光刻工艺与刻蚀技术的研究

光刻工艺

光刻是用光刻胶、掩模和紫外光进行微制造 ,工艺如下 :

(a)仔细地将基片洗净;

(b)在干净的基片表面镀上一层阻挡层 ,例如铬、二氧化硅、氮化硅等;

(c) 再用甩胶机在阻挡层上均匀地甩上一层几百 A厚的光敏材料——光刻胶。光刻胶的实际厚度与它的粘度有关 ,并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比;

(d) 在光掩模上制备所需的通道图案。将光掩模复盖在基片上,用紫外光照射涂有光刻胶的基片,光刻胶发生光化学反应;

(e)用光刻胶配套显影液通过显影的化学方法除去经曝光的光刻胶。这样，可用制版的方法将底片上的二维几何图形精确地复制到光刻胶层上；

(f) 烘干后 ,利用未曝光的光刻胶的保护作用 ,采用化学腐蚀的方法在阻挡层上精确腐蚀出底片上平面二维图形。

掩模制备

用光刻的方法加工微流控芯片时 ,必须首先制造光刻掩模。对掩模有如下要求：

a.掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大;

b.掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少;

c.掩模的图形精度要高。

通常用于大规模集成电路的光刻掩模材料有涂有光胶的镀铬玻璃板或石英板。用计算机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再通过专用接口电路控制图形发生器中的爆光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模材料上刻出所需的图形。但由于设备昂贵，国内一般科研单位需通过外协解决，延迟了研究周期。

由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来有报道使用简单的方法和设备制备掩模，用微机通过CAD软件将设计微通道的结构图转化为图象文件后，用高分辨率的打印机将图象打印到透明薄膜上，此透明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足微流控分析芯片对掩模的要求。

湿法刻蚀

在光刻过的基片上可通过湿刻和干刻等方法将阻挡层上的平面二维图形加工成具有一定深度的立体结构。近年来，使用湿法刻蚀微细加工的报道较多，适用于硅、玻璃和石英等可被化学试剂腐蚀的基片。已广泛地用于电泳和色谱分离。

湿法刻蚀的程序为 :

(a) 利用阻挡层的保护作用，使用适当的蚀刻剂在基片上刻蚀所需的通道 ;

(b) 刻蚀结束后 ,除去光胶和阻挡层，即可在基片上得到所需构型的微通道；

(c)在基片的适当位置(一般为微通道的端头处)打孔，作为试剂、试样及缓冲液蓄池。刻有微通道的基片和相同材质的盖片清洗后，在适当的条件下键合在一起就得到微流控分析芯片。

玻璃和石英湿法刻蚀时，只有含氢氟酸的蚀刻剂可用，如HF/HNO3，HF/ NH4。由于刻蚀发生在暴露的玻璃表面上，因此，通道刻的越深，通道二壁的不平行度越大 ,导至通道上宽下窄。这一现象限制了用湿法在玻璃上刻蚀高深宽比的通道。

等离子体刻蚀

等离子体刻蚀是一种以化学反应为主的干法刻蚀工艺，刻蚀气体分子在高频电场作用下，产生等离子体。等离子体中的游离基化学性质十分活泼，利用它和被刻蚀材料之间的化学反应，达到刻蚀微流控芯片的目的。

等离子体刻蚀已应用于玻璃、石英和硅材料上加工微流控芯片 , 如石英毛细管电泳和色谱微芯片。先在石英基片上涂上一层正光胶 (爆光后脱落的光胶)，低温烘干后，放置好掩模，用紫外光照射后显影，在光胶上会产生微结构的图象。然后用活性CHF3等离子体刻蚀石英基片 ,基片上无光胶处会产生一定的深度通道或微结构。这样可产生高深宽比的微结构。近来，也有将等离子体刻蚀用于加工聚合物上的微通道的报道。