[发明专利]一种基于无掩模灰度光刻的变高度微流道制作方法

说明书

技术领域

本发明属涉及微流控芯片加工技术，具体地说，是一种基于无掩模灰度光刻的变高度微流道制作方法。

背景技术

微流控芯片作为近年来新出现的精确操控和定量分析微纳米材料的微型化检测分析工具，已被广泛用于解决生化分析、临床诊断、生物学研究、合成化学及微纳制造等基础研究或工程应用中。随着微流控技术研究的深入，其芯片结构和功能形式日益复杂和多样化，这对其配套的微细加工技术提出了更高的挑战。如何快速、低成本制作所需原型测试芯片已成为微流控研究领域中的一个重要课题。

基于模塑法的聚合物芯片加工技术的提出为微流控芯片的快速、低成本探索研究提供了一条有效途径。但该技术一般需要根据所需芯片结构和功能预先制作倒模所需微结构阳模。各国学者针对微结构阳模的加工制作技术进行了大量的探索研究，并提出了一系列新型工艺和技术改进方案。具体而言可分为以下几类：第一类是省去昂贵的光刻设备，如以太阳光、LED作为光源进行光刻加工，但该类技术存在制作精度低等问题。第二类是借助非光刻设备，如利用高精度机床在金属基片上切削出所需微结构阳模，再如硅的深反应离子刻蚀或湿法刻蚀来制作硅基阳模等，但该类技术存在单次加工成本高等问题。第三类是省去复杂的光胶旋涂工艺，如借助感光电路板或感光玻璃等，该类技术也存在加工制作精度低、芯片截面不规整等问题。第四类是省去昂贵且耗时的铬掩模，该类技术中最早被广泛采用的方法为采用打印胶片掩模，但该方法的加工制作精度局限于打印设备的精度，已无法满足现有芯片加工对高精度的需求。同时，无掩模光刻技术由于较高的灵活性和可重构性而得到较为广泛的研究重视，但该类技术由于受到光学投影视域的限制，很少用于大结构微流控芯片的加工制作。

另外，现有的微流控芯片中的流道结构一般为等高度形式，而变高度流道在微纳米材料的精确定位和操控中有着极其重要的作用。仅有的部分变高度流道制作研究一般采用多步光刻技术来实现，该技术需要借助复杂的多次对准技术。

综上所述，如能开发一种快速、低成本的变高度微流道制作加工技术，必能在一定程度上解决上述局限问题，为丰富微流控配套的微细加工技术做出一定贡献。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种基于无掩模灰度光刻快速、低成本制作变高度微流道的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于无掩模灰度光刻的变高度微流道制作方法，包括以下步骤：

（1）清洗、涂胶：在清洗过的透明材料制成的基片上旋涂负光刻胶层；

（2）前烘：将旋涂好负光刻胶层的基片前烘；

（3）无掩模反面灰度光刻：将前烘后的基片上负光刻胶层朝下进行无掩模反面灰度光刻：将灰度图片掩模导入无掩模光刻系统来控制投射至胶层的微缩光图形的生成和光强分布，即紫外曝光波段以微缩光图形的方式照射负光刻胶层，使负光刻胶层产生光化学反应而交联固化；其中，灰度值大的区域投射的紫外光功率密度强，紫外光曝光波段照射覆盖区域的负光刻胶固化所形成的微结构高度较高；灰度值小的区域投射的光功率密度弱，紫外光曝光波段照射覆盖区域的负光刻胶固化所形成的微结构高度较低；经过紫外光曝光波段照射，负光刻胶形成与掩模图片的灰度值相对应的显模；

（4）曝后烘：将显模进行曝后烘；

（5）显影：将经曝后烘的显模浸入到显影液中，去除未被固化的负光刻胶，从而获得带有变高度微结构的阳模；

（6）硬烘：将得到的阳模硬烘；

（7）倒模：借助模塑法制作与阳模互补的带有变高度微结构的聚合物基片；

（8）打孔、键合：将聚合物基片与载玻片键合，形成变高度微流道。

其中，步骤（1）中，所述的透明材料为透明玻璃圆晶。

其中，步骤（3）中，当制作大结构流道时，采用如下拼接曝光技术：灰度掩模图片导入后，被自动分为N×M个子区域，N、M为自然数，N、M分别表示横向、竖向子区域的数量,单个子区域的面积与单次曝光区域相等；并依次根据各个子区域内的图形和灰度值分布对负光刻胶层进行紫外曝光，进而形成整个大结构流道的显模。

其中，通过如下方式实现多个子区域的无缝拼接：相邻子区域存在水平或竖直方向留有互相重叠的区域，重叠区域微结构高度的形成是由紫外光多次曝光叠加而成，灰度掩模图片在拼接区域的曝光剂量等于正常曝光剂量的1/n，其中，n为重叠区域的照射次数；n次照射的曝光强度相等。

其中，重叠区域的最小边长为20像素。