CN103460336A

CN103460336A - 玻璃上的微器件

Info

Publication number: CN103460336A
Application number: CN2011800697246A
Authority: CN
Inventors: 高萨姆·维斯瓦纳达姆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-12-18
Also published as: WO2012134394A1; US20140054261A1; US8911636B2

Abstract

本发明提出了一种在玻璃上制备具有微特征的微器件的方法。该方法包括以下步骤：预设第一玻璃基板，并在所述第一玻璃基板上制备金属图案，预设第二玻璃基板并在所述第二玻璃基板上设一个或多个通孔，在可控的升温中加热所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板，通过加压的方式键合所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板，以形成一个键合基板，其中，所述金属图案嵌于所述键合基板内，在可控的降温中冷却所述键合基板，然后将所述键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度，蚀刻所述键合基板内的金属图案，其中，蚀刻剂通过所述通孔流入金属图案，在键合基板内形成的一个空间，其中，所述空间具有微特征。

Description

玻璃上的微器件

技术领域

本发明涉及制备微器件的技术领域，尤其是，本发明涉及一种在玻璃基板上制备微器件的方法。

背景技术

芯片实验室装置是微机电系统（“MEMS”）装置的一种子装置，也称为微器件，并且通常用于微型化生化的分析和合成。微器件具有微特征，如微通道，微毛细管，微混合器，微加热器，和/或微腔。两个或更多的基板键合在一起，以便一个基板上的微特征对准在第二基板上的微特征，从而形成，例如，微毛细管。这种微毛细管可以容纳将要运输或存储流体（如液体和/或气体），这些流体用于进行流体的成分之间的化学反应、或分离或混合流体的部分的成分，并随后对流体的成分组分进行化学或物理上的分析，或开启或关闭芯片。

与传统系统相比，微器件的某些优势包括低生产成本（由于微量试剂使用），由于较高的面容比而具有更快的响应时间，由于尺寸小而具有大规模并行的可能，由于大规模生产而使制造费用较低。此外，这种微器件内的微反应器超过传统的比例反应器，带来了一些附加利益，例如，较高的能源效率、反应速度、产量、安全性、可靠性、可扩展性，就地生产或者按需生产、以及更好的过程控制能力。

通常，目前的微器件是使用硅基板制造。在硅基板上制造微器件是源于微电子半导体工业已确立起来的工艺。然而，使用传统工序在硅基板上生产这种微器件会导致较高的生产成本。例如，要配置为处理化学或生物样品的硅微器件需要实施类似CMOS过程和进一步的处理，如表面处理，以成为生物适合的微特征。这样的程序使传统制造工艺的成本高昂。

此外，传统技术使用调剂聚合物形成的液体的密封方法，如环氧树脂等，这些不适合微器件用于化学或生物的应用。例如，在沿着一个具有微特征的外围的确定位置，调剂一个厚度均匀的材料层是非常困难的。而且，密封材料的性能如多孔性，机械完整性，还有微特征内的有机溶剂材料的干扰，给微器件的操作过程带来了一些挑战。此外，这种密封方法还有电场需要粘合的缺点。

上述方法不适合存在于两个基板中间的，需要密封的金属图案上。即使在经过热粘接过程期间细致的热处理之后，延长超过其中之一的基板的金属微特征上的密封仍可能会导致液体泄漏。防止泄漏对流体系统来说是至关重要的，因为泄漏会引起相邻流体的导管的串扰，并产生导致后续样品交叉污染的死区容积。在用于气体系统分析的流体系统中防止泄漏尤其重要，系统中的气体是由通道中的反作用力形成，或系统中的气体被引入液体，以便在芯片上的进行化学反应，如微反应器中化学物质的高通量筛选。

因此，需要一种能够在基板上形成微特征的可扩展的生产工艺，所述基板对用于分析化学品和气体具有相对的惰性。此外，还需要两个基板之间简单而有效的键合，以形成一个密封的微器件。

发明内容

简而言之，本发明提出了一种在玻璃上制备具有微特征的微器件的方法。该方法包括以下步骤：预设第一玻璃基板，并在第一玻璃基板上制备金属图案，预设第二玻璃基板并在所述第二玻璃基板上设一个或多个通孔，在可控的升温中加热所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板，通过加压的方式键合所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板，以形成一个键合基板，其中，所述金属图案嵌于所述键合基板内，在可控的降温中冷却所述键合基板，然后将所述键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度，蚀刻所述键合基板内的金属图案，其中，蚀刻剂通过所述通孔流入金属图案，在键合基板内形成一个空间，其中，所述空间具有微特征。

在另一个实施例中，提出了一种在玻璃上形成图案的方法。该方法包括以下步骤：预设一个玻璃基板，在所述玻璃基板上制备第一金属图案，在可控的升温中加热所述玻璃基板，将所述第一金属图案嵌于所述玻璃基板内，在可控的降温中冷却所述玻璃基板，在所述的玻璃基板上制备第二金属图案，在可控的升温中加热所述玻璃基板，将所述第二金属图案嵌于所述玻璃基板内，在可控的降温中冷却所述玻璃基板，然后将所述玻璃基板保持在一个适宜蚀刻的温度，蚀刻掉所述第二金属图案，以形成一个空间，其中，所述空间具有微特征。

在另一个实施例中，提出了一种包括一个键合玻璃基板和多个微特征的玻璃微流体装置。所述微特征通过包含以下步骤的过程形成，在第一玻璃基板上制备一个金属图案，预设第二玻璃基板并在所述第二玻璃基板上设一个或多个通孔。在所述第二玻璃基板上制备有源元件，在可控的升温中加热第一玻璃基板和第二玻璃基板，通过加压的方式键合所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板，以形成一个键合玻璃基板，其中，所述金属图案和所述有源元件嵌于所述键合玻璃基板内，在可控的降温中冷却所述键合玻璃基板，然后将所述键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度，蚀刻所述键合玻璃基板内的金属图案，其中，蚀刻剂通过所述通孔流进金属图案，在所述键合玻璃基板内形成一个空间，其中，所述空间具有微特征，所述有源元件保留在原处。

附图说明

通过阅读以下关于附图的详细说明，本发明及其特征、外形和优点将会变得更好理解，在全部附图中相同的标记指示相同的部分，其中：

图1A-1H是在玻璃基板上形成图案的示例性工序的各个步骤的示意图;

图2A-2K是在玻璃基板上形成图案的示例性工序的各个步骤的示意图;

图3是在玻璃基板上形成图案的另一种示例性工序的各个步骤的示意图;

图4是本发明的一个实施例中玻璃基板内的微特征的俯视图；以及

图5是本发明一个实施例中玻璃基板内的微特征的俯视图。

具体实施方式

芯片实验室设备的一个例子是微器件，其中，所述微器件包括微特征，如通过微通道和微腔的网络促进生化反应发生的微反应器。正如本文所述，术语“微特征”是指“微通道”、“微反应器”、“微混合器”和/或“微腔”以及“微加热器”。在下文中，术语“微系统”是指包含另外的微特征的微型器件和微型系统。一般说来，适用于生化反应的微器件也被称为微流体装置。此类反应可用于分析样品中的特定的目标或合成特定的副产物。

在一些其他的材料中，玻璃，适合用于制造生化微系统，因为玻璃具有生物相容性，耐化学腐蚀性，较高工作温度下的稳定性，良好的光学特性且材料成本低。虽然比较可取，但是由于预计将大量生产微器件而玻璃具有较差的规模制造性，因此玻璃在微器件的应用是有限的。玻璃的某些性能，如脆性，使当大规模生产时微特征的制造效率低下。标准硅材料半导体制造工艺如玻璃上进行干湿法蚀刻是非常缓慢的，估计是由于玻璃的各种成分，而产生需要进一步加工的粗糙表面。其它技术，如超声波加工和激光加工都不适合玻璃上进行批量制造，由于低生产率和低收益导致了价格的昂贵。

本发明的某些实施例，将会进一步详细的讨论，利用玻璃的某些属性去生产在一个可扩展的制造工艺中可能被应用的微特征，在玻璃基板上取得高容量、低成本的微器件。

现在来看图1A-1H，示出了一种在玻璃上形成微特征的示例性方法。该方法10包括：预设第一玻璃基板12的初始步骤，如图1A所示。清洁该玻璃基板12且为随后形成金属层的步骤做好准备。在清洁并准备好的第一玻璃基板12上制备金属图案14和16，如图1B所示。图中1B-1G所示的金属图案14、16仅用来说明用途。据设想，根据所制备的微器件的应用需求，可以形成各种不同形状和尺寸的图案。可用于这样的金属图案的金属的非限制性的示例包括铜，镍，铝和铂。可以一提的是，标准光刻工艺可用于形成这种金属图案。以如前文所述的类似的方式预设第二玻璃基板18（图1C），并且在第二玻璃基板18（图ID）上设一个或多个通孔20,22。在一个实施例中，这样的通孔是穿过基板的洞。在一个实施例中，通孔20,22是由电源爆破、深反应离子蚀刻、或超声钻孔制造。

在随后的步骤中，现在参照图IE，通过加热元件24,26加热第一玻璃基板12和第二玻璃基板18，直到达到玻璃的临界温度，其中，温度的上升是逐步且可控的。通常情况下，在这个临界温度时，大约500 ℃到700℃的范围内，，玻璃基板12,18软化，由于金属的熔点比玻璃的熔点高，在第一玻璃基板12的顶部上制备的金属图案14,16大体不受影响而被保留。需要注意的是，玻璃的临界温度取决于它的组分，因此会由于在玻璃基板中使用的玻璃的类型的不同而有所差异。玻璃基板12,18达到临界温度之后，第一玻璃基板12和第二玻璃基板18大致对齐，并在如图中标号30所示的适当的压力下压缩，如此以来金属图案14,16嵌入玻璃基板12,18内。压力可能是在约1N到10KN之间的范围内，这要取决于例如金属基板的厚度。

在临界温度进行加压的步骤之后，如图1F示出了键合第一玻璃基板12和第二玻璃基板18，以形成键合基板32，其中，金属图案14,16嵌入键合基板32内。键合基板32在可控的降温中冷却，然后将键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度。例如，这个适当的温度包含蚀刻剂溶液的预定温度，该预定温度与键合基板的温度大体相同。这样选择可控的冷却速率（降温）以致玻璃基板12,18和嵌入的金属14,16不会受热冲击或如受热膨胀系数（CTE）失配的影响。键合基板32被保持在稳定的温度下（在大约50 ℃到75℃的范围内）。在一个典型的实施例中，键合基板32通过化学蚀刻进行进一步加工。例如，化学蚀刻包括将键合基板32浸在一个金属蚀刻剂溶液（适合的化学溶液）中，其中，所述蚀刻剂溶液通过通孔20,22进入金属图案14,16中。嵌于键合基板32内的金属图案14,16被金属蚀刻剂溶液蚀刻掉，金属蚀刻剂溶液和键合基板的温度保持一致，预防键合基板的温度的急剧变化（图1G）。在一个预定的时间后，通过从侵蚀金属图案，金属蚀刻剂溶液将金属从玻璃基板上蚀刻掉，从而形成一个具有微特征的空间34，如图1H所示。将键合基板浸入蚀刻剂溶液的时间长短（一段预定的持续时间）取决于被蚀刻的金属图案的厚度，以及金属图案采用的金属类型。

在蚀刻过程之后，留在键合基板内的缝隙具有微特征34。如前文所述，此类微特征包括但不限于微通道，微反应器，微混合器和微腔。

如图2A-2K示出了根据本发明的一个实施例的在玻璃上形成微特征的示例性方法。该方法40包括：预设第一玻璃基板42的初始步骤，如图2A所示。清洁玻璃基板42且为随后形成薄膜沉积的步骤做好准备。在清洁并准备好的玻璃基板42上形成薄阻挡层44，如图2B所示。然后，进行电镀以便在薄阻挡层44上形成一个期望厚度的金属层46，如图2C所示。进行金属层46和阻挡层44的蚀刻，以便在玻璃基板42上形成第一金属图案48，如图2D所示。如图所示的金属图案48仅用来说明用途。据设想，根据所制备的微器件的应用需求，金属图案48可以形成各种不同形状和尺寸的图案。可用于这种金属图案的金属非限制性的示例包括铜，镍，铝和铂。现在转向图2E，一个加热元件50用于将玻璃基板42加热达到玻璃的临界温度，其中，这个温度的提高是逐步的和可控的。通常情况下，在这个临界温度时，大约500 ℃到700℃的范围内，玻璃基板42软化，由于金属的熔点比玻璃的熔点高，制备在第一玻璃基板42的顶部的金属图案48大体不受影响而被保留下来。如图2F所示，配置金属辊52，翻滚受热软化的玻璃基板42和其后形成的第一金属图案48，以便使第一金属图案48内嵌在玻璃基板42中（图2G-H）。在一个实施例中，辊52是热辊。辊52用于施加1N到10KN范围内的压力。玻璃基板42连同内嵌的第一金属图案54在受控的降温中冷却，然后被保持在一个适宜蚀刻的温度。通过蚀刻掉第一金属图案54，冷却的基板42连同内嵌的第一金属图案54被进一步处理，如图2J所示。蚀刻工艺可以包括如前文所述的化学蚀刻技术。如图2J所示，在内嵌的第一金属图案54被蚀刻掉之后，在玻璃基板42上形成空间56。需要注意的是，这个空间56具有如前文所述的微特征。

作为制备微器件的过程的最后一个步骤，玻璃基板42的上表面上设有密封压盖58，如图2K所示，也简称为顶盖，其中，为了防漏而密封微特征，以便微器件可用于微流体应用。干净和透明的弹性体可以作为密封压盖而使用，所述弹性体利用表面现象自然地结合成玻璃状。

图3示出了本发明的另一实施例，其中提出了在玻璃基板上形成微特征的示例性过程。如图3中参考标号62-74所示的工艺流程步骤大体与图2A-2I所述的步骤相似。继续上述步骤，在本实施例中，形成第一金属层之后，还有一个第二金属层80。此外，在本实施例中，第一金属层可以包括比如黄金这种是热和电的良导体的金属。参考步骤76，在第一金属层54嵌于玻璃基板42内之后，在内嵌的第一金属层54的上方形成第二阻挡层78，随后，在第二阻挡层78上形成第二金属层80。在步骤82中，在第二阻挡层78和第二金属层80上进行进一步的光刻工艺，以便形成第二金属图案84。通过加热元件88在可控的且渐进的升温下加热玻璃基板42连同嵌入的第一金属层54和第二金属图案84，直到到达玻璃的临界温度，如步骤86中所示。由于金属的熔点比玻璃的熔点高，制备在玻璃基板42的顶部的第二金属图案84大体不受影响而被保留下来。参考标号90示出了金属辊92，所述金属辊用于翻滚受热的玻璃基板42和其后形成的第二金属图案84，以便使第二金属图案84嵌于玻璃基板42中，如步骤94所示。在一个实施例中，辊92是热辊。辊92用于施加约1N到10KN范围内的压力。玻璃基板42连同内嵌的第二金属图案96在可控的降温内冷却。

通过蚀刻掉第二金属图案54，冷却的基板42连同内嵌的第二金属图案96被进一步处理。蚀刻工艺可以包括如前文所述的化学蚀刻技术。参考标号100示出了在内嵌的第二金属图案96被蚀刻掉之后，在玻璃基板42上形成空间98。例如，这样的双层图案可以用来制备作为微器件内的微特征的有源元件。在一个实施例中，嵌入的第一金属层54可以被配置为电垫或检测电极并通过连接线耦合到外部设备。

作为制备微器件的过程的最后一个步骤，玻璃基板42的上表面上设有密封压盖102，其中，在为了防漏而密封在玻璃基板42上形成的微特征98，以便微特征可用于微流体应用，如参考标号102所示。

图4和图5示出了本发明的一个实施例中在玻璃基板上制备微特征的示例性的俯视图。在一个实施例中，图 4和5中所示的微特征可以是如前文所述的工艺之一形成的图案。图4示出了一个具有多个微特征，如入口112、出口114、保存腔室116、118以及微混合器120的示例性的微器件110。微特征可以通过微通道113、115、117和119相互连通。在图4所示的实施例中，微特征112-120使微器件110能够作为微流体装置运转。

现在转到图5，微器件122包括具有有源元件的微特征。例如，微加热器123耦合到电垫124上。例如，通过连接线125，外部电源可以耦合到电垫124上，并用于给微加热器123供电。有源元件的另一个例子是检测电极126，128，所述检测电极通过连接线133分别耦合到电垫130，132上。在制备微型器件122时，可以实施本发明中所公开的工艺，特别是，该关于图3所述的工艺，包括实施至少两个嵌入玻璃层内的金属层，其中，第一金属层形成如电垫或检测电极这样的有源元件。

在微器件122的示例性的操作中，工作流体（或气体）可以通过入口112引入微器件。流体通过微毛细管效应，在微通道113内流动。根据微器件的应用要求，流体可以存储在保存腔室116、118中，所述保存腔室通过微通道115、117连通入口。微通道119将微通道113，115，117与微混合器120连通。流体，通过微通道119时，可以被通电的微加热器123加热。在到达微混合器120时，流体穿过弯曲的微通道，所述的弯曲的微通道引入混波效应。随后混合流体储存在出口114中，可进行进一步处理。例如，检测电极126，128可以用于检测流体的含量、结构，温度以及其他属性。在一个实施例中，检测电极126、128通过连接线133和电垫130,132被耦合到检测装置上。

优选地是，本发明的各种实施方式披露的微器件的制备过程中都是可扩展的，且该过程容易被复制成复杂的模式以及多功能高密度的微器件。根据产量，这样的玻璃基板可以是一个单一的模座板或薄片，无论那种情况，过程都是相同的。此外，这种制备微器件的方法体现了规模经济。微流体装置中如金属基电极、加热器、传感器等活动组件的集成，过程简单且成本低廉。根据本发明所公开的实施例，任何阶段玻璃都是未经机械加工或化学处理的。微特征是灵敏和干净的，其表面和金属图案侧壁的粗糙度大致相同。这样的表面光洁度，使玻璃微器件非常有利于微流体流动和生化反应。此外，玻璃还具有良好的光学清晰度，还可以最大限度地减少设备故障的机率。进一步的加工或表面处理都是没有必要的。集成的有源元件有各种用途，如电渗或电流量控制，电泳分离，电化学检测。本发明的实施例中所披露的，两个玻璃基板之间采用的封闭方法是密封，并且不需要粘合剂或胶粘剂。此外，因为密封过程没有采用环氧树脂，所以这样的密封技术不会引起污染。不需要充气和养护。玻璃到玻璃封口是同质接合，因此并无气孔。

本文所披露的微器件的制备过程，最终是可重复的和可扩展的微流体生产技术。这种微器件的例子包括但不限于定点诊断和法医设备、各种药物开发应用序设备、蛋白质和其他生物分子合成设备、各种纳米粒子合成设备、基础护理或基础研究实验室方向的基因组和蛋白质组分析设备、光电设备、基于射频（RF）的无线通信设备，用于射频（“RF”）MEMS和发光二极管（“LED”）器件晶圆的晶圆级封装的封闭玻璃晶圆，像T型芯片，微滴发生器芯片，微滴结合芯片，微混合器芯片，太阳能薄膜电池，喷墨式打印机针头，和自定义微流体芯片的各种微反应器芯片。本发明的实施例中的另一种应用包括冷却微芯片，其中，微器件可以被安装在一个需要外部冷却的微芯片上，以及在一个实施例中，冷却剂可以通过微通道扩散。

本文仅仅说明和描述了本发明的某些特征，本领域的技术人员可能作出许多变化和修饰。因此，凡是依据本发明的技术实质所做的变化和修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种在玻璃上制备具有微特征的微器件的方法，所述方法包括以下步骤：

（a）预设第一玻璃基板;

（b）在第一玻璃基板上制备金属图案;

（c）预设第二玻璃基板且在其上设一个或多个通孔;

（d）在可控的升温中加热所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板;

（e）通过加压的方式键合第一玻璃基板和第二玻璃基板，以形成一个键合基板，其中，所述金属图案嵌于所述键合基板内;

（f）在可控的降温中冷却所述键合基板，并将所述键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度;

（g）蚀刻嵌于所述键合基板内的所述金属图案，其中，蚀刻剂通过所述通孔流入所述金属图案；以及

（h）在所述键合基板内形成一个空间，其中，所述空间具有微特征。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备金属图案的步骤，包括：薄膜沉积、光刻，蚀刻，以及电镀和金属薄膜层压。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设一个或多个通孔的步骤，包括：电源爆破，深反应离子蚀刻，激光钻孔，或超声波钻孔。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板的步骤,包括:加热所述玻璃基板直到玻璃的临界温度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻键合基板的步骤，还包括：将所述键合基板在一段预定的时间内浸在蚀刻剂溶液中。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述蚀刻键合基板的步骤，还包括：保持所述蚀刻剂溶液的预定温度和键合基板的温度大体相同。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻的步骤，包括，化学蚀刻。

8.一种在玻璃上形成微特征的方法，所述方法包括以下步骤：

（a）预设一个玻璃基板;

（b）在所述玻璃基板上制备第一金属图案;

（c）在可控的升温中加热所述玻璃基板;

（d）将所述第一金属图案嵌入所述玻璃基板内;

（e）在可控的降温中冷却所述玻璃基板；

（f）在所述玻璃基板上制备第二金属图案;

（g）在可控的升温中加热所述玻璃基板;

（h）将所述第二金属图案嵌于所述玻璃基板内;

（i）在可控的降温中冷却所述玻璃基板，并将所述玻璃基板保持在一个适宜蚀刻的温度；以及

（j）蚀刻掉第二个金属图案从而形成一个空间，其中，所述空间具有微特征。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述嵌入金属图案的步骤，包括：热轧或热模压。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热轧或热模压是在预定的压力下进行。

11.如权利要求8所述的方法，还包括：所述玻璃基板内设有连接线，其特征在于，所述连接线耦合在第一金属图案上。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：配置所述连接线使其耦合到外部电源上。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：封闭所述玻璃基板。

14.一种制备玻璃微流体器件的方法，包括一个键合玻璃基板和多个微特征，所述微特征通过以下步骤形成，包括：

在第一玻璃基板上制备金属图案；

预设第二玻璃基板且在其上设一个或多个通孔;

在可控的升温中加热所述第一玻璃基板和所述第二玻璃基板；

通过加压的方式键合第一玻璃基板和第二玻璃基板，以形成一个键合基板，其中，所述金属图案嵌入键合基板中;

在可控的降温中冷却所述键合基板，并将所述键合基板保持在一个适宜蚀刻的温度；以及

蚀刻内嵌于所述键合基板中的所述金属图案，其中，蚀刻剂通过所述通孔流入所述金属图案；以及

在所述键合基板内形成一个空间，其中，所述空间具有微特征。

15.如权利要求14所述的制备玻璃微流体器件的方法，其特征在于，所述微特征，包括：微流体通道，微腔，微喷墨打印机，和微混合器。

16.如权利要求14所述的制备玻璃微流体器件的方法，还包括耦合到有源元件上的连接线。