微流控芯片的加工方法

　　MEMS技术是u-TAS发展的基础，也是微流控芯片加工中最广泛采用的方法。MEMS加工技术包括了常规平面工艺中的光刻、氧化、扩散、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)生长、镀膜、压焊等，又增加了三维体加工工艺，如双面光刻、各向异性和各向同性化学腐蚀、等离子或离子束深刻蚀、LIGA技术、硅—硅键合、硅—玻璃键合等。
　　目前，国际上应用较为广泛的 MEMS制造技术有牺牲层硅工艺、体微切削加工技术和 LIGA工艺等，新的微型机械加工方法还在不断涌现，这些方法包括多晶硅的熔炼和声激光刻蚀等。结合微流控芯片的具体功能要求与芯片选用的材料特性，微流控芯片的加工工艺在 MEMS加工工艺基础上有所发展，主要包括光刻和蚀刻等常规工艺，以及模塑法、软光刻、激光切蚀法、LIGA技术等特殊工艺。
　　1、硅质材料加工工艺
　　在硅材料的加工中，光刻(lithography)和湿法刻蚀(wetetching)技术是2种常规工艺。由于硅材料具有良好的光洁度和很成熟的加工工艺，主要用于加工微泵、微阀等液流驱动和控制器件，或者在热压法和模塑法中作为高分子聚合物材料加工的阳模。光刻是用光胶、掩模和紫外光进行微制造。光刻和湿法蚀刻技术通常由薄膜沉淀、光刻、刻蚀 3个工序组成。
　　首先在基片上覆盖一层薄膜，在薄膜表面用甩胶机均匀地附上一层光胶。然后将掩模上的图像转移到光胶层上，此步骤为光刻。再将光刻上的图像，转移到薄膜，并在基片上加工一定深度的微结构，此步骤完成了蚀刻。
　　在石英和玻璃的加工中，常常利用不同化学方法对其表面改性，然后可以使用光刻和蚀刻技术将微通道等微结构加工在上面。玻璃材料的加工步骤与硅材料加工稍有差异，主要步骤有：1)在玻璃基片表面镀一层 Cr，再用甩胶机均匀的覆盖一层光胶；2)利用光刻掩模遮挡，用紫外光照射，光胶发生化学反应；3)用显影法去掉已曝光的光胶，用化学腐蚀的方法在铬层上腐蚀出与掩模上平面二维图形一致的图案；4)用适当的刻蚀剂在基片上刻蚀通道；5)刻蚀结束后，除去光胶和牺牲层，打孔后和玻璃盖片键合。标准光刻和湿法刻蚀需要昂贵的仪器和超净的工作环境，无法实现快速批量生产，
　　2、高聚物材料加工工艺
　　以高聚物材料为基片加工微流控芯片的方法主要有：模塑法、热压法、LIGA技术、激光刻蚀法和软光刻等。模塑法是先利用光刻和蚀刻的方法制作出通道部分突起的阳模，然后在阳模上浇注液体的高分子材料，将固化后的高分子材料与阳模剥离后就得到了具有微结构的基片，之后与盖片(多为玻璃)封接后就制得高聚物微流控芯片。这一方法简单易行，不需要高技术设备，是大量生产廉价芯片的方法。热压法也需要事先获得适当的阳模。热压法的具体步骤为：在热压装置中将高聚物基片与阳模紧贴在一起，当基片加热到软化温度后，对阳模施加压力，可在基片上印制出相应的微结构，将阳模和基片一起冷却后脱模，就得到所需的微结构。此法比较适用于 PMMA和 PC等聚合物材料。LIGA技术适合高深宽比的聚合物芯片的制作，其加工流程是由X光深层光刻，微电铸和微复制 3个环节构成。X光深层光刻可以在光胶中得到高深宽比的微通道；微电铸是在显影后的光胶图像间隙(微通道)中沉积金属，去掉光胶后得到所需微通道的阳模；微复制是在阳模上通过复制模塑方法在高聚物材料上形成所需的微通道结构。除了可制作较大高宽比的结构，与其它微细加工方法相比，LIGA技术还具有应用材料广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作任意截面形状图形结构，加工精度高，可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低。激光刻蚀法是一种不同于以往方法的新加工方法，它可直接根据计算机CAD数据在金属、塑料等材料上加工微结构，是一种非接触式的加工手段。它利用紫外激光使高分子材料曝光，把二维图形复制下来，通过控制曝光的强度控制材料的刻蚀深度，最终用压力吹去降解产物，得到有通道的微流控基片，该方法加工简便快捷，但是对技术设备要求较高
　　3、软光刻加工工艺
　　软光刻是相对于光刻的微图形和微制造的新方法，它是哈佛大学Whitesides G M 教授研究组以自组装单分子层，弹性印章和高聚合物模塑技术为基础发展的一种低成本的加工新技术。其中，高聚物PDMS在软光刻中作为主要的弹性印章材料和芯片加工材料。
　　相对于传统的光刻技术，软光刻更加灵活，它没有光散射带来的精度限制，目前几种常用的软光刻技术都能达到30nm—1um级的微小尺
　　寸；它能制造复杂的三维结构并且能在曲面上应用；能够在不同化学性质表面上使用，并且可以根据需要改变材料表面的化学性质；它可以应用的材料范围很广，如生物聚合材料、胶体材料、玻璃、陶瓷等。
　　结论
　　微流控芯片已经发展成为2l世纪最前沿的技术之一，其材料也经历了传统的硅材料到玻璃石英和近些年的高分子聚合物的不断变迁。在目前和不远的将来，微流控芯片材料将继续向多元化、实用性、可操作性、高性价比的方向发展。随着芯片材料的不断丰富，微流控加工工艺也在不断更新。高聚物材料以其独特的优势，已占领了芯片材料大部分的市场，将来对于高聚物材料特性的研究将更加深入，其应用范围也会更加广阔。