[发明专利]圆片级MEMS微流道的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)制造技术，尤其涉及一种圆片级MEMS微流道的制造方法。

背景技术

微流道制造是MEMS微流体系统中一个不可缺少的环节。当前应用于传感器和生物芯片领域的微流体系统，已经进入了一个蓬勃发展的阶段。其中，微流体系统中微流道的制造已经拥有了很多成熟的制造工艺。一般来说，其工艺过程都是在Si片、玻璃、PDMS(聚二甲基硅氧烷)上直接刻蚀出微流道以及各种流体部件(如混合器，存储区等)的图案结构，然后与另一平面材料键合，形成MEMS微流体系统。然而，传统的Si片，或者使用玻璃、PDMS之类透明材料来直接刻蚀的微流道系统，其刻蚀后形成的微流道结构，其表面粗糙度处于较高的水平，对微流体的运动来说有着很大的影响。现有的表面抛光技术CMP(化学机械抛光)，对于具有复杂3D结构的微流道来说，由于尺寸非常微小，无法做到有效抛光。目前，处于微米量级宽度的微流道系统，迫切的需要降低表面粗糙度来提高微流体系统中流体的流速，降低流体所需要的驱动能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流道表面粗糙度低的圆片级MEMS微流道的制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种圆片级MEMS微流道的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用微加工工艺在双面抛光Si圆片上制造微流道图形结构，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的压力下进行密封键合使微流道图形结构密封形成密封真空腔体，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至800℃～890℃，保温3～5min，所述密封真空腔体内、外压差使软化后的玻璃形成与上述微流道图形结构相应的结构，冷却到20-25℃，将上述圆片在常压下退火消除应力，

第四步，将上述经过退火的圆片的玻璃面与另一抛光Si圆片或玻璃圆片进行键合，形成圆片级的MEMS微流道。

本技术方案中，所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺或者干法腐蚀工艺。第二步中所述密封键合工艺为阳极键合工艺，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第四步中所述键合采用粘合剂键合，粘合剂为玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种。第二步中的加热温度为840℃～850℃。

本发明获得如下效果：

1.本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在硅片上加工成Si片微流道结构(流道结构粗糙度难以控制，通常比较高)，再将该微流道结构与Pyrex7740玻璃在真空或负压(相对于常压而言)下进行键合形成密闭的真空空腔，然后在常压(一个大气压)下加热到玻璃的软化温度，在密闭真空腔内外压力差的作用下，玻璃按照微流道结构成型，从而在玻璃上形成所需要微流道结构，由于玻璃在软化温度下成型呈流态，因而形成的流道自然的具有抛光后的玻璃的光滑表面，粗糙度低。具有原始抛光表面粗糙度的Pyrex7740玻璃微流道系统，有效的提高了MEMS微流体系统中流体的流速，降低了流体所需要的驱动能量。

2.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第三步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压：600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

3.采用的退火工艺可有效的消除玻璃在高温过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高；退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(25℃)，在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得流道的形状基本无改变，而退火温度过高易导致流道形状发生变化而导致粗糙度增加，而过低的退货温度则无法有效去除玻璃内部的应力。

4.本发明制备硅热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为形成微流道结构的基底，为后道的封装提供方便，制备的器件受热时不易发生失效。

5.本发明利用密闭真空腔内外的压力差，从而在玻璃表面形成光滑的流道，无需额外的抛光工艺，省去了普通流道制作的抛光工艺，因此具有工艺过程简单可靠，成本低廉的特点，此外该工艺在圆片上进行，可以同时加工多个微流道，设置常规的划片槽，可实现圆片级制造因此属于圆片级工艺，成本较低。

6.第四步中，采用粘合剂玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种进行粘合，这些工艺具有工艺简单、成本低的特点，适合于大规模生产。