一种玻璃微流控芯片的低温键合方法技术

本发明专利技术涉及一种玻璃微流控芯片的低温键合方法，其特征在于具体包括（１）在腐蚀出相应图形和完成储液池打孔加工后基片进行表面清洗；（２）基片预键合，清洗后的基片和盖片用去离子水冲洗后，直接在去离子水中将基片和盖片的键合面贴合在一起，转移到培养皿中，然后放置到真空干燥箱中，干燥温度为９０－１１０℃，抽真空使真空度达６０－９０Ｐａ并保持真空２ｈ完成基片预键合；（３）基片预键合后退火，提高键合强度，在预键合好的基片上面施加０．２－０．４ＭＰａ的压力，同时将真空干燥箱的温度设定为１８０－２１０℃，抽真空真空度为６０－９０Ｐａ保持６ｈ后关闭电源，自然冷却至室温。键合过程在非净化条件下完成，基片预键合仅需真空干燥箱中施加一定压力实现高温键合与退火。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种玻璃微流控芯片的低温键合制作方法，属于微细加工

技术介绍
微全分析系统(Micro Total Analysis Systems，μTAS)是上世纪90年代在分析化学领域发展起来的多学科交叉的新的研究方向，它以微电子机械系统(microelectromechanical systems，MEMS)为基础，以生命科学为主要研究对象，在不同材料的基片上设计并加工出适合生化分析的各种微管道网络，用于此目的的芯片常称为微流控芯片。制作微流控芯片的材料很多，包括硅、石英、普通玻璃以及PDMS、SU-8等聚合物，而玻璃(包括石英和普通玻璃)由于其优良的光学特性，在微流控芯片的研究中应用较多。对于玻璃微流控芯片的制作，涉及到许多MEMS加工制作过程和方法，包括光刻、腐蚀以及键合等步骤。作为芯片制作的最后一步，键合效果的好坏直接决定了芯片制作的成败。传统的键合方法，如热键合、阳极键合等，键合的整个过程需要在净化室完成，芯片键合前的表面处理可在较低等级的净化间完成，而芯片预键合以及芯片退伙键合等过程则需要更高要求的净化条件，且键合的退火需要在高温下才可完成。高温的退火，就要求上下片子的膨胀系数应一致，否则在高温下由于膨胀不均，而导致键合失败。近年来发展了很多玻璃的低温或者室温键合技术，如Wang等1H.Y.Wang，R.S.Foote，S.C.Jacobson，J.H.Schneibe，J.M.Ramsey，Low temperature bonding for microfabrication ofchemical analysis devices，Sensors and Actuators B 45(1997)199-207.利用硅酸钠做粘合层，实现100℃下的低温键合，Nakanishi等2H.Nakanishi，T.Nishimoto，R.Nakamura，A.Yotsumoto，T.Yoshida，S.Shoji，Studies onSiO2-SiO2 bonding with hydrofluoric acid.Room temperature and low stressbonding technique for MEMS，Sensors and Actuators A 79 2000 237-244.利用HF酸，实现了室温下玻璃键合，但这些方法所需要的键合条件均较严格，需要在净化间进行。前者硅酸钠作粘合层键合改变了管道内壁形貌，且易发生管道堵塞现象，后者键合需要严格的HF酸浓度和压力，且HF酸对玻璃具有强烈的腐蚀作用，渗透性强。最近SUSS公司研制成功了一种低温键合仪器，可以实现多种材料的键合，如Si-Si，Si-SiO2以及SiO2-SiO2等的键合。但键合过程必须要求在超净环境中完成，且键合表面需要特殊的预处理过程，如兆声清洗，红外烘干等，这些都需要特殊的装置，仪器昂贵，一般实验室无法承受。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决上述键合方法不足之处，提出了一种简单的、可在一般实验室完成的玻璃芯片低温键合方法。该键合为永久键合，键合强度完全满足实验要求，该键合方法键合成功率高，可达95％以上。为实现本专利技术的目的需要解决的技术是，1、完成基片表面的严格清洗等预处理过程，更好的激活键合表面，增加表面的-OH；2、在非净化条件的实验室完成芯片预键合过程；3、在非净化条件的实验室完成退火过程，提高键合强度，实现基片的永久键合。本专利技术提供的玻璃微流芯片的低温键合方法是，首先分别用丙酮、乙醇、Piranha洗液(H2SO4:H2O2)、RCA1、RCA2、氨水亲和液烧煮、浸泡等完成基片键合表面的严格清洗，然后在去离子水中贴合后，直接转移到真空干燥箱中实现基片预键合；预键合后，在基片上加一定压力在真空干燥箱中完成键合退火过程，从而提高键合强度。具体的说，本方法提供了一种简单，适合普通实验室的玻璃芯片低温键合技术。具体特征在于整个键合过程涉及以下步骤1基片键合表面严格清洗，通过氨水亲和液增加表面亲和性；2不需要进行基片烘干，直接在去离子水中将清洗好的基片贴合在一起，以避免空气中灰尘小颗粒对键合的影响。然后转移到真空干燥箱中，进行预键合；3预键合好后，给基片加压力，升高真空干燥箱温度，进行芯片退火过程，提高键合强度。所述的Piranha洗液的具体组成是H2SO4/H2O2的体积比为4∶1，烧煮8-15分钟，冷却后，用去离子水冲洗基片；所述的RCA1清洗，目的在于去除键合面表面的不溶有机物，具体配比为体积比NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5；加热至沸腾，继续加热3-7分钟；倒出RCA1洗液，再用去离子水洗清；所述的RCA2清洗液清洗，目的在于去除键合表面离子及重金属原子污物，配比为HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5，加热至沸腾后继续加热3-7分钟后倒出，用去离子水清洗；所述氨水亲和液清洗目的在于增加表面-OH，提高键合亲和性，具体配比是NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝6∶3∶1，加热至沸腾，保温20-40分钟，冷却后倒出亲和液。预键合时真空度为60-90Pa，90-110℃下2小时条件下完成预键合，预键合后退火条件是真空度为60-90Pa，施加0.2-0.4Mpa压力在180-210℃下退火6小时完成芯片低温键合。本专利技术具有以下优点和效果 键合过程可在非净化条件的一般实验室完成，芯片严格清洗后，通过氨水亲和溶液增加键合表面-OH，提高表明亲和性，提高预键合成功率；[2]无需烘干处理，直接在去离子水中将基片贴合后放在表面皿中，在真空干燥箱中，真空状态下完成芯片预键合；[3]基片预键合后，无需在高温烧结炉中，通过严格控制炉内温度的升温降温速度以完成高温退火，只需给基片施加压力，然后在200℃的真空干燥箱中真空状态下完成芯片退火，实现基片键合过程，制得芯片；[4]基片整个低温键合过程可在常规实验室完成，对键合环境要求底，无需特殊的键合仪器，键合成本低，键合好的芯片用于生物样品分析，在高电场下，电流稳定，芯片键合强度完全满足实验要求。附图说明图1为本专利技术提供的芯片预键合前表面清洗流程图a)丙酮乙醇超声清洗b)Piranha洗液烧煮c)RCA1(NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)清洗d)RCA2(浓盐酸∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)清洗e)氨水亲和溶液烧煮、浸泡图2为本专利技术提供的芯片预键合好之后，在芯片表面加压，并在真空干燥箱中进行退火；其中1表面加压方向；2盖片；3基片；4芯片加压石英垫块；5基片上腐蚀的微管道具体实施方式通过具体实施例毛细管电泳微芯片低温键合方法，进一步阐述本专利技术所提供之石英或者玻璃芯片低温键合方法。本专利技术包括三部分1、基片键合表面严格清洗预处理工艺2、基片预键合 3、基片低温退火实现键合基片键合表面的平整度、清洁度及亲和程度直接决定键合的成功率高低。对基片键合表面进行严格清洗，通过适当的方式增加表面的亲和性，以提高芯片预键合的成功率。实施例1 基片在腐蚀出相应图形以及完成储液池的打孔加工后，进行以下具体表面清洗过程1)首先用去离子水冲洗基片5min，然后分别用丙酮和乙醇各超声清洗5min，超声清洗后再用去离子水冲洗准备键合的基片5min；2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种玻璃微流控芯片的低温键合方法，其特征在于包括以下步骤：　　　　（１）基片在腐蚀出相应图形和完成储液池打孔加工后进行表面清洗，依次用丙醇和乙醇溶液、Ｐｉｒａｎｈａ洗液、ＲＣＡ１、ＲＣＡ２和氨水亲和液表面清洗，每次清洗后需用去离子水冲洗出去清洗液；　　　　（２）基片预键合，将步骤（１）清洗后基片和盖片用去离子水冲洗后，直接在去离子水中将基片和盖片的键合面贴合在一起，转移到培养皿中，然后放置到真空干燥箱中，干燥温度为９０－１１０℃，抽真空使真空度达６０－９０Ｐａ并保持真空２ｈ完成基片预键合；　　　　（３）基片预键合后退火，提高键合强度，在预键合好的基片上面施加０．２－０．４ＭＰａ的压力，同时将真空干燥箱的温度设定为１８０－２１０℃，抽真空真空度为６０－９０Ｐａ保持６ｈ后关闭电源，自然冷却至室温，完成退火过程。

【技术特征摘要】
1.一种玻璃微流控芯片的低温键合方法，其特征在于包括以下步骤(1)基片在腐蚀出相应图形和完成储液池打孔加工后进行表面清洗，依次用丙醇和乙醇溶液、Piranha洗液、RCA1、RCA2和氨水亲和液表面清洗，每次清洗后需用去离子水冲洗出去清洗液；(2)基片预键合，将步骤(1)清洗后基片和盖片用去离子水冲洗后，直接在去离子水中将基片和盖片的键合面贴合在一起，转移到培养皿中，然后放置到真空干燥箱中，干燥温度为90-110℃，抽真空使真空度达60-90Pa并保持真空2h完成基片预键合；(3)基片预键合后退火，提高键合强度，在预键合好的基片上面施加0.2-0.4MPa的压力，同时将真空干燥箱的温度设定为180-210℃，抽真空真空度为60-90Pa保持6h后关闭电源，自然冷却至室温，完成退火过程。2.按权利要求1所述的玻璃微流控芯片的低温键合方法，其特征在于基片表面清洗步骤依次是(1)首先用去离子水冲洗基片5min，然后分别用丙酮和乙醇各超声清洗5min，超声清洗后再用去离子水冲洗准备...

【专利技术属性】
技术研发人员：金庆辉，庄贵生，刘菁，贾春平，赵建龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]