CN108452855B - 微流控芯片的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流控芯片的加工方法，它首先利用精密光刻工艺，制备出高精度基底模具，接着，使用深刻蚀工艺，形成基底模具。在基底模具上以覆盖金属层，利用精密电铸工艺，加工出高精度金属模具。然后利用一体式精密注塑技术，得到与光刻胶模具凹凸性一致的微流道芯片。本发明的方法首次将基于光刻、刻蚀和电铸的微加工工艺，和工业上使用的注塑工艺相结合，使用精密模具进行不同流道高度的热塑材料微流控芯片的加工，实现了高产能和低成本的微流控芯片批量化加工。

Description

微流控芯片的加工方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其是涉及一种微流控芯片的加工方法。

背景技术

微流控芯片已成为目前分析仪器发展的重要方向与前沿，微流控芯片技术的发展，需要先进的微制造技术为后盾。基于硅、玻璃的微流控芯片材料成本高，高精度加工工艺复杂，难以实现批量化生产需求。基于聚合物材料的微流控芯片材料成本低，是目前微流控技术领域芯片加工广泛使用的材料。

目前，基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微流控芯片已被广泛研究。研究人员利用软光刻工艺加工具备微米量级的PDMS微流控芯片。首先，研究人员采用厚光刻胶(例如：SU-8厚胶)和常规光刻技术在硅基基底表面加工出具有微米精度、高深宽比的模具。然后，将PDMS前体及其交联剂混合溶液浇注在此模具表面。经过升温固化处理、模具分离，制备出结构互补的弹性PDMS微流控结构芯片。该PDMS微流控结构芯片与玻璃基片经过一步可逆键合步骤，最终形成封装的微流控芯片。

尽管PDMS微流控芯片材料研发成本低、实验室加工工艺简单，但是其存在的不足包括：

(1)PDMS是热弹性聚合物材料，该类材料不适合于工业级注塑、封装工艺。手工加工的PDMS微流控芯片可靠性差；

(2)PDMS微流控芯片批量加工成本高昂。

微流控芯片的特征尺寸在几十～几百微米之间，表面粗糙度在纳米量级。常规热模压、注塑工艺，首先需要制备金属模具，然后批量化加工基于热塑材料的微流控芯片。常用的机械加工、电火花工艺加工的金属模具尺寸精度在百微米量级，表面粗糙度在亚微米量级，无法满足微流控应用对于均一性和精度的严格要求。常规光盘制造技术，包括精密模具制造和精密注塑工艺，模具尺寸精度和表面粗糙度均在纳米量级。但是光盘模具精密模具制造工艺的尺寸在百纳米量级，远小于微流控芯片的尺寸要求。现有芯片制备工艺距离批量化生成尚有距离，限制了微流控芯片在临床检验领域的广泛应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高度尺寸在2-200微米之间的微流控芯片的加工方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：利用光刻工艺，将绘制于掩模上的微流控芯片设计图案，以图形化的方式转移到模具基底上；步骤2：使用深刻蚀工艺对基底上没有被光刻胶保护的部分进行刻蚀，形成基底模具；步骤3：在所述基底模具上覆盖金属层，利用精密电铸工艺，加工出金属模具；和步骤4：在所述金属模具上，利用一体式注塑技术，注塑得到微流控芯片。

在一种实施方式中，当所述微流控芯片高度尺寸在2-50微米之间时，使用材料为硅、石英或玻璃的基片作为所述模具基底。

在一种实施方式中，当所述微流控芯片高度尺寸大于50微米时，使用材料为表面沉积金属薄膜的硅、石英或玻璃的基片作为所述模具基底。

在一种实施方式中，所述金属薄膜的厚度为2-10微米。

在一种实施方式中，所述金属薄膜材料为铝。

在一种实施方式中，在所述基底模具上覆盖金属层为金属铬层或镍层。

在一种实施方式中，所述金属模具材料为镍。

在一种实施方式中，在所述基底模具上覆盖金属层通过蒸镀或溅射方式实现。

在本发明中，首先，利用深刻蚀工艺制备高精度金属模具，然后利用注塑工艺加工微流道基片。基本原理是：首先利用精密光刻工艺，将绘制于掩模上的微流控芯片设计图案，以图形化的方式转移到模具基底(材料：硅，石英或玻璃)上，从而制备出高精度基底模具。接着，使用深刻蚀工艺对基底上没有被光刻胶保护的部分进行刻蚀，形成基底模具。在模具上以蒸镀或溅射等方式覆盖金属层(材料：铬或镍)，利用精密电铸工艺(材料：镍)，加工出高精度金属模具。金属模具结构与光刻胶模具结构的凹凸性互补。然后利用一体式精密注塑技术，得到与光刻胶模具凹凸性一致的微流道基片。该方法结合了微加工工艺的精确性和注塑工艺的批量性：通过微加工工艺制备的金属模具，微结构侧壁倾角的角度可控，通常控制微结构侧壁倾角的角度小于90度，便于脱模；表面平整度在纳米量级，可最大限度保证透光性，并避免非特异吸附，微结构高度尺寸在2-200微米之间可调；同时，高精度金属镍模具的规格尺寸满足光盘注塑机的要求，使得聚合物微流控芯片可以在传统光盘注塑机上批量加工。

总之，本发明公开一种微流控芯片的加工方法，该方法首次将基于光刻、刻蚀和电铸的微加工工艺，和工业上使用的注塑工艺相结合，使用精密模具进行不同流道高度的热塑材料微流控芯片的加工，实现了高产能和低成本的微流控芯片批量化加工。

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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。

图1是本发明的高度尺寸在2-50微米之间的微结构的加工流程图；

图2是本发明高度尺寸在大于50和小于200微米之间的微结构的加工流程图；

图3是根据本发明方法加工的玻璃模具微结构断面图；

图4是根据本发明方法加工的微流控芯片金属模具示意图；和

图5是根据本发明方法加工的微流控芯片示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：较小厚度的微结构加工流程

如图1所示，如果微结构厚度较小，例如2-49微米，可以采用光刻胶作为深刻蚀工艺的掩膜。第一步，在基片例如硅、石英和玻璃的正面均匀旋涂光刻胶，正性、负性光刻胶均可。第二步，经过光刻、显影工艺后，用有目标图案的掩膜版进行曝光，显影后确保待刻蚀区域上面没有光刻胶。第三步，将表面具有光刻胶图案的基底放入深刻蚀腔体中进行深刻蚀(气体氛围：氩气和C4F8，时间：3900秒，气压：0.1帕，功率：20瓦)。深刻蚀完成后，将基片放到去胶液中，去除表面残余的光刻胶。第四步，将基片依次放置到丙酮，酒精和去离子水中进行超声清洗，模具表面蒸镀或溅射一层铬或镍，作为种子层，在经过精密电铸后，得到高精度金属模具。第五部，该金属模具在经过精密电铸后，用于微流控芯片的批量注塑加工，例如工作的参数为：干燥温度为80℃，干燥时间约3小时，模具温度为70℃，残料量为4毫米，熔胶温度为260℃，背压为10MPa，注射压力为100MPa，锁模力约3～4吨/平方英寸，注塑速度为中等速度，回料转速为60转/分，螺杆类别标准螺杆直径为50mm。

在本加工流程中，通过控制射频功率、气压、气体流量，可以控制两个关键的加工参数：刻蚀速率和侧壁倾角。刻蚀速率决定了被刻蚀表面的粗糙度：刻蚀速率越大，结构越不均一，表面越粗糙，但刻蚀速度快；反之，刻蚀速率越小，结构越均一，表面越光滑，但刻蚀速度慢。因此，需要控制射频功率、气压、气体流量来同时满足表面性能要求和加工速度。侧壁倾角为基底平面方向与侧壁之间的夹角，侧壁倾角决定脱模的难易程度，一般地，侧壁倾角越小，脱模越容易，但侧壁倾角过小也会显著降低微流道沿纵深方向的均一性，因此也需要控制射频功率、气压、气体流量来同时满足脱模性能和尺寸精度。

在本工艺流程中，为控制基片温度不过高，可以将整个刻蚀过程分成几十个循环，每个循环包含刻蚀，钝化，和冷却三个过程。

实施例二：较大厚度微结构的加工流程

如图2所示，如果微结构厚度较大，例如50-200微米，光刻胶保护层已经不足以抵挡深刻蚀的破坏作用，此时可以采用金属材料例如铝作为深刻蚀工艺的掩膜。第一步，在基片例如硅、石英或玻璃的正面均匀旋涂光刻胶，正性、负性光刻胶均可。表面沉积的金属薄膜例如铝的厚度范围2微米到10微米。第二步，经过光刻、显影工艺后，用有设计图案的掩模对光刻胶层进行图形化，显影后确保待需要刻蚀的区域的金属表面没有光刻胶。第三步，通过湿法刻蚀，将未被光刻胶保护的薄膜金属去除，保留被光刻胶保护的薄膜金属，从而将光刻胶上的图形转移到金属薄膜表面。第四步，将表面具有金属图案的基底放入深刻蚀腔体中进行深刻蚀(气体氛围：氩气和C4F8，时间：9700秒，气压：0.1帕，功率：20瓦)。深刻蚀完成后，将基片放到去胶液中，去除表面残余的光刻胶。第五步，将基片依次放置到丙酮，酒精和去离子水中进行超声清洗，在该模具表面蒸镀或溅射一层铬或镍，作为种子层。第六步，该金属模具在经过精密电铸后，用于微流控芯片的批量注塑加工，例如工作参数为：干燥温度为80℃，干燥时间约3小时，模具温度为70℃，残料量为4毫米，熔胶温度为260℃，背压为10MPa，注射压力为100MPa，锁模力约3～4吨/平方英寸，注塑速度为中等速度，回料转速为60转/分，螺杆类别标准螺杆直径为50mm。

在本加工流程中，通过控制射频功率、气压、气体流量，可以控制两个关键的加工参数：刻蚀速率和侧壁倾角。刻蚀速率决定了被刻蚀表面的粗糙度：刻蚀速率越大，结构越不均一，表面越粗糙，但刻蚀速度快；反之，刻蚀速率越小，结构越均一，表面越光滑，但刻蚀速度慢。因此，需要控制射频功率、气压、气体流量来同时满足表面性能要求和加工速度。侧壁倾角决定脱模的难易程度，一般地，侧壁倾角越小，脱模越容易，但侧壁倾角过小也会显著降低微流道沿纵深方向的均一性，因此也需要控制射频功率、气压、气体流量来同时满足脱模性能和尺寸精度。

在本工艺流程中，为控制基片温度不过高，可以将整个刻蚀过程分成几十个循环，每个循环包含刻蚀，钝化，和冷却三个过程。

实施例三：模具和所加工的微流控芯片的测试和表征

图3所示为根据上述方法加工的玻璃模具断面图。控制气体氛围：氩气和C4F8，时间：3900秒，气压：0.1帕，功率：20瓦，得到的微结构：深度为22.1微米，侧面倾角<90°。

图4所示为利用该基底模具制备的高精度金属镍模具，其规格尺寸与光盘注塑机适配，可以被装配到传统光盘注塑机上；由于所得到金属模具的侧壁倾角小于90度，利于注塑的微流道基片自动脱模。

图5为使用图4的金属模具所加工的芯片微结构清晰，表面光滑，适用于微流控芯片的绝大多数应用领域。

应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。

Claims (6)

1.一种高度尺寸在2-200微米之间的微流控芯片的加工方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：利用光刻工艺，将绘制于掩模上的微流控芯片设计图案，以图形化的方式转移到模具基底上；当所述微流控芯片高度尺寸在2-50微米之间时，使用材料为硅、石英或玻璃的基片作为所述模具基底；当所述微流控芯片高度尺寸大于50微米时，使用材料为表面沉积金属薄膜的硅、石英或玻璃的基片作为所述模具基底；

步骤2：使用深刻蚀工艺对基底上没有被光刻胶保护的部分进行刻蚀，所述深刻蚀气体氛围是氩气和C4F8，整个刻蚀过程分成几十个循环，每个循环包含刻蚀，钝化，和冷却三个过程，形成基底模具；

步骤3：在所述基底模具上覆盖金属层，利用精密电铸工艺，加工出金属模具，所述金属模具的表面平整度在纳米量级，所述金属模具规格尺寸与光盘注塑机适配，被装配到传统光盘注塑机上；并且所述金属模具的侧壁倾角小于90度，利于注塑的微流道基片自动脱模；和

步骤4：在所述金属模具上，利用一体式光盘注塑技术，注塑得到微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述金属薄膜的厚度为2-10微米。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述金属薄膜材料为铝。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：在所述基底模具上覆盖金属层为金属铬层或镍层。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述金属模具材料为镍。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：在所述基底模具上覆盖金属层通过蒸镀或溅射方式实现。

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