Обоснование и выбор параметров, определяющих аналитические характеристики микрофлюидного чипа
Чтобы определить и выбрать параметры, определяющие аналитические характеристики микрофлюидных чипов следует рассмотреть технологию (методы) изготовления микрочиповых устройств и выделить стадии, которые оказывают определяющее влияние на получаемые структуры.
Изготовление стеклянных мфу
Исходная заготовка представляет собой стеклянную пластину, на которую нанесен слой хрома (100-150 нм) и слой фоторезиста (0,56±0,02 мм).
1-й этап: разработка топологии – рисунок с каналами, реакторами и др. структурами (CAD).
2-й этап: Изготовление фотошаблона.
На данном этапе необходимо контролировать следующие параметры:
фотошаблон – плоская структура, контролируются только размеры, соответствующие плоским объектам;
ширину канала;
длину канала;
диаметр реакторов и микрокамер;
точность формирования рисунка.
3-й этап: перенос рисунка фотошаблона на заготовку под действием УФ-излучения. Применение метода оптической микроскопии для контроля. Обработка растворителем (щелочью).
4-й этап: снятие слоя хрома. Профилометры. Оптическая микроскопия.
5-й этап: снятие экспонированного фоторезиста. Оптическая и интерференционная микроскопия, КЛСМ.
6-й этап: травление стекла. Скорость травления контролируется по образцу-свидетелю (обычно – плоской пластины, толщина которой измеряется в процессе травления).
7-й этап: снятие хрома. Последующий контроль полученных структур. Глубина каналов (от мкм до 200 мкм) – КЛСМ, интерференционная микроскопия. Длина канала от 2 мм до 100 мм, диаметр реакторов от 50 мкм до мм.
На данном этапе необходимо контролировать параметры:
высоту или глубину реактора, канала либо структуры;
ширину канала;
текстуру и шероховатость;
геометрию (форму) — сечение канала;
длину канала;
размеры реакторов и микрокамер;
отношение ширины структуры к его глубине — аспектное соотношение;
свойства поверхности (гидрофильность/гидрофобность);
точность формирования рисунка.
8-й этап: подготовка к герметизации. Здесь контролируется чистота поверхности, ее смачиваемость и т.д.
9-й этап: склеивание и термическое связывание.
Термическое связывание: высокотемпературное от 500 до 1200 оС. Низкотемпературное (анодное связывание) от 90 до 350 оС. 200-1500 В. Выходной контроль полученного чипа – методы КЛСМ, оптической интерферометрии, эллипсометрии и т.п.
Фотолитография – процесс формирования на поверхности подложки требуемых элементов устройства с помощью чувствительных к высокоэнергетическому излучению (ультрафиолетовому свету, электронам, ионам, рентгеновским лучам) покрытий, способных воспроизводить заданное взаимное расположение и конфигурацию этих элементов.
На рис. 1 показано схематическое изображение литографического процесса.
Фотолитография
слой
фоторезиста
слой
хрома
УФ
позитив
SiO2
негатив
Кислотное
травление: Фтористоводородная
(плавиковая) кислота
Рис. 1. Схематическое изображение фотолитографического процесса.
Процесс литографии состоит из следующих стадий.
1. Очистка поверхности подложки и подготовка ее к нанесению слоя фоторезиста. Этап состоит из механической (в том числе и ультразвуковой) обработки, химических обработок, удаляющих органические загрязнения, плазмохимического травления тонких слоев.
2. Нанесение слоя фоторезиста на поверхность подложки и его сушка. Обычно эту операцию осуществляют при помощи нанесения капли фоторезиста на быстро вращающуюся подложку, закрепленную на роторе центрифуги. Сушка необходима для удаления остатков растворителя. Правильный выбор ее режимов позволяет уменьшить дефектность слоя и улучшить воспроизводимость результатов фотолитографии.
3. Избирательное экспонирование фоторезиста УФ светом. Такую операцию можно осуществить облучением светочувствительного слоя через фотошаблон.
4. Проявление изображения в слое резиста (например, избирательное удаление экспонированных участков – в случае позитивных резистов или избирательное удаление неэкспонированных участков – в случае негативных резистов). Этот этап определяет функциональные характеристики резистных масок, а также технологические параметры фотолитографии. При проявлении используется разница в устойчивости экспонированных и неэкспонированных участков слоя фоторезиста по отношению к действию проявляющего химического вещества (агента) или физического воздействия (например, нагревания).
5. Модификация поверхностных слоев материала подложки (вытравливание объемных структур, легирование материала подложки, нанесение на открытые участки подложки различных материалов и т.д.) через сформированные на ее поверхности резистные маски.
6. Удаление резистной маски с поверхности подложки.
В зависимости от вида излучения, использованного для избирательного облучения фотошаблона, различают фотолитографию, электронную, рентгеновскую и ионную литографии. Причиной разработки литографических процессов с использованием электронного, рентгеновского и ионного излучений служит необходимость увеличения разрешающей способности процесса вплоть до получения элементов с субмикронными размерами менее 0.2 мкм. Поскольку перечисленные выше виды излучения имеют меньшую, чем УФ свет длину волны, неточности при экспонировании ими чувствительных слоев за счет волновой природы излучения существенно меньше. Хотя уровень разрешающей способности электронной литографии достаточно высок, этот метод обладает недостатком – низкой производительностью. Наилучшее разрешение реализуется при избирательном сканировании электронным пучком материала резиста. Но процесс этот является очень медленным, а значит и малопроизводительным.
Использование для ускорения экспонирования так называемого «векторного способа», т.е. набора изображения экспонированием широким пучком электронов приводит к большей производительности. Однако при этом возникают проблемы точного совмещения границ экспонированных участков. Сложность и стоимость электронных литографов такого типа являются чрезвычайно высокими. Тем не менее, в настоящее время векторный способ электронной литографии используется для производства прецизионных рентгеновских и фотошаблонов. Рентгеновская литография обладает большей по сравнению с электронной литографией производительностью, но источники для получения мощных пучков рентгеновских лучей сложны. Кроме того, использование их порождает проблемы, связанные с обеспечением мер радиационной безопасности для персонала, а также с получением рентгеновских шаблонов. Обычно в качестве их используются кремниевые или полиимидные основания с нанесенным на них прецизионным рисунком из золота, вольфрама или тантала. Но они слишком подвержены разрушению. Приходится обеспечивать так называемые ребра жесткости. Следующей серьезной проблемой экспонирования в технологии изготовления изделий электронной техники, является низкая чувствительность большинства органических материалов к рентгеновскому излучению. Повышают чувствительность за счет введения в состав резиста соединений, содержащих атомы тяжелых элементов. Последнее приводит к загрязнению материала подложки примесями атомов тяжелых металлов и неисправимому изменению ее электрофизических свойств.
С помощью ионной литографии можно получить изделия с минимальными размерами элементов. Другим ее преимуществом является то, что внедрение ионов в состав слоя резиста значительно увеличивает стойкость его к действию кислородной плазмы или реактивного ионного травления в кислороде. В этом случае проявлять изображение можно травлением в кислородной плазме. Однако, при явных преимуществах этой технологии, она имеет один существенный недостаток: интенсивность источников ионов с прецизионно сформированными пучками слишком мала.
Поскольку в воздухе наблюдается присутствие частиц размером менее 0.5 мкм, а они могут долго находиться во взвешенном состоянии и оседать на подложки, что препятствует получению качественных структур, то фотолитографические операции проводят в "чистых комнатах", расположенных внутри рабочих помещений. Воздух, подаваемый в "чистые комнаты", тщательно фильтруют, пропуская через волокнистые фильтры с высокой производительностью [8, 9, 10].
Таким образом, в стеклянных МФЧ необходимо контролировать:
а) геометрические характеристики:
форма структуры (реакторы, каналы, микрососуды, смесители и т.д., профиль структуры),
макро размеры (например, длина каналов - от 5 мм до 100 мм, диаметр камер – от 0.5 мм до 10 мм),
микро размеры (микрометровые – микроструктуры, в том числе размеры и профиль канала, диапазон от 1 мкм до 500 мкм),
нано размеры (неравномерность поверхности, шероховатость: 0,05-100 нм; размеры наноструктур);
б) свойства поверхности (например, смачиваемость); в) размеры фотошаблона; г) точность формирования рисунка.