多孔平坦抗变形膜的制作方法

多孔平坦抗变形膜


背景技术：

1.多孔膜用于各种生物过滤方法。所述膜由聚合物材料的薄层制成，在所述材料中形成有孔。一种这样的材料是通过称为径迹蚀刻的方法制备的，其在图1中示出，径迹蚀刻材料是使用电子枪制成的。在真空条件下电子被导向膜。电子在膜中产生孔，导致膜多孔。由于该过程的随机性，所产生的孔在膜表面中随机分布。存在这样的可能性，即由于孔中的重叠，该方法导致一些比预期更大的孔。
2.光刻法已经用于制造膜材料。授予jacobsen并转让给baxter international公司的美国专利7,784,619描述了用于制备膜的光刻方法。这些方法使用常规的半导体制造技术来制造具有期望的一系列孔的膜。
3.本发明人已经发现，用于半导体制造的标准技术不能提供具有所需性质的大表面积膜。难以制备在表面上平放的大表面积膜。一个问题是膜材料在从支撑体分离之后的卷曲。其它问题包括膜受到硬掩模层的污染，所述硬掩模层对于在膜中产生高纵横比的孔是必要的。在一些应用中，可能希望生产不含金属污染物的膜。
4.因此，本发明寻求改进微孔膜及其制造方法。


技术实现要素：

5.在一个方面，本发明包括液体过滤多孔膜，该多孔膜包括聚合物膜层，该聚合物膜层具有1至100微米范围的平均孔径、小于或等于0.7微米的孔径标准偏差和0.2或更小的偏移比。膜理想地具有较大的表面积，例如至少4,000 mm2。根据本发明的一个方面，孔径分布可以被控制为小于0.3微米。在另一方面，孔径分布具有范围为0.15至0.7微米，更优选0.15至0.40微米，或0.15至0.30微米的标准偏差。
6.聚合物膜可以由各种聚合物制成，例如聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚氨酯、合成聚合物、低密度聚乙烯(ldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、尼龙、特氟隆(聚四氟乙烯)、热塑性聚氨酯(tpu)、聚乙烯、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸酯单体或丙烯酸酯弹性体。在优选的方面，聚合物材料是聚酰亚胺。
7.在另一方面，本发明涉及一种制造液体过滤多孔膜的方法，包括：a)在基材的顶表面上沉积光致抗蚀剂层，所述基材包括支撑层、聚合物层和硬掩模层，其中所述聚合物层具有5至25微米的厚度，并且基材层和所述聚合物层具有相对于彼此在
±
25%内的匹配的热膨胀系数；b)将光致抗蚀剂暴露于光的图案；c)使所述光致抗蚀剂层显影以提供暴露所述硬掩模层的一部分的在所述光致抗蚀剂层中的第一开口图案；d)蚀刻所述硬掩模层的所述暴露部分以提供暴露所述在下面的聚合物层的部分的在所述硬掩模层中的第二开口图案；e)去除光致抗蚀剂；f)通过所述硬掩模层中的所述开口蚀刻所述聚合物层，从而在所述聚合物层中提供第三开口图案；g)去除硬掩模层；和h)从所述基材释放所述聚合物层，从而提供所述多孔膜，其中所述多孔膜的孔尺寸由光的图案限定，并且膜具有至少4,000 mm2的表面积。
8.在另一方面，本发明涉及一种多孔膜，该多孔膜包括聚合物层，该聚合物层具有至
少4,000 mm2的连续表面积、5至25微米的厚度、和开口图案，其中开口的中值纵横比范围为0.5:1至20:1，并且该聚合物缺乏可检测量的硬掩模材料或硬掩模层与聚合物的反应产物。在一个方面，多孔膜具有能够平放的能力，具有0.2或更小的偏移比。
9.在另一方面，本发明涉及一种制备多孔膜的方法，包括：a)在基材的顶表面上沉积光致抗蚀剂层，所述基材包括支撑层、聚合物层和硬掩模层，其中所述聚合物层具有5至25微米的厚度，并且所述基材的表面积为至少4,000 mm2，其中所述硬掩模和聚合物在它们的界面处不形成反应层；b)将光致抗蚀剂暴露于光的图案；c)使所述光致抗蚀剂层显影以提供暴露所述硬掩模层的一部分的在所述光致抗蚀剂层中的第一开口图案；d)蚀刻所述硬掩模层的所述暴露部分以提供暴露所述在下面的聚合物层的部分的在所述硬掩模层中的第二开口图案；e)去除光致抗蚀剂；f)通过所述硬掩模层中的所述开口蚀刻所述聚合物层，从而在所述聚合物层中提供第三开口图案，其中所述第三开口图案的中值纵横比在0.5:1至20:1的范围内；g)去除所述硬掩模层，其中在去除所述硬掩模层之后，所述聚合物层缺乏可检测量的硬掩模材料或所述硬掩模层与所述聚合物的反应产物；和h)从所述基材释放所述聚合物层，从而提供所述多孔膜，其中所述多孔膜的孔尺寸由光的图案限定，并且膜具有至少4,000 mm2的表面积。聚合物层和基材之间的热膨胀系数可以控制在相对于彼此
±
15%内。更优选地，cte被控制在相对于彼此的
±
10%内。
附图说明
10.图1示出了根据径迹蚀刻方法制造的多孔膜的表面。
11.图2示出了根据本发明的实施方案的用于制造膜的步骤。
12.图3示出了根据本发明的实施方案的膜的图片。
13.图4示出了根据本发明的实施方案的膜的扫描电子显微镜图像。
14.图5示出了在不控制支撑层和聚合物层的cte的情况下制备的聚酰亚胺膜。
15.图6示出了根据本发明的方面制备的聚酰亚胺膜，其中支撑层和聚合物层的cte被控制在彼此的25%以内。
具体实施方式
16.本发明涉及使用光刻方法生产聚合物膜，其中膜材料可以被制成具有超过4,000 mm2的连续表面积，其能够被放平而没有卷曲或其它变形。
17.本发明的膜可以被制成具有所需的孔径和分布，同时保持大的连续表面积。
18.本发明的方法能够生产生物相容的膜，并且使用避免在加工后在聚合物材料中留下残余组分的材料和技术。例如，从不与聚合物的成分（诸如碳）反应的材料中选择蚀刻掩模。避免这些表面反应对于生物膜是重要的，所述生物膜必须不污染它们打算过滤的材料。可以选择硬掩模材料和蚀刻条件，以便使在膜中发现的残余硬掩模材料的水平最小化。残余材料包括来自硬掩模材料的元素杂质，包括例如铝或硅元素。在一个实施方案中，膜包含生物学上不显著的量的残余硬掩模材料。在一个实施方案中，聚合物表面上的硬掩模材料的量优选等于或低于0.15μg/cm2，更优选低于0.10μg/cm2，且最优选低于0.01μg/cm2。
19.如图2所示，制造本发明膜的一个示例性方法首先包括提供基层基材层100。在基层100上形成膜层102。在聚合物层102上形成硬掩模层103。并且在硬掩模层103上提供光掩
模层104。
20.基层基材100例如可以由玻璃制成。其它合适的材料包括硅或金属。膜层102是聚合物层。在本发明的一个优选方面，膜层102和基层100具有相似的热膨胀系数。发明人已经观察到，当聚合物层102和基层100的热膨胀特性匹配时，所得膜抵抗变形。这是期望的性质，因为平放的膜对于最终用户而言更容易处理。一种cte类似于玻璃的理想材料是聚酰亚胺。在一个方面，将聚酰亚胺施加到基材上并在其上固化，其中固化的聚酰亚胺基材的cte与玻璃的cte相匹配。发明人已经发现，玻璃和聚合物膜层(例如，聚酰亚胺)之间的差异越大，聚合物越可能在从玻璃释放时不平放。
21.在一个实施方案中，聚酰亚胺在20微米厚度下在50℃和200℃之间具有3 ppm /℃的cte，并且玻璃在50℃和200℃之间具有3.2 ppm /℃的cte。如上所述，聚合物和基层的cte应当在彼此的
±
25%的范围内，更优选在彼此的
±
15%的范围内，并且最优选在
±
10%的范围内。例如，如上所述，玻璃的cte比聚酰亚胺层的cte高约7%。
22.用于膜层102的合适材料可包括聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚氨酯、合成聚合物、低密度聚乙烯(ldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、尼龙、特氟隆(聚四氟乙烯)、热塑性聚氨酯(tpu)、聚乙烯、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸酯单体或丙烯酸酯弹性体。膜层102可以使用旋涂、喷涂、弯月面涂布、狭缝涂布、浸涂、挤出涂布、层压(粘合剂附着到基材上)涂布到基层100上。膜层102可以使用热固化、uv固化或两者的组合来固化。
23.硬掩模层103通常是无机材料，其可以相对于诸如膜层或光掩模层的聚合材料被选择性地蚀刻。无机层理想地由不以任何方式与膜层102反应的材料制成。例如，虽然铝是公知的蚀刻掩模层，但是al可能与膜层的聚酰亚胺反应形成al-c。这是不期望的，因为任何金属污染将可能使膜与生物过程应用不相容。优选地，硬掩模层由铝合金制成，该铝合金表现出与在下面的膜层102的聚合物很少或没有反应。可以使用物理气相沉积、蒸发、化学气相沉积和/或喷涂中的一种或多种来沉积硬掩模层103。
24.合适的硬掩模材料包括无机材料、有机材料、多层无机和有机材料。更具体而言，硬掩模材料可以包括金属、绝缘体、半导体、光致抗蚀剂、无机材料、有机材料、多层膜或其组合。在某些实施方案中，硬掩模可包括氢化非晶sin (sin：h)或氢化非晶sio (sio：h)。可以使用物理气相沉积、蒸发、化学气相沉积、喷涂、镀、层压、旋涂、喷涂、弯月面涂布、狭缝涂布、浸涂或挤出涂布来沉积硬掩模。
25.光致抗蚀剂层104理想地是可以使用通常用于半导体和平板显示器制造的平版印刷技术来暴露光致抗蚀剂材料和使光致抗蚀剂材料图案化。光致抗蚀剂材料可以是正性或负性光致抗蚀剂。通常使用旋涂技术将光致抗蚀剂材料沉积到所需厚度，然后固化。然后使光致抗蚀剂经受光的图案，该图案在光致抗蚀剂显影时确定光致抗蚀剂材料的图案。正性光致抗蚀剂在未暴露于光的的区域中留下材料，并且在显影时在暴露于光的区域中去除。负性光致抗蚀剂是相反的。即，负性光致抗蚀剂保留在暴露于光的区域，并且在显影时在未暴露于光的区域中去除。
26.图2(a)所示的结构表示基层100、膜层102、硬掩模层103和光致抗蚀剂层104的横截面。该材料可以在其被图案化时制成，或者预先制成并在稍后的时间被图案化。整体形状不是关键的，并且可以是圆盘、正方形或矩形的形式。图3示出了支撑结构上的圆盘形膜。本
发明可用于提供大面积多孔膜，包括表面积超过4,000 mm2的那些。
27.由图2(a)的结构制造膜的第一步是通过将光致抗蚀剂的表面暴露于光图案，并显影光致抗蚀剂以留下图2(b)所示的光致抗蚀剂图案，来提供图案化的光致抗蚀剂层104。光暴露的位置取决于使用正性还是负性光致抗蚀剂。图2(b)中的光致抗蚀剂104包括光致抗蚀剂层中的开口101。在光致抗蚀剂104暴露于光图案之后，在显影时形成光致抗蚀剂层104中的开口101。
28.在形成开口101之后，在开口101的位置中蚀刻硬掩模103以形成硬掩模开口106，如图2(c)所示。可以使用湿法化学蚀刻、等离子体蚀刻、非反应溅射或这些技术的组合中的一种或多种来进行硬掩模103的蚀刻。在一个方面，使用乙酸、磷酸、硝酸和水的组合来蚀刻硬掩模。在一个方面，用氟化铵(nh4f)和氢氟酸(hf)蚀刻硬掩模层。在另一方面，可以使用激光烧蚀来去除硬掩模层。蚀刻通常在高温下进行。如上所述，硬掩模层的材料应选择为在处理期间遇到的温度下不与膜层102的在下面的聚合物反应，所述处理包括蚀刻硬掩模103。
29.应当理解，硬掩模层对于为膜层102中的孔的后续蚀刻提供掩模是关键的。尽管硬掩模材料是已知的，但是许多现有的硬掩模材料将与在下面的膜层102中的碳反应。例如，本发明人已经观察到，当铝用作聚酰亚胺膜上的硬掩模时，在膜层中形成al-c。这些反应的发生部分是因为在制造过程中基材暴露的温度升高。由于这些原因，希望使用没有潜在金属污染物的硬掩模材料，例如如上所述的sin或sih。
30.在使硬掩模层103图案化以形成开口106之后，可以使用nmp基溶剂等去除光致抗蚀剂，然后可以使膜层102图案化以形成开口107。图2(e)中示出了通过硬掩模开口106的膜层102的图案化。这是设计成选择性地去除硬掩模开口106内的聚合物膜层的蚀刻方法。蚀刻技术可包括湿法化学蚀刻、等离子体蚀刻、非反应溅射或这些技术的组合。值得注意的是，必须充分蚀刻材料以通过膜层开口107暴露在下面的基层100。
31.在使膜层102图案化以形成膜层开口107之后，应去除硬掩模层103，如图2(f)所示。硬掩模层103的去除理想地以相对于膜层102有选择性的方式进行。
32.在去除硬掩模层103之后，如图2(g)所示，将图案化的膜层102与基层100分离。膜层102可以使用机械释放技术、激光释放技术、基于溶液的释放技术、或热释放技术或这些技术的组合来释放。
33.必须选择基层和膜层以允许在图案化之后释放该层，但具有足够的粘附性以经受加工。在一个实施方案中，基层100由玻璃制成，而膜层102是聚酰亚胺。在优选实施方案中，选择具有相似热膨胀系数的基层100和膜102。本发明人发现，使基层100和膜层102的cte相匹配对于在从基层分层时提供平坦的膜是重要的。在cte不匹配的情况下，膜在分层时将趋于卷曲，这是不期望的。
34.膜102可以使用机械方法或化学和机械方法的组合与基层100分离。例如，可以使用激光剥离(llo)技术去除该膜。作为另外一种选择或除此之外，膜可包括介于膜102和基层100之间的脱粘层(dbl)。在优选的方面，选择膜102层和基层100层，使得它们容易分离而不使用llo或dbl。
35.图4示出了根据本发明的实施方案的膜的扫描电子显微镜图像。可以使用本文所述的平版印刷技术将孔制成规则的图案。任何期望的图案都是可能的。然而，使用平版印刷
技术的一个优点是可以避免与由随机过程导致的重叠孔相关联的问题。此外，在一个实施方案中，在x-y方向上的任何对称孔形状可沿着z方向穿过膜的厚度按比例再现。例如，在x-y方向上的任何对称孔形状可以在有或没有拔模角的情况下沿着z方向挤出。这可以用于避免在z方向和三点对称中的复杂孔形状，即螺旋几何形状，当不能使用合适的硬掩模时，这可能自然地出现。
36.在一个实施方案中，孔被设计成具有1-100微米范围，更优选1-10微米范围，更优选3-7微米范围，且最优选约5微米的直径。膜的厚度与孔的直径一起决定了孔的纵横比。膜的厚度通常在5至25微米的范围内。纵横比可以为0.5:1至最多20:1的范围，优选1:1至10:1，更优选2:1至5:1，且最优选约3:1。在一个方面，本发明能够生产具有所需尺寸的孔径分布的膜，且具有低可变性。在一个方面，可变性可以表征为孔径标准偏差。孔径的标准偏差理想地小于0.70微米，且更理想地小于0.50微米，还更理想地小于0.30微米。在另一方面，孔径的标准偏差可以在0.1至0.5微米之间的范围，更理想地在0.15至0.4微米之间，并且更优选地在0.15至0.3微米之间。表1显示了根据本发明的膜的孔径和标准偏差：这些结果基于每张100
×
150 mm片材上的15个测量点。观察到一些区域，其中较小的孔，这表明可能存在堵塞孔的碎片。一些较大孔的存在似乎是由掩模中的缺陷引起的。在生产期间，掩模中的缺陷可以通过更换掩模来补救。
37.本发明的膜具有可以基于尺寸可靠地分离材料的孔径分布。通过用已知尺寸和浓度的均匀颗粒(聚苯乙烯微球)的悬浮液挑战膜，然后定量能够穿过膜(膜的下游)的颗粒，来确定膜的保留效率。这些测试中使用的聚苯乙烯珠是非官能化的且未染色的。测试了标称尺寸为6、10和12微米的三种珠尺寸分布。对比膜是ge healthcare tem nucleopore标称尺寸10μm。用于测试的本发明的膜具有10.3μm
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0.2μm的精确尺寸(基于sem显微图像的统
计学评价)。如表2所示，与市售径迹蚀刻膜相比，本发明的膜在平均保留方面表现出非常低的标准偏差，这显示了本发明的膜在孔径再现性方面的可靠性。
38.本发明的多孔膜具有在从支撑体上分层后不卷曲的理想性能。当所生产的膜的表面积增加时，这一特征变得更加关键。例如，当膜的表面积为4,000 mm2或更大时，发明人观察到膜在从基层分层后有卷曲的趋势。在开发具有光刻/蚀刻的多孔膜方面的现有尝试利用了具有不确定的热膨胀系数的聚合物层，这使得难以在分层时不卷曲地生产它们，特别是在所声称的大表面积处。这些限制严重限制了膜的表面积尺寸。
39.期望的偏移水平，或当膜是自支撑时用平坦平面的最大偏移去除以该膜在平坦表面上的长度的比率计算的偏移比，为0.2或更小。图5示出了一种膜，其中偏移值为0.22，计算为10 mm卷曲除以47 mm直径最大值。这种水平的偏移比是由于缺乏对基材和聚合物层的cte的控制，因此聚合物层的分离导致卷曲的膜。图6示出了根据本发明的实施方案的膜，其中偏移为0.04，或者换句话说，在25 mm直径上偏移小于1 mm。
40.将jurkat细胞(人淋巴瘤)培养在补充有胎牛血清和抗生素复合物(链霉素和青霉素)的rpmi培养基中，并在用于实验前传代两次。细胞按照原样培养(对照)，以及在ge healthcare temnucleopore和本发明的膜存在下培养总共7天，持续监测并保持在指数生长期(直接通过细胞数量控制来控制)。使用nucleocounter 200 (chemometec)定量地推断所有组(对照、径迹蚀刻和本发明膜)中的细胞生存能力，并且其分别是第1天和第7天的via-1盒消耗品，如表3所示。
41.结果显示在膜和对照存在下培养的jurkat细胞的生存能力没有差异，因此没有细胞毒性。
42.通过考虑本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施方案和用途对于本领域技术人员将是显而易见的。本文引用的所有参考文献，包括所有美国和外国专利和专利申请，都明确地和完全地通过引用并入本文。旨在说明书和实例仅是示例性的，本发明的真正范围和精神由所附权利要求书限定。