CN1187653C - 微管道的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微管道的制作方法，它涉及微机械的加工技术，特别是对其中的微管道进行制作的方法。本发明是将利用光刻工艺在正性光刻胶上制作的微管道图形采用负性光刻胶交联的办法直接固定和封装。不仅可以适用于多种材料，也可以制作各种复杂的微管道图形，同时还解决了现有技术的微管道表面粗糙度较大的缺陷，使加工的微管道质量较高；而且，工艺过程简单易操作，克服了现有技术中的加工难点；得到的微管道是透明的，有利于对微管道的形貌进行检测，也为利用光学方法进行流体的检测提供了可能。

Description

微管道的制作方法

技术领域：

本发明涉及微机械的加工技术，特别是对其中的微管道进行制作的方法。

背景技术：

微电子机械系统是一项多学科交叉的高新技术，它为各学科的发展开辟了新的领域。微流体力学是微电子机械系统研究中不可缺少的部分，而微管道是微流体系统的重要部件之一。

目前，微管道的加工主要是采用硅刻蚀工艺。其中，①可以采用键合技术加工：先在两块硅片上分别得到的微管道的光刻胶图形，再利用刻蚀的方法将该微管道图形转移到硅片上，最后将两块有微管道图形的硅片键合、得到封装好的微管道(参见：Etchingtechnology for microchannels，Proc.IEEE MEMS Workshop，1997，p147-152)。②也可以采用掩埋技术加工：只要先在一块硅片上得到微管道的光刻胶图形，再利用刻蚀的方法将该微管道图形转移到硅片上，即在刻蚀的过程中，先刻蚀一定深度的沟槽，再将侧壁保护起来、只从沟槽的底部进行刻蚀，得到所需的图形后，再向沟槽的顶部添加填充物、得到封装好的微管道(参见：Micromachining of Buried Micro Channels inSilicon，J.Microelectromechanical System，Vol.9，94-102，2000)。这两种方法都只适用于硅材料，刻蚀所得的微管道图形受到一定的限制；并且，键合技术中，图形的键合需要精确对准，工艺难度较大；掩埋技术中，工艺过程复杂；这些都给微管道的加工带来了不利影响。另外，微管道的形貌也不容易检测，不利于加工工艺的改进；加工所得的微管道的表面粗糙度也较大，对流体的流动有较大的影响。

发明内容：

本发明的目的是提出一种微管道的制作方法，可以适用于多种材料，并且可以实现复杂微管道的高质量加工。

本发明的微管道制作方法的具体工艺步骤如下：

1)制作微管道图形的掩模；

2)在基片或盖片上制作微管道进出口；

3)在基片上涂上正性光刻胶，通过光刻法在该光刻胶的胶层上制作微管道的光刻胶图形；4)在盖片上涂上负性光刻胶并烘干，再将盖片与基片粘合；

5)透过盖片或基片对负性光刻胶曝光，使其交联；

6)将基片及盖片进行清洗处理，去除正性光刻胶及未交联的负性光刻胶。

也就是说，本发明是利用光刻工艺先在正性光刻胶上制作微管道的图形，再利用负性光刻胶交联将该图形直接固定和封装。其具体制作过程为：

1)制作微管道图形的掩模

将需要加工的微管道图形利用已有技术制作掩模。如：利用图形发生器或电子束光刻制作成普通掩模，或者，再利用紫外光刻或同步辐射光刻制作成X射线掩模(只当后续工艺中使用同步辐射光刻时才需要)。

2)在基片或盖片上制作微管道进出口

基片和盖片的材质应具有较好的表面平整性，并保证其性能不会因后续工艺而发生改变，可以采用金属或无机材料，例如铜、铝、玻璃等，透明或不透明均可、但两者之一必须是透明的。如果是可以进行机械加工的材料，就可直接在其上加工，如：打孔；如果是不可以进行机械加工的材料，则可将进出口刻蚀到其上，刻蚀方法可以是通常的湿法或干法刻蚀，如：酸蚀法。

3)在基片上涂上正性光刻胶，通过光刻法在该胶层上制作微管道的光刻胶图形

其中，光刻法可以采用紫外光刻或激光光刻、同步辐射光刻等，其具体的光刻类型及参数(如曝光波长和曝光剂量、显影条件等)利用光刻胶的使用手册或说明、根据所采用的正性光刻胶的材质及厚度进行选择；而正性光刻胶的材质及厚度应根据微管道图形的高度及后续工艺中所采用的负性光刻胶的材质来决定，使所选用的正性光刻胶的最佳涂覆厚度能够满足微管道图形的高度要求、并且其玻璃化温度大于负性光刻胶的烘干温度。

4)在盖片上涂上负性光刻胶并烘干，再将其与基片粘合

其中，负性光刻胶的材质应根据流动相的性能要求(如：亲水性、生物相容性等)来决定，同时应保证其烘干温度不大于正性光刻胶的玻璃化温度、其最佳涂覆厚度应大于正性光刻胶的厚度(使之与基片粘合后将正性光刻胶图形完全覆盖)。如果负性光刻胶的厚度及性能不能同时满足要求，则应先满足厚度要求，再通过表面处理工艺(如：等离子体处理)对最后由负性光刻胶形成的微管道管壁进行改性、使之满足性能要求。在粘合时最好将基片及正性光刻胶也加热到负性光刻胶的烘干温度，以使粘合过程不发生温度骤变，保持负性光刻胶有良好的流动性、正性光刻胶图形不变形。

5)透过盖片或基片对负性光刻胶曝光，使其交联

透过透明的基片或盖片对负性光刻胶进行曝光，使其交联；在进出口位置或与其对应处则要用不透光的材料进行遮挡，使该处负性光刻胶不被曝光、交联。其中，曝光光源可以采用紫外光或激光，曝光波长和曝光剂量等亦根据光刻胶的厚度及材质进行选择；某些光刻胶还应按照其工艺要求进行后烘过程、以使交联效果更好。

6)将基片及盖片进行清洗处理，去除正性光刻胶及未交联的负性光刻胶

将基片及盖片同时置于溶剂中进行清洗处理，以去除正性光刻胶及未交联的负性光刻胶，只留下交联后的负性光刻胶，即得到封装好的微管道(也就是原来正性光刻胶图形的部位就成为真正可以使用的微管道)。所选择的溶剂材质应对正性光刻胶快速溶解、但对交联后的负性光刻胶影响很小。

综上所述，与现有技术相比，由于本发明是将利用光刻工艺在正性光刻胶上制作的微管道图形采用负性光刻胶交联的办法直接固定和封装，因而具有以下优点：

①基片及盖片可以适用于多种材料，形成微管道管壁的负性光刻胶也可进行选择，因而适用范围较宽，能较好地满足流动相的性能要求；

②可以将利用光刻方法得到的各种复杂的三维光刻胶图形直接固定下来，拓展了微管道图形的加工范围，有效地解决了硅刻蚀工艺对微管道图形的限制；

③解决了硅刻蚀工艺带来的微管道表面粗糙度较大的缺陷，使加工的微管道质量较高；

④工艺过程简单易操作，克服了现有技术中的加工难点；

⑤得到的微管道是透明的，有利于对微管道的形貌进行检测，也为利用光学方法进行流体的检测提供了可能。

具体实施方式：

下面结合实施例对微管道具体制作过程作进一步说明：

一、高度为5μm的亲水性的简单平面微管道的制作

1)微管道图形掩模的制作

将所需加工的微管道图形利用图形发生器制作成普通掩模。或者，也可以直接外购合适的掩模。

2)微管道进出口的制作

取一块2mm厚的玻璃作为基片，在合适的位置上预留4mm见方的进出口图形、将其余部分采用耐酸物质硅胶进行覆盖，再利用氢氟酸(HF)酸蚀法进行刻蚀，将进出口图形转移到玻璃基片上，当刻蚀达到基片的另一面、形成通孔时，停止刻蚀，用去离子水洗净，再将硅胶剥离，得到进出口。

3)微管道光刻胶图形的制作

在玻璃基片上涂上5μm厚的AZ4620正性光刻胶，利用微管道图形的掩模在紫外曝光机下曝光(掩模的放置位置应使微管道的图形与基片上的进出口相通)，曝光在常温常压下进行，曝光波长为g线和i线，曝光剂量250mJ/cm²；采用湿法显影，显影后，用去离子水洗涤干净，120℃下后烘，即可在基片上得到微管道的光刻胶图形。

4)基片与盖片的粘合

取一块2mm厚的铝片作为盖片，涂上厚度20μm的负性光刻胶聚乙烯醇肉桂酸酯，90℃下烘干；基片也在90℃下加热；恒温90℃保持负性光刻胶的流动性，将盖片与基片粘合；然后自然降低温度至室温，使负性光刻胶固化。

5)负性光刻胶的交联

将粘合后的基片和盖片置于紫外曝光机下、透过透明的基片曝光(在基片上的进出口位置处采用6mm见方的铜片进行遮挡)，曝光在常温常压下进行，曝光波长为g线和i线，曝光剂量600mJ/cm²。

6)清洗处理

将基片及盖片置于丙酮中漂洗，去除正性光刻胶的微管道图形及未交联的负性光刻胶；基本洗净后，将基片及盖片取出，置于干净丙酮中超声清洗，取出后用去离子水洗涤，得到封装好的微管道。

对上述过程所得的微管道进行形貌检测，其检测结果为：

显微镜测试结果表明，微管道透明光滑，侧壁陡直，图形清晰连贯，可观察到流体的流动；台阶仪测试结果表明，微管道图形的表面粗糙度为46.7，管道的高度为5.02μm。

二、高度为300μm的憎水性的复杂三维微管道的制作

1)微管道图形掩模的制作

将所需加工的微管道图形利用图形发生器制作成普通掩模，再利用普通掩模进行紫外光刻制作成X射线掩模。或者，也可以直接外购合适的掩模。

2)微管道进出口的制作

取一块10mm厚的铜片作为盖片，利用机械加工在铜片上打孔(直径4mm圆孔)，得到微管道进出口，依次用丙酮、去离子水洗净。

3)微管道光刻胶图形的制作

取一块2mm厚的玻璃作为基片，在基片上涂上300μm厚的正性光刻胶PMMA，利用微管道图形的X射线掩模，在合肥同步辐射光源LIGA站进行曝光。利用样品台倾斜和旋转进行多次曝光，使得各次曝光的图形在三维空间上相互交叉和连接，得到复杂的三维微管道图形。曝光在100mbar的He气中进行，曝光波长0.1～0.7nm，曝光剂量为2000mA·min；采用湿法显影，显影后，用去离子水洗涤干净，即可在基片上得到微管道的光刻胶图形。

3)基片与盖片的粘合

在盖片上涂上厚度500μm的负性光刻胶SU8，96℃下烘干；基片96℃下加热；恒温96℃保持负性光刻胶的流动性，与有微管道光刻胶图形的基片粘合(粘合时的放置位置应使基片上的微管道图形与盖片上的进出口相通)；自然降低温度至室温，使负性光刻胶固化。

4)负性光刻胶的交联

将粘合后的基片和盖片置于紫外曝光机下、透过透明的基片曝光(在基片上与盖片进出口位置相对应处采用6mm见方的铜片进行遮挡)，曝光在常温常压下进行，曝光波长350～400nm，曝光剂量2500mJ/cm²，曝光后96℃下后烘30分钟使负性光刻胶交联。

6)清洗处理

将基片和盖片置于丙酮中漂洗，去除正性光刻胶的微管道图形及未交联的负性光刻胶；基本洗净后，将基片和盖片取出，置于干净丙酮中超声清洗，取出后用去离子水洗涤，得到封装好的微管道。

对上述过程所得的微管道进行形貌检测，其检测结果为：

显微镜测试结果表明，微管道透明光滑，图形清晰连贯，多层复杂的微管道相互沟通，可观察到流体的流动；台阶仪测试结果表明，微管道图形的表面粗糙度为32.6，管道的高度为300.4μm。

Claims (1)

1.一种微管道的制作方法，其具体的工艺步骤如下：

1)制作微管道图形的掩模；

2)在基片或盖片上制作微管道进出口；

3)在基片上涂上正性光刻胶，通过光刻法在该光刻胶的胶层上制作微管道的光刻胶图形；

其特征在于：

4)在盖片上涂上负性光刻胶并烘干，再将盖片与基片粘合；

5)透过盖片或基片对负性光刻胶曝光，使其交联；

6)将基片及盖片进行清洗处理，去除正性光刻胶及未交联的负性光刻胶。