基于玻璃基材的微流控芯片加工工艺介绍

微流控芯片是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上， 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域，具有广泛应用的前景和市场。

玻璃作为微流控芯片的重要基材之一，具有非常好的透明性、化学稳定性、大范围的光吸收系数以及较好的生物兼容性等优点。基于玻璃基材的微流控芯片制造工艺已成为微流控芯片研究中的一个核心技术。

据了解，目前市场上用来制造微流控芯片的玻璃种类主要有钠钙玻璃、硼硅玻璃以及石英玻璃等。如下图所示。

  钠钙玻璃通常含有较多的杂志成分，而且成本低廉，在建筑、日用玻璃制品方面应用较多。硼硅玻璃因其具有较低的膨胀系数、较高的耐热性、较高的强度及硬度、透光率高和稳定性强等优点也被广泛地应用于各个行业。石英玻璃因其具有超高的耐温性能、以及良好的化学稳定性和光学性质，通常被用来制造光化学仪器产品等。

微流道是微流控芯片的基本组成部分，尺寸一般在几十微米到几百微米宽，其中玻璃材料是制备微流道的高性能材料，现有常用的加工玻璃微加工工艺有湿法刻蚀、干法刻蚀、机械加工、超声波加工、激光加工、粉喷加工以及玻璃热成型等。

湿法刻蚀是加工玻璃微流道的基本工艺，可是该工艺需要的设备较为昂贵；干法刻蚀玻璃刻蚀速率较慢，刻蚀深度浅，同时刻蚀锥度也影响着刻蚀的垂直度，尤其是在加工成本方面比较高昂；机械加工工艺在MEMS微加工中比较常用，但是考虑到玻璃的脆性，使得玻璃微机械加工较为困难，而且玻璃微机械加工需要特定的刀具，同时在切割和打磨时还需要注意控制玻璃应力，难度较大，因此机械加工玻璃微结构较少；激光加工是一种非接触式加工方法，可以利用脉冲激光等特殊工艺实现玻璃激光打孔，具有工艺简单、非接触式加工、污染小、加工速度快、以及图案直写不需要掩膜等优点；应用于玻璃微加工的粉喷技术的优点是加工速度快，远远超过了干法和湿法刻蚀的速度，但是这种技术无法实现微米级别的加工精度，而且加工表面粗糙，所能加工的形貌也有局限性。玻璃热成型工艺在玻璃微加工技术中应用较少，而且微流控领域需要大面积的流道结构，采用该工艺将会使得过程更加复杂，成本更高。

微流控芯片的键合是微流控芯片制作至关重要的一道工艺，玻璃材质的微流控芯片通常采用的键合工艺包括热键合、低温键合、阳极键合等，来实现基片与盖片的封装。

热键合就是将要键合的玻璃片直接面对面的接合，再将接合的玻璃芯片置于特定炉中加热，作高温退火处理，使两表面的原子相互反应，形成化学键，从而让两玻璃片接合。低温键合是不采用高温设备以及高温环境，通过辅助手段对玻璃材质的芯片进行键合。当两晶圆片接合两端为导体（或半导体晶圆材料）及内含离子之绝缘体时可使用阳极键合法做晶圆键合。