CN113470847A - 一种波导型光镊芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导型光镊芯片及其制备方法，包括芯片基底；芯片包层，所述芯片包层设置在芯片基底的表面上；光波导，所述光波导设置在芯片包层中，所述光波导为至少两条，入射到至少两条光波导的光汇聚于一点，此点即为光汇聚点；微流道，所述微流道设于光汇聚点上，所述微流道穿过芯片包层、并深入到光波导层。本发明中通过在芯片中设置光波导，能够利用光波导进行光线传输，并将入射到光波导的光汇聚于一点，从而能够对微流道中的微米或纳米粒子进行光操作，在一定程度上减小了光镊结构的体积，降低了光镊结构的***复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，包括微流控芯片实验室、光镊微操纵技术以及生物医学光子学等交叉领域，特别是指一种波导型光镊芯片及其制备方法。
背景技术
光镊的概念最早由美国科学家Ashkin于1970年提出，由一束高度会聚的高斯激光在焦点处产生足够强的光阱梯度力，对微米乃至纳米尺寸的粒子进行捕获和操纵。光镊技术采用非接触式遥控工作模式、无需加工微操控部件，且不会对***控粒子或细胞产生机械损伤，在生物医学、原子物理、分散体系等方面得到了广泛的应用。光镊技术本身也由最初的单光束梯度力势阱发展到全息光镊技术、扫描光镊技术、特殊光束光镊技术、光纤光镊技术等方面；应用也由原有的光捕获发展到光致旋转、光致粒子分选、微小作用力测量等诸多方面。
传统光镊是基于光学显微镜***构建的，它通过光学显微镜物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，实现对微粒的捕获和操作。传统光镊***的主要结构为高精度光学显微镜，仪器体积庞大，***复杂笨重，价格昂贵，操作界面复杂，操作技能要求高，样品移动自由度小，限制了光镊的捕获范围。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种波导型光镊芯片及其制备方法，解决了现有技术中光镊***体积庞大、***复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种波导型光镊芯片，包括：
芯片基底；
芯片包层，所述芯片包层设置在所述芯片基底的表面上；
光波导，所述光波导设置在所述芯片包层中，所述光波导为至少两条，光波导的出射光汇聚于一点，此点即为光汇聚点；
微流道，所述微流道设于所述光汇聚点上，所述微流道穿过所述芯片包层，深入到所述光波导层。
优选地，所述光波导的折射率大于所述芯片包层的折射率，所述光波导的折射率比所述芯片包层的折射率大1%-10%。
优选地，相邻两光波导进光端口中心间距为127 μm的整数倍或250 μm的整数倍。
优选地，所述至少两条光波导分别位于所述微流道的两侧。
优选地，所述光波导为六条组成，三条光波导位于微流道的一侧，三条光波导位于微流道的另一侧，三条光波导均包括位于中间的一条和位于两边的两条。
优选地，位于边缘的两条光波导均包括竖直段和偏折段，所述竖直段与所述偏折段之间具有夹角a为135°到150°。
优选地，所述光波导的宽度和高度相同，均为5-10μm。
优选地，所述微流道的宽度为w2为80~400μm，深度h2为12~50μm。
优选地，所述光波导为掺锗的二氧化硅材料。
优选地，所述芯片包层为掺硼和磷的二氧化硅材料。
一种上述波导型光镊芯片的制备方法，包括：
在芯片基底上制备出下芯片包层；
在下芯片包层上制备出光波导层；
在所述光波导层上蚀刻出光波导；
在光波导上制备出上芯片包层，所述上芯片包层与所述下芯片包层形成一个整体为芯片包层；
在所述芯片包层上蚀刻出所述微流道，所述微流道穿过所述芯片包层，伸入到所述光波导层。
优选地，在所述光波导层上蚀刻出光波导的方法为：
在所述光波导层的表面旋涂光刻胶层；
将器件放置紫外光光刻机下曝光，紫外光刻机以光波导照射光刻胶层；再烘烤光刻胶层，之后自然降温；将器件放入PGMEA显影液中；去除被紫外光照射的光刻胶层；烘烤光刻胶层；再将器件放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，将带有光刻胶层的位置刻蚀掉，形成所述光波导。
本发明中通过在芯片中设置光波导，能够利用光波导进行光的传输，并将入射到光波导的光汇聚于一点，从而能够对微流道中的微米或纳米粒子进行光操作，这在一定程度上减小了光镊结构的体积，降低了光镊结构的***复杂度。本发明的光波导易于与光镊芯片集成，光波导能够达到光镊芯片的侧面，能够很容易地将光耦合进光波导中，并且能够在不破坏光波导的情况下在芯片上制备微流道，使得芯片具有较高的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图1所示，一种波导型光镊芯片，包括芯片基底1、芯片包层2、光波导3和微流道4，芯片包层2设置在芯片基底1的表面上，光波导3设置在芯片包层2中，光源发出的光信号在光波导3上传输。光波导3的出射光汇聚于一点，此点即为光汇聚点。微流道4设于光汇聚点上，为在芯片基底1上制备的微流控凹槽，用于盛放微流体，并使微流体流通。微流体3为带有需要操控微纳粒子的悬浮液。微流道4穿过芯片包层2中，并深入到光波导3。光信号输入构成光镊结构的光波导，输出后汇聚到一点，产生光阱，实现粒子的捕获与操控。
至少两条光波导3分别位于微流道4的两侧，光波导3的出射光从相对的两个方向入射到光汇聚点。相邻两光波导进光端口中心间距为127 μm的整数倍或250 μm的整数倍，可以和现有产业界通用的光纤阵列间距相匹配。
进一步地，光波导3由六条组成，三条光波导3位于微流道4的一侧，三条光波导3位于微流道4的另一侧，三条光波导3均包括位于中间的一条和位于两边的两条。位于边缘的两条光波导3均包括竖直段31和偏折段32，竖直段31与偏折段32之间具有夹角a，a为135°-150°。如图2所示，微流道4的一侧左侧的光波导和微流道4的另一侧的右侧的光波导在制备为一根光波导，中间的一条制备时为一根光波导，后被微流道4分为两根光波导。器件中光波导功率变化的捕获光波通过第一光信号输入组件和第二光信号输入组件输入到构成光镊的光波导3中，然后在多根光波导输出端输出多个自由传输光束，并稳定地捕获微流道4中的微纳粒子。第一光信号输入组件和第二光信号输入组件由光纤阵列构成，光纤中心间距为127 μm的整数倍或250 μm的整数倍，与光波导的输入端口距离相同，光纤个数与一端光波导个数相同。
光入射到光波导3之后，沿光波导3传播，最后从光波导3出射，入射到微流道4中的微流体中。
入射到光波导3中的光为非微流体吸收波段光。通过使入射到光波导3中的光为非微流体吸收波段光，能够减少微流体对入射到微流体中的光的吸收率，有利于光镊的进行。
光信号3的波长范围在可见光波段或者近红外波段均可选择，但必须避开芯片溶液即微流体中液体的吸收波段。例如当微流体为水时，在1550 nm波段具有强烈的吸收而在980 nm波段具有较少的吸收。采用980nm波长的光作为光波动3的入射光，而不采用1550nm波长的光作为光波导3的入射光。
光波导3的宽度和高度相同，均为7μm。光波导的宽度和高度也可以为5-10μm之间的任一值。通过将光波导3的宽度和高度相同，能够防止光发生偏振。光波导3的折射率大于芯片包层2的折射率。光波导3的折射两侧为1.4739，芯片包层的折射率为1.4450。
微流道4的宽度w2为80~400 μm，深度h2为12~50 μm。微流道4为设置在波导型光镊芯片的一条长方形凹槽，微流道4的长度为光镊芯片的长度。
芯片基底1可选用石英衬底或硅衬底。光波导3为掺锗的二氧化硅材料。芯片包层2为掺硼和磷的二氧化硅材料。通过使光波导3为掺锗的二氧化硅材料，芯片包层2为掺硼和磷的二氧化硅材料，能够使芯片包层2的折射率小于光波导3的折射率。
当注入的光功率大小相等时，根据波导型光镊的基本原理，微纳粒子会被俘获在光波导连线的中心即光汇聚点。反之，通过外部控制处于同一平面的每根光波导传输捕获光波的功率，从而对多个自由传输光束的干涉光场分布实施调控，实现对微纳粒子的捕获点的空间位置的调节，最终实现微纳粒子在平面内的二维扫描移动。而当向侧部的光波导3中注入光波后，该光波会从光波导端面出射，与之前所述光波一起汇聚形成强聚焦光束，该光束能够精准地俘获微纳颗粒。当向中间的光波导中通入光波时，从光波导端面出射的光波同样会汇聚形成强聚焦光束，若该光波会引起微纳颗粒发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒会在光波强辐射压力的作用下脱离上一光波的束缚并弹射出去。通过改变一侧的光波的功率可实现对强聚焦光束的传输路径的改变，这样微纳颗粒就会沿着传输路径被定向弹射到设定区域中。通过对光波的控制就可实现对微纳颗粒捕获点和弹射输运路径的调节与控制。
本发明的波导型光镊芯片，在二氧化硅平板光波导平台上通过半导体工艺制作。二氧化硅上包层和二氧化硅芯层间的折射率差为0.36%~2%，其计算公式为
，其中，n1为芯层折射率，n2为包层折射率，芯层的折射率大于包层的折射率。
实施例2，如图3所示，本发明提供了一种波导型光镊芯片的制备方法，其步骤如下：
步骤S1：在芯片基底上制备出下芯片包层。
在芯片基底上，通过热氧化法生长一层致密的12~18 μm厚的下芯片包层。在芯片基底上制备出的下芯片包层的厚度为15μm。制备下芯片包层所用的材料为掺硼和磷的二氧化硅材料。
步骤S2：在下芯片包层上制备出光波导层。
在下芯片包层上通过等离子体增强化学气相沉积法（Plasma-Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD）沉积得到h1=4~8μm厚的芯层。光波导层所用的材料为掺锗的二氧化硅材料。
在步骤S2，在下芯片包层上制备出光波导层，包括：在下芯片包层上通过等离子体增强化学气相沉积法（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）沉积得到7μm厚的光波导层。
步骤S3：在所述光波导层上蚀刻出光波导。
在步骤S3，在所述光波导层上蚀刻出光波导，包括：在所述光波导层上旋涂一层光刻胶层I；在所述光波导层上蚀刻出光波导并去除光刻胶层I。
通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻胶层I上与需要制备的光波导的结构相同（光刻胶层Ⅰ为正性光刻胶）或互补（光刻胶层Ⅰ为负性光刻胶）的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma, ICP）刻蚀方法，在下芯片包层上制备得到光波导，光波导宽度w1=4~8μm；然后再去掉光波导上的光刻胶层Ⅰ。
在所述光波导层上旋涂一层光刻胶层，包括：在掺锗的二氧化硅芯层表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2010光刻胶。
在所述光波导层上旋涂一层光刻胶层I，包括：以1000转/分的转速将光刻胶旋涂在光波导层的表面，形成光刻胶层，再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟进行前烘，之后自然降温固化。通过对光刻胶层前烘处理后自然降温固化，能够使光刻胶层在光波导层表面固化，提升光刻胶层与光波导层之间的结合力。通过控制转速1000转/分，旋涂时间20s，形成20μm厚的SU-8光刻胶层Ⅰ。
在光波导层表面旋涂形成的光刻胶层I的厚度为15μm-50μm，优选地，光刻胶层为20μm。
在所述光波导层上蚀刻出光波导并去除光刻胶，包括：将器件放置紫外光光刻机下曝光，紫外光刻机以光波导照射光刻胶层；再烘烤光刻胶层，之后自然降温；将器件放入PGMEA显影液中；去除被紫外光照射的光刻胶层；用去离子水清洗器件；烘烤光刻胶层；再将器件放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，将带有光刻胶层的位置刻蚀掉，形成所述光波导。
具体包括：将制备的器件放置在365nm的紫外光光刻机下，对版光刻，所用掩模版Ⅰ的结构、形状与需要制备的光波导的结构、形状相同，曝光20秒，紫外光透过光刻版照射光刻胶层实现光刻胶的变性；再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟的后烘，之后自然降温至室温；将器件放入PGMEA（Propyleneglygol-monomethylether- acetate）显影液中显影；将器件放入异丙醇中漂洗除去余胶即除去被紫外光照射的光刻胶层；用去离子水洗净器件上的反应液；将光刻胶层在125℃的温度下烘烤进行坚膜30分钟，形成SU-8 2010掩膜层，将光刻板上与需要制备的光波导结构相同的图形转移到SU-8光刻胶层Ⅰ上；再将器件放入感应耦合等离子体（Inductively CoupledPlasma, ICP）刻蚀机中进行干法刻蚀，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导，将没有光刻胶层的位置刻蚀掉，形成光波导。为了保证光波导的侧壁陡直，感应耦合等离子体刻蚀机ICP通入的保护气体为C4F8/SF8混合气体；再去掉二氧化硅芯层波导上的SU-8光刻胶层I，为了偏振不敏感，条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度w1和高度h1相同，优选地均为7μm。
将器件放置在365nm的紫外光光刻机下后，利用光刻机照射光波导，再通过异丙醇清洗，能够在光刻胶层上去除光波导，后续感应耦合等离子体刻蚀机，能够利用光刻胶层的图形结构在光波导层上刻蚀出光波导结构。
在所述光波导层上蚀刻出光波导并去除光刻胶，包括：将器件放置在365nm的紫外光光刻机下曝光20秒，紫外光刻机照射光波导之间的间隙；再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟，之后自然降温；将器件放入PGME（Propyleneglygol-methylether- acetate）显影液中；将器件放入异丙醇中去除被紫外光照射的光刻胶层；用去离子水清洗器件；将光刻胶层在125℃的温度下烘烤30分钟；再将器件放入感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma, ICP）刻蚀机中进行干法刻蚀，将非光刻胶区域蚀刻掉，形成光波导。将器件放置在365nm的紫外光光刻机下后，利用光刻机照射光波导之间的间隙，在通过异丙醇清洗，能够在光刻胶层显示出光波导，后续感应耦合等离子体刻蚀机，能够利用光刻胶层上的光波导在光波导层上刻蚀出光波导。
步骤S4：在光波导上制备出上芯片包层，所述上芯片包层与所述下芯片包层统称为芯片包层。
在已经制备出的光波导上通过PECVD法沉积得到12~18μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层即上芯片包层。上芯片包层的材料为掺硼或磷的二氧化硅材料。
下芯片包层和上芯片包层统称为芯片包层。制备出的芯片包层的折射率小于光波导的折射率。
在一种实施例中光波导的折射率为1.4739，芯片包层的折射率为1.4450。光波导的折射率比芯片包层的折射率大1%-10%，优选地，光波导的折射率比芯片包层的折射率大2%、4%、6%、8%。
步骤S5：在所述芯片包层上蚀刻出所述微流道，所述微流道穿过所述芯片包层，伸入到所述光波导层。
在步骤S5，在所述芯片包层上蚀刻出所述微流道，包括：在所述芯片包层上旋涂一层光刻胶层II；在所述光刻胶层II上蚀刻出所述微流道并去除所述光刻胶层II，所述微流道穿过所述芯片包层，伸入到所述光波导层。
通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的微流道结构相同（光刻胶层Ⅱ为正性光刻胶）或互补（光刻胶层Ⅱ为负性光刻胶）的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，刻蚀出微流道的结构凹槽，微流道宽度w2为80~400 μm，深度h2为12~50μm，最后除去光刻胶层Ⅱ。
在所述光波导层上旋涂一层光刻胶层II，包括：以1000转/分的转速将光刻胶旋涂在芯片包层的表面，形成光刻胶层，再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟，之后自然降温固化，能够使光刻胶层在芯片包层表面固化，提升光刻胶层与芯片包层之间的结合力。
在光波导层表面旋涂形成的光刻胶层II的厚度为15μm-50μm，优选地，光刻胶层II为20μm。
在所述光刻胶上蚀刻出所述微流道并去除所述光刻胶，包括：将器件放置在365nm的紫外光光刻机下曝光20秒，紫外光刻机照射微流道之外的部分；再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟，之后自然降温；将器件放入PGME（Propyle- neglygol-methylether -acetate）显影液中；将器件放入异丙醇中去除被紫外光照射的光刻胶层；用去离子水清洗器件；将光刻胶层在125℃的温度下烘烤30分钟；再将器件放入感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma, ICP）刻蚀机中进行干法刻蚀，将微流道上面的光刻胶区域蚀刻为微流道。
或者在所述光刻胶上蚀刻出所述微流道并去除所述光刻胶，包括：将器件放置在365nm的紫外光光刻机下曝光20秒，紫外光刻机照射微流道上；再以65℃的温度烘烤光刻胶层10分钟，以90℃温度烘烤光刻胶层20分钟，之后自然降温；将器件放入PGME（Propylenegly- golmethylether-acetate）显影液中；将器件放入异丙醇中去除被紫外光照射的光刻胶层；用去离子水清洗器件；将光刻胶层在125℃的温度下烘烤30分钟；再将器件放入感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma, ICP）刻蚀机中进行干法刻蚀，将不带有光刻胶的区域蚀刻成微流道，最后将器件表面的光刻胶去除。
本发明的优势在于：不仅节省了成本，简化了对汇聚光场的分析过程，而且拓展了波导型光镊技术在极端工作环境中工作的新功能，使其在光波导集成器件应用以及生物医学研究等领域有广泛的应用价值。
其他结构与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种波导型光镊芯片，其特征在于：包括：
芯片基底；
芯片包层，所述芯片包层设置在所述芯片基底的表面上；
光波导，所述光波导设置在所述芯片包层中，所述光波导为至少两条，光波导的出射光汇聚于一点，此点即为光汇聚点；
微流道，所述微流道设于所述光汇聚点上，所述微流道穿过所述芯片包层并深入到所述光波导层。
2.根据权利要求1所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述光波导的折射率大于芯片包层的折射率，所述光波导的折射率比芯片包层的折射率大1%-10%。
3.根据权利要求2所述的波导型光镊芯片，其特征在于：相邻两光波导进光端口中心间距为127 μm的整数倍或250 μm的整数倍。
4.根据权利要求1所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述至少两条光波导分别位于所述微流道的两侧。
5.根据权利要求4所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述光波导由六条组成，三条光波导位于微流道的一侧，三条光波导位于微流道的另一侧，三条光波导均包括位于中间的一条和位于两边的两条。
6.根据权利要求5所述的波导型光镊芯片，其特征在于：位于边缘的两条光波导均包括竖直段和偏折段，所述竖直段与所述偏折段之间的夹角a为135°到150°。
7.根据权利要求5所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述光波导的宽度和高度相同、均为5-10μm。
8.根据权利要求1所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述微流道的宽度为w2为80~400μm、深度h2为12~50μm。
9.根据权利要求1所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述光波导的材料为掺锗的二氧化硅材料。
10.根据权利要求1所述的波导型光镊芯片，其特征在于：所述芯片包层的材料为掺硼和磷的二氧化硅材料。
11.一种如权利要求1-10所述的波导型光镊芯片的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
在芯片基底上制备出下芯片包层；
在下芯片包层上制备出光波导层；
在所述光波导层上蚀刻出光波导；
在光波导上制备出上芯片包层，所述上芯片包层与所述下芯片包层形成一个整体为芯片包层；
在所述芯片包层上蚀刻出所述微流道，所述微流道穿过所述芯片包层，并伸入到所述光波导层。
12.根据权利要求11所述的波导型光镊芯片的制备方法，其特征在于：在所述光波导层上蚀刻出光波导的方法为：
在所述光波导层的表面旋涂光刻胶层；
将制备的器件放置紫外光光刻机下曝光，紫外光刻机以光波导照射光刻胶层；再烘烤光刻胶层，之后自然降温；将器件放入PGMEA显影液中，去除被紫外光照射的光刻胶层；烘烤光刻胶层；再将器件放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，将带有光刻胶层的位置刻蚀掉，形成所述光波导。
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