CN101294972B - 玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是：采用二次刻蚀技术，先利用标准紫外光刻，将掩膜中的微米通道图案转移至涂有铬层和光胶层的玻璃基片上，通过化学湿刻蚀在玻璃基片上形成微米通道。然后在基片上重新甩上光胶，再次利用标准紫外光照和化学湿法刻蚀，在玻璃基片的相应位置形成纳米通道。最后利用室温封合技术，与另外一片相同材料的玻璃盖片封合，形成微-纳米通道一体化的玻璃芯片。本发明的优点是加工方法简便易行，制备工艺简单，成本低，实用性强。

Description

玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及微-纳流控芯片加工技术，尤其涉及玻璃基质微-纳米通道一体化芯片的加工方法。

背景技术

以微流控为技术核心的微流控芯片分析是微全分析***的主要组成部分，近年来取得了飞速的发展。而新兴的纳流控芯片(芯片通道内至少一维是纳米尺度，即≤100nm)分析正越来越引起人们的兴趣，又将在分析化学、生物医学等领域掀起一场新的研究热潮。

纳流控分析技术的研究在国际上还处于发展的初期。近年来，作为微-纳流控分析***基础的纳流控芯片加工技术的研究，正受到许多国内外专家学者的重视。各种微纳加工技术已用于纳米通道的加工，如掩膜加工法，牺牲层技术，模具压印法等。其中掩膜加工法主要用于石英、玻璃、硅及其化合物等材质的纳流控芯片制作。加工技术一般包括图案转移——刻蚀——封合等几个步骤。为获得纳米通道，越来越多的光学和聚焦束光刻技术，代替通用的标准紫外光刻，被用于图案转移之中，如远紫外光光刻、电子束光刻、聚焦离子束光刻、质子束刻写等技术。但是这些光刻技术都需要特殊而且昂贵的仪器设备，很难在一般实验室中得到普及。刻蚀技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀，干法刻蚀往往也需要特殊的仪器设备。另外，由于纳米尺度下，通道易变形塌陷或堵塞，封合成为纳流控芯片加工的关键，也是技术难点。根据芯片所用材质不同，目前文献报道的主要采用阳极键合、高温键合、微波辅助键合、粘合剂进行辅助封合等。但是这些封接技术也都存在一定的问题，如采用高温和阳极键合易使纳米通道塌陷，而使用粘合剂封合时很容易使纳米通道堵塞。

目前纳流控分析***大多采用纳米与微米通道连接的方式集成，使用微米通道将样品引入纳米通道，进行反应、分离和检测。Pu等[Pu Q S，Yun J S，Temkin H，Liu S R.Nano Lett.，2004，4：1099]和Campbell等[Campbell L C，Wilkinson M J，Manz A，et al.Lab on Chip，2004，4：225]利用掩膜加工法，先在一块玻璃基片上加工形成微米通道，在另外一块玻璃基片的相应位置加工纳米通道，然后上下对准封结而成微-纳流控一体化芯片，但是这种对准封结技术难度很大，成功率低。在半导体工业，采用二次刻蚀技术刻蚀半导体材料，如硅基质[美国专利，专利号：5478438]。Tamaki等[Tamaki E，Hibara A，Kim H B，et al.J.Chronatogr.A，2006，1137：256]两次利用等离子刻蚀形成微-纳米一体化的硅材质芯片。Wang等[Wang Y C，Stevens A L，Han J.Anal.Chem.，2005，77：4293]利用二次标准紫外光刻和反应离子刻蚀技术，在同一硅片上同时加工形成微米和纳米通道。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、成功率高的玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法。

本发明提供玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，是分别设计、制作微米通道和纳米通道图案的掩膜；采用二次标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在同一块玻璃基片上制作微米和纳米通道网络结构；所制备的芯片由上下两片玻璃组成，一片是带有微米和纳米通道的玻璃基片，另一片是相同材料的玻璃盖片，基片和盖片在室温下封合形成微-纳米通道一体化的玻璃芯片：制作步骤为：

●在玻璃基片上加工微米通道：第一次利用标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在玻璃基片上经过曝光、显影、定影、老化光胶、去铬、刻蚀几个步骤，加工形成微米通道；

●在形成微米通道的玻璃基片上加工形成纳米通道：用丙酮去除带有微米通道的基片上的光胶，清洗干净，吹干，在玻璃基片上重新甩上光胶并固化光胶；第二次利用标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在玻璃基片上经过曝光、显影、定影、老化光胶、去铬、刻蚀几个步骤，加工形成纳米通道；

●基片和盖片封合：分别用丙酮和去铬液除去上述步骤2基片上的光胶和铬，获得带有微米和纳米通道的玻璃基片；用钻头在基片相应的位置上打出试样引入小孔；清洗基片和盖片，在去离子水的水流下两片结合，室温下静置1-3天，获得玻璃微-纳流控一体化芯片。

本发明所述掩膜采用Cowl draw软件分别设计微米和纳米通道图案，采用高分辨率(5080dpi或以上)的激光排照机打印出带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)胶片作为光刻掩膜。

本发明所述第一次标准紫外光刻中所用的掩膜为带有微米通道图案的掩膜，显影液为0.5％的NaOH水溶液(w/w)，定影液为去离子水，老化光胶是在110℃烘箱中放置15分钟。

本发明所述第一次化学湿法刻蚀所用的刻蚀液为：1mol·L^-1HF、0.5mol·L^-1NH₄F和0.5mol·L^-1HNO₃的混合溶液，通过控制刻蚀时间控制微米通道深度。

本发明所述除去铬层所用的去铬液为：25g硝酸铈铵、6.45mL高氯酸(70％)和110mLH₂O的混合溶液。

本发明所述固化光胶，将基片放入烘箱中，90℃下放置30min。

本发明所述第二次标准紫外光刻中所用的掩膜为带有纳米通道图案的掩膜，显影液为0.7％的NaOH水溶液(w/w)，定影液为去离子水，老化光胶是在110℃烘箱中放置15分钟。

本发明所述第二次化学湿法刻蚀所用的刻蚀液为：1.5×10^-2mol·L^-1HF、7.5×10^-3mol·L^-1NH₄F和7.5×10^-3mol·L^-1 HNO₃的混合溶液，通过控制刻蚀时间控制纳米通道深度。

根据本发明也可以通过多次标准紫外光刻、化学湿法刻蚀，在同一块基片上制作深度、宽度不同的各种微米或者纳米通道。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)整个玻璃微-纳流控芯片加工可以在普通实验室中进行，无需昂贵的仪器设备、无需超净实验室，加工成本低。

(2)通过两次标准光刻和湿法刻蚀，在同一玻璃基片上形成微-纳米一体化的通道，避免了利用分别在两块基片上刻蚀形成微米和纳米通道，然后对准封合这种方法所引起的上下基片中通道错位的情况，保证封合的准确度和成功率。

(3)工艺简单、易掌握。

附图说明：

图1是本发明玻璃微-纳流控一体化芯片的加工过程示意图。

图2是应用本发明及优选实例一的用于离子富集与消减分析的微-纳流控一体化玻璃芯片。

图3是应用图2所示的芯片，得到荧光染料FITC离子的富集与消减CCD记录图。

图4是应用本发明及优选实例二的用于DNA电泳分离分析微-纳流控一体化玻璃芯片。

图中：1-玻璃基片；2-铬层；3-光胶层；4-带微米通道构形的掩膜；5-紫外光；6-微米通道；7-新甩的光胶；8-带纳米通道构形的掩膜；9-纳米通道；10-试样引入小孔；11-玻璃盖片。

具体实施方式

实施例1：

参见附图1本发明玻璃微-纳流控一体化芯片的加工过程示意图：

(1a)紫外光刻；(1b)掩膜中微米通道的图案转移至玻璃基片上；(1c)除去已经曝光部分的铬；(1d)化学湿法刻蚀在基片上形成微米通道，并除去光胶；(1e)甩上新的光胶；(1f)紫外光刻；(1g)掩膜中纳米通道的图案转移至玻璃基片上；(1h)除去已经曝光部分的铬后，化学湿法刻蚀在基片上形成纳米通道；(1i)除去基片上的光胶和铬层；(1j)钻头钻出试样引入小孔；(1k)基片与盖片封接形成玻璃芯片。

本实施例制作的具体步骤为：

A.由Cowl draw软件设计掩膜图形，采用5080dpi分辨率的激光排照机打印出带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)胶片掩膜。掩膜形状如图2所示：2a表示带微米通道构形的掩膜4；2b表示带纳米通道构形的掩膜8；其中2a中U型通道宽为250μm，一条U型通道的长40mm；2b中直型通道长1mm，宽150μm。

B.将图2a掩膜形状的掩膜4置于玻璃基片1上方，玻璃基片上有铬层2厚145nm，光胶层3厚570nm，紫外光5对掩膜4进行紫外光刻，见(1a)，曝光1分钟；取下基片1，放入0.5％的NaOH水溶液(w/w)中显影1分钟，去除已曝光部分的光胶，见(1b)；在水流下冲洗2分钟，定影；吹干，放入烘箱中，110℃下放置15分钟，使光胶老化。

C.将基片1置于25g硝酸铈铵、6.45mL高氯酸(70％)和110mL H₂O的混合液中，除去已经曝光部分的铬，见(1c)。

D.基片1背面及侧面贴上胶带纸保护膜后，置于1mol·L^-1HF、0.5mol·L^-1NH₄F和0.5mol·L^-1HNO₃的混合溶液中，刻蚀20～60分钟；取出基片，用丙酮除去基片上的光胶，洗净吹干，在基片上形成微米通道6，见(1d)。

E.用匀胶机在基片1上甩上AZ4620型光胶7，见(1e)，甩胶速度900转/分，时间20秒，重复一次；然后将基片放置于烘箱中，90℃下放置30分钟，固化光胶。

F.将图2b掩膜形状的掩膜8置于玻璃基片1上方，紫外光刻，见(1f)，曝光30秒；取下基片1，放入0.7％的NaOH水溶液(w/w)中显影1分钟，去除已曝光部分的光胶，见(1g)；在水流下冲洗2分钟，定影；吹干，放入烘箱中，110℃下放置15分钟，使光胶老化。

G.将基片1置于25g硝酸铈铵、6.45mL高氯酸(70％)和110mL H₂O的混合液中，除去已经曝光部分的铬；

H.基片背面及侧面用贴上胶带纸保护膜后，置于1.5×10^-2mol·L^-1HF、7.5×10^-3mol·L^-1NH₄F和7.5×10^-3mol·L^-1HNO₃的混合溶液中，刻蚀10～20分钟，在基片上形成微米通道9，见(1h)；

I.取出基片，剥去胶带纸保护膜，用丙酮除去基片上的光胶，去铬液除去铬层，见(1i)；

J.用1-4 mm直径的金刚砂钻头，在微米通道入口处钻出四个试样引入小孔10，见(1j)。

K.基片1和盖片11依次用洗洁精清洗，自来水冲洗、去离子水淋洗，最后在去离子水的水流下，将基片1和盖片11合上，室温静置1～3天，制得的微米和纳米通道一体化的玻璃芯片(1k)。

参见图2c即为本发明制得的微米和纳米通道一体化的玻璃芯片，将上述玻璃微-纳流控芯片用于FITC离子的富集与消减实验，效果较好。图3为应用图2c的芯片，得到荧光染料FITC在纳米通道两侧的富集和消减CCD记录图。图中右端为阳极，左端为阴极，施加电压为100V，所示图像依次为在0s，1s，1.5s，3s，4s，5s，6s，7s，8s，9s，11s，13s时，纳米通道两端FITC离子的富集以及消减现象。

实施例2：

图4是本发明及优选实例二的玻璃微-纳流控芯片。该玻璃芯片由玻璃基片和盖片组成。基片中利用本发明加工有微米和纳米通道。首先采用图4a所示的掩膜作为第一次光刻的掩膜，即带微米通道构形的掩膜4，用1mol·L^-1HF、0.5mol·L^-1NH₄F和0.5mol·L^-1HNO₃的混合溶液刻蚀，在基片上形成微米通道和微结构；基片上甩上新光胶后，再采用图4b所示的掩膜作为第二次光刻的掩膜，即带纳米通道构形的掩膜8，用1.5×10^-2mol·L^-1HF、7.5×10^-3mol·L^-1NH₄F和7.5×10^-3mol·L^-1HNO₃的混合溶液刻蚀，在基片上形成纳米通道结构。采用该微-纳流控一体化芯片，可以进行DNA的电泳分离分析。4c通过本发明形成的微米和纳米通道局部区域CCD记录图。

Claims (5)

1.一种玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是分别设计、制作微米通道和纳米通道图案的掩膜；采用二次标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在同一块玻璃基片上制作微米和纳米通道网络结构；所制备的芯片由上下两片玻璃组成，一片是带有微米和纳米通道的玻璃基片，另一片是相同材料的玻璃盖片，基片和盖片在室温下封合形成微-纳米通道一体化的玻璃芯片：其制作步骤为：

(1)在玻璃基片上加工微米通道：第一次利用标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在玻璃基片上经过曝光、显影、定影、老化光胶、去铬、刻蚀几个步骤，加工形成微米通道，所述第一次光刻，是将微米通道的图案转移至涂有铬层和光胶层的玻璃基片上，第一次显影时显影液为0.5％w/w的NaOH水溶液，第一次化学刻蚀液的组成为1mol·L^-1HF、0.5mol·L^-1NH₄F和0.5mol·L^-1HNO₃的混合溶液；

(2)在形成微米通道的玻璃基片上加工形成纳米通道：用丙酮去除带有微米通道的基片上的光胶，清洗干净，吹干，在玻璃基片上重新甩上光胶并固化光胶；第二次利用标准紫外光刻和化学湿法刻蚀技术，在玻璃基片上经过曝光、显影、定影、老化光胶、去铬、刻蚀几个步骤，加工形成纳米通道，所述第二次光刻，是将掩膜纳米通道的图案转移至涂有铬层和新光胶层的玻璃基片上，第二次显影时显影液为0.7％w/w的NaOH水溶液，第二次化学刻蚀液的组成为1.5×10^-2mol·L^-1HF、7.5×10^-3mol·L-1NH₄F和7.5×10^-3mol·L^-1HNO₃的混合溶液；

(3)基片和盖片的封合：分别用丙酮和去铬液除去上述步骤(2)基片上的光胶和铬，获得带有微米和纳米通道的玻璃基片；用钻头在基片相应的位置上打出试样引入小孔；清洗基片和盖片，在去离子水的水流下两片结合，室温下静置1-3天，获得玻璃微-纳流控一体化芯片。

2.根据权利1中所述的玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是采用Cowl draw软件分别设计微米和纳米通道图案，采用分辨率在5080dpi以上的激光排照机，打印出带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯胶片作为光刻掩膜。

3.根据权利1或2所述的玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是所述的定影需要定影液，所述的定影液为去离子水，老化光胶，将基片放入烘箱中，在110℃放置15分钟。

4.根据权利1所述的玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是所述的固化光胶，将基片放入烘箱中，90℃下放置30分钟，使光胶固化。

5.根据权利1所述的玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法，其特征是所述的去铬：去铬液由25g硝酸铈铵、6.45mL浓度为70％的高氯酸和110mLH₂O混合组成。

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