（微电子学与固体电子学专业论文）生物芯片中塑料微结构基片的制备研究.pdf

生物芯片中塑料微结构基片的制备研究 摘要 生物芯片是近年来发展起来的一种新型检测技术，对人类基因组 计划的提前完成发挥了重要作用。传统的生物芯片大多采用硅、玻璃 等材料，它们价格昂贵并且在实际应用中产生了不少问题。本论文采 用d e m 技术和u v l i g a 技术，得到硅模具和金属镍模具后，利用 热模压的方法制备成功塑料毛细管电泳芯片和三维d n a 芯片基片。 此种方法具有工艺简单，成本低廉，易实现大批量、低成本生产等优 点，且产品的生物兼容性更好，预期将有广阔的应用前景。 ，一fd e m 技术是由上海交通大学开发成功的一种新型准l i g a 技术， k 它结合了体硅微加工技术和l i g a 技术的优点，加工周期短，可以得 到具有高深宽比的金属、塑料和陶瓷微结构。本文对d e m 技术的加 工工艺进行研究，优化了工艺参数，制得的产品质量较佳。u v l i g a 技术采用一种负性近紫外厚光刻胶s u 8 ，它对工艺参数的改变非常 敏感并且电铸后难以除去。文中我们对s u - 8 的光刻工艺进行研究， 得到制备3 0 l am 厚胶的光刻条件，并对去胶问题进行了研究。 我们制备的p m m a 毛细管电泳芯片与常规硅或玻璃芯片相比， 制各工艺简单，封装也较为成熟，产品质量较好。此种制备方法，填 、7 7 补了国内空白。叮 三维塑料d n a 芯片基片，与常规的二维、硅或玻璃芯片基片相 比，大大增加了表面积，可使检测信号增强，缩短检测时间，并且价 格低廉，适用于大批量生产。此类型的d n a 芯片基片目前尚未见文 献报道。 关键词 生物芯片，毛细管电泳芯片，d n a 芯片，d e m 技术， u v l i g a 技术，s u 8 ，三维基片，热模压 蛐胱o n 跚o n 隙o c e s s o f p i a s l l c m 嘎c r o s t r i 枷瓜a i s u b s t a h sf o rb 【0 c 卸酽s a b s t r a c t b i o c h i pi s an e wd e v e l o p e dt e c h n i q u e ，w h i c hp l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei na h e a dr e a l i z i n go fh u m a ng e n o m e p r o j e c t t r a d i t i o n a lb i o c h i p s a l w a y su s es i l i c o n o rg l a s sa sm a t e r i a l ，w h i c ha r et o oe x p e n s i v ef o ra -c o m m e r c i a lp r o d u c ta n da l s oi n d u c e p a r t i c u l a rp r o b l e m s l i k e p r o t e i n s t i c k i n g t os u r f a c e s i nt h i s p a p e r , d e mt e c h n i q u e a n du v - l i g a t e c h n i q u ew e r e u s e dt oo b t a i ns i l i c o no rm e t a l l i cm o l d s u s i n gt h em o l d s a st o o l si nh o te m b o s s i n gp r o c e s s ，p l a s t i cc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p a n dt h r e e d i m e n s i o n a ld n a c h i ps u b s t r a t ew e r eg o t t e n t h ef a b r i c a t i o n m e t h o di s s i m p l e ，l o w c o s ta n df i t f o rb i o c h e m i c a la p p l i c a t i o n s ，w h i c h h a s p r o m i s i n g e c o n o m i cf u t u r e d e m t e c h n i q u e i san e wl i g a - l i k em i c r o f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e d e v e l o p e db ys h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y i th a sa d v a n t a g e so f b o t h s i l i c o nm i c r o m a c h i n ga n dl i g a t e c h n i q u e i th a ss h o r t e rp r o c e s sp e r i o d a n dc a n g e th i 曲a s p e c t r a t i om e t a l l i c ，p l a s t i ca n dc e r a m i cm i c r o s t r u c t u r e w eo p t i m i z e di t sf a b r i c a t i o n p r o c e s st og e tb e t t e rp r o d u c t s u v - l i g a t e c h n i q u e u s e ss u - 8 ，an e wn e g a t i v e - t o n en e a r u vt h i c kp h o t o r e s i s t ， w h i c hi sv e r ys e n s i t i v et op r o c e s sp a r a m e t e ra n dd i f f i c u l tt or e m o v ea f t e r e x p o s u r ep r o c e s s w es t u d i e d o ni t s l i t h o g r a p h yp r o c e s st og e tb e t t e r l i t h o g r a p h y c o n d i t i o nf o r3 0ums u 一8m i c r o s t r u c t u r e i t sr e m o v a l p r o b l e m w a sa l s os t u d i e di nt h e p a p e r c o m p a r e d t os i l i c o na n d g l a s sb i o c h i p ss u b s t r a t e s ，t h ep m m a b a s e d c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i pw eg o th a ss i m p l e rf a b r i c a t i o np r o c e s s ， m a t u r ep a c k a g i n ga n db e t t e rp r o d u c tq u a l i t y i t sf a b r i c a t i o nm e t h o di s n e wi nc h i n a t h et h r e e d i m e n s i o n a ld n a c h i p s u b s t r a t eh a s i n c r e a s e ds u r f a c e a r e ac o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld n a c h i p s i tc a ni n c r e a s et e s t i n gs i g n a l a n ds h o r t e nt e s t i n gt i m e ，i t sa l s ol o w c o s ta n df i tf o rm a s s p r o d u c t t h i s n e w t y p eo f d n a c h i ps u b s t r a t eh a s n o tb e e n r e p o r t e db e f o r e k e y w o r d s ：b i o c h i p ，c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p ，d n ac h i p ， d e mt e c h n i q u e ，u v l i g a t e c h n i q u e ，t h r e e d i m e n s i o n a ls u b s t r a t e ， h o t e m b o s s i n g 1 1 生物芯片 第一章前言 众所周知，人类基因组计划( h u m a ng e n o m ep r o j e c t ) 已经提前完成。目前，人们已 开始对所发现的已知基因进行功能研究。另外，与疾病相关的研究已从研究起因向探索发病 机理方面转移。因此在后基因时代，研究人员必须利用有效的硬件技术对庞大的d n a 信息 以及蛋白质信息加以利用。而在发展起来的各种技术中，发展最快和应用前景最好的是以生 物芯片技术为基础的亲和结合分析、毛细管电泳分析法和质谱分析法“。采用生物芯片可进 行生命科学和医学中所涉及的各种生物化学反应，从而达到对基因、抗原和活体细胞等进行 测试分析的目的。可以说生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生 物武器战争、司法鉴定、食品和环境卫生等领域带来一场革命。生物芯片问世不久，就得到 各国政府和商界的高度重视”“，目前美国已有数种商业化的生物芯片上市。相对而言我 国生物芯片发展较为缓慢，因此更加有研究的迫切性。 1 1 1 生物芯片简介 1 1 1 1 生物芯片及其分类 生物芯片( b i o c h i p ) 是指运用大规模集成电路光刻技术以及生物分子的自组装技术，在 一个微小芯片上组装成千上万不同的d n a 或蛋白质的生物分子微阵列，实现以基因为主的 分子信息大规模检测“1 。如图1 1 所示，生物芯片按功能及用途，可分为两大类：分子电子 器件和生物分析芯片。 图卜1 生物芯片的类型与功能“ f i g u r e1 - 1 t h e t y p eo f b i o c h i p s 分子电子器件可以制备成分子开关、分子存储器、分子导线，可以实现高速信息处理等 功能。生物分析芯片则通过微细加工技术，在芯片上制造微型流体分析系统，实现对细胞、 蛋白质、基因以及生物参数的准确、快速、大规模测量，实现了生物分析系统的微型化和芯 片化，又称为微全分析系统u - t a s ( m i c r o t o t a la n a l y t i c a ls y s t e m ) 或芯片实验室( 1 a bo nac h i p ) 。 下文中我们所指的生物芯片都为生物分析芯片。 根据检测方法的不同，生物分析芯片又可主要分为两大类”1 ：毛细管电泳生物芯片和 d n a 探针阵列生物芯片。毛细管电泳芯片是用硅、玻璃等材料做承载基片，通过微细加工 技术在其上刻出微米级的微通道，这种通道具有类毛细管的性质，在电场的作用下即形成微 芯片毛细管电泳体系，也可在芯片上刻蚀出微反应池进行p c r ( p o l y m e r c h a i nr e a c t i o n ) 等 反应。在毛细管电泳芯片的微通道内填充非变性聚丙烯酰胺，可用于分离单链d n a ( 如对 测序反应后的产物进行分离) ，羟丙基纤维素等介质亦可在微通道内缠绕成筛网型结构，用 以分离d n a 片段。 d n a 探针阵列生物芯片，又称为基因芯片( g e n ec h i p ) 或d n a 芯片( d n ac h i p ) ，是 用硅、玻璃、多孔硅、聚丙烯等材料做承载基片，经化学方法在其上“挂”满密集的寡核苷 酸阵列。它的作用原理是探针与靶基因的互补杂交，不同来源、但序列互补的两条单链d n a ( s s d n a ) 可以发生杂交反应形成双链d n a ( d s d n a ) 。将其中之( 探针或靶基内) 先行 标记( 有时也在杂交反应后标记) ，可以检测杂交信息”“。 11 12 生物芯片的优点和用途 生物芯片与传统的生化分析方法相比，有以下几个优点： 1 采用微细加工技术，可实现大批量生产。通过提高集成度，降低单个芯片的成本。 2 可组装大量的生物探针，获得信息量大，效率高，特别适合于基因信息的采集。 3 结合微机械技术( m e m s ) ，可把生物样品的预处理，基因物质的提取、扩增，以及 杂交后的信息检测集成为芯片实验室，制各为微型、全自动化、无污染、可用于微 量试样检测的高度集成的智能化生物芯片。 1 1 1 3 生物芯片的用途 毛细管电泳芯片主要用于样品的制备及分离，它用于电泳分离d n a 具有很高的效率 “，据报道”它已经可以分辨长度仅差一个碱基的d n a 片段。除了以上用途外，利用硅- 玻璃复合的芯片可进行p c r 、l c r ( l i g a s e c h a i nr e a c t i o n ) 等反应，可使样品制备一化学反 应产物分析过程在芯片上连续进行，这种连续过程属于典型的微全分析系统u - t a st l z l , 由 于此类芯片可以一次性使用，使p c r 反应发生污染的可能性减小，且需时短、样品及试剂 的耗量少、装置便携、整个系统集成化、自动化。 d n a 芯片上布满了d n a 探阵阵列，此种探针不是序列相同的单一探针，而是多种不同 序列的探针的集合，是一个微型的“探针池”。它的一次检测，即可完成常规探针需要几十 次、几百次检测才能完成的任务。h a c i a 等“已经成功的应用含9 6 6 0 0 个核苷酸阵列的d n a 芯片对人体乳腺癌和卵巢癌的相关基因b r c a i 进行了基因突变检测。基于已知的基因，还 可以设计出不同的d n a 芯片检测疾病的相关基因，也可以用于某种( 或同时几种) 病原体 基因的检测。 综上所述，这两类生物芯片在l 临床医学、诊断、基因药物的设计、法医学、农业、环境 监测、h g p 的完成以及h g p 后的基因资源利用等各个方面均具有广阔的应用前途。 2 11 2 毛细管电泳芯片 1 2 1 1 毛细管电泳基本原理 1 4 1 8 毛细管电泳序列分析法( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，c e ) 是建立在原有的高分辨率变性 聚丙烯酰胺凝胶电泳序列分析法的基础上的，其毛细管电泳的基本装置是在充满电解质的毛 细管两端施加高压，由于不同分子量大小和带不同电荷的分子在其中具有不同的泳动速度， 从而达到分离的目的。在序列分析时，先用末断终止或化学裂解法获得序列中不同长度的 d n a 片段，然后用毛细管电泳检测这些片段，得到序列信息。由于流阻大，不用载体，可 直接在缓冲液中进行电泳，消除了载体对电泳的影响，又可容纳分子量极大的样品，因此毛 细管电泳分析法有广泛应用的趋势。 电泳是在电场作用下带电粒子在缓冲溶液中的定向移动，这种移动的速率u 。由下式决 定： = u 。e( 1 1 ) 式中，e 为电场强度，“，表示溶质的淌度，所谓的淌度即溶质在给定缓冲液中单位时间 间隔和单位电场强度下移动的距离。在溶液中一个粒子的淌度可以近似的表达为： 西 一4 x r ( 1 - 2 ) 式中是流体的介电常数，q 是介质的粘度，每是粒子的z e t a 电势，它的大小和粒子表 面的电荷密度有关，也即对于给定质量的粒子，表面电荷越大，z e t a 电势也就越大；反之， 如果电荷给定，则质量越大，z e t a 电势越小。对于非胶体粒子，z e t a 电势近似地正比于z g m 2 3 ， 其中m 为分子量，z 是净电荷。因此，不同离子则可能按照它们表面电荷密度的差别以不 同的速率在电介质中移动，最终达到分离。通常认为这就是电泳，严格地说是自由溶液曲带 电泳分离的基础。 1 1 2 2 毛细管电泳芯片的优点及其应用 毛细管的内径一般在2 5 1 0 0 um 之间，适于用微细加工的方法制备。因此，应用微细加 工技术制备毛细管电泳芯片，在过去的几年中成为一个热点。用微细加工方法制得的毛细管 电泳芯片，其毛细管柱内径较细，因此具有较高的表面积，体积比，这有利于产生能量的散 失，使分离装置可以在更高的电场强度下工作，从而使分离效率得到提高。 用微细加工方法制得的毛细管电泳芯片概括起来有以下优点： i )节约样品、缓冲溶液等试剂用量，减少废液产生量，降低环境污染。 2 )有效提高分离效率，分析速度快，重复性也好。 3 )可以具备并行处理的能力：在个基片上可以制作出多根微管道，因此可以同时对 数十个样品进行检测。 4 )有利于实现低成本、大规模生产。 由于毛细管电泳芯片有如上优点，使它有广阔的应用前景。到目前为止，毛细管电泳芯 片已经广泛用于寡核甘酸的分离，d n a 突变的检测，d n a 排序，d n a 片段分离等多个方 面，成为化学、生物检测的有效工具。 1 1 2 3 毛细管电泳芯片的材料选择和制作方法 自从1 9 8 3 年，加拿大d j h a r r i s o n 等人”在玻璃片上刻蚀出微管道，成功地实现毛细 管电泳以来，毛细管电泳芯片取得了长足发展。很多研究人员将常规毛细管电泳芯片的最新 技术溶入其中，还将生物技术也移植到生物芯片上，在芯片上制作了p c r 扩增反应器，实 现了d n a 杂交检测，使电泳芯片的功能不断多样化，展示出诱人的应用前景。 早期的毛细管电泳芯片1 是借用微电子工业中比较成熟的一些微细加工技术 ( m i e r o f a b r i c a t l o n ) ，如湿法刻蚀、干法刻蚀等方法在硅片或玻璃片上得到所需的微通道结 构，然后在微结构上施加必要的表面化学处理，就可在微结构上进行所需的生物化学反应和 分析。 采用硅和玻璃的原因“在于它们的微细加工技术已经较为成熟；它们的光学、电学和化 学性能较好；有较多的表面键合技术，封装容易。但是它们也存在着不少缺点”2 “2 ”：首先 这些材料较为昂贵，制作工艺成本较高，不利于商业化；其次，这些材料在实际应用中存在 不少问题，比如会出现蛋白质黏附在芯片表面等问题。而对硅材料来说，由于是半导体材料， 对使用电压产生了限制。 克服这些问题的途径在于应用聚合物作为芯片材料”“。聚合物能提供较宽范围的物理和 化学参数，材料成本低廉。聚合物微复制的成本也很低。高分子聚合物还具有良好的生物兼 容性，适宜于生化领域的应用。 由于塑料的这些优点，近年来对于塑料毛细管电泳芯片的研究成了一个极大的热点。国 内外，对塑料材料的加工方法主要有以下几类。 1 激光加工技术( l a s e ra b l a t i o n ) “”。6 1 激光加工技术是利用准分子激光束对塑料直接进行刻蚀。激光束在打断聚合物中的大分 子链段的同时，产生一个冲击波排出产生的废屑。许多商业化塑料，例如p c ( 聚碳酸酯) 、 p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 、p s ( 聚苯乙烯) 等皆可用于激光加工工艺。可以通过设计不 同的掩模板来得到所需的不同形状的微管道和微沟道形状。 用激光加工的方法制备的微结构具有较小的热损伤、侧壁垂直、深度易控等优点。但是， 此方法不适宜于大规模生产。 2 压印法( i m b i b i n gm e t h o d e ) 2 9 1 分为金属线压印法和硅模板压印法两大类。把一根小直径的金属线或者含有反结构图形 的硅片放在塑料片上，低温加熟并加压一段时间使塑料软化，就可以在其上形成所需的图形。 采用此方法已经在p m m a 上制得了微流装置。 这种制作方法较为简单，加工工艺也易于控制。但是压印法只能用于制备结构简单地微 流装置，不能够获得较大深宽比的图形。 3 热压法( h o te m b o s s i n g ) ”“ 此加工方法包括两个主要工序：首先是制作模具，其次则是采用模压的方法把图形从模 具上复制到塑料基片上。目前，已经成功的使用此方法制作成功线宽为8 - 1 0 0 “m 的毛细管 电泳芯片。 用此种方法制成的毛细管电泳芯片结构较好，并且制作周期较短。此种制作工艺的优点 是成本低廉，工艺简单，所得芯片精度高。适用范围很广，从简单、典型的结构到复杂、沟 道深度较大的芯片均可以采用模压法制作成功。但是能够用于模压的材料较少，模压的最佳 工艺条件也难以摸索。 本文就是采用此种方法，用d e m 技术和u v l i g a 技术制作出毛细管电泳芯片和三维 d n a 芯片的模具，对塑料p m m a 、p s 、p c 进行模压，制各出所需的塑料产品。 4 1 1 3 三维d n a 芯片 11 3 1 传统的d n a 芯片和三维d n a 芯片比较 d n a 芯片是最常用的生物芯片，由基片和样品两个主要部分组成，在此我们只对d n a 芯片基片进行讨论。传统的d n a 芯片均制作在玻璃和硅材料的基片上”“”，探针通过 光引发原位合成法、化学喷射法、接触式点涂法等方法把探针装配到基片上。但不管用哪一 种方法来制作d n a 阵列，制作出来地d n a 阵列都在二维结构的基片上，这极大限制了d n a 阵列的性能。主要表现为1 ：检测动态范围和宽度的减小；分子杂化率低，限制了在某一给 定工作时间内可操作的芯片阵列的数目。这些缺点导致平面型芯片杂交时间需要1 6 4 8 小 时，时间太长；检测信号弱，使结果的判读困难。 二维结构的这些局限性激发了研制新型d n a 芯片基片的工作，它能够克服这些缺点而 又不需要费力地改变探针装配和信号测试的方法，而三维d n a 芯片则是一个很好的成果。 用三维基片( 代替二维基片) 可以增加表面积，提高芯片的性能。芯片增加了深度，可以有 效地增加固定探针的表面积，极大地提高检测的响应性和动态范围”“。而溶液与分析分子同 时流过直径小于液体停滞层的微管道，分析分子与固定在内壁上的探针更接近，可以使质量 运输速度加快，从而加快了杂化反应的速度限制步骤，最终使杂化率速度增大，缩短了所需 的检测时间1 。 g e n el o g i c 公司已经研制成功一种三维结构的d n a 芯片，叫做f l o w - t h r u 芯片”，这 种三维d n a 芯片由有序的微管道组成，d n a 探针固定在这些微管道的内壁上。进行测试 时，目标溶液循环流过微通道，待测的d n a 分子与固定在这些微管道上的探针发生杂化反 应，通过测试输出信号则可以检测出d n a 阵列。 1 1 3 2 三维d n a 芯片的优点 三维d n a 芯片与常规芯片相比，具有很多优点： 1 与二维结构芯片相比，大大增加了表面积，极大提高了响应性和动态范围。 2 由于增加了管道内溶液的流动速度，可以缩短检测时间。 3 提高了材料的润湿特性，探针排列更加规则，阵列密度更高。 4 减少样品和试剂的用量。 g e n el o g i c 公司研制成功的f l o w t h r u 芯片，已经提供了充足的实验数据来加以证实。 本文则用d e m 技术和u v - l i g a 技术这两种可以制作较高深宽比微结构的准l i g a 技 术，制作出三维d n a 芯片的模具，其后通过微复制工艺来实现大批量、低成本生产。塑料 有较好的机械强度，易于制作和加工，具有良好的生物兼容性，能够作为d n a 芯片的材料。 1 2 微细，j n - r 技术 1 2 1 微细加工技术简介 微细加工技术是微系统技术的基础，目前主要分为以美国为代表的半导体微细加工技 5 术，以德国为代表的l i g a 技术和准l i g a 技术以及以日本为代表的特种精密加工技术。 一、半导体微细加工技术”“ 它是在i c 工艺的基础上发展起来的，主要包括光刻、淀积、刻蚀及键合技术等，分为 体硅微细加工( b u l km i c r o m a c h i n g ) 和硅表面微加工( s u r f a c em i c r o m a c h i n g ) 。体硅微细加 工，指采用各向异性腐蚀剂对硅体进行湿法腐蚀或者用干法腐蚀的方法得到体硅结构的加工 方法，利用该法可以制作出微传感器、微加速度计等所必需的结构。表面微加工是指以硅片 为衬底通过溅射或淀积等形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层材料刻蚀掉，保留上面的 结构图形的加工方法。采用此法可无需组装一次制成具有活动部件，形状较复杂的微结构。 二、l 1 g a 加工技术和准l i g a 技术“”“ l i g a 工艺是制造三维微细结构的理想途径，它首先利用同步辐射x 射线对光刻胶进行 深层光刻，形成模腔，再电镀金属，从而实现高深宽比的微金属结构的制作，再利用金属结 构作模具进行微复制就可实现塑料、陶瓷等材料的微细加工。由于l i g a 技术需昂贵的同步 辐射光源，所以在近几年发展了准l i g a 技术，即在微米级分辨率前提下，将常规的近紫外 光和激光扩展等技术应用到厚层光刻胶的成形，从而大大降低了加工设备的投资。本文研究 的d e m 技术也是一种准l i g a 技术。 三、特种精密加工技术”“”“ 主要是利用小工具电极与工件间的微量放电来进行微细加工的，能加工极硬的金属甚至 半导体材料。微细超声加工是利用高频振动的工具头端面与磨料液的连续冲击、抛磨和空化 作用来去除被加工材料的。它非常适用于m e m s 的半导体硅片、锗片、砷化钾、玻璃、陶 瓷等常用脆性材料的加工。 1 2 2l i g a 技术【4 3 4 4 4 7 【4 9 l i g a 技术是8 0 年代初由德国卡尔思鲁尔( k a r l s r u h e ) 核研究中心发明的，是x 光深层 光刻( l i t h o g r a p h i e ) 、微电铸( g a l v a n o f o r m u n g ) 和微复制( a b f o r m u n g ) 三种工艺的有机 结合。自从l i g a 技术开发成功以来，发展非常迅速，在德国、美国、法国和日本都开展了 该技术领域的研究。我国也开展了该领域的基础研究工作，迄今已经开发和制造出微齿轮、 各种形状微过滤器、微红外滤波器、微加速度传感器、微马达和微光谱仪等多种微结构和微 器件，现已向着微型机电系统方向发展。 l i g a 技术与其他微加工工艺相比，具有三个突出的特点： 1 扩展了微细加工的材料范围：可以用l i g a 技术加工有机高分子材料、各种陶瓷和 金属等非硅材料，大大增加了材料选择的范围。 2 可以制造三维结构的器件：l i g a 技术能够制造三维微结构器件，获得的微结构具 有较大的深宽比和精细的结构。 3 可以制造具有较高深宽比4 0 ) 的器件：l i g a 技术可以制造出厚度达几千微米， 表面光滑平整，侧壁平行线偏差在亚微米级的微型结构。 但l i g a 技术也有如下几方面的缺点： a ) l i g a 技术需要同步辐射光源，这极大地限制了它的发展。目前国内仅北京中国科 学院高能物理研究所和合肥中国科技大学同步辐射试验室有光源。但合肥的光源波 长较长，能量小，曝光5 0 um 厚的胶需5 个小时，无法满足厚胶的曝光要求。北 京的电子加速器主要用于正负电子对撞的研究，可供曝光的时间很少。上海的第三 代同步辐射光源现在仍处于规划设计中。 b )用于l i g a 技术的掩模版的制造工艺复杂，造价高，寿命短。 c ) l i g a 技术与成熟的集成电路工艺兼容较为困难目前l i g a 得到的产品多数仅可 6 称为微器件而不是微系统。 a 同步辐射曝 掩模版 光刻胶 导电基板 b 显影 匡雾里霎重金属结构 d 得到金属模具 金属产品 f 塑料结构 g 电铸 图1 - 2l i g a 技术工艺流程图 f i g 1 - 2p r o c e s ss t e p so f l i g at e c h n o l o g y 图1 2 代表了l i g a 技术的基本过程，主要包括光刻、电铸、微复制三个环节。它首先 利用同步辐射x 射线对光刻胶进行深层光刻，形成微结构后，再电铸金属，得到高深宽比 的金属微结构，再利用金属结构作模具进行微复制就可实现塑料、陶瓷等材料的微细加工。 随着研究的深入，最近几年逐渐出现了l i g a 技术的几种变化 ( 1 ) 牺牲层l i g a 技术 在微机械领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，例如微阀、微马达和微加速度计 等。利用牺牲层l i g a 技术“”可制造活动的微器件。首先在需运动的部件下溅射一层牺牲层 ( 如金属钛) ，而在需固定的部件下溅射一层金属银，然后利用同步辐射套刻工艺获得所需 的光刻胶微结构，经过微电铸工艺后，将牺牲层用化学方法去除，即可以获得可活动的零部 件。 7 板 jv ( 2 ) l i g a 套刻技术 l i g a 套刻技术是指先用普通l i g a 工艺制造出第一层金属结构，然后在此结构上再经 过甩胶、光刻、电铸做出第二层金属结构，从而制造出所需要的器件。 ( 3 ) 倾斜曝光技术 倾斜曝光就是使光刻胶平面与曝光光线成一定角度，得到某些有特殊形状的微结构( 如 l i g ah o u s e ) 。 ( 4 )准l i g a 技术：u v l i g a 和l a s e r - l i g a u v l i g a 和l a s e r l i g a ”“实际上是分别用近紫外光和准分子激光深层刻蚀来取代 l i g a 技术中的同步辐射x 射线深层刻蚀。采用这两种工艺可以回避高精度的x 光掩模制 作、套刻对准等一系列技术难题；紫外和激光光源的经济性和使用的广泛性大大优于同步辐 射x 光源，从而可以大大降低l i g a 工艺的制造成本。但u v l i g a 中使用一种新型的负胶 s u - 8 ，存在着基片和光刻胶的粘结问题，并且曝光后的s u 8 很难除去“”。l a s e r - l i g a 则难于得到理想的精度和表面。 1 2 3d e m 技术” d e m 技术是由上海交通大学开发出的一种全新准l i g a 技术，它结合了硅微细加工技 术和l 1 g a 技术的优点，为三维微细加工技术开辟了新的道路。 d e m 是d e e p e t c h i n g e l e c t r o f o r m i n g ，m i c r o r e p l i c a t i o n 的缩写。该技术设想用深层刻蚀技 术来代替同步辐射x 光深层光刻，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。利用感应耦合等 离子体( i c p ：i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ) 刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀，从硅片上 直接进行微电铸，得到金属模具后再进行微复制工艺，就可实现微机械加工的大批量生产。 在1 0 0 2 0 0p m 范围内，d e m 技术可获得与l i g a 技术相近的深宽比和侧壁陡直度。用d e m 技术既可制造非硅材料的高深宽比微结构，又不需要昂贵的同步辐射光源和特制的x 光掩 模版，而且没有光刻胶与基板的粘接问题，同时，其加工周期短，与微电子技术的兼容性更 好。目前，d e m 技术的整个工艺已全部打通，证明该技术的工艺路线是可行的。 深层刻蚀工艺深层微电铸工艺微复制工艺 图1 - 3 实现d e m 技术的多种工艺路线 f i g 1 - 3m e t h o d so f r e a l i z i n gd e mt e c h n i q u e d e m 技术由深层刻蚀工艺( d e e p e t c h i n gp r o c e s s ) 、深层微电铸工艺( e l e c t r o f o r m i n g 8 p r o c e s s ) 和微复制工艺( m i c r o r e p l i c a t i o np r o c e s s ) 三大工艺组成。实现d e m 技术有多种工 艺路线，如图1 3 所示。 在实现d e m 技术的多种工艺路线中，硅深层刻蚀工艺已经成熟，而金属深层刻蚀工艺 需解决高选择比掩膜的技术难关，塑料深层刻蚀工艺则遇到难于得到洁净的刻蚀底部的问 题。 利用深层刻蚀出的硅微结构作为模具可直接进行模压，但由于硅本身较脆，在模压过程 中容易破碎，所以不能利用硅模具进行微结构的大批量生产。现在d e m 主要的工艺路线是 先利用硅深层刻蚀工艺获得高深宽比硅微结构，然后通过微电铸工艺获得金属微复制模具， 最后进行复制工艺。 在硅深层刻蚀工艺中，目前采用了国外近年来开发出来的先进硅刻蚀工艺( a s e 工艺： a d v a n c e ds i l i c o ne t c h i n gp r o c e s s ) 。该工艺利用感应耦合等离子体( i c p ：i n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a ) 和侧壁钝化工艺( s i d e w a l lp a s s i v a t i o np r o c e s s ) 等技术，可对硅材料进行高深宽比 三维微加工，加工厚度达5 0 0 l am ，侧壁垂直度为9 0 0 4 - o 3 0 ，刻蚀速率每分钟可达2 5um 。 工艺路线a 是直接从硅片上进行深层微电铸。首先在氧化过的低阻硅片( 电阻率 1qc m ) 上做一层金属掩模，然后利用s t s 公司生产的i c p 刻蚀机对硅进行深层刻蚀，再通过氧化 和反应离子刻蚀对硅的侧壁进行绝缘保护以利用深层微电铸工艺进行金属镍电铸，接着用氢 氧化钾溶液把硅片腐蚀掉，获得由金属镍构成的微复制模具。利用该模具可对塑料进行模压 加工，进行塑料产品的批量生产；或对模压后获得的塑料微结构再进行第二次微电铸，就可 进行金属产品的批量生产。由于硅是半导体，该工艺的关键是要解决从硅上直接进行微电铸 的技术难题。 工艺路线b 是将硅片刻穿后进行深层微电铸，首先将氧化过的高阻硅片( 电阻率。6 0 7 0 q e m ) 减薄至所需厚度，然后在反面溅射一层金属，并粘贴在另一片硅片上。利用i c p 刻 蚀将硅片刻穿后，不需对微结构进行侧壁绝缘保护，利用底部的金属导电层，就可直接进行 深层微电铸工艺，其后续工艺与工艺路线a 相同。该工艺路线的关键是解决硅与金属的粘 接问题。 1 3 本论文的研究内容 本论文主要包括以下内容： 1 u v l i g a 工艺研究； 2 d e m 工艺研究； 3 用u v l i g a 和d e m 技术制作毛细管电泳芯片和三维d n a 芯片基片。 u v l i g a 技术可以制作较高深宽比的塑料微结构，可以在很大程度上代替l i g a 技术， 大大降低成本。但是s u 8 光刻胶对工艺参数的变化非常敏感，且电铸后很难去除。而d e m 技术直接对i c p 深层刻蚀的硅进行电铸存在困难。毛细管电泳芯片和三维d n a 芯片由于其 结构的不同，在具体的工艺过程中面腼的问题也不尽相同，需要进一步摸索。 本文的工作在于选定较好的s u 8 光刻工艺条件，获得较佳的光刻胶结构；解决i c p 刻 蚀后的硅结构直接电铸的问题，根据两种生物芯片的不同特征，进行电铸处理。得到较好的 金属镍模具，解决s u 8 光刻胶电铸后难于去除的问题：确定熟模压的最佳参数，利用d e m 和l i g a 技术制得的硅模具和金属模具，进行微复制，得到所需塑料产品。对于毛细管电泳 芯片，还要解决塑料封装问题。 9 第二章塑料生物芯片的设计与制备 2 1 器件的设计 我们的研究主要包括两个方面的内容：塑料毛细管电泳芯片和三维d n a 芯片两个部分。 在三维d n a 芯片中，我们还同时设计了副产品：微型生化反应器。 2 1 1 毛细管电泳芯片 毛细管电泳芯片( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p ) t 要由缓冲液池( b u f f e rr e s e r v o i r ) 、分析 液池( a n a l y t er e s e r v o i r ) 、废分析液池( a n a l y t ew a s t er e s e r v o i r ) 和废液池( w a s t e r e s e r v o i r ) 组成。 我们设计的毛细管电泳芯片为传统的十字形结构，具体结构如下： a n a l y t er e s e r v i o r b u f f e rr e s e r v i o r 图2 - 1 毛细管电泳芯片图形 f i g u r e2 - 1 p i c t u r eo f c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p 1 0 毛细管电泳芯片的分离效果与泳道宽度和长度有关，我们分别设计了三种不同宽度和长 度的毛细管。 1 泳道宽度：3 0 pm ；长度：9 c m ； 2 泳道宽度：5 0 um i 长度：| 6 c m ； 3 泳道宽度：5 0u f i t ；长度：2 0 c m 。 2 1 2d n a 芯片 三维d n a 芯片具有以下几个优点： 1 与二维平面结构的基片相比较，可以大大增加表面积，探针除了固定在基片表面 外，还可以固定在增加的侧壁上，与平面基片相比，可以固定更多的探针，这样 可以增强监测信号，提高相应性和动态范围； 2 增加了管道内溶液的流动速率，使杂化反应速率加快，从而缩短监测时间： 3 在三维基片上，探针排列更加规则，阵列密度更高： 4 反应体积减小，样品和试剂用量可以减少。 我们设计的d n a 芯片基片为六棱柱结构，下图为其三维结构图。 图2 - 2d n a 芯片三维结构图 f i g u r e2 - 2 p i c t u r eo f 3 dd n a c h i p 设芯片中六棱柱的边长为x ，图形间距为y ，图形深度为h ，其表面积平面基片表面积= ( 表面面积+ 侧壁面积) ，平面基片表面积： 扣卉p 1 ) 是d 压r 上、2 、 公式具体推导过程如下： 一十l 。 d n a 芯片阵列可以看成若干个单元组合而成的，每一个单元的平面示意图如下图所示 每个单元含有一个六边形阵列。每个单元也为六棱柱结构，与所含六边形的间距为y 2 。 y 2 x 图2 - 3d n a 芯片单元示意图 f i g u r e2 - 3 p i c t u r eo f ac e l lo f d n a c h i p 坠：耋亘粤堡型! 壁亘堡：1 + 壁 马d 表面面积 s 表面 壁= d 阵列的侧壁= 6 x h ，厅 s 表面= 单元的表面积= 大六边形的面积= 掣一2 ，其中_ 为大六边形的边长。 因为两个六边形是相似六边形，所以x ：= h ：h i ，其中h 与。是其内切圆的 半径。 胁巫2x ，q = 聃陀= 鱼2x + 考 可以求得x t2 百xh - 2 x + 去 所以面= 竽c 斛砻2 出扣菇。1 + 鸯 我们设计了四组不同尺寸的三维生物芯片阵列，分别为：边长1 0 i xr l l 、间距1 0 m ；边 长1 5u m 、间距1 5u m ；边长2 5 u m 、间距1 0 p m ；边长2 5 i t m 、间距1 5p m 。在固定深 度为5 0 “m 的情况下，其表面积增加倍数表2 1 所示。 表2 - 1 图形的表面积增加倍数 “”1 01 52 5 m 1 05 6 44 0 94 0 5 1 5，3 5 5 2 从上表可见，作者制得的基片与传统平面型d n a 芯片基片相比较，表面积的确大大增 加。表面积增加，可以固定更多数量的探针，可以使检测信号增强、缩短检测时间，对其后 的生化检测极其有利。 2 1 3 微型生化反应器 微型生化反应器与常规的生化反应器相比，具有更高的比表面积，因此使用更加安全、 有效，并且利于大批量生产。适用于反应热大的生化反应和催化反应，有着广阔的商业化应 用前景。 考虑到工艺的难易，尤其是热模压工艺中脱模的问题，我们设计的微型生化反应器为圆 柱形。圆柱形的结构制作方便，特别是脱模过程中不会出现粘结模具的问题：并且圆柱形结 构具有较大的比表面积。 我们把微型生化反应器作为d n a 芯片中的附属产品，图形包含在d n a 芯片的掩模板中。 我们设计的的d n a 芯片的掩模板如下图所示。 ac e bd 图2 - 4 三维d n a 芯片掩模板图形 f i g u r e2 - 4m a s ko f 3 dd n ac h i p 图形尺寸分别为： a 组d n a 芯片阵列：边长1 0 u m ；图形间隔1 0 n m ； b 组d n a 芯片阵列：边长1 5u m ：图形间隔1 5ur n ： c 组d n a 芯片阵列：边长2 5u m ：图形间隔1 0 l a m ； d 组d n a 芯片阵列：边长2 5ur n ；图形间隔1 5u m ； e 微型生化反应器：直径2 0 0 1 1 m ；图形间隔5 0 u m ： 整个图形的尺寸为长度3 6 r a m ，宽度1 8 m m 。其中a d 组图形的尺寸均为长度9 m m 宽度9 m m 。e 组图形的尺寸为长度1 8 r a m ，宽度1 8 m m 。 2 2 实验所用仪器设备和药品 2 2 1 仪器设备 甩胶台 溅射机 真空烘箱 程控烘箱 光刻机 k