复制模塑法中硅模具制作工艺的研究

【摘 要】本文对复制模塑法中的硅模具制作工艺进行了研究，分别采用了湿法腐蚀与干法刻蚀法制备硅模具，并将两种方法结果进行比较分析。

【关键词】硅模具；湿法腐蚀；干法刻蚀

1 复制模塑法原理

复制模塑法是用浇铸的方式复制事先成形的模具形状、形态和结构。不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以改变材料表面的化学性质。将液态的高分子聚合物材料浇铸于硅模具（或者玻璃模具等）上，在一定温度下固化后使高分子材料从阳模上剥离，即可制得带有微通道的基片，与盖片封接后，就可以制得高分子聚合物的微流控芯片[1-3]。

2 湿法腐蚀法制备硅模具

将硅片清洗后在氧化扩散炉内1150℃氧化，采用湿法氧化和干法氧化交替进行的方式氧化，先干氧化5分钟，接着湿法氧化5分钟，循环交替100分钟，得到氧化层的厚度约为0.95μm。旋涂一层负性光刻胶（BN308），转速为3000r/min，时间40s；90℃前烘1分钟。曝光采用德国Karl Suss公司光刻机，曝光时间5.8s，曝光计量124.6mJ/cm2。在负胶专用显影液中显影80s。用去离子水冲洗后，吹干表面的水分，在130℃下坚膜30分钟。将硅片置于BHF中腐蚀7分钟，除去二氧化硅，打开硅刻蚀窗口。在水浴80度下，用15%TMAH腐蚀硅60分钟。最后用BHF将二氧化硅除去。这样得到了硅凹模具。

在硅刻蚀过程中，由于刻蚀是沿晶面方向进行的，因此能够得到粗糙度低、平整度高的平面，刻蚀速率慢的晶面决定了刻蚀图案最终的结构。在各向异性刻蚀的各种晶面中，晶面的刻蚀速率最快，而晶面刻蚀速率最慢。因此，采用（100）单晶硅的各向异性刻蚀来制作模具。而且（100）单晶硅的各向异性刻蚀中由晶面决定的结构呈梯形，底角约54.7o，便于脱模[2]。

常用的硅的各向异性刻蚀液有EDP、KOH溶液和TMAH溶液[3]。EDP对掩模的选择比高，但刻蚀过程容易产生沉淀使反应中止，且EDP溶液毒性大。KOH刻蚀液毒性小、刻蚀速度快，但过程不容易控制，且对二氧化硅掩模的刻蚀也快。TMAH对二氧化硅几乎不刻蚀，毒性小，刻蚀得到的平面平整。因此，选择TMAH溶液作为刻蚀液。刻蚀的速率主要由刻蚀液浓度和温度决定，根据实验室经验二氧化硅刻蚀窗口的尺寸以及硅各向异性刻蚀角度，采用15%的TMAH溶液，80度，刻蚀时间1h，大约可以得到30μm深的沟道。

3 干法刻蚀法制备硅模具

首先用在单晶硅上溅射铝作为牺牲层（JPG560BV型磁控溅射仪）。置于120度下烘烤15分钟备用。采用EPG533型光刻胶，以转速3000r/min甩胶，时间40s，曝光采用德国Karl Suss公司光刻机，曝光时间7s，曝光计量124.6mJ/cm2。在浓度为2.38%的TMAH溶液中显影35s。用去离子水冲洗后，在90度下坚膜3分钟。在水浴50℃下，用湿法腐蚀的方法去除未被光刻胶保护下的铝，腐蚀溶液为磷酸：硝酸：醋酸：水=50：2：10：9，腐蚀时间30s，这样将光刻胶上的图形转移到铝牺牲层上。然后，采用STS公司的ICP-ASE感应耦合等离子刻蚀机对硅片进行刻蚀。ICP刻蚀硅参数为：刻蚀14s，钝化7s，C4F8流量85sccm，SF6流量180sccm，刻蚀和钝化功率600W，刻蚀反射功率22W，钝化反射功率0W。He压强9500mTorr，刻蚀时间50分钟。最后得到有凸起约100微米图形结构的硅模具。

在干法刻蚀硅模具制备工艺过程中，需要去除大面积的硅，留下液体通道和光纤槽线条，并且刻蚀深度较深，为100微米。因此选择ICP的刻蚀时间是50s。由于保护层铝对后续PDMS薄膜制作影响不大，所以没有将牺牲层铝除去。刻蚀过程中，由于硅片厚度不断减薄，容易出现碎片的情况。干法刻蚀后，硅片表面粗糙度较大，结构侧壁有侧向钻蚀。

4 硅模具对比研究

湿法腐蚀硅制备的硅模具，具有设备简单，表面平整，粗糙度低的优点。腐蚀出的沟道为倒梯子形，这样方便了后续PDMS揭开。但也导致沟道上下面宽度尺寸不一致，使得微通道内液体加热情况变得复杂。同时受硅片各向异性的影响，湿法腐蚀的深度不大，否则容易出现三角沟道，不能实现高深宽比结构。干法刻蚀硅制备硅模具，硅凸起结构侧壁垂直度高，可以实现高深宽比的结构。但侧壁有倒钩现象，被刻蚀的硅片表面粗糙度大，且刻蚀过程中硅片容易碎。

【参考文献】

[1]刘长春，崔大付，王利.聚二甲基硅氧烷微流体芯片的制作技术[M].传感器技术，2004，23（07）：77-80.

[2]许蓉.用于检测细胞电阻的PDMS微流控芯片的研制[D].重庆：重庆大学，2009.

[3]夏飞.PDMS微流控芯片的制备工艺研究[D].南京：南京理工大学，2010.