CN102192988B - 微流控芯片的基片模具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片的基片模具及其制造方法。其中，该方法包括：在基板上覆盖光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影；曝光和显影后，对基板进行化学镀处理；去除光刻胶。通过本发明，能够防止在制造基片模具的过程中对基片模具上的图案造成损坏。

Description

微流控芯片的基片模具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片的基片模具及其制造方法。

背景技术

微流控芯片是把化学或生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检验、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

微流控分析芯片的加工技术起源于半导体及集成电路芯片的微细加工，但芯片通道的加工尺寸远大于大规模集成电路，芯片的大小约数平方厘米，微通道宽度和深度为微米级。另一方面，对芯片材料的选择、微通道的设计、微通道的表面改性及芯片的制作则是微流控分析芯片的关键问题。由于微流控芯片的广泛应用，特别是在生物领域中应用时，需要满足低成本、生物适应性、灵活性和大批量生产等要求。然而这些要求很难同时满足。相关技术中的制造方法，如采用激光器在有机玻璃上直接加工微流控芯片，但该方法只适用于原型样品的生产，因为激光会破坏微流通道表面的形状，精度不高，而且生产周期长，不适合大批量生产；如采用LIGA方法制造模具而后复制加工，该方法造价高周期长。

采用相关技术中的方法，例如，购置电铸设备和模版完成设备约20～30万美元；购置光盘注塑机约14～22万美元/台，光盘模具5～9万美元/付；购置DVD甩胶机+固化装置约5～10万美元；44～71。以上设备加上辅助设施及超净车间，这部分投资合计60万美元以上；目前微流控芯片的加工量尚未大幅度增加，设备闲置时间将在80％以上甚至更高，将导致芯片加工成本几倍甚至几十倍地增加。

总之，在相关技术中没有成熟的低成本微流控加工技术，且通常为单个加工，尺寸小、精度低、效率低、成本高。

针对相关技术中在制造微流控芯片的模具过程中，在去除其中一面的图案时，往往会对另一面的图案构成损坏的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对在制造微流控芯片的模具过程中，在去除其中一面的图案时，往往会对另一面的图案构成损坏的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种微流控芯片的基片模具及其制造方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片的基片模具的制造方法。

根据本发明的微流控芯片的基片模具的制造方法包括：在基板上覆盖光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影；对基板进行化学镀处理；去除光刻胶。

优选地，基板的直径等于光盘母盘的直径。

优选地，基板的厚度为300微米到1000微米。

优选地，光刻胶为负性光刻胶。

优选地，负性光刻胶为SU-8系列负光刻胶。

优选地，对光刻胶进行曝光和显影包括：对光刻胶进行前烘处理；对前烘处理后的光刻胶进行曝光；对曝光后的光刻胶进行后烘处理；对后烘处理后的光刻胶进行显影。

优选地，前烘处理包括：将带有光刻胶的基板在处于第一预定温度的热盘上放置第一预定时间；将第一预定温度加温至第二预定温度，并在第二预定温度对带有光刻胶的基板加热第二预定的时间，后烘处理包括：将曝光后的光刻胶在第三预设温度加热第三预定时间；将第三预定温度加温至第四预定温度，将曝光后的光刻胶在第一预定温度加热第四预定的时间。

优选地，在对光刻胶进行曝光和显影之后，上述方法还包括：对显影后的基板的表面进行金属化处理。

优选地，基板为镍金属基板。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片的基片模具。微流控芯片模具的第一端具有微流控芯片模型，其中，微流控芯片模型通过以下方法来形成：在基板上覆盖光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影；对基板进行化学镀处理；去除光刻胶。

优选地，上述基板为镍金属基板。

优选地，微流控芯片模具的直径等于光盘母盘的直径。

优选地，微流控芯片模具的厚度为300微米到1000微米。

优选地，微流控芯片模具包括一个或多个微流控芯片的基片模型。

微流控芯片模具的第二端为平面结构。

通过本发明，采用在基板上覆盖光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影；曝光和显影后，对基板进行化学镀处理；去除光刻胶，解决了在制造微流控芯片的模具过程中，在去除其中一面的图案时，往往会对另一面的图案构成损坏的问题，进而达到可以防止在模具的背面产生图案的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的微流控芯片的基片模具的制造方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的微流控芯片的制造方法的流程图；

图3A到图3E是根据本发明实施例的微流控芯片的基片模具的制造方法的流程示意图；

图4是根据本发明实施例的一种微流控芯片的基片模具的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种微流控芯片的制造方法。

图1是根据本发明第一实施例的微流控芯片的制造方法的流程图。

如图1所示，该方法包括如下的步骤S102至步骤S108：

步骤S102，在基板上覆盖光刻胶。

步骤S104，对光刻胶进行曝光和显影；可以利用预定的掩模对光刻胶进行曝光和显影。

步骤S106，曝光和显影后，对基板进行化学镀处理；其中，在基板为金属基板的情况下，在进行化学镀处理时，在没有被光刻胶覆盖的金属基板会生长，从而形成一个个的突起，最终形成对应于掩模的图样。其中，基板也可以为非金属基板，例如可以为玻璃基板或半导体基板等，在该种情况下，在化学镀处理时，在光刻胶去除的部分会生长出金属，例如镍金属，同时，在进一步的化学镀后，在整个光刻胶及基板的上部会生成一定厚度的金属。

步骤S108，去除光刻胶，得到模具。在基板为金属基板的情况下，去除光刻胶便直接得到基片的模具(即，金属基板在化学镀后成为模具)。在基板为金属基板的情况下，生长的部分为模具，此时，需要将非金属基板和光刻胶均去除，剩余的部分为模具。

在本发明中，通过在基板上覆盖光刻胶，以及在曝光和显影后，对基板进行化学镀处理，能够得到一侧具有图案(模型)的模具，从而防止了在制造模具的过程中对模具上的图案造成损坏。

图3A到图3E是根据本发明实施例的微流控芯片的基片模具的制造方法的流程示意图。

以金属基板为例，包括以下步骤：

如图3A所示，在基板10上涂覆光刻胶11。

如图3B所示，在光刻胶11上覆盖掩模13，然后对光刻胶11进行曝光处理。

如图3C所示，对曝光后的光刻胶11进行显影，从而可以将曝光后的光刻胶12去除，从而得到残留的光刻胶15，残留的光刻胶15构成预定的图样，从而得到如图3C所示的结构。

如图3D所示，对图3C得到的结构进行化学镀处理，其中，可以看出，被光刻胶11暴露的基板10在化学镀的过程中生长，从而在基板10的一侧形成图案，而在基板10的另一侧为镜面。

在化学镀处理之后，去除基板10上残留的光刻胶15，从而得到基片模具。

如图3E所示，在基片模具具有图案的一侧利用材料30进行注塑就可以得到基片。材料30可以为PC、COP、PS、PMMA等。

在基板为非金属基板的情况下，在化学镀的过程中，基板本身不会生长，在光刻胶的间隙及光刻胶和基板上部会沉积(生成)一层金属，该金属最终形成模具，将光刻胶和基板均去除即可。

图4是根据本发明实施例的一种微流控芯片的基片模具的示意图。

如图4所示，该微流控芯片的基片模具上具有三个微流控芯片的基片图案(模型)，从而，在对该模具进行注塑时，可以一次得到三个微流控芯片的基片。其中，可以根据所需微流控芯片的大小来在一个基片模具上设置不同个数的微流控芯片的基片图案。

在基板上覆盖光刻胶之前，上述方法还可以包括：对金属板进行第一电铸，得到基板。

优选地，基板的直径等于光盘母盘的直径，可以多达138毫米。从而可以将制造出的模具直接置于光盘加工设备的夹具中。

基板的厚度可以为300微米到1000微米。

优选地，制造所述基片模具采用的光刻胶为负性光刻胶。该负性光刻胶可以为SU-8系列负光刻胶。

对光刻胶进行曝光和显影可以包括：对光刻胶进行前烘处理；对前烘处理后的光刻胶进行曝光；对曝光后的光刻胶进行后烘处理；对后烘处理后的光刻胶进行显影。

上述前烘处理可以包括：将带有光刻胶的基板在处于第一预定温度的热盘上放置第一预定时间；将第一预定温度加温至第二预定温度，并在第二预定温度对带有光刻胶的基板加热第二预定的时间，上述后烘处理可以包括：将曝光后的光刻胶在第三预设温度加热第三预定时间；将第三预定温度加温至第四预定温度，将曝光后的光刻胶在第一预定温度加热第四预定的时间。

例如，可以用CAD设计显微荧光图案掩膜。实验中，300微米厚的镍盘被旋涂上SU-82100负光刻胶，前烘过程中，镍盘首先被放置在一个水平的温度为60度的热盘上30min，然后升到100度，30min。前烘后，光刻胶被逐渐的冷却到室温，准备进行曝光，曝光功率是650mJ/cm2。然后进行后烘，先是65度，10min，然后80度，30min。冷却后将光刻胶放入PGMEA(一种显影液)中进行显影。然后将显影后的镍盘放入到一种商用的电解液中进行电铸(硼酸镍电解液)，硼酸起到的是缓冲作用，防止界面处的PH值升高，可以预防在局部形成氧化物或氢氧化物，尤其是在微空腔结构中。电铸是在50度PH值为4±0.2的条件下进行的，而且使用了很低的电流密度(0.2～1A/平方分米)来减少内部压力获得更均匀的厚度。在电铸抛光和冲压切割后，制作完成。

在对光刻胶进行曝光和显影之后，上述方法还可以包括：对显影后的基板的表面进行金属化处理。

上述的基板可以为镍金属基板。

在通过铸镍版方法复制微流控芯片的模具之前，可以通过对基板进行深孔电铸来制造微流控芯片的模具。在本发明中，优选地，微流控芯片模具采用精密电铸制造，而光盘母盘一般采用真空溅射方法。原来的光盘的电铸系统可以用来加厚已经深孔电铸的镍层。

在通过对金属主板(基板)进行深孔电铸来制造微流控芯片的模具之后，可以对微流控芯片的模具进行化学镀镍处理。因为光盘的纹槽深度只有65-125纳米，宽深比大于一，但微流控芯片的槽深达到几十至几百微米，是光盘槽深的几百甚至上千倍，宽深比往往小于一，所以通常采用沉积更为精细的化学镀镍技术加工。

光刻胶为负性光刻胶。其中，利用负胶光刻性光刻包括甩胶、曝光等过程，通常，微流控芯片光刻可以采用负性光刻胶，而光盘母盘一般采用正性光刻胶。此外，由于微流控芯片一般采用x y坐标，因而光刻胶优选的可以采用负胶，厚度可达50～300微米。

在微流控芯片的精度要求大于3微米的情况下，利用对基板机械加工来制造微流控芯片的模具。

在对基片和盖片粘合后进行分割之前，方法还包括：对基片和盖片进行固化处理。可以利用DVD粘合机，用两片0.6毫米的盖片在粘合机上甩胶，但是不紫外光固化。

对基片和盖片进行固化处理为采用紫外光进行固化。上述两盖片可以分开后粘合到基板上，再到紫外光下固化。

对于微流控芯片加工，在进行注塑加工时，有时只需要更换模具，有时可以不需要更换模具仅更换为微流控芯片的模具就可以在光盘注塑机上加工复制微流控芯片。

在注塑加工后的微流控芯片基片或盖片上打孔包括：采用超声波或激光技术、机械钻孔对微流控芯片模具进行打孔。

由于微流控芯片上的小孔直径一般仅有0.8毫米甚至更小，因而难以在注塑模具上解决，为了精确地在塑料片上打下几个甚至几十个小孔，对准精度不能大于0.2毫米，优选地，可以采用专门的模具和夹具来完成。同时，打完所有的孔以后，还需要粘结，但是不能直接采用DVD光盘的粘结方法，因为甩胶时会将所大的小孔重新堵塞，而且无法重打而报废，这种技术和设备、工艺也是没有现成可用，需要重新改造。

将打孔后的微流控芯片的基片和盖片进行粘合包括：在微流控芯片的上盖(例如，可以为基片)涂上固化胶；在微流控芯片的上盖上进行打孔；在微流控芯片的上盖与下盖实现整体粘合。

在对微流控芯片注塑成型时，本发明利用光盘复制过程，例如，可采用光盘制造厂设备，但由于芯片通道尺寸与光盘信息坑相差很大，注塑工艺参数如温度、压力、脱模速度等与光盘生产不同。在对微流控芯片粘接时，先在上盖涂上固化胶，然后在上盖打孔，最后上盖与下盖整体粘接，与DVD盘生产工艺有区别。

由于微流控芯片的几何尺寸为非标准化的，因而，在上述粘接完成之后，需要将完成粘合固化后的盘片，按照要求的图形和尺寸分割、打光完成后检测，包装。

在上述基于光盘制造工艺制造大尺寸(长度可达118毫米)微流控芯片时：(1)芯片通道深度可以在60-300微米之间，宽度可以在10-300微米之间，通道拔膜角小于3度，通道平整度小于正负5微米。(2)芯片最大尺寸可达118毫米。实现在微流控芯片上盖上打孔，直径小于0.8毫米，对准精度小于0.2毫米。(3)可以实现一次加工至少两个微流控芯片。

下面以方形微流控芯片和圆形微流控芯片为例来对微流控芯片的制造方法进行描述。

图2是根据本发明实施例的微流控芯片的制造方法的流程图。

如图2所示，以方形微流控芯片为例，可以采用以下加工工艺：

步骤S301，进行微流控芯片的模具加工，可以采用以下方法来进行模具加工，1、采购铜材(或其他材质的材料)→对铜材进行机械加工→电铸。或，2、采购玻片→对玻片进行甩光刻胶→激光刻蚀→显影→表面金属化。

步骤S302，对步骤S301得到的模具进行深孔电铸，模具成型。

步骤S303，对模具进行注塑加工。得到模具，利用模具制造基片。

步骤S304，主板打孔基片或盖片打孔。对步骤S303得到的基片或盖片打孔。

步骤S305，将主板与单片复合将基片与盖片复合。将基片和盖片复合构成微流控芯片的各个通道。

步骤S306，紫外光固化。

步骤S307，分割；检验；包装。在模具包括多个微流控芯片的图案(在所需的微流控芯片比较小的情况下，上述步骤得到的模具可以为多个基片模具的集合，从而可以一次得到多个基片，相应地，在盖片和基片复合之后，一次得到多个微流控芯片)的情况下，对得到的多个微流控芯片的集合进行分割、检验、包装。

步骤S308，基片与盖片双盖片粘合。将基片与盖片粘合以构成一个个微流控芯片的通道。

步骤S309，分离成单片。

圆形微流控芯片可以采用以下加工工艺：

采购铜材→机械加工→电铸→深孔电铸→模具成型→注塑加工→基片或盖片打孔→基片和盖片复合→紫外光固化→分割→检验→包装→基片和盖片粘合→分离成单片。其中，模具的制造也可以采用甩光刻胶的方法来得到。

由于微流控芯片的几何尺寸为非标准化的，因而可以根据微流控芯片的不同来对微流控芯片的各个制造流程来采用不同的工艺。

有些微流控芯片的模具复制可以用光盘的电铸设备复制或加厚，但工艺有所区别，模具的完成工序可以用光盘模具来完成设备的加工。

有些微流控芯片的主板可以直接在光盘注塑机上利用光盘模具生产。

有些微流控芯片可以用DVD涂胶机来为盖片进行涂胶(但可以不进行固化)。

其中，对于精度要求比较高的微流控芯片可以用光刻胶的方法来制造模具，优选地，在制造模具时增加一道表面金属化工艺。

对于有些微流控芯片无法采用光刻胶的方法来制造模具，因为有台阶或通透孔，此时可以采用机械加工的方法。或者对于精度要求在尺寸误差不小于3微米的情况下，也可以采用机械加工的方法。

模具的复制可以采用深孔电铸的方法，以得到合用的模具。

对于贯穿的通透孔，可以尽量在注塑后打孔，否则模具会非常复杂，甚至无法使用模具。

因为芯片主板上有槽和孔，不能直接甩胶，因此，可以将已经甩胶的盖片复合上去。

优选地，可以在固化前保证复合的芯片夹层没有气泡时才进行固化。

本发明还提供了一种微流控芯片的基片模具。

根据本发明的微流控芯片的基片模具的第一端具有微流控芯片模型，其中，微流控芯片模型通过以下方法来形成：在基板上覆盖光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影；曝光和显影后，对基板进行化学镀处理；去除光刻胶。

优选地，基板可以为镍金属。

微流控芯片模具的直径等于光盘母盘的直径，可达138毫米。

优选地，微流控芯片模具的厚度为300微米到1000微米。

微流控芯片模具包括一个或多个微流控芯片的基片模型。

微流控芯片模具的第二端可以为平面(镜面)结构，即在该第二端没有图样(模型)。

本发明可以使用Seiko Giken F型光盘注塑机，将模芯和铸模结合的方法分两步，首先，将模芯固定器装在铸模中，然后，用铸模的真空系统使模芯定位。通常，为了防止镜面在盘基上产生不想要的图案，铸模的镜面可以覆盖上一层类似于钻石的薄膜(DLC)但是，DLC非常坚硬易碎，因此，在模芯的背面绝对不能有非常尖锐的图案。所以，在注塑前，模芯必须被抛光。

在本发明中，注塑材料可以分别是光学级的PC、COP、PS、PMMA。它们的玻璃转变温度可以分别是145、100、104和102。PC材料的缸体温度被控制在320-380度，模具固定端的温度是100-120度。模具运动端的温度比固定端通常高3度。模压方式可以采用注塑压缩成型方法。首先，模具打开0.5mm，然后模具会被铸满并在0.1s内完全关闭，此时模压压力形成。二次模压力是350kN，保持时间0.08s。注塑速度可以150mm/s。并且如果注塑速度超高160-170mm/s，就会产生流动堆叠环，或在盘基的边缘产生毛刺。注塑压力可以保持在150bar和188bar，而且保持时间可以都是0.1s。

COP、PC、PS和PMMA都是线性聚合物材料，PS的分子链和分子重量要比其它三个都大，而且PS的融化流速比其它三个都低，因此使用PS制造的盘基的残余应力比其它三个都大。残余应力可以通过退火工艺降低。通过70度下进行10min的退火，PS的应力被显著减小，在四种材料中PMMA的支链最大，融化流速最高，因此PMMA的双折射效应最小。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：可以防止在模具的背面产生图案，而且在制造模具的过程中不会对模具上的图案造成损坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种微流控芯片的基片模具的制造方法，其特征在于，包括：

在基板上覆盖光刻胶；然后

在所述光刻胶上覆盖掩膜；然后

对所述光刻胶进行曝光和显影，得到预定图样的残留光刻胶；然后

对被所述残留光刻胶暴露的所述基板进行化学镀处理以使暴露的所述基板在化学镀的过程中生长；然后去除光刻胶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板的直径等于光盘母盘的直径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板的厚度为300微米到1000微米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光刻胶为负性光刻胶。

5.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述负性光刻胶为SU-8系列负光刻胶。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述光刻胶进行曝光和显影包括：

对所述光刻胶进行前烘处理；

对前烘处理后的所述光刻胶进行曝光；

对曝光后的所述光刻胶进行后烘处理；

对后烘处理后的所述光刻胶进行显影。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述前烘处理包括：

将带有所述光刻胶的所述基板在处于第一预定温度的热盘上放置第一预定时间；

将所述第一预定温度加温至第二预定温度，并在所述第二预定温度对带有所述光刻胶的所述基板加热第二预定的时间，

所述后烘处理包括：

将曝光后的所述光刻胶在第三预设温度加热第三预定时间；

将所述第三预定温度加温至第四预定温度，将曝光后的所述光刻胶在所述第一预定温度加热第四预定的时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述光刻胶进行曝光和显影之后，所述方法还包括：

对显影后的所述基板的表面进行金属化处理。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板为镍金属基板。

10.一种微流控芯片的基片模具，其特征在于，所述微流控芯片模具的第一端具有微流控芯片模型，其中，所述微流控芯片模型通过以下方法来形成：

在基板上覆盖光刻胶；然后

在所述光刻胶上覆盖掩膜；然后

对所述光刻胶进行曝光和显影，得到预定图样的残留光刻胶；然后

对被所述残留光刻胶暴露的所述基板进行化学镀处理以使暴露的所述基板在化学镀的过程中生长；然后去除光刻胶。

11.根据权利要求10所述的微流控芯片的基片模具，其特征在于，所述基板为镍金属基板。

12.根据权利要求11所述的微流控芯片的基片模具，其特征在于，所述微流控芯片模具的直径等于光盘母盘的直径。

13.根据权利要求11所述的微流控芯片的基片模具，其特征在于，所述微流控芯片模具的厚度为300微米到1000微米。

14.根据权利要求10至13中所述的微流控芯片的基片模具，其特征在于，微流控芯片模具包括一个或多个微流控芯片的基片模型。

15.根据权利要求10至13中所述的微流控芯片的基片模具，其特征在于，所述微流控芯片模具的第二端为平面结构。

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