微流控芯片

蒸发
在真空环境中加热金、铬、铝、硅等单质或三氧 化二铝、二氧化硅等化合物，使它们气化为气态原子 或分子沉积在基片表面形成薄膜，这种制备薄膜的工 艺叫蒸发。在蒸发镀膜中，基片不停地旋转，以保证 薄膜的均匀度。
溅射
溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦 气电离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶加 速运动并轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来， 在作为阳极的基片上形成薄膜。
光刻机的三种曝光方式
接触式曝光
接触式曝光是将掩膜与待加 工基片的光胶层直接接触进 行的曝光。掩膜和基片通过 机械装置压紧或通过真空吸 住等方法实现两者紧密接触。 优点：设备简单、造价便 宜、分辨率较高，约1-2µm。 由于掩膜与光胶层紧密接触， 所以相差小，分辨率高。 缺点：由于掩膜与基片紧 密接触，容易损坏掩膜与光 胶层。
计算机制图系统
数据文件
图形发生器
掩模图形
2.1.2
薄膜沉积
在加工微流控芯片时，需要在基片上沉 积各种材料的薄膜。制造加工薄膜的主 要方法有： 氧化 化学气相沉积 蒸发 溅射
氧化
将硅片在氧化环境中加热到900~1100℃的高温，在硅 的表面上生长出一层二氧化硅，这种成膜技术叫氧化。 根据所用氧化剂的不同，氧化可分为水汽氧化、干氧 氧化和湿氧氧化。水汽氧化的氧化剂是水蒸气，干氧氧 化的氧化剂是氧气，湿氧氧化的氧化剂则介于两者之间， 是水蒸气和氧气的混合物。 化学反应方程式分别为： Si+2H2O→SiO2+2H2 水蒸气氧化 Si+O2→SiO2 干氧氧化
干法刻蚀的刻蚀剂是等离子体，是利用等离子体和表面薄膜反应， 形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。
特点：能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图形转移后的保真性。 缺点：设备价格昂贵，较少用于微流控芯片的制造。
从所产生通道截面形状分类，刻蚀又可分为两类：各向同性 刻蚀和各向异性刻蚀。 各向同性刻蚀：刻蚀剂从基片表面向下腐蚀的速率与在其他 各方向大致相同，这种刻蚀成为各向同性刻蚀。例如含氢氟酸的 溶液刻蚀玻璃和石英就是各向同性的。 各向异性刻蚀：刻蚀剂在某一方向的刻蚀速率远大于其他方 向时，就是各向异性刻蚀。例如用氢氧化钠、氢氧化钾等碱金属 的氢氧化物或季铵盐刻蚀硅片时是各向异性的。
实验室洁净标准
2
微流控芯片加工方法
光刻法 模塑法 热压法 LIGA技术 激光烧蚀法 软光刻
2.1
光刻蚀
微流控分析芯片上微通道的制作，起源于制作半导体及 集成电路芯片所广泛使用的光刻和蚀刻技术。光刻蚀是用光 胶、掩模和紫外光进行微制造，它的工艺成熟，已广泛用于 硅、玻璃和石英基片上制作微结构。 光刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。
正负光胶的曝光变化
曝光时: 交联反应
降解反应
在实际光刻工艺中，常使用牺牲层技术，即在基 片上沉积一层薄膜作为牺牲层，在牺牲层上再涂覆一 层光胶，从而提高刻蚀时的选择性，更好地保护基片 表面在刻蚀时不被侵蚀。在基片上的微结构加工完毕 后，用适当的化学试剂将牺牲层除去。
光刻工艺具体操作步骤
（a） 洗净基片，在基片表面上 镀牺牲层，例如铬等。 （b）在牺牲层上均匀地甩上一层 光刻胶。 （c）将光掩模覆盖在基片上，用 紫外光照射，光刻胶发生光化学 反应。 （d）显影，除去经曝光的光刻胶 （正光胶）或未经曝光的光胶 （负光胶）。烘干后，光刻掩膜 上的二维图形被复制到光胶层上。
1
微流控分析芯片材料
2
3 4 5
微流控芯片加工方法 微流控芯片键合方法
普通实验室玻璃芯片ห้องสมุดไป่ตู้简易加工技术 普通实验室PDMS芯片的简易加工技术
1
微流控分析芯片材料
硅材料 玻璃石英
有机聚合物
1.1
硅材料
在微电子学发展的过程中，硅的微细加工 技术已趋成熟。在硅片上可使用光刻技术高精 度地复制二维图形，并可使用制备集成电路的 成熟工艺进行加工及批量生产。即使复杂的三 维结构，也可以用整体和表面微加工技术进行 高精度的复制。因此，它首先被用于制作微流 控分析芯片。
非接触式曝光
非接触式曝光是指掩膜 和基片上的光胶层不直接接 触实现图形复印曝光的方法。 优点:克服接触式曝光容易 损坏掩膜和基片的缺点。 缺点：由于光的衍射效应 会使图形的分辨率下降。
投影式曝光
投影式曝光是指掩膜与基片 并不直接接触，而是以类似 投影仪的投影方式来进行图 形的转移。 优点：曝光均匀，没有色 差、象差，可进行缩小投影 曝光，因此掩膜的尺寸可比 基片大很多倍，掩膜中的图 形线条可做得较粗。 缺点：装置价格昂贵。
1.1
硅材料
优点
具有良好的化学惰性和热稳定性 良好的光洁度，加工工艺成熟, 可用于制作聚合物芯片的模具等
易碎，价格贵 不能透过紫外光 电绝缘性能不够好 表面化学行为较复杂
缺点
1.2
玻璃石英
优点
缺点
很好的电渗性质 优良的光学性质 可用化学方法进行表面改性 可用光刻和蚀刻技术进行加工 难以得到深宽比大的通道 加工成本较高 封接难度较大
2.1.3
光刻
通过以下三个主要步骤可以将光刻掩膜上微 流控芯片设计图案转移到待加工基片表面： 用高速（500~5000r/min）旋转的甩胶机在基片 表面均匀地涂覆一层对光敏感的有机聚合物乳胶光胶； 用光刻法通过曝光将光刻掩膜上图案转移到光 胶层上； 用显影液溶解去掉未曝光的光胶层（负光胶） 或已曝光的光胶层（正光胶）。
光胶材料----有机聚合物光敏材料
正光胶 曝光时，降解反应占主导地位的光胶称正 光胶。在显影时，曝光过的正光胶由于分子量变 小而使得溶解度增大,在显影时被溶掉。
负光胶 曝光时，交联反应占主导地位的光胶叫负 光胶。曝光过的负光胶，由于分子量变大而使得 溶解度降低，成为非溶性。没有曝光过的负光胶， 由于没有发生交联反应，在显影时被溶掉。
2.1.4
刻蚀
金属和绝缘材料薄膜常用的刻蚀剂 湿法刻蚀剂 刻蚀速率 nm/min 二氧化硅 HF 20-2000 HF+NH4F 100-500 氮化硅 H3PO4 5 铝 H3PO4+HNO3+CH3COOH 660 HF 5 金 KI 40 钛 HF+H2O2 880 钨 H2O2 20-100 K3Fe(CN)6+KOH+KH2PO4 34 铬 Ce(NH4)2(NO3)6+HClO4 2
在所采用的分析条件下材料应是惰性的
有机聚合物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯 酸甲酯（PMMA）的微结构在乙腈中会发生溶胀、塌陷甚 至堵塞等现象，而它对高浓度的甲醇则是惰性的。因此选 择聚合物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间 的相容性。
材料应有良好电绝缘性和热性能
微芯片在分析时如用到电泳分离，材料应有良好的电 绝缘性以避免被高压击穿。散热性能好的材料有利于焦耳 热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降，焦耳热散发 能力随之增加，因此有机聚合物的导热能力在微尺度时重 要性也降低。芯片中的化学反应需要在高温下进行时，就 必须考虑芯片材料的耐热性，如PCR扩增用微流控芯片的 材料要能承受DNA片段变性时所需的95℃高温。
有机层
H2SO4+H2O2 CH3COCH3(丙酮)
>1000 >4000
根据所选刻蚀剂的不同分为：湿法刻蚀和干法刻蚀。 湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀 物质剥离下来的刻蚀方法。大多数湿法刻蚀是不容易控制的各向同性刻 蚀。 特点：选择性高、均匀性好、对硅片损伤少，几乎适用于所有的金属、 玻璃、塑料等材料。 缺点：图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。
聚合物材料应有良好的光学性质
能透过可见光与紫外光，入射光不能产生显著的背 景信号。例如使用激光荧光法检测时，要注意芯片材料 的本底荧光要尽量低。使用高本底荧光的芯片材料会引 起信噪比降低和检测下限升高。
聚合物材料应容易被加工
不同的加工方法对聚合物材料的可加工性有不同 的要求。例如，用激光烧蚀法加工芯片时，聚合物材 料应能吸收激光辐射，并在激光照射下降解成气体。 热压法加工时要求芯片材料具有热塑性。而模塑法用 的高分子材料应具有低黏度，低固化温度，在重力作 用下，可充满模具上的微通道和凹槽等处。
微流控芯片相关制备技术
孙 珊 2012.05.08
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
Contents
2.1.1
光刻掩模
光刻掩模的基本功能是当光线照射其上时，图形区 和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。通过曝光 成像的原理，可将光刻掩模上的图形转移到基片表面 的光胶层上。
对掩模的要求
• 掩模的图形区和非图形区对光线的 吸收或透射的反差要尽量大 • 掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、 脏点和线条的凹凸等要尽量少 • 掩模的图形精度要高
1.3
有机聚合物
成本低、品种多 能通过可见与紫外光 可用化学方法进行表面改性 易加工得到宽深比大的通道 可廉价大量地生产 不耐高温 导热系数低 表面改性的方法尚不够成熟
优点
缺点
1.3.1
选择聚合物材料的原则
聚合物材料应有良好的光学性质
聚合物材料应容易被加工
在所采用的分析条件下材料应是惰性的 材料应有良好电绝缘性和热性能 聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
光胶层 薄膜
光刻蚀的基本工序
薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一 一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到 几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。 光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光 胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光 成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。 刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜 上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。 选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材 料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所 需的微结构。
1.3.2
聚二甲基硅氧烷（PDMS）
能重复可逆变形 能用模塑法高保真地复制微芯片 能透过300nm以上的紫外和可见光 耐用且有一定的化学惰性 无毒、价廉 表面可进行多种改性修饰 不耐高温 导热系数低
优点
缺点
1.4
芯片制作环境
由于微流控芯片基本组成单元的微米 尺寸结构，要求在制备过程中必须对环境 进行严格认真的控制。这里所涉及的环境 指标通常包括：空气温度、空气湿度、空 气及制备过程所使用的各种介质中的颗粒 密度。芯片制作较高的环境要求一般需要 在洁净室内才能达到。一般洁净室设计由 更衣室、风淋室、缓冲间和超净室组成。
聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热 塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸 酯、聚丙乙烯等； 固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂 和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变 硬后得到微流控芯片； 溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，将它 们溶于适当的溶剂后，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。
化学气相沉积
化学气相沉积是气态反应物在反应器中通过特定的 化学反应，使反应产物沉积在加热基片上镀膜过程的总 称。 分为常压化学气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD) 和等离子体化学气相沉积(PECVD)。 常用化学气相沉积法制备多晶硅、二氧化硅和氮化 硅薄膜。 例如，沉积二氧化硅薄膜常用的原料气主要有：硅 烷与氧气、四乙基硅氧烷、二氯硅烷与氧化氮。 SiH4+O2→SiO2+2H2O （300-500℃） Si(OC2H5)4→SiO2+副产物 （650-750℃，LPCVD） SiCl2H2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl （900℃,LPCVD）
掩模制备
图形
通常的用于微电子行业的掩膜材料有镀 铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均匀地 涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软 件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用 的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在 掩膜材料上得到所需的图形。图形发生器相 当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同 的是这种照相机并不是由外界物体的光线通 过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机 的输入数据成像。