CN102089679B - 微细加工中用于制造填充有液体并由薄膜封闭的围室的改良方法 - Google Patents
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Abstract
本发明有关于一种微细加工中用于制造包括填充有至少一种液体并由以一弹性材料为基础的至少一挠性薄膜来封闭的至少一封闭围室的装置的方法，其中所述方法包含以下步骤：a)在一基板(100)上沉积至少一种呈液态形式且能够在液态与固态之间相互转换的特定材料；b)使所述特定材料(130)至少部分凝固；c)在低压沉积一弹性材料在固化的材料上以形成一薄膜，所述薄膜及基板形成至少一填充有特定材料的封闭围室；d)使特定材料(130)熔化以使其在封闭围室内再次液化。
Description
技术领域
本发明与制造包含一个或多个填充有一种液体并至少部分由一薄膜来封闭的腔室或围室的装置有关。
本发明尤其适用于关于制造光学透镜或光学镜片或者镜片或透镜矩阵的光学领域，在其他诸如MEMS或NEMS(MEMS/NEMS表示微电子机械系统或纳米电子机械系统)之类的领域中用于制造致动器、传感器或开关以及在生物医学领域中用于制造微流控装置。
更具体来说，本发明与用于封闭此类围室的方法有关。
背景技术
对某些应用，尤其是光学应用而言，可谋求以几微米到几百微米数量级的临界尺寸来将液体——所谓的“功能液体”密封封装在腔室内或围室中。
这些微腔室可通过各种不同的技术来获得，尤其是通过对一基板进行微细加工及通过沉积和利用蚀刻及光刻技术将一或多个层体结构化来获得。
“功能液体”指的是一种以一或多种根据特定性质(例如，其光学性质)选定的物质来形成的液体。
文献EP1672394提出一种通过用一弹性薄膜覆盖沉积在一基板上的一定体积的液体来制造一填充有液体的封闭且挠性的围室的方法。
在此方法中，弹性薄膜通过低压沉积一弹性材料聚对二甲苯(poly-para-xylylene，也常被称为
)而直接形成于液体上。此材料在室温下聚合以沿着沉积表面形成一均匀层。
由于这种封闭方法在低压下实施，故此方法的一个主要缺陷在于液体在薄膜形成期间易蒸发。
另一显著难点在于沉积材料与液体可能混合或发生化学反应。
本发明的一目的在于提出一种允许以一种有效率的工业化方式来封闭填充有一种液体的腔室的方法，且此方法没有上述缺陷。
发明内容
本发明有关于一种微细加工中用于制造包括填充有至少一种液体并由至少一薄膜来封闭的至少一封闭围室的装置的方法，所述方法包含以下步骤：
a)在一支撑物上沉积至少一种呈液态形式且能够在液态与固态之间相互转换的特定材料，
b)使所述特定材料至少部分凝固或使所述特定材料呈凝胶状，
c)在所述凝固化特定材料上制造所述薄膜，所述薄膜及所述支撑物形成至少一填充有所述特定材料的围室，
d)使所述特定材料熔化以使其在所述围室中再次液化。
所述薄膜可通过沉积一弹性材料而形成。
根据一可行实施例，所述弹性材料可以以聚对二甲苯及/或其衍生物为基础，这一系列的材料被称为
。
形成薄膜所用的材料可在低压下沉积或必须在低压下沉积。在“低压”下沉积指的是沉积可在介于1到500毫托之间或介于10到50毫托之间的压力下完成。
通过将薄膜沉积在一凝固液体材料或一凝胶上，在极大程度上避免了液体蒸发的问题。
薄膜沉积可在介于-196°C到80°C之间或介于-30°C到40°C之间的温度下完成。
此温度可根据一方面，低于该温度腔室中的材料能够呈凝胶状或能够部分或全部凝固的温度，以及高于该温度制成的装置可能有变坏的风险的温度来调整。
通过在使特定材料维持在固态形式的一温度下沉积聚对二甲苯，与先前技术中在一液态材料上所实施的沉积的速率相比，可获得更高的沉积速率。
所述特定材料可从下列材料中选出：液晶体，举例而言，诸如戊基联苯氰(pentylcyanobiphenyl,5CB)；离子液体，举例而言，诸如咪唑盐(imidazoliumsalt)、吡咯烷盐(pyrrolidiniumsalt)、吡啶盐(pyridiniumsalt)；矿物油，例如艾克森化学公司生产的
系列的油或印刷用墨[喷墨型或所谓的“胶印”(offset)型]中所用的油；硅油；以液体及胶凝剂为基础的热可逆凝胶(thermoreversiblegel)，例如来自有机凝胶系列。
用以熔化或转换特定材料再次成为液态的步骤可在室温下或在介于-20°C到80°C之间的温度下完成。
此步骤可在介于几摄氏度到十摄氏度之间，高于腔室中材料的熔化温度的温度下完成。
选定使特定材料熔化或转换再次成为液体的温度以避免所制造的整个装置质量降级。
根据一可行实施例，所述支撑物可包括数个单独的腔室。
在这种情况下，步骤a)可包括用特定材料填充腔室中的一个或多个腔室，薄膜在步骤c)中形成且腔室形成填充有特定材料的数个封闭的单独围室。
根据另一实施例，所述步骤a)可包括用所述特定材料填充至少一腔室及用另一种特定液体材料填充至少另一腔室，步骤b)还包括使所述另一种特定材料至少部分凝固，薄膜在步骤c)中形成且腔室形成填充有不同液体的数个封闭围室。
附图说明
本发明的其他特征及优点在阅读以下的说明并参照附图将变得更加清楚，所述及附图仅作为说明并无意限制。
图1A-1H说明一种根据本发明的示范性方法。
图2A及2B说明替代实施例。
不同附图中的相同、相似或等效部分由同样的参考数字来表示以便从一附图过渡到另一附图。
为了使附图更加清楚，附图中所绘的不同部分不一定根据统一比例而绘制。
具体实施方式
现在将结合图1A-1H给出一种根据本发明的用于制造包括一个或多个填充有至少一种液体并由至少一薄膜来封闭的围室的一装置的示范性方法。
首先，在一平面支撑物100上有一个或多个腔室120或容室120或围室(enclosure)120，每一腔室120侧面由形成于一或更多薄层体中的壁110界定，且底部由所述支撑物形成的一层体界定。腔室120的壁110可以是相间隔的而使腔室120在基板的平面中呈现出某一形状，根据若干范例，此形状可以是：圆形、椭圆形、方形、矩形、多角形或星形。壁110将腔室120隔开，确保了腔室彼此之间密封。
支撑物100可以是透明的，例如采用玻璃板或诸如聚对苯二甲酸乙二(醇)酯(polyethyleneterephthalate,PET)层之类的塑料材料形式。
根据一实施例(图1A)，支撑物100可由例如为玻璃的一基板102形成，在基板102上形成有一或多个薄层体，例如，由以聚对苯二甲酸乙二(醇)酯(PET)为基础的挠性材料形成的至少一层体104。可选择地，可提供一层例如以丙烯酸酯(acrylate)为基础的中间粘合层来使层体104粘附在基板102上。
腔室120可通过在支撑物100上沉积一层体106并接着蚀刻此层体106以界定壁110的位置而被制成。界定出腔室120的层体106例如可以是感光性树脂形成的一层体。制造腔室120可至少包含一光刻步骤。
根据另一实施例，腔室120可用以下方法形成：在支撑物上形成一层体106，接着腔室120的位置通过使用一模具压印形成，此模具具有施压在层体106上的凸出图案。
另一办法是，聚合物材料形成的一层体106可沉积在基板102上，接着此层体106可利用一掩模被局部蚀刻掉，例如，通过利用O2与SF6及/或CHF3型氟化气体的混合气体的RIE或高密度等离子体蚀刻技术进行。
根据另一实施例，层体106可通过在一基板102上叠置一层例如通过蚀刻已提前形成有腔室120的聚合物材料层而形成。
壁110的大小及位置依据装置预计的应用而定。对一光学应用而言，尤其是对制造透镜而言，壁110可根据在光线穿过支撑物100的路径上不会产生任何干扰或者产生可忽略的或不可见干扰的几何形状而形成。壁110可在一透明树脂基础上形成且其中的图案可通过光刻形成，例如，以为基础的一种树脂，例如，其记载于R.Buestrich、F.Kahlenberg、M.Popall等人于2001年发表在JournalofSol-GelScienceandTechnology20中第181–186页上的文献《forOpticalInterconnectionTechnology》。
将腔室120隔开的壁110可具有一厚度e，厚度e在平行于基板或支撑物所在之主平面的方向上被界定(在图1A中，在平行于此图所定义的一正交参考系统的平面的一平面中界定)，例如，其介于0.1μm到5μm之间或介于1到3μm之间。
壁110也可具有一高度H(H在图1A中在平行于正交参考系统中向量
的方向上被界定)，高度H例如介于5到50μm之间或介于10到30μm之间。
腔室120也可具有一直径或一边或一长度D(在平行于正交参考系统
的平面
的方向上被界定)，D例如介于5μm到500μm之间或介于50μm到300μm之间。
接下来，(图1B)，用一种特定液体材料或用几种特定液体来填充腔室120。对一光学装置应用而言，所述特定材料可以是一种液体，一种所谓的“功能液体”，即针对，举例而言，诸如折射率、光吸收能力、偏振、对电刺激或光刺激的响应之类的特定性质而选定的液体。
所述特定液体材料例如可以是能够在数量级为-20°C的温度下凝固的1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐(1-butyl-3-methylimidazoliumacetate)。
根据另一范例，所述特定材料可以是由Plough公司生产的能够在数量级为-40°C的温度下凝固的
型石蜡油。
根据另一范例，所述特定材料可以是2,3-二-正癸氧基蒽(2,3-bis-n-decyloxyanthracene,DDOA)在1-辛醇(1-octanol)中的混合物，其能够在介于20到40°C的温度下凝胶化或转化成凝胶状。
凝胶指的是一物体由胶体物质凝固或是连续固态晶格围绕连续液相而产生。
填充步骤可由指向腔室120内部并使液体材料130喷射成体积的数量级可为几皮升的一喷射流或液滴132的一件设备E来完成。液体可用一种适于定位小体积(即几皮升至几百皮升)的技术来输送。对填充腔室而言，所用的此件设备E可应用一种类似于用墨嘴配洒的液体配洒技术。液体材料130可部分地或完全地填充腔室。可以完全填充腔室以到达壁110的顶部112或稍微超出壁110的顶部112。
根据一实施例，一或数个腔室120可用几种液体根据目标应用按比例来调配成的混合液体来填充。例如，对一光学应用而言，通过提供两种到若干种包括不同染剂的液体，可以通过改变上述每种填充液体的体积来调整一腔室中的光学密度或吸光度。
根据所述装置的一示范性应用，设备E可被提供用以输送至少一种活性成分。在此情况下，可用一种包括活性分子及一种溶剂的液体对腔室进行填充。活性分子的浓度或剂量可根据腔室120而有所不同。因而在装置的腔室之间可提供逐渐变化的活性成分浓度。活性成分可以是一种构成药物成分且有药效或治疗性质的物质。
根据另一实施例(图2A)，也可用多种液体130、134、136来填充腔室120而使每个腔室中的液体不同。这尤其可适用于装置的光学应用，例如，当试图对不同腔室赋予不同光学性质时。
根据另一实施例(图2B)，可为各个腔室提供体积不同的液体。
液体材料130可包括(多种)有机溶剂。根据一范例，所用溶剂可以是醇醚DowanolTPM(三丙二醇甲基醚)(glycoletherDowanolTPM(tri-propyleneglycolmethylether))。
接下来，腔室120中的(多种)液体材料130凝固(图1C)。
凝固可以是局部的，而使至少液体材料130或腔室中的液体的上部转化成固态，或可使其全部转化成固态。
为了使液体材料130或腔室120中的液体凝固，需使(多种)液体冷却。为此，可使液体处于至少低于或等于达到腔室120中的液体材料130的饱和压力时的温度或当存在几种液体时处于低于或等于达到腔室120中的液体的最小饱和压力值时的温度下。
在一种情况下，例如，填充腔室的液体材料130为1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐，可使液体处于低于-20°C的温度下以完成固化。
在另一种情况下，例如，固化的材料130为一种润滑型矿物油，可使液体处于低于-40°C的温度下以完成固化。
根据一替代实施例，可用使特定填充材料转化成凝胶的步骤来取代凝固步骤。在此情况下，填充腔室所用的特定材料为一种能够转化成凝胶或由包括一胶凝成分的混合物形成的材料。一示范性混合物可由2,3-二正癸氧基蒽(DDOA)在1-辛醇中形成。例如，对生物有机体中活性成分的盐析应用而言，依靠使用上述混合物，在20°C到40°C之间可出现凝胶。因而随后可在室温下沉积薄膜以封闭所述腔室。在此情况下，可在高于40°C的温度下使填充腔室120所用的凝胶恢复成液态。
根据一实施例，可在一沉积室中完成冷却步骤，随后在所述沉积室中制成一薄膜状的封闭层，其可以是弹性的或挠性的。
在此情况下，在沉积室中提供用于冷却所述装置的一系统。这样的系统，例如，可包含一铂及珀耳帖效应模组或一具有液态氮循环系统的样品架。
也可应用一种用氦或一传热气体来冷却支撑物100后部的技术。
冷却也可通过被一传热流体循环围绕来进行，一中性气体朝向液体130对沉积室施压。
在沉积室中也可提供一真空抽气系统以避免冷凝现象。
在沉积室中支撑物100可被置于室温下，首先在接近环境压力的压力下向所述液体引入一干燥中性气体。为了完成固化，接着执行冷却以实现期望的固化，固化可以是局部的或可以在表面上或可以是完全固化。
为此，可使沉积室处于数量级为-20°C或-30°C的温度下。处于这种范围中的温度可使诸如1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯(1-butyl-3-methylimidazoliummethylsulfate)或1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐(1-butyl-3-methylimidazoliumthiocyanate)的标准离子液体固化。以这些温度值作为说明，使得沉积室或基板架的温度适于腔室中的液体以使其部分或完全凝固。
在固化步骤结束时，位于腔室中的特定材料呈固态140或在表面呈固态。
接下来，(图1D及1E)，在壁110的顶部112及在已固化或已转化成凝胶的特定材料140的表面上沉积一封闭层150。封闭层150为一挠性薄膜，其可以以一弹性材料为基础并能形成填充有液体的封闭腔室或封闭围室。此封闭层或薄膜可确保所述腔室的密封性。尤其，薄膜被提供用以制造对湿度、酸及溶剂的一阻挡层以及可选择地一电绝缘层。
封闭层150的材料152可以是聚对二甲苯，也称为
。这种材料在室温下聚合，且可以适当地形成，以与所沉积的表面的形状相吻合。
根据所述应用，沉积材料的厚度可以是均匀的且介于几纳米与几微米之间，例如，介于大约一百纳米与几十微米之间，例如，介于0.2μm与5μm之间。
沉积聚对二甲苯来达到封闭的目的具有以下优势：可获得厚度较薄的一连续的、贴合的、无色的及透明的薄膜以及良好的保护性质，聚对二甲苯防渗，耐受恶劣环境、溶剂及气体。
可以以气相沉积，例如，利用CVD(化学气相沉积)沉积技术完成。
封闭层150的材料152的沉积可在介于1与500毫巴的一压力下或在基本真空中完成。在这种压力下，所述填充液体通常易蒸发。在本实例中，由于填充腔室120所用的(多种)液体130已经部分固化或转化成凝胶，故不会发生蒸发现象。
聚对二甲苯层的形成可在标准条件下完成，在680°C下先完成聚对二甲苯二聚物(di-para-xylylene)的高温分解，接着在能使特定材料维持于固态的温度下使对二甲苯单体在所述样品表面上聚合。当特定固化材料为，例如1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯或1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐时，可在-30°C到-20°C之间的温度下完成沉积，此时，特定固化材料可维持固态。
一旦必须承受聚对二甲苯沉积物的部分的温度达到时，则可使得沉积室内为真空。
接下来，一旦完成聚对二甲苯的沉积且进而形成薄膜，则沉积室的温度再次上升以使固化的材料140恢复成液态130。所述装置周围的温度例如可恢复成室温。材料130一旦熔化，填充有液体的封闭腔室120即可形成。从而，制得包括数个均部分地以弹性材料薄膜及支撑物100的壁110来封闭的液体围室的装置。
在封闭层150(图1H)上面可形成一个或多个附加层160。可制造一个或多个附加层160。为了制造这种(这些)附加层，例如沉积或转印可通过叠层来完成。附加层可以是一弹性材料薄膜，其例如可以与以PET为基础的层体104完全相同。
接着层体160可用一个或多个例如具有抗反射性质或硬磨光、防污着或耐磨损或防震性质的功能层(通过参考编号为170的方块来图示化)来覆盖。
就本实施例而言，基板102可保留下来，或根据一替代实施例，可将基板102自挠性材料层104分离。
根据一实施例，对某些应用而言，例如，对制造单独的光学透镜而言，封闭腔室120可被彼此分离，从而使得填充有液体的围室是分离的或个别化的。
这种分离例如可利用激光或利用超声波或利用至少一切割工具来制作。
除了聚对二甲苯之外，上文给出的方法还适合于沉积其他材料，举例而言，诸如2007年8月发表的论文Biomacromolecules的第2564-2570页中所记载的可通过iCVD(初始CVD)沉积的聚(1,3,5-三乙烯基三甲基环三硅氧烷)[poly(1,3,5-trivinyltrimethylcyclotrisiloxane)，被称为聚(V3D3)]的一透明材料。对介于350到450毫托之间的一沉积压力而言，沉积温度的数量级可为35°C。这样的压力和温度可能可以允许一大批合适的液体在作为填充腔室120的材料上供使用。
聚(1,3,5)三乙烯基三甲基环三硅氧烷(被称为聚(V3D3))可在一压力及一温度下沉积使得一开始为一种液体的特定材料130可维持固态，且能够在环境压力及温度下恢复成液态。
根据本发明的方法可用以制造光学透镜或透镜矩阵。在此情况下，封闭层可以是如前述所形成的聚对二甲苯层，即通过沉积在已提前固化或转化成凝胶的材料上，该材料可在聚对二甲苯层沉积之后恢复成液态以形成围室内的液体。
Claims (8)
1.一种微细加工中用于制造包括填充有至少一种液体并由至少一薄膜来封闭的至少一封闭围室的装置的方法，所述方法包含以下步骤：
a)在一支撑物(100)上沉积至少一呈液态形式且能够在液态与固态之间相互转换的特定材料，
b)使所述特定材料(130)至少部分凝固，
c)通过低压沉积到所述已固化的材料上来制造一薄膜，所述薄膜及所述支撑物形成至少一填充有所述特定材料的封闭围室，
d)使所述特定材料(130)熔化以使其在所述封闭围室中再次液化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述薄膜的材料为一弹性材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中形成所述薄膜的材料以聚对二甲苯及/或其至少一种衍生物为基础。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积步骤在介于1到500毫托之间的压力下或在工业真空中执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积步骤在介于-196°C到80°C之间的温度下执行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑物包括数个单独的腔室且其中步骤a)包括用所述特定材料(130)填充至少一腔室，所述薄膜在步骤c)中形成且所述腔室形成填充有所述特定材料的数个单独的封闭围室。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑物包括数个单独的腔室且其中步骤a)包括用所述特定材料填充至少一腔室及用另一特定液体材料填充至少另一腔室，步骤b)还包括使所述特定材料(130,230)至少部分凝固，所述薄膜在步骤c)中形成且所述腔室形成填充有不同液体的数个封闭围室。
8.根据权利要求1所述的方法，所述特定材料选自下列材料之一：一液晶体、一离子液体、一矿物油、一印刷用墨油、一硅油、以一液体及一胶凝剂为基础的一热可逆凝胶。
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