专利名称：一种用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台的制作方法
技术领域：
本发明属于微加工技术领域，具体涉及用于简单光刻及软光刻的恒温控制实验台。
技术背景光刻和软光刻的工艺流程中， 一个清洁无尘的环境是有必要的。加工的微结构一 般都是纳米或微米级的，即使很细微的灰尘，都有可能影响到最终成型结构的质量；同 时，在加工聚二甲基硅氧烷(PDMS)等有机材料时，需要对液态的聚合物前体溶液加热，并恒温放置一段时间。而且，由于液态前体在聚合成型前会溶解一些气体，为了防 止在成型后的聚合物中有气泡出现，需要利用一定的真空度来除去溶液中的气体。通常， 要产生足够的真空度，需要一个密闭的空间和一套抽气装置。此前，用于光刻和软光刻 的设备不少，但都需要在超净室或者大型超净台上完成加工工艺。而且，根据加工任务 的不同， 一般都需要多台设备才能实现。这样，加工所需要的仪器设备一般都相当昂贵， 小型实验室难以购置。基于此，我们发明了这一用于简单光刻及软光刻工艺的小型恒温 自控实验台。中国科学院大连化学物理研究所研制了一种专用于微流控芯片制作的光刻机(中国专利文献公开号CN2555525)，由一暗箱、 一高压汞灯、 一匀光透镜组合而成。它可 以实现简单的光刻加工，但是由于没有观察窗，温度控制，真空设备等装置，无法实现 软光刻加工工艺。而且，该装置缺乏水平调节系统，在光刻曝光时容易造成光路和需要 光刻的界面不垂直，影响光刻质量。发明内容针对现有技术存在的不足，本发明公开一种用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控 实验台。本发明的技术方案如下该实验台包括控制器，实验台箱体，紫外光照设备，照明系统，专用夹具，加工平 台，气压系统，温度传感与加热系统，温度控制系统，所述控制器位于实验台箱体的上方，用于对所述箱体内温度、气压、照明和光刻的整体控制；所述紫外光照射设备与照 明系统设置在实验台箱体内部的上方，用于紫外刻蚀加工以及照明；所述加工平台位于 实验台箱体内部的底部，专用夹具用于固定加工平台上面的基片材料，以及固定掩膜和 母板；所述气压系统用于实现箱内所需的真空度；温度传感与加热系统固定在实验台箱 体内部的一侧，温度控制系统位于控制器的内部，所述温度控制系统通过控制温度传感 与加热系统来实现实验台箱体的温度调节和恒定。该实验台主要用于光刻与软光刻加工工艺。通常，在光刻与软光刻加工工艺中，需 要有恒温固化，真空去气泡，紫外照射固化等一系列操作过程。目前用于该工艺的设备 都是处于分离状态，即完成一次光刻或软光刻加工工艺需要至少三个设备恒温箱，真 空箱及紫外照射平台。本发明实现了光刻与软光刻加工工艺流程的一体化，即把工艺过 程中所需的设备集合在一起。该实验台成本低廉，设备简单，功能完善。
图l是本实验台的示意图；图2是本实验台温度传感及加热系统示意图；图3是本实验台温度控制系统示意图；图4是利用^TM方法把聚合物材料的微结构加工在玻璃基片表面过程。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步阐述该实验台由控制器l，实验台箱体2，紫外光照设备3，照明系统4，专用夹具5， 加工平台6，螺母7,水平尺8，操作手套9，气压表IO，真空泵ll，气压系统、温度 传感及加热系统、温度控制系统组成。其中，控制器1位于实验台箱体2的上方，用于 开关控制紫外光照射设备3与照明系统4;紫外光照射设备3与照明系统4位于实验台 箱体2内部的上方，用于紫外光硬化操作、刻蚀加工以及照明；加工平台6位于实验台 箱体2内部的底部，专用夹具5用于固定加工平台6上面的基片材料，同时，还可以固 定掩膜，母板以及加上适当的压力；螺母7位于实验台箱体2外部的底部，用于调节加 工平台6的水平状况；水平尺8位于实验台箱体2的外部底端，用于检测加工平台6 的水平状况；实验手套9与箱体2用胶水密闭相连，设置于实验台箱体(2)两侧，气压表10位于实验台箱体2的外侧，用于检测箱体内部的气压，真空泵U也是位于实验 台箱体2外侧，用于调节箱体内气压；加热及温控系统位于实验台箱体2内部一侧面， 用于保证实验箱内部温度恒定。实验台箱体2的整体由2mm厚不锈钢板组成，前斜面 用5mm厚的透明有机玻璃面板做成，用作观察窗口，便于观察加工过程，面板上方为 不透明盖板，在光刻实验时盖上，以避免外界光线的干扰。操作人员通过手套9把手伸 入恒温箱内部对样品进行操作和加工。图1是本实验台的整体示意图，进行简单光刻或软光刻加工的基片材料置于温控实 验台箱体2中的加工平台6上，由专用夹具5固定，加工平台6可在水平和垂直方向精 确调节。温度控制系统可以实现温度设定并保证箱体内温度的恒定。照明系统4及透明 观察窗便于加工时状态观察，透明观察窗在光刻实验时可以盖上，以避免外界光线的干 扰。紫外光照设备3可以进行光照硬化或光刻操作，照明系统4有利于实验操作和实验 结果的观测。气压系统包括真空泵ll和气压表IO,用以保证箱内达到所需的真空度。 除此之外，密闭的操作手套9可以方便在箱内操作，并尽量排除外界干扰。控制器1 可以实现对温度，气压，照明，光刻的整体控制。箱体底部为一个水平度可调节的加工 平台，可以通过旋转四周的螺母7来调节箱体离所放置台面的高度以及箱体的水平。通 过箱体正面和右侧的水平尺8可以检测箱体的水平情况。图2是本实验台温度传感及加热系统示意图，箱体的一侧固定温度传感器DS1820, 其由双金属片15,动触头16，静触头17组成，温度传感器与控制器旋钮开关22及指 示灯14以及外界电源相串接。在耐热材料支架上固定电热器18，电热器18的电热丝 的电阻值根据设定的温度值来定。过温度传感器和加热器的协调工作来实现温度的调节 和恒定。所述温度传感器精度为il。C。图3是本实验台温度控制系统示意图,控制器1的前盖板右下方的长方形玻璃窗口 内面装有温度计21，可测温度范围0-99。C。左上方是指示灯14,温度传感与加热系统 中的传感器、电热器18与指示灯14、旋钮开关22依次串联，然后通过从控制器(1) 内引出的电插头(19)连接到外部电源，。当恒温箱内的温度超过设定值时，传感器切 断电路，指示灯熄灭，电阻线圈不发热，恒温箱内温度随之下降，当温度降到低于所要 求的数值时，传感器接通加热电路，箱内温度随之升高。这样，使恒温箱内的温度保持 基本恒定。通过旋钮开关22来设定需恒定的温度。下面，通过用微传递模塑(pTM)技术复制硅微通道系统来进一步介绍使用恒温实验台进行的软光刻加工的方法。微传递模塑方法是利用PDMS弹性橡胶作为传递介质。首先让PDMS在母板上用 复制模塑方法形成一个相反的印像，然后利用这个PDMS印像为新的母板，利用其它 聚合材料用复制模塑方法形成一个与最初的模板结构完全相同的新的微结构。两次复制 模塑过程称为传递模塑。实验母板为精密光刻的硅微通道芯片。实验目的是利用pTM方法把聚合物材料的 微结构加工在玻璃基片的表面，如图4所示。实验所用的两种聚合物材料为PDMS和 Norland紫外固化光学胶NOA73。 Norland紫外固化光学胶NOA73的化学名称是聚亚 胺脂(PolyUrethane， PU)，它是一种光学透明、暴露在长波紫外光下即可快速固化的 液态胶。^TM加工流程是首先用PDMS复制硅微通道(1)清洗硅微通道芯片母板， 放入干净的培养皿。(2)将混合好的PDMS前体溶液徐徐倒入培养皿，混合液要漫过 芯片，高出2-4mm为宜。将表面皿放入恒温实验台，启动真空泵，同时观察真空表， 约一分钟之后可以看到箱体内的大气压已降至0.8个大气压(60.8cmHg)，此时，调整 气阀，使气压稳定在0.8个标准大气压处，可以看到，残留在液态PDMS中的气泡逐渐 消失，两小时后，气泡完全消失，方可关闭真空泵，使箱体恢复标准气压。(3)启动加 热系统，设定恒温温度为65。C，加热4小时后，可以看到液态PDMS已基本固化，待 冷却后就可以将其取出，用手术刀和镊子将固化的PDMS胶块自母板芯片边缘剪裁， 揭起，硅芯片上的结构已完全被复制到PPMS胶块上。使用pTM技术的第二步是在玻璃载玻片表面构造微通道将微通道结构复制到 PDMS弹性印章上所得到的微结构与原硅微结构刚好相反，如微通道结构表现在弹性模 上只是一个一个的凸起的长方体。如果需要得到与母板一致的复制，需要将PDMS弹 性印章的结构信息再次转移到另一基底上(1)用氧等离子处理使PDMS表面亲水。(2) 用锥形的PDMS模块蘸起少许聚亚胺脂(PU)液体，仔细地将这些液体填充在PDMS 弹性印章上微型长方体阵列的狭窄缝隙中，静置片刻，让PU充分融入这些缝隙。(3) 再用锥形PDMS模块的锥尖将表面冗余液体吸除。(4)将填充好的PDMS弹性印章平 放(有微结构的一面朝下)在预先清洗好的载玻片之上，并将载玻片置入恒温实验台之 中，启动加热系统，设定温度为40。C;同时启动真空泵，将实验台内的气压稳定在0.8 个标准大气压，抽真空约30分钟，将残留在PU中的气泡除去。(5)启动紫外固化灯， 由于PDMS模的良好的光学透明特性(对波长在230-700 nm之间的光线有良好的通透性)，紫外光能直接作用于PU。在离紫外光源15cm处，照射一个小时能使PU完全固 化。揭开PDMS弹性印章，可以看到在载玻片表面固定了一系列与硅微通道结构基本 一致的微通道结构。
权利要求
1、一种用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，该实验台包括控制器(1)，实验台箱体(2)，紫外光照设备(3)，照明系统(4)，专用夹具(5)，加工平台(6)，气压系统，温度传感与加热系统，温度控制系统；其特征为所述控制器(1)位于实验台箱体(2)的上方，用于对所述箱体内温度、气压、照明和光刻的整体控制；所述紫外光照射设备(3)与照明系统(4)设置在实验台箱体(2)内部的上方，用于紫外光照硬化、刻蚀加工以及照明；所述加工平台(6)位于实验台箱体(2)内的底部，专用夹具(5)用于固定加工平台(6)上面的基片材料，以及固定掩膜和母板；所述气压系统用于实现箱内所需的真空度；温度传感与加热系统固定在实验台箱体(2)内部的一侧，温度控制系统位于控制器(1)的内部，所述温度控制系统通过控制温度传感与加热系统来实现实验台箱体(2)的温度调节和恒定。
2、 根据权利要求l所述的用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征为所述温度传感与加热系统包括温度传感器和耐热材料支架上固定的电热器(18)， 其中温度传感器由双金属片(15)、动触头(16)、静触头(17)组成；所述温度控制系 统包括旋钮开关(22)、指示灯(14)和一温度计；温度传感与加热系统中的传感器、 电热器(18)与所述指示灯(14)、旋钮开关(22)依次串联，然后通过从控制器(1) 内引出的电插头(19)连接到外部电源，当实验台箱体(2)内的温度超过设定值时， 传感器切断上述串联电路，指示灯熄灭，电热器(18)不发热，实验台箱体(2)内温 度随之下降，当实验台箱体(2)内温度降到低于所要求的数值时，传感器接通上述串 联电路，电热器(18)发热，实验台箱体(2)内温度随之升高；并可通过旋钮开关(22) 来设定需恒定的温度。
3、 根据权利要求l所述用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征在 于实验台箱体(2)的整体由不锈钢板组成，前斜面用透明有机玻璃面板做成，用作 观察窗口，便于观察加工过程，面板上方为不透明盖板，在光刻实验时盖上，以避免外 界光线的干扰。
4、 根据权利要求l所述的用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征 在于控制器(1)通过其内部的温度控制系统实现实验台箱体(2)内的温度测量，温 度设定以及温度自动保持功能；同时，控制器(1)还能对照明系统(4),紫外光照设备(3)及气压系统进行整体控制。
5、 根据权利要求2所述的用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征 在于使用的温度传感器精度为士1。C，可测温度范围0-99。C。
6、 根据权利要求l所述的用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征 在于所述气压系统由真空泵(11)、密闭管道、压力表(10)及密闭箱体组成，压力 表(10)位于实验台箱体(2)的外侧，用于检测箱体内部的气压，真空泵(11)位于 实验台箱体(2)外侧，用于调节箱体内气压。
7、 根据权利要求l所述的用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台，其特征 为该实验台还进一步包括螺母(7)、水平尺(8)、实验手套(9)，所述螺母(7)设 置于实验台箱体(2)外部的底部，用于调节加工平台(6)的水平状况；所述水平尺(8) 设置于实验台箱体(2)的外部底端，用于检测加工平台(6)的水平状况；所述实验手 套(9)与实验台箱体(2)用胶水密闭相连，设置于实验台箱体(2)两侧，操作人员 通过手套(9)把手伸入恒温箱内部对样品进行操作和加工。
全文摘要
本发明提供一种用于简单光刻及软光刻的小型恒温自控实验台。该实验台由一个梯形密闭箱，一个单片机控制器，一台真空泵组成。密闭箱体是由不锈钢板组成，前斜面是无色透明有机玻璃面板，面板上方为不透明盖板，在光刻实验时可以盖上，以避免外界光线的干扰。箱体内顶部悬挂照明用的日光灯，加热用的碘钨灯和起光刻和固化作用的紫外灯，它们都可以通过控制台进行控制。密闭箱两侧有两个圆孔，在不破坏密闭环境情况下，通过与圆孔相连的手套对样品进行操作加工。本实验台能实现温度测定，温度设定以及自动保持等基本功能，还可以将照明系统，加热系统，紫外光照装置及真空泵全部进行开关控制。
文档编号G03F7/20GK101221377SQ200810069250
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者侯文生, 廖彦剑, 张丽果, 军 杨, 罗洪艳, 郑小林, 默 陈 申请人:重庆大学