CN102627256A - 基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法，涉及微加工技术领域。利用无掩膜优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，直接在微米尺度沟槽各表面制备实现高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，增大其表面积和体积比；同时可在其表面淀积一层氟基聚合物，降低表面能，实现具有超疏水特性的表面结构，进而实现真正三维减阻微流道结构。本发明的有益效果：在不破坏原有微米尺度结构的基础上，生长高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，可实现纳米森林对微米尺度沟槽的100％覆盖，从而实现真正的三维减阻微流道。可以极大地提高其面积体积比，降低表面能，使得微流道表面具有超疏水特性，从而实现优异减阻的效果。工艺简单，成本低廉，易于产业化。

Description

基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法
技术领域
本发明涉及微加工技术领域，特别涉及基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法。
背景技术
微机电系统(Microelectro mechanical system，MEMS)是指由微机械加工技术制作的包括微机械传感器和执行器等微机械基本部件，以及微能源和由集成电路加工技术制作的高性能电子集成线路组成的微机电器件、装置或系统。自上世纪八十年代出现以来，作为一门新兴的、高新技术的多领域交叉学科，微机电系统受到国内外研究人员广泛地关注，被誉为新世纪引领微电子产业发展的新技术革命。经过近三四十年的发展，微机电系统已经在光学、能源、通信、化学、生物、材料科学等领域取得了长足的发展和进步。其中，生物医学微机电系统(Bio-medical MEMS)作为微机电系统最重要的分支之一，受到科研机构和产业界的密切关注，其中最引人瞩目的是微全分析系统(micro total analysissystems，即μTAS)也称芯片实验室(Lab-on-a-chip)。
微全分析系统是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一器件上，且能执行特定分析功能的完整微系统，可分为芯片式与非芯片式两大类。目前芯片式微全分析系统是发展重点，具有样品检测阈值低，灵敏度高，分析速度快，成本低廉的优点，在国外已实现产业化，生产生物芯片的企业数以千计。其中依据芯片结构和工作机理又可分为两大类：即微阵列芯片(Microarray Chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)。上述芯片式微全分析系统的核心是在基片上使用微加工技术制备沟槽结构，以分析化学和分析生物化学为基础，实现生物样品的实时检测、分析和处理。其沟槽结构特征尺寸通常在几十到几百微米，与宏观尺度的沟槽不同，由于尺寸效应的影响，流体在微纳米量级的沟槽结构中流动时，其粘滞阻力变得非常巨大，使得液体流动异常困难，根据泊肃叶定律，通道所需压差与尺寸的四次方成反比，这意味着微流体的驱动需要很大的外部驱动力和相应的驱动装置(通常需要借助外部驱动力的作用才能顺畅流动)，譬如微泵、微阀和微能源等，这带来一系列缺点，如结构复杂、系统稳定性低、功耗高、难以实现微小型化。因此，实现具有减阻效果的微流道是微全分析系统研究领域亟待解决的关键科学问题之一。
过去十年间，很多技术被开发出来用以实现具有减阻效果的结构表面，包括高分子减阻剂、减阻涂层、仿生结构复制、微纳双尺度颗粒修饰等技术。高分子减阻剂和减阻涂层[例：Choi K S，Appl Sci Res，1989，46：209-216]是应用最为广泛的一类，其工艺方法简单，但这种注入高分子减阻剂或涂覆减阻涂层形成减阻界面的方法，减阻剂浪费严重，使用寿命严重不足。仿生结构复制[例：BechertD W，AIAA Shear Flow Control Conference，1985]是通过微加工技术将天然的具有减阻效果的表面结构重复出来，但其减阻效率较低。
近年来研究人员提出了一种基于微纳双尺度颗粒表面修饰的减阻流道设计[例：卢思，中国科学：G辑，2010，40：916-924]，可实现高效减阻效果，但实现上述微纳双尺度颗粒结构通常需要多步复杂工艺，成本高，更为重要的是很难在沟槽的侧壁和顶面上实现减阻结构，即无法实现真正的三维减阻微流道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法，利用无掩膜优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，直接在微米尺度沟槽各表面制备实现高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，增大其表面积和体积比；同时可在其表面淀积一层氟基聚合物，降低表面能，实现具有超疏水特性的表面结构，进而实现真正三维减阻微流道结构，工艺简单、成本低、减阻效率高。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，该结构包括：硅基衬底，硅基盖板，微米尺度沟槽，纳米尺度锥尖阵列。
上述方案中，所述硅基衬底和硅基盖板为单晶硅或多晶硅或无定形硅，其导电类型为N型或P型，厚度为50μm-1000μm。
上述方案中，所述硅基盖板键合于硅基衬底上。
上述方案中，所述微米尺度沟槽制作于硅基衬底上，由硅基衬底和硅基盖板形成封闭腔体，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形，其特征尺寸为1μm-1000μm。
上述方案中，所述纳米尺度锥尖阵列制作于微米尺度沟槽表面，是直径为50nm-1000nm，高度100nm-5000nm，间距100nm-1000nm的硅锥。
本发明还提供了一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，该方法包括：
步骤1：通过结合光刻和化学或物理腐蚀，在硅基衬底上制作微米尺度沟槽，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形；
步骤2：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度沟槽和硅基盖板上制作高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列；
步骤3：利用DRIE后处理工艺，调控参数，对微米尺度沟槽和硅基盖板进行疏水处理；
步骤4：通过高温键合或常温物理施压，将硅基衬底和硅基盖板键合，形成封闭微流道。
上述方案中，步骤2中所述无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：采用等离子刻蚀或非等离子刻蚀对硅片表面进行粗糙化处理；控制所述DRIE制备纳米森林的工艺参数，直接制备高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列。
所述DRIE制备纳米森林的工艺参数包括：线圈功率为800W-900W；压强为20mTorr-30mTorr；刻蚀气体SF6流量为20sccm-45sccm，钝化气体C4F8流量为30sccm-50sccm(SF6和C4F8气体流量比为1∶1-1∶2)；平板功率为6W-12W；刻蚀/钝化时间比为10s∶10s-4s∶4s；刻蚀/钝化循环60-200次。
上述方案中，步骤3中所述DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W-900W；压强为20mTorr-30mTorr；刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8流量为30sccm-50sccm；平板功率为6W-12W；刻蚀/钝化时间比为0s∶10s-0s∶4s；刻蚀/钝化循环1-40次。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，由于采用无掩膜优化DRIE工艺，在不破坏原有微米尺度结构的基础上，生长高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，可实现纳米森林对微米尺度沟槽的100％覆盖，从而实现真正的三维减阻微流道。
2、本发明提出的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，由于在微米尺度沟槽各表面制备实现了高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，因此可以极大地提高其面积体积比，从而使得微流道表面具有超疏水特性，实现优异减阻的效果。
3、本发明提出的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，利用无掩膜优化DRIE工艺，在微流道表面仅需一步工艺，即可实现纳米尺度锥尖阵列，工艺简单，成本低廉，易于产业化。且硅基衬底与硅基盖板接触面的高密度高深宽比纳米锥尖阵列具有很强的相互作用力，在常温下即可通过物理施压的方式进行键合，键合强度高。
4、本发明提出的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，通过控制DRIE后处理工艺参数，在纳米森林表面可直接淀积氟基聚合物，进一步增强和提高了微流道表面超疏水特性的均一性和稳定性，其接触角可达175°以上，且滚动角小于1°，从而进一步提高减阻效果。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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，其中：
图1(a)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构之一示意图；
图1(b)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构之二示意图；
图1(c)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构之三示意图；
图2为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法工艺流程图；
图3(a)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道微米尺度沟槽的之一扫描电镜照片；
图3(b)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道微米尺度沟槽的之二扫描电镜照片；
图4为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道顶部的硅基盖板扫描电镜照片；
图5为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道接触角测试结果图。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
下面结合附图1至图5阐述本发明提供的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及其制备方法的具体步骤。
参照图1，图1(a)至图1(b)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构示意图，其横截面分别为：图1(a)倒三角形，图1(b)倒梯形，图1(c)半圆形。其结构包括：硅基衬底1，硅基盖板2，微米尺度沟槽3，纳米尺度锥尖阵列4。
参照图2，图2为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法工艺流程图。则图1(a)至图1(b)所示结构的制备步骤如下：
步骤110：通过结合光刻和化学或物理腐蚀，在硅基衬底1上制作微米尺度沟槽3，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形，其特征尺寸为1μm-1000μm；
步骤120：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度沟槽3和硅基盖板2上制作纳米尺度锥尖阵列4，直径为50nm-1000nm，高度100nm-5000nm，间距100nm-1000nm；
步骤130：利用DRIE后处理工艺，调控参数，对微米尺度沟槽和硅基盖板进行疏水处理；
步骤140：通过高温键合或常温物理施压，将硅基衬底1和硅基盖板2键合，形成封闭微流道。
参照图3(a)至图3(b)为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道微米尺度沟槽的扫描电镜照片，其横截面分别为：图3(a)倒三角形的扫描电镜照片，图3(b)倒梯形的扫描电镜照片。上述步骤110中所述横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形，其槽深为1μm-500μm，槽宽为1μm-1000μm。
参照图4，图4为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道顶部的硅基盖板扫描电镜照片。上述步骤120中所述纳米尺度锥尖阵列，采用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺制备，无需掩膜，可一步刻蚀实现大面积高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列结构。
参照图5，图5为本发明的基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道接触角测试结果图，其接触角大于175°，具有优异的超疏水减阻特性。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，其特征包括：硅基衬底，硅基盖板，微米尺度沟槽，纳米尺度锥尖阵列；
硅基衬底和硅基盖板为单晶硅或多晶硅或无定形硅，其导电类型为N型或P型，厚度为50μm-1000μm；
硅基盖板键合于硅基衬底上；
微米尺度沟槽制作于硅基衬底上，由硅基衬底和硅基盖板形成封闭腔体，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形，其特征尺寸为1μm-1000μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，其特征是：纳米尺度锥尖阵列制作于微米尺度沟槽表面，是直径为50nm-1000nm，高度100nm-5000nm，间距100nm-1000nm的硅锥。
3.一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，其特征是利用无掩膜优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，直接在微米尺度沟槽各表面制备实现高密度高深宽比的纳米尺度锥尖阵列，增大其表面积和体积比；同时可在其表面淀积一层氟基聚合物，降低表面能，实现具有超疏水特性的表面结构，进而实现真正三维减阻微流道结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，其特征是含有以下步骤：
步骤1：通过结合光刻和化学或物理腐蚀，在硅基衬底上制作微米尺度沟槽，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形；
步骤2：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度沟槽和硅基盖板上制作高密度高深宽比的纳米尺度锥尖阵列；
步骤3：利用DRIE后处理工艺，调控参数，对微米尺度沟槽和硅基盖板进行疏水处理；
步骤4：通过高温键合或常温物理施压，将硅基衬底和硅基盖板键合，形成封闭微流道。
5.根据权利要求4所述的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，其特征是步骤2中所述无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：采用等离子刻蚀或非等离子刻蚀对硅片表面进行粗糙化处理；控制所述DRIE制备纳米森林的工艺参数，直接制备高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列。
6.根据权利要求5所述的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，其特征是所述DRIE制备纳米森林的工艺参数包括：线圈功率为800W900W；压强为20mTorr-30mTorr；刻蚀气体SF6流量为20sccm-45sccm，钝化气体C4F8流量为30sccm-50sccm(SF6和C4F8气体流量比为1∶1-1∶2)；平板功率为6W-12W；刻蚀/钝化时间比为10s∶10s-4s∶4s；刻蚀/钝化循环60-200次。
7.根据权利要求4所述的一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道制备方法，其特征是步骤3中所述DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W-900W；压强为20mTorr-30mTorr；刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8流量为30sccm-50sccm；平板功率为6W-12W；刻蚀/钝化时间比为0s∶10s-0s∶4s；刻蚀/钝化循环1-40次。
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