一种聚合物光漂白光波导与微流控免对版集成芯片及其制备方法_2

文档序号:9825545阅读:来源:国知局
除凹槽内残留的光刻胶层12,从而得到微流控光漂白掩膜版13,由微流控层芯片A(或B)以及凹槽内残留的铝掩膜11构成;
[0015]3、制备光波导芯片,共流程如附图6所示,在波导聚合物衬底14(其尺寸、材料与微流控基底2相同,通过选择不同分子量的化合物使波导聚合物衬底14的玻璃态转化温度低于微流控基底2低I?50°C)上表面靠近长边的两侧粘贴两条条形结构的胶带15(其长度为a,宽度为k,k为5?10mm,且b-2k-R>c),可以是纸胶、透明胶、划片用蓝膜,在两条条形结构的胶带间露出需要制备波导的矩形区域(其长度为a,宽度为b-2k),胶带覆盖区域用于上下芯片的封装,在波导聚合物衬底14贴有胶带15的一侧旋涂光敏聚合物材料(为SU-8系列材料),本发明所述的旋涂光敏聚合物材料是指将光敏聚合物材料滴在处理过(用乙醇清洗和超声清洗)的波导聚合物衬底14上,然后将波导聚合物衬底14置于旋转涂覆机上,在1000?6000r/min的转速下旋转衬底进行涂膜,旋涂的时间为20?60s,使光敏聚合物材料均匀涂在波导聚合物衬底14和胶带15上;固化光敏聚合物材料后得到光敏聚合物薄膜16,本发明所说的固化光敏聚合物材料是按照光敏聚合物材料的性质使光敏聚合物材料由液态变为固态(加热采用烘箱或热板,阶梯升温,55?65°C加热3?15min,而后升温至85?95°C加热6?25min);而后剥离去除波导聚合物衬底14表面边缘处的胶带15,从而得到光波导芯片17,由波导聚合物衬底14和在波导聚合物衬底14上的光敏聚合物薄膜16组成;
[0016]4、封装和波导制备,其流程如附图7所示,将光波导芯片17带有光敏聚合物薄膜16的一侧和微流控光漂白掩膜版13带有微流控凹槽5(或9)的一侧在压印机4上进行热压印,调整纳米压印过程的保压温度为80?150°C,保压压力为0.5?8kg/cm2,保压时间为I?lOmin,压印后完成了芯片的封装,得到了平板结构的聚合物平板光波导微流控集成芯片18(该封装过程可是热压印芯片A同种材料融化的粘合,也可以是紫外压印芯片B分子间作用力的键合);以微流控光漂白掩膜版13为掩膜版,在紫外光(光刻机、曝光灯或紫外压印机均可)19作用下,从微流控光漂白掩膜版13—侧曝光聚合物平板光波导微流控集成芯片18,曝光功率200?300mW/cm2,曝光时间30s?600s;曝光后,即在光敏聚合物薄膜16上得到与微流控光漂白掩膜版13结构相同的波导图形(由于铝掩膜的存在,微流控凹槽5对应区域的光敏聚合物薄膜16未被曝光,而其余区域的光敏聚合物薄膜16被曝光,因而折射率变低,最后测试光信号(波长1550nm)在未曝光区域进行光的传输),波导的厚度为光敏聚合物薄膜16的厚度;
[0017]5、采用激光I对步骤4的器件进行切割(切割功率为40?100W,走刀速度为8?5Omm/s),沿样片表面且垂直于三线段式结构所在直线(三线段结构中传输光,光传输方向如图中剪头所示)方向进行切割,切割位置与三线段式结构的两侧线段相交,靠近衬底边缘I?3mm,示意图如附图8,最后,将得到的切割端面用乙醇和去离子水擦拭清洗,然后抛光可得端面处理过的条形光波导微流控三维集成芯片20。
[0018]如通道内的铝掩膜11的存在对后续应用有影响,可以在注液孔4注入质量分数2?5%0的NaOH水溶液去除微流控通道表面的铝掩膜6,而后用去离子水清洗;如铝掩膜11的存在对后续应用无影响,可不去除铝掩膜,铝掩膜的存在,方便测试时光纤与光波导的对准。
[0019]与现有技术相比,本发明的创新之处在于:
[0020]1、光波导通过微流控芯片作为掩膜,不需要对版工艺,避免了对版误差;
[0021]2、不采用干法刻蚀等高成本制备工艺,通过光写入制备波导,保证表层裸露,降低了波导的弯曲损耗和散射损耗;
[0022]3、本发明不需要上包层旋涂、固化、传感窗口的对准刻蚀等流程,直接采用压印的微流控通道作为传感窗口,对准后,直接封装。该方法工艺流程简单、封装过程不会阻塞传感窗口,保证了光波导芯层和微流控通道良好的接触,避免了封装过程对芯片光学性能的影响。
[0023]4、本发明芯片制备后直接激光切割聚合物芯片端面,工艺快捷灵活、成本低。
[0024]本发明制备的光波导微流控集成芯片,其微流控通道导通良好,光波导平均传输损耗为1.5?3dB/cm(本发明采用下面公式计算平均传输损耗:平均传输损耗=(插入损耗-波导与光纤耦合损耗)/波导长度;抛光后波导的耦合损耗可以通过截断法测试没有集成微流控通道的同尺寸波导样品测得(0.5_3dB),插入损耗可由光功率计测得(与片长有关),光波导长度可以直接量出),本发明的光波导微流控集成芯片可用于液体与波导表面接触的倏逝波型液体传感器。
【附图说明】
[0025]图1:热压印微流控通道工艺流程图;
[0026]图2:热压印(紫外)压印模板结构图;
[0027]图3:紫外纳米压印微流控通道工艺流程图;
[0028]图4:压印微流控层芯片(微流控通道及注液孔);
[0029]图5:铝掩膜制备工艺流程;
[0030]图6:光波导芯片制备流程;
[0031]图7:光波导微流控芯片封装和波导写入流程;
[0032]图8:激光切割方向示意图。
【具体实施方式】
[0033]实施例1
[0034]热纳米压印PMMA,芯层SU-8-2005
[0035]具体工艺步骤如下:
[0036]用激光器I切割厚度Imm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片(其玻璃态转化温度为105°C),切割功率为50W,走刀速度为lOmm/s,切割出矩形的微流控基底2(长a为4cm,宽b为3cm);然后采用热压印方法制备微流控通道凹槽,采用硅模板3,通过热纳米压印机4压印凹槽,纳米压印过程的保压温度IlOtC,保压压力4kg/cm2,保压时间5min,压印后自然剥离模板,制备出微流控通道凹槽5(线宽9μπι,深度9μπι),引入引出线段长c为10mm,三线段结构的中间线段长e为20mm,三线段的两个间距均为d为9μπι;在凹槽端口处用激光器I烧蚀出贯穿的圆形注液孔6(激光功率为50W,走刀速度为8mm/s;圆形半径R为3mm);然后用乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。聚合物微流控基底2、微流控通道凹槽5、贯穿的圆形注液孔6共同构成热压印微流控层芯片A。
[0037]在热压印微流控层芯片A带有微流控凹槽5的一侧蒸发铝掩膜11(铝掩膜厚度30nm),铝掩膜11分布在凹槽底部和芯片表面,在蒸发的铝掩膜11上旋涂光刻胶12(BP218),转数3000r/min,时间20s,光刻胶分布在凹槽内的铝掩膜上以及芯片上的铝掩膜上(凹槽内光刻胶层的厚度为Ι?μπι,芯片上光刻胶层的厚度为4μπι,凹槽处存在2μπι的塌陷)。然后采用热板85°C加热20min,自然降温,而后曝光7s(200mW/cm2),用质量分数5%。氢氧化钠作为光刻胶显影液,显影40s后可去除芯片上侧的光刻胶层和光刻胶下平板层的铝膜,在凹槽底部有光刻胶残留,显影后继续曝光7s(200mW/Cm2),用质量分数5%。氢氧化钠显影10s,去除光刻胶,但是保留铝膜,得到用于微流控光漂白的掩膜版13(在凹槽底部为铝掩膜)。
[0038]在波导聚合物PMMA衬底14(其玻璃态转化温度为105°C,长4cm,宽3cm,厚Imm)上表面靠近边缘处粘贴两条纸胶15,胶带覆盖区域为0.2cmX4cm,露出的PMMA衬底14区域,用于光敏层材料的旋涂),在贴有纸胶15的衬底薄片一侧旋涂光敏聚合物材料16(SU-8-2005),即将SU-8-2005材料滴在处理过(用乙醇清洗和超声清洗)的PMMA衬底14上,将衬底14置于旋转涂覆机上,在3000r/min
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