專利名稱：一種在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作玻璃芯片的方法，特別是關(guān)于一種包括玻璃基質(zhì)微流控芯片和玻璃基質(zhì)生物芯片在內(nèi)的，在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片是當(dāng)前十分活躍的研究領(lǐng)域，迄今為止，用于制作微流控芯片的材料主要是熔融硅、石英、玻璃及有機(jī)高分子聚合物，其中以玻璃基質(zhì)芯片最為廣泛。玻璃芯片具有與石英毛細(xì)管相似的性能，良好的透明度和優(yōu)良的電滲性能，適合采用光學(xué)檢測的特點(diǎn)。但是，玻璃芯片也有不足之處需要超凈的工作環(huán)境，封接的溫度要達(dá)到500℃以上且成功率不高。與石英、玻璃材質(zhì)相比，高分子材料成本較低，易于加工，比較適合于批量生產(chǎn)，但電滲性能穩(wěn)定性較差。對于玻璃、石英或熔融材質(zhì)的芯片來講，其加工工藝包括圖形設(shè)計、掩模制造、光刻、蝕刻和鍵合等步驟。例如利用CAD軟件設(shè)計微通道的結(jié)構(gòu)圖像，用高分辨打印機(jī)將圖像打印到透明薄膜上制備掩模，蝕刻劑常用HF-HNO3或HF-NH4F；設(shè)計圖形后，用高分辨率激光照排機(jī)在照相底片上加工光刻掩模，用光刻和濕法刻蝕的方法，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(jìn)行熱鍵合，制得較好的微流控芯片。近年來，低溫鍵合技術(shù)也有報道，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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)玻璃基片和蓋片的鍵合。但是鍵合劑涂抹后的均勻分布問題很重要，一旦出現(xiàn)不均勻就會引起鍵合不完全或通道堵塞。
普通實(shí)驗室空氣中懸浮的微米和納米級顆粒是很多的，因此芯片的鍵合大多在超凈實(shí)驗室中進(jìn)行。玻璃表面粘附的微粒對芯片的鍵合質(zhì)量有很大的影響，較大尺度的芯片鍵合使這一問題更加突出，殷學(xué)鋒等人采取的方法很奏效，即在徹底洗凈玻璃基片表面的痕量有機(jī)物和無機(jī)鹽后，將基片和未玷污的蓋片在超純水環(huán)境中直接貼合后，再取出放進(jìn)真空干燥箱干燥。這種方法避免了空氣中微粒對鍵合的影響，大大提高了芯片鍵合的質(zhì)量，并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芯片爆裂。但是在沒有真空干燥箱干燥的情況下，由于基片和蓋片間微量水分的不能很好地排出，因此會出現(xiàn)大量牛頓環(huán)，使鍵合成功率很低。
另外，在現(xiàn)有芯片的加工過程中，對基片和蓋片進(jìn)行剪裁、打孔的程序一般是放在去掉鉻版玻璃表面鉻層之后，因此在剪裁和打孔時會造成對芯片表面劃傷或變形的損傷，大大降低芯片的鍵合成功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鍵合質(zhì)量好，成品率高，在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法其包括以下步驟(1)用繪圖軟件繪制具有主通道的芯片掩膜版，然后用激光照排機(jī)輸出膠片；(2)將所述膠片與表面涂敷有光刻膠的鉻版玻璃置于光刻機(jī)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干凈，并置于干燥箱內(nèi)，在70～120℃條件下烘干10～40分鐘，堅膜；(4)將所述隔板玻璃從干燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩1～3分鐘形成鉻層通道，用水沖洗；(5)將所述鉻版玻璃浸入盛有玻璃腐蝕液的器皿中，置于渦漩混合器上振蕩，形成玻璃通道，用水沖洗；(6)將所述鉻版玻璃和作為蓋片的拋光片剪裁成所需尺寸，并在所述鉻版玻璃或所述蓋片上鉆孔，用水沖洗；(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?yōu)榱咙S色，取出，用水沖洗；(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，用水沖洗；(9)將所述基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面污染物，然后取出，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用繪圖軟件繪制具有主通道的芯片掩膜版的同時，在所述主通道周圍，繪制通向芯片邊緣的網(wǎng)狀通道。
在完成所述步驟(9)后，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，并在低于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后，再進(jìn)入所述步驟(10)。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于優(yōu)化調(diào)整了芯片加工鍵合的順序，將對玻璃的剪裁、鉆孔程序修改為放在去光刻膠程序和去鉻層程序之前進(jìn)行，因此可以利用光刻膠和鉻層對玻璃表面的保護(hù)作用，減少機(jī)械剪裁、打孔對芯片表面的損傷，從而有效地提高了芯片鍵合的質(zhì)量和成品率。2、本發(fā)明由于在主通道周圍制作了輔助的通向芯片邊緣的網(wǎng)狀通道，因此芯片鍵合時，一方面氣體可以通過網(wǎng)狀通道疏導(dǎo)出嚙合面，避免高溫鍵合時可能出現(xiàn)的暴漲，另一方面可以將未排出的氣體限制在網(wǎng)格通道之內(nèi)，避免了牛頓環(huán)的生成，降低了對主通道的影響。3、本發(fā)明由于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(jìn)行處理，因此可以依靠分子熱運(yùn)動在玻璃表面形成濃度極稀并且高度均勻分布的氫氟酸，從而實(shí)現(xiàn)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(jié)省鍵合劑。本發(fā)明通過以上一項或幾項優(yōu)化組合，大大提高了芯片高溫、低溫或常溫鍵合的成品率，實(shí)現(xiàn)了在普通實(shí)驗室條件下，用普通干燥箱制作玻璃芯片的目的。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于包括玻璃基質(zhì)微流控芯片和玻璃基質(zhì)生物芯片在內(nèi)的芯片制作。


圖1是用繪圖軟件繪制主通道和網(wǎng)狀通道的示意2是芯片的鍵合原理具體實(shí)施方式
本發(fā)明包括三項關(guān)鍵技術(shù)，下面分別敘述一、玻璃芯片鍵合率不高一直是制約許多實(shí)驗室芯片發(fā)展的瓶頸，芯片無法高質(zhì)量鍵合的原因主要?dú)w于基片和蓋片由于某種原因造成表面變形或損傷，基片和蓋片之間出現(xiàn)大量牛頓環(huán)，難以鍵合或鍵合質(zhì)量不高，成品率很低。
一般普通化學(xué)實(shí)驗室，制作玻璃芯片的步驟程序如下1、繪制掩膜版，用Coreldraw 9.0繪圖軟件繪制出所需的圖形(陽模或陰模)，然后通過激光照排機(jī)輸出膠片，分辨率為3000dpi(200線)；2、紫外線曝光，將掩模版膠片與涂敷有光刻膠的鉻版玻璃置于光刻機(jī)上曝光50～60秒；3、顯影，將曝光后的鉻版玻璃浸入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干凈，然后，置于真空干燥箱110℃條件下烘干15分鐘，堅膜；4、去通道鉻層，將鉻版玻璃從干燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩2分鐘左右，用水沖洗干凈；5、腐蝕液濕法腐蝕通道，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，置于渦漩混合器上振蕩；6、去光膠，將腐蝕好的玻璃立即取出，在流水中沖洗干凈，然后放入無水乙醇或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?yōu)榱咙S色，取出，用水沖洗干凈；7、用去鉻液去鉻版玻璃表面鉻層，放入去鉻液(可以是回收后的)中輕輕震蕩2分鐘左右，直到露出透明的玻璃表面為止，用水沖洗干凈；8、切割玻璃-剪裁、鉆孔，腐蝕后的玻璃片可根據(jù)需要剪裁成一定尺寸，同時，將拋光片剪裁成相應(yīng)的尺寸作為蓋片，在基片(或蓋片上)各通道的端口處，用鉆床按照需要鉆直徑為1mm的孔，作為樣品/緩沖溶液池；9、表面處理，將基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面污染物，然后取出，超純水中清洗；10、封接與熱鍵合；將基片和蓋片合并，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是對整體玻璃芯片進(jìn)行個體剪裁、鉆孔，而這一程序容易造成芯片表面劃傷和變形的損傷，本發(fā)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，即先對玻璃芯片進(jìn)行剪裁、打孔，然后再去光膠，去鉻層，同時本發(fā)明的工藝過程中，只使用普通干燥箱。而不使用真空干燥箱。
本發(fā)明對玻璃芯片的制作順序的調(diào)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(hù)作用，可以達(dá)到提高芯片鍵合質(zhì)量和提高成品率的目的。
二、一般在芯片制作、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(qū)域鍵合不完全，出現(xiàn)牛頓環(huán)，本發(fā)明在芯片1的圖形設(shè)計中(如圖1所示)，圍繞主要結(jié)構(gòu)-主通道2的周圍，制作了通向芯片邊緣的網(wǎng)狀通道3，網(wǎng)狀通道3一方面將氣體疏導(dǎo)出嚙合面，避免高溫鍵合時可能出現(xiàn)的暴漲，另一方面將未排出的氣體限制在網(wǎng)狀通道3之內(nèi)，降低對主要圖形的影響。
三、通常為了保證芯片鍵合的成功率，在玻璃芯片鍵合之前要對玻璃表面進(jìn)行清洗處理，一般要將玻璃表面浸在濃硫酸中過夜處理，然后用超純水清洗后，再進(jìn)入高溫鍵合、低溫或室溫鍵合的程序。本發(fā)明在對玻璃表面處理程序方面進(jìn)行了改進(jìn)，即在經(jīng)程序9用超純水清洗后，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，并在低于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(jìn)行處理，依靠分子熱運(yùn)動在玻璃表面形成濃度極稀并且高度均勻分布的氫氟酸(HF·H2O)，從而實(shí)現(xiàn)了鍵合劑的高均勻分布。
以上三項主要優(yōu)化、改進(jìn)，可以單獨(dú)使用，也可以有效地組合，并選擇通過高溫、低溫或常溫的一種對玻璃芯片進(jìn)行鍵合。高溫鍵合是最強(qiáng)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(jié)在一起(如圖2所示)。
下面舉例說明實(shí)施例1繪制設(shè)計具有主通道2和網(wǎng)狀通道3的掩膜版(如圖1所示)，用Coreldraw9.0繪圖軟件繪制出所需的圖形膠片；在光刻機(jī)上紫外曝光55秒；將曝光后的玻璃浸入0.7％NaOH溶液中室溫顯影30秒左右，并在蒸餾水中漂洗干凈；置于干燥箱，在110℃條件下烘干15分鐘，堅膜；將鉻版玻璃從干燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩2分鐘左右，去通道鉻層，用水沖洗干凈；腐蝕液濕法腐蝕通道，將前面去了鉻層的玻璃浸入盛有腐蝕液的塑料器皿中，置于渦漩混合器上振蕩；切割玻璃-剪裁、鉆孔，腐蝕后的玻璃片可根據(jù)需要剪裁成一定尺寸，同時，將拋光片剪裁成相應(yīng)的尺寸作為蓋片，在基片(或蓋片上)各通道的端口處，用高速臺式鉆床按照需要鉆出直徑為1mm的孔，作為樣品/緩沖溶液池；去光膠，將腐蝕好的玻璃立即取出，在流水中沖洗干凈，然后放入無水乙醇或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?yōu)榱咙S色，取出，沖洗干凈；去鉻液去基片表面的鉻層，直到露出透明的玻璃表面為止，沖洗干凈；表面處理，將基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面污染物，然后取出，超純水中清洗；將基片和蓋片合并，綁緊，分別實(shí)現(xiàn)了程序升溫高溫封接鍵合和常溫鍵合。經(jīng)檢測，高溫鍵合成功率達(dá)到90％，成品率達(dá)到80％；常溫(25℃)鍵合成功率達(dá)到60％，成品率達(dá)到50％。
實(shí)施例2在上述實(shí)施例中，在用超純水清洗玻璃基片和蓋片之后，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(yùn)動處理帶水膜的玻璃表面?？紤]到氟化氫易揮發(fā)，因此溫度不宜過高，溫度控制在40℃以下，20分鐘，再將基片和蓋片合并，綁緊鍵合。經(jīng)檢測，由于經(jīng)過了對玻璃芯片表面的處理，高溫鍵合成功率達(dá)到100％，成品率90％；低溫(90℃)鍵合成功率達(dá)到95％，成品率達(dá)到80％；常溫(25℃)鍵合成功率達(dá)到90％，成品率達(dá)到80％。
上述各實(shí)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(jī)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；之后在干燥箱中堅膜時，可以在70～120℃條件下烘干10～40分鐘，溫度較高時，時間可以適當(dāng)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(jìn)行氟化氫蒸氣處理時，加熱的時間可以是15～30分鐘等等。
權(quán)利要求
1.一種在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法，其包括以下步驟(1)用繪圖軟件繪制具有主通道的芯片掩膜版，然后用激光照排機(jī)輸出膠片；(2)將所述膠片與表面涂敷有光刻膠的鉻版玻璃置于光刻機(jī)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干凈，并置于干燥箱內(nèi)，在70～120℃條件下烘干10～40分鐘，堅膜；(4)將所述隔板玻璃從干燥箱中取出，放入去鉻液中輕輕震蕩1～3分鐘形成鉻層通道，用水沖洗；(5)將所述鉻版玻璃浸入盛有玻璃腐蝕液的器皿中，置于渦漩混合器上振蕩，形成玻璃通道，用水沖洗；(6)將所述鉻版玻璃和作為蓋片的拋光片剪裁成所需尺寸，并在所述鉻版玻璃或所述蓋片上鉆孔，用水沖洗；(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?yōu)榱咙S色，取出，用水沖洗；(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，用水沖洗；(9)將所述基片和蓋片放置在濃硫酸中過夜，清除表面污染物，然后取出，用超純水清洗干凈；(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(quán)利要求1所述一種在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法，其特征在于在所述步驟1用繪圖軟件繪制具有主通道的芯片掩膜版的同時，在所述主通道周圍，繪制通向芯片邊緣的網(wǎng)狀通道。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法，其特征在于在完成所述步驟(9)后，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，并在低于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后，再進(jìn)入所述步驟(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在普通實(shí)驗室條件下制作玻璃芯片的方法。本發(fā)明針對普通實(shí)驗室的條件，優(yōu)化了設(shè)計和加工玻璃微流控芯片的程序，實(shí)現(xiàn)了在普通實(shí)驗室即可進(jìn)行的玻璃芯片制作的目的。本發(fā)明主要包括優(yōu)化調(diào)整芯片加工鍵合的順序，有效地保護(hù)玻璃表面，減少機(jī)械打孔過程中造成的芯片表面損傷；設(shè)計網(wǎng)狀通道使得鍵合時氣體通過通向芯片邊緣的通道疏導(dǎo)出嚙合面，降低氣體對主要結(jié)構(gòu)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(shù)，有效地解決了鍵合劑均勻分布的問題。本發(fā)明通過以上一項或幾項優(yōu)化組合，可以大大提高了芯片在高溫、低溫或常溫條件下鍵合的質(zhì)量和成品率。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于包括玻璃基質(zhì)微流控芯片和玻璃基質(zhì)生物芯片在內(nèi)的芯片制作。
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(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者羅國安, 陳令新, 劉科輝, 王義明 申請人:清華大學(xué)