專利名稱：顯微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及聚合物，更特別地涉及聚合物、微氣通道以及利用這些聚合物制造微氣通道的方法。
背景技術(shù)：
微流器件在包括藥物發(fā)明、生物醫(yī)學(xué)試驗(yàn)以及化學(xué)合成與分析的眾多領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。在這些器件中，于截面尺寸為幾十至幾百微米量級的微通道中操作液體和氣體。在這些微通道器件中的處理具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括低試劑消耗和低分析物消耗、高度緊湊且輕便的系統(tǒng)、快速處理時(shí)間以及可處理系統(tǒng)的潛力。然而，盡管其具有的所有前景，微流器件目前被用于少數(shù)應(yīng)用場合中，并且根據(jù)其操作復(fù)雜性和性能通常仍用于相當(dāng)簡單的器件中。限制性使用的一個(gè)原因是形成具有確定形狀微通道的難度。
例如，通過微通道的流體微觀動(dòng)力學(xué)對于避免不需混合的系統(tǒng)中的混合是重要的，因此，微通道應(yīng)具有與流體微觀動(dòng)力學(xué)的要求相一致的確定的截面。然而，制造確定的截面是具有挑戰(zhàn)性的。例如，由于犧牲聚合物和罩面層具有溶劑不相容性，可限制用于制造微通道的犧牲聚合物和罩面層的選擇。如果罩面層溶劑溶解犧牲聚合物，則會(huì)破壞由犧牲材料確定的形狀。此外，罩面層應(yīng)提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度而跨越氣通道的尺寸且不產(chǎn)生凹陷。因此，需要在工業(yè)上利用多種聚合物的組合制造確定微通道的通用技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
簡要說明的是，本發(fā)明公開的具體實(shí)施方案中包括顯微結(jié)構(gòu)和制造顯微結(jié)構(gòu)的方法。其中，一個(gè)示例性的顯微結(jié)構(gòu)包括一個(gè)基底、一個(gè)設(shè)置在該基底上的罩面層、一個(gè)在至少一部分所述罩面層中的空氣區(qū)域以及一個(gè)成型材料層，該成型材料層使至少一部分空氣區(qū)域接合在(engageon)該成型材料層的內(nèi)部并使罩面層接合在該成型材料層的外部。
其中，另一個(gè)示例性的顯微結(jié)構(gòu)包括一個(gè)基底；一個(gè)設(shè)置在該基底上的罩面層；一個(gè)設(shè)置在至少一部分所述罩面層中的犧牲聚合物層，其在除去犧牲聚合物層時(shí)形成一個(gè)空氣區(qū)域；以及一個(gè)成型材料層，其使至少一部分犧牲聚合物層接合在該成型材料層的內(nèi)部并使罩面層接合在該成型材料層的外部。
本發(fā)明還提供制造顯微結(jié)構(gòu)的方法。其中，一個(gè)示例性的方法包括提供一個(gè)其上設(shè)置犧牲聚合物層的基底，在至少一部分犧牲聚合物層上設(shè)置成型材料，在該成型材料上設(shè)置一個(gè)罩面層，該成型材料基本上使?fàn)奚酆衔飳优c罩面層分離。
其中，另一個(gè)制造顯微結(jié)構(gòu)的方法包括提供一種具有一個(gè)基底、一個(gè)罩面層以及在該罩面層中的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)犧牲聚合物層、在至少一部分犧牲聚合物層和罩面層之間的成型材料的結(jié)構(gòu)；除去犧牲聚合物層而在由犧牲材料確定的范圍內(nèi)形成空氣區(qū)域。
依據(jù)以下附圖和具體說明的檢查，其他結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、方法、特征和有利條件可為，或成為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的。有意將所有這些附加的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、方法、特征和有利條件包括在本說明書中，并在本發(fā)明的范圍內(nèi)，且由附隨的權(quán)利要求保護(hù)。


參考以下附圖可以更好地理解本發(fā)明所公開的許多方面。附圖中的元件不必按照比例，而是強(qiáng)調(diào)性地放置以清楚地描述本發(fā)明所公開的原理。此外在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記指定幾個(gè)視圖相應(yīng)的部分。
圖1所示為具有由成型材料圍繞的空氣區(qū)域的代表性結(jié)構(gòu)的截面視圖。
圖2A和2B所示為一些結(jié)構(gòu)的SEM圖像，這些結(jié)構(gòu)具有不由成型材料圍繞的空氣區(qū)域。
圖3A和3B所示為一些結(jié)構(gòu)的SEM圖像，這些結(jié)構(gòu)具有由成型材料圍繞的空氣區(qū)域。
圖4A至5D為截面視圖，其描述了制造圖1所示結(jié)構(gòu)的代表性方法。
圖5A至5B所示為多級結(jié)構(gòu)的兩個(gè)具體實(shí)施方案的截面視圖，所述多級結(jié)構(gòu)具有包括成型材料的空氣區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
總的來說，本發(fā)明公開了結(jié)構(gòu)及其制造方法。其中，結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方案包括具有至少一個(gè)空氣區(qū)域的罩面層。所述空氣區(qū)域具有成型材料層，其將一部分或多部分(如面)的空氣區(qū)域接合在空氣區(qū)域和罩面層之間。所述成型材料層至少提供一個(gè)在罩面層與犧牲聚合物層之間的屏障層。所述犧牲聚合物層確定一個(gè)范圍，該范圍在除去犧牲聚合物層時(shí)確定空氣區(qū)域。此外，所述成型材料層至少起到為罩面層提供機(jī)械支撐的作用。而且，由于溶劑不相容性，以前不能共同使用的罩面層和犧牲聚合物在使用成型材料層時(shí)可以共同使用。
總的來說，具有至少部分地被成型材料層束縛的空氣區(qū)域的結(jié)構(gòu)可用于但不局限于以下技術(shù)領(lǐng)域微電子(如微處理器芯片、通訊芯片和光電子芯片)、微觀流體、傳感器和分析器件(如微量色譜)。
圖2為包括三個(gè)空氣區(qū)域18的代表性結(jié)構(gòu)10的截面視圖。罩面層14被設(shè)置在基底12上，并包括空氣區(qū)域18。所述空氣區(qū)域可用一種氣體或氣體混合物填充，或?yàn)檎婵?。成型材料?6被設(shè)置在空氣區(qū)域18和罩面層14之間。在另一個(gè)具體實(shí)施方案中，空氣區(qū)域18和成型材料層16可被設(shè)置在偏離基底12的位置上，而在罩面層14(圖3A和3B)中。在另一個(gè)具體實(shí)施方案中，多重空氣區(qū)域18可被設(shè)置在罩面層14中的多重高度上(如堆積在彼此的頂部或以偏移的方式堆積，如圖5A和5B所示)。
空氣區(qū)域18是通過從空氣區(qū)域18所在的區(qū)域除去(如分解)犧牲聚合物層而形成的，如圖1所示。在制造結(jié)構(gòu)10的過程中，將犧牲聚合物層沉積在基底12之上，并形成圖案。然后在犧牲聚合物層周圍形成成型材料層16。然后，罩面層14沉積在成型材料層16周圍。接著，犧牲聚合物層被除去而形成空氣區(qū)域18。所述沉積和除去犧牲聚合物的方法將在下文中作進(jìn)一步討論。
雖然圖示的空氣區(qū)域18為矩形截面，空氣區(qū)域的三維邊界可具有以下截面的區(qū)域，如但不局限于矩形截面、非矩形截面、多邊形截面、非對稱截面、彎曲截面、弓形截面、楔形截面、符合橢圓或其片斷的截面、符合拋物線或其片斷的截面、符合雙曲線或其片斷的截面以及其組合。例如空氣區(qū)域18的三維結(jié)構(gòu)可以包括，但不局限于矩形結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)、非矩形結(jié)構(gòu)、非正方形結(jié)構(gòu)、彎曲結(jié)構(gòu)、楔形結(jié)構(gòu)、符合橢圓或其片斷的結(jié)構(gòu)、符合拋物線或其片斷的結(jié)構(gòu)、符合雙曲線或其片斷的結(jié)構(gòu)以及其組合。而且空氣區(qū)域18可具有空間上變化高度的截面區(qū)域。此外，多重空氣區(qū)域可連通而形成例如微通道和微室。
空氣區(qū)域18的高度可為約0.01至約100μm，更具體而言，可為約2至約25μm。空氣區(qū)域18的寬度可為約0.01至約10,000μm，更具體而言，可為約0.1至約100μm。
在以下系統(tǒng)中可使用基底12，但不局限于微處理芯片、微流器件、傳感器、分析器件以及其組合。因此，基底12可由適合于研究中系統(tǒng)的材料制成。示例性的材料包括但不局限于玻璃、硅、硅化合物、鍺、鍺化合物、鎵、鎵化合物、銦、銦化合物、其他半導(dǎo)體材料和/或化合物以及其組合。此外，基底12可包括非半導(dǎo)體的基底材料，其包括例如任何絕緣材料、金屬(如銅和鋁)、陶瓷或印刷線路板中的有機(jī)材料。
用于形成罩面層14的罩面層材料可為定型聚合物，其包括在形成空氣區(qū)域18時(shí)由犧牲聚合物分解而產(chǎn)生的分解氣體可透過或半透過的特性。此外，罩面層材料優(yōu)選在犧牲聚合物分解的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。而且該罩面層與下述犧牲聚合物可具有溶劑不相容性(例如罩面層和犧牲聚合物可在相同或相似的溶劑中溶解或部分溶解)。
罩面層的實(shí)例包括以下化合物，但不局限于聚酰亞胺、聚降冰片烯、環(huán)氧化物、聚芳撐醚、聚芳撐、無機(jī)玻璃以及其組合。更具體而言，所述罩面層包括以下化合物AmocoUltradelTM7501、Promerous AvatrelTM絕緣聚合物、DuPont 2611、DuPont 2734、DuPont 2771、DuPont 2555、二氧化硅、氮化硅和氧化鋁。所述罩面層可利用以下技術(shù)沉積而成，例如旋涂、刮涂、濺射、層壓成型、網(wǎng)板或絲網(wǎng)印刷、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)以及等離子基沉積系統(tǒng)。
用于形成成型材料層16的成型材料可包括基本上不與犧牲聚合物反應(yīng)(也就是說，破壞犧牲聚合物層的三維邊界)的材料。特別地，所述成型材料可包括但不局限于SiO2、Si3N4、SiOxNy(x可為0.01至2，y可為0.01至1.33)、Al2O以及其組合。此外，所述成型材料可包括但不局限于基本上不與犧牲聚合物反應(yīng)的聚合物(例如Avatrel(聚降冰片烯基聚合物)和CVD聚對亞苯基二甲基)。
所述成型材料層16可覆蓋部分犧牲聚合物，該犧牲聚合物會(huì)另外接觸到所述罩面層，并對尺寸完整性敏感。所述成型材料層16對犧牲聚合物特定部分的覆蓋可為約50至100％。換句話說，所述成型材料層16并非必須不受所述罩面層影響，但應(yīng)作為犧牲聚合物和罩面層之間的屏障直至罩面層固化，從而保持空氣區(qū)域18的尺寸完整性。所述成型材料層16的厚度可為約0.001至約10μm，更具體而言，可為約0.01至約2μm。
用于制造犧牲聚合物層的犧牲聚合物可為在周圍材料中形成空氣區(qū)域時(shí)緩慢分解且不引起不適當(dāng)壓力增大的聚合物。此外，犧牲聚合物分解產(chǎn)生的氣體分子充分小，從而透過成型材料層16和罩面層18。而且，犧牲聚合物的分解溫度低于成型材料和罩面層分解或降解的溫度。更進(jìn)一步而言，犧牲聚合物的分解溫度應(yīng)高于罩面層材料沉積或固化的溫度，但低于其中使用犧牲聚合物的結(jié)構(gòu)中成分的降解溫度。
所述犧牲聚合物可包括以下化合物，但不局限于聚降冰片烯、聚碳酸酯、聚醚、聚酯、其功能化化合物以及其組合。所述聚降冰片烯可包括但不局限于烯基取代的降冰片烯(例如環(huán)丙烯酸降冰片烯酯)。所述聚碳酸酯可包括但不局限于碳酸降冰片烯酯、聚碳酸亞丙酯、聚碳酸亞乙酯、聚碳酸環(huán)己烯酯以及其組合。
此外，所述犧牲聚合物可包括改變犧牲聚合物加工性能(例如提高或降低犧牲聚合物對熱和/或光輻射的穩(wěn)定性)的附加成分。在這點(diǎn)上，該成分可包括但不局限于光引發(fā)劑和光酸引發(fā)劑。
如上所述，該罩面層與犧牲聚合物可具有溶劑不相容性。以前由于溶劑不相容性，罩面層和犧牲聚合物的組合不能毫無問題地共同使用。例如，以前不能使用罩面層和犧牲聚合物的下列組合，但可與成型材料層共同使用Avatrel:聚碳酸環(huán)己烯酯、Avatrel:聚碳酸降冰片烯酯、聚酰亞胺:聚碳酸亞丙酯、和聚酰亞胺:聚碳酸亞乙酯。
例如，圖2A和2B所示為無成型材料層圍繞的空氣區(qū)域的SEM圖像，而圖3A和3B所示為由成型材料層圍繞的空氣區(qū)域的SEM圖像。在圖2A和2B中，因?yàn)檎置鎸油呓?、凹陷?或溶解了一些犧牲聚合物，空氣區(qū)域被破壞，從而導(dǎo)致空氣區(qū)域不能在許多應(yīng)用場合使用。相反在圖3A和3B中，因?yàn)橛谐尚筒牧蠈?例如SiO2)罩面層基本上未瓦解、凹陷和/或溶解一些犧牲聚合物，所以空氣區(qū)域未被破壞。
所述犧牲聚合物可利用以下技術(shù)沉積在基底上，例如旋涂、刮涂、濺射、層壓成型、網(wǎng)板或絲網(wǎng)印刷、熔融分散、蒸發(fā)、CVD、MOCVD以及等離子基沉積系統(tǒng)。
可將結(jié)構(gòu)10加熱至犧牲聚合物的分解溫度并在該溫度下保持一定的時(shí)間(例如1-2小時(shí))，從而實(shí)施犧牲聚合物的熱分解。然后，分解產(chǎn)物擴(kuò)散透過罩面層14并留下基本上無殘余物的空心結(jié)構(gòu)(空氣區(qū)域18)。
雖然沒有圖示，空氣區(qū)域18可與其他空氣區(qū)域和/或空氣通道共同形成，從而制成例如微流器件、傳感器和分析器件。應(yīng)注意的是，附加的元件應(yīng)設(shè)置在基底12、罩面層14、犧牲聚合物層和/或空氣區(qū)域12之上和/或之中。所述附加元件可包括但不局限于電子元件(例如開關(guān)和傳感器)、機(jī)械元件(例如齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī))、機(jī)電元件(例如可移動(dòng)的梁和鏡)、光學(xué)元件(例如透鏡、光柵和鏡)、光電元件、流體元件(例如色譜和可供應(yīng)冷卻劑的通道)以及其組合。
目前已描述了通常具有空氣區(qū)域18的結(jié)構(gòu)10，下文描述用于制造結(jié)構(gòu)10的示例性具體實(shí)施方案。應(yīng)注意的是，為了附圖的清晰性，部分制造過程未包括在圖4A至4D中。同樣地，以下制造過程并不是包括制造結(jié)構(gòu)10所需所有步驟的完整列表。此外，因?yàn)楦鞑襟E可以與圖4A至4D所示不同的順序?qū)嵤蛘咭恍┎襟E可以同時(shí)實(shí)施，所以該制造過程是靈活的。
圖4A至4D為截面視圖，描述了制造具有圖1所示空氣區(qū)域18的結(jié)構(gòu)10的代表性方法。應(yīng)注意的是，為了附圖的清晰性，部分制造過程未包括在圖4A至4D中。同樣地，以下制造過程并不是包括制造結(jié)構(gòu)10所需所有步驟的完整列表。此外，因?yàn)楦鞑襟E可以與圖4A至4D所示不同的順序?qū)嵤?，?或一些步驟可以同時(shí)實(shí)施，所以該制造過程是靈活的。
圖4A所示為帶圖案的犧牲聚合物層22設(shè)置于其上的基底12?？衫靡韵录夹g(shù)使所述犧牲聚合物層22沉積在基底10上，例如旋涂、刮涂、濺射、層壓成型、網(wǎng)板或絲網(wǎng)印刷、熔融分散、CVD、MOCVD以及等離子基沉積系統(tǒng)。
圖4B所示為在犧牲聚合物層22和基底12上形成成型材料層16。所述成型材料層16可利用以下技術(shù)形成，但不局限于CVD、MOCVD、蒸發(fā)以及等離子輔助沉積。
圖4C所示為在成型材料層16上形成罩面層24。所述罩面層24可利用以下技術(shù)沉積在基底上，例如旋涂、刮涂、濺射、層壓成型、網(wǎng)板或絲網(wǎng)印刷、熔融分散、CVD、MOCVD以及等離子基沉積系統(tǒng)。
圖4D所示為犧牲聚合物層22熱分解形成空氣區(qū)域18。如上所述，可通過將犧牲聚合物層22加熱至足以使聚合物分解的溫度(例如約50至425℃)，從而使?fàn)奚酆衔飳?2分解。
圖5A和5B所示為多級結(jié)構(gòu)40和50的兩個(gè)具體實(shí)施方案的截面視圖。圖5A是一個(gè)具有空氣區(qū)域18和48包括成型材料層16和42的交替堆積(錯(cuò)位堆積)的多級結(jié)構(gòu)40的截面視圖。空氣區(qū)域的第一層18被設(shè)置在基底12之上且在罩面層14之中。一個(gè)成型材料層16被設(shè)置在空氣區(qū)域18和罩面層14之間?？諝鈪^(qū)域的第二層48與罩面層46一同設(shè)置。一個(gè)成型材料層42被設(shè)置在空氣區(qū)域48和罩面層46之間。成型材料層16和42可為相同或不同的材料，而罩面層14和46也可為相同或不同的聚合物。
圖5B為具有空氣區(qū)域18和48包括成型材料層16和42的平行堆積(充分地堆積在另一個(gè)下方空氣區(qū)域的頂部或在一直線上)的多級結(jié)構(gòu)50的截面視圖?？諝鈪^(qū)域的第一層18被設(shè)置在基底12之上且在罩面層14之中。一個(gè)成型材料層16被設(shè)置在空氣區(qū)域18和罩面層14之間。空氣區(qū)域的第二層48與罩面層46一同設(shè)置。一個(gè)成型材料層42被設(shè)置在空氣區(qū)域48和罩面層46之間。成型材料層16和42可為相同或不同的材料，而罩面層14和46也可為相同或不同的聚合物。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明公開的上述具體實(shí)施方案僅為執(zhí)行過程的可能的實(shí)例，并闡明本發(fā)明公開原理的清晰理解。可對本發(fā)明公開的上述具體實(shí)施方案做許多改變和修正，基本上并未背離本發(fā)明公開的精神和原理。將所有這些修正和改變包括在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，并由以下權(quán)利要求進(jìn)行保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種顯微結(jié)構(gòu)，其包含一個(gè)基底；一個(gè)設(shè)置在所述基底上的罩面層；一個(gè)在至少一部分所述罩面層中的空氣區(qū)域；以及一個(gè)成型材料層，其使至少一部分所述空氣區(qū)域接合在成型材料層的內(nèi)表面，并使所述罩面層接合在成型材料層的外表面。
2.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述罩面層是選自聚酰亞胺、聚降冰片烯、環(huán)氧化物、聚芳撐醚、聚芳撐、無機(jī)玻璃以及其組合。
3.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述成型材料是選自SiO2、Si3N4、SiOxNy(其中x為0.01至2，y為0.01至1.33)以及Al2O。
4.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述空氣區(qū)域的高度為約0.01至100μm，其寬度為約0.1至10,000μm。
5.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述成型材料的厚度為約0.001至10μm。
6.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述成型材料的厚度為約0.01至2μm。
7.如權(quán)利要求1所述的顯微結(jié)構(gòu)，其還包含設(shè)置在所述罩面層中的多重空氣區(qū)域，各多重空氣區(qū)域的成型材料層使至少一部分的各空氣區(qū)域接合在成型材料層的內(nèi)表面，并使所述罩面層接合在成型材料層的外表面。
8.如權(quán)利要求7所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述空氣區(qū)域以多級高度被設(shè)置在所述罩面層中。
9.如權(quán)利要求8所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中第一空氣區(qū)域被設(shè)置在第二空氣區(qū)域之上且基本上與第二空氣區(qū)域在一直線上。
10.如權(quán)利要求8所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中第一空氣區(qū)域被設(shè)置在第二空氣區(qū)域之上且基本上偏離第二空氣區(qū)域。
11.一種顯微結(jié)構(gòu)，其包含一個(gè)基底；一個(gè)設(shè)置在所述基底上的罩面層；一個(gè)設(shè)置在至少一部分所述罩面層中的犧牲聚合物層；以及一個(gè)成型材料層，其使至少一部分所述犧牲聚合物層接合在成型材料層的內(nèi)表面，并使所述罩面層接合在成型材料層的外表面。
12.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述罩面層是選自聚酰亞胺、聚降冰片烯、環(huán)氧化物、聚芳撐醚、聚芳撐、無機(jī)玻璃以及其組合。
13.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述成型材料是選自SiO2、Si3N4、SiOxNy(其中x為0.01至2，y為0.01至1.33)以及Al2O。
14.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述犧牲層聚合物是選自聚酰亞胺、聚降冰片烯、環(huán)氧化物、聚芳撐醚、聚芳撐、無機(jī)玻璃以及其組合。
15.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述犧牲層聚合物與所述罩面層具有溶劑不相容性。
16.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述犧牲層聚合物的高度為約0.01至100μm，其寬度為約0.1至10,000μm。
17.如權(quán)利要求11所述的顯微結(jié)構(gòu)，其中所述成型材料的厚度為約0.001至10μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了顯微結(jié)構(gòu)以及制造這些顯微結(jié)構(gòu)的方法。一個(gè)典型的顯微結(jié)構(gòu)，其中包括一個(gè)基底、一個(gè)設(shè)置在基底上的罩面層、一個(gè)在至少一部分所述罩面層中的空氣區(qū)域以及一個(gè)成型材料層，該成型材料層使至少一部分空氣區(qū)域接合在成型材料層的內(nèi)部，并使罩面層接合在成型材料層的外部。
文檔編號B32B7/00GK1939837SQ20061014
公開日2007年4月4日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者約瑟夫·保羅·賈亞錢德蘭, 保羅·A.·科爾, 休·埃倫·比斯特魯普·艾倫 申請人:佐治亞技術(shù)研究公司