CN111229339B - 光栅波导微流体芯片的制造方法 - Google Patents

光栅波导微流体芯片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光栅波导微流体芯片的制造方法，包括提供衬底，在衬底上形成牺牲层，形成下包层；形成波导层；形成光栅波导，包括出射光栅；在波导层上形成保护层，用于覆盖光栅波导并保护出射光栅；在保护层上形成上包层；形成微流道，贯穿上包层以暴露出保护层；出射光栅位于微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入微流道内；去除牺牲层。具有有益效果：在柔性基底上沉积光学性能可调的氮化硅薄膜，扩展SiN光学器件材料的应用范围和形式，将传统光学系统通过集成光学或片上光学器件来实现，把传统的台式大型的光学系统缩小到芯片尺寸，保证出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。

Description

光栅波导微流体芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光栅波导微流体芯片的制造方法，尤其涉及一种光栅波导微流体生物检测芯片的制造方法。
背景技术
在现代生化分析流程中，高通量检测设备已经被广泛使用。这些设备大多采用基于微流体技术或者微孔阵列的生物芯片，装载在高性能的光学系统中，实现对诸如核酸、蛋白、病毒、细菌、细胞等等不同尺寸的生物样品的分析。这些光学系统的设计通常都基于复杂的几何光学，其体积大、成本高、需要光学准直、维护成本较高。
在精准医疗时代，小型化、高性能、低成本和可移动的集成化分析系统受到很大关注。尤其是lab on chip的概念，经过几十年的发展，基于微流体技术对生物样品的操控方面取得了长足的进步，但真正的lab on chip 系统仍然缺少一种微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。
同时，在高分子聚合物薄膜上沉积光学氮化硅薄膜等材料，将以SiN 为波导的集成光学器件同硅或者玻璃衬底分开且聚合物具有一定的延展性，这大大增加了以SiN等材料为波导的集成光学器件的其应用范围。
在高分子聚合物上沉积薄膜，为了不破坏聚合物的分子结构需要将沉积温度控制的越低越好，而目前主流的SiN薄膜生长温度在400度左右，仍然太高。
发明内容
为解决目前现代生化分析仪器体积庞大、成本高和满足精准医疗时代所需求的仪器小型化、可移动和集成化等一系列新的需求。本发明通过集成电路量产工艺来生产这种芯片级光学检测和分析系统，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
本发明提供一种光栅波导微流体芯片的制造方法，包括：
步骤1000：提供衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层；
步骤2000：在所述下包层上形成波导层，所述波导层是氮化硅材料；
步骤3000：以所述波导层形成光栅波导，所述光栅波导包括出射光栅；
步骤4000：在所述波导层上形成二氧化硅保护层，所述保护层用于覆盖所述光栅波导并保护所述出射光栅；在所述保护层上形成厚度为 15～30μm的上包层；
步骤5000：形成微流道，所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；
步骤6000：去除所述牺牲层，以将所述上包层与所述衬底剥离；
所述微流道宽度为10-100μm，所述牺牲层的腐蚀选择比高于所述上包层、所述保护层、所述波导层或所述下包层，所述牺牲层的材料为金属、聚合物或氧化物。
优选地，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层。
优选地，步骤3000中，所述波导层厚度为150nm-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护所述入射光栅。
优选地，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度为150nm-1000nm 的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的所述光栅波导的水平部分，再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜和出射光栅掩膜，沉积形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成所述耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为 300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护所述入射光栅。
优选地，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度大于1000nm的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导块，所述光栅波导块用以形成耦合光栅波导；再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜和出射光栅掩膜，刻蚀所述光栅波导块形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导块的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成若干相互平行的耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为 300-600nm。
优选地，步骤4000中，在所述保护层上旋涂所述高分子聚合材料以形成所述上包层。
优选地，步骤5000中，软烘所述上包层，对所述上包层上预定形成微流道的位置进行局部曝光，再经硬烘和显影后，形成贯穿所述上包层、宽度为10-100μm的微流道。
优选地，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
优选地，步骤6000中，使用湿法腐蚀、干蒸汽腐蚀或反应离子刻蚀去除所述牺牲层。
本发明提供一种光栅波导微流体芯片的制造方法，具有有益效果：在柔性基底上沉积光学性能可调的氮化硅薄膜，扩展了SiN光学器件材料的应用范围和形式，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
附图说明
附图1a～e是本发明光栅波导微流体芯片的制造流程；
附图2a～e是本发明耦合光栅波导微流体芯片的制造流程；
附图3是图1e或2e的俯视图；
附图4是本发明光栅波导微流体芯片制造方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
在附图中，为了描述方便，层和区域的尺寸比例并非实际比例。当层 (或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，当一层被称为在另一层“下”时，它可以直接在下面，并且也可以存在一个或多个中间层。另外，当层被称为在两个层之间时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。另外，当两个部件之间称为“连接”时，包括物理连接，除非说明书明确限定，此种物理连接包括但不限于电连接、接触连接、无线信号连接。
本发明专利提出制造垂直光栅波导与微流体通道一体化芯片的方法，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测芯片。其中，垂直光栅波导是指将光垂直方向向上导入微流道的光栅波导。
如图1a～图4所示，一种光栅波导微流体芯片的制造方法，包括：
步骤1000：提供衬底11，在所述衬底11上形成牺牲层10，在所述牺牲层10上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层141；
步骤2000：在所述下包层141上形成波导层13，所述波导层13是氮化硅材料；
步骤3000：以所述波导层13形成光栅波导1311、1312…131n，所述光栅波导包括出射光栅1310；
步骤4000：在所述波导层上形成二氧化硅保护层12，所述保护层12 是二氧化硅薄膜，具有透光性，经化学机械抛光后，用于覆盖所述光栅波导1311、1312…131n并保护所述出射光栅1310；在所述波导层13上形成厚度为15～30μm的上包层142；
步骤5000：形成微流道2，所述微流道2贯穿所述上包层14以暴露出所述保护层12；所述出射光栅1310位于所述微流道2下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道2内，为不同的复杂集成结构提供新的设计方案和思路，可以设计不同出射方向的出射光栅，增加了检测手段的灵活性；
步骤6000：去除所述牺牲层10，以将所述下包层141与所述衬底11 剥离；所述微流道2宽度为10-100μm；所述牺牲层10的腐蚀选择比高于所述上包层142、所述波导层13或所述下包层141，所述牺牲层10的材料为金属、聚合物或氧化物。需要说明的是，上文中“将光沿垂直方向向上”可以是严格地垂直向上，也可以是斜向上，本发明在此不做限制。
所述光栅波导1311、1312…131n用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道2内，所述上包层142是高分子聚合材料，所述微流道2宽度为 10-100μm；通过集成电路工艺来生产次芯片级光学检测芯片，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
在所有实施例中，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层13。
下面介绍形成氮化硅波导层13，尤其是在低温下沉积光学性能可调氮化硅波导层13的工艺，包括：
通过电感耦合等离子体化学气相沉积法在所述下包层141上沉积光学可调的氮化硅薄膜，其中，沉积温度为25-150℃，并通入反应载气，所述反应载气包括硅气源和氮气源，所述氮气源和所述硅气源流量比为0.5- 16，所述氮化硅薄膜厚度为150nm-1000nm；与传统的电容耦合射频及其他低压高密度等离子体的发生机理不同，电感耦合等离子体化学气相沉积 (ICPCVD)法在电感线圈上施加高频电流，线圈在射频电流驱动下,激发变化的磁场,变化的磁场感生回旋电场。电子在回旋电场的加速下作回旋运动,将反应载气分子碰撞并将其离解,产生了大量的活性等离子基团，气流将其运输至所述下包层141表面并被吸附，表面反应形成所述氮化硅薄膜；电感耦合等离子体化学气相沉积中电子的回旋加速增加与气体分子的碰撞几率，能够产生比传统电容式放电更高的等离子体密度，使低温快速沉积高质量的薄膜成为可能；本步骤形成的氮化硅薄膜致密性较好、且对柔性基底损伤较小，具有较好的折射率、黏附性、台阶覆盖性和稳定性，同时具有较低的杂质、孔洞含量和较高的击穿电压。本步骤沉积氮化硅薄膜的温度范围25℃-150℃，远低于PECVD沉积温度，低温工艺下在下包层141上沉积氮化硅薄膜，通过调整反应载气进而调整氮化硅薄膜的折射率，使得氮化硅薄膜光学性能可调。所述氮化硅薄膜的折射率为 1.75-2.2。需要说明的是，氮化硅薄膜可以是折射率均匀的薄膜，也可以是折射率不均匀的薄膜，如折射率分层结构的氮化硅薄膜。
其中根据光栅波导组131引进的光源方向不同，如：图1e是从光栅波导组131左端的光纤(未示出)引入光源、而图2e是从光栅波导组131 上方引入光源，分别介绍其制造方法。
下面介绍图1e，即从光栅波导组131左端的光纤(未示出)引入光源的本光栅波导微流体芯片：
为形成如图3所示的光栅波导组131中的相互平行的光栅波导1311、1312…131n。如图1a所示，步骤3000中，所述波导层13厚度为 150nm-1000nm，在所述波导层13上旋涂光刻胶(未示出)形成若干相互平行的光栅波导掩膜(未示出)，刻蚀所述波导层13，形成一个微流体上的光栅波导组131包括若干个，如n个，相互平行的光栅波导1311、 1312…131n的水平部分，所述光栅波导1311、1312…131n的宽度为300- 600nm，在所述波导层13上旋涂光刻胶形成出射光栅掩膜16，沉积氮化硅材料以形成出射光栅1310，形成光栅波导1311、1312…131n，所述出射光栅1310位于所述微流道2下方用以将光垂直方向向上导入所述微流道2，在实际检测中，针对微流道2中含不同标记的生物分子，光栅波导 1311、1312…131n可将分别将波长为λ1、λ2…λn的光垂直方向向上导入微流道2中，利用不同波长的光激发不同标记的标记生物分子21可以同时识别这些生物分子，而不在光栅波导1311、1312…131n导入的激发光场中的非激生物分子20将不被识别，非激生物分子20是未经标记的正常生物分子或者经标记但位于光场之外而未被激发的生物分子；其中，如图 3所示，所述光栅波导1311、1312…131n的宽度为300-600nm。如图1b 所示，步骤4000中，在光栅波导1311、1312…131n上生长保护层12，所述保护层12是二氧化硅薄膜，并进行化学机械抛光；然后在所述保护层12表面旋涂一层15-30μm高分子聚合材料的上包层142。如图1c所示，步骤5000中还包括：软烘所述上包层142，对所述上包层142上预定形成微流道2的位置进行局部曝光，再经硬烘显影，形成贯穿所述上包层142、宽度为10-100um的微流道2，即如图1d所示的所述微流道2。
下面介绍如图2e所示的包括入射光栅的耦合光栅波导微流体芯片的制造方法，如图2e所示，该芯片从上包层142上方引入光源：
如图2a所示，在步骤2000中，在所述下包层141上形成厚度为 150nm-1000nm的所述波导层13，在步骤3000中，在所述波导层13上旋涂光刻胶(未示出)形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层 13，形成若干相互平行的所述光栅波导1311、1312…131n的水平部分，在此步骤中，可形成如图3所示的包括耦合光栅波导1311、1312…131n 中的光栅波导的水平部分；如图2b和图3所示，步骤3000中，再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜16和出射光栅掩膜16，沉积形成若干入射光栅 1310’和出射光栅1310，所述出射光栅1310与光栅波导的水平部分形成光栅波导1311、1312…131n，入射光栅1310’与与所述光栅波导1311、 1312…131n形成若干相互平行的耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm。步骤4000中，在光栅波导1311、1312…131n上生长保护层12，所述保护层12是二氧化硅薄膜，并进行化学机械抛光；所述保护层12覆盖并保护所述入射光栅1310’和出射光栅1310。如图2d所示，步骤4000中，在所述保护层12表面旋涂一层15-30μm高分子聚合材料的上包层142，上包层142是透光性层。如图2d所示，步骤5000中，还包括：软烘所述上包层142，对所述上包层142上预定形成微流道2的位置进行局部曝光，再经硬烘显影，形成贯穿所述上包层142、宽度为 10-100um如图2d所示的微流道2。从而完成包括如图2e所示的耦合了入射光栅1310’的光栅波导组131的光栅波导微流体芯片的制造。
需要说明的是，形成耦合光栅波导或入射光栅1310’可以是：步骤 2000中，形成厚度大于1000nm氮化硅的波导层13，利用光刻胶在波导层13上形成相互平行的光栅波导掩膜，对波导层13进行刻蚀，得到相互平行的、宽度为300-600nm的光栅波导块(未示出)，所述光栅波导块用以形成耦合光栅波导；再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜(未示出)和出射光栅掩膜，刻蚀所述光栅波导块形成入射光栅1310’和出射光栅 1310，所述出射光栅1310与光栅波导的水平部分(亦即光栅波导的水平部分)形成光栅波导1311、1312…131n，入射光栅1310’与光栅波导 1311、1312…131n耦合以形成耦合光栅波导；其中，光栅波导1311、1312…131n的水平部分厚度为150nm-1000nm。
如图1d和图2d所示，步骤6000中，使用湿法腐蚀，干蒸汽腐蚀或反应离子刻蚀去除所述牺牲层10。
如图1d和2d所示，所述上包层14的高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
如图1a～2d所示，所述衬底11是硅衬底；较佳地，衬底11是4、8、 12英寸的硅片。
本发明提供的光栅波导微流体的制造方法，通过集成电路工艺来生产次芯片级光学检测芯片，可以设计不同出射方向的出射光栅，增加了检测手段的灵活性，为不同的复杂集成结构提供新的设计方案和思路，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光栅波导微流体芯片的制造方法，包括：
步骤1000：提供衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层；
步骤2000：在所述下包层上形成波导层，所述波导层是氮化硅材料，其中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层；
步骤3000：以所述波导层形成光栅波导，所述光栅波导包括出射光栅；
步骤4000：在所述波导层上形成二氧化硅保护层，所述保护层用于覆盖所述光栅波导并保护所述出射光栅；在所述保护层上形成厚度为15～30μm的上包层；
步骤5000：形成微流道，所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；
步骤6000：去除所述牺牲层，以将所述上包层与所述衬底剥离；
所述微流道宽度为10-100μm，所述牺牲层的腐蚀选择比高于所述上包层、所述保护层、所述波导层或所述下包层，所述牺牲层的材料为金属、聚合物或氧化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3000中，所述波导层厚度为150nm-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护入射光栅。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度为150nm-1000nm的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的所述光栅波导的水平部分，再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜和出射光栅掩膜，沉积形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护所述入射光栅。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度大于1000nm的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导块，所述光栅波导块用以形成耦合光栅波导；再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜和出射光栅掩膜，刻蚀所述光栅波导块形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导块的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成若干相互平行的耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4000中，在所述保护层上旋涂所述高分子聚合材料以形成所述上包层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5000中，软烘所述上包层，对所述上包层上预定形成微流道的位置进行局部曝光，再经硬烘和显影后，形成贯穿所述上包层、宽度为10-100μm的微流道。
7.根据权利要求1所述的方法，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6000中，使用湿法腐蚀、干蒸汽腐蚀或反应离子刻蚀去除所述牺牲层。
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