一种无掩膜快速加工硅微结构的方法

本发明属于微流控芯片的加工制造，具体涉及一种无掩膜快速加工硅微结构的方法。

背景技术：

1、微流控芯片在化工，医药，化学检测等行业有丰富的应用。常见的制造微流控芯片的材料有单晶硅，玻璃，工程塑料等，其中硅材料具有强度高，表面惰性，传热能力强等优点，较早被用于微流控芯片的制作。制造硅基微流控芯片涉及在单晶硅表面加工微通道、微腔室、微柱等微结构供流体实现流动、混合、反应等功能。

2、传统的在单晶硅表面加工这些微结构主要涉及光刻和蚀刻工艺，需要定制掩模版，旋涂光刻胶，沉积硬掩模等工艺，工序较繁。因此，找寻一种操作简单、工艺难度低的方法，是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种无掩膜快速加工硅微结构的方法。本发明通过激光直写和湿法腐蚀结合可以直接在单晶硅表面形成微通道/腔室，无需掩膜沉积和光刻工艺，降低工艺难度，缩短了制造时间，能够制造符合设计需要的微流控芯片。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种无掩膜快速加工硅微结构的方法，所述方法包括如下步骤：

4、(1)在电脑程序中设计硅晶片上的微结构的布局和激光加工路径，生成加工文件；

5、(2)将硅晶片置于加工平台上，经氮气吹扫后，打开激光加工系统，导入加工文件，通过激光诱导硅晶片表面形成烧蚀区域；

6、(3)再取下硅晶片，经氮气吹扫、清洗后，进行两次酸洗，然后再清洗、氮气吹扫；

7、(4)再通过湿法腐蚀、清洗、氮气吹扫后，得到含有微结构的硅晶片。

8、进一步地，所述硅晶片为单晶硅，所述单晶硅晶向为100。

9、进一步地，所述微结构包括微通道、微腔室；所述微结构的深度为0.05-0.5mm。

10、进一步地，步骤(1)中，所述加工路径为s型路径。

11、进一步地，步骤(2)中，所述激光诱导的功率为3-11.5w，频率为20-80khz，扫描速率为40-120mm/s。

12、进一步地，步骤(3)中，所述两次酸洗中的第一次酸洗是将硅晶片浸渍于氢氟酸溶液中进行酸洗，第二次酸洗是将硅晶片浸渍于hpm溶液或spm溶液中进行酸洗。

13、进一步地，所述氢氟酸溶液为氟化氢的水溶液，体积分数为5-20％；所述hpm溶液包括氯化氢和过氧化氢，所述氯化氢在hpm溶液中的体积分数为5-20％，所述过氧化氢在hpm溶液中的体积分数为5-15％；所述spm溶液包括硫酸和过氧化氢，所述硫酸在spm溶液中的体积分数为10-30％，所述过氧化氢在spm溶液中的体积分数为5-15％；所述第一次酸洗的温度为常温，时间为1-5min；所述第二次酸洗的温度为20-80℃，时间为10-60min。

14、进一步地，步骤(4)中，所述湿法腐蚀的溶液包括氢氧化钾溶液、四甲基氢氧化铵溶液中的一种；所述氢氧化钾溶液的质量分数为20-50％，所述四甲基氢氧化铵溶液的质量分数为10-40％。

15、进一步地，步骤(4)中，所述湿法腐蚀的温度为60-100℃，时间为20-200min。

16、进一步地，所述清洗均为超声清洗，功率为240-360w，时间为5-15min；所述氮气吹扫的时间均为1-2min。

17、本发明有益的技术效果在于：

18、本发明所述方法是利用激光在单晶硅表面直写诱导形成烧蚀区域，之后结合湿法腐蚀用碱溶液去除烧蚀区域。由于烧蚀区域和腐蚀溶液反应较快，而未烧蚀的区域和腐蚀溶液反应较慢，即腐蚀溶液对激光诱导区域具有较强选择性，因此可以利用反应选择性差异在硅表面形成微通道和微腔室。

19、本发明结合激光直写和湿法腐蚀直接在单晶硅表面制造了微通道/腔室，无需掩膜沉积和光刻工艺，缩短了制造时间。本发明通过探究不同激光参数对硅晶片烧蚀区域深度的影响，结果表明硅晶片烧蚀深度只与激光功率有关，与激光频率和激光扫描速度无关，进一步优化激光功率后得到合适的烧蚀深度。另外，本发明还通过优化硅晶片激光处理后的清洗条件，包括清洗溶液类型、清洗温度、清洗时间，使激光处理后单晶硅的粗糙度降低，解决了激光烧蚀后的区域边界不平整、硅颗粒粘粘等影响后续湿法腐蚀的问题，从而改善了微通道/腔室的质量。本发明通过优化后的激光参数和激光后清洗条件，同时结合湿法腐蚀，制造了符合设计需要的微流控芯片。

技术特征：

1.一种无掩膜快速加工硅微结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅晶片为单晶硅，所述单晶硅晶向为100。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构包括微通道、微腔室；所述微结构的深度为0.05-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加工路径为s型路径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光诱导的功率为3-11.5w，频率为20-80khz，扫描速率为40-120mm/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述两次酸洗中的第一次酸洗是将硅晶片浸渍于氢氟酸溶液中进行酸洗，第二次酸洗是将硅晶片浸渍于hpm溶液或spm溶液中进行酸洗。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液为氟化氢的水溶液，体积分数为5-20％；所述hpm溶液包括氯化氢和过氧化氢，所述氯化氢在hpm溶液中的体积分数为5-20％，所述过氧化氢在hpm溶液中的体积分数为5-15％；所述spm溶液包括硫酸和过氧化氢，所述硫酸在spm溶液中的体积分数为10-30％，所述过氧化氢在spm溶液中的体积分数为5-15％；所述第一次酸洗的温度为常温，时间为1-5min；所述第二次酸洗的温度为20-80℃，时间为10-60min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述湿法腐蚀的溶液包括氢氧化钾溶液、四甲基氢氧化铵溶液中的一种；所述氢氧化钾溶液的质量分数为20-50％，所述四甲基氢氧化铵溶液的质量分数为10-40％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述湿法腐蚀的温度为60-100℃，时间为20-200min。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗均为超声清洗，功率为240-360w，时间为5-15min；所述氮气吹扫的时间均为1-2min。

技术总结本发明公开了一种无掩膜快速加工硅微结构的方法。本发明所述方法首先通过设计加工文件，再激光诱导硅晶片表面形成烧蚀区域，然后经两次酸洗后，通过湿法腐蚀即可得到含有微结构的硅晶片。本发明通过激光直写和湿法腐蚀结合可以直接在单晶硅表面形成微通道/腔室，无需掩膜沉积和光刻工艺，降低工艺难度，缩短了制造时间，能够制造符合设计需要的微流控芯片。技术研发人员：王颢博,柳翠,袁晓,曹耀辉受保护的技术使用者：华东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29