一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法
2023-06-07 00:55:51 1
專利名稱：一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法
技術領域：
本發明涉及一種製作玻璃晶片的方法，特別是關於一種包括玻璃基質微流控晶片和玻璃基質生物晶片在內的，在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法。
背景技術：
微流控晶片是當前十分活躍的研究領域，迄今為止，用於製作微流控晶片的材料主要是熔融矽、石英、玻璃及有機高分子聚合物，其中以玻璃基質晶片最為廣泛。玻璃晶片具有與石英毛細管相似的性能，良好的透明度和優良的電滲性能，適合採用光學檢測的特點。但是，玻璃晶片也有不足之處需要超淨的工作環境，封接的溫度要達到500℃以上且成功率不高。與石英、玻璃材質相比，高分子材料成本較低，易於加工，比較適合於批量生產，但電滲性能穩定性較差。對於玻璃、石英或熔融材質的晶片來講，其加工工藝包括圖形設計、掩模製造、光刻、蝕刻和鍵合等步驟。例如利用CAD軟體設計微通道的結構圖像，用高分辨印表機將圖像列印到透明薄膜上製備掩模，蝕刻劑常用HF-HNO3或HF-NH4F；設計圖形後，用高解析度雷射照排機在照相底片上加工光刻掩模，用光刻和溼法刻蝕的方法，在商品玻璃基片上加工微通道，將玻璃蓋片與加工好的基片進行熱鍵合，製得較好的微流控晶片。近年來，低溫鍵合技術也有報導，比如以0.1～1％的氫氟酸作為鍵合劑在室溫下加壓0.01～1.3MPa實現了SiO2-SiO2鍵合。又比如使用7％水玻璃作為鍵合劑，在室溫條件下過夜或90℃條件下固化1小時實現玻璃基片和蓋片的鍵合。但是鍵合劑塗抹後的均勻分布問題很重要，一旦出現不均勻就會引起鍵合不完全或通道堵塞。
普通實驗室空氣中懸浮的微米和納米級顆粒是很多的，因此晶片的鍵合大多在超淨實驗室中進行。玻璃表面粘附的微粒對晶片的鍵合質量有很大的影響，較大尺度的晶片鍵合使這一問題更加突出，殷學鋒等人採取的方法很奏效，即在徹底洗淨玻璃基片表面的痕量有機物和無機鹽後，將基片和未玷汙的蓋片在超純水環境中直接貼合後，再取出放進真空乾燥箱乾燥。這種方法避免了空氣中微粒對鍵合的影響，大大提高了晶片鍵合的質量，並避免了基片和蓋片中的微量水在高溫爐中加熱鍵合時迅速氣化而引起的晶片爆裂。但是在沒有真空乾燥箱乾燥的情況下，由於基片和蓋片間微量水分的不能很好地排出，因此會出現大量牛頓環，使鍵合成功率很低。
另外，在現有晶片的加工過程中，對基片和蓋片進行剪裁、打孔的程序一般是放在去掉鉻版玻璃表面鉻層之後，因此在剪裁和打孔時會造成對晶片表面劃傷或變形的損傷，大大降低晶片的鍵合成功率。
發明內容
本發明的目的是提供一種鍵合質量好，成品率高，在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法。
為了實現上述發明的目的，本發明採取以下技術方案一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法其包括以下步驟(1)用繪圖軟體繪製具有主通道的晶片掩膜版，然後用雷射照排機輸出膠片；(2)將所述膠片與表面塗敷有光刻膠的鉻版玻璃置於光刻機上曝光50～60秒；(3)將所述鉻版玻璃浸入0.6～1％的NaOH溶液中，室溫顯影20～60秒形成光刻通道，立即在流動的蒸餾水中漂洗乾淨，並置於乾燥箱內，在70～120℃條件下烘乾10～40分鐘，堅膜；(4)將所述隔板玻璃從乾燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩1～3分鐘形成鉻層通道，用水衝洗；(5)將所述鉻版玻璃浸入盛有玻璃腐蝕液的器皿中，置於渦漩混合器上振蕩，形成玻璃通道，用水衝洗；(6)將所述鉻版玻璃和作為蓋片的拋光片剪裁成所需尺寸，並在所述鉻版玻璃或所述蓋片上鑽孔，用水衝洗；(7)將所述鉻版玻璃放入無水乙醇或0.6～1％NaOH溶液中浸泡一段時間去光膠，輕輕振蕩，待玻璃表面由紅棕色變為亮黃色，取出，用水衝洗；(8)將所述鉻版玻璃放入去鉻液中，去除其表面的鉻層，直到露出透明的玻璃表面為止，用水衝洗；(9)將所述基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面汙染物，然後取出，用超純水清洗；(10)將所述基片和蓋片蓋合，綁緊，低溫鍵合，或常溫鍵合，或放入馬福爐中高溫鍵合即成。
在所述步驟1用繪圖軟體繪製具有主通道的晶片掩膜版的同時，在所述主通道周圍，繪製通向晶片邊緣的網狀通道。
在完成所述步驟(9)後，將所述基片和蓋片放入盛有HF/NH4F溶液的封閉器皿中的露出液面的平臺上，並在低於40℃溫度下對器皿加熱15～30分鐘，通過氟化氫蒸氣處理帶水膜的玻璃表面後，再進入所述步驟(10)。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於優化調整了晶片加工鍵合的順序，將對玻璃的剪裁、鑽孔程序修改為放在去光刻膠程序和去鉻層程序之前進行，因此可以利用光刻膠和鉻層對玻璃表面的保護作用，減少機械剪裁、打孔對晶片表面的損傷，從而有效地提高了晶片鍵合的質量和成品率。2、本發明由於在主通道周圍製作了輔助的通向晶片邊緣的網狀通道，因此晶片鍵合時，一方面氣體可以通過網狀通道疏導出嚙合面，避免高溫鍵合時可能出現的暴漲，另一方面可以將未排出的氣體限制在網格通道之內，避免了牛頓環的生成，降低了對主通道的影響。3、本發明由於使用加熱腐蝕液形成的氟化氫蒸氣，對帶水膜的玻璃表面進行處理，因此可以依靠分子熱運動在玻璃表面形成濃度極稀並且高度均勻分布的氫氟酸，從而實現了鍵合劑的高均勻分布，不但避免了鍵合劑造成的通道堵塞，而且可以節省鍵合劑。本發明通過以上一項或幾項優化組合，大大提高了晶片高溫、低溫或常溫鍵合的成品率，實現了在普通實驗室條件下，用普通乾燥箱製作玻璃晶片的目的。本發明可以廣泛應用於包括玻璃基質微流控晶片和玻璃基質生物晶片在內的晶片製作。
圖1是用繪圖軟體繪製主通道和網狀通道的示意2是晶片的鍵合原理具體實施方式
本發明包括三項關鍵技術，下面分別敘述一、玻璃晶片鍵合率不高一直是制約許多實驗室晶片發展的瓶頸，晶片無法高質量鍵合的原因主要歸於基片和蓋片由於某種原因造成表面變形或損傷，基片和蓋片之間出現大量牛頓環，難以鍵合或鍵合質量不高，成品率很低。
一般普通化學實驗室，製作玻璃晶片的步驟程序如下1、繪製掩膜版，用Coreldraw 9.0繪圖軟體繪製出所需的圖形(陽模或陰模)，然後通過雷射照排機輸出膠片，解析度為3000dpi(200線)；2、紫外線曝光，將掩模版膠片與塗敷有光刻膠的鉻版玻璃置於光刻機上曝光50～60秒；3、顯影，將曝光後的鉻版玻璃浸入0.7％的NaOH溶液中室溫顯影30分鐘左右，立即在流動的蒸餾水中漂洗乾淨，然後，置於真空乾燥箱110℃條件下烘乾15分鐘，堅膜；4、去通道鉻層，將鉻版玻璃從乾燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩2分鐘左右，用水衝洗乾淨；5、腐蝕液溼法腐蝕通道，將前面去了通道鉻層的玻璃浸入盛有腐蝕液的塑料器皿中，置於渦漩混合器上振蕩；6、去光膠，將腐蝕好的玻璃立即取出，在流水中衝洗乾淨，然後放入無水乙醇或2％NaOH溶液中浸泡一段時間，輕輕振蕩。待玻璃表面由紅棕色變為亮黃色，取出，用水衝洗乾淨；7、用去鉻液去鉻版玻璃表面鉻層，放入去鉻液(可以是回收後的)中輕輕震蕩2分鐘左右，直到露出透明的玻璃表面為止，用水衝洗乾淨；8、切割玻璃-剪裁、鑽孔，腐蝕後的玻璃片可根據需要剪裁成一定尺寸，同時，將拋光片剪裁成相應的尺寸作為蓋片，在基片(或蓋片上)各通道的埠處，用鑽床按照需要鑽直徑為1mm的孔，作為樣品/緩衝溶液池；9、表面處理，將基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面汙染物，然後取出，超純水中清洗；10、封接與熱鍵合；將基片和蓋片合併，綁緊，放入馬福爐中按程序升溫高溫鍵合，或低溫或常溫鍵合。
上述程序8是對整體玻璃晶片進行個體剪裁、鑽孔，而這一程序容易造成晶片表面劃傷和變形的損傷，本發明將這一程序修改為放在去光膠程序6和用去鉻液去鉻層程序7之前，即先對玻璃晶片進行剪裁、打孔，然後再去光膠，去鉻層，同時本發明的工藝過程中，只使用普通乾燥箱。而不使用真空乾燥箱。
本發明對玻璃晶片的製作順序的調整雖然微小，但是卻巧妙的利用了光膠和鉻層對玻璃表面的保護作用，可以達到提高晶片鍵合質量和提高成品率的目的。
二、一般在晶片製作、鍵合過程中，玻璃之間微小間隙中的氣體存在，會造成部分區域鍵合不完全，出現牛頓環，本發明在晶片1的圖形設計中(如圖1所示)，圍繞主要結構-主通道2的周圍，製作了通向晶片邊緣的網狀通道3，網狀通道3一方面將氣體疏導出嚙合面，避免高溫鍵合時可能出現的暴漲，另一方面將未排出的氣體限制在網狀通道3之內，降低對主要圖形的影響。
三、通常為了保證晶片鍵合的成功率，在玻璃晶片鍵合之前要對玻璃表面進行清洗處理，一般要將玻璃表面浸在濃硫酸中過夜處理，然後用超純水清洗後，再進入高溫鍵合、低溫或室溫鍵合的程序。本發明在對玻璃表面處理程序方面進行了改進，即在經程序9用超純水清洗後，將基片和蓋片放入盛有HF/NH4F溶液的封閉器皿中露出液面的平臺上，並在低於40℃溫度下對器皿加熱15～30分鐘，使腐蝕液形成的氟化氫蒸氣，對帶水膜的玻璃表面進行處理，依靠分子熱運動在玻璃表面形成濃度極稀並且高度均勻分布的氫氟酸(HF·H2O)，從而實現了鍵合劑的高均勻分布。
以上三項主要優化、改進，可以單獨使用，也可以有效地組合，並選擇通過高溫、低溫或常溫的一種對玻璃晶片進行鍵合。高溫鍵合是最強的鍵合手段，它們的鍵合原理是共同的，即通過完全羥基化表面的縮合脫水使基片4和蓋片5粘結在一起(如圖2所示)。
下面舉例說明實施例1繪製設計具有主通道2和網狀通道3的掩膜版(如圖1所示)，用Coreldraw9.0繪圖軟體繪製出所需的圖形膠片；在光刻機上紫外曝光55秒；將曝光後的玻璃浸入0.7％NaOH溶液中室溫顯影30秒左右，並在蒸餾水中漂洗乾淨；置於乾燥箱，在110℃條件下烘乾15分鐘，堅膜；將鉻版玻璃從乾燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩2分鐘左右，去通道鉻層，用水衝洗乾淨；腐蝕液溼法腐蝕通道，將前面去了鉻層的玻璃浸入盛有腐蝕液的塑料器皿中，置於渦漩混合器上振蕩；切割玻璃-剪裁、鑽孔，腐蝕後的玻璃片可根據需要剪裁成一定尺寸，同時，將拋光片剪裁成相應的尺寸作為蓋片，在基片(或蓋片上)各通道的埠處，用高速臺式鑽床按照需要鑽出直徑為1mm的孔，作為樣品/緩衝溶液池；去光膠，將腐蝕好的玻璃立即取出，在流水中衝洗乾淨，然後放入無水乙醇或0.7％NaOH溶液中浸泡一段時間，輕輕振蕩，待玻璃表面由紅棕色變為亮黃色，取出，衝洗乾淨；去鉻液去基片表面的鉻層，直到露出透明的玻璃表面為止，衝洗乾淨；表面處理，將基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面汙染物，然後取出，超純水中清洗；將基片和蓋片合併，綁緊，分別實現了程序升溫高溫封接鍵合和常溫鍵合。經檢測，高溫鍵合成功率達到90％，成品率達到80％；常溫(25℃)鍵合成功率達到60％，成品率達到50％。
實施例2在上述實施例中，在用超純水清洗玻璃基片和蓋片之後，將基片和蓋片放入盛有HF/NH4F溶液的封閉器皿中露出液面的平臺上，加熱腐蝕液形成氟化氫(HF)蒸氣，依靠分子熱運動處理帶水膜的玻璃表面。考慮到氟化氫易揮發，因此溫度不宜過高，溫度控制在40℃以下，20分鐘，再將基片和蓋片合併，綁緊鍵合。經檢測，由於經過了對玻璃晶片表面的處理，高溫鍵合成功率達到100％，成品率90％；低溫(90℃)鍵合成功率達到95％，成品率達到80％；常溫(25℃)鍵合成功率達到90％，成品率達到80％。
上述各實施例中的時間、溫度、溶液的濃度等是可以變化的，比如在光刻機上曝光的時間可以是50～60秒；鉻版玻璃可以在0.6～1％NaOH溶液中顯影，顯影時間可以是20～60秒；之後在乾燥箱中堅膜時，可以在70～120℃條件下烘乾10～40分鐘，溫度較高時，時間可以適當縮短；鉻版玻璃在去鉻液中震蕩的時間可以是1～3分鐘；在對基片和蓋片進行氟化氫蒸氣處理時，加熱的時間可以是15～30分鐘等等。
權利要求
1.一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法，其包括以下步驟(1)用繪圖軟體繪製具有主通道的晶片掩膜版，然後用雷射照排機輸出膠片；(2)將所述膠片與表面塗敷有光刻膠的鉻版玻璃置於光刻機上曝光50～60秒；(3)將所述鉻版玻璃浸入0.6～1％的NaOH溶液中，室溫顯影20～60秒形成光刻通道，立即在流動的蒸餾水中漂洗乾淨，並置於乾燥箱內，在70～120℃條件下烘乾10～40分鐘，堅膜；(4)將所述隔板玻璃從乾燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩1～3分鐘形成鉻層通道，用水衝洗；(5)將所述鉻版玻璃浸入盛有玻璃腐蝕液的器皿中，置於渦漩混合器上振蕩，形成玻璃通道，用水衝洗；(6)將所述鉻版玻璃和作為蓋片的拋光片剪裁成所需尺寸，並在所述鉻版玻璃或所述蓋片上鑽孔，用水衝洗；(7)將所述鉻版玻璃放入無水乙醇或0.6～1％NaOH溶液中浸泡一段時間去光膠，輕輕振蕩，待玻璃表面由紅棕色變為亮黃色，取出，用水衝洗；(8)將所述鉻版玻璃放入去鉻液中，去除其表面的鉻層，直到露出透明的玻璃表面為止，用水衝洗；(9)將所述基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面汙染物，然後取出，用超純水清洗乾淨；(10)將所述基片和蓋片蓋合，綁緊，低溫鍵合，或常溫鍵合，或放入馬福爐中高溫鍵合即成。
2.如權利要求1所述一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法，其特徵在於在所述步驟1用繪圖軟體繪製具有主通道的晶片掩膜版的同時，在所述主通道周圍，繪製通向晶片邊緣的網狀通道。
3.如權利要求1或2所述的一種普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法，其特徵在於在完成所述步驟(9)後，將所述基片和蓋片放入盛有HF/NH4F溶液的封閉器皿中的露出液面的平臺上，並在低於40℃溫度下對器皿加熱15～30分鐘，通過氟化氫蒸氣處理帶水膜的玻璃表面後，再進入所述步驟(10)。
全文摘要
本發明涉及一種在普通實驗室條件下製作玻璃晶片的方法。本發明針對普通實驗室的條件，優化了設計和加工玻璃微流控晶片的程序，實現了在普通實驗室即可進行的玻璃晶片製作的目的。本發明主要包括優化調整晶片加工鍵合的順序，有效地保護玻璃表面，減少機械打孔過程中造成的晶片表面損傷；設計網狀通道使得鍵合時氣體通過通向晶片邊緣的通道疏導出嚙合面，降低氣體對主要結構的影響；使用加熱腐蝕液形成氟化氫蒸氣處理帶水膜的玻璃表面處理技術，有效地解決了鍵合劑均勻分布的問題。本發明通過以上一項或幾項優化組合，可以大大提高了晶片在高溫、低溫或常溫條件下鍵合的質量和成品率。本發明可以廣泛應用於包括玻璃基質微流控晶片和玻璃基質生物晶片在內的晶片製作。
文檔編號G03F7/20GK1629728SQ200410049750
公開日2005年6月22日 申請日期2004年6月25日 優先權日2004年6月25日
發明者羅國安, 陳令新, 劉科輝, 王義明 申請人:清華大學