способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста
Классы МПК: | G03F7/00 Фотомеханическое, например фотолитографическое, изготовление рельефных (текстурированных) поверхностей или поверхностей с рисунком, например печатные поверхности; материалы для этих целей, например содержащие фоторезисты; устройства, специально приспособленные для этих целей G03F7/06 соли серебра |
Автор(ы): | Лучинин В.В., Крапивина Е.В., Корляков А.В., Серкова М.Н., Семенова Е.А. |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ("ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)", Государственное предприятие "Центр технологий микроэлектроники" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-04-17 публикация патента:
10.03.2003 |
Изобретение относится к микротехнологии. Предложен способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, предусматривающий нанесение многослойного фоторезиста на подложку, микропрофилирование в нем рельефа функциональных элементов и формирование выводов для присоединения устройства к внешней цепи. При этом каждый слой фоторезиста наносят ламинированием с помощью валков с последующей фотолитографией под действием ультрафиолетового излучения. Операцию ламинирования производят в условиях регулирования температуры подложки и валков из расчета начала размягчения фоторезиста между валками и скорости ламинирования, поддерживаемой согласно формуле v= 0,0028T
0,03, где v - скорость ламинирования, м/мин; Т - температура валков, oС, а длительность ультрафиолетового излучения при проведении операции микропрофилирования устанавливают согласно формуле
= 85/Ф
0,5, где
- длительность облучения, с; Ф - световой поток ультрафиолетового излучения, клм. Для формирования электрических выводов металлизируют участки подложки по месту подачи и съема электрических сигналов. В результате повышаются надежность и точность изготовления целевого изделия. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
Формула изобретения
1. Способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, предусматривающий нанесение многослойного фоторезиста на подложку, микропрофилирование в нем рельефа функциональных элементов и формирование выводов для присоединения устройства к внешней цепи, отличающийся тем, что каждый слой фоторезиста наносят ламинированием с помощью валков с последующей фотолитографией под действием ультрафиолетового излучения, при этом операцию ламинирования производят в условиях регулирования температуры подложки и валков из расчета начала размягчения фоторезиста между валками и скорости ламинирования, поддерживаемой согласно формулеv= 0,0028Т
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
где v - скорость ламинирования, м/мин;
Т - температура валков, oС,
а длительность ультрафиолетового излучения при проведении операции микропрофилирования устанавливают согласно формуле
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200338/2200338-6t.gif)
где
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
Ф - световой поток ультрафиолетового излучения, клм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования электрических выводов металлизируют участки подложки по месту подачи и съема электрических сигналов.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к микротехнологии и может быть использовано при изготовлении микрочипных устройств, содержащих каналы для транспортировки жидкости, газа и передачи оптического излучения, являющихся основой аналитико-технологических микросистем, микропневматических и микрогидравлических исполнительных элементов. Наиболее эффективно использовать предлагаемый способ при изготовлении микрочипного устройства для биологического и химического тестирования и синтеза. Известен способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста путем формирования рельефа на подложке с последующей обработкой фоторезистом, центрифугированием в режиме дополнительного вибрационного воздействия, промывкой, сушкой и фотолитографией (US 5609995, G 03 F 7/00, 1997). Однако данный способ нетехнологичен при изготовлении объемных микроструктур, так как требует последующего микропрофилирования с помощью разнородных материалов. Известен также способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, предусматривающий нанесение слоя фоторезиста толщиной не менее максимальной высоты требуемого рельефа на подложку с последующим формированием в нем рельефа функциональных элементов посредством лазерного излучения в ультрафиолетовой области, проявлением полученного в фоторезистивном слое скрытого изображения жидкостным методом, растворением и удалением проэкспонированного материала фоторезиста и сушкой. При этом используют импульсы лазерного излучения, которые генерируют с периодом времени между последовательными импульсами, не меньшим периода времени, необходимого для удаления проэкспонированного (посредством одного импульса) материала фоторезиста из зоны экспонирования в процессе проявления скрытого изображения, причем процесс проявления начинают осуществлять одновременно с экспонированием (RU 2164706, G 03 F 7/00, 2001; RU 2164707, G 03 F 7/00, 2001). Таким образом, в данном способе описан лишь основной процесс технологии изготовления микрочипного изделия. Для получения законченной конструкции требуется нанесение дополнительных функциональных слоев (крышки, микрофлюидной системы, систем ввода и вывода сигналов и т.д.). Кроме того, указанный способ является сложным в отношении наладки импульсного режима лазерного излучения. Для нанесения дополнительных функциональных слоев на промежуточный продукт, полученный вышеуказанным или иным способом, требуется решить техническую задачу надежной адгезии используемого фоторезиста с соответствующим материалом дополнительных функциональных слоев. Известное решение этой задачи заключается в том, что перед операцией фотолитографии между слоем фоторезиста и поверхностью из другого материала наносят слой клеевого состава на основе полиимида (DE 19955969, В 81 С 1/00, C 09 J 179/08, C 08 L 63/00, C 08 L 79/08, H 01 L 21/3205, 2001). Однако такой прием усложняет способ введением дополнительной операции. Кроме того, он увеличивает материалоемкость процесса, так как требует использования дополнительного материала (клеевого состава). Наиболее близким к заявляемому по назначению и технической сущности является способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, предусматривающий нанесение трехслойного фоторезиста на подложку, микропрофилирование в нем рельефа функциональных элементов и формирование выводов для присоединения устройства к внешней цепи (www.somisys.ch - официальный сайт фирмы "SOTEC MICROSYSTEMS", SE, 28.03.2002). Все функциональные элементы целевого изделия здесь сформированы в соответствующих слоях фоторезиста. Однако приведенной технологической информации, вытекающей из данного источника, недостаточно для надежного изготовления целевого изделия. Открытым остается вопрос о технологических режимах, обеспечивающих создание многослойной микропрофилированной структуры на основе фоторезиста. Дело в том, что, как проиллюстрировано далее, при попытке формирования рельефа в данной структуре общеупотребительными способами возникает опасность искажения требуемой формы или возникновения дефектов в структуре фоторезиста. Технической задачей предлагаемого способа является повышение надежности его осуществления. Решение указанной технической задачи заключается в том, что в способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, предусматривающий нанесение многослойного фоторезиста на подложку, микропрофилирование в нем рельефа функциональных элементов и формирование выводов для присоединения устройства к внешней цепи, вносятся следующие изменения:1. Каждый слой фоторезиста наносят ламинированием с помощью валков с последующей фотолитографией под действием ультрафиолетового излучения (УФИ). 2. Операцию ламинирования производят в условиях регулирования температуры подложки и валков из расчета начала размягчения фоторезиста между валками. 3. Скорость ламинирования устанавливают согласно формуле
v=0,0028Т
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
где v - скорость ламинирования, м/мин;
Т - температура валков,oС. 4. Длительность ультрафиолетового излучения при проведении операции микропрофилирования устанавливают согласно формуле
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200338/2200338-2t.gif)
где
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
Ф - световой поток УФИ, клм. Для формирования электрических выводов удобно металлизировать участки подложки по месту подачи и съема электрических сигналов. В предлагаемом способе известные операции ламинирования с помощью валков (см. , например, Electrophoresis 2000, 21, 12-25) и фотолитографии с помощью УФИ (см. , например, У. Моро. Микролитография, М., "Мир", 1990, ч. 1., с. 263-267) используются в новых технологических режимах, в том числе при новых соотношениях технологических параметров, описываемых формулами (1) и (2). Это и позволяет изготовить микрочипное устройство на основе фоторезиста. Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигнутым техническим результатом заключается в том, что изготовление микрочипа путем микропрофилирования многослойного фоторезиста возможно лишь в предлагаемых узких диапазонах режимных параметров. При технической реализации способа следует иметь в виду, что формула (2) установлена для общеупотребительного размещения источника УФИ на расстоянии от обрабатываемого изделия, при котором рассеяние светового потока не превышает 20%. В этом случае для расчета экспозиции облучения в данную формулу подставляют значение светового потока Ф, указанное в технической документации на источник УФИ. По мере старения источника УФИ, а также при значительном удалении его от обрабатываемого изделия учитывают фактическое значение падающего светового потока. При необходимости подачи или приеме светового сигнала соответствующими элементами микрочипного устройства в качестве материала подложки проще всего использовать стекло. Для проведения операции ламинирования в температурном режиме начала размягчения фоторезиста наиболее целесообразно регулировать температуру между валками на 5-10oС ниже нижнего предельного значения, регламентированного в известном способе проведения данной операции. На фиг. 1 приведена конструкция микрочипного устройства для биологического и химического тестирования; на фиг.2 приведена схема расположения слоев микрочипного реактора того же назначения. В табл. 1 и 2 приведены результаты сравнительных экспериментов получения целевых изделий при различном сочетании режимных параметров. Способ поясняется следующими примерами. ПРИМЕР 1. Изготавливают микрочипное устройство для биологического и химического тестирования, изображенное на фиг.1 и 2. Устройство содержит стеклянную подложку 1, металлизированную платиной в участках 2 формирования электрических выводов. На подложку 1 со стороны, на которой расположены металлизированные участки 2, нанесен трехслойный сухой пленочный фоторезист Laminar 5050, слои 3, 4 и 5 которого имеют толщину 50 мкм. В среднем слое 4 фоторезиста выполнен микроканал 6 шириной 100 мкм с тремя микроотводами 7, 8 и 9, в общей точке которых образован инжекционный крест 10. На входе каждого микроотвода 7, 8 и 9, а также на выходе микроканала 6 выполнены цилиндрические резервуары 11, 12, 13 и 14 для подачи и вывода ингредиентов и продуктов реакции соответственно. При этом дном цилиндрических резервуаров 11, 12, 13 и 14 являются соответствующие площадки металлизированных участков подложки 1. Участки 2 связаны с электрическими контактами 15 с помощью проводников 16. Элементы 15 и 16, как и элементы 2, выполнены путем металлизации подложки 1. На участке микрокапилляра 6 вблизи его выхода по месту 17 смонтирован узел оптического детектирования, содержащий излучатель и фотоприемник, сфокусированные на микрокапилляр 6. Оптическая прозрачность используемых материалов подложки 1 и фоторезиста обеспечивает возможность навесного исполнения элементов узла оптического детектирования. При проведении микрокапиллярного электрофореза к цилиндрическим резервуарам 11, 12, 13 и 14 подводят высокое напряжение, под действием которого ионы приходят в движение. В зависимости от программы изменения напряжений происходят процессы фракционирования, которые учитываются узлом оптического детектирования. Для изготовления данного микрочипного устройства на подложке 1 размером 48х30 мм, выполненной из боросиликатного стекла марки К-8, формируют элементы 2, 15 и 16 металлизацией с помощью ионоплазменного напыления Pt (толщиной 0,15 мкм) с подслоем W (толщиной 0,04 мкм). Далее подложку нагревают до 80oС в термостате, после чего на ее металлизированную поверхность наносят первый слой 3 фоторезиста Laminar 5050 ламинированием с помощью валков на установке типа АРСМ-3289006. Ламинирование производят при температуре между валками Т=100oС, соответствующей началу размягчения используемого фоторезиста. Скорость ламинирования устанавливают согласно формуле (1):
v=0,0028Т
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200338/2200338-3t.gif)
Вычисленное и используемое в предлагаемом способе значение
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
v=0,0028T
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
- электрическая мощность лампы ДРТ 400 - Р=400 Вт;
- световой поток УФИ - Ф=32 клм (Рохлин Г.Н. Указанный источник, с. 487). Согласно формуле (2) длительность УФИ равна
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200338/2200338-4t.gif)
Испытания проводят при средних значениях режимных параметров, определяемых формулами (1) и (2) - режим 1, при их предельных (режимы 2 и 3) и запредельных значениях (T=82oС; v=0,15 м/мин;
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
v=0,0028T
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200338/2200338-5t.gif)
В качестве контроля операции ламинирования и микропрофилирования слоев фоторезиста проводят в режиме, регламентированном вышеуказанной Инструкцией (T=112oС; v=1,2 м/мин;
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
![способ изготовления микрочипного устройства на основе фоторезиста, патент № 2200338](/images/patents/270/2200003/177.gif)
Класс G03F7/00 Фотомеханическое, например фотолитографическое, изготовление рельефных (текстурированных) поверхностей или поверхностей с рисунком, например печатные поверхности; материалы для этих целей, например содержащие фоторезисты; устройства, специально приспособленные для этих целей