Desarrollo de tecnolog´ıas de
fabricaci´on de dispositivos para
microflu´ıdica
por
Lic. C´esar Bartolo P´erez
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de Maestro en Ciencias en el ´Area de Electr´onicaen el Instituto
Nacional de Astrof´ısica, ´Optica y Electr´onica
Supervisada por:
Dra. Claudia Reyes Betanzo, INAOE
c
INAOE 2015
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias en su totalidad o en partes de esta tesis
Agradecimientos
Agradezco a mi asesora la Dra. Claudia Reyes Betanzo, por guiarme a trav´es de
este proceso de investigaci´on.
A mis sinodales el Dr. Wilfrido Calleja Arriaga, Dr. Mario Moreno Moreno, Dr.
Joel Molina, por sus comentarios y sugerencias, mejorando este trabajo.
A mis profesores, Dr. Alfonso, Dr. Andrey, Dr. Marco por sus ense˜nanzas.
Compa˜neros de Electr´onica, un placer compartir estos dos a˜nos con ustedes, me
han ense˜nado mucho.
Al personal del laboratorio de Microelectr´onica, por su apoyo durante los procesos
de fabricaci´on.
A CONACYT por la beca otorgada para realizar mi maestr´a.
A CONCYTEP por apoyarme con la Beca Tesis 2015
iv
Esta investigaci´on fue realizada gracias al apoyo del Consejo de Ciencia y Tecnolog´ıa
Dedicatoria
Tesis dedicada a mi esposa Alma y a mi hijo Santiago, quienes me impulsan a seguir
adelante.
Resumen
Microflu´ıdica es la ciencia y tecnolog´ıa enfocada a procesar o manipular peque˜nas
can-tidades de fluidos (10−9 - 10−18 litros), usando canales con dimensiones de decenas o
cientos de micrometros. En estas dimensiones las propiedades de los fluidos son diferentes
que en la macroescala y son aprovechadas a trav´es de la fabricaci´on de dispositivos que
involucran varias disciplinas de conocimiento, tienendo muchas aplicaciones en el campo
de la medicina, la investigaci´on biol´ogica y farmac´eutica. El objetivo de este trabajo de
investigaci´on es fabricar dispositivos para microflu´ıdica utilizando vidrio como material
de sustrato y aprovechando las t´ecnicas de fabricaci´on de la industria de los
semicon-ductores y de sistemas electromec´anicos (MEMS). Particularmente, se caracterizan dos
materiales enmascarantes, mec´anica y morfol´ogicamente, buscando disminuir su tensi´on
residual para ser usados en el grabado h´umedo del vidrio y obtener microcanales libres
de defectos y con la menor rugosidad posible sobre la superficie del vidrio que pudiese
afectar el desempe˜no del dispositivo. El primer material enmascarante es una bicapa
Cr/Cu depositada por evaporaci´on y el segundo una pel´ıcula de silicio amorfo
deposi-tada por PECVD. Para disminuir la tensi´on en la bicapa Cr/Cu, se ha encontrado que
utilizando espesores de 50nm/250nm se logran obtener microcanales con hasta 93µm de profundidad, mientras que para el silicio amorfo se ha determinado que las condiciones
´
optimas de dep´osito son: 60◦C con 800 mTorr de presi´on , 30 W de potencia, con flujo
de silano y arg´on de 100 y 36 sccm respectivamente, y con un tratamiento t´ermico de
2 a 3 horas; en estas condiciones se han obtenido microcanales con hasta 186 µm de profundidad y con un adecuado sellado del dispositivo por el m´etodo de uni´on directa.
Abstract
Microfluidics is the science and technology focussed in the processing and manipulation
of small amount of fluids (10−9 - 10−18 liters) using microchannels with dimensions of
tens or hundreds of micrometers. The properties of fluids at these dimensions are
dif-ferents than the macroscale and are exploited through the device fabrication involving
different knowledges and having applications in medicine, biological research and
phar-maceutics. The aim of this research is to fabricate microfluidic devices using glass as a
sustrate and taking advantage of fabrication technics from semiconductors and
micro-electromechanical systems industry. Particularly, two masking layers are characterized
mechanicaly and morphologically, looking for reducing their residual stress and use them
in wet etching of glass obtaining free defects microchannels and with the lowest
rough-ness possible over the glass surface that could affect the performance of device. The first
masking layer is a bilayer Cr/Cu deposited by evaporation, the second one is amorphous
silicon deposited by PECVD. To reduce the residual stress in the Cr/Cu bilayer, it has
been used a thickness of 50nm/250nm, getting microchannels of 93µm in depth; meanw-hile, for the amorphous silicon has been determined the optimal deposition conditions:
60 ◦C , a pressure of 800 mTorr , 30 W of power, silane and argon flow of 100 y 36
sccm respectively, with a thermal annealing from 2 to 3 hours; in these conditions, have
been obtained microchannels with 186µm in depth with a correct sealing, using a direct bonding of microfluidic devices.
Tabla de Contenido
Agradecimientos III
Dedicatoria V
Resumen VI
Abstract VII
Lista de Figuras XI
Lista de Tablas XIII
1. Introducci´on 1
1.1. Contexto de estudio . . . 1
1.2. Motivaci´on . . . 2
1.3. Objetivo . . . 3
1.4. Estructura de tesis . . . 3
2. Microflu´ıdica 5 2.1. Microflu´ıdica . . . 5
2.2. Propiedades de fluidos a microescala . . . 6
2.3. Beneficios de microflu´ıdica . . . 8
2.4. Mercado y ´areas de aplicaci´on . . . 9
3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 13 3.1. Selecci´on de proceso . . . 14
3.2. Fabricaci´on de microcanales . . . 15
3.2.1. Grabado h´umedo . . . 15
3.2.2. Materiales enmascarantes . . . 16
3.2.3. Grabado seco de vidrio. . . 17
3.3. Tensi´on en pel´ıculas enmascarantes . . . 18
3.4. Fabricaci´on de puertos de acceso . . . 20
3.5. Uni´on de obleas . . . 20
3.5.1. Uni´on directa . . . 20
Tabla de Contenido ix
3.5.2. Uni´on an´odica . . . 22
3.5.3. Uni´on adhesiva . . . 22
4. Desarrollo experimental 24 4.1. Selecci´on de materiales enmascarantes . . . 24
4.2. Procesos com´unes en ambos enmascarantes . . . 25
4.2.1. Selecci´on de vidrio . . . 25
4.2.2. Fabricaci´on de mascarilla . . . 26
4.2.3. Limpieza de vidrio . . . 27
4.3. Bicapa Cr/Cu como material enmascarante . . . 28
4.3.1. Dep´osito de materiales . . . 28
4.3.2. Medici´on y reducci´on de tensi´on . . . 29
4.3.3. Proceso de fotolitograf´ıa . . . 31
4.3.4. Grabado de metales . . . 31
4.3.5. Grabado de microcanales . . . 31
4.4. Silicio amorfo como material enmascarante . . . 32
4.4.1. Dep´osito de material enmascarante . . . 32
4.4.2. Medici´on y reducci´on de tensi´on . . . 34
4.4.3. Proceso de fotolitograf´ıa . . . 35
4.4.4. Grabado de silicio amorfo . . . 35
4.4.5. Grabado de microcanales . . . 35
4.5. Fabricaci´on de reservorios y uni´on de obleas . . . 36
4.5.1. Limpieza de obleas . . . 36
4.5.2. Generaci´on de patrones sobre obleas . . . 36
4.5.3. Perforaci´on de puertos de acceso . . . 36
4.5.4. Uni´on de obleas. . . 37
5. Resultados y an´alisis 39 5.0.5. Medici´on y reducci´on de tensi´on . . . 40
5.0.5.1. Tensi´on promedio en cromo . . . 40
5.0.5.2. Tratamiento t´ermico sobre pel´ıcula de cromo . . . 40
5.0.5.3. Tensi´on en bicapa Cr/Cu . . . 42
5.0.6. Litograf´ıa y grabado de materiales enmascarantes. . . 43
5.0.7. Grabado de canales en vidrio . . . 45
5.1. Microcanales con silicio amorfo como material enmascarante. . . 47
5.1.1. An´alisis de procesos de dep´osito de silicio amorfo . . . 48
5.1.1.1. Influencia de la temperatura . . . 49
5.1.1.2. Influencia de la potencia de dep´osito . . . 52
5.1.1.3. Influencia de la presi´on . . . 56
5.1.1.4. Breve resumen de resultados de primer conjunto de dep´ osi-tos de silicio amorfo . . . 59
Tabla de Contenido x
5.1.2. An´alisis de segundo conjunto de procesos de dep´osito de silicio
amorfo por PECVD . . . 61
5.1.3. Litograf´ıa y grabado de materiales enmascarantes. . . 63
5.1.4. Grabado de vidrio . . . 63
5.2. Fabricaci´on de puertos de acceso y uni´on de obleas.. . . 71
5.2.1. Prueba de sellado de dispositivo . . . 71
6. Conclusiones y trabajo a futuro 73 6.1. Conclusiones . . . 73
6.2. Trabajo a futuro . . . 75
Lista de Figuras
2.1. Partes b´asicas de un dispositivo para microfluidica. . . 6
2.2. Proyecci´on de mercado de dispositivos de microflu´ıdica al 2018. . . 9
2.3. Segmentaci´on de mercado. . . 10
2.4. Mercado por material de fabricaci´on. . . 11
2.5. Mercado por segmento de aplicaci´on. . . 11
2.6. Proyecci´on de uso de materiales en segmentos de aplicaci´on. . . 12
3.1. Proceso b´asico de fabricaci´on de dispositivos de microflu´ıdica en vidrio. . 15
3.2. Tensi´on en pel´ıculas y defectos. . . 19
3.3. Proceso de uni´on por fusi´on en vidrio. . . 21
4.1. Composici´on qu´ımica de Borofloat 33. . . 26
4.2. Dise˜no de fotomascarillas. a)Microcanales, b)Reservorios. . . 27
4.3. Mascarillas fabricadas. . . 28
4.4. Sistema de evaporaci´on. . . 29
4.5. Dep´osito de cromo (izquierda) y posteriormente cobre (derecha). . . 30
4.6. Grabado h´umedo de microcanales con bicapa Cr/Cu. . . 32
4.7. Sistema PECVD. . . 33
4.8. Sistema micro RIE.. . . 35
4.9. Generaci´on de patrones para puertos de acceso . . . 37
5.1. Tensi´on en pel´ıculas de 50 nm cromo depositadas sobre vidrio. . . 40
5.2. Tensi´on en pel´ıcula de cromo a diferentes temperaturas de tratamiento t´ermico. . . 41
5.3. Rugosidad en muestras de 50 nm de cromo depositadas sobre vidrio. . . . 42
5.4. Tensi´on sobre pel´ıculas Cr/Cu a diferentes espesores de cobre.. . . 43
5.5. Grabado de metales Cr/Cu . . . 45
5.6. Grabado de microcanales en vidrio a diferentes tiempo, con Cr/Cu como material enmascarante.. . . 47
5.7. Grabado de microcanales a 3,6, 9 y 12 minutos con Cr/Cu como enmas-carante. . . 48
5.8. Influencia de la temperatura en la raz´on de dep´osito y tensi´on. . . 49
5.9. Variaci´on de tensi´on con respecto a tiempo de tratamiento t´ermico y temperatura de dep´osito. . . 50
Lista de Figuras xii
5.10. Im´agenes AFM de rugosidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on
de temperatura.. . . 51
5.11. Rugosidad con y sin tratamiento t´ermico en silicio amorfo con variaci´on de temperatura de dep´osito. . . 51
5.12. Im´agenes con microscopio ´optico de pel´ıculas de silicio amorfo con varia-ci´on de temperatura. . . 52
5.13. Uniformidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on de temperatura. . 52
5.14. Influencia de la potencia en la raz´on de dep´osito y tensi´on. . . 53
5.15. Variaci´on de tensi´on con respecto a tiempo de tratamiento t´ermico y potencia de dep´osito. . . 54
5.16. Rugosidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on de potencia. . . 54
5.17. Rugosidad con y sin tratamiento t´ermico en silicio amorfo con variaci´on de potencia de dep´osito. . . 55
5.18. Im´agenes con microscopio ´optico de pel´ıculas de silicio amorfo con varia-ci´on de potencia. . . 55
5.19. Uniformidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on de potencia. . . . 56
5.20. Influencia de la presi´on en la raz´on de dep´osito y tensi´on. . . 57
5.21. Variaci´on de tensi´on con respecto a tiempo de tratamiento t´ermico y presi´on de dep´osito. . . 57
5.22. Rugosidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on de presi´on. . . 58
5.23. Rugosidad con y sin tratamiento t´ermico en silicio amorfo con variaci´on de presi´on de dep´osito. . . 58
5.24. Im´agenes con microscopio ´optico de pel´ıculas de silicio amorfo con varia-ci´on de presi´on. . . 59
5.25. Uniformidad en pel´ıculas de silicio amorfo con variaci´on de presi´on.. . . . 59
5.26. An´alisis de espesor y tensi´on en primer conjunto de dep´ositos de silicio amorfo. . . 62
5.27. Variaci´on de la tensi´on en silicio amorfo con tratamiento t´ermico a 2, 2.5, 3, 3.5 horas.. . . 63
5.28. Grabado seco de silicio amorfo. . . 65
5.29. Rugosidad en pel´ıculas de silicio amorfo despu´es de grabado de vidrio. . . 65
5.30. Rugosidad en superficie de vidrio con 20 minutos de grabado. Diferentes condiciones de dep´osito (izquierda). Mismas condiciones de dep´osito con diferentes tiempos de tratamiento t´ermico (derecha). . . 68
5.31. Comparaci´on de grabado de vidrio a diferentes tiempos con silicio amorfo como material enmascarante. . . 68
5.32. Diferentes microcanales formados en vidrio variando el tiempo de grabado. 69 5.33. Microcanales fabricados sobre sustrato de vidrio e im´agenes SEM de los mismos . . . 70
5.34. Puertos de acceso . . . 71
5.35. Dispositivo de microflu´ıdica fabricado . . . 72
Lista de Tablas
4.1. Primer conjunto de dep´ositos de silicio amorfo por PECVD . . . 34
5.1. Rugosidad de pel´ıcula de cromo antes y despu´es de tratamiento t´ermico . 41 5.2. Reducci´on en tensi´on de bicapa Cr/Cu . . . 42 5.3. Condiciones de fotolitograf´ıa con fotoresina AZ 4533 . . . 44 5.4. Profundidad y dimensiones de estructuras con grabado de vidrio a
dife-rentes tiempos con bicapa Cr/Cu como enmascarante . . . 46 5.5. Evoluci´on de grabado lateral . . . 46 5.6. Caracterizaci´on de procesos de dep´osito de silicio amorfo por PECVD . . 60 5.7. Cambio en la tensi´on en silicio amorfo de primeros 12 dep´ositos con
tra-tamiento t´ermico . . . 61 5.8. Tensi´on en silicio amorfo a diferentes tiempos de tratamiento t´ermico. . . 64 5.9. Condiciones de fotolitograf´ıa para fotoresina AZ6632 . . . 64 5.10. Resultados obtenidos de grabado de vidrio a diferentes tiempos y
condi-ciones de dep´osito de silicio amorfo . . . 66 5.11. Profundidad y grabado lateral a diferentes tiempos de grabado de vidrio. 67
Cap´ıtulo 1
Introducci´
on
1.1.
Contexto de estudio
La microflu´ıdica es una tecnolog´ıa que permite la automatizaci´on y multiplexi´on de
equi-pos de laboratorio, el desarrollo y prueba de f´armacos y la generaci´on de dispositivos
para diagn´osticos in vitro, adem´as buscan escalar y automatizar procedimientos de
labo-ratorio en los campos de la biotecnolog´ıa y la qu´ımica [1]. Las dimensiones microm´etricas de los canales hacen que se reduzca el consumo de reactivos y que se produzca una menor
cantidad de desechos, lo que ahorra gastos y permite que las muestras puedan ser
divi-didas en un mayor n´umero de ensayos. Se pueden replicar reacciones id´enticas o ensayos
en un solo chip de microflu´ıdica aprovechando un paralelismo y as´ı aumentar el
rendi-miento, o se pueden integrar varias etapas en un chip complejo para mejorar su facilidad
de uso y realizar diagn´osticos m´edicos de manera port´atil, incluso se pueden conectar
varios de estos dispositivos y simular funciones completas de ´organos. Los microcanales
tambi´en pueden mejorar la velocidad y la precisi´on de reacciones qu´ımicas, as´ı como la
velocidad, sensibilidad y repetitibilidad de varios ensayos [2].
El proceso de fabricaci´on de los dispositivos de microflu´ıdica dependen de los materiales
que se utilizar´an y de los requerimientos necesarios para la aplicaci´on a la que vayan
dirigidos. Los primeros dispositivos, como los cromat´ografos de gases y l´ıquidos, fueron
Cap´ıtulo 1. Introducci´on 2
hechos de silicio y vidrio. La principal raz´on de utilizar estos materiales es porque en
la industria de la electr´onica ya exist´ıa el equipo necesario, las t´ecnicas de fabricaci´on
establecidas y un amplio conocimiento de c´omo realizar los patrones microm´etricos. Sin
embargo, en un intento de disminuir los costos de estos dispositivos, se empezaron a
explorar materiales elast´omeros moldeables como el polidimetilsiloxano (PDMS) o el
polimetilmetacrilato (PMMA) con los cuales se pueden realizar prototipos r´apidos o
moldeados por inyecci´on lo cual hace que su fabricaci´on sea barata [3]. Recientemente, en un intento por disminuir m´as los costos e incursionar en los pa´ıses en desarrollo se
han realizado dispositivos en papel [4].
En este contexto, se puede decir que la fabricaci´on de dispositivos de microflu´ıdica
est´an dirigidos en dos direcciones, la primera en crear dispositivos baratos y f´aciles de
fabricar con elast´omeros y papel y por otro lado se est´an desarrollando dispositivos de
mayor calidad y resistencia, principalmente para la investigaci´on farmac´eutica, basados
en silicio y vidrio, donde sus costos de fabricaci´on se justifican.
Es el proceso de fabricaci´on en vidrio, el que compete a este trabajo de tesis, este material
es ampliamente usado en pruebas anal´ıticas e investigaci´on farmac´eutica por su alta
resistencia t´ermica, por su resistencia a corrosi´on, la posibilidad de realizar estructuras
con altas razones de aspecto (20:1), su transparencia en un amplio rango del espectro y
su capacidad de integrarse con electrodos y circuitos electr´onicos.
1.2.
Motivaci´
on
Adem´as de las ventajas que se han descrito del uso del vidrio, estudios de mercado
proyectan que este material ser´a el m´as usado para la investigaci´on farmac´eutica, donde
su principal objetivo es disminuir el tiempo de desarrollo de f´armacos aprovechando sus
propiedades de paralelismo y rendimiento de muestras de los dispositivos de microflu´ıdica
[5]. A pesar de que existen varios m´etodos de fabricaci´on establecidos, y un suficiente rango de componentes para empezar a aplicar los sistemas de microflu´ıdica a la resoluci´on
Cap´ıtulo 1. Introducci´on 3
la suficiente cantidad de aplicaciones en los cuales realmente se cambien los sistemas
tradicionales por los nuevos dispositivos de microflu´ıdica [6].
Es por todo ello que el Instituto Nacional de Astrof´ısica, ´Optica y Electr´onica (INAOE),
lugar en el cual tiene lugar este trabajo de tesis, tiene la enorme oportunidad de
incur-sionar en este campo, investigando aplicaciones que puedan realmente penetrar en el
mercado. El instituto cuenta con los recursos materiales y humanos para fabricar este
tipo de dispositivos, cuyas dimensiones se encuentran com´unmente entre los 5 -500µm, dimensiones capaces de producir en este lugar[7]. Teniendo conocimiento de esta opor-tunidad, ya se han realizado algunos intentos por fabricar dispositivos de microflu´ıdica
con dimensiones de unos cientos de micras de ancho, pero con una profundidad de unos
cuantos micr´ometros[8]. La mayor cantidad de aplicaciones a las que va dirigida este ma-terial, requieren una profundidad de unas decenas de micras por lo que se hace necesario
realizar una mayor investigaci´on, sobre c´omo realizar dispositivos en vidrio con mayor
profundidad sin afectar la calidad de los mismos. Teniendo un m´etodo de fabricaci´on
que cumpla estas caracter´ısticas, el INAOE tendr´a la capacidad empezar a investigar y
desarrollar nuevas aplicaciones de este tipo de dispositivos.
1.3.
Objetivo
El objetivo de esta investigaci´on es proponer un proceso de fabricaci´on en vidrio de
dis-positivos para microflu´ıdica con una buena calidad superficial y canales con profundidad
de hasta 100µm y un ancho de 70µm .
1.4.
Estructura de tesis
Esta tesis consiste de seis cap´ıtulos. En el cap´ıtulo 2 se hace una revisi´on de los
dis-positivos de microflu´ıdica, sus principales componentes, sus propiedades f´ısicas en la
escala microm´etrica y como estas son aprovechadas para crear una vasta cantidad de
Cap´ıtulo 1. Introducci´on 4
las aplicaciones clave de los dispositivos fabricados en vidrio. El cap´ıtulo 3 se enfoca a la
exploraci´on de los procesos de fabricaci´on sobre sustratos de vidrio que se han
utiliza-do, identificando aquellos que puedan ser compatibles con las capacidades del INAOE.
Basados en la investigaci´on realizada en los cap´ıtulos 2 y 3, en el cap´ıtulo 4 se describe
el dise˜no y desarrollo experimental seguido para la fabricaci´on de los dispositivos,
con-cretamente se han explorado dos materiales enmascarantes para el grabado del vidrio,
lo que obliga a dividir el desarrollo experimental en dos partes, ya que cada material
conlleva un proceso distinto de fabricaci´on. El cap´ıtulo 5 presenta los resultados y
con-clusiones de la fabricaci´on de microcanales y puertos de acceso, comparando ambos
enmascarantes; adem´as se muestran el dispositivo ya sellado.Por ´ultimo, en el cap´ıtulo
6 se presentan las conclusiones obtenidas de este trabajo de investigaci´ono y se hacen
Cap´ıtulo 2
Microflu´ıdica
2.1.
Microflu´ıdica
Microflu´ıdica es la ciencia y tecnolog´ıa enfocada a procesar o manipular peque˜nas
can-tidades de fluidos (10−9 - 10−18 litros), usando canales con dimensiones de decenas o
cientos de micr´ometros [2]. Los dispositivos de microfluidos requieren el involucramiento de varias disciplinas de conocimiento y tienen muchas aplicaciones en el campo de la
me-dicina, la investigaci´on de biolog´ıa celular y la cristalizaci´on de prote´ınas. La idea de la
microflu´ıdica es que los fluidos pueden ser precisamente manipulados usando dispositivos
de micro escala construidos al principio por tecnolog´ıas desarrolladas por la industria de
los semiconductores y de los sistemas electromec´anicos (MEMS) y recientemente, en un
intento por reducir los costos, con elast´omeros transparentes como el polidimetilsiloxano
(PDMS) y el polimetilmetacrilato (PMMA).
Los dispositivos de microflu´ıdica abarcan desde una simple unidad de operaci´on como
son mezcladores, separadores, generadores de gotas, manipulaci´on de part´ıculas,
calenta-miento, y detecci´on, hasta la incorporaci´on de m´ultiples unidades de operaci´on formando
sistemas complejos conocidos comoLab On Chip.
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 6
Un dispositivo b´asico de microflu´ıdica incluye los microcanales a trav´es de los cuales
circulan los fluidos, puertos de acceso por donde se inyectan los fluidos y v´alvulas y
bombas que permitan el movimiento y control de los mismos. El dispositivo mostrado
en la figura2.1es una muestra de un dispositivo de microflu´ıdica, este cuenta con varias unidades de operaci´on formadas a partir del dise˜no de los microcanales y los puertos de
acceso, a trav´es de los cuales se hacen circular los fluidos que se vayan a utilizar. En este
caso, las bombas y v´alvulas pueden ser aplicadas de manera externa y no son tema de
estudio en este trabajo de investigaci´on.
Figura 2.1: Partes b´asicas de un dispositivo para microfluidica.
2.2.
Propiedades de fluidos a microescala
El comportamiento de los fluidos a microescala es diferente al que se ve com´unmente
a escala macrom´etrica, son precisamente estos fen´omenos los que se buscan aprovechar
en los dispositivos microflu´ıdicos, por ejemplo, existe un dominio del flujo laminar sobre
el turbulento, adem´as las fuerzas de tensi´on superficial y capilar juegan un papel
im-portante en la microescala. Estos cambios en el comportamiento de los fluidos se deben
principalmente al aumento en la raz´on entre el ´area de superficie y el volumen como lo
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 7
Flujo laminar contra flujo turbulento:El n´umero de Reynolds (Re) es una cantidad
adimensional que describe la raz´on de fuerza inercial con respecto a la viscosa en un
fluido. El n´umero Re es proporcional a la velocidad caracter´ıstica del fluido y la escala
de longitud del sistema adem´as es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido.
Los flujos con alto Re ( ≈ 2000) se denominan turbulentos y se caracterizan por el
movimiento del fluido en forma ca´otica. Para los sistemas de microfluidos, el n´umero
Re es bajo por lo que el fluido se encuentra en el r´egimen laminar, lo que permite
poder predecir f´acilmente la din´amica del fluido. El transporte molecular tambi´en cambia
dram´aticamente a esta escala, ya que al tener un flujo laminar es dif´ıcil realizar una
mezcla de sustancias; en consecuencia, el transporte dominante es la difusi´on.
Tensi´on superficial e interfacial: La tensi´on superficial describe la tendencia de
un fluido en una superficie a reducir su energ´ıa libre por la contracci´on en la interfaz
superficie-aire, es decir, un l´ıquido opone una resistencia para aumentar su superficie. El
concepto de tensi´on interfacial, es similar a la superficial, pero se aplica a fluidos que son
inmiscibles, es decir que no se pueden mezclar. Estas fuerzas son m´as importantes en la
microescala que en la macroescala. Se ha utilizado este fen´omeno para la separaci´on de
c´elulas y prote´ınas, realizar nanoreacciones para la cristalizaci´on de prote´ınas y mover
fluidos a trav´es de microcanales de forma pasiva.
Fuerzas capilares:La capilaridad es el movimiento de un fluido a trav´es de conductos
estrechos, como tubos capilares o materiales porosos. En la microescala, la capilaridad
es la fuerza m´as dominante, permitiendo a los fluidos avanzar en contra de la gravedad.
Las fuerzas capilares se han utilizado para manipular fluidos en muchas aplicaciones,
posiblemente el ejemplo m´as conocido es el de las pruebas de embarazo y los gluc´ometros
portables para monitorear los niveles de glucosa en la sangre. Estos son algunos de los
fen´omenos m´as importantes que se aprovechan en los dispositivos de microfluidos, y
en la literatura se pueden encontrar descripciones m´as detalladas de estos fen´omenos,
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 8
2.3.
Beneficios de microflu´ıdica
Debido a las propiedades particulares que presentan los fluidos en la microescala, los
dispositivos de microflu´ıdica aportan nuevos beneficios que buscan ser aprovechados en
diferentes ´areas. A continuaci´on se mencionan algunos de ellos: al reducir el tama˜no
de los componentes, se usa menor volumen de fluidos, lo que se traduce a un menor
consumo de reactivos. Esto reduce costos, permite que peque˜nas cantidades de fluidos
sean aprovechadas a´un m´as y se disminuye la producci´on de desechos. La alta raz´on
superficie a volumen de los peque˜nos componentes facilita una r´apida transferencia de
calor, permitiendo r´apidos cambios de temperatura y el preciso control de ella, lo cual
ofrece una ventaja en procesos como cat´alisis, y s´ıntesis en fase s´olida.
Debido a las cortas distancias de los dispositivos de microflu´ıdica, el mezclado por
difu-si´on es r´apido, lo que en muchas ocasiones incrementa la velocidad y la precisi´on de las
reacciones. Se han observado mejoras en el desempe˜no de ensayos m´edicos realizados con
dispositivos de microflu´ıdica como son: reducci´on en los tiempos de medici´on,
mejora-miento de la sensibilidad, mayor selectividad y mayor repetitividad. El comportamejora-miento
laminar de los fluidos en los microcanales permiten nuevos m´etodos para llevar acabo
intercambio de solventes y filtrado[11].
Uno de los mayores beneficios de la microflu´ıdica es la integraci´on de proceso al construir
dispositivos con m´ultiples componentes y diferentes funcionalidades. Un chip integrado
puede realizar procesos qu´ımicos y biol´ogicos desde el principio hasta el fin. Por ejemplo,
el muestreo, pre-procesamiento, y medici´on, que involucra un ensayo, esto llev´o al empleo
de los t´erminos”Lab-on-Chip”y”Micro Total Analysis System (uTAS)” [12]. Realizar todas estas operaciones en un solo chip ahorra tiempo, reduce el riesgo de p´erdida de
muestras o contaminaci´on de ellas, y elimina la necesidad de contar con equipos de
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 9
2.4.
Mercado y ´
areas de aplicaci´
on
El mercado de los dispositivos de microflu´ıdica crecer´a r´apidamente de $1.4 billones de
d´olares en 2013 a $5.7 billones de d´olares al 2018. Este gran crecimiento se atribuye a su
creciente demanda, al r´apido retorno de inversi´on que ayuda a la reducci´on de los costos y
a la miniaturizaci´on de los dispositivos de microflu´ıdica. El crecimiento esperado equivale
a un 28 % (figura2.2) y ser´a impulsado principalmente por la investigaci´on farmac´eutica y por las aplicaciones ”Point of Care” [5]. El n´umero de aplicaciones de patentes para tecnolog´ıas de microflu´ıdica ha incrementado aproximadamente de unas 300 por a˜no a
casi 4000 por a˜no, lo que indica la r´apida adopci´on de esta tecnolog´ıa [1].
Figura 2.2: Proyecci´on de mercado de dispositivos de microflu´ıdica al 2018.
Actualmente, los dispositivos para microflu´ıdica son ampliamente aceptados en un gran
n´umero de aplicaciones. Sin embargo, las ventajas y las motivaciones para adoptar las
tecnolog´ıas de microflu´ıdica son altamente dependientes de la aplicaci´on a la que van
destinadas. Un ejemplo son los dispositivos”Point of Care” cuyo ´exito se basa en usar
peque˜nas cantidades de reactivos, que sean de bajo costo y con una alta sensibilidad.
Por el contrario, la ventaja que se presenta al usar estos dispositivos en la industria
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 10
En la figura 2.3 se puede ver una segmentaci´on del mercado que ayuda a visualizar la gran variedad aplicaciones que tienen estos dispositivos. Los tres segmentos principales
son: aplicaciones m´edicas, diagn´osticos in vitro e investigaci´on y producci´on de
aplica-ciones. Cada una de estas aplicaciones requiere que se utilice alg´un material o mezcla de
materiales espec´ıficos, por ello en la figura2.4se muestra la participaci´on de cada mate-rial por ´area de aplicaci´on. En 2010, las principales aplicaciones del vidrio se encontraban
en la fabricaci´on de dispositivos anal´ıticos y en la tecnolog´ıa de micro reactores.
Figura 2.3: Segmentaci´on de mercado.
De acuerdo a la figura2.5el crecimiento de cada una de estas aplicaciones en los ´ultimos a˜nos se ubica en tres principales segmentos de aplicaci´on: diagn´osticos ”Point of Care”,
diagn´osticos cl´ınicos y en la investigaci´on farmac´eutica y ciencias de la vida [5].
Es justamente en la investigaci´on farmac´eutica donde a partir del 2015, se est´a
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 11
Figura 2.4:Mercado por material de fabricaci´on.
Figura 2.5:Mercado por segmento de aplicaci´on.
principal material de fabricaci´on (figura 2.6). Con estos datos se comprueba la enorme importancia que tiene contar un proceso de fabricaci´on utilizando vidrio.
Cap´ıtulo 2. Microflu´ıdica 12
Cap´ıtulo 3
T´
ecnicas de fabricaci´
on en
microflu´ıdica
En este cap´ıtulo se discutir´an algunas de las t´ecnicas m´as comunes que han sido
uti-lizadas para la fabricaci´on de dispositivos de microflu´ıdica en vidrio. Las t´ecnicas de
fabricaci´on para vidrio, al igual que en el silicio, se pueden dividir en dos tipos:
micro-maquinado superficial (surface micromachining) y en volumen(bulk micromachining).
En el micromaquinado superficial, las estructuras son fabricadas en pel´ıculas delgadas
sobre el sustrato. Sobre una pel´ıcula de sacrificio se definen los patrones de canales
deseados, se deposita una pel´ıcula de material estructural y la pel´ıcula de sacrificio se
graba. Este proceso ofrece la ventaja de crear dispositivos en varios niveles, algo que no
es posible con el micro maquinado de volumen, adem´as se puede tener un buen control
de la altura de los canales, controlando el espesor de los materiales depositados, el cual
puede ser de unos cuantos nan´ometros. Estas caracter´ısticas hacen que el
micromaqui-nado superficial sea ampliamente utilizado en la fabricaci´on de nano canales y se han
reportado dispositivos prometedores [14,15]. Sin embargo, este tipo de proceso requiere una mayor cantidad de procesos por nivel, y la altura m´axima que se puede obtener
est´a limitada a unos cuantos micr´ometros, utilizando dep´ositos LPCVD (Low Pressure
Chemical Vapor Deposition) [16].
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 14
El m´etodo de fabricaci´on que prevalece en la fabricaci´on de dispositivos de microflu´ıdica
es el micromaquinado en volumen, en el cual los canales se forman a trav´es del grabado
directo del sustrato. Mediante esta t´ecnica, la limitante en cuanto la altura de los
ca-nales solo estar´a dada por el espesor de la oblea. Este trabajo se enfocar´a en el micro
maquinado de volumen.
3.1.
Selecci´
on de proceso
Para la seleccionar el m´etodo de generaci´on de los microcanales, se necesita entender
las necesidades en cuanto a las dimensiones m´ınimas requeridas, sus tolerancias, su
ru-gosidad. Se ha propuesto un m´etodo sistem´atico para seleccionar el proceso de micro
fabricaci´on de MEMS[17], este m´etodo ha sido adaptado para la fabricaci´on de disposi-tivos para microflu´ıdica en vidrio/vidrio y silicio/vidrio[16].
El grabado de vidrio puede realizarse de dos maneras, grabado seco y grabado h´umedo.
El proceso general de fabricaci´on en vidrio requiere que sobre el sustrato se deposite un
material enmascarante, es decir, una pel´ıcula de material que sea resistente al grabado.
Sobre este material enmascarante se deben de realizar los patrones para exponer las
regiones del vidrio que ser´an grabadas. Para realizar los patrones sobre la pel´ıcula
en-mascarante, usualmente se aplica una capa de fotoresina y exponiendola a radiaci´on UV,
para despu´es, revelarla qu´ımicamente y posteriormente grabar el material enmascarante
(figura3.1). Las dimensiones m´as peque˜nas que pueden realizarse usando fotolitograf´ıa es limitado por la difracci´on a unos 0.5 µm para fotolitograf´ıa de contacto y de unos 0.3µm para fotolitograf´ıa de proyecci´on [18]. En caso de que se requiriesen dimensiones m´as peque˜nas, es necesario utilizar otras t´ecnicas como litograf´ıa por haz de electrones
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 15
Sustrato de vidrio
Depósito de enmascarante
Depósito de fotoresina
Exposición UV Mascarilla
Revelado de fotoresina
Grabado de enmascarante
Grabado de vidrio
Remosión de fotoresina y enmascarante
Sustrato para canales de acceso
Fabricación de puertos de acceso
Unión entre sustratos
Microcanales
Figura 3.1: Proceso b´asico de fabricaci´on de dispositivos de microflu´ıdica en vidrio.
3.2.
Fabricaci´
on de microcanales
3.2.1. Grabado h´umedo
El grabado h´umedo del vidrio es isotr´opico, y generalmente se usan soluciones a base de
´
acido fluorh´ıdrico (HF) (tabla 2). El vidrio es un ´oxido, cuya composici´on afecta al
com-portamiento del grabado [19]. Para obtener un buen grabado se recomienda el uso de un vidrio con la menor cantidad de ´oxidos como CaO, MgO yAl2O3, los cuales desprenden
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 16
productos insolubles despu´es de reaccionar con el HF. Realizar una soluci´on grabante
de HF con HCl o H3P O4, puede ayudar a la remoci´on de los productos insolubles[20]. La reacci´on qu´ımica involucrada en el grabado h´umedo del vidrio es:
Si2+ 4HF →SiF4+ 2H2O (3.1)
De acuerdo a esta f´ormula el di´oxido de silicio (compuesto principal del vidrio) reacciona
con el HF, formando mol´eculas de tetrafloruro de silicio y agua.
La raz´on de grabado del vidrio depender´a de la concentraci´on de HF y de la composici´on
del vidrio, mientras que en vidrio Pyrex se ha reportado de 8µm/min, en cuarzo la raz´on de grabado es de 1.3 µm/min, en ambos utilizando una soluci´on con HF al 49 % [21]. Esta raz´on se puede incrementar a trav´es del aumento de la temperatura de la soluci´on
o por agitaci´on ultras´onica pero estos pueden da˜nar al material enmascarante.
El vidrio es un material amorfo; por lo tanto, el grabado h´umedo del vidrio siempre
es isotr´opico, lo que significa que las razones de grabado vertical y lateral son iguales.
Inherente al grabado isotr´opico se presenta el fen´omeno de grabado por debajo del
enmascarante, lo que resulta en canales m´as anchos que los que se encuentran definidos
en la fotoresina y el material enmascarante. Esto debe de tomarse en cuenta en el
momento de dise˜nar la mascarilla.
3.2.2. Materiales enmascarantes
Uno de los aspectos m´as importantes en el grabado del vidrio es la pel´ıcula enmascarante.
Es clave el control de la magnitud y el signo (compresivo o tensivo) de la tensi´on residual
presente en la pel´ıcula as´ı como el gradiente de tensi´on [22]. Un peque˜no defecto en la pel´ıcula enmascarante con una tensi´on tensiva puede generar fracturas y si la pel´ıcula
es hidrof´ılica, la soluci´on grabante puede penetrar a trav´es de esas fracturas y generar
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 17
En la literatura se han reportado una gran cantidad de materiales enmascarantes para el
grabado h´umedo en vidrio y se ha hecho una compilaci´on de los materiales m´as utilizados
[23] entre los cuales se encuentra la fotoresina, el silicio amorfo, el polisilicio depositado por LPCVD, bicapas Cr/Au, SiC o una multi-capa de estos materiales, el fin es reducir
su tensi´on y aumentar la resistencia de este material al grabado con HF.
Para evitar las dificultades que presenta el uso de enmascarantes, se puede utilizar
vidrio fotosensible como el FOTURANR [24]. Este vidrio se expone directamente a la luz ultravioleta en el rango de 290-330 nm para la generaci´on de patrones. Debido
a su composici´on, al ser expuestas las ´areas de vidrio no protegidas se forman nano
part´ıculas de plata, promoviendo su cristalizaci´on cuando el material es calentado a
500-600◦C. Esas regiones expuestas tienen una raz´on de grabado 20 veces mayor que las no
expuestas. De acuerdo al fabricante se puede crear estructuras de 25µm y una rugosidad en la superficie de 1µm [25].
3.2.3. Grabado seco de vidrio
El grabado seco s´olo es recomendable cuando se requiere un perfil de grabado anisotr´
opi-co en el sustrato. Comparado opi-con el grabado h´umedo, el grabado seco es un proceso
mucho m´as lento con razones de grabado de 0.5-0.7µm/min y la selectividad respecto al enmascarante es muy pobre, por lo que se deben de utilizar enmascarantes muy gruesos.
Adem´as, en el grabado seco es posible transfier una gran cantidad de energ´ıa al vidrio,
generando altos gradiente de temperatura y en consecuencia se tiene un pobre control
del proceso, se reduce la selectividad del grabado del vidrio con respecto al material
enmascarante y es m´as probable tener fracturas sobre la oblea.
El proceso requiere de bajas presiones (5-10 mTorr) debido a que el bombardeo de iones
sobre el material juega un rol importante. Los gases usados para el grabado profundo
de vidrio sonSF6,C4F8,CF4 oCHF3 y para mejorar el control del proceso se pueden agregar gases como He,H2,O2, Ar, a la c´amara de presi´on.
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 18
3.3.
Tensi´
on en pel´ıculas enmascarantes
Como se ha visto, una parte cr´ıtica para obtener una buena calidad de grabado en el
vidrio es el material enmascarante, este requiere tener la menor tensi´on residual posible.
Una tensi´on en una pel´ıcula que se encuentra sobre un sustrato causa que ambos se
curven hasta que se alcanza un equilibrio mec´anico, es decir hasta que la fuerza neta y
el momento de flexi´on sea cero.
La tensi´on en pel´ıculas delgadas tiene tres principales or´ıgenes: Intr´ınsecos, t´ermicos y
mec´anicos. Las tensiones intr´ınsecas y t´ermicas son com´unmente referidas como tensi´on
residual. La tensi´on mec´anica se debe a las cargas mec´anicas que se puedan ejercer sobre
la pel´ıcula. Por ello, el enfoque de estudio es en las tensiones residuales.
La tensi´on intr´ınseca surge durante el proceso de dep´osito. Los mecanismos que generan
la tensi´on intr´ınseca no est´an bien caracterizados cuantitativamente. La tensi´on t´ermica
se debe a cambios en la temperatura cuando la pel´ıcula y el sustrato tienen diferentes
coeficientes de expansi´on t´ermica (CTE). Para algunos sistemas, esta tensi´on puede ser
grande (varios GPa), y son los que frecuentemente provocan fallas mec´anicas en las
pel´ıculas [21,26].
La tensi´on en las pel´ıculas puede ser compresiva o tensiva. Bajo una compresi´on, las
pel´ıculas tratar´an de expandirse, y si el sustrato es delgado, la pel´ıcula curvar´a el
sus-trato de modo convexo. Si la pel´ıcula tiene una tensi´on tensiva, la pel´ıcula tratar´a de
contraerse curvando el sustrato de modo c´oncavo. Cuando se tiene una tensi´on tensiva
esta se liberar´a por medio de la creaci´on de micro fracturas en la pel´ıcula y el
despren-dimiento de la superficie agrietada del sustrato [27]. Al tener una tensi´on compresiva en la pel´ıcula esta se liberar´a creando deformaciones en la pel´ıcula. Esta tensi´on puede
provocar grietas. La figura3.2 muestra algunas de las fallas que se pueden observar en pel´ıculas tensionadas, as´ı como la curvatura que se presenta [21].
Cuando el espesor de la pel´ıcula es peque˜no comparado con el del sustrato, se puede
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 19
Figura 3.2: Tensi´on en pel´ıculas y defectos.
σ = Es∗t 2 s 6∗(1−Vs)∗tf ∗
1
R0 − 1
R
(3.2)
Donde:
Es= M´odulo de Young de sustrato
ts= Espesor de sustrato
Vs= M´odulo de Poisson
tf= Espesor de pel´ıcula
Ro= Curvatura antes de dep´osito R= Curvatura despu´es de dep´osito
Esta es la forma m´as com´un de medir la tensi´on total sobre una pel´ıcula, midiendo la
curvatura del sustrato sobre el cual se ha depositado la pel´ıcula, conociendo las
pro-piedades mec´anicas del sustrato y del material depositado, y midiendo el espesor de la
pel´ıcula y su curvatura se puede calcular la tensi´on presente. Cuando se tiene m´as de
un tipo de pel´ıcula, se ha comprobado la validez del pincipio de superposici´on y solo se
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 20
3.4.
Fabricaci´
on de puertos de acceso
Los orificios que servir´an como puertos de acceso de l´ıquidos en los dispositivos pueden
realizarse por medio del grabado h´umedo profundo o mediante la combinaci´on de
mul-ticapas de silicio como material enmascarante. Sin embargo la opci´on m´as r´apida es a
trav´es de t´ecnicas como el arenado (sand-blasting) [29], perforaci´on l´aser [30], descarga electroqu´ımica [31] o perforaci´on con brocas con punta diamante[32].
3.5.
Uni´
on de obleas
Los procesos de uni´on de las obleas para los dispositivos de microflu´ıdica se pueden
divi-dir en indivi-directos, an´odicos y adhesivos. La elecci´on del m´etodo de uni´on depender´a del
coeficiente de expansi´on t´ermica del vidrio, sus reacciones qu´ımicas en la superficie, las
limitaciones de temperatura debido a procesos anteriores sobre el vidrio, el precio, por
mencionar algunos.
3.5.1. Uni´on directa
Para realizar un proceso de uni´on directa se requiere que la superficie de los dos vidrios
tengan un pulido espejo (Ra=1.5-2 nm), con una buena planaridad al ponerse en contacto
a temperatura ambiente, la uni´on se realizar´a por las fuerzas de van der Waals, por lo
que la uni´on es d´ebil, soportando tensiones cortantes de unos 0.6 MPa [33]. Se requiere un buen procedimiento de limpieza para evitar contaminaci´on. Se puede incrementar la
fuerza de uni´on si se realiza una activaci´on de la superficie con un tratamiento t´ermico,
esta activaci´on se puede realizar con una soluci´on de calcio seguida de un tratamiento
t´ermico de 1-2 horas a 115◦C, tambi´en se puede realizar una activaci´on por plasma para
incrementar la fuerza de uni´on [34], otra propuesta ha sido la de una activaci´on con radicales de ox´ıgeno de la superficie de los vidrios en un reactor de microondas despu´es
de un tratamiento con ox´ıgeno en un RIE. Los vidrios deben ser subsecuentemente
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 21
un incremento en la uni´on de hasta 24 MPa La uni´on por fusi´on de algunos vidrios
como el Pirex se puede realizar a 650◦C [35]. Las obleas se pueden unir en un horno, pero debe realizarse un enfriamiento muy lento de las obleas, ya que un r´apido descenso
en la temperatura puede crear fracturas en las obleas. A esas temperaturas, el vidrio
Pirex pasa su punto de reblandecimiento por lo que las superficies se pueden unir. Este
tipo de uni´on es la m´as popular por que no requiere de pel´ıculas intermedias ya que el
´
unico equipo necesario es un horno y una campana de limpieza en la cual preparar las
superficies de las obleas a unir. A pesar de que los mecanismos de uni´on por fusi´on no son
completamente entendidos, se cree que se debe a una reacci´on qu´ımica entre los grupos
hidroxilo presentes en la interfase de las obleas, de acuerdo a la siguiente ecuaci´on:
Si−OH+OH−Si→Si−O−Si+H2O (3.3) en la cual se forma agua y se libera calor, causando que uniones de hidr´ogeno entre los
grupos silanol (Si-OH) para convertirse en enlaces covalentes de siloxano (Si-O-Si)
Figura 3.3:Proceso de uni´on por fusi´on en vidrio.
Como se puede ver en la figura3.3, se colocan dos obleas de vidrio cara a cara. En algunos lugares, los grupos hidr´oxido (OH-) forman enlaces silanol, que provocan la uni´on de las
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 22
los vidrios han sido calentados bajo cierta presi´on, los enlaces silanol entre las superficies
de los vidrios forman enlaces siloxano (Si-O-SI).
3.5.2. Uni´on an´odica
Este tipo de uni´on es m´as com´un para sellar con vidrio una oblea de silicio con los
mi-crocanales [36]. Se aplica un alto voltaje y una alta temperatura, para hacer migrar los iones Na+ del vidrio al electrodo negativo, generando una fuerza electrost´atica y una
uni´on qu´ımica irreversible entre ambos sustratos. En el caso de vidrio/vidrio se utiliza
Ti (80 nm de espesor) como una capa intermedia, una temperatura de unos 530◦C y un
voltaje de unos 100V [37]. Otros materiales utilizados han sido Ti/Pt y silicio amorfo; aunque los espesores hacen que el dispositivo de microflu´ıdica siga siendo transparente,
se pierde mucho rango de transparencia, por lo que no es muy recomendado. El
proce-dimiento de limpieza de la oblea antes de la uni´on es un paso cr´ıtico para lograr una
buena uni´on an´odica.
3.5.3. Uni´on adhesiva
La uni´on adhesiva entre obleas es la m´as adecuada, es simple, robusta y de bajo costo.
En la literatura se pueden encontrar revisiones de uni´on adhesiva en MEMS [38]. Los pol´ımeros utilizados para la uni´on generalmente son termopl´asticos, es decir, que
pue-den ablandarse o solidificarse repetidamente. Entre los materiales adhesivos com´unmente
usados se encuentra el Parileno C; epoxies con curado UV como el SU-8,
benzocyclobu-teno (BCB) y la poliamida. El proceso com´un de uni´on adhesiva es:
1. Limpieza de superficie
2. Tratamiento a la superficie (algunos pol´ımeros necesitan un promotor de adhesi´on)
3. Recubrimiento con la capa adhesiva
Cap´ıtulo 3. T´ecnicas de fabricaci´on en microflu´ıdica 23
5. Realizaci´on de patrones
6. Uni´on (Usualmente mediante una herramienta de uni´on, en vac´ıo y aplicando
pre-si´on)
Se requiere un proceso de contacto en el cual la capa adhesiva sea aplicada solamente
en las regiones de la oblea que ser´an unidas, conservado el adhesivo fuera de los micro
canales [39]. Con SU-8 la uni´on se realiza a 150◦C por 30 minutos con una presi´on aplicada de 0.15 Mpa. El Parileno une las obleas de vidrio a una temperatura entre los
280 y 350 ◦C, su principal ventaja es que tiene una buena estabilidad t´ermica, buena
resistencia qu´ımica y una fuerte uni´on comparada con el SU-8 soportando los 10MPa.
El Parileno se puede depositar por el m´etodo Qu´ımico en Fase Vapor (CVD, por sus
siglas en ingl´es) y sus patrones pueden ser definidos mediante un proceso litogr´afico
y de grabado seco. En el uso de Poliamidas, durante el proceso de curado se tiende a
formar huecos en la capa polim´erica, por esta raz´on solo se recomienda su uso para uni´on
a nivel de chip [38]. La poliamida se deposita por el m´etodo de centrifugado, seguido de un proceso de calentamiento. Se deben cubrir con poliamida las dos superficies que
se desean unir, su temperatura de curado es entre los 150 y 400 ◦C de 1.5-3 horas
Cap´ıtulo 4
Desarrollo experimental
Se realizar´a un grabado de volumen en el sustrato de vidrio, debido a que este concuerda
con el objetivo de grabar la mayor profundidad posible. Para ello, lo primero que se
requiere es seleccionar los materiales que se utilizar´an como enmascarantes, ya que de
ello depende el proceso de litograf´ıa y el grabado de ´estos materiales. Despu´es de esta
selecci´on, se presentan aquellos procesos que son comunes para la fabricaci´on de los
microcanales sin importar el material enmascarante, estos son: la selecci´on del tipo de
vidrio, la fabricaci´on de la mascarilla que contendr´a los patrones a generar sobre el vidrio
y el procedimiento de limpieza de estos sustratos. Posteriormente, se describe el proceso
realizado para fabricar los microcanales para cada tipo de material enmascarante.
4.1.
Selecci´
on de materiales enmascarantes
Se han seleccionado dos tipos de enmascarantes para el grabado del vidrio. El primer
enmascarante utilizado es una bicapa de Cr/Cu, se ha realizado esta selecci´on ya que
el grabado h´umedo de estos materiales es bien conocido, su dep´osito es f´acil de realizar
por el m´etodo de evaporaci´on y es una alternativa m´as econ´omica que el uso de otros
materiales como el oro. El cobre es el principal material utilizado como enmascarante,
mientras que el cromo es utilizado como material promotor de adherencia.
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 25
El segundo material enmascarante con el que se trabaj´o es silicio amorfo. Se ha
seleccio-nado este material debido a su alta resistencia a soluciones basadas en ´acido fluorh´ıdrico
(HF), lo cual lo convierte en una buena alternativa como material enmascarante,
per-mitiendo mayores profundidades de grabado del vidrio comparado con el uso de metales
como material enmascarante.
4.2.
Procesos com´
unes en ambos enmascarantes
4.2.1. Selecci´on de vidrio
El vidrio es un sustrato ampliamente utilizado para aplicaciones con microfluidos, a pesar
de que los pl´asticos se est´an volviendo m´as comunes debido a su facilidad de fabricaci´on.
Existen diferentes tipos de vidrios utilizados para microflu´ıdica tales como soda lime,
cuarzo y borosilicato. El soda lime es f´acil de trabajar ya que se graba r´apidamente,
se puede unir a temperaturas relativamente bajas y es barato; sin embargo, la calidad
del grabado no es muy buena, por tal motivo su uso es enfocado en caracterizaciones
preliminares. El vidrio m´as conveniente, ´opticamente hablando, es el cuarzo ya que es
transparente desde el ultravioleta hasta al infrarrojo. Sin embargo, es dif´ıcil trabajar
con este sustrato ya que su raz´on de grabado es muy baja, su temperatura de recocido
es aproximadamente 1000◦C, lo cual es muy alto para algunos hornos y su costo puede
ser 2-3 veces mayor que el vidrio soda lime.
El sustrato de vidrio m´as usado para la producci´on de dispositivos de microflu´ıdica es
el vidrio de borosilicato debido a sus caracter´ısticas ´opticas (transparente en el rango
entre los 350 -700nm) y sus propiedades f´ısicas como son sus temperaturas de recocido
a 640◦C y resistencia a la mayor´ıa de sustancias qu´ımicas. Los vidrios de borosilicato
incorporan una variedad de subtipos, todos con un contenido m´ınimo de 5 % de B2O3. La mayor´ıa de los vidrios de borosilicato usados en los dispositivos para microfluidos
son producidos por el denominado m´etodo flotante, la cual es una t´ecnica usada para la
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 26
borosilicato BOROFLOAT 33 de SCHOTTR con un di´ametro de 2 pulgadas, el cual
presenta las siguientes caracter´ısticas[40]:
Alta resistencia al choque t´ermico
Bajo coeficiente de expansi´on t´ermica
Excelente resistencia qu´ımica
Buena calidad de la superficie gracias a la fabricaci´on por el m´etodo proceso
flo-tante
Buena claridad ´optica y transmisi´on de luz visible (mejor que soda lime)
Puede templarse para incrementar las propiedades t´ermicas. No se rompe al
tem-plarse como el soda lime.
Su composici´on qu´ımica es de 81 % de di´oxido de silicio, 13 % de tri´oxido de boro, 4 %
de ´oxido de sodio y potasio y 2 % de al´umina (figura 4.1).
Figura 4.1: Composici´on qu´ımica de Borofloat 33.
4.2.2. Fabricaci´on de mascarilla
Las mascarillas son vidrios que contienen los patrones que ser´an transferidos a la oblea a
trav´es de una exposici´on a luz UV. Se fabricaron dos mascarillas campo negativo en vidrio
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 27
a los puertos de acceso (figura 4.2). Se dise˜naron en el software AUTOCAD cuatro micro mezcladores con un ancho de cada canal de 70 µm, 100 µm, 200 µm y 300 µm respectivamente; estos micromezcladores se encuentran rodeados por una circunferencia
de 2 pulgadas de di´ametro la cual servir´a como marca de alineaci´on entre la oblea que
contendr´a los micro mezcladores y la oblea sobre la que se fabricar´an los puertos de
acceso, de esta manera se evita una desalineaci´on entre ambas al unirlas. Este tipo de
estructuras son las unidades de operaci´on m´as simples en microflu´ıdica utilizadas para
la generaci´on de dispersiones coloidales (gotas y burbujas) liquido-liquido o gas-l´ıquido
[41].
Figura 4.2: Dise˜no de fotomascarillas. a)Microcanales, b)Reservorios.
A pesar de fabricar mascarillas campo obscuro, la figura4.2mostr´o dise˜nos campo claro, esto se debe a que se utiliz´o el m´etodo de foto-reducci´on para su fabricaci´on, en el cual
el dise˜no de las mascarillas es un espejo del campo deseado. Se realiz´o una impresi´on
con un aumento de 20x de los dise˜nos en papel fotogr´afico profesional, con el fin tener
el mayor contraste posible. En la figura4.3se presentan las mascarillas fabricadas.
4.2.3. Limpieza de vidrio
La limpieza de las obleas es muy importante, el realizarlas correctamente permite
te-ner una buena adherencia de las pel´ıculas enmascarantes al sustrato. El primer paso
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 28
Figura 4.3:Mascarillas fabricadas.
10 minutos seguido de Acetona por otros 10 minutos, ambos procesos con vibraci´on
ul-tras´onica. Posteriormente, se realiz´o un limpieza pira˜na que consiste en colocar las obleas
en una soluci´on de ´Acido Sulf´urico (H2SO4) + Per´oxido de Hidr´ogeno (H2O2) en una concentraci´on 3:1 por 15 minutos, con esta limpieza se eliminan compuestos org´anicos
que puedan estar presentes en las obleas y las hace hidrof´ılicas debido a que se agregan
grupos OH. Los enjuagues durante cada proceso se realizaron con agua desionizada (DI).
Por ultimo las obleas se colocan en un horno con flujo de N2 a 100◦C, lo que permite una deshidrataci´on de las obleas.
4.3.
Bicapa Cr/Cu como material enmascarante
4.3.1. Dep´osito de materiales
El dep´osito de los metales se realiz´o por el m´etodo de evaporaci´on (figura 4.4), el cual consiste en aplicar calor a la fuente del material a depositar, desprendiendo material de
su fuente, este material viaja en una c´amara en alto vac´ıo y se deposita en la superficie
del sustrato.
Este m´etodo es ampliamente utilizado para el dep´osito de pel´ıculas met´alicas, debido a
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 29
Figura 4.4: Sistema de evaporaci´on.
energ´ıa de los ´atomos de metal que inciden en el sustrato (≈0,1eV) hace que el sustrato no sufra da˜nos; debido al alto vac´ıo en el que se realiza la evaporaci´on, las pel´ıculas
pueden ser depositadas con poca incorporaci´on de gases residuales, por lo que la pel´ıcula
depositada es tan pura como la fuente del material adem´as, solamente se presenta un
calentamiento no intencional del sustrato causado por el calor de condensaci´on de la
pel´ıcula a depositar y por la radiaci´on de calor proveniente de la fuente. Adem´as se
pueden controlar el espesor de la pel´ıcula y se obtiene una adecuada uniformidad del
espesor de la pel´ıcula [42].
Por estos motivos, se depositaron 50 nm de cromo por el m´etodo de evaporaci´on
e-beam a una raz´on de 5 ˚A/s. La figura 4.5muestra una oblea con el dep´osito de cromo (izquierda), la imagen de la derecha muestra la oblea con el cobre que se fue depositado
posteriormente.
4.3.2. Medici´on y reducci´on de tensi´on
Se midi´o la tensi´on de las pel´ıculas despu´es de depositar el cromo,posteriormente en el
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 30
Figura 4.5: Dep´osito de cromo (izquierda) y posteriormente cobre (derecha).
a continuaci´on. Para determinar la tensi´on residual de las pel´ıculas de cromo y cobre
con la ecuaci´on de Stoney, se utiliz´o un perfil´ometro KLA Tenkor P-7 para medir la
curvatura sobre la oblea antes y despu´es del dep´osito de materiales as´ı como el espesor
de las pel´ıculas. El m´odulo de Young y la raz´on de Poisson del vidrio se obtuvieron de
datos publicados por el fabricante [43].
De acuerdo a la literatura [44], no se muestra una reducci´on considerable de la tensi´on en el cobre si se realiza un tratamiento t´ermico, sin embargo se realiz´o este tratamiento
sobre las pel´ıculas de cromo buscando determinar si sobre este material se observa una
reducci´on en la tensi´on.
El procedimiento consisti´o en una variaci´on de temperatura y tiempo de tratamiento.
Las temperaturas establecidas fueron de 200◦C, 300◦C, y 400 ◦C por 30,60, 90, 120
minutos. No se elev´o m´as la temperatura debido a que la resistencia m´axima del vidrio
no excede los 500◦C [45].
Despu´es de depositar el cromo, se deposit´o el cobre a diferentes espesores con el objetivo
de reducir la tensi´on en este material aumentado su espesor, esto de acuerdo a la relaci´on
inversa que existe entre la tensi´on y el espesor, descrito por la ecuaci´on de Stoney. El
espesor de las pel´ıculas de cobre depositadas fue de 250 nm, 500 nm, 750nm y 1000 nm
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 31
4.3.3. Proceso de fotolitograf´ıa
Para el proceso de fotolitograf´ıa se utiliz´o la fotoresina positiva AZ4533 de
Microche-micals, esta fotoresina tiene la caracter´ıstica de ser una resina gruesa (3.3 µm @ 4000 rpm) adecuada para el grabado h´umedo [46]. La exposici´on UV para la transferencia de patrones se realiz´o con una alineadora semiautom´atica con una potencia de l´ampara de
4.8 mW.
4.3.4. Grabado de metales
Una vez transferidos los patrones a la fotoresina, el siguiente paso fue grabar los
meta-les Cu y Cr respectivamente, esto permite abrir las ventanas necesarias para exponer
el vidrio y as´ı grabarlo. El grabado h´umedo del cobre se realiz´o con una soluci´on de
´
acido n´ıtrico + agua (HN O3 :H20) en una proporci´on 3:1, con ella se logra una raz´on de grabado del cobre 45.8 nm/min. El grabado del cromo se realiz´o con una soluci´on
comercial (CEP-200) la cual est´a compuesta por 6 % de ´acido percl´orico, 9 % de Nitrato
de amonio c´erico y el restante por otros materiales [47], esta soluci´on realiz´o un grabado a una raz´on de 8.3 nm/min.
4.3.5. Grabado de microcanales
Expuestas las ventanas, el siguiente paso es realizar un grabado h´umedo del vidrio. Antes
de realizar este grabado, se cubre su parte trasera, con una oblea de silicio, unida con
cera, su prop´osito es proteger esa parte de la soluci´on grabante, evitando la reducci´on
del espesor de la oblea.
La soluci´on grabante est´a compuesta por ´acido fluorh´ıdrico (HF) y ´acido clorh´ıdrico
(HCl) en una concentraci´on 10:1. Mientras que el HF es quien realiza el grabado del
vidrio, el ´acido clorh´ıdrico sirve como diluyente de los ´oxidos desprendidos por la oblea
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 32
Los vidrios fueron sometidos a diferentes tiempos de grabado para determinar cu´al es el
tiempo m´aximo que soporta la bicapa Cr/Cu sin provocar defectos en las
microestruc-turas y determinar la evoluci´on el grabado tanto de profundidad como lateral (figura
4.6).
Figura 4.6: Grabado h´umedo de microcanales con bicapa Cr/Cu.
4.4.
Silicio amorfo como material enmascarante
4.4.1. Dep´osito de material enmascarante
Existen diferentes m´etodos para el dep´osito de silicio amorfo, entre los que se encuentran
el Dep´osito Qu´ımico en fase Vapor (CVD), el Dep´osito F´ısico en fase Vapor (PVD) y
el Dep´osito Qu´ımico en fase Vapor Asistido por Plasma (PECVD). De los tres m´
eto-dos, los dep´ositos por PECVD presentan una buena adherencia, una buena cobertura,
una alta raz´on de dep´osito y buena calidad de la pel´ıcula. Generalmente, los dep´ositos
por PECVD se realizan a potencias mayores a 100 W, obteniendo una elevada raz´on
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 33
explor´o el uso de una baja potencia de dep´osito (entre 15 y 30 W) con el objetivo de
obtener una menor tensi´on y posteriormente estudiar el efecto del tratamiento t´ermico
en la tensi´on presente en las pel´ıculas.
El dep´osito del silicio amorfo se realiz´o en un sistema PECVD (MVSystems,Inc
Multi-chamber) (figura4.7). Los dep´ositos se realizaron a alta frecuencia (13.56MHz) utilizando los gases de silano (SiH4) y arg´on (Ar). Debido a estas condiciones de dep´osito la forma correcta de nombrar es silicio amorfo hidrogenado (α−Si: H) dado que existe cierta concentraci´on de hidr´ogeno en las pel´ıculas de silicio amorfo. Sin embargo, no seguiremos
refiriendo en el trabajo solo como silicio amorfo (α-Si).
En la c´amara del sistema PECVD se realiz´o una limpieza de las obleas de vidrio con
plasma de Ar a 300mTorr y 30 W por 5 minutos.
Figura 4.7:Sistema PECVD.
Se realizaron dos conjuntos de procesos de dep´osito del silicio amorfo, en todos ellos
se var´ıa la temperatura, presi´on en la c´amara y potencia. En estudios previos se ha
demostrado que, de los par´ametros que se pueden variar en un dep´osito PECVD, estos
tres par´ametros son los que tienen una mayor influencia en la tensi´on [48]. En el primer conjunto, se realizaron 12 procesos de dep´osito diferentes cuyas condiciones se muestran
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 34
Tabla 4.1: Primer conjunto de dep´ositos de silicio amorfo por PECVD
Proceso HF (MHz)
Flujo de Ar (sccm)
Flujo de silano (sccm)
Tiempo (min)
Temperatura (◦C)
Potencia (Watts)
Presi´on (mTorr)
1 13.56 36 100 30 140 30 800
2 13.56 36 100 30 160 30 800
3 13.56 36 100 30 180 30 800
4 13.56 36 100 30 200 30 800
5 13.56 36 100 30 200 15 800
6 13.56 36 100 30 200 20 800
7 13.56 36 100 30 200 25 800
8 13.56 36 100 30 200 30 800
9 13.56 36 100 30 200 30 600
10 13.56 36 100 30 200 30 700
11 13.56 36 100 30 200 30 800
12 13.56 36 100 30 200 30 900
De este conjunto de experimentos, se realiz´o un an´alisis de la influencia que tienen los
par´ametros del proceso sobre la tensi´on y la raz´on de dep´osito; este an´alisis se
mos-trar´a en el siguiente cap´ıtulo.
4.4.2. Medici´on y reducci´on de tensi´on
La medici´on de tensi´on, en las pel´ıculas de silicio amorfo, se realiz´o siguiendo el mismo
procedimiento que en la bicapa cromo/cobre. Esta vez, la medici´on se realiz´o despu´es
de depositar el material y de realizar el tratamiento t´ermico con el que se busca reducir
la tensi´on en las pel´ıculas.
En el tratamiento t´ermico, aplicado a los primeros 12 procesos de dep´osito, se utiliz´o un
horno a una temperatura de 400◦C con un flujo de nitr´ogeno (N2) de 30 sccm. Se utili-zaron 5 muestras de cada proceso de dep´osito lo que permiti´o caracterizar la variaci´on
en la tensi´on en las pel´ıculas a tiempos de 2, 4, 6, 8 y 10 horas. El tiempo de tratamiento
t´ermico tan prolongado, se estableci´o tomando como base un trabajo previo reportado
[44], que establece que es necesario realizar un tratamiento t´ermico de hasta 10 horas para llegar a una tensi´on en las pel´ıculas cercanas a cero.
Una vez realizadas las mediciones de tensi´on sobre las pel´ıculas, se procede a realizar
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 35
4.4.3. Proceso de fotolitograf´ıa
En este caso la fotolitograf´ıa se realiz´o utilizando la fotoresina positiva AZ6632 de
mi-crochemicals la cual es adecuada para realizar grabado seco del silicio amorfo y que al
igual que la fotoresina AZ4533, esta fotoresina es gruesa (3.2µm a 4000 rpm)[49]. Pa-ra la tPa-ransferencia de patrones se utiliz´o la misma alineadora semiautom´atica con una
potencia de lampara de 4.8 mW.
4.4.4. Grabado de silicio amorfo
El grabado del silicio amorfo se realiz´o de manera seca utilizando el equipo
Micro-RIE Techniks 800 (figura 4.8). La t´ecnica de grabado por RIE (Reactive Ion Etching) esta basada en plasma y se caracteriza por una combinaci´on de un bombardeo f´ısico
con la actividad qu´ımica de las especies reactivas [50]. Esto permite lograr un grabado anisotr´opico del material y se traduce es una transferencia m´as precisa de los patrones
realizados en la fotolitograf´ıa.
Figura 4.8:Sistema micro RIE.
4.4.5. Grabado de microcanales
Como en el grabado de los microcanales con el enmascarante de cromo-cobre, se utiliz´o la
Cap´ıtulo 4. Desarrollo experimental 36
con una oblea de silicio unida con cera. Las muestras fueron grabadas a diferentes tiempos
para observar la resistencia del enmascarante a la soluci´on grabante, y su efecto en la
calidad de los microcanales, adem´as, se midi´o el grabado lateral obtenido.
4.5.
Fabricaci´
on de reservorios y uni´
on de obleas
La fabricaci´on de los puertos de acceso se realiz´o por medio de la perforaci´on del vidrio
en una fresadora utilizando brocas de punta diamante con 1 mm de di´ametro. Realizadas
las perforaciones se unieron ambas obleas por el m´etodo de fusi´on o uni´on directa. A
continuaci´on se detalla el proceso.
4.5.1. Limpieza de obleas
Para la limpieza de obleas se sigui´o el mismo procedimiento que en las obleas
utiliza-das para fabricar los microcanales: desengrasado con TCE seguido de acetona, por 10
minutos cada uno , seguido de una limpieza pira˜na (H2SO4 + H2O2 )
4.5.2. Generaci´on de patrones sobre obleas
Para generar los patrones que servir´an como gu´ıa al realizar las perforaciones, se
de-positaron 50 nm de cromo por le m´etodo de evaporaci´on y se realiz´o un proceso de
fotolitograf´ıa utilizando la mascarilla previamente dise˜nada y la fotoresina AZ4533. Con
ello se transfieren los patrones de la mascarilla a la fotoresina. Una vez transferidos los
patrones, se graba el cromo con la solucion CEP-200, dejando expuestas las partes del
vidrio donde se realizar´an las perforaciones.
4.5.3. Perforaci´on de puertos de acceso
Para las perforaciones del vidrio se colocan las obleas sobre una placa de vidrio, con la
