[发明专利]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

说明书

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。

背景技术

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—显影—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1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1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1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—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。

附图说明

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。