CN117380295A - 一种微流道芯片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流道芯片的制造方法，方法包括：提供包括多个微流道芯片的半导体晶片，每个微流道芯片包括层叠设置的保护层和结构层，结构层具有微流道结构；在相邻两个微流道芯片之间的切割道位置，对半导体晶片的保护层进行包括激光诱导深度刻蚀技术、或激光直写技术的第一划片工艺，以去除部分厚度的保护层形成第一子凹槽；在第一子凹槽处进行包括干法刻蚀技术的第二划片工艺，去除剩余厚度的保护层形成第二子凹槽，以及结合深硅刻蚀工艺刻穿结构层，以得到分离的微流道芯片。本发明最大程度减少了碎渣颗粒的产生，且保证切割道上下近似平直、宽度也基本一致，增强了微流道的结构强度，提高了微流道芯片使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种微流道芯片的制造方法。
背景技术
微流道芯片是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，已在生物、化学、医学等领域展现出巨大潜力。微流道芯片的制造，通常通过微加工工艺在硅、金属、高分子聚合物、玻璃、石英等材质的基片上，加工出微米至亚毫米级的流体通道、腔室、过滤器或传感器等各种微结构单元，而后在微米尺度空间对流体进行操控。以微流道雾化芯片为例，通过微流道对待雾化液体进行整流，雾化后的液体从微孔喷出。
由于微流道芯片的制造通常需要将玻璃片或石英片与硅片键合，微流道也形成在玻璃片或石英片与硅片之间，常规划片方式若采用刀划，易产生碎渣，会堵塞微流道芯片的进出口；若划片方式使用湿法腐蚀或是激光诱导深度刻蚀刻穿上层玻璃片或石英片，虽然避免了碎渣产生，但在整个划片过程中不能保证切割道上下平直，导致微流道的结构强度下降，使得微流道结构的进口和出口更容易破损，从而降低了微流道芯片的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种微流道芯片的制造方法，旨在解决现有技术中制造微流道芯片不能保证切割道上下平直而导致微流道的结构强度下降，微流道结构的进口和出口容易破损的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
本发明提供一种微流道芯片的制造方法，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片包括多个微流道芯片，每个所述微流道芯片包括层叠设置的保护层和结构层，所述结构层具有微流道结构；
在相邻两个所述微流道芯片之间的切割道位置对所述半导体晶片的所述保护层进行第一划片工艺，以去除部分厚度的所述保护层，形成第一子凹槽，其中，所述第一划片工艺包括激光诱导深度刻蚀技术、或激光直写技术；
在所述第一子凹槽处进行第二划片工艺，去除剩余厚度的所述保护层，形成第二子凹槽，其中，所述第二划片工艺包括干法刻蚀技术，所述第一子凹槽和所述第二子凹槽的开口尺寸相匹配且所述第一子凹槽和所述第二子凹槽的内壁过渡平滑，以形成在厚度方向上贯穿所述保护层的第一凹槽；
在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽，所述第二凹槽与所述第一凹槽相连通，且所述第二凹槽的开口尺寸与所述第一凹槽的开口尺寸相匹配，以得到多个分离的所述微流道芯片。
进一步地，在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀的步骤之前，所述方法还包括：
在所述结构层的背离所述第一凹槽的一侧形成第一临时键合层，并在所述第一临时键合层上形成临时衬底，其中，所述临时衬底的材质为透光材料，所述第一临时键合层的材质为光敏材料。
进一步地，所述在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽的步骤，包括：
采用深硅刻蚀工艺在所述半导体晶片具有所述第一凹槽的一侧对所述半导体晶片进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽。
进一步地，采用深硅刻蚀工艺在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述半导体晶片进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽时，在所述保护层和所述结构层的结合处形成所述微流道结构的进口和出口，所述第二凹槽的侧壁完全覆盖所述进口和所述出口。
进一步地，在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽的步骤之后，所述方法还包括：
在所述保护层的背离所述结构层的一侧形成第二临时键合层；
通过解键合工艺移除所述第一临时键合层，以得到多个分离的所述微流道芯片。
进一步地，所述第一划片工艺去除部分所述保护层的厚度与所述保护层的总厚度至少相差1um。
进一步地，所述干法刻蚀技术为电感耦合等离子体刻蚀工艺。
进一步地，在所述结构层相对于所述保护层的一侧表面上通过刻蚀工艺形成所述微流道结构，所述微流道结构包括过滤栅和吸附区域，所述过滤栅的截面高度与所述微流道结构的截面深度相同，所述吸附区域附着有金属离子吸附材料。
进一步地，所述吸附区域内设置有阵列排布的多个凸起，所述凸起的外表面附着有金属离子吸附材料。
进一步地，所述金属离子吸附材料包括：无机吸附剂、有机吸附剂、树脂类吸附剂、壳聚糖类吸附剂和碳质吸附剂的至少一种。
进一步地，所述凸起的截面高度小于所述过滤栅的截面高度。
进一步地，所述保护层为石英材质或玻璃材质，所述结构层为单晶硅材质。
采用本发明提供的微流道芯片的制造方法，对包括有多个微流道芯片的半导体晶片，于一种特殊的划片工艺在厚度方向上先采用激光诱导深度刻蚀技术刻蚀或者激光直写切割部分厚度的保护层，然后采用干法刻蚀技术刻蚀剩余厚度的保护层，以及结合深硅刻蚀工艺刻穿结构层，以得到分离的微流道芯片。在保护层形成的第一凹槽的开口尺寸和在结构层形成的第二凹槽的开口尺寸相匹配，且第一凹槽和所述第二凹槽的内壁过渡平滑。本发明不采用传统的刀划工艺进行划片，从而最大程度减少了碎渣颗粒的产生，以保障微流道结构的进口和出口不发生堵塞；同时整个划片工艺过程中，保证切割道上下近似平直、宽度也基本一致，平直的切割道减少了微流道结构上方的应力，增强了微流道的结构强度，提高了微流道芯片的使用寿命；此外，还避免了对微流道结构的两侧采用湿法刻蚀容易使得微流道结构的进口和出口形成喇叭状结构的问题，对微流道雾化芯片来说能够提高雾化喷射时雾化粒径的一致性。
另外，通过对结构层进行光刻刻蚀，形成微流道结构内的吸附区域和设置于吸附区域的凸起阵列，并附着金属离子吸附材料，能够对雾化液体进行重金属杂质的吸附去除。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方式。
图1为本发明实施例提供的一种微流道芯片的制造方法的流程示意图；
图2A-图2F为根据本发明实施例提供的微流道芯片的制造方法的制造工序示意图；
图3为本发明实施例提供的微流道芯片的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的微流道芯片结构层的平面俯视图；
图5为本发明实施例提供的微流道芯片的正视图；
图6为本发明实施例提供的微流道芯片的后视图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文的本发明实施例能够以不同于本文的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
在涉及方法步骤时，本文图示的先后顺序代表了一种示例性的方案，但不表示对先后顺序的限定。
现有的微流道芯片划片工艺中，对于保护层（玻璃层）的上层采用刀划工艺会产生大量的碎渣颗粒，会污染玻璃上表面，且有可能进入微流道堵塞微流道芯片的进出口，从而影响观测和后续的AOI（automatically optical inspection，自动光学检测）测试。
微流道芯片例如微流道雾化芯片，在雾化过程中对于微流道结构的进口和出口形成较大压强，通常大于30MPa，主要集中于40-50Mpa之间。多种划片、刻蚀方式结合的划片工艺，在整个划片过程中如果不能保证切割道上下平直以及宽度的基本一致，会使得微流道的结构强度会下降，导致其进口和出口更容易破损，从而使得雾化芯片的寿命下降。而且如果在保护层靠近中间微流道结构用到了湿法刻蚀，如激光诱导深度刻蚀中的湿法刻蚀部分，刻蚀中可能会导致微流道结构的进口和出口形成喇叭口形状，进而影响雾化粒径的一致性。
针对上述问题，图1为本发明实施例提供的一种微流道芯片的制造方法的流程示意图；图2A-图2F为根据本发明实施例提供的微流道芯片的制造方法的制造工序示意图。参照图1、图2A-图2F所示，本发明实施例提供了一种微流道芯片的制造方法，该方法包括：
步骤S11：提供半导体晶片，半导体晶片包括多个微流道芯片，每个微流道芯片包括层叠设置的保护层1和结构层2，结构层2具有微流道结构3。
一种优选的实例，每个微流道芯片的结构如图3所示，包括层叠设置的保护层1和结构层2，在结构层2上通过刻蚀形成微流道结构，将保护层1和结构层2相互键合，以对微流道结构3进行密封。优选的，采用阳极键合工艺将保护层1与结构层2进行键合。
步骤S12：在相邻两个微流道芯片之间的切割道位置10对半导体晶片的保护层1进行第一划片工艺，以去除部分厚度的保护层1，形成第一子凹槽101，其中第一划片工艺包括激光诱导深度刻蚀、或激光直写技术。具体地，如图2A所示，在半导体晶片的厚度方向上，通过激光诱导深度刻蚀技术刻蚀部分厚度的保护层1，以形成经激光诱导深度刻蚀的第一子凹槽101，或者通过激光直写技术切割部分厚度的保护层1，以形成经激光直写切割的第一子凹槽101。
其中，激光诱导深度蚀刻（Laser-Induced-Deep Etching，LIDE）工艺通常分为两个步骤：第一步是根据设计图形对表面进行选择性激光改性；第二步是对改性区域进行湿化学蚀刻，其被蚀刻速度远远高于未被改性过的材料。而且LIDE工艺通过激光改性和湿化学蚀刻的结合，能够使刻蚀的侧壁平滑，不会产生裂隙和碎屑，无应力。因此，相比传统的刀划方式，应用激光诱导刻蚀产生第一子凹槽101的过程不会产生碎屑对微流道芯片的进口13和出口14造成堵塞，在提升效率的同时保证了微流道芯片的高良率分离。
激光直写切割的工艺是利用激光直接烧熔切割，相对于激光诱导深度刻蚀工艺来说，在划片深度的控制上要优于激光诱导深度刻蚀，尽可能地减少后续通过干法刻蚀技术刻蚀剩余厚度保护层的厚度，大大降低了干法刻蚀部分的难度。
需要说明的是，为保证碎渣颗粒尽可能少的同时尽可能形成深度垂直的刻蚀壁，采用激光诱导深度刻蚀技术刻蚀保护层1，其刻蚀的厚度h1与保护层1的总厚度h2至少相差1um，两者之间的厚度差，也就是采用干法刻蚀技术刻蚀的剩余厚度优选为2-5um。激光诱导深度刻蚀中的激光功率应大于5W，产生的第一子凹槽101的开口尺寸优选为50-200um。
步骤S13：在第一子凹槽101处进行第二划片工艺，以去除剩余厚度的保护层1，形成第二子凹槽102，其中第二划片工艺包括干法刻蚀技术，第一子凹槽101和第二子凹槽102的开口尺寸相匹配，且第一子凹槽101和第二子凹槽102的内壁过渡平滑，以形成在厚度方向上贯穿保护层的第一凹槽103。
由于激光诱导深度刻蚀包括湿化学蚀刻部分，湿化学蚀刻容易造成流道进出口形成喇叭口，而激光直写切割相比激光诱导深度刻蚀又容易产生少量碎屑，因此，本发明不采用激光诱导深度刻蚀、或激光直写切割将整个保护层刻穿，而是保留一部分保护层由干法刻蚀完成剩余部分的刻蚀。
如图2B所示，在第一子凹槽101处通过干法刻蚀技术刻蚀剩余厚度的保护层1，以形成经干法刻蚀的第二子凹槽102。
本实施例中，干法刻蚀技术优选为ICP（Inductively Couple Plasma，电感耦合等离子体）深硅刻蚀工艺，ICP深硅刻蚀是利用高密度氧等离子体与硅基片表面发生化学反应，通过去除硅材料来实现深刻蚀的过程，其中气体的选择常用的有SF6和O2结合。
在第二子凹槽102形成的过程中，采用ICP深硅刻蚀工艺，能够实现深度满足第二子凹槽102侧壁形成需求的各向异性刻蚀，同时第一子凹槽101和第二子凹槽102的开口尺寸相匹配，也就是说，刻蚀出的第一子凹槽101和第二子凹槽102的开口尺寸是完全相同或基本相同的，不排除因工艺误差造成两者的开口尺寸存在微小差别。相匹配的第一子凹槽101和第二子凹槽102的开口尺寸，使得第一子凹槽101和第二子凹槽102形成的第一凹槽103的内壁过渡平滑且上下近似平直、宽度一致，保障了微流道芯片的产品良率。
保护层1的材质可以包括玻璃材质或石英材质，根据材质不同刻蚀的角度有一定差别，如石英材质的保护层1可保证刻蚀壁基本垂直，刻蚀角度为90°，正负误差小于1°。
结构层2的材料通常包括单晶硅，由于保护层1与结构层2的材料不同，因此需要采用不同的刻蚀工艺分别对保护层1和结构层2进行刻蚀。
本实施例中，在步骤S14之前，方法还包括：
在结构层2的背离第一凹槽103的一侧形成第一临时键合层5，并在第一临时键合层5上形成临时衬底6，其中，临时衬底6的材质为透光材料，第一临时键合层5的材质为光敏材料。
如图2C所示，通过激光诱导深度刻蚀或激光直写切割、干法刻蚀完成保护层1的划片工作，之后将结构层2的背离第一凹槽103的下表面进行临时键合，形成第一临时键合层5。第一临时键合层5的材质为光敏材料，优选为UV膜；临时衬底6的材质为透光材料，优选为玻璃片。
步骤S14：在半导体晶片的具有第一凹槽103的一侧对结构层2进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿结构层2的第二凹槽104，第二凹槽104与第一凹槽103相连通，且第二凹槽104的开口尺寸与第一凹槽103的开口尺寸相匹配，以得到多个分离的微流道芯片。
如图2D所示，采用深硅刻蚀工艺在半导体晶片的具有第一凹槽103的一侧对半导体晶片进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿结构层的第二凹槽104时，在保护层1和结构层2的结合处形成微流道结构3的进口和出口，第二凹槽104的侧壁完全覆盖进口和出口。
上述实施方式中，通过深硅刻蚀工艺完成对下层结构层2的刻穿，形成硅片DRIE层，完成整个划片。在厚度方向上贯穿结构层2的第二凹槽104，第二凹槽104与第一凹槽103相连通，且第二凹槽104的开口尺寸与第一凹槽103的开口尺寸相匹配，使得结构层2产生的切割道宽度与保护层1的切割道宽度一致，第二凹槽104的开口尺寸优选为50-200um。相同地，第一凹槽103和第二凹槽104的开口尺寸也可以是完全相同或基本相同的，不排除因工艺误差造成两者的开口尺寸存在微小差别。下层结构层2的厚度应与上层保护层1的厚度相近，其厚度通常大于600um，优选大于650um。同样为保证微流道结构3的进口和出口不被堵塞，对具有微流道结构3的结构层2，划片时不能产生任何碎屑、微裂隙，因此采用常规刀划工艺与激光隐形切割工艺并不合适。而常规掩膜湿法刻蚀方式，虽然不会产生微裂隙和碎屑，但各向同性的蚀刻工艺无法形成深度垂直刻蚀壁，且会导致进出口有形成喇叭口的风险。因此对结构层2的划片采用深度反应离子蚀刻（DRIE）工艺，优选采用ICP深硅刻蚀工艺。同理，采用ICP深硅刻蚀工艺能够实现深度满足第二凹槽104侧壁形成需求的各向异性刻蚀。因此在整个划片工艺过程中，采用上述划片工艺保证切割道上下垂直平滑、宽度也基本一致，上下平直的切割道减少了微流道结构3上的应力，增强了微流道的结构强度，提高了微流道芯片的使用寿命。同时，对于微流道结构3的进口和出口的上下两侧的刻蚀方法分别采用了干法刻蚀和深硅刻蚀，可以避免进口和出口出现喇叭口形状的可能，提高微流道雾化芯片雾化粒径的一致性。
本实施例中，在步骤S14之后，方法还包括：
在保护层1的背离结构层2的一侧形成第二临时键合层7；
通过解键合工艺移除第一临时键合层5，以得到多个分离的微流道芯片。
如图2E-图2F所示，完成结构层2的深硅刻蚀后，在保护层1的上表面贴膜形成第二临时键合层7，第二临时键合层7优选为UV膜或蓝膜。通过UV光照射透光的临时衬底6，利用UV光照射解键合工艺移除第一临时键合层5，以完成整个划片工艺。对划片后的微流道芯片通过形成第二临时键合层7扩膜后，即可从蓝膜或UV膜上拾取单个的微流道芯片。
本实施例中，在结构层2相对于保护层1的一侧表面上通过刻蚀工艺形成微流道结构3，微流道结构3包括过滤栅12和吸附区域11，过滤栅12的截面高度与微流道结构3的截面深度相同，吸附区域11附着有金属离子吸附材料。
具体地，微流道结构3在结构层2上通过刻蚀形成，刻蚀工艺包括但不限于湿法刻蚀或干法刻蚀，例如采用掩膜湿法刻蚀硅或反应离子刻蚀工艺（RIE）刻蚀硅基片等。其中，微流道结构3的深度应不小于2um，优选的深度范围4-10um，更优选的深度范围为5.5-6um。
待雾化液体中有时会存在极少小颗粒和小残渣，虽然并未堵塞进口，但为了不影响雾化效果，仍需要在微流道芯片的微流道结构3中设置过滤结构，对存在的小颗粒、小残渣进行过滤筛除。通过掩模图形的设计，能够在刻蚀微流道结构3的同时形成过滤栅12结构，过滤栅12的高度与微流道结构3的深度一致，可以对雾化液体本身以及划片过程中产生的小颗粒、碎渣等进行过滤筛除。根据待雾化液体不同，可设置不同的微流道结构3的深度、宽度以及进口13和出口14的尺寸、数目等。为应对不同过滤要求，可对过滤栅12的尺寸、数量、排布、外形结构进行调整。过滤栅12的外形结构不限于圆、椭圆、方形、三角形、多边形等几何形状。
图3为微流道芯片的主视图，图4为微流道芯片结构层的平面俯视图，图5为微流道芯片的正视图，图6为微流道芯片的后视图。如图3-图6所示，进口13处设有多个等间距平行排列的第一凸出部15，当保护层1与结构层2键合后，保护层1与第一凸出部15的顶部紧密贴合，第一凸出部15之间的凹陷处形成了可供液体流入的进口13。优选地，构成进口13的多个第一凸出部15为锥斗形结构，第一凸出部15的窄口设置在液体进入方向，能够减小流体的流动阻力并加大了液体进入进口的流入面积，使得雾化液体在微流道结构3中充分雾化。
过滤栅12包括排列成锯齿状图案的多个微形凸出部，液体经进口13流入后流经过滤栅12，其中的残渣或颗粒被过滤栅12阻挡无法通过。过滤栅12的设置区域和出口14之间还设置有多个圆柱形的第二凸出部16，从过滤栅12的中端到出口14之间均匀分布。第二凸出部16用于液体的整流，保证液体能够平稳流出。
出口14设置在过滤栅12的下游，出口14处设置有间隔排列的第三凸出部17和第四凸出部18。其中，第三凸出部17呈水滴状，其靠近过滤栅12的一端呈圆弧形，其另一端逐渐聚拢呈尖形；第四凸出部18呈梯形状，第四凸出部18靠近过滤栅12的一端为窄口，其另一端为宽口。这样设置使得第三凸出部17和第四凸出部18之间的凹陷处形成多个非常狭窄的流道，经由该流道后雾化液滴的直径能显著减小，经出口14后喷出的雾化液滴的分布更均匀，雾化质量更好。多个流道的设置可减少雾化液滴在出口14处的堆积和堵塞。
需要注意的是，本实施例中设置在进口13和出口14处的各个凸出部的形状并不做具体限定，例如，第一凸出部15的形状还可以是方形、三角形、多边形或其他几何形状，第三凸出部17和第四凸出部18也可以是其他具有流线型结构的几何形状。
本实施例中，吸附区域11内设置有阵列排布的多个凸起，凸起的外表面附着有金属离子吸附材料。吸附区域11能对雾化液体进行重金属杂质的吸附去除。通过涂抹、喷涂、印刷、沉积或其它手段对吸附区域11附着金属离子吸附材料。凸起阵列同样通过对结构层2采用光刻刻蚀工艺形成。凸起的外表面同样附着有金属离子吸附材料，形成的凸起阵列能够有效增加对于雾化液体中金属离子的吸附面积，加大对雾化液体中金属离子的吸附能力。
其中，凸起阵列的整体高度要小于过滤栅12的高度，优选其高度应小于过滤栅的高度2um以上，方便雾化液体从吸附区域11顺利流经至过滤栅12。
本实施例中，金属离子吸附材料包括：无机吸附剂、有机吸附剂、树脂类吸附剂、壳聚糖类吸附剂和碳质吸附剂的至少一种。
具体地，无机吸附剂包括分子筛、高岭土等，对这些矿物进行改性，也可提高矿物的吸附效率。有机吸附剂包括纤维素类吸附剂、树脂类吸附剂、壳聚糖类吸附剂和碳质吸附剂等，其中，纤维素类吸附剂的分子内有很多羟基基团，且具有多孔的特性；树脂类吸附剂具有高效经济，吸附效率高的特性；壳聚糖类吸附剂为天然高分子材料，对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和相邻的羟基能与许多金属离子，如汞离子Hg2+，镍离子Ni2+，铜离子Cu2+，铅离子Pb2+等形成稳定的螯合物；碳质吸附剂，例如活性炭，其本身具有特殊的孔隙结构，对铅Pb，镉Cd，锰Mn，锌Zn，铬Cr，镍Ni等金属成分均有较好的吸附效果，特别是对铅Pb，镍Ni和铬Cr的吸附率最大。
综上，本发明提供的微流道芯片的制造方法，对包括有多个微流道芯片的半导体晶片，于一种特殊的划片工艺在厚度方向上先采用激光诱导深度刻蚀技术刻蚀或者采用激光直写技术切割部分厚度的保护层，然后采用干法刻蚀技术刻蚀剩余厚度的保护层，以及结合深硅刻蚀工艺刻穿结构层，以得到分离的微流道芯片。在保护层形成的第一凹槽的开口尺寸和在结构层形成的第二凹槽的开口尺寸相匹配，且第一凹槽和所述第二凹槽的内壁过渡平滑，以保证切割道上下近似平直、宽度也基本一致。本发明不采用传统的刀划工艺进行划片，从而最大程度减少了碎渣颗粒的产生，以保障微流道结构的进口和出口不发生堵塞；同时上下平直、宽度也基本一致的切割道减少了微流道结构上的应力，增强了微流道的结构强度，提高了微流道芯片的使用寿命，还避免了对微流道结构的两侧采用湿法刻蚀容易使得微流道结构的进口和出口形成喇叭状结构的问题，进而提高了雾化喷射时雾化粒径的一致性。
另外，通过对结构层进行光刻刻蚀，形成微流道结构内的吸附区域和设置于吸附区域的凸起阵列，并附着金属离子吸附材料，能够对雾化液体进行重金属杂质的吸附去除。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片包括多个微流道芯片，每个所述微流道芯片包括层叠设置的保护层和结构层，所述结构层具有微流道结构；
在相邻两个所述微流道芯片之间的切割道位置对所述半导体晶片的所述保护层进行第一划片工艺，以去除部分厚度的所述保护层，形成第一子凹槽，其中，所述第一划片工艺包括激光诱导深度刻蚀技术、或激光直写技术；
在所述第一子凹槽处进行第二划片工艺，去除剩余厚度的所述保护层，形成第二子凹槽，其中，所述第二划片工艺包括干法刻蚀技术，所述第一子凹槽和所述第二子凹槽的开口尺寸相匹配且所述第一子凹槽和所述第二子凹槽的内壁过渡平滑，以形成在厚度方向上贯穿所述保护层的第一凹槽；
在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽，所述第二凹槽与所述第一凹槽相连通，且所述第二凹槽的开口尺寸与所述第一凹槽的开口尺寸相匹配，以得到多个分离的所述微流道芯片。
2.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀的步骤之前，所述方法还包括：
在所述结构层的背离所述第一凹槽的一侧形成第一临时键合层，并在所述第一临时键合层上形成临时衬底，其中，所述临时衬底的材质为透光材料，所述第一临时键合层的材质为光敏材料。
3.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽的步骤，包括：
采用深硅刻蚀工艺在所述半导体晶片具有所述第一凹槽的一侧对所述半导体晶片进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽。
4.根据权利要求3所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，采用深硅刻蚀工艺在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述半导体晶片进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽时，在所述保护层和所述结构层的结合处形成所述微流道结构的进口和出口，所述第二凹槽的侧壁完全覆盖所述进口和所述出口。
5.根据权利要求2所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，在所述半导体晶片的具有所述第一凹槽的一侧对所述结构层进行刻蚀，以形成在厚度方向上贯穿所述结构层的第二凹槽的步骤之后，所述方法还包括：
在所述保护层的背离所述结构层的一侧形成第二临时键合层；
通过解键合工艺移除所述第一临时键合层，以得到多个分离的所述微流道芯片。
6.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述第一划片工艺去除的部分所述保护层的厚度与所述保护层的总厚度至少相差1um。
7.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述干法刻蚀技术为电感耦合等离子体刻蚀工艺。
8.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，在所述结构层相对于所述保护层的一侧表面上通过刻蚀工艺形成所述微流道结构，所述微流道结构包括过滤栅和吸附区域，所述过滤栅的截面高度与所述微流道结构的截面深度相同，所述吸附区域附着有金属离子吸附材料。
9.根据权利要求8所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述吸附区域内设置有阵列排布的多个凸起，所述凸起的外表面附着有金属离子吸附材料。
10.根据权利要求8或9所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述金属离子吸附材料包括：无机吸附剂、有机吸附剂、树脂类吸附剂、壳聚糖类吸附剂和碳质吸附剂的至少一种。
11.根据权利要求9所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述凸起的截面高度小于所述过滤栅的截面高度。
12.根据权利要求1所述的微流道芯片的制造方法，其特征在于，所述保护层为石英材质或玻璃材质，所述结构层为单晶硅材质。
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| CN101445216A (zh) * | 2008-12-04 | 2009-06-03 | 北京大学 | 分体式微机电系统及其制备方法 |
| CN102600917A (zh) * | 2012-03-07 | 2012-07-25 | 上海交通大学 | 具有高效散热能力的集成磁泳分离芯片及其制备方法 |
| CN109663621A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件 |
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