145_091-022AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
|
|
| 玻璃微流體晶片之製程方法(全文下載)
|
|
| 二、申請人： 共 人
|
|
| 指定 為應受送達人
|
|
| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
|
|
|
| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
|
|
| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
|
|
| □ 主張專利法第二十六條微生物：
|
|
| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明係利用微機電製程技術，提出一種玻璃微流體晶片之製程方法，主要係以光阻作為玻璃蝕刻罩幕，可快速以標準光刻程序定義蝕刻圖案，並經由一特殊烘烤程序以降低光阻層與玻璃基板間之殘留應力，最後利用熱熔融接合法以封裝玻璃晶片，該接合技術不需複雜之升降溫程序，而得完整接合且材料性質一致之玻璃晶片。本發明之製程技術係可用於製成各式以玻璃為基材之微流體晶片。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
|
|
| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| [發明所屬之技術領域]
本發明係提供一種玻璃晶片製程方法，用於在玻璃基板中製作各式微流體晶片，其中包含三大部份，第一：發展利用光阻作為玻璃濕式蝕刻之蝕刻罩幕；第二：玻璃蝕刻技術之開發及第三：玻璃接合技術之發展，其可應用於各式生物晶片、整合型微流體晶片、微型化學反應晶片…等之開發。 【發明背景】 近年來，由於微小化分析裝置本身輕薄短小、反應快速以及消耗樣本少等優勢，使得它在生物醫學和化學分析等研究領域裡被廣泛地研究。在分析裝置的製程上也趨於更多樣化，各種不同的材質被納入研究的範圍，如玻璃、石英、矽、PDMS、高分子材料等，其中，以玻璃為基材的微流體晶片最具有發展潛力。玻璃這種材質，自多年以前就被廣泛的使用在多種實驗容器、設備的製造上，因此關於玻璃的種種化學及物理性質，大家均相當熟悉，若要將研究平台轉換到微流體的尺度上所遭遇到的困難比其他材質將能夠降到最低。而且玻璃對於機械應力的承受度、化學物質的抵抗能力、電的絕緣性以及光學穿透波長的範圍等性質都遠遠高過其他的材質。雖然以玻璃為基材的檢測裝置有以上許多的優點，不過在製程上卻常遭遇到一些困難，限制了玻璃基材的使用。 現行利用溼式蝕刻在玻璃基材上製作微管道的方法，多為利用石英或硼玻璃為製作基材，此兩種材料雖具有良好之光學及化學性質，但其價格較為昂貴，且蝕刻速率緩慢，必須長時間的蝕刻方能達到所需之管道深度。因此，利用石英或硼玻璃做為玻璃晶片之基材，必須製作一可以長時間抵擋蝕刻液侵蝕的蝕刻罩幕(etch mask)。傳統製程上，必須使用薄膜沈積技術在玻璃的表面鍍上一層金屬薄膜做為蝕刻罩幕。因此，必須使用到真空鍍膜製程，該製程為一昂貴且費時的程序，並不適合快速、低成本的大量生產。 有鑑於此，許多人提出以高分子聚合物的薄膜做為玻璃蝕刻罩幕的想法。根據Mathies發表的文獻指出，利用型號Shipley 1400-31的正光阻塗布在玻璃基材上當作蝕刻罩幕，可以在蝕刻緩衝液(buffered oxide etchant, BOE)中承受15分鐘的蝕刻，約可蝕刻出大約8 μm的深度。另外，在Stjernstrom提出的報告中，利用Shipley 1813正光阻做為蝕刻罩幕，在氫氟酸的緩衝液中進行玻璃蝕刻。為了使得蝕刻罩幕在蝕刻液中不致太早剝落，這兩篇研究均延長了光阻塗布後軟烤的時間，其烘烤過程達80分鐘以上，但其蝕刻罩幕僅能在蝕刻液中抵擋十幾分鐘，因此無法獲得較深之微管道結構。 對於微流體晶片來說，表面的粗糙度以及蝕刻後的幾何形狀將會大大地影響晶片的效能。在Delahaye等人的文獻中指出，對於成分較複雜的玻璃(如鈉玻璃)在酸性蝕刻液中蝕刻後，表面會非常粗糙，並且有白色沉澱物附著在表面上。該沉澱物乃在蝕刻過程中產生，並且附著在玻璃的表面上，嚴重影響蝕刻品質而造成玻璃蝕刻後表面粗糙。 在晶片接合技術上，低溫的接合方式已經被廣泛地使用在玻璃接合的應用上，如氫氟酸接合法或黏著層接合法…等。利用氫氟酸接合法進行玻璃接合，勢必對微管道表面的粗糙度產生不良的影響，並會改變蝕刻後之管道寬度，而且其接合強度也不高，無法承受太大的外加壓力，使得應用的範圍受到限制。再者利用氫氟酸進行玻璃接合，必須對玻璃基板進行嚴格之清洗程序，若有任何微小粒子附著於玻璃基板上，將使得接合失敗。因此該法之結合成功率不高。若利用黏著層進行玻璃接合，同樣存在接合強度不高之問題。更嚴重的是，利用黏著層接合往往會造成微管道之阻塞，因此失敗率極高。 傳統之高溫熔融的接合方式，提供了極高的接合強度以及沒有任何接合物質的殘留。因此，高溫熔融的接合方式被廣泛地應用在玻璃基材的接合上。一般而言，含硼玻璃融熔接合的溫度大約在650℃~800℃之間，而持溫的時間在6小時至8小時左右，而石英則必須高達1300℃以上，其中並不包括升溫及降溫冷卻的時間。換言之，熔融接合的方式是個相當耗時的製程。 【發明概述】 有鑑於習知玻璃晶片製程之缺點與弊端，本發明係提供一種玻璃微流體晶片之製程方法，至少包含下列程序：提供一玻璃基材作為晶片下板；塗佈光阻於前述晶片下板上；烘烤程序；曝光程序；光阻顯影；玻璃蝕刻程序；剝除光阻程序；提供另一玻璃基材作為晶片上板；於前述晶片上板上鑽孔；及以熱熔融方式接合前述晶片上板及下板。 前述之製程方法進一步包含一玻璃基板清洗之程序，係實施於接合晶片上板及下板之程序前。 前述玻璃基材可為鈉玻璃、硼玻璃、鉛玻璃、PYREX玻璃或石英等各種玻璃材質均可，其中較佳係為鈉玻璃。 前述之烘烤程序包含一軟烤程序(較佳溫度為90-100℃)，係實施於塗佈光阻於晶片上板後之程序，及一硬烤程序(較佳溫度為100-150℃)，係實施於光阻顯影後之程序。 前述之光阻可為正型或負型光阻劑，其中較佳係為AZ4620之光阻劑，前述光阻係可以標準光刻程序定義蝕刻圖案。 前述利用光阻作為玻璃蝕刻罩幕係可免除昂貴複雜之金屬鍍膜程序，並獲得良好之蝕刻結果。 前述玻璃蝕刻技術，係利用化學方法將蝕刻過程所產生的沈澱物去除，可得到表面平整度良好之蝕刻結構，並增加蝕刻速率達每分鐘一微米，較石英及硼玻璃之蝕刻速率快數十倍。 前述玻璃接合技術，進一步係可利用基板作為接合時之墊片，以提供良好之接合平整度。該接合技術配合控制升降溫速率及持溫時間，使玻璃得以在六小時之內完成接合，並獲得極佳之接合強度。 前述基板材質例如：陶瓷基板、不鏽鋼板、碳化矽板、碳化鎢板、氧化鋁板、氧化鋯板…等任何耐熱材質均可，其中較佳係為陶瓷基板。 本發明係提供一種製作成本低廉、製作時程短、可應用於玻璃基材上卻又不失可靠性之製程技術，用於製成各式微流體晶片。 [圖式簡單說明]
【發明之詳細說明】 如圖一所示，本發明所提供之玻璃微流體晶片之製程方法，主要包含下列程序：首先如圖一(A)所示，提供一玻璃基材作為晶片下板1，並於其上塗佈一光阻層2進行軟烤；接下來如圖一(B)所示，利用一設計之光罩3進行曝光；之後如圖一(C)所示，進行光阻顯影並將顯影後之晶片下板1進行光阻之硬烤，以增加光阻在蝕刻緩衝液中所能抵擋蝕刻液侵蝕之時間；之後如圖一(D)所示，進行玻璃蝕刻之程序以製成預定之微管道4；接著如圖一(E)所示，將殘留之光阻層2剝除，即完成晶片下板1之製程；接下來，如圖一(F)所示，提供另一玻璃基材作為晶片上板5並於預定位置鑽孔以形成孔洞6；之後如圖一(G)所示，先將晶片上板5及晶片下板1以化學方法清洗玻璃表面之沉澱物及雜質，之後將晶片上板5及下板1對位，再於兩片晶片之間滴上少許去離子水形成水膜7，使兩片晶片之間暫時黏合，最後，如圖一(H)所示，以熱熔融方式接合前述晶片上板5及下板1，即可完成該微流體晶片10之製程。 前述圖一(H)程序中，係可進一步藉由兩片基板15作為接合時之墊片，亦即將晶片上板5及晶片下板1固定於兩片基板15之間，如圖二所示，可以提供一平整之表面以及熱熔融接合時所需之微小壓合力量。前述基板15之材質例如：陶瓷基板、不鏽鋼板、碳化矽板、碳化鎢板、氧化鋁板、氧化鋯板…等任何耐熱材質均可，其中陶瓷基板可耐高溫、不變形之特性，因此作為玻璃高溫接合之墊片最佳。當然，圖一(H)之程序中亦可不使用任何基材作為墊片，只將上、下玻璃板置於高溫爐中亦可完成接合程序。 本發明之製程方法發展出一種快速、可靠的光阻製程，適當利用光阻附著層(adhesive layer)以提高光阻之附著力，並利用一改良之烘烤程序，使得留在玻璃基材以及蝕刻罩幕之間的殘留應力得以降低，而延長光阻在蝕刻液中之抵擋時間。根據實驗資料指出，本發明使用之AZ4620的光阻，經過本製程所發展之烘烤程序，可以在具有超音波震盪的情況下，於蝕刻緩衝液中抵擋超過70分鐘以上之時間，並可獲得超過60微米以上之蝕刻深度。 另外，本發明提供一個全新的蝕刻方式，利用超音波震盪以及獨創之沈澱物去除技術，可以大幅增加蝕刻速率，並有效地改善蝕刻後表面粗糙度的問題，而得到一表面平滑之蝕刻表面。 此外，在本發明所發展的製程中，提出一個新的熔融接合的步驟，不僅能夠在六小時之內完成接合之升降溫程序，縮短接合所花費的時間，並可獲得一快速、可靠且強度極佳之接合結果。 本發明之一種玻璃微流體晶片之製程方法，其優點及過程將透過下列實施例作進一步之說明。 【實施例一】 材料：一般市售的顯微鏡用載玻片或各式表面拋光處理過的鈉玻璃，作為本發明之玻璃基材。玻璃基材在使用前必須經過在400℃的高溫中烘烤4個小時的退火程序，以除去殘留在玻璃基材中的應力。 清潔：所有玻璃基材在使用之前必須置於沸騰的Piranha溶液(H2SO4(%):H2O2(%)=3:1)中煮過10分鐘，接著將之取出並以去離子水(DI water)沖洗乾淨及以乾燥空氣吹乾，然後將吹乾的玻璃基材放在100℃的電熱板烘烤3分鐘，以便將玻璃表面的水分子徹底去除。 蝕刻圖案微影：待玻璃基材冷卻後，將它置於一密閉容器中，並在容器裡滴入數滴HMDS (hexamethyldisilazane)溶液，密封後放置約5分鐘。5分鐘後將玻璃基材取出，放在電熱板上以100℃烘烤3分鐘，待玻璃基材冷卻至室溫後，將AZ4620正光阻劑以旋轉塗布機均勻的塗佈在玻璃基材表面，接著以100℃烘烤3分鐘。光阻劑在軟烤之後的厚度大約是3 μm，之後進行曝光及顯影之程序。顯影完成之玻璃基材以乾燥的氮氣吹乾後進行硬烤。在光阻的硬烤上，採取兩階段逐漸增溫的方式來增加光阻在蝕刻緩衝液中能夠抵擋的時間，其步驟如下：首先將電熱板昇溫到100℃，並將乾燥後的玻璃基材置於其上，接著將溫度設定成150℃，開始加熱，待溫度升高到150℃時開始計時10分鐘，即完成硬烤程序。 蝕刻：硬烤後等待玻璃基材冷卻，將其浸泡在蝕刻緩衝液(BOE 6:1)中來進行微管道的蝕刻，而整個蝕刻環境是放置在超音波震盪槽中。在蝕刻的過程中，會產生沉澱物附著在微管道的表面，此時利用1M濃度的鹽酸除去微管道表面的沉澱物以免影響蝕刻品質。因此，每隔5分鐘，就將玻璃基材從蝕刻液中取出，先以去離子水沖洗，再將其放置於鹽酸溶液裡浸泡，並稍微晃動攪拌時間約10-15秒。完成後亦先以去離子水浸泡，再放回蝕刻液中進行蝕刻。如此反覆進行，直到完成所設定之蝕刻深度，即完成玻璃微流體晶片下板之製程。 熔融接合：將前述已經蝕刻完成的晶片下板以及鑽完孔的上板(晶片上板係由另一塊玻璃基材於特定位置鑽孔而製成)，置於煮沸的Piranha溶液中10分鐘，以進行玻璃表面的清潔，之後將晶片上、下板對位，並在兩塊玻璃板之間滴上少許的去離子水，利用大氣壓力將兩塊玻璃板"黏"起來後，再利用兩片陶瓷基板作為墊片將上、下兩片玻璃板夾合固定後再置於燒結爐中。利用高溫將玻璃加溫至稍微熔融的狀態，使晶片上板及下板相互接合。前述升溫速率為5℃/分鐘，並在580℃的狀態下持溫10分鐘後降溫，以完成該微流體晶片。 圖三係顯示光阻蝕刻罩幕8在蝕刻後之電子顯微鏡影像圖。光阻蝕刻罩幕8在經過氫氟酸緩衝液一段時間蝕刻後，仍完好地附著於玻璃基材9上，絲毫沒有被侵蝕的現象，其顯示利用本製程所製作之光阻蝕刻罩幕8，具有可長時間抵擋玻璃蝕刻液侵蝕之能力。 圖四係顯示蝕刻完成且剝除光阻後之玻璃晶片之上視圖。利用塗佈於玻璃基材上之光阻薄膜做為玻璃之蝕刻罩幕，玻璃在蝕刻後可得到良好幾何形狀定義，即使如圖四虛線部分所示之極尖銳的角，亦可獲得良好之蝕刻結果。圖五係顯示將晶片上板及下板熱熔融接合後之玻璃微流體晶片之斷面圖。玻璃在經580℃接合後，晶片上、下板合而為一，中間之介面在接合後消失，顯示其接合效果極為良好。該接合技術不僅提供材料性質均一之微管道表面，且晶片上、下板間無任何介面，可避免因接合時產生之縫隙影響微流體晶片分析時之效能。 圖六係顯示以原子力顯微鏡掃瞄蝕刻後之玻璃表面之表面型態圖。由圖可知，其蝕刻後之表面平整度良好，經實際量測蝕刻後之玻璃表面(面積為7×7 μm2)，其平均表面粗糙度(Ra)為18.95埃，與玻璃蝕刻前之粗糙度無異，顯示利用本發明之製程進行玻璃蝕刻，可提供高品質且可靠之蝕刻結果。 本發明為一技術平台之開發，可用於製作各式之微流體晶片，以下將透過不同實施例進一步說明利用本發明之製造方法製成之各式微流體晶片及其後續應用。 【實施例二】 圖七所示係為利用本發明所製作之十字型毛細管電泳晶片11，其微管道4深度為40微米、寬度為100微米，晶片11上設有複數個孔洞6作為液體進出之用。本實施例操作樣本為10-4 M之Rhodamine B與6.5x10-3 M之Cy3染料之混合溶液，操作時之注射電壓為1.2 kV，分離電壓為2.0 kV。圖八係顯示利用本發明所製作之十字型毛細管電泳晶片11分離染料混合物之圖譜，結果顯示，該晶片可順利分離兩種染料，且Cy3染料之三個水解產物均可以被順利分離，此顯示該十字型毛細管電泳晶片11具有良好之分離效率；此外，經三次連續注射相同樣品後，由圖八顯示該晶片11亦具有良好之再現性。 為證明本製程所製作之晶片可以進行生物樣本之檢測，本實施例係利用FITC染料所標定之多胜肽(polypeptide)做為樣本，進行電泳分析。該多胜肽之氨基酸序列為AEEEIYGVLFAKKKK(純度70%，分子量2111.39, Sigma, USA)，操作之樣品液係將250 ppm多胜肽溶於1 mM之磷酸鈉溶液中(sodium phosphate)，其注射以及分離電壓分別為1.2 kV及2.0 kV。圖九係顯示利用本發明所製作之十字型毛細管電泳晶片11分離多胜肽之圖譜，結果顯示，該晶片11不僅可以穩定的電滲透流注射樣品進入分離管道中，並可在分離管道中順利分離生物樣品，此外，經四次連續注射相同樣品後，由圖九顯示該晶片11亦具有良好之再現性。 【實施例三】 圖十係顯示以本發明之方法所製作之微流體細胞計數晶片12，其係包含微管道4及孔洞6，其可應用於細胞樣本之計數、檢測、分類，並可整合光纖結構13，以進行晶片內之即時檢測。 【實施例四】 圖十一係利用本製程所製作之連續進樣電泳晶片14，其微管道4最寬處為3毫米，在晶片上下板接合後絲毫沒有塌陷或黏著之情形發生，其顯示本製程之接合技術，可接合大管道之玻璃晶片。該晶片14可應用於生物樣品之連續進樣，以進行長時間之動態量測。 【發明之功效】 本發明係提供一種玻璃微流體晶片之製程技術，用於在玻璃基板中製作各式微流體晶片，相較於習知之技術，其優點如下：1、本發明之製程技術係可適用於各種玻璃基材，其價格僅為傳統使用石英或硼玻璃製程技術之數十分之一至數分之一。2、本發明採用簡單之正光阻做為玻璃蝕刻罩幕，且由標準之光刻顯影程序定義蝕刻之圖案，免除金屬鍍膜或化學氣相沈積等複雜、昂貴、耗時之程序，因此可以降低成本，大幅縮短製程時間。3、本製程發展一光阻烘烤程序，不僅沒有複雜之升降溫程序，且全部烘烤過程僅需約十五分鐘，可改善傳統必須長時間烘烤光阻之缺點，並獲得一可以抵擋蝕刻液約七十分鐘以上之光阻層。4、本製程提出一獨創之玻璃蝕刻程序，在超音波震盪下進行蝕刻，且可配合特殊之化學方法去除沉澱物而獲得一極為平整之蝕刻表面，且其蝕刻速率可達每分鐘一微米，因此可以快速達到所需之蝕刻深度，縮短製程時間。5、本製程提出一快速熱熔融接合方式進行玻璃接合，其不僅不需要複雜嚴格之清洗程序，亦不需要冗長之升降溫過程，僅需在580℃中持續十分鐘，即可獲得接合強度極佳、微管道之表面性質均一之微流體晶片。6、本發明所發展之製程極短，其可在十小時之內完成包含晶片接合之所有步驟，比較於傳統製程技術在接合過程就必須花費十數小時以上，本製程乃係現有揭露之文獻報導中製程費時最短之技術。7、本製程乃一製程技術平台，其可以製作各式玻璃微流體晶片，應用範圍極廣，且其快速可靠之製程特性，非常適合商業化之需求。 [圖式簡單說明] 圖一(A)至圖一(H)係顯示本發明之玻璃微流體晶片之製程流程圖。 圖二係顯示圖一(H)中利用基板固定晶片上下板之示意圖。 圖三係顯示光阻蝕刻罩幕在蝕刻後之電子顯微鏡影像圖。 圖四係顯示蝕刻完成且剝除光阻後之玻璃晶片之電子顯微影像圖。 圖五係顯示玻璃晶片上下板經熱熔融接合後之斷面圖。 圖六係顯示以原子力顯微鏡掃瞄蝕刻後之玻璃表面之表面型態圖。 圖七係顯示以本發明之方法所製作之十字型毛細管電泳晶片。 圖八係顯示以圖七之十字型毛細管電泳晶片分離染料混合物之圖譜。 圖九係顯示以圖七之十字型毛細管電泳晶片分離多胜肽生物樣本之圖譜。 圖十係顯示以本發明之方法所製作之微流體細胞計數晶片。 圖十一係顯示以本發明之方法所製作之連續進樣電泳晶片。
|
|
| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種玻璃微流體晶片之製程方法，至少包含下列程序：提供一玻璃基材作為晶片下板；塗佈光阻於前述晶片下板上；對晶片下板施以烘烤程序；對晶片下板施以曝光程序；對晶片下板施以光阻顯影程序；對晶片下板施以玻璃蝕刻程序；對晶片下板施以剝除光阻程序；提供另一玻璃基材作為晶片上板；於前述晶片上板鑽孔；及以熱熔融方式接合前述晶片上板及下板。 2.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，進一步包含一玻璃基板清洗之程序，係實施於接合晶片上板及下板之程序前。 3.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述玻璃基材係可為鈉玻璃、硼玻璃、鉛玻璃、PYREX玻璃以或石英。 4.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述玻璃基材較佳係為鈉玻璃。 5.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述烘烤程序包含：軟烤程序，係實施於塗佈光阻於晶片上板後之程序；及硬烤程序，係實施於光阻顯影後之程序。 6.如申請專利範圍第5項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述軟烤之溫度較佳係為90-100℃。 7.如申請專利範圍第5項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述硬烤之溫度較佳係為100-150℃，並以兩階段逐漸增溫之方式進行。 8.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述光阻係可為正型或負型光阻劑。 9.如申請專利範圍第8項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述之光阻劑較佳係為AZ4620之光阻劑。 10.如申請專利範圍第1項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，進一步包含將晶片上板及晶片下板固定於兩基板之間，以利於熱熔融接合。 11.如申請專利範圍第10項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述基板係可為陶瓷基板、不鏽鋼板、碳化矽板、碳化鎢板、氧化鋁板、氧化鋯板等任何耐熱材質均可。 12.如申請專利範圍第11項所述之玻璃微流體晶片之製程方法，其中前述基板較佳係為陶瓷基板。 |
|
| 十一、圖式： | |
                  |
|
瀏覽數:
分享