CN1939837B

CN1939837B - 显微结构

Info

Publication number: CN1939837B
Application number: CN2006101464155A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·保罗·贾亚钱德兰; 保罗·A.·科尔; 休·埃伦·比斯特鲁普·艾伦
Original assignee: Georgia Tech Research Institute
Current assignee: Georgia Tech Research Institute
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: CN100341693C; CN1939837A; CN1711169A

Abstract

本发明公开了显微结构以及制造这些显微结构的方法。一个典型的显微结构，其中包括一个基底、一个设置在基底上的罩面层、一个在至少一部分所述罩面层中的空气区域以及一个成型材料层，该成型材料层使至少一部分空气区域接合在成型材料层的内部，并使罩面层接合在成型材料层的外部。

Description

显微结构

本申请是申请日为2003年10月28日的名称为“显微结构及其制造方法”的申请号为200380102692.0的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求享受于2002年10月31日递交的名称为“二氧化硅作为成型材料以解决制造微机电系统微气通道中的不相容性问题”的第60/422,530号未决美国临时申请成型材料的优先权，这里将其公开的全部内容并入本申请中作为参考。

关于联邦政府资助的研发机构声明

美国政府具有本发明中已付费的许可以及要求专利权人以合理条件授与他人的限制情况中的权利，该合理条件由美国政府国家科学基金(Grant#DMI-9980804)颁布的MDA条款提供。

技术领域

本发明主要涉及聚合物，更特别地涉及聚合物、微气通道以及利用这些聚合物制造微气通道的方法。

背景技术

微流器件在包括药物发明、生物医学试验以及化学合成与分析的众多领域中具有巨大的应用潜力。在这些器件中，于截面尺寸为几十至几百微米量级的微通道中操作液体和气体。在这些微通道器件中的处理具有许多优点，包括低试剂消耗和低分析物消耗、高度紧凑且轻便的系统、快速处理时间以及可处理系统的潜力。然而，尽管其具有的所有前景，微流器件目前被用于少数应用场合中，并且根据其操作复杂性和性能通常仍用于相当简单的器件中。限制性使用的一个原因是形成具有确定形状微通道的难度。

例如，通过微通道的流体微观动力学对于避免不需混合的系统中的混合是重要的，因此，微通道应具有与流体微观动力学的要求相一致的确定的截面。然而，制造确定的截面是具有挑战性的。例如，由于牺牲聚合物和罩面层具有溶剂不相容性，可限制用于制造微通道的牺牲聚合物和罩面层的选择。如果罩面层溶剂溶解牺牲聚合物，则会破坏由牺牲材料确定的形状。此外，罩面层应提供足够的机械强度而跨越气通道的尺寸且不产生凹陷。因此，需要在工业上利用多种聚合物的组合制造确定微通道的通用技术。

发明内容

简要说明的是，本发明公开的具体实施方案中包括显微结构和制造显微结构的方法。其中，一个示例性的显微结构包括一个基底、一个设置在该基底上的罩面层、一个在至少一部分所述罩面层中的空气区域以及一个成型材料层，该成型材料层使至少一部分空气区域接合在(engageon)该成型材料层的内部并使罩面层接合在该成型材料层的外部。

其中，另一个示例性的显微结构包括一个基底；一个设置在该基底上的罩面层；一个设置在至少一部分所述罩面层中的牺牲聚合物层，其在除去牺牲聚合物层时形成一个空气区域；以及一个成型材料层，其使至少一部分牺牲聚合物层接合在该成型材料层的内部并使罩面层接合在该成型材料层的外部。

本发明还提供制造显微结构的方法。其中，一个示例性的方法包括提供一个其上设置牺牲聚合物层的基底，在至少一部分牺牲聚合物层上设置成型材料，在该成型材料上设置一个罩面层，该成型材料基本上使牺牲聚合物层与罩面层分离。

其中，另一个制造显微结构的方法包括提供一种具有一个基底、一个罩面层以及在该罩面层中的区域内的一个牺牲聚合物层、在至少一部分牺牲聚合物层和罩面层之间的成型材料的结构；除去牺牲聚合物层而在由牺牲材料确定的范围内形成空气区域。

依据以下附图和具体说明的检查，其他结构、系统、方法、特征和有利条件可为，或成为对于本领域技术人员显而易见的。有意将所有这些附加的结构、系统、方法、特征和有利条件包括在本说明书中，并在本发明的范围内，且由附随的权利要求保护。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本发明所公开的许多方面。附图中的元件不必按照比例，而是强调性地放置以清楚地描述本发明所公开的原理。此外在附图中，同样的附图标记指定几个视图相应的部分。

图1所示为具有由成型材料围绕的空气区域的代表性结构的截面视图。

图2A和2B所示为一些结构的SEM图像，这些结构具有不由成型材料围绕的空气区域。

图3A和3B所示为一些结构的SEM图像，这些结构具有由成型材料围绕的空气区域。

图4A至5D为截面视图，其描述了制造图1所示结构的代表性方法。

图5A至5B所示为多级结构的两个具体实施方案的截面视图，所述多级结构具有包括成型材料的空气区域。

具体实施方式

总的来说，本发明公开了结构及其制造方法。其中，结构的具体实施方案包括具有至少一个空气区域的罩面层。所述空气区域具有成型材料层，其将一部分或多部分(例如面)的空气区域接合在空气区域和罩面层之间。所述成型材料层至少提供一个在罩面层与牺牲聚合物层之间的屏障层。所述牺牲聚合物层确定一个范围，该范围在除去牺牲聚合物层时确定空气区域。此外，所述成型材料层至少起到为罩面层提供机械支撑的作用。而且，由于溶剂不相容性，以前不能共同使用的罩面层和牺牲聚合物在使用成型材料层时可以共同使用。

总的来说，具有至少部分地被成型材料层束缚的空气区域的结构可用于但不局限于以下技术领域：微电子(如微处理器芯片、通讯芯片和光电子芯片)、微观流体、传感器和分析器件(如微量色谱)。

图1为包括三个空气区域18的代表性结构10的截面视图。罩面层14被设置在基底12上，并包括空气区域18。所述空气区域可用一种气体或气体混合物填充，或为真空。成型材料层16被设置在空气区域18和罩面层14之间。在另一个具体实施方案中，空气区域18和成型材料层16可被设置在偏离基底12的位置上，而在罩面层14(图3A和3B)中。在另一个具体实施方案中，多重空气区域18可被设置在罩面层14中的多重高度上(如堆积在彼此的顶部或以偏移的方式堆积，如图5A和5B所示)。

空气区域18是通过从空气区域18所在的区域除去(如分解)牺牲聚合物层而形成的，如图1所示。在制造结构10的过程中，将牺牲聚合物层沉积在基底12之上，并形成图案。然后在牺牲聚合物层周围形成成型材料层16。然后，罩面层14沉积在成型材料层16周围。接着，牺牲聚合物层被除去而形成空气区域18。所述沉积和除去牺牲聚合物的方法将在下文中作进一步讨论。

虽然图示的空气区域18为矩形截面，空气区域的三维边界可具有以下截面的区域，如但不局限于矩形截面、非矩形截面、多边形截面、非对称截面、弯曲截面、弓形截面、楔形截面、符合椭圆或其片断的截面、符合抛物线或其片断的截面、符合双曲线或其片断的截面以及其组合。例如空气区域18的三维结构可以包括，但不局限于矩形结构、多边形结构、非矩形结构、非正方形结构、弯曲结构、楔形结构、符合椭圆或其片断的结构、符合抛物线或其片断的结构、符合双曲线或其片断的结构以及其组合。而且空气区域18可具有空间上变化高度的截面区域。此外，多重空气区域可连通而形成例如微通道和微室。

空气区域18的高度可为约0.01至约100μm，更具体而言，可为约2至约25μm。空气区域18的宽度可为约0.01至约10,000μm，更具体而言，可为约0.1至约100μm。

在以下系统中可使用基底12，但不局限于微处理芯片、微流器件、传感器、分析器件以及其组合。因此，基底12可由适合于研究中系统的材料制成。示例性的材料包括但不局限于玻璃、硅、硅化合物、锗、锗化合物、镓、镓化合物、铟、铟化合物、其他半导体材料和/或化合物以及其组合。此外，基底12可包括非半导体的基底材料，其包括例如任何绝缘材料、金属(如铜和铝)、陶瓷或印刷线路板中的有机材料。

用于形成罩面层14的罩面层材料可为定型聚合物，其包括在形成空气区域18时由牺牲聚合物分解而产生的分解气体可透过或半透过的特性。此外，罩面层材料优选在牺牲聚合物分解的温度范围内稳定。而且该罩面层与下述牺牲聚合物可具有溶剂不相容性(例如罩面层和牺牲聚合物可在相同或相似的溶剂中溶解或部分溶解)。

罩面层的实例包括以下化合物，但不局限于聚酰亚胺、聚降冰片烯、环氧化物、聚芳撑醚、聚芳撑、无机玻璃以及其组合。更具体而言，所述罩面层包括以下化合物：AmocoUltradel^TM 7501、Promerous Avatrel^TM绝缘聚合物、DuPont 2611、DuPont 2734、DuPont 2771、DuPont 2555、二氧化硅、氮化硅和氧化铝。所述罩面层可利用以下技术沉积而成，例如旋涂、刮涂、溅射、层压成型、网板或丝网印刷、蒸发、化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)以及等离子基沉积系统。

用于形成成型材料层16的成型材料可包括基本上不与牺牲聚合物反应(也就是说，破坏牺牲聚合物层的三维边界)的材料。特别地，所述成型材料可包括但不局限于SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y(x可为0.01至2，y可为0.01至1.33)、Al₂O以及其组合。此外，所述成型材料可包括但不局限于基本上不与牺牲聚合物反应的聚合物(例如Avatrel(聚降冰片烯基聚合物)和CVD聚对亚苯基二甲基)。

所述成型材料层16可覆盖部分牺牲聚合物，该牺牲聚合物会另外接触到所述罩面层，并对尺寸完整性敏感。所述成型材料层16对牺牲聚合物特定部分的覆盖可为约50至100％。换句话说，所述成型材料层16并非必须不受所述罩面层影响，但应作为牺牲聚合物和罩面层之间的屏障直至罩面层固化，从而保持空气区域18的尺寸完整性。所述成型材料层16的厚度可为约0.001至约10μm，更具体而言，可为约0.01至约2μm。

用于制造牺牲聚合物层的牺牲聚合物可为在周围材料中形成空气区域时缓慢分解且不引起不适当压力增大的聚合物。此外，牺牲聚合物分解产生的气体分子充分小，从而透过成型材料层16和罩面层18。而且，牺牲聚合物的分解温度低于成型材料和罩面层分解或降解的温度。更进一步而言，牺牲聚合物的分解温度应高于罩面层材料沉积或固化的温度，但低于其中使用牺牲聚合物的结构中成分的降解温度。

所述牺牲聚合物可包括以下化合物，但不局限于聚降冰片烯、聚碳酸酯、聚醚、聚酯、其功能化化合物以及其组合。所述聚降冰片烯可包括但不局限于烯基取代的降冰片烯(例如环丙烯酸降冰片烯酯)。所述聚碳酸酯可包括但不局限于碳酸降冰片烯酯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸环己烯酯以及其组合。

此外，所述牺牲聚合物可包括改变牺牲聚合物加工性能(例如提高或降低牺牲聚合物对热和/或光辐射的稳定性)的附加成分。在这点上，该成分可包括但不局限于光引发剂和光酸引发剂。

如上所述，该罩面层与牺牲聚合物可具有溶剂不相容性。以前由于溶剂不相容性，罩面层和牺牲聚合物的组合不能毫无问题地共同使用。例如，以前不能使用罩面层和牺牲聚合物的下列组合，但可与成型材料层共同使用：Avatrel：聚碳酸环己烯酯、Avatrel：聚碳酸降冰片烯酯、聚酰亚胺：聚碳酸亚丙酯、和聚酰亚胺：聚碳酸亚乙酯。

例如，图2A和2B所示为无成型材料层围绕的空气区域的SEM图像，而图3A和3B所示为由成型材料层围绕的空气区域的SEM图像。在图2A和2B中，因为罩面层瓦解、凹陷和/或溶解了一些牺牲聚合物，空气区域被破坏，从而导致空气区域不能在许多应用场合使用。相反在图3A和3B中，因为有成型材料层(例如SiO₂)罩面层基本上未瓦解、凹陷和/或溶解一些牺牲聚合物，所以空气区域未被破坏。

所述牺牲聚合物可利用以下技术沉积在基底上，例如旋涂、刮涂、溅射、层压成型、网板或丝网印刷、熔融分散、蒸发、CVD、MOCVD以及等离子基沉积系统。

可将结构10加热至牺牲聚合物的分解温度并在该温度下保持一定的时间(例如1-2小时)，从而实施牺牲聚合物的热分解。然后，分解产物扩散透过罩面层14并留下基本上无残余物的空心结构(空气区域18)。

虽然没有图示，空气区域18可与其他空气区域和/或空气通道共同形成，从而制成例如微流器件、传感器和分析器件。应注意的是，附加的元件应设置在基底12、罩面层14、牺牲聚合物层和/或空气区域12之上和/或之中。所述附加元件可包括但不局限于电子元件(例如开关和传感器)、机械元件(例如齿轮和发动机)、机电元件(例如可移动的梁和镜)、光学元件(例如透镜、光栅和镜)、光电元件、流体元件(例如色谱和可供应冷却剂的通道)以及其组合。

目前已描述了通常具有空气区域18的结构10，下文描述用于制造结构10的示例性具体实施方案。应注意的是，为了附图的清晰性，部分制造过程未包括在图4A至4D中。同样地，以下制造过程并不是包括制造结构10所需所有步骤的完整列表。此外，因为各步骤可以与图4A至4D所示不同的顺序实施，或者一些步骤可以同时实施，所以该制造过程是灵活的。

图4A至4D为截面视图，描述了制造具有图1所示空气区域18的结构10的代表性方法。应注意的是，为了附图的清晰性，部分制造过程未包括在图4A至4D中。同样地，以下制造过程并不是包括制造结构10所需所有步骤的完整列表。此外，因为各步骤可以与图4A至4D所示不同的顺序实施，和/或一些步骤可以同时实施，所以该制造过程是灵活的。

图4A所示为带图案的牺牲聚合物层22设置于其上的基底12。可利用以下技术使所述牺牲聚合物层22沉积在基底10上，例如旋涂、刮涂、溅射、层压成型、网板或丝网印刷、熔融分散、CVD、MOCVD以及等离子基沉积系统。

图4B所示为在牺牲聚合物层22和基底12上形成成型材料层16。所述成型材料层16可利用以下技术形成，但不局限于CVD、MOCVD、蒸发以及等离子辅助沉积。

图4C所示为在成型材料层16上形成罩面层24。所述罩面层24可利用以下技术沉积在基底上，例如旋涂、刮涂、溅射、层压成型、网板或丝网印刷、熔融分散、CVD、MOCVD以及等离子基沉积系统。

图4D所示为牺牲聚合物层22热分解形成空气区域18。如上所述，可通过将牺牲聚合物层22加热至足以使聚合物分解的温度(例如约50至425℃)，从而使牺牲聚合物层22分解。

图5A和5B所示为多级结构40和50的两个具体实施方案的截面视图。图5A是一个具有空气区域18和48包括成型材料层16和42的交替堆积(错位堆积)的多级结构40的截面视图。空气区域的第一层18被设置在基底12之上且在罩面层14之中。一个成型材料层16被设置在空气区域18和罩面层14之间。空气区域的第二层48与罩面层46一同设置。一个成型材料层42被设置在空气区域48和罩面层46之间。成型材料层16和42可为相同或不同的材料，而罩面层14和46也可为相同或不同的聚合物。

图5B为具有空气区域18和48包括成型材料层16和42的平行堆积(充分地堆积在另一个下方空气区域的顶部或在一直线上)的多级结构50的截面视图。空气区域的第一层18被设置在基底12之上且在罩面层14之中。一个成型材料层16被设置在空气区域18和罩面层14之间。空气区域的第二层48与罩面层46一同设置。一个成型材料层42被设置在空气区域48和罩面层46之间。成型材料层16和42可为相同或不同的材料，而罩面层14和46也可为相同或不同的聚合物。

应强调的是，本发明公开的上述具体实施方案仅为执行过程的可能的实例，并阐明本发明公开原理的清晰理解。可对本发明公开的上述具体实施方案做许多改变和修正，基本上并未背离本发明公开的精神和原理。将所有这些修正和改变包括在本发明公开的范围内，并由以下权利要求进行保护。

Claims

1.一种显微结构，其包含：

一个基底；

一个设置在所述基底上的罩面层；

一个在至少一部分所述罩面层中的空气区域；以及

一个成型材料层，其使至少一部分所述空气区域接合在成型材料层的内表面，并使所述罩面层接合在成型材料层的外表面，

其中所述成型材料层保持所述空气区域的尺寸完整性。

2.如权利要求1所述的显微结构，其中所述罩面层是选自聚酰亚胺、聚降冰片烯、环氧化物、聚芳撑醚、聚芳撑、无机玻璃以及其组合。

3.如权利要求1所述的显微结构，其中所述成型材料是选自SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y以及Al₂O，在SiO_xN_y中，x为0.01至2，y为0.01至1.33。

4.如权利要求1所述的显微结构，其中所述空气区域的高度为0.01至100μm，其宽度为0.1至10,000μm。

5.如权利要求1所述的显微结构，其中所述成型材料的厚度为0.001至10μm。

6.如权利要求1所述的显微结构，其中所述成型材料的厚度为0.01至2μm。

7.如权利要求1所述的显微结构，其还包含设置在所述罩面层中的多重空气区域，各多重空气区域的成型材料层使至少一部分的各空气区域接合在成型材料层的内表面，并使所述罩面层接合在成型材料层的外表面。

8.如权利要求7所述的显微结构，其中所述空气区域以多级高度被设置在所述罩面层中。

9.如权利要求8所述的显微结构，其中第一空气区域被设置在第二空气区域之上且基本上与第二空气区域在一直线上。

10.如权利要求8所述的显微结构，其中第一空气区域被设置在第二空气区域之上且偏离第二空气区域。

11.如权利要求1所述的显微结构，其中所述空气区域具有矩形截面。

12.如权利要求1所述的显微结构，其中所述空气区域具有非矩形截面。

13.一种显微结构，其包含：

一个基底；

一个设置在所述基底上的罩面层；

一个设置在至少一部分所述罩面层中的牺牲聚合物层；以及

一个成型材料层，其使至少一部分所述牺牲聚合物层接合在成型材料层的内表面，并使所述罩面层接合在成型材料层的外表面，

其中所述成型材料层限定在所述罩面层与所述牺牲聚合物层之间的屏障层。

14.如权利要求13所述的显微结构，其中所述罩面层是选自聚酰亚胺、聚降冰片烯、环氧化物、聚芳撑醚、聚芳撑、无机玻璃以及其组合。

15.如权利要求13所述的显微结构，其中所述成型材料是选自SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y以及Al₂O，在SiO_xN_y中，x为0.01至2，y为0.01至1.33。

16.如权利要求13所述的显微结构，其中所述牺牲层聚合物是选自聚酰亚胺、聚降冰片烯、环氧化物、聚芳撑醚、聚芳撑、无机玻璃以及其组合。

17.如权利要求13所述的显微结构，其中所述牺牲层聚合物与所述罩面层具有溶剂不相容性。

18.如权利要求13所述的显微结构，其中所述牺牲层聚合物的高度为0.01至100μm，其宽度为0.1至10,000μm。

19.如权利要求13所述的显微结构，其中所述成型材料的厚度为0.001至10μm。