微流控芯片的主流加工方法（光刻-上篇）

莺歌燕舞

【背景研究】


   微机电系统（Microelectromechanical Systems，简称 MEMS）是将微电子技术与精密机械技术结合发展出来的工程技术，尺寸在 1 微米到 100 微米量级，涵盖机械（移动、旋转）、光学、电子（开关、计算）、热学、生物等功能结构，主要分为传感器、压电执行器、三维结构器件等三大类。与 MEMS 类似，NEMS（Nanoelectromechanicalsystems，纳机电系统）是专注纳米尺度领域的微纳系统技术，只不过尺寸更小（
10-9m）。



【微纳电子器件的优势】


   微纳电子器件在信息感知、物质探测等方面具有先天的优势。相比于传统器件，其具有灵敏度高、能耗低、尺寸小、易集成的优点，具有非常广阔的市场前景。

【从晶圆如何实现到传感器】

    晶圆，始于薄的圆柱型晶硅，直径一般分150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）、300毫米（12英寸），通过在晶圆上镀上各种材料成为多层膜和几何图形，最终产生出成千上万很小的电子器件。



    晶圆的制造过程可划分为前道（Front-end）和后道（Back-end），前道包括晶圆处理工序（Wafer Fabrication）和晶圆针测工序（Wafer Probe），后道包括封装工序（Packaging）和测试工序（Testing）。晶圆的整个制造过程中会涉及到很多物理、化学过程。



【生物传感器的制造方法--光刻】

    光刻的基本原理是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。

    光刻的组成部分主要包括光源、光学透镜（透射式透镜（248nm、193nm)以及反射式透镜（157nm））以及掩模板（由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收层材料（主要是金属Cr）组成，通常要在表面淀积一层抗深紫外光损伤的增光型保护涂层。）



图1 光刻技术的原理图


    光刻技术的不断发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证：其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上同时做出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；其二是图形线宽不断缩小，集成度不断提高，生产成本持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，集成电路的性能不断提高。随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。

【光刻技术与微流控芯片的关系】

    光刻的过程包括涂胶、曝光和显影。涂胶是在基片表面均匀涂上一层光刻胶。光刻胶主要由对光与能量非常敏感的感光高分子聚合物和有机溶剂（稀释剂）组成，前者是光刻胶的主体，主要成分为脂肪质酰亚胺聚合物、聚酰胺等，后者是光刻胶的介质，主要成分为环戊酮，丙二醇单甲醚等。为使光刻胶牢固附着在基片表面，均匀涂胶后要进行烘干。在烘干过程当中，光刻胶中的有机溶剂挥发成为有机废气，而光刻胶中的高分子聚合物和光敏剂等作为涂层牢固地附着在基片表面。光刻胶对紫外光敏感，被光照过后发生化学变化，从而变得容易被显影液去除，而没有被光照过的光刻胶则不会在显影工序中去掉。曝光就是利用光刻胶的这种特性，使用光刻机将事先设计好的电路通过掩膜版将电路图案转移到基片表面。显影是用显影液将感光的光刻胶去除，在光刻胶上形成沟槽，使下面的基片表面暴露出来，以便于下一道工序进行操作。

    微流控芯片通常是在大小为信用卡、邮票甚至硬币的芯片上，集成各种具有功能单元的微通道，构成网络和阵列，通过操纵流体在通道中的行为以此实现各种常规化学和生物实验室中需要的甚至难以完成的功能，包括样品的制备、前处理、混合、反应、分离、检测以及细胞和微生物的培养、观测、分选等。芯片实验室的优点在于样品消耗量极小，反应迅速，整体可控，功能多样而且集成化，较为灵活，同时具有一定程度的通量。与另一种常见的微阵列芯片（Microarray chip）有所不同，各有所长。


    微流控芯片的加工技术源自半导体和集成电路板。先采用高精度的打印技术获得光掩膜版，再通过光刻技术将掩膜版上的图形转移到芯片上，然后腐蚀得到与掩膜图形相同或相反的微通道结构，最后通过化学键合的方法使得微通道闭合封装（具体的加工流程如下图所示）。近年来，微流控芯片在传统的技术上发展出了一系列新的加工技术，使用的材料也从微电子行业常用的单晶硅发展到了可以在光学显微镜下直接观察到通道内部的玻璃、石英等固体硬材料和 PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和 PC（聚碳酸酯）等具有一定弹性的透明高分子聚合物材料。其中，PDMS 由于其性能的各种优点，使用最为广泛。



图2 PDMS芯片的制作流程示意图

【微流控芯片模具的主流加工方法】
    目前国内外比较典型的加工微流控芯片模具的方法主要有光刻阳模法、微机械加工法，及基于光刻后的电镀法等。其中光刻阳模法包括基于光刻的电镀法需要在微加工车间以专业设备完成，加工过程繁琐且成本较高，模具制作周期较长。而微机械加工的设备较为昂贵且其因加工精度的限制，加工出的结构的表面平整度较低。此外其他一些加工方法也存在类似的一些问题，如三维打印法，其制作出来的模具表面也较为粗糙，且需要专门的设备才能完成。总之，目前微流控芯片的模具制作方法存在着加工复杂、成本高等诸多缺点，这限制了其实际应用，因此发明一种经济、简便、快速的微流控芯片的模具的加工方法非常必要。（下一期重点介绍下光刻阳模法以及加工工艺中的突破点以及应用点。）



图3 三维打印PDMS芯片模具示意图

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