微流控芯片PPT文档格式.pptx

1、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。,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

2、 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。,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

3、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。,聚二甲基硅氧烷（PDMS）,优点,缺点,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,1.3.2,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。

4、,1.4,实验室洁净标准,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,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。,光胶层 薄膜,2.1,盖一,薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆 一层薄膜，薄膜的厚度为数到几十微米，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

5、。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。,光刻蚀的基本工序,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。,2.1.1,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,掩模制备,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

6、，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。,薄膜沉积,2.1.2,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9001100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

7、 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+2H2OSiO2+2H2 Si+O2SiO2,水蒸气氧化 干氧氧化,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+O2SiO2+2H2

8、O（300-500）Si（OC2H5）4SiO2+副产物（650-750，LPCVD）SiCl2H2+2N2OSiO2+2N2+2HCl（900,LPCVD）,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,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

9、案转移到待加工基片表面：用高速（5005000r/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）。,2.1.3,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。,正负光胶的曝光变

10、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,洗净基片，在基片表面上 镀牺牲层，例如铬等。在牺牲层上均匀地甩上一层 光刻胶。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。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。,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

11、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1-2m。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。,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。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。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

12、基片大很多倍，掩膜中的图 形线条可做得较粗。装置价格昂贵。,二氧化硅,湿法刻蚀剂HF HF+NH4F,H3PO4,刻蚀速率 nm/min 20-2000100-5005,氮化硅 铝,660,5,金 钛 钨,铬,H3PO4+HNO3+CH3COOH HFKI HF+H2O2 H2O2K3Fe（CN）6+KOH+KH2PO4Ce（NH4）2（NO3）6+HClO4,4088020-100342,有机层,H2SO4+H2O2 CH3COCH3（丙酮）,10004000,金属和绝缘材料薄膜常用的刻蚀剂,2.1.4,刻蚀,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

13、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。图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。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。能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图形转移后的保真性。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。,模塑法,用光刻和蚀刻的方 法先制出阳模（所需通道 部分突起），然后在阳膜 上浇注液态的高分子材 料。将固化后的高分子 材料与阳模剥离就得到 具有微通道的基片，与 盖片封接后，制得高分 子聚合物微流控芯片。这种