Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département de microtechnique, Institut d'imagerie et optique appliquée IOA (Laboratoire d'optique appliquée LOA)

Scanning excimer laser ablation of poly(ethylene terephthalate) (PET) and its application to rapid prototyping of channels for microfluidics

Wagner, Frank Rüdiger ; Hoffmann, Patrik (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2264.

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    Summary
    Excimer Laser Ablation is a micro-machining method which has undergone an important breakthrough in the last twenty years. In contrast with most literature studies, dealing with Static Ablation, this PhD work focuses on the study of Scanning Ablation of poly(ethylene terephthalate) (PET) at 193 nm, using relatively high fluences of about 1 J/cm2. Here, Static Ablation means that the substrate is fixed with respect to the laser beam. In this way, the size of the machined area per set of pulses does not exceed a few mm2. Moving the substrate under the laser beam during the irradiation, i.e. using Scanning Ablation, enables to machine more easily and with a better quality bigger surfaces. This is particularly interesting for micro-channel prototyping in PET (typical cross-section of the channels: 40×40 µm2, length: >1.5 cm), which was the aimed application of this work. The surface properties of the ablated micro fluidic channels were studied, comparing Static Ablation to Scanning Ablation with different parameters. For this purpose SEM, TEM, XPS, water condensation experiments and electroosmotic flow measurements in laminated micro-channels were carried out. The properties of the ablated surfaces were shown to be modified, in terms of chemical properties and in terms of morphology. In order to explain the modified surface properties after Scanning Ablation, the angle between the irradiated ramp, forming under the beam, and the non irradiated surface was shown to be one key-parameter, the shape of the laser spot on the substrate being the other one. The chemical composition of the ablated surfaces depends on the nature and amount of redeposited debris. There are two types of debris: Indirect debris, which is produced by collision of the ejected material with the ambient atmosphere. After ablation in air, this debris is hydrophilic due to the oxygen and nitrogen content. The geometry of the debris covered area, and thus the amount of indirect debris in the micro channels, depends on the geometry of the irradiated area. Direct debris, which is produced by a mechanism very similar to Pulsed Laser Deposition, is only possible in Scanning Ablation. It is directly ejected in the direction of the channel surface and it is less influenced by the surrounding atmosphere. Condensation experiments proved it to be more hydrophobic than indirect debris. In Static Ablation, only indirect debris is present, and the debris affected surfaces are therefore hydrophilic. In Scanning Ablation, the amount of direct and indirect debris vary differently with the ramp angle and the shape of the irradiated spot. When increasing the ramp angle from 0° to 45°, a maximum electroosmotic flow velocity is measured around 4.3°, which is explained by a maximum of the ratio indirect / direct debris for this angle. Electroosmotic flow velocity measurements in channels of the same width but with different depths (polyethylene laminated), combined with a numerical implementation of an analytical formula for the flow velocity profile, enabled to calculate the ζ-potentials of the ablated the surfaces for different ramp angles and the ζ-potential of the lamination. Besides the chemical composition, Scanning Ablation also changes the morphology of the ablated surfaces. At high ramp angles, the surface structure of the channel floor is determined by the direct debris redeposition leading to a nanometric roughness. The micrometric roughness, which is known to develop in stretched polymer substrates upon Laser Ablation, depends on the ramp angle θ during channel fabrication. As the ramp is the only irradiated surface in scanning ablation, it was studied in detail. Three different structures were observed on ramps in stretched polymer substrates, each in one of three distinct ranges of ramp angles. On the basis of a vector decomposition of the fabrication induced stresses in the polymer, the different structures can be understood as a step wise suppression of the Static Structure formation on the ramps. The stress component normal to the irradiated surface acts as an inhibitor of the Static Structure formation. At ramp angles lower than 10°, the structure on the ramps is identical to the structure on statically ablated surfaces. At 10° < θ < 30° the structure changes but is still present. At ramp angles higher than 30° the ramps are smooth. As the micrometric structure on the channel floor is given by the structure on the lower part of the irradiated ramp, the channel floor structure is of the same type as the structure on the ramp. However, it is not possible to obtain a smooth channel floor. The angle ranges for the different structures do not depend on the laser fluence but vary from one substrate material to another. The presence and the orientation of the micrometric structure only have negligible influence on the electroosmotic flow in the micro channels. In conclusion, the message of this work is that Scanning Ablation modifies drastically the ablated surface properties. This must be taken into account when thinking about fabricating devices for which properties such as wettability, adhesion, ζ-potential or micro/nano-roughness are important.
    Résumé
    L’ablation laser est une méthode de micro-usinage qui connaît un grand essor depuis une vingtaine d’année. Contrairement à la plupart des travaux de la littérature ayant trait à l’ablation statique de matériaux, ce travail de thèse concerne l’étude de l’ablation scannée du polyéthylène téréphthalate (PET) à 193 nm, avec des fluences assez élevées (de l’ordre de 1 J/cm2). En ablation statique, le substrat est fixe par rapport au laser, et la taille des surfaces usinées par une série de pulses successifs n’excède pas quelques mm2. L’ablation scannée permet elle d’usiner plus aisément des surfaces plus grandes avec une meilleure qualité, en bougeant le substrat par rapport au laser. Ceci est particulièrement intéressant pour le prototypage de micro-canaux en PET (section typique des canaux: 40×40 µm2, longueur >1.5 cm), qui est l’application visée pour ce travail. Les propriétés de surfaces des canaux micro-fluidiques produits ont été étudiées, en comparant l’ablation statique et l’ablation scannée avec différents paramètres. Des mesures de SEM, TEM, XPS, des expériences de condensation d’eau et des mesures de flux électroosmotique dans des micro-canaux laminés ont été réalisées dans ce but. Il a été montré que les propriétés des surfaces ablatées sont modifiées, à la fois en termes de propriétés chimiques et en termes de morphologie. L’angle entre la rampe irradiée (qui se forme sous le faisceau laser) et la surface non irradiée a été identifié comme l’un des paramètres clé our expliquer la modification des propriétés de surface après ablation scannée, l’autre étant la forme du spot laser sur le substrat. La composition chimique des surfaces ablatées dépend de la nature et de la quantité de débris qui sont redéposés. Il existe deux types de débris: Les débris indirects, provenant de la collision des produits éjectés avec l’atmosphère ambiante. Pour une ablation dans l’air, ces débris sont hydrophiles car ils incorporent de l’azote et de l’oxygène. La géométrie de la surface sur laquelle ces débris se redéposent, et donc la quantité de débris indirects présents dans le micro-canal, dépend de la géométrie de la surface irradiée. Les débris directs, provenant d’un mécanisme similaire à la "Pulsed Laser Deposition" n’existent que pour l’ablation scannée. Ils sont éjectés directement dans la direction de la surface du canal et sont donc moins influencés par l’atmosphère ambiante que les débris indirects. Des expériences de condensation ont montré qu’ils sont plus hydrophobes que ces derniers. En ablation statique, seuls les débris indirects sont présents, rendant les surfaces où ils se redéposent hydrophiles. En ablation scannée, les quantités de débris directs et indirects varient différemment avec l’angle de la rampe et avec la forme de la surface irradiée. En augmentant l’angle de rampe de 0° à 45°, on observe un maximum pour la valeur du flux électroosmotique vers 4.3°, expliqué par un maximum du rapport débris indirects/débris directs pour cet angle-là. Des mesures de flux électroosmotique moyens dans des canaux de même largeur mais de profondeur différente (couverts d’une lamination en polyéthylene), combinées à l’implémentation numérique d’une formule analytique décrivant le profil de flux ont permis de déterminer les potentiels ζ des surfaces ablatées avec différents angles de rampe ainsi que le potentiel ζ de la lamination. En plus de la composition chimique, l’ablation scannée modifie aussi la morphologie des surfaces ablatées. Pour des angles de rampe elevés, la structure de la surface des canaux est déterminée par la redéposition des débris directs, qui génèrent une rugosité nanométrique. La rugosité micrométrique, dont on sait qu’elle se développe par ablation laser dans les polymères étirés, dépend de l’angle de rampe durant la fabrication des canaux. Etant donné que la rampe est la seule surface irradiée en ablation scannée, sa structure a été étudiée en détails. Trois différentes structures ont été observées sur les rampes dans des polymères étirés, correspondant chacune à une gamme d’angle de rampe. Les changements d’une structure à l’autre ont été expliqués par une décomposition vectorielle du stress existant dans le polymère. Il a été montré que la composante du stress normale à la surface irradiée agit comme un inhibiteur de formation de la structure statique. Pour des angles inférieurs à 10°, la structure de la rampe est identique à celle d’une surface ablatée statiquement. Pour des angles de rampes compris entre 0° et 30°, il existe toujours une structure, mais modifiée par rapport à la précédente. Pour des angles de rampe supérieurs à 30°, la rampe est lisse. Comme la structure micrométrique du fond du canal provient de la structure de la partie inférieure de la rampe, le fond du canal à la même structure que la rampe. A la différence près que l’on ne peut pas obtenir un fond de canal lisse. Les gammes d’angles dans lesquelles on obtient les différentes structures ne sont pas affectées par la fluence, mais varient d’un matériau à l’autre. La présence et l’orientation de la micro structure n’ont qu’une influence négligeable sur le flux electroosmotique dans les micro-canaux. En conclusion, le message de ce travail est que l’ablation scannée et ses paramètres modifient considérablement les propriétés des surfaces ablatées. Ceci doit être impérativement pris en compte dans l’optique de la fabrication de devices pour lesquels les propriétés telles la mouillabilité, l’adhésion, le potentiel ζ, la micro-rugosité, etc. sont importantes.