CN100528736C - 圆片级mems微流道的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆片级MEMS微流道的制造方法，包括以下步骤：利用微加工工艺在双面抛光Si圆片上制造微流道图形结构，将上述Si圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃圆片进行密封键合使微流道图形结构密封形成密封真空腔体，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热，保温，所述密封真空腔体内、外压差使软化后的玻璃形成与上述微流道图形结构相应的结构，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力，将上述经过退火的圆片的玻璃面与另一抛光Si圆片或玻璃圆片进行键合，形成圆片级的MEMS微流道。本发明可形成具有原始抛光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微流道系统，有效的提高了MEMS微流体系统中流体的流速。

Description

圆片级MEMS微流道的制造方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)制造技术，尤其涉及一种圆片级MEMS微流道的制造方法。

背景技术

微流道制造是MEMS微流体系统中一个不可缺少的环节。当前应用于传感器和生物芯片领域的微流体系统，已经进入了一个蓬勃发展的阶段。其中，微流体系统中微流道的制造已经拥有了很多成熟的制造工艺。一般来说，其工艺过程都是在Si片、玻璃、PDMS(聚二甲基硅氧烷)上直接刻蚀出微流道以及各种流体部件(如混合器，存储区等)的图案结构，然后与另一平面材料键合，形成MEMS微流体系统。然而，传统的Si片，或者使用玻璃、PDMS之类透明材料来直接刻蚀的微流道系统，其刻蚀后形成的微流道结构，其表面粗糙度处于较高的水平，对微流体的运动来说有着很大的影响。现有的表面抛光技术CMP(化学机械抛光)，对于具有复杂3D结构的微流道来说，由于尺寸非常微小，无法做到有效抛光。目前，处于微米量级宽度的微流道系统，迫切的需要降低表面粗糙度来提高微流体系统中流体的流速，降低流体所需要的驱动能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流道表面粗糙度低的圆片级MEMS微流道的制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种圆片级MEMS微流道的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用微加工工艺在双面抛光Si圆片上制造微流道图形结构，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的压力下进行密封键合使微流道图形结构密封形成密封真空腔体，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至800℃～890℃，保温3～5min，所述密封真空腔体内、外压差使软化后的玻璃形成与上述微流道图形结构相应的结构，冷却到20-25℃，将上述玻璃和硅键合好的圆片在常压下退火消除应力，

第四步，将上述经过退火的圆片的玻璃面与另一抛光Si圆片或玻璃圆片进行键合，形成圆片级的MEMS微流道。

本技术方案中，所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺或者干法腐蚀工艺。第二步中所述密封键合工艺为阳极键合工艺，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中所述退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第四步中所述键合采用粘合剂键合，粘合剂为玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种。第三步中的加热温度为840℃～850℃。

本发明获得如下效果：

1.本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在硅片上加工成Si片微流道结构(流道结构粗糙度难以控制，通常比较高)，再将该微流道结构与Pyrex7740玻璃在真空或负压(相对于常压而言)进行键合形成密闭的真空空腔，然后在常压下加热到玻璃的软化温度，在密闭真空腔内外压力差的作用下，玻璃按照微流道结构成型，从而在玻璃上形成所需要微流道结构，由于玻璃在软化温度下成型呈流态，因而形成的流道光滑，粗糙度低。通常，具有原始抛光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微流道系统，这有效的提高了MEMS微流体系统中流体的流速，降低了流体所需要的驱动能量。

2.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第三步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压：600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

3.采用的退火工艺可有效的消除玻璃在高温过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高；在一下工艺条件：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(25℃)，在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得流道的形状基本无改变，而退火温度过高易导致流道形状发生变化而导致粗糙度增加，而过低的退货温度则无法有效去除玻璃内部的应力。

4.本发明制备硅热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为形成微流道结构的基底，为后道的封装提供方便，制备的器件受热时不易发生失效。

5.本发明利用密闭真空腔内外的压力差，从而在玻璃表面形成光滑的流道，无需额外的抛光工艺，省去了普通流道制作的抛光工艺，因此具有工艺过程简单可靠，成本低廉的特点，此外该工艺在圆片上进行，可以同时加工多个微流道，设置常规的划片槽，可实现圆片级制造因此属于圆片级工艺，成本较低。

6.第四步中，采用粘合剂玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种进行粘合，这些工艺具有工艺简单、成本低的特点，适合于大规模生产。

7.本发明在第四步中，采用阳极键合，可使得键合的强度更高、密封性更好，从而可以实现流道的气密性或者真空封装。

附图说明

图1为本发明双面抛光硅片截面示意图

图2为本发明在硅片上制作的微流道截面示意图

图3为本发明带有微流道的硅片与玻璃在真空条件下键合后的截面示意图

图4为本发明键合圆片加热后的截面示意图

图5为本发明微流道被封装后的截面示意图

具体实施方式

实施例1

一种圆片级MEMS微流道的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用微加工工艺在双面抛光Si圆片上制造微流道图形结构，利用光刻工艺，湿法单面腐蚀，或者DRIE干法刻蚀出特定形状和尺寸的微流道图形，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得)圆片在小于1Pa的压力下进行密封键合使微流道图形结构密封形成密封真空腔体，譬如压力为0.5Pa，0.2Pa，0.1Pa，0.05Pa，0.01Pa，0.001Pa，，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规键合的要求，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至800℃～890℃，例如温度可以选取为820℃，830℃，840℃，845℃，850℃，855℃，860℃，870℃，880℃，890℃，保温3～5min，时间可以选取为：3.5min，3.8min，4min，4.2min，4.4min，所述密封真空腔体内、外压差使软化后的玻璃形成与上述微流道图形结构相应的结构，冷却到20-25℃，譬如为22℃，将上述圆片在常压下退火消除应力，该常压是指一个大气压，

第四步，将上述经过退火的圆片的玻璃面与另一抛光Si圆片或玻璃圆片进行键合，形成圆片级的MEMS微流道，在键合前需要对表面进行键合所必需的清洗，以保证其表面光洁。

本技术方案中，所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺或者干法腐蚀工艺。第二步中所述密封键合工艺为阳极键合工艺，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，退火温度可以选取为520℃，530℃，540℃，550℃，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。第四步中所述键合采用粘合剂键合，粘合剂为玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种。第二步中的加热温度为优选840℃～850℃，譬如选取为845℃。

实施例2一种圆片级MEMS微流道的制造方法，包括以下步骤

(1)将一定尺寸(比如4寸)的双面抛光Si圆片1，利用光刻工艺，湿法单面腐蚀，或者DRIE干法刻蚀出特定形状和尺寸的微流道图形。

(2)将Si片与相同大小的Pyrex7740玻璃在真空环境(小于1Pa)下进行阳极键合(工艺条件例如400℃，600V DC)，Si片有图形面和Pyrex7740玻璃2键合，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规阳极键合的要求。

(3)将键合好的圆片，送入常压下(1atm)的热处理炉中，在工艺条件840℃～850℃(高于Pyrex7740玻璃的软化温度)中进行热处理，工艺时间3min～5min，然后在风冷中迅速冷却至常温。

(4)将热处理过后的圆片，再次放入常压热处理炉中，在510℃～560℃范围中进行退火，保温30min后缓慢风冷至常温。

(5)将退火过后的圆片，同相同尺寸的双面抛光Si片或者Pyrex7740玻璃3进行粘合剂键合，常用粘合剂如玻璃浆料、polyimides(聚酰亚胺)、BCB(benzocyclobutene，苯并环丁烯)、Nafion(全氟磺酸树脂)、parylene(polyparaxylylene，聚对二甲苯)、SU-8(一种环氧负胶，市场可购得)，最终形成圆片级的MEMS微流道系统。

即通过MEMS加工制造技术：Si片与Pyrex7740玻璃的阳极键合工艺，再利用真空负压热处理工艺，制造出具有原始抛光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微流道系统，不仅工艺成熟，技术可靠，而且有效的提高了MEMS微流体系统中流体的速度，降低了流体所需要的驱动能量。

本发明可以在同时在上述圆片上形成多个相互独立的微流道图案，可以预留划片槽，在加工形成后，可以沿划片槽将各图形划片，获得多个不同的微流道，从而实现微流道的圆片级制作，降低该工艺的成本。

Claims (7)

1.一种圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用微加工工艺在双面抛光Si圆片上制造微流道图形结构，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的压力下进行密封键合使微流道图形结构密封形成密封真空腔体，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至800～890℃，保温3～5min，所述密封真空腔体内、外压差使软化后的玻璃形成与上述微流道图形结构相应的结构，冷却到20-25℃，将上述玻璃和硅键合好的圆片在常压下退火消除应力，

第四步，将上述经过退火的圆片的玻璃面与另一抛光Si圆片或玻璃圆片进行键合，形成圆片级的MEMS微流道。

2.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺或者干法腐蚀工艺。

3.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于第二步中所述密封键合工艺为阳极键合工艺，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

4.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于第三步中所述退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。

5.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第四步中所述键合采用粘合剂键合，粘合剂为玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种。

6.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第三步中的加热温度为840℃～850℃。

7.根据权利要求1所述的圆片级MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第四步中所述键合采用阳极键合工艺，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

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