CN115268223A - 微流控芯片的阳模光刻方法、系统、装置及芯片制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控芯片的阳模光刻方法、系统、装置及芯片制作方法，涉及芯片制造技术领域。本申请通过所需的微流控芯片的微通道深度确定总曝光量，然后根据光刻装置较低的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，根据溶解出微通道深度所需的总曝光量和单次曝光量可以确定曝光次数。基于该曝光次数，控制光刻装置以较低的光照强度对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模，利用曝光强度控制且重复曝光的方法代替原本的一次曝光方法，可以有效的抑制顶部过曝光，底部欠曝光而形成的T型结构，从而提高微流控芯片的质量。

Description

微流控芯片的阳模光刻方法、系统、装置及芯片制作方法

技术领域

本发明涉及芯片制造技术领域，尤其涉及一种微流控芯片的阳模光刻方法、系统、装置及芯片制作方法。

背景技术

微流控芯片是一种带有微通道的小型化系统，可以传输用于分离、处理和检测的痕量试剂，广泛应用于生物医学诊断，生物细胞测定和药物发现等领域。制造微流控芯片的流程分为先制备相应形状的阳模，然后通过倒模和热交联方法制备微流控芯片。

目前，微流控芯片的阳模制造可以采用立体光刻技术(SLA)和无掩模光刻技术。立体光刻技术是由一台计算机控制激光光束，通过CAD系统提供的设计数据，利用光束逐层固化液态的光敏树脂，这种方法制作的阳模，由于层间分子间应力的不均匀释放，该结构存在边缘不连续和整体结构变形等问题，且立体光刻技术的光刻精度只能做到50微米，无法应对细胞尺寸的微流控芯片微通道的制造要求。无掩模光刻技术可以有效的节省制造掩模板的成本，实现了任意形状的虚拟掩模板，但光刻出的阳模通道存在顶部过曝光，底部欠曝光的“T”形结构，制成的微流体微通道侧壁不垂直，质量容易存在一定的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种微流控芯片的阳模光刻方法、系统、装置及芯片制作方法，能够提高微流控芯片的质量。

一方面，本发明实施例提供了一种微流控芯片的阳模光刻方法，包括以下步骤：

获取曝光厚度，其中，所述曝光厚度用于表征微流控芯片的微通道深度；

根据所述曝光厚度确定总曝光量；

根据光刻系统采用的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，其中，所述光照强度小于强度预设值；

根据所述总曝光和所述单次曝光量确定曝光次数；

根据所述曝光次数控制光刻装置对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模。

根据本发明一些实施例，所述总曝光量通过曝光模型确定，所述曝光模型表示为：

其中，E表示总曝光量，H表示最大理论厚度，γ表示所采用的光刻胶厚度与曝光量之间的对比度，h表示曝光厚度，E_th表示光刻胶初始反应所需的最小曝光量。

根据本发明一些实施例，所述曝光模型通过以下关系式推导：

其中，γ表示所采用的光刻胶厚度与曝光量之间的对比度，0≤h≤H，Eth≤E≤E_c，E_c为最大固化厚度所需的曝光量。

根据本发明一些实施例，所述单次曝光量通过以下公式确定：

E₁＝I×T；

其中，E₁表示单次曝光量，I表示光照强度，T表示单次曝光时间。

根据本发明一些实施例，当所述微流控芯片的基板采用SU-8系列光刻胶，E_th取值为150 mJ/cm²，E_c取值为350mJ/cm²，γ取值为1.18，H取值为225μm。

另一方面，本发明实施例还提供一种处理装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个所述处理器实现如前面所述的微流控芯片的阳模光刻方法。

另一方面，本发明实施例还提供一种微流控芯片的阳模光刻系统，包括前面所述的处理装置和光刻装置，所述光刻装置包括数字微镜元件控制器、数字微镜元件和发光元件，所述数字微镜元件控制器分别与所述处理装置和所述数字微镜元件连接，所述发光元件向所述数字微镜元件提供曝光光源，所述数字微镜元件控制器用于根据所述处理装置生成的虚拟掩膜板控制所述数字微镜元件的微镜转角。

根据本发明一些实施例，所述发光元件的发出曝光光源波长为405nm。

根据本发明一些实施例，所述微流控芯片的通道光刻系统还包括平台和平台运动控制装置，所述平台运动控制装置与所述处理装置连接，所述平台运动控制装置用于根据所述处理装置输出的运动路径控制所述平台。

另一方面，本发明实施例还提供一种微流控芯片制作方法，包括以下步骤：

将光刻胶涂膜在微流控芯片基板的上表面；

向如前面所述的处理装置输入曝光厚度和通道图案，以使所述处理装置生成虚拟掩膜板，并控制光刻装置按照虚拟掩膜板在微流控芯片基板的上表面进行曝光，其中，光刻装置的采用的光照强度光照强度小于强度预设值，处理装置控制光刻装置按照计算出曝光次数对基板上表面需要曝光的同一位置进行重复曝光；

将经过曝光后的微流控芯片基板进行烘干和显影操作，得到微流控芯片的阳模；

在具有通道图案的阳模表面浇筑热塑性材料，揭下固化后的热塑性材料得到具有通道的微流控芯片。

本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：本申请通过所需的微流控芯片的微通道深度确定总曝光量，然后根据光刻装置较低的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，根据溶解出微通道深度所需的总曝光量和单次曝光量可以确定曝光次数。基于该曝光次数，控制光刻装置以较低的光照强度对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模，利用曝光强度控制且重复曝光的方法代替原本的一次曝光方法，可以有效的抑制顶部过曝光，底部欠曝光而形成的T型结构，从而提高微流控芯片的质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微流控芯片的阳模光刻方法流程图；

图2是本发明实施例提供的处理装置示意图；

图3是本发明实施例提供的微流控芯片制作流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或者类似的标号表示相同或者类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明实施例提供了一种微流控芯片的阳模光刻方法，参照图1，本发明实施例的微流控芯片的阳模光刻方法包括但不限于步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140和步骤S150。

步骤S110，获取曝光厚度，其中，曝光厚度用于表征微流控芯片的微通道深度；

步骤S120，根据曝光厚度确定总曝光量；

步骤S130，根据光刻系统采用的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，其中，光照强度小于强度预设值；

步骤S140，根据总曝光和单次曝光量确定曝光次数；

步骤S150，根据曝光次数控制光刻装置对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模。

具体地，本发明实施例的总曝光量通过曝光模型，曝光模型用于表征曝光厚度与总曝光量的映射关系，即所需的微流控芯片的微通道深度与光刻胶需要受到的总曝光量的对应关系。以针对SU-8负性光刻胶为例，说明本发实施例的曝光模型构建过程。

对于负性光刻胶，存在曝光阈值E_th和E_c，E_th表示负性光刻胶初始反应所需的最小曝光剂量，E_c表示最大固化高度时所需的曝光剂量。光刻胶厚度与曝光量存在一个对比度γ，如公式(1)所示。

其中，0≤h≤H，E_th≤E≤E_c。h和H分别代表曝光高度和理论最大高度，通过上述公式(1) 可以推导出曝光剂量E与曝光厚度h的关系，即曝光模型如公式(2)所示：

对于SU-8系列的光刻胶，E_th和E_c分别取150mJ/cm²和350mJ/cm²，对比度γ为1.18，最大理论旋涂高度H为225μm，将这些取值代入公式(2)可以得到SU-8光刻胶曝光模型。

可以理解的是，上述曝光模型的推导过程同样适用其他类型的光刻胶，只是代入的相关参数有所不同，本发明实施例不对光刻胶的类型做具体限制。

进一步地，在确定微流控芯片的微通道深度的基础上，将对应的曝光厚度代入公式(2)，可以得到溶解SU-8负性光刻胶所需的总曝光量。为了防止基板底部和顶部的不均匀曝光，本发明实施例不进行一次性曝光，而是采用低光照强度、多次曝光的方式对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到侧壁垂直的阳模，因此，本发明实施例需要基于光照强度和单次曝光时间确定每一次的单次曝光量，以根据单次曝光量和总曝光量确定曝光次数。单次曝光量如公式(3)所示：

E₁＝I×T； (3)

其中，E₁表示单次曝光量，I表示光照强度，T表示单次曝光时间。

进一步地，将总曝光量除以单次曝光量得到需要重复曝光的次数，通过控制光刻装置的 LED光源以对应光照强度的发光功率对基板上的光刻胶单次曝光，按照曝光次数对同一位置进行周期性重复曝光，从而达到所需要的曝光量。

需要说明的是，本发明实施例可以采用波长为405nm的LED作为曝光光源。相比于传统的大功率汞灯的I线(波长为365nm)，具有光谱范围大、寿命短、功耗大、污染大等缺点，利用405nm的LED光源作为SU-8光刻胶的曝光光源，LED光源比汞灯光源更加的均匀，405 nm波长与SU-8光刻胶的交联反应没有365nm波长那么剧烈，可以有效的抑制顶部过曝光，底部欠曝光而形成的T型结构。

本发明实施例通过所需的微流控芯片的微通道深度确定总曝光量，然后根据光刻装置较低的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，根据溶解出微通道深度所需的总曝光量和单次曝光量可以确定曝光次数。基于该曝光次数，控制光刻装置以较低的光照强度对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模，利用曝光强度控制且重复曝光的方法代替原本的一次曝光方法，可以有效的抑制顶部过曝光，底部欠曝光而形成的T型结构，从而提高微流控芯片的质量。此外，本发明实施例的光刻方法更加的灵活，每一次曝光只是固化一小段高度的光刻胶，因此如果需要调整阳模的高度，只需要调整曝光次数，无需重复旋涂光刻胶，具有广泛的应用前景。

参照图2，图2是本发明一个实施例提供的处理装置的示意图。本发明实施例的处理装置包括一个或多个控制处理器和存储器，图2中以一个控制处理器及一个存储器为例。

控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本领域技术人员可以理解，图2中示出的装置结构并不构成对处理装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

实现上述实施例中应用于处理装置的微流控芯片的阳模光刻方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被控制处理器执行时，执行上述实施例中应用于处理装置的微流控芯片的阳模光刻方法。

本发明实施例还提供一种微流控芯片的阳模光刻系统，包括上述处理装置和光刻装置，光刻装置包括数字微镜元件控制器、数字微镜元件和发光元件，数字微镜元件控制器分别与处理装置和数字微镜元件连接，发光元件向数字微镜元件提供曝光光源，数字微镜元件控制器用于根据处理装置生成的虚拟掩膜板控制数字微镜元件的微镜转角。

在一些实施例中，发光元件的发出曝光光源波长为405nm。

在一些实施例中，微流控芯片的通道光刻系统还包括平台和平台运动控制装置，平台运动控制装置与处理装置连接，平台运动控制装置用于根据处理装置输出的运动路径控制平台。

具体地，无掩膜光刻工艺不需要实体掩膜板，是通过处理装置的数字信号处理功能将虚拟图形转化为虚拟掩膜板，基于该虚拟掩膜版的数字信息并结合平台的运动状态传递给 DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜元件)。DMD由N*M个单元组成，每一单元包括一个镜片，且通过数字微镜元件控制器可以在一定程度控制镜片的转动角度，曝光位置传递给DMD对应单元的数据信息为“1”，不曝光位置传递给DMD对应单元的数据信息为“0”。数字微镜元件控制器控制DMD数据信息为“1”的镜片不转动，激光脉冲会落到放置在平台的基板上，数据信息为“0”的镜片会转动，激光脉冲不会落到放置在平台的基板上。

在一些实施例中，随着平台运动控制装置控制载有基板的平台运动，完成一行扫描区域的单次曝光再进行下一行扫描区域的单次曝光，直到将虚拟掩膜板上的虚拟图形完整转移到基板上，完成对整个基板的单次曝光，然后平台运动控制装置控制载有基板的平台运动初始位置，再次进行逐行单次曝光，再次完成对整个基板的单次曝光，直到所有需要曝光的位置达到曝光次数，从而得到期望微通道深度的阳模。

在另外一些实施例中，随着平台运动控制装置控制载有基板的平台运动，完成一行扫描区域的周期性重复单次曝光，直到该行区域达到曝光次数，再进行下一行扫描区域的单次曝光周期性重复曝光，直到将虚拟掩膜板上的虚拟图形完整转移到基板上，完成对整个基板的曝光，得到期望微通道深度的阳模。

本发明实施例还提供一种微流控芯片制作方法，包括以下步骤：

将光刻胶涂膜在微流控芯片基板的上表面；

向上述处理装置输入曝光厚度和通道图案，以使处理装置生成虚拟掩膜板，并控制光刻装置按照虚拟掩膜板在微流控芯片基板的上表面进行曝光，其中，光刻装置的采用的光照强度光照强度小于强度预设值，处理装置控制光刻装置按照计算出曝光次数对基板上表面需要曝光的同一位置进行重复曝光；

将经过曝光后的微流控芯片基板进行烘干和显影操作，得到微流控芯片的阳模；

在具有通道图案的阳模表面浇筑热塑性材料，揭下固化后的热塑性材料得到具有通道的微流控芯片。

具体地，参照图3，首先在基板上均匀涂抹一定厚度的SU-8负性光刻胶，对其进行一定的前烘，如图3中的(a)所示。用专业的软件设计出具有特定形状的微流体芯片的虚拟掩模，按照上述曝光方法对SU-8负性光刻胶进行剂量控制精准曝光，如图3中的(b)所示。在进行一定次数的曝光之后，取出样品，可以看到在光刻胶上出现相应的图形，对样品进行后烘，目的是使图形更加稳定，如图3中的(c)所示。把样品放入相应的显影液里面显影，被曝光的部分保留，没有被曝光的部分消去，在基板上保留具有相应图案的阳模，如图3中的(d)所示。把液态的PDMS浇筑到样品表面，如图3中的(e)所示。待PDMS热交联之后，轻轻揭下PDMS，即得到带有图形通道的PDMS微流控芯片，如图3中的(f)所示。

可以理解的是，热塑性材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂和聚氨酯等，采用不同的热塑性材料进行浇筑，对应得到不同类型的微流控芯片。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种微流控芯片的阳模光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取曝光厚度，其中，所述曝光厚度用于表征微流控芯片的微通道深度；

根据所述曝光厚度确定总曝光量；

根据光刻系统采用的光照强度和单次曝光时间确定单次曝光量，其中，所述光照强度小于强度预设值；

根据所述总曝光和所述单次曝光量确定曝光次数；

根据所述曝光次数控制光刻装置对基板上需要曝光的同一位置进行重复曝光，得到微流控芯片的阳模。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片的阳模光刻方法，其特征在于，所述总曝光量通过曝光模型确定，所述曝光模型表示为：

其中，E表示总曝光量，H表示最大理论厚度，γ表示所采用的光刻胶厚度与曝光量之间的对比度，h表示曝光厚度，E_th表示光刻胶初始反应所需的最小曝光量。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片的阳模光刻方法，其特征在于，所述曝光模型通过以下关系式推导：

其中，γ表示所采用的光刻胶厚度与曝光量之间的对比度，0≤h≤H，E_th≤E≤E_c，E_c为最大固化厚度所需的曝光量。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片的阳模光刻方法，其特征在于，所述单次曝光量通过以下公式确定：

E₁＝I×T；

其中，E₁表示单次曝光量，I表示光照强度，T表示单次曝光时间。

5.根据权利要求3所述的微流控芯片的阳模光刻方法，其特征在于，当所述微流控芯片的基板采用SU-8系列光刻胶，E_th取值为150mJ/cm²，Ec取值为350mJ/cm²，γ取值为1.18，H取值为225μm。

6.一种处理装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个所述处理器实现如权利要求1至5任一项所述的微流控芯片的阳模光刻方法。

7.一种微流控芯片的阳模光刻系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的处理装置和光刻装置，所述光刻装置包括数字微镜元件控制器、数字微镜元件和发光元件，所述数字微镜元件控制器分别与所述处理装置和所述数字微镜元件连接，所述发光元件向所述数字微镜元件提供曝光光源，所述数字微镜元件控制器用于根据所述处理装置生成的虚拟掩膜板控制所述数字微镜元件的微镜转角。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片的阳模光刻系统，其特征在于，所述发光元件的发出曝光光源波长为405nm。

9.根据权利要求7所述的微流控芯片的阳模光刻系统，其特征在于，所述微流控芯片的通道光刻系统还包括平台和平台运动控制装置，所述平台运动控制装置与所述处理装置连接，所述平台运动控制装置用于根据所述处理装置输出的运动路径控制所述平台。

10.一种微流控芯片制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

将光刻胶涂膜在微流控芯片基板的上表面；

向如权利要求6所述的处理装置输入曝光厚度和通道图案，以使所述处理装置生成虚拟掩膜板，并控制光刻装置按照虚拟掩膜板在微流控芯片基板的上表面进行曝光，其中，光刻装置的采用的光照强度光照强度小于强度预设值，处理装置控制光刻装置按照计算出曝光次数对基板上表面需要曝光的同一位置进行重复曝光；

将经过曝光后的微流控芯片基板进行烘干和显影操作，得到微流控芯片的阳模；

在具有通道图案的阳模表面浇筑热塑性材料，揭下固化后的热塑性材料得到具有通道的微流控芯片。

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