量 | 200 mJ/cm² | 线宽变宽、侧壁外扩 | 图形脱落、线宽偏窄 |
| 显影时间 | 3 min | 侧壁钻蚀、线宽变宽 | 残胶、通道变浅 |
| PDMS 固化温度 | 70 ℃ | 收缩大、通道偏小 | 固化不足、易变形 |
一个可复现的示例流程如下：以 50 μm 高、100 μm 宽的直通道为目标，选 SU-8 3050，匀胶 500 r/min 10 s + 2000 r/min 40 s，前烘 65 ℃ 10 min + 95 ℃ 25 min，曝光 200 mJ/cm²，显影 3 min，异丙醇冲洗确认无白色沉淀；PDMS 10:1 脱泡 25 min，浇注厚度约 8 mm，70 ℃ 固化 1.5 h，脱模后 1.0 mm 打孔器打孔，乙醇清洗并吹干。按此流程，通道高度通常落在 48～52 μm、线宽落在 95～105 μm 区间，属于工艺正常波动范围。
整条链的核心判断逻辑可以概括为：厚度看匀胶、线宽看曝光、侧壁看显影、表面看脱泡与脱模。把这四个观察点固定下来，每次出问题都能快速定位到具体工序，而不是盲目重做整片芯片。