CN104043490A - 用于制造集成流体芯片的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种集成流体芯片包括：衬底，所述衬底由大于28平方英寸的横向表面积限定。所述集成流体芯片还包括：第一弹性层，所述第一弹性层具有模制表面和顶表面。所述第一弹性层的模制表面连接至所述衬底的一部分。所述第一弹性层包括多个第一沟道，所述第一沟道从所述衬底垂直地延伸至所述第一弹性层内部的第一尺寸。所述集成流体芯片还包括：第二弹性层，所述第二弹性层具有模制表面和顶表面。所述第二弹性层的模制表面连接至所述第一弹性层的顶表面的至少一部分。

Description

用于制造集成流体芯片的方法和系统
本申请为国际申请号为PCT/US2009/051568，国家申请号为200980137623.0、国际申请日为2009年7月23日、发明名称为“用于制造集成流体芯片的方法和系统”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明整体上涉及微加工结构以及用于制作微加工结构的方法。本发明的实施例仅仅以示例的方式提供了用于制作用于执行各种生物和化学分析的集成流体芯片的方法。本文所述的方法和系统的范围还可应用于调整流体流动中使用的流体装置的制作和操作。
背景技术
已经采用各种方法来制造微流体泵和阀。制造包括泵和阀的微机电(MEMS)结构的一种方法是基于硅的立体微加工(bulk micro-machining)技术。这是减法式制作方法，其中单晶硅通过光刻来形成图案，然后被蚀刻以形成三维结构。制造包括泵和阀的MEMS结构的另一种方法是表面微加工技术。这是加法式方法，其中半导体型材料(例如多晶硅、氮化硅、二氧化硅)层和各种金属层被依次地添加并被形成图案以制成三维结构。
基于硅的微加工技术的第一种方法的受限之处在于，用在所述过程中的半导体材料的刚度需要高致动力，其又导致大的和复杂的设计。实际上，立体微加工方法和表面微加工方法都受到用在特定过程中的材料刚度的限制。另外，在所加工的器件的各层之间的粘结提出了关于可靠操作的问题。第一方法的另一个限制是通常采用晶片键合技术来形成多层结构。所述第二方法的受限之处在于，器件的各层之间的热应力限制了总的器件厚度，总的器件厚度经常被限制至大约20μm。采用上述方法中的每一种，通常都需要无尘室制造和仔细的品质控制。
本申请的受让人已经研发了基于多层、软光刻过程的用于制造包括弹性结构的集成(即单块的)流体芯片的方法和系统。如美国专利No.6,793,753所述，可以制造包括支撑流体流动的一个或更多的层以及配置成控制这些流体的流动的一个或更多的层的多层弹性结构，所述美国专利No.6,793,753的公开内容以引用的方式出于所有的目的整体地并入到本文中。
不管在与这种集成流体芯片的制作相关的技术上完成了多少进步，本领域中都需要用于制作微流体器件的改进的方法和系统。
发明内容
本发明提供涉及微制作结构的制造的方法。本发明的实施例仅仅以示例的方式提供了用于制作用于进行各种生物和化学分析的集成流体芯片的方法。本文所述的方法和系统的范围还可应用于调整流体流动时所使用的流体装置的制作和操作。
根据本发明的一实施例，提供一种用于制造一个或更多的集成流体芯片的方法。所述方法包括：提供第一衬底，所述第一衬底在其上形成有一个或更多的模制特征；和在所述第一衬底上形成第一弹性层。所述第一弹性层由模制表面和后表面限定。所述方法还包括：连接所述第一弹性层的所述后表面至支撑衬底。所述方法还包括：提供第二衬底，所述第二衬底在其上形成有一个或更多的第二模制特征；和在玻璃衬底上形成第二弹性层。所述第二弹性层由模制表面和后表面限定。另外，所述方法包括：对准所述玻璃衬底与所述支撑衬底；和结合所述第一弹性层的所述模制表面至所述第二弹性层的所述后表面。
根据本发明的另一实施例，提供一种用于制造一个或更多的集成流体芯片的方法。所述方法包括：提供衬底，所述衬底具有大于28平方英寸的第一表面积；在所述衬底上形成多个模制特征；和形成包括弹性材料的层，所述弹性材料覆盖所述衬底和所述多个模制特征。所述方法还包括：提供第二衬底，所述第二衬底具有大于28平方英寸的第二表面积；在所述第二衬底上形成第二多个模制特征；和形成包括第二弹性材料的第二层，所述第二弹性材料覆盖所述第二衬底和所述第二多个模制特征。所述方法还包括：结合所述层至所述第二层。
根据本发明的特定的实施例，提供一种集成流体芯片。所述集成流体芯片包括：衬底，所述衬底由大于28平方英寸的横向表面积限定；和第一弹性层，所述第一弹性层具有模制表面和顶表面。所述第一弹性层的模制表面连接至所述衬底的一部分。所述第一弹性层包括多个第一沟道，所述第一沟道从所述衬底垂直地延伸至所述第一弹性层内部的第一尺寸。所述集成流体芯片还包括第二弹性层，所述第二弹性层具有模制表面和顶表面。所述第二弹性层的模制表面连接至所述第一弹性层的顶表面的至少一部分。
根据本发明的另一特定的实施例，提供一种集成流体芯片。所述集成流体芯片包括：衬底；和弹性结构，所述弹性结构连接至所述衬底。所述弹性层包括：第一层，所述第一层具有宽度小于1000μm的多个流动沟道以及与所述多个流动沟道流体连通的多个腔。所述多个腔的组合体积大于115μl。所述弹性层还包括：第二层，所述第二层具有宽度小于1000μm的多个控制沟道。所述第二层布置在平行于所述第一层的平面中。
根据本发明的特定的实施例，提供一种流体器件阵列。所述流体器件阵列包括：衬底，所述衬底由大于或等于18平方英寸的横向表面积限定。所述流体器件阵列还包括：第一组流体器件，所述第一组流体器件布置成第一几何构型。所述第一组流体器件中的每个包括：多个第一沟道，所述第一沟道设置在平行于所述衬底的平面中并从所述衬底延伸预定的距离到第一弹性层中；和多个第二沟道，所述第二沟道设置在平行于所述衬底的平面中并从所述第一弹性层延伸第二预定的距离到第二弹性层中。所述流体器件阵列还包括：第二组流体器件，所述第二组流体器件布置成第二几何构型。所述第二组流体器件中的每个包括：第二多个第一沟道，所述第二多个第一沟道设置在平行于所述衬底的平面中并从所述衬底延伸预定的距离到第一弹性层中；和第二多个第二沟道，所述第二多个第二沟道设置在平行于所述衬底的平面中并从所述第一弹性层延伸第二预定的距离到第二弹性层中。
使用本发明实现了优于常规技术的多个益处。例如，根据本发明的实施例提供以增加的生产量和降低的成本来制造集成流体芯片的方法。另外，实施例提供规模化的芯片设计，所述芯片设计可应用于除生物系统分析之外的技术。在此所述的制造过程中的一些补充已经证明的技术和包含新的制作步骤以提供每个衬底的数量增加的器件、提供增加的功能的更大的器件或其组合。另外，一些实施例提供规模化的制造过程，所述制造过程可转移至具有更大尺寸的衬底的处理。依赖于所述实施例，可以存在这些益处中的一个或更多的益处。这些和其它的益处已经贯穿于本说明书进行描述并在下文中更具体地进行描述。
附图说明
图lA是根据本发明一实施例的集成流体芯片的一部分的简化示意图；
图1B是根据本发明一实施例的处在致动位置的集成流体芯片的一部分的简化示意图；
图2A-2J示出根据本发明一实施例的用于制作IFC的简化的工艺流程；
图3是示出根据本发明的一实施例的用于制作IFC的方法的简化的流程图；
图4是根据本发明一实施例的IFC制作系统的简化示意图；
图5是根据本发明一实施例的层至层对准技术的简化示意图；
图6是根据本发明一实施例的IFC制作系统的简化示意图；以及
图7是示出根据本发明的实施例的在FPD面板上制作的IFC阵列和在6”(英寸)硅晶片上制作的IFC阵列的照片。
具体实施方式
图1A是根据本发明一实施例的集成流体芯片的一部分的简化示意图。如图1A所示，基本上平坦的衬底110(例如玻璃衬底)支撑形成为单块结构的两个层112和114。第一层112包括具有顶表面122的流动沟道120。由F示出的流体材料能够通过流动沟道120根据施加在流动沟道的另外的部分(未示出)上的压强而在延伸到图1的平面中或从图1的平面中延伸出来的方向上流动。第二层114包括控制沟道130，所述控制沟道130相对于所述流动沟道以一角度延伸(在图1所示的实施例中，该角度为90°)。设置隔膜以将所述流动沟道120与控制沟道130在这两条沟道相交的位置处分离。
图1B是根据本发明一实施例的处在致动位置的集成流体芯片的一部分的简化示意图。从图1B中可以看出，流动沟道130的增压(例如通过在其中引入的气体或液体)使得隔膜140向下偏转，由此夹断穿过流动沟道120的流体流。相应地，通过改变控制沟道130中的压强，提供可线性致动的阀系统，使得流动沟道120可以根据需要通过移动隔膜140而被打开或关闭。
尽管图1A和1B示出流动沟道120位于衬底110和控制层130之间，但是该特定的几何构型对于本发明的实施例不是必须的。在其它的实施例中，所述控制沟道被布置在流动沟道下方(即上推阀)。另外，尽管图1A和1B仅仅示出单个流动和控制层，但是一些实施例根据对特定应用所适合的，采用附加的流动和/或控制层。另外，尽管图1A和1B示出常开阀，但是另外本文所述的实施例提供常闭阀。本领域普通技术人员将能够认识许多变体、修改方案和替代方案。
在特定的实施例中，衬底110由透明的玻璃层制作，以允许形成在弹性材料层中的贮存器和弹性沟道的光学触发(interrogation)。
发明人已经确定，广泛地采用集成流体芯片(IFC)产品将最可能需要：集成流体芯片自身被廉价地和大量地制成。因此，本发明的实施例提供了用于大量地制造IFC的有效的制造工艺、工作流程和设备。目前，IFC采用6”(英寸)直径的硅衬底或晶片作为转印衬底来制作。硅晶片自身不具有最终IFC产品中的部件或功能，而是仅提供高精度的衬底，所述高精度的衬底与商业上可获得的半导体处理装备是可兼容的。采用这种6”硅晶片的常规的工艺流程被在之前所引用的美国专利No.6,793,753中进行描述。
图2A-2J示出根据本发明的一实施例的制作IFC的简化的工艺流程。图2A示出衬底210，其具有形成在衬底的上表面上的许多模制特征212。所述衬底典型地是FPD板，例如Gen2面板。所述模制特征典型地由涂覆在衬底上并在衬底上被图案化的光致抗蚀剂层形成，该模制特征具有几十微米量级的特征尺寸。如贯穿于本说明书所述的，所述模制特征提供在后续处理步骤中形成的流体沟道所在的空间。图2B示出覆盖衬底和模制特征的弹性层214的构造(典型地通过刮刀涂布过程)。在所示的实施例中，弹性层(例如PDMS)的厚度在模制特征的量级上，由此形成封闭模制特征且提供覆盖适合于形成如图1B所示的隔膜的模制特征的薄层的层。
图2C示出其上形成有许多模制特征222的第二衬底220。形成覆盖衬底和模制特征的弹性层224(例如PDMS)。通常，用于形成在图2A和2B中示出的元件的方法也可应用于图2C和2D。应当注意，在一些实施例中，第二弹性层224的厚度比模制特征的高度厚的多。例如，第二弹性层典型地为4mm厚，但是其他的厚度也包含在本发明的范围内。
图2E示出处于翻转配置的在图2D中制作的并结合至衬底230的结构。衬底230典型地是FPD板，例如Gen2面板。衬底220以如图2F所示的方式被去除以暴露出模制特征222，所述模制特征222然后被去除以提供沟道226。在一些器件的设计中，这些沟道226将用作流体流动或控制沟道。应当注意，弹性结构224在随后的处理步骤中保持接合至衬底230，这提供了在制作过程中的机械刚度。
图2G示出定位于图2F的结构上方的处于翻转配置的图2B的结构。在制造过程的这一部分中，所述衬底被对准，使得形成在两个弹性材料层中的沟道和器件可以彼此对准。如本领域技术人员所明白的，该对准为在流动和控制层中的沟道之间的期望的重叠而提供，如更完全地贯穿于本说明书所述的。图2H示出之前所示的在图2G的对准过程中的两个结构的结合。在一些实施例中，采用等离子体增强键合工艺来提供在弹性层之间的永久性密封。本领域普通技术人员将认识到许多变体、修改方案和替代方案。
图2I示出从图2H所示的被结合的弹性结构去除衬底210。衬底210的去除使模制特征212暴露，模制特征212随后采用等离子体灰化(在光致抗蚀剂模制特征的情况下)或其它合适的工艺来去除，以形成沟道240。因此，如图2I所示，沟道240是没有材料的。附加的层可以形成在包括模制特征的其它衬底上并然后被结合至图2I所示的结构。如图2J所示，包括许多沟道252的附加的弹性层250已经被制作和结合，由此提供三个弹性材料层。层250可以使用类似于用于层214的这些工艺的工艺来制作。可以在其它的实施例中提供附加的层，如图2A-2I所示的图示仅以示例的方式提供，而不意图限制本发明的范围。如之前所讨论的，在几个弹性层中的各沟道的所示出的方向不意图限制本发明的实施例，而是仅仅表示存在沟道，其可以沿各方向穿过弹性层延伸。另外，从一个层中的沟道穿过至另一层中的其它沟道的过孔，出于清楚的目的而没有示出。此外，设置成与所述沟道流体连通的反应腔也出于清楚的目的而没有示出。本领域普通技术人员将认识到许多变体、修改方案和替代方案。
图3是显示根据本发明一实施例的制作IFC的方法的简化流程图。如图3所示，所述方法包括：提供具有第一模制特征的第一衬底的步骤(310)。通常，第一衬底是FPD面板，且模制特征使用图案化的光致抗蚀剂来形成。第一弹性层形成在第一衬底上(312)，封闭模制特征并与第一衬底的多个部分接触。对于一些较厚的层，弹性层使用封闭模制工艺来形成。第一弹性层连接至支撑衬底(314)。在一些实施例中，支撑衬底形成在第一弹性层的形成过程中所使用的密封模的一部分。第一弹性层通常在多个后续的处理步骤过程中不与支撑衬底分离，直至进行器件切分过程为止。因此，尽管将第一弹性层连接至支撑衬底，如图3所示作为在第一弹性层形成之后的过程，但是因为过程312和314可以同时发生，所以这对于本发明的实施例不是必须的。
所述方法还包括：提供具有第二模制特征的第二衬底(316)并在第二衬底上形成第二弹性层(318)。如更完全地贯穿本说明书所述的，第二弹性层典型地使用刮刀涂覆过程而不是旋涂过程而形成。第一和第二衬底被对准(320)，且第一和第二弹性层结合在一起(322)以形成单块弹性结构。
应当理解，如图3所示的特殊步骤提供根据本发明一实施例的制作IFC的特殊方法。根据可替代的实施例，也可以执行其它的步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的次序来执行上述列出的步骤。此外，图3所示的独立的步骤可以包括多个子步骤，所述子步骤可以以适合于单独的步骤的各种顺序来执行。另外，可以依赖于特定的应用增添或去除附加的步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变体、修改方案和替代方案。
图4是根据本发明一实施例的IFC制作系统的简化示意图。可以设置与控制器430通信的真空卡盘420。还与真空源422流体连通的控制器430配置成提供可控的真空水平至真空卡盘。根据一实施例，真空卡盘配置成提供作为位置的函数的不同的真空水平，例如，在周边部分处真空水平比中心部分更高。在如图4所示的实施例中，移动/旋转平台410设置成与控制器通信，但是这对于本发明的实施例不是必须的。在一实施例中，移动/旋转平台提供四个自由度，三个移动方向和转动。在其它的实施例中，所述平台提供倾斜，使得可获得五个或六个自由度。
第一衬底由真空卡盘420悬挂在翻转的位置，第二衬底由移动/旋转平台410支撑。在一些实施例中，可以提供真空夹具(chucking)(未示出)至移动/旋转平坦410。作为示例，图5示出位于图4所示的系统中的两个衬底。作为位置的函数的可变的真空使得由真空卡盘420所支撑的衬底在中心下陷，如贯穿本说明书所更详细描述的。
对准系统440被设置并示出成与控制器430通信。应当注意，类似于移动/旋转平台410，由于可以通过另一控制器(未示出)或由系统操作者独立地控制这些元件中的两者，不需要通过控制器控制对准系统440。对准系统440用于在结合形成在衬底上的弹性层之前对准如图2G所示的衬底。相应地，对准系统可以包括一个或更多个照相机、监视器、光学元件等。本领域普通技术人员将认识到许多变体、修改方案和替代方案。根据本发明一实施例设置的特定的系统包括如图4所示的元件以及具有如图5所示的其上形成有弹性材料的两个面板。顶面板，典型地为FPD板，允许在其自身重量作用下或者在施加预定量的真空的情况下下陷，以便减少或消除在结合之后在单块弹性结构中存在的气泡。
图5是根据本发明的一实施例的层至层对准技术的简化示意图。如图5所示，第一弹性层114支撑在厚玻璃衬底512上。出于说明的目的，第一弹性层(在此表示成控制层并在图2B中表示成层214)包括控制沟道130。这种示例性的表示的意图不是限制本发明的范围，而是仅仅提供用于说明制造过程的一示例。在一些实施例中，所述层被形成且被固化。典型地，使用在硅晶片上形成图案的光致抗蚀剂或其它合适的材料形成突起的特征(称为模制特征)，在需要沟道的位置留下光致抗蚀剂的突起线。第一弹性层在突起的特征上方沉积至大于突起的特征的高度的深度。在后续的制作步骤之后，如下所述，通过以合适的溶剂从弹性层溶解掉光致抗蚀剂，而移除光致抗蚀剂，通过移除光致抗蚀剂而形成的空隙成为穿过流动层的流动沟道。
在一具体的实施例中，玻璃衬底512是FPD板，例如测量为370mm×470mm的Gen2板。在其它实施例中，使用包括其它代FPD板的其他玻璃衬底。如本领域技术人员所知，通常在结合之前形成第一弹性层并之后固化该第一弹性层。第一弹性层被支撑在平板或层的整个表面区域上，而不仅仅被支撑在周边边缘处。如图5所示，第一弹性层保持与玻璃板接触，所述玻璃板在整个制造过程中形成其封闭模的顶部(例如，一FPD面板、3/8”厚的玻璃片、实心塑料片、施加于玻璃片或塑料片的牺牲膜等)，直至IFC准备用于切片为止。
第二弹性层(为清楚起见，示出为包括流动沟道的层)以翻转的构造由薄玻璃衬底520(例如FPD板)支撑，所述薄玻璃衬底520又通过与真空卡盘522的真空接触来支撑。第二弹性层(出于说明的目的，其在此处被称为流动层)是图1中的层112，该层112包括流动沟道以及在流动沟道和控制沟道之间的隔膜140。在图5中，控制沟道表示为从图面延伸，但该特定的图示仅仅是为了容易说明，而示出在弹性层中的控制沟道的垂直位置，应当理解，控制沟道可以以适合于特定的应用沿其它方向延伸。通过真空悬挂FPD玻璃面板，从而允许玻璃衬底520和第二弹性层112两者的中心部分下陷预定的量。
在一实施例中，通过真空将衬底520保持在其周边处，允许所述中心在其自身重量的作用下下陷，且通过另一真空控制器控制下陷量。发明人已经确定，当第一和第二弹性层在后续处理步骤中连接在一起时，所示出的下陷为结合的前端面(front)而提供，所述前端面在第一弹性层的中心部分处开始，并以大致圆形图案朝向第二弹性层的边缘发散。因此，通常在两个平坦表面连接在一起的情况下形成的气泡被在横向方向上朝向层的边缘推动，由此避免了在最终器件中形成气穴(即夹杂有气泡)。
典型地为0.7mm厚的FPD玻璃面板的固有柔性，是为了适合于本文所描述的方法的弹性层中的预定的下陷而设置。在其他实施例中，施加于FPD板520的中心和周边部分的真空压力的量被调整以提供预定的下陷。
以高的几何精度使得图案化的弹性材料(典型地为PDMS)的两片或两层在一起，如下所述。发明人已经确定，由此处所述的方法所提供的高几何精度是已经使得多层芯片的制造成为可能的研发之一。参照图5，用于支撑第一弹性层114的衬底512位于固定件510中。固定件设置有允许在至少四个轴线(x，y，z，θ)上进行微定位的控制装置。在其他实施例中，由固定件提供另外的自由度(例如倾斜)。在替代的实施例中，提供更少的或附加的自由度。
本发明的实施例提供用于改善两层中各沟道的对准。如图5所示，使用具有相同(或相似)的CTE的玻璃板以支撑弹性层，降低在热处理过程中由膨胀差异导致的未对准。另外，相对于第二弹性层，由于在一些实施例中FPD玻璃面板520在其自身重量的作用下弯曲以产生期望的下陷，下陷导致弹性层的减小的伸展，因此改善了对准容许度。
表1示出硅、PDMS和玻璃材料的CTE。另外在表1中示出1℃的温度变化对于衬底和对于层至层对准的作用。由于一些实施例没有在制作过程中从衬底移除IFC材料(例如PDMS)，所以在处理过程中不会导致IFC材料的扭曲。另外，由于IFC的层都在玻璃衬底上制作，所以最小化了CTE中的任何失配，由此降低了在处理过程中被设置的关于温度控制的限制。
表1
应当注意，在IFC的制造过程中使用FPD板相比于常规的制作技术，提供了多个优点。例如，相比于硅晶片，大尺寸的FPD板能够在制作运行期间制作给定尺寸的增大数量的IFC器件，由此增加生产量且降低了生产成本。另外，FPD板的矩形几何构型更紧密地对应于IFC的大致矩形几何构型，由此相比于圆形的硅衬底减少了衬底的未使用的面积。由此，提供了附加的生产量的改善和成本的降低。
为了将第一弹性层和第二弹性层连接在一起，所述层光学地对准并使得在一起，由此所述层的中心部分首先接触，由此降低了上述夹杂气泡的可能性。第一弹性层的支撑件可以为几毫米厚(例如4mm厚)，其降低或消除该层的伸展，所述伸展可能导致在结合后所述层之间的失配。这种失配可以对两层中的各沟道的相对位置产生不利影响。
图7是示出根据本发明的实施例的在FPD面板上制作的IFC阵列以及在6”硅晶片上制作的IFC阵列的照片。如图7所示，IFC的数量通过使用更大的衬底而增加。另外，设置矩形FPD面板的形状因素用于增加有源器件空间与总衬底面积的比例，由此降低了在制作过程中浪费的PDMS材料的量。本领域普通技术人员将认识到许多变体、修改方案和替代方案。
为了促进对准过程，在一些实施例中，在FPD板上的预定位置处设置基准和游标。例如，对准基准可以设置在所述板的一个或更多个周边部分处，以帮助实现板之间的最初对准。互锁的基准或其它合适的对准标记通过在操作者或计算机控制下移动FPD板中的一个或两者来成像和对准。为了提供精细对准，游标也设置在所述板的周边部分或中心部分处的预定位置上。在一个例子中，游标或其它合适的精细对准标记设置在衬底的周边部分处。表2示出对于多个面板已经获得的对准容许度。如表2所示，在不使用温度或振动控制的情况下，已经获得了±30μm的对准精度。发明人相信光学系统的附加的校准将进一步改善对准精度。
表2
除去提供用于支撑、对准和结合弹性层的方法和系统之外，本发明的实施例提供用于在包括FPD板的大面积玻璃衬底上形成弹性(例如PDMS)层的方法和系统。由本发明的实施例所提供的一些制作方法将旋涂技术用于弹性层。在这些旋涂方法中的一种中，液态PDMS被沉积在晶片的中心处的坑洼中，然后晶片被旋转。离心力用于将PDMS均匀地散布在晶片上，所得到的层厚为旋涂速度、旋涂时间和初始沉积体积的函数。过量的PDMS流到晶片的边缘上，并通常被丢弃。尽管这种旋涂方法可以对于Gen2尺寸的FPD面板是可缩放的，但是可能是：由于许多液态PDMS将在流到晶片的边缘上之后被浪费，所以用于这种大面板的PDMS的量将很高。另外，由于FPD面板是矩形的，所以形成在FPD板上的旋涂层的品质可能不像形成在圆形衬底上的类似层那样高。
在本发明的一实施例中，使用挤压模涂覆过程来代替旋涂过程。在另一实施例中，使用牵引杆(drawbar)涂覆过程来代替旋涂过程。这两种方法中的任何一种都用于在FPD面板上形成或以其它方式沉积PDMS或其它弹性的薄层。在挤压模涂覆中，与FPD面板宽度相同的狭缝模以与该面板的顶表面间隔预定距离(例如50μm)在FPD面板上通过。形成在FPD面板上的模制特征被封闭在从狭缝模挤压出的弹性材料中。随着狭缝模在面板上移动，弹性材料(例如PDMS)通过狭缝模以通常被精确计量的预定的速率来抽吸，从而导致PDMS在面板以及之前形成在面板上的模制特征两者上的均匀涂覆。在一实施例中，PDMS被允许在平坦表面上在室温下自调平，并之后被烘烤以固化。根据本发明的实施例，形成弹性(例如PDMS)层，其特征在于厚度范围是从约5μm至约500μm，例如从约10μm至约150μm。
在一可替代的实施例中，具有各形状(例如直尺、逗点、Meyer等)中的一个的牵引杆涂覆器用于形成类似于使用挤压模形成的弹性层的均匀的弹性层。在牵引杆涂覆过程中，PDMS或其它的弹性材料分配到涂覆头前面的面板上，而不是由涂覆头进行分配。因为挤压模涂覆机和牵引杆涂覆机都已经用在FPD制造过程中，所以可以修改当前可获得的装备，以用于形成如此处所述的PDMS层。
如上所述，在制作过程中使用FPD板而不是硅衬底来支撑PDMS层，提供了每衬底上更多数量的IFC。对于一些应用而言，IFC尺寸在2cm×5cm的量级。在其它应用中，IFC尺寸更大，例如在43cm×43cm、8cm×12cm、9cm×13cm、37cm×47cm等的量级上。一些IFC尺寸位于上述所列出的尺寸之间。尺寸为8cm×12cm(例如87mm×127mm)量级的IFC的特定的示例对应于一些微滴板(micro-titer plate)的尺寸，从而能够使得IFC成为一些微滴板系统中的临时的(drop-in)替代物。然而，本发明的实施例不限于提供每衬底上更大数量的器件。在特定的实施例中，单个的IFC的尺寸仅仅受限于FPD板的尺寸，从而能够制作对于将硅晶片作为制作衬底的情况下不能获得的尺寸的IFC。
除去上述优点之外，本发明提供能够制作通用载体IFC的平台。大的IFC尺寸提供将布线层集成到IFC中的可能，消除典型地设置在IFC外部的累加器，并能够实现更复杂的芯片控制。通用载体提供能够使通用载体与各种不同的模尺寸一起使用的接口(例如一个或更多个布线层)。
在一些实施例中，依赖于待制作的层的厚度和材料属性采用多涂覆技术。例如，薄涂层(例如10μm至50μm厚)使用刮刀涂覆技术来形成，较厚涂层(例如4mm厚的层)使用旋涂技术或封闭模制技术来形成。在使用刮刀涂覆技术的特定的实施例中，实现了所述设备在衬底上的多次通过，以在多次通过过程中形成弹性材料层。
使用本发明的实施例，挤压或牵引涂覆的均匀度相比于旋涂技术得到改善。发明人已经进行对涂覆均匀度的研究，研究证实上述技术提供了使用旋涂技术所不具备的优点。图6示出根据本发明的实施例的在PDMS形成过程之后的衬底。衬底610已经在其上形成模制特征612。PDMS层614形成在衬底和模制特征上，由此填充在模制特征之间的空间。如图6所示，在典型地具有IFC结构的阵列图案中存在模制特征，导致在PDMS形成过程中PDMS厚度发生变化。图6示出多个区域：阵列特征外的空白涂覆区域(620)、在阵列特征内的空白涂覆区域(622)、在模制特征阵列上方的隔膜区域(624)和形成在模制特征(612)上方的微焊点(microbump)(626)。
表3示出对于旋涂过程以及挤压过程的图6所示的各区域所收集的数据。在图6所示出的研究中，Gen2FPD板用作衬底610。模制特征使用光致抗蚀剂来形成，且特征在于高度为15μm。旋涂测量使用Plainview，NY的Veeco Instruments，Inc.销售的高度测量仪进行，且挤压涂覆测量通过在显微镜下观察横截面来进行。
表3
空白差(μm) 隔膜变化(μm) 微焊点高度(μm)
旋涂 6.75 0.7 0.6
挤压涂覆 0.72 1.4 0.4
表3中的数据示出，对于Gen2FPD板上的旋涂过程，空白差(blanketdifference)为在阵列内的空白区域的厚度减去阵列外的空白区域的厚度，该空白差明显地高于使用挤压涂覆过程所获得的空白差。在不限制本发明的实施例的情况下，发明人相信，相比于旋涂技术，使用挤压技术对该空白差的实际消除是由于将层厚与由使用刮刀涂覆技术所提供的材料粘度解除关联所导致。在旋涂过程中，层厚是旋转速度和材料粘度的函数。随着旋转速度的增加，厚度降低。相反，在此所述的刮刀涂覆方法提供了可以设计成实现预定厚度的层厚，具有由材料粘度所造成的减少的影响。因此，本发明的实施例提供特征在于对于PDMS和类似弹性材料厚度仅在高旋转速度下可获得的形成层的方法。隔膜厚度和微焊点高度的变化是相似的，不依赖于PDMS的形成方法。因此，不管衬底的大尺寸，实施例提供对于与IFC设计规则兼容的弹性材料形成方法。
在本发明的替代实施例中，氟化丙烯酸酯或聚对二甲苯用作模制涂层，其释放力相比于常规材料降低。另外，干膜光致抗蚀剂可用于替代或补充刮刀涂覆过程。
由本发明的实施例提供的对准精度打开了降低IFC的特征尺寸的可能，所述特征尺寸之前受层至层对准容许度限制。附加地，此处所述的沉积厚度变化的减小为减少层和隔膜厚度的设计规则做准备。例如，如表3所示的微焊点高度的减小和空白差的实际消除能够实现了具有减小的PDMS层厚的IFC设计。因此，通过使用贯穿本说明书所述的制作方法和系统增加特征密度和器件的功能。
在此所述的制作方法不限于生物样本分析应用。例如，在一实施例中，使用根据在此所述的方法所形成的一个或更多个弹性层来制作燃料电池。所述燃料电池包括多个弹性层，流体能够在燃料电池操作期间移动通过所述弹性层。由本发明的实施例所提供的大衬底尺寸能够实现包括微流体沟道、阀、腔等的大面积燃料电池结构的制作。因此，在以宏观流体水平下运行的器件中提供了微流体功能。
在另一实施例中，使用在此所述的技术制作水净化系统的一个或更多个部件。类似于燃料电池应用，使用在此所述的方法和系统制作的IFC可应用于水净化系统，这是由于它们在宏观流体尺度上提供微流体功能。于是，本发明的实施例提供具有大量的微尺度部件或在微尺度部件上建立的大规模平行系统的IFC。于是，尽管各器件特征小，但是大衬底表面面积能够实现制作具有大流体体积的IFC。另外，应当注意，本发明的实施例也可应用于过程强化应用的领域中，这受益于配置成支撑大的总量的流体的微流体装置。
还应当理解，在此所述的实施例和示例仅仅是用于说明的目的，根据这些实施例和示例，各种修改或变化对于本领域技术人员将是有所启示，且被包括在本申请的精神和界限以及所附的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于制造集成流体芯片的方法，所述方法包括如下步骤：
支撑具有沟道的第一弹性层；
在玻璃衬底上形成具有沟道的第二弹性层，其中玻璃衬底和第二弹性层具有中心部分；
以翻转的位置在第一弹性层上方悬挂具有第二弹性层的玻璃衬底；
将具有第二弹性层的玻璃衬底在第一弹性层上方对准，同时使玻璃衬底和第二弹性层的中心部分朝向第一弹性层下陷；以及
通过使第二弹性层的中心部分首先接触第一弹性层来连接第一弹性层和第二弹性层，由此在横向方向上从中心部分向外推动空气并防止在连接的第一弹性层和第二弹性层中形成气穴。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
悬挂由真空卡盘进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
作为位置的函数的可变的真空支撑玻璃衬底和第二弹性层的中心部分的预定下陷。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底的特征在于，表面积大于50平方英寸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底的特征在于在8mm的窗口上具有60nm的波度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底的特征在于在25mm的窗口上具有330nm的波度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底没有尺寸大于100μm的杂质。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底的特征在于厚度小于1mm。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述玻璃衬底包括0.7mm厚的平板显示器玻璃面板。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃衬底包括370mm×470mm的矩形。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
切分被连接的第一弹性层和第二弹性层。
12.根据权利要求1所述的方法，其中第一弹性层或第二弹性层包括PDMS。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从与玻璃衬底宽度相同的狭缝模将弹性材料挤压到玻璃衬底上；以及
固化该弹性材料以形成第二弹性层。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在衬底上支撑第一弹性层，所述衬底的热膨胀系数在玻璃衬底的热膨胀系数的300％内。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述中心部分的下陷的特征在于，从连接所述玻璃衬底的相对边缘的线位移为大于50μm且小于1cm。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用等离子体增强键合工艺将第一弹性层连接于第二弹性层。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括：
移除第一弹性层的模制表面，使第一弹性层的模制表面与第一衬底脱离接触；以及
将第一弹性层的后表面连接于支撑衬底。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一弹性层的特征在于，所述第一衬底的一个或更多的模制特征的一部分上的第一厚度与没有所述一个或更多的模制特征的所述第一衬底的一部分上的第二厚度之间的差小于2μm。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一弹性层的特征在于，所述第一衬底的一个或更多的模制特征的一部分上的第一厚度与没有所述一个或更多的模制特征的所述第一衬底的一部分上的第二厚度之间的差小于20％。
20.一种集成流体芯片，包括：
衬底，所述衬底由大于28平方英寸的横向表面限定；
第一弹性层，所述第一弹性层具有模制表面和顶表面，所述第一弹性层的模制表面连接至所述衬底的一部分，其中所述第一弹性层包括多个沟道，所述沟道从所述衬底垂直地延伸至所述第一弹性层内部的第一尺寸；
第二弹性层，所述第二弹性层具有模制表面和顶表面，所述第二弹性层的模制表面连接至所述第一弹性层的顶表面的至少一部分，并且所述第二弹性层的模制表面连接至玻璃衬底，所述玻璃衬底的表面积大于50平方英寸并且所述玻璃衬底的厚度小于1mm。
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