[发明专利]一种超高深宽比微型气相色谱柱及其MEMS加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及气相色谱技术领域，尤其涉及一种超高深宽比微型气相色谱柱及其MEMS加工方法。

背景技术

气相色谱分析法是一种应用广泛的化学分析方法，近年来随着半导体器件制作工艺、微细加工工艺等一系列新技术的不断成熟，小体积的微型气相色谱柱的研究受到了人们的极大关注。

微型气相色谱柱的气路沟槽横截面形状对整个器件性能有很大的影响。当沟槽横截面为矩形时，决定色谱柱性能最关键的尺寸是沟槽的宽度。狭窄的沟槽有利于流动相中气体分子在槽壁上固定相内的迅速分配，从而提高色谱的分离效率。但狭窄的沟槽也带来气体流量小的缺点，因此需要增加沟槽的深度以补偿低样本容量导致的分辨率的损失。简言之，色谱柱需要高深宽比的气流通道。(参见文献①Height equivalent to a theoretical plate theory for rectangular GCcolumns，Anal.Chem.，vol.70，no.22，pp.4805-4816，1998；②J.Chromatogr.，vol.255，pp.359-379，1983.)一个狭窄并具有高深宽比的色谱柱还能降低色谱柱入口和出口之间的压力差。

为获得高深宽比的微结构，目前最好的加工方法是LIGA技术。但LIGA所需的X射线光源需要由同步辐射装置提供，同步辐射装置的价格极其昂贵。因此，通常采用干法刻蚀技术获得深槽结构。图1所示是目前加工微型色谱所普遍采用的工艺方法，包括两步，首先利用干法刻蚀加工深槽，然后在深槽上键合一个盖层完成色谱沟槽的密封。由于干法刻蚀存在着深宽比的限制，深宽比的一般水平为10。这就意味着当槽的宽度确定后，槽的深度也就确定了，无法加工更深的槽。而且随着刻蚀向深度推进，干法刻蚀的刻蚀速率越来越慢，影响生产效率。

发明内容

本发明的目的是针对干法刻蚀难以加工更深的深槽结构而发明的一种超高深宽比微型气相色谱柱及其MEMS加工方法，意在通过刻蚀和键合两种工艺技术的组合而不单单依靠干法刻蚀自身以获得超高深宽比的微型色谱柱，从而有效提升色谱的性能。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种超高深宽比微型气相色谱柱，其特征在于：由多层硅和多层玻璃构成，形成一个底层、若干个中间层和一个顶层，在各层中具有相同图案和尺寸的垂直沟槽，其中底层和顶层的垂直沟槽的深度为该层厚度的一半，而中间层的垂直沟槽的深度等于该层的厚度，形成镂空的中间层，将底层、中间层和顶层按硅和玻璃相互间隔的排列方式键合在一起，使得各层的垂直沟槽严格对准，形成一条超高深宽比的垂直沟槽，沟槽的内壁涂覆有固定相。

按照本发明所提供的超高深宽比微型气相色谱柱，其特征在于，底层的材料选择硅和玻璃中的一种。

按照本发明所提供的超高深宽比微型气相色谱柱，其特征在于：硅和玻璃的总层数为3-7层。

按照本发明所提供的超高深宽比微型气相色谱柱，其特征在于：每层硅或玻璃的厚度为100-500μm。

按照本发明所提供的超高深宽比微型气相色谱柱，其特征在于：所述沟槽在长度和宽度平面内的投影为回线形或螺旋形。

一种超高深宽比微型气相色谱柱的MEMS加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

①干法刻蚀底层和顶层材料皆至厚度的一半，顶层的刻蚀图案与底层的刻蚀图案呈镜面对称；

②干法刻蚀硅和玻璃作中间层材料直至贯穿，形成与底层相同的刻蚀图案；

③以硅和玻璃相间的顺序，利用硅-玻键合技术依次在底层材料上键合1-5层中间层材料，并使得各层的矩形垂直深槽相互对准；

④将刻蚀后的顶层材料倒扣过来，与下层矩形垂直深槽完全对准后硅-玻键合完成密封。

本发明由于采用了键合技术使得深槽在垂直方向上逐层叠加在一起，因此，槽的深度不再受制于干法刻蚀对深宽比的限制，可以实现1mm以上的超深宽比的垂直深槽，从而大幅度地提升色谱的性能。各层材料在键合时需要严格对准，但由于中间层具有镂空图案，很容易实现与下层图案之间的对准，无需制备对准标记，工艺上简单易行。

附图说明

图1为现有的微型气相色谱柱的结构及其MEMS加工方法；

图2为本发明的一种超高深宽比微型气相色谱柱的横截面示意图；

图3为本发明的一种超高深宽比微型气相色谱柱的MEMS加工流程图；

图4为用于加工本发明的螺旋形色谱柱的一套掩模板；

图5为用于加工本发明的回形气相色谱柱的单个掩模板；