專(zhuān)利名稱(chēng)：微管道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械的加工技術(shù)，特別是對(duì)其中的微管道進(jìn)行制作的方法。
目前，微管道的加工主要是采用硅刻蝕工藝。其中，①可以采用鍵合技術(shù)加工先在兩塊硅片上分別得到的微管道的光刻膠圖形，再利用刻蝕的方法將該微管道圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，最后將兩塊有微管道圖形的硅片鍵合、得到封裝好的微管道(參見(jiàn)Etchingtechnology for microchannels，Proc.IEEE MEMS Workshop，1997，p147-152)。②也可以采用掩埋技術(shù)加工只要先在一塊硅片上得到微管道的光刻膠圖形，再利用刻蝕的方法將該微管道圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，即在刻蝕的過(guò)程中，先刻蝕一定深度的溝槽，再將側(cè)壁保護(hù)起來(lái)、只從溝槽的底部進(jìn)行刻蝕，得到所需的圖形后，再向溝槽的頂部添加填充物、得到封裝好的微管道(參見(jiàn)Micromachining of Buried Micro Channels inSilicon，J.Microelectromechanical System，Vol.9，94-102，2000)。這兩種方法都只適用于硅材料，刻蝕所得的微管道圖形受到一定的限制；并且，鍵合技術(shù)中，圖形的鍵合需要精確對(duì)準(zhǔn)，工藝難度較大；掩埋技術(shù)中，工藝過(guò)程復(fù)雜；這些都給微管道的加工帶來(lái)了不利影響。另外，微管道的形貌也不容易檢測(cè)，不利于加工工藝的改進(jìn)；加工所得的微管道的表面粗糙度也較大，對(duì)流體的流動(dòng)有較大的影響。
本發(fā)明的微管道制作方法的具體工藝步驟如下1)制作微管道圖形的掩模；2)在基片或蓋片上制作微管道進(jìn)出口；3)在基片上涂上正性光刻膠，通過(guò)光刻法在該膠層上制作微管道的光刻膠圖形；4)在蓋片上涂上負(fù)性光刻膠并烘干，再將其與基片粘合；5)透過(guò)蓋片或基片對(duì)負(fù)性光刻膠曝光，使其交聯(lián)；6)將基片及蓋片進(jìn)行清洗處理，去除正性光刻膠及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠。
也就是說(shuō)，本發(fā)明是利用光刻工藝先在正性光刻膠上制作微管道的圖形，再利用負(fù)性光刻膠交聯(lián)將該圖形直接固定和封裝。其具體制作過(guò)程為
1)制作微管道圖形的掩模將需要加工的微管道圖形利用已有技術(shù)制作掩模。如利用圖形發(fā)生器或電子束光刻制作成普通掩模，或者，再利用紫外光刻或同步輻射光刻制作成X射線掩模(只當(dāng)后續(xù)工藝中使用同步輻射光刻時(shí)才需要)。
2)在基片或蓋片上制作微管道進(jìn)出口基片和蓋片的材質(zhì)應(yīng)具有較好的表面平整性，并保證其性能不會(huì)因后續(xù)工藝而發(fā)生改變，可以采用金屬或無(wú)機(jī)材料，例如銅、鋁、玻璃等，透明或不透明均可、但兩者之一必須是透明的。如果是可以進(jìn)行機(jī)械加工的材料，就可直接在其上加工，如打孔；如果是不可以進(jìn)行機(jī)械加工的材料，則可將進(jìn)出口刻蝕到其上，刻蝕方法可以是通常的濕法或干法刻蝕，如酸蝕法。
3)在基片上涂上正性光刻膠，通過(guò)光刻法在該膠層上制作微管道的光刻膠圖形其中，光刻法可以采用紫外光刻或激光光刻、同步輻射光刻等，其具體的光刻類(lèi)型及參數(shù)(如曝光波長(zhǎng)和曝光劑量、顯影條件等)利用光刻膠的使用手冊(cè)或說(shuō)明、根據(jù)所采用的正性光刻膠的材質(zhì)及厚度進(jìn)行選擇；而正性光刻膠的材質(zhì)及厚度應(yīng)根據(jù)微管道圖形的高度及后續(xù)工藝中所采用的負(fù)性光刻膠的材質(zhì)來(lái)決定，使所選用的正性光刻膠的最佳涂覆厚度能夠滿(mǎn)足微管道圖形的高度要求、并且其玻璃化溫度大于負(fù)性光刻膠的烘干溫度。
4)在蓋片上涂上負(fù)性光刻膠并烘干，再將其與基片粘合其中，負(fù)性光刻膠的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)流動(dòng)相的性能要求(如親水性、生物相容性等)來(lái)決定，同時(shí)應(yīng)保證其烘干溫度不大于正性光刻膠的玻璃化溫度、其最佳涂覆厚度應(yīng)大于正性光刻膠的厚度(使之與基片粘合后將正性光刻膠圖形完全覆蓋)。如果負(fù)性光刻膠的厚度及性能不能同時(shí)滿(mǎn)足要求，則應(yīng)先滿(mǎn)足厚度要求，再通過(guò)表面處理工藝(如等離子體處理)對(duì)最后由負(fù)性光刻膠形成的微管道管壁進(jìn)行改性、使之滿(mǎn)足性能要求。在粘合時(shí)最好將基片及正性光刻膠也加熱到負(fù)性光刻膠的烘干溫度，以使粘合過(guò)程不發(fā)生溫度驟變，保持負(fù)性光刻膠有良好的流動(dòng)性、正性光刻膠圖形不變形。
5)透過(guò)蓋片或基片對(duì)負(fù)性光刻膠曝光，使其交聯(lián)透過(guò)透明的基片或蓋片對(duì)負(fù)性光刻膠進(jìn)行曝光，使其交聯(lián)；在進(jìn)出口位置或與其對(duì)應(yīng)處則要用不透光的材料進(jìn)行遮擋，使該處負(fù)性光刻膠不被曝光、交聯(lián)。其中，曝光光源可以采用紫外光或激光，曝光波長(zhǎng)和曝光劑量等亦根據(jù)光刻膠的厚度及材質(zhì)進(jìn)行選擇；某些光刻膠還應(yīng)按照其工藝要求進(jìn)行后烘過(guò)程、以使交聯(lián)效果更好。
6)將基片及蓋片進(jìn)行清洗處理，去除正性光刻膠及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠將基片及蓋片同時(shí)置于溶劑中進(jìn)行清洗處理，以去除正性光刻膠及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠，只留下交聯(lián)后的負(fù)性光刻膠，即得到封裝好的微管道(也就是原來(lái)正性光刻膠圖形的部位就成為真正可以使用的微管道)。所選擇的溶劑材質(zhì)應(yīng)對(duì)正性光刻膠快速溶解、但對(duì)交聯(lián)后的負(fù)性光刻膠影響很小。
綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明是將利用光刻工藝在正性光刻膠上制作的微管道圖形采用負(fù)性光刻膠交聯(lián)的辦法直接固定和封裝，因而具有以下優(yōu)點(diǎn)①基片及蓋片可以適用于多種材料，形成微管道管壁的負(fù)性光刻膠也可進(jìn)行選擇，因而適用范圍較寬，能較好地滿(mǎn)足流動(dòng)相的性能要求；②可以將利用光刻方法得到的各種復(fù)雜的三維光刻膠圖形直接固定下來(lái)，拓展了微管道圖形的加工范圍，有效地解決了硅刻蝕工藝對(duì)微管道圖形的限制；③解決了硅刻蝕工藝帶來(lái)的微管道表面粗糙度較大的缺陷，使加工的微管道質(zhì)量較高；④工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的加工難點(diǎn)；⑤得到的微管道是透明的，有利于對(duì)微管道的形貌進(jìn)行檢測(cè)，也為利用光學(xué)方法進(jìn)行流體的檢測(cè)提供了可能。
2)微管道進(jìn)出口的制作取一塊2mm厚的玻璃作為基片，在合適的位置上預(yù)留4mm見(jiàn)方的進(jìn)出口圖形、將其余部分采用耐酸物質(zhì)硅膠進(jìn)行覆蓋，再利用氫氟酸(HF)酸蝕法進(jìn)行刻蝕，將進(jìn)出口圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基片上，當(dāng)刻蝕達(dá)到基片的另一面、形成通孔時(shí)，停止刻蝕，用去離子水洗凈，再將硅膠剝離，得到進(jìn)出口。
3)微管道光刻膠圖形的制作在玻璃基片上涂上5μm厚的AZ4620正性光刻膠，利用微管道圖形的掩模在紫外曝光機(jī)下曝光(掩模的放置位置應(yīng)使微管道的圖形與基片上的進(jìn)出口相通)，曝光在常溫常壓下進(jìn)行，曝光波長(zhǎng)為g線和i線，曝光劑量250mJ/cm2；采用濕法顯影，顯影后，用去離子水洗滌干凈，120℃下后烘，即可在基片上得到微管道的光刻膠圖形。
4)基片與蓋片的粘合取一塊2mm厚的鋁片作為蓋片，涂上厚度20μm的負(fù)性光刻膠聚乙烯醇肉桂酸酯，90℃下烘干；基片也在90℃下加熱；恒溫90℃保持負(fù)性光刻膠的流動(dòng)性，將蓋片與基片粘合；然后自然降低溫度至室溫，使負(fù)性光刻膠固化。
5)負(fù)性光刻膠的交聯(lián)將粘合后的基片和蓋片置于紫外曝光機(jī)下、透過(guò)透明的基片曝光(在基片上的進(jìn)出口位置處采用6mm見(jiàn)方的銅片進(jìn)行遮擋)，曝光在常溫常壓下進(jìn)行，曝光波長(zhǎng)為g線和i線，曝光劑量600mJ/cm2。
6)清洗處理將基片及蓋片置于丙酮中漂洗，去除正性光刻膠的微管道圖形及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠基本洗凈后，將基片及蓋片取出，置于干凈丙酮中超聲清洗，取出后用去離子水洗滌，得到封裝好的微管道。
對(duì)上述過(guò)程所得的微管道進(jìn)行形貌檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果為顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，微管道透明光滑，側(cè)壁陡直，圖形清晰連貫，可觀察到流體的流動(dòng)；臺(tái)階儀測(cè)試結(jié)果表明，微管道圖形的表面粗糙度為46.7，管道的高度為5.02μm。二、高度為300μm的憎水性的復(fù)雜三維微管道的制作1)微管道圖形掩模的制作將所需加工的微管道圖形利用圖形發(fā)生器制作成普通掩模，再利用普通掩模進(jìn)行紫外光刻制作成X射線掩模?；蛘?，也可以直接外購(gòu)合適的掩模。
2)微管道進(jìn)出口的制作取一塊10mm厚的銅片作為蓋片，利用機(jī)械加工在銅片上打孔(直徑4mm圓孔)，得到微管道進(jìn)出口，依次用丙酮、去離子水洗凈。
3)微管道光刻膠圖形的制作取一塊2mm厚的玻璃作為基片，在基片上涂上300μm厚的正性光刻膠PMMA，利用微管道圖形的X射線掩模，在合肥同步輻射光源LIGA站進(jìn)行曝光。利用樣品臺(tái)傾斜和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行多次曝光，使得各次曝光的圖形在三維空間上相互交叉和連接，得到復(fù)雜的三維微管道圖形。曝光在100mbar的He氣中進(jìn)行，曝光波長(zhǎng)0.1～0.7nm，曝光劑量為2000mA·min；采用濕法顯影，顯影后，用去離子水洗滌干凈，即可在基片上得到微管道的光刻膠圖形。
3)基片與蓋片的粘合在蓋片上涂上厚度500μm的負(fù)性光刻膠SU8，96℃下烘干；基片96℃下加熱；恒溫96℃保持負(fù)性光刻膠的流動(dòng)性，與有微管道光刻膠圖形的基片粘合(粘合時(shí)的放置位置應(yīng)使基片上的微管道圖形與蓋片上的進(jìn)出口相通)；自然降低溫度至室溫，使負(fù)性光刻膠固化。
4)負(fù)性光刻膠的交聯(lián)將粘合后的基片和蓋片置于紫外曝光機(jī)下、透過(guò)透明的基片曝光(在基片上與蓋片進(jìn)出口位置相對(duì)應(yīng)處采用6mm見(jiàn)方的銅片進(jìn)行遮擋)，曝光在常溫常壓下進(jìn)行，曝光波長(zhǎng)350～400nm，曝光劑量2500mJ/cm2，曝光后96℃下后烘30分鐘使負(fù)性光刻膠交聯(lián)。
6)清洗處理將基片和蓋片置于丙酮中漂洗，去除正性光刻膠的微管道圖形及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠；基本洗凈后，將基片和蓋片取出，置于干凈丙酮中超聲清洗，取出后用去離子水洗滌，得到封裝好的微管道。
對(duì)上述過(guò)程所得的微管道進(jìn)行形貌檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果為顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，微管道透明光滑，圖形清晰連貫，多層復(fù)雜的微管道相互溝通，可觀察到流體的流動(dòng)；臺(tái)階儀測(cè)試結(jié)果表明，微管道圖形的表面粗糙度為32.6，管道的高度為300.4μm。
權(quán)利要求
1.一種微管道的制作方法，其具體的工藝步驟如下1)制作微管道圖形的掩模；2)在基片或蓋片上制作微管道進(jìn)出口；3)在基片上涂上正性光刻膠，通過(guò)光刻法在該膠層上制作微管道的光刻膠圖形；其特征在于4)在蓋片上涂上負(fù)性光刻膠并烘干，再將其與基片粘合；5)透過(guò)蓋片或基片對(duì)負(fù)性光刻膠曝光，使其交聯(lián)；6)將基片及蓋片進(jìn)行清洗處理，去除正性光刻膠及未交聯(lián)的負(fù)性光刻膠。
全文摘要
本發(fā)明提出一種微管道的制作方法，它涉及微機(jī)械的加工技術(shù)，特別是對(duì)其中的微管道進(jìn)行制作的方法。本發(fā)明是將利用光刻工藝在正性光刻膠上制作的微管道圖形采用負(fù)性光刻膠交聯(lián)的辦法直接固定和封裝。不僅可以適用于多種材料，也可以制作各種復(fù)雜的微管道圖形，同時(shí)還解決了現(xiàn)有技術(shù)的微管道表面粗糙度較大的缺陷，使加工的微管道質(zhì)量較高；而且，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的加工難點(diǎn)；得到的微管道是透明的，有利于對(duì)微管道的形貌進(jìn)行檢測(cè)，也為利用光學(xué)方法進(jìn)行流體的檢測(cè)提供了可能。
文檔編號(hào)G03F7/00GK1430099SQ01138148
公開(kāi)日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月31日
發(fā)明者劉剛, 田揚(yáng)超, 洪義麟, 張新夷, 闞婭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)