专利名称：基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比结构刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及微加工工艺，特别是涉及一种基于微观层流控制的各向同性材 料高深宽比结构刻蚀方法。
技术背景随着微机电系统的发展，玻璃、塑料、PDMS等各向同性材料逐步成为微 加工主要基体材料之一，尤其在生物芯片和分析化学的微芯片实验室中的应用 更为广泛。但是由于各向同性材料的物理/化学特性与微电子行业普遍采用的硅 材料(各向异性)存在差异，因此无法通过微电子行业现有的刻蚀工艺获得高 深宽比结构。目前微加工技术在各向同性材料的结构加工方面通常采用干法和湿法刻蚀 两种工艺，其中湿法刻蚀以其设备简单、刻蚀稳定而应用较多，但湿法刻蚀对 于各向同性材料而言其所能加工的槽道深宽比小于0.5，因此对结构设计带来了 极大的限制，而干法刻蚀对于各向同性材料的加工也存在类似问题，且需要价 格昂贵的专用加工设备。因此，目前的微加工技术无法解决各向同性材料高深 宽比结构的加工问题。 发明内容为了解决各向同性材料的高深宽比结构微加工问题，本发明的目的在于提 供一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比结构刻蚀方法，该方法不采 用微电子技术中的光刻一显影一刻蚀的传统工艺，无需掩膜，只需通过控制刻 蚀剂和隔离剂的流量比，就可控制刻蚀宽度，同时由于采用了隔离剂，可刻蚀 出深宽比大于l的微流道。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是通过机械加工工艺加工出三路进口、 一路出口的流道阳模，采用PDMS材 料以阳模为模具铸造出内流道结构的PDMS薄膜，再将已成型的PDMS薄膜与 表面抛光的各向同性材料键合使内流道密封，三路进口的中间进口为刻蚀剂入 口，另外两路为隔离剂入口，通过控制三路流体的流量比，控制各向同性材料 表面的刻蚀宽度和刻蚀位置，同时由于隔离剂的存在，侧向刻蚀可控，从而实 现深宽比大于l的刻蚀方法。所述的PDMS薄膜层的内流道截面为矩形。刻蚀剂与隔离剂的流动状态应始终处于层流状态，以减少刻蚀剂的扩散。 由于采用隔离剂约束刻蚀剂的有效刻蚀范围，加上内流道截面随着刻蚀的发生而逐渐变大，导致刻蚀剂的作用范围逐渐变小，因此隔离剂可保护已刻蚀流道的侧壁不受刻蚀剂影响，加工出深宽比大于l的结构。 本发明与背景技术相比具有的有益效果是避免了传统微加工技术中的光刻一显影—刻蚀这一基本路线，只需通过简单的机械加工制造出所需的流道阳模，通过PDMS铸造出流道内结构即可进行流动刻蚀，所需设备为常用设备，大大降低了加工费用，此外，该刻蚀方法由 于采用了隔离剂来约束刻蚀剂的作用范围，因此可在控制刻蚀宽度和刻蚀位置 的的同时，在各向同性材料表面加工出高深宽比的微观结构，以此为基础提供 了一种高精度、经济、可适用于多种各向同性材料高深宽比微结构加工的通用 方法。
图1是本发明的结构与工作原理图。图2是A—A剖面图。图3是各向同性材料高深宽比结构刻蚀效果示意图。图中1、各向同性材料，2、 PDMS薄膜，3、 PDMS层内流道，4、出口， 5、 7、隔离剂入口， 6、刻蚀剂入口， 8、 10、隔离剂微量注射泵，9、刻蚀剂微 量注射泵，11、 13、隔离剂通流面积，12、刻蚀剂通流面积，14、 15、隔离剂 与刻蚀剂交界面。
具体实施方式
基于微观层流控制技术的各向同性材料高深宽比结构的流动刻蚀方法的前 提是需要首先制作一个包含三路进口和一路出口的流道结构，利用线切割等传 统机械加工工艺可以很方便的加工出流道阳模，再采用PDMS浇铸形成PDMS 薄膜。这一方法可以避开现有微电子工艺中普遍采用的光刻工艺，无需使用专 用设备，同时流动刻蚀工艺对于PDMS层内流道3没有特殊要求，PDMS层内 流道3尺度在一定范围内变化不会影响刻蚀效果，因此，该方法又具备很强的 兼容性和适应性。工艺流程如下-首先采用线切割等传统机械加工工艺，加工出与PDMS层内流道3结构一 致的阳模，阳模的截面为矩形，三路进口截面尺寸相同，三路进口交汇后形成 主流道，主流道后端为出口。将阳模无缝粘结于表面抛光处理的材料表面，并在阳模四周粘结浇铸围栏，在围栏内倒入PDMS及凝固剂，凝固后便形成带有PDMS层内流道3结构的 PDMS薄膜1，在PDMS薄膜2的隔离剂入口 5、 7和刻蚀剂入口 6以及出口 4 处加工连接口。将PDMS薄膜2与各向同性材料1 (如玻璃)键合，为增强键合强度，键 合前PDMS薄膜2与各向同性材料1需进行表面亲合处理，PDMS层内流道3 与各向同性材料1表面便形成了完整的通道结构，如图1所示。将隔离剂入口5、 7分别与隔离剂微量注射泵10、 8连接，刻蚀剂入口6与 刻蚀剂微量注射泵9连接，出口 4联通废液池。隔离剂微量注射泵8、 10和刻蚀剂微量注射泵9是各自独立控制的，这三 个注射泵的流量比决定了图2中隔离剂通流面积11、 13和刻蚀剂通流面积12 的比例，也就决定了隔离剂与刻蚀剂的交界面14、 15位置，在两个隔离剂与刻 蚀剂的交界面14、 15之间位置是刻蚀剂与各向同性材料1表面发生刻蚀反应的 区域。伴随着刻蚀反应的发生，各向同性材料表面处于两个隔离剂与刻蚀剂的交 界面14、 15之间的部分被刻蚀，因此，整个内流道3的截面积变大，如果保持 三个微量注射泵的流量不变，则隔离剂与刻蚀剂的交界面14、 15之间的间距会 随着刻蚀而变短，刻蚀剂和两路隔离剂的流动状态始终处于层流状态，隔离剂 选取与刻蚀剂不互溶的流体，因此刻蚀剂不会接触已刻蚀的侧壁，由此可得到 如图3所示的高深宽比刻蚀效果。如果在刻蚀过程中调节三个微量注射泵的流量比例，更可实现侧壁刻蚀的 可控，从而加工出多种形式的三维结构。
权利要求
1、一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比结构刻蚀方法，其特征在于通过机械加工工艺加工出三路进口、一路出口的流道阳模，采用PDMS材料以阳模为模具铸造出内流道结构的PDMS薄膜，再将已成型的PDMS薄膜与表面抛光的各向同性材料键合使内流道密封，三路进口的中间进口为刻蚀剂入口，另外两路为隔离剂入口，通过控制三路流体的流量比，控制各向同性材料表面的刻蚀宽度和刻蚀位置，同时由于隔离剂的存在，侧向刻蚀可控，从而实现深宽比大于1的刻蚀方法。
2、 根据权利要求1所述的一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比 结构刻蚀方法，其特征在于所述的PDMS薄膜层的内流道截面为矩形。
3、 根据权利要求1所述的一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比 结构刻蚀方法，其特征在于刻蚀剂与隔离剂的流动状态应始终处于层流状态， 以减少刻蚀剂的扩散。
4、 根据权利要求1所述的一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比结构刻蚀方法，其特征在于由于采用隔离剂约束刻蚀剂的有效刻蚀范围，加上内流道截面随着刻蚀的发生而逐渐变大，导致刻蚀剂的作用范围逐渐变小， 因此隔离剂可保护已刻蚀流道的侧壁不受刻蚀剂影响，加工出深宽比大于1的 结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于微观层流控制的各向同性材料高深宽比结构刻蚀方法。通过线切割等传统机械加工工艺加工出三路进口、一路出口的流道阳模，采用PDMS材料以阳模为模具铸造出内流道结构，再将已成型的PDMS与表面抛光的各向同性材料键合，三路进口的中间进口为刻蚀剂入口，另外两路为隔离剂入口，通过控制三路流体的流量比，就可控制各向同性材料表面的刻蚀宽度和刻蚀位置，同时由于隔离剂的存在，使得侧向刻蚀可控，因此所刻蚀的结构深宽比可大于1，可解决各向同性材料的高深宽比微结构加工问题。
文档编号B81C99/00GK101224867SQ200810059489
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者新 傅, 杨华勇, 谢海波, 毅 郑 申请人:浙江大学