基于特殊X射线光刻技术的空心微针制备技术

李以贵， 颜 平， 黄 远， 祝 宁

（上海应用技术学院理学院，上海 201418）

基于特殊X射线光刻技术的空心微针制备技术

李以贵， 颜 平， 黄 远， 祝 宁

（上海应用技术学院理学院，上海 201418）

介绍了2种基于特殊X射线光刻技术的空心微针制备方法.一种为基于2次不同X射线光刻技术的制备方法，即第1次为通常意义的带掩膜板光刻，第2次为无掩膜板光刻；另一种为基于2次移动掩膜板光刻加1次通常意义的带掩膜板光刻技术的制备空心微针方法.结果表明：在面积为5 mm×5 mm的聚合物基板上制备了25根空心微针阵列.

空心微针；X射线光刻；对准

LIGA（Lithographic，Galvanogormung，Abformung）技术是微细加工的一种，它是将X射线刻蚀电铸成型及塑铸等技术有机结合的微细加工技术.由于LIGA能够制造出厚度近1 mm，深宽比大于100的高深宽比微结构而广受关注［1-5］.空心微针阵列可应用于透皮给药系统.微细加工的微针一直是一个有吸引力的研究，因为空心微针用于药物注射时，比常规的皮下注射痛苦少［6-8］.医用级空心微针应符合下列要求：足够的高度（150～300μm），尖端约几微米，足够插入强度，可生物降解［9-10］.本文研究了X射线光刻制备空心微针结构的2种制备技术，即双X射线曝光和移动掩模加对准的X射线曝光.

1 基于2次曝光制作空心微针阵列

首先，圆柱空心微针阵列是由X射线光刻制成.掩膜板图案是同心圆.1 mm厚聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底被用作标准正胶X射线光刻胶. PMMA基板通过掩模照射X射线后，显影后得到一个具有垂直侧壁的中空圆柱形微针阵列，如图1所示.然后进行无掩膜板的X射线曝光.最后，形成了尖端空心微针阵列，如图2所示.尖端形成机制参见文献［3］.

图1 X射线通过掩模在PMMA基底上形成空心圆柱微针阵列Fig.1 A hollow cylindrical micro needle array with vertical sidewall formed after irradiated by X-ray through the X-ray mask

图2 无掩膜X射线曝光后，形成尖端空心微针阵列Fig.2 A hollow micro needle array formed after irradiated by X-ray without the X-ray mask

第1次曝光用X射线掩模板，其掩模图形为在38μm的聚酰亚胺薄膜上电镀3.5μm厚的金（Au）吸收层构成.X射线曝光时，光刻胶（此处为1 mm厚的PMMA高分子聚合物板）与掩模之间间隙为2 mm.X射线光源利用日本立命馆大学的同步辐射光源AURORA 13号线束.X射线光刻线束的窗口大小为1.3 mm（水平）×0.14 mm（垂直）.13号线束可以移动曝光.曝光室可在真空或充入氦气下工作.所制造的圆柱状空心微针阵列的SEM图像如图3（a）所示.图3（b）为无掩膜X射线曝光后形成的尖端空心微针阵列.该方法只用一块掩模板，通过2次X射线曝光方法制造出空心微针.该微针高度超过150μm，尖锐尺寸约为10μm，外直径为100 μm，内径为30μm.

2 基于移动曝光制作空心微针阵列

通过移动曝光方法进行2次正交移动曝光，即掩膜板进行第1次移动曝光后，再将掩膜板旋转90°，进行第2次移动曝光，其细节参见文献［3］.该方法因其所得样品的横截面图形与掩模图形类似，被称为平面图案的截面转移技术.此方法为常规光刻方法的延伸技术，可用于形成三维微结构.曝光期间，X射线掩膜板上下移动，PMMA的加工高度取决于X射线的曝光剂量，例如300μm高度的实心微针阵列，需要照在PMMA基板上的X射线剂量为0.42 A·h，PMMA基板表面粗糙度约为30 nm.

图3 制造的空心微针阵列Fig.3 SEM images of the fabricated hollow micro needle arrays

X射线对准曝光技术为实心微针阵列制备空心微针阵列的关键工艺技术.由于X射线掩模板使用了透明的聚酰亚胺为其金吸收体的支撑层，易于实现掩膜板上的金孔图形与PMMA实心微针阵列的对准.对准装置包括1个数字显微镜（KEYENCE，VH-8000）、XYZ调节定位台、X射线掩模板和带有实心微针阵列的PMMA光刻胶基板.X射线掩模板由200μm厚的聚酰亚胺支持膜、3.5μm厚的金X射线吸收体、带10.16 cm圆形孔的12.7 cm铝制方形框组成.

数字显微镜可透过掩膜板观察固体微针阵列，一旦PMMA基板上的图形与X射线掩模图形对齐，则X射线掩模板和带有实心微针阵列的PMMA光刻胶基板同时被锁定，以确保其精确度.对准装置的误差为±3μm.日本立命馆大学同步辐射光源AURORA发出的X射线波长为0.15～0.73 nm，曝光环境为充满101 k Pa（1 atm）的氦气.X射线的电子能量为575 MeV，工作电流为300 m A.图4为制备空心微针的曝光示意图.在对准之后，固定好的对准装置整体放入曝光室中进行X射线曝光，如图5所示.

X射线曝光后进行显影.显影液的成分比（体积比）为20%六原子环化合物、5%胺、60%乙二醇醚和15%水.因为搅拌速度过快会破坏微结构，所以显影在200 r／min转速的搅拌下进行.又因为较高或较低的温度会引起PMMA内部应力过大，所以显影液温度控制在37°C，显影时间为3 h.图6（a）为得到的贯通孔微针芯片包含5×5根微针阵列.图6（b）所示的微针总高度约为400μm，实际高度约为300μm，外径为100μm，内径为30μm.

图4 空心微针曝光示意图Fig.4 Schematic diagram of exposure configuration for hollow micro needle

图5 对准装置整体放入曝光室的情况Fig.5 Alignment stage in the exposure chamber

图6 空心微针阵列SEM图像（a）及其放大图（b）Fig.6 SEM images of the hollow micro needle array with alignment（a）and its close-up image（b）

3 结 语

基于特殊X射线光刻技术制备2种PMMA空心微针阵列.一种方法是先制备圆柱形空心微针，再利用无掩膜板光刻技术把圆柱形微针变成针尖型微针，使其有足够的强度和尖度.另一种方法是通过移动X射线先制备实心微针，再利用X射线光刻对准装置开孔.这两种X射线制备空心微针方法都被实验所证实.所制造的微针阵列芯片尺寸为5 mm× 5 mm，共25根微针.单根微针直径为100μm，高度为400μm，可用于药物注射或血液提取的场合.

［1］ Chen Y T，Hsu C C，Tsai C H，et al.Fabrication of microneedles［J］.Journal of Marine Science and Technology，2010，18（2）：243-248.

［2］ Moon S J，Lee S S.A novel fabrication method of a microneedle array using inclined deep X-ray exposure［J］.Jounal of Micromechanics and Micronengineering，2005，15（5）：903-911.

［3］ Sugiyama S，Khumpuang S，Kawaguchi G.Planepattern to cross-section transfer（PCT）technique for deep X-ray lithography and applications［J］.J Micromec Microeng，2004，14（10）：1394-1404.

［4］ Teo A L，Shearwood C，Ng K C，et al.Transdermal microneedles for drug delivery applications［J］.Materials Science and Engineering B，2006，132（1／2）：151-154.

［5］ Mcallister D V，Wang P M S，Davis S P，et al.Microfabricated needles for transdermal delivery of macromolecules and nanaparticles：fabrication methods and transport studies［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2003，100（24）：13755-13760.

［6］ Held J，Gaspar J，Ruther P，et al.Design of experiment characterization of microneedle fabrication processes based on dry silicon etching［J］.Journal of Micomechanics and Microengineering，2010，20（2）：1-12.

［7］ Ji J，Tay E H，Miao J M，et al.Microfabricated sillicon microneedle array for tansdermal drug delivery［J］.Journal of Physics：Conference Seires，2006，34（1）：1127-1131.

［8］ Chio S O，Kim Y C，Park J H，et al.An electrically active microneedle array for electroporation［J］. Biomed Microdevices，2010，12（2）：263-273.

［9］ Park J H，Allen M G，Prausnitz M P.Biodegradable polymer microneedles：fabrication，mechanics and transdermal drug delivery［J］.Journal of Controlled Release，2005，104（1）：51-66.

［10］ Xu B J，Zhu D F，Yin D F，et al.Pyramid-shaped tips based polymer microneedles for tansdermal drug or nanoparticle delivery［C］／／Proceedings of the 7th IEEE International Conference on Nanotechnology. Shanghai：IEEE Xplore，2007：287-290.

（编辑 俞红卫）

Fabrication of Hollow Micro Needle Array Based on Special X-ray Lithography

LI Yigui， YAN Ping， HUANG Yuan， ZHU Ning
（School of Sciences，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Two methods for fabricating hollow micro needle arrays were introduced.One method was that fabricating hollow micro needle array based on double X-ray exposures，namely，one was normal X-ray exposure with X-ray mask and the other was X-ray exposure without X-ray mask.The other fabrication method was that hollow micro needle was fabricated by using moving mask X-ray exposures and an alignment X-ray exposure.The feasibilities for the hollow micro needle arrays were demonstrated by fabricating 25 micro needles in a 5 mm×5 mm polymer chip.

hollow micro needle；X-ray lithography；alignment

TN 305.7

A

1671-7333（2015）04-0384-03

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.015

2015-03-16

上海应用技术学院人才引进基金资助项目（YJ2014-03）；上海应用技术学院重点学科平台资助项目（10210Q140005）

李以贵（1965-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为微细加工技术.E-mail：ygli＠sit.edu.cn