專利名稱：圓片級mems微流道的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子機械系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)，尤其涉及一種圓片級 MEMS微流道的制造方法。
背景技術(shù)：
微流道制造是MEMS微流體系統(tǒng)中一個不可缺少的環(huán)節(jié)。當(dāng)前應(yīng)用于傳感 器和生物芯片領(lǐng)域的微流體系統(tǒng)，已經(jīng)進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段。其中，微流 體系統(tǒng)中微流道的制造已經(jīng)擁有了很多成熟的制造工藝。 一般來說，其工藝過程 都是在Si片、玻璃、PDMS (聚二甲基硅氧烷)上直接刻蝕出微流道以及各種流 體部件(如混合器，存儲區(qū)等)的圖案結(jié)構(gòu)，然后與另一平面材料鍵合，形成 MEMS微流體系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的Si片，或者使用玻璃、PDMS之類透明材料 來直接刻蝕的微流道系統(tǒng)，其刻蝕后形成的微流道結(jié)構(gòu)，其表面粗糙度處于較高 的水平，對微流體的運動來說有著很大的影響?，F(xiàn)有的表面拋光技術(shù)CMP (化 學(xué)機械拋光)，對于具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的微流道來說，由于尺寸非常微小，無法 做到有效拋光。目前，處于微米量級寬度的微流道系統(tǒng)，迫切的需要降低表面粗 糙度來提高微流體系統(tǒng)中流體的流速，降低流體所需要的驅(qū)動能量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種微流道表面粗糙度低的圓片級MEMS微流道的制造方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種圓片級MEMS微流道的制造方法，包括以下步驟第一步，利用微加工工藝在雙面拋光Si圓片上制造微流道圖形結(jié)構(gòu)，第二步，將上述Si圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的壓力下進(jìn)行密封鍵合使微流道圖形結(jié)構(gòu)密封形成密封真空腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至800'C 89(rC，保溫3~5min，所述密封真空腔體內(nèi)、外壓差使軟化后的玻璃形成與上述微流道圖形結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻到20-25X:，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，
第四步，將上述經(jīng)過退火的圓片的玻璃面與另一拋光Si圓片或玻璃圓片進(jìn)行 鍵合，形成圓片級的MEMS微流道。本技術(shù)方案中，所述微加工工藝為濕法腐蝕工藝或者干法腐蝕工藝。第二步 中所述密封鍵合工藝為陽極鍵合工藝，工藝條件為溫度400'C，電壓600V。 第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510'C 56(TC中，退火保溫 時間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第四步中所述鍵合采用粘合劑鍵合，粘合 劑為玻璃漿料、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、全氟磺酸樹脂、聚對二甲苯、SU-8膠 中的一種。第二步中的加熱溫度為840°C~850°C。 本發(fā)明獲得如下效果1. 本發(fā)明基于傳統(tǒng)MEMS加工工藝，首先在硅片上加工成Si片微流道結(jié)構(gòu)(流 道結(jié)構(gòu)粗糙度難以控制，通常比較高)，再將該微流道結(jié)構(gòu)與Pyrex7740玻 璃在真空或負(fù)壓(相對于常壓而言)下進(jìn)行鍵合形成密閉的真空空腔，然后在 常壓(一個大氣壓)下加熱到玻璃的軟化溫度，在密閉真空腔內(nèi)外壓力差的作 用下，玻璃按照微流道結(jié)構(gòu)成型，從而在玻璃上形成所需要微流道結(jié)構(gòu)， 由于玻璃在軟化溫度下成型呈流態(tài)，因而形成的流道自然的具有拋光后的 玻璃的光滑表面，粗糙度低。具有原始拋光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃 微流道系統(tǒng)，有效的提高了MEMS微流體系統(tǒng)中流體的流速，降低了流體 所需要的驅(qū)動能量。2. 陽極鍵合具有鍵合強度高，密閉性好的特點，本發(fā)明采用陽極鍵合形成密 閉空腔，在第三步的加熱過程中不易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致成型失敗。在溫度400 °C,電壓600V的鍵合條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。3. 采用的退火工藝可有效的消除玻璃在高溫過程中形成的應(yīng)力，從而使其強 度韌性更高；退火溫度范圍在510'C 56(TC中，退火保溫時間為30min，然 后緩慢風(fēng)冷至常溫(25"C)，在該條件下退火，既能有效退去應(yīng)力，還能夠使 得流道的形狀基本無改變，而退火溫度過高易導(dǎo)致流道形狀發(fā)生變化而導(dǎo) 致粗糙度增加，而過低的退貨溫度則無法有效去除玻璃內(nèi)部的應(yīng)力。4. 本發(fā)明制備硅熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為形成微流道結(jié)構(gòu)的基 底，為后道的封裝提供方便，制備的器件受熱時不易發(fā)生失效。5. 本發(fā)明利用密閉真空腔內(nèi)外的壓力差，從而在玻璃表面形成光滑的流道， 無需額外的拋光工藝，省去了普通流道制作的拋光工藝，因此具有工藝過
程簡單可靠，成本低廉的特點，此外該工藝在圓片上進(jìn)行，可以同時加工多個微 流道，設(shè)置常規(guī)的劃片槽，可實現(xiàn)圓片級制造因此屬于圓片級工藝，成本較低。6. 第四步中，采用粘合劑玻璃漿料、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、全氟磺酸樹脂、 聚對二甲苯、SU-8膠中的一種進(jìn)行粘合，這些工藝具有工藝簡單、成本低 的特點，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。7. 本發(fā)明在第四步中，采用陽極鍵合，可使得鍵合的強度更高、密封性更好， 從而可以實現(xiàn)流道的氣密性或者真空封裝。


圖1為本發(fā)明雙面拋光硅片截面示意2為本發(fā)明在硅片上制作的微流道截面示意3為本發(fā)明帶有微流道的硅片與玻璃在真空條件下鍵合后的截面示意圖 圖4為本發(fā)明鍵合圓片加熱后的截面示意圖 圖5為本發(fā)明微流道被封裝后的截面示意圖具體實施方式
實施例l一種圓片級MEMS微流道的制造方法，包括以下步驟第一步，利用微加工工藝在雙面拋光Si圓片上制造微流道圖形結(jié)構(gòu)，利用 光刻工藝，濕法單面腐蝕，或者DRIE干法刻蝕出特定形狀和尺寸的微流道圖形，第二步，將上述Si圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃(一種硼硅玻璃的品牌， 美國康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得)圓片在小于1Pa的壓力下進(jìn)行密封鍵合 使微流道圖形結(jié)構(gòu)密封形成密封真空腔體，譬如壓力為0.5Pa， 0.2Pa， 0.1Pa， 0.05Pa， 0.01Pa， 0.001Pa，，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面 粗糙度，以滿足常規(guī)鍵合的要求，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至800'C 8卯"C,例如溫 度可以選取為820°C， 830°C， 840°C， 845°C， 850°C， 855°C, 860°C， 870°C， 880°C， 890°C，保溫3 5min，時間可以選取為3.5min， 3.8min， 4min， 4.2min, 4.4min，所述密封真空腔體內(nèi)、外壓差使軟化后的玻璃形成與上述微流道圖形結(jié) 構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻到20-25'C，譬如為22'C，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng) 力，該常壓是指一個大氣壓，第四步，將上述經(jīng)過退火的圓片的玻璃面與另一拋光Si圓片或玻璃圓片進(jìn) 行鍵合，形成圓片級的MEMS微流道，在鍵合前需要對表面進(jìn)行鍵合所必需的
清洗，以保證其表面光潔。本技術(shù)方案中，所述微加工工藝為濕法腐蝕工藝或者干法腐蝕工藝。第二步 中所述密封鍵合工藝為陽極鍵合工藝，工藝條件為溫度40(TC，電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510'C 56(TC中，退火 保溫時間為30min，退火溫度可以選取為520°C， 530°C， 540°C， 550°C，然后 緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25'C)。第四步中所述鍵合采用粘合劑鍵合，粘合劑為玻璃 漿料、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、全氟磺酸樹脂、聚對二甲苯、SU-8膠中的一種。 第二步中的加熱溫度為優(yōu)選840'C 85(TC，譬如選取為845°C。 實施例2—種圓片級MEMS微流道的制造方法，包括以下步驟(1) 將一定尺寸(比如4寸)的雙面拋光Si圓片1，利用光刻工藝，濕 法單面腐蝕，或者DRIE干法刻蝕出特定形狀和尺寸的微流道圖形。(2) 將Si片與相同大小的Pyrex7740玻璃在真空環(huán)境(小于1Pa)下進(jìn)行 陽極鍵合(工藝條件例如40(TC， 600VDC)， Si片有圖形面和Pyrex7740玻璃2 鍵合，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)陽 極鍵合的要求。(3) 將鍵合好的圓片，送入常壓下(latm)的熱處理爐中，在工藝條件 840'C 85(TC (高于Pyrex7740玻璃的軟化溫度)中進(jìn)行熱處理，工藝時間 3min 5min，然后在風(fēng)冷中迅速冷卻至常溫。(4) 將熱處理過后的圓片，再次放入常壓熱處理爐中，在51(TC 56(TC范 圍中進(jìn)行退火，保溫30min后緩慢風(fēng)冷至常溫。(5) 將退火過后的圓片，同相同尺寸的雙面拋光Si片或者Pyrex7740玻 璃3進(jìn)行粘合劑鍵合，常用粘合劑如玻璃漿料、polyimides (聚酰亞胺)、BCB(benzocyclobutene ， 苯并環(huán)丁烯)、Nafion (全氟磺酸樹月旨)、parylene (polyparaxylylene，聚對二甲苯)、SU-8 (—種環(huán)氧負(fù)膠，市場可購得)，最終形 成圓片級的MEMS微流道系統(tǒng)。即通過MEMS加工制造技術(shù)Si片與Pyrex7740玻璃的陽極鍵合工藝，再 利用真空負(fù)壓熱處理工藝，制造出具有原始拋光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微 流道系統(tǒng)，不僅工藝成熟，技術(shù)可靠，而且有效的提高了 MEMS微流體系統(tǒng)中 流體的速度，降低了流體所需要的驅(qū)動能量。本發(fā)明可以在同時在上述圓片上形成多個相互獨立的微流道圖案，可以預(yù)留 劃片槽，在加工形成后，可以沿劃片槽將各圖形劃片，獲得多個不同的微流道， 從而實現(xiàn)微流道的圓片級制作，降低該工藝的成本。
權(quán)利要求
1.一種圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，利用微加工工藝在雙面拋光Si圓片上制造微流道圖形結(jié)構(gòu)，第二步，將上述Si圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的壓力下進(jìn)行密封鍵合使微流道圖形結(jié)構(gòu)密封形成密封真空腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至800℃～890℃，保溫3～5min，所述密封真空腔體內(nèi)、外壓差使軟化后的玻璃形成與上述微流道圖形結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻到20-25℃，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，第四步，將上述經(jīng)過退火的圓片的玻璃面與另一拋光Si圓片或玻璃圓片進(jìn)行鍵合，形成圓片級的MEMS微流道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于所述微 加工工藝為濕法腐蝕工藝或者干法腐蝕工藝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于第二步 中所述密封鍵合工藝為陽極鍵合工藝，工藝條件為溫度40(TC，電壓600V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于第三步 中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在51(TC 56(TC中，退火保溫時 間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第四 步中所述鍵合采用粘合劑鍵合，粘合劑為玻璃漿料、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、 全氟磺酸樹脂、聚對二甲苯、SU-8膠中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第二 步中的加熱溫度為840。C 85(TC。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級MEMS微流道的制造方法，其特征在于，第四 步中所述鍵合采用陽極鍵合工藝，工藝條件為溫度40(TC，電壓600V。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圓片級MEMS微流道的制造方法，包括以下步驟利用微加工工藝在雙面拋光Si圓片上制造微流道圖形結(jié)構(gòu)，將上述Si圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃圓片進(jìn)行密封鍵合使微流道圖形結(jié)構(gòu)密封形成密封真空腔體，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱，保溫，所述密封真空腔體內(nèi)、外壓差使軟化后的玻璃形成與上述微流道圖形結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，將上述經(jīng)過退火的圓片的玻璃面與另一拋光Si圓片或玻璃圓片進(jìn)行鍵合，形成圓片級的MEMS微流道。本發(fā)明可形成具有原始拋光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微流道系統(tǒng)，有效的提高了MEMS微流體系統(tǒng)中流體的流速。
文檔編號B81C1/00GK101157435SQ20071019022
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者唐潔影, 尚金堂, 柳俊文, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)