專利名稱：氣相色譜柱及其形成方法、以及氣相色譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)，具體地說，涉及一種氣相色譜柱及其形成方法、以及氣相色譜儀。
背景技術(shù)：
氣相色譜儀主要用于不同種類的氣相化學(xué)物質(zhì)分離。隨使用需求的不斷提高，色譜儀從常規(guī)組裝工藝逐步向微型化、集成化發(fā)展，隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展逐步出現(xiàn)了利用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)技術(shù)制造的氣相色譜儀，即量產(chǎn)的、集成化、微型化的氣相色譜儀。色譜儀主要包括三個(gè)部件進(jìn)樣器、色譜柱、檢測(cè)器。其中色譜柱是其核心部件之一，在色譜柱內(nèi)完成主要的物質(zhì)分離。色譜柱的形貌如柱徑、長度等參數(shù)，對(duì)色譜儀的分離能力起決定性作用。比如，柱徑越小、長度越長，柱效越高，分離能力越強(qiáng)。但是，通常柱徑不能無限制縮小，否則會(huì)加長分離時(shí)間。另外，如果延長色譜柱長度，也可提高柱效；但是，柱長的延長會(huì)增加器件所占面積，不利于器件的小型化以及微型化。專利號(hào)為US8123841的美國專利提出了對(duì)于氣相色譜儀微通道進(jìn)行了改進(jìn)，基于微通道二維結(jié)構(gòu)對(duì)流體性能的影響，但是，這種二維通道結(jié)構(gòu)仍然無法滿足器件的小型化以及微型化需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種氣相色譜柱及其形成方法、以及氣相色譜儀，用以實(shí)現(xiàn)器件的小型化以及微型化。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種氣相色譜柱的形成方法，其包括
在襯底的一表面形成若干條第一溝槽，并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；
沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成一曲形結(jié)構(gòu)微通道，然后形成貫穿襯底的通孔，采用形成所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道同樣的方式，在襯底另一表面形成另一曲形結(jié)構(gòu)微通道，并利用所述通孔與所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽包括
在襯底上形成一過渡層；
對(duì)所述過渡層進(jìn)行光刻膠涂覆并進(jìn)行圖形化處理，形成所述襯底表面上的若干條第一溝槽。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在襯底上形成一過渡層時(shí)，通過濕氧形成一氧化層，以作為過渡層。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述氧化層的厚度為I 1. 7um。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽時(shí)，使所述第一溝槽的寬度為80 200um，相鄰所述第一溝槽的間隔為200um，第一溝槽的長度為4 8cm。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，沿著所述第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽包括
去除第一溝槽處的部分所述襯底以及部分所述過渡層，形成若干條第二溝槽。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，去除第一溝槽處的部分所述過渡層以及部分所述襯底，形成若干條第二溝槽包括
采用干法刻蝕去除第一溝槽處的部分所述過渡層，形成若干條過渡溝槽；
沿著所述過渡溝槽去除部分所述襯底，形成若干條第二溝槽。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕時(shí)，采用各向同性刻蝕氣氛，沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)定內(nèi)徑的所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道。優(yōu)選的，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在襯底的兩表面?zhèn)戎g形成所述通孔，以將兩表面?zhèn)鹊乃鲆磺谓Y(jié)構(gòu)微通道以及所述另一曲形結(jié)構(gòu)微通道連通，從而形成整體氣相色譜柱。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種氣相色譜柱，其包括位于襯底兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道，所述曲形結(jié)構(gòu)微通道是沿著若干條第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕形成的，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽是在襯底的一表面形成若干條第一溝槽并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成的，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)微通道；兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道通過貫穿襯底的通孔連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種氣相色譜儀，其包括上述的氣相色譜柱。與現(xiàn)有的方案相比，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽，并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成一曲形結(jié)構(gòu)微通道；采用同樣的方式，在襯底的另一表面形成另一曲形結(jié)構(gòu)微通道，兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道通過貫穿襯底的通孔連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了器件的小型化以及微型化需求。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中氣相色譜柱的形成方法流程 圖2為圖1中步驟101的具體流程 圖3為圖2中執(zhí)行步驟111之后的部分結(jié)構(gòu)示意 圖4為圖2中執(zhí)彳丁步驟121之后的部分結(jié)構(gòu)不意 圖5為圖4中若干條第一溝槽形成的曲形結(jié)構(gòu)示意 圖6為圖1中步驟102的具體流程不意 圖7為經(jīng)過圖6所示步驟處理后的部分結(jié)構(gòu)示意 圖8為執(zhí)彳丁圖1中步驟103之后的部分結(jié)構(gòu)不意圖；圖9為執(zhí)彳丁圖1中步驟104之后的部分結(jié)構(gòu)不意 圖10為執(zhí)彳丁圖1中步驟105之后的部分結(jié)構(gòu)不意 圖11為執(zhí)行圖1中步驟105之后的另一種結(jié)構(gòu)不意 圖12為執(zhí)行圖1中步驟106后形成的氣相色譜柱結(jié)構(gòu)示意 圖13為本發(fā)明實(shí)施例二形成的另一氣相色譜柱結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將配合圖示及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，藉此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題并達(dá)成技術(shù)功效的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。本發(fā)明的核心思想在于，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽，并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；對(duì)所述襯底進(jìn)行通孔刻蝕，然后在襯底另一表面同樣形成曲形結(jié)構(gòu)，形成整體為曲形結(jié)構(gòu)微通道，以作為氣相色譜柱。下述列舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的核心思想進(jìn)行說明。圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中氣相色譜柱的形成方法流程圖。如圖1所示，氣相色譜柱的形成方法可以包括
步驟101、在襯底的上表面?zhèn)刃纬扇舾蓷l第一溝槽，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中，襯底的材料可以選擇為金屬如鋁、鈦、銅、鉭，或者硅、聚合物材料、玻璃等，考慮到與半導(dǎo)體工藝的兼容性，在此選擇硅作為襯底材料。襯底的厚度為300 630um，優(yōu)選為350um。需要說明的是，襯底的材料和厚度可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)工藝條件和產(chǎn)品需求靈活進(jìn)行選擇，在此不再贅述。圖2為圖1中步驟101的具體流程圖。如圖2所示，本實(shí)施例中，步驟101中在襯底的上表面?zhèn)刃纬扇舾蓷l第一溝槽可以包括
步驟111、在襯底上表面?zhèn)刃纬梢贿^渡層；
本實(shí)施例中，步驟111中在襯底上形成一過渡層時(shí)，通過濕氧形成一氧化層，以作為過渡層。所述氧化層的厚度可以為I 1. 7um，優(yōu)選為1. 2um。本實(shí)施例中，該過渡層的存在，一方面可以減少對(duì)襯底的一表面損傷，另外一方面，在后續(xù)工藝中還可以作為硬掩膜層。需要說明的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)工藝條件和產(chǎn)品需求對(duì)過渡層的材料和厚度靈活進(jìn)行設(shè)置，在此不再贅述。圖3為圖2中執(zhí)行步驟111之后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，襯底301上表面形成一層作為過渡層302的氧化層。步驟121、對(duì)所述過渡層進(jìn)行光刻膠涂覆并進(jìn)行圖形化處理，形成所述襯底表面上的若干條第一溝槽。本實(shí)施例中，步驟121中在襯底的上表面形成若干條第一溝槽時(shí)，使所述第一溝槽的寬度為80 200um，優(yōu)選為100 um ;相鄰所述第一溝槽的間隔為200um，第一溝槽的長度為4 8cm,優(yōu)選為6cm。比如,如果所述第一溝槽的總長度為IOm的話,則可形成166條第一溝槽，使得所有第一溝槽連通的曲形結(jié)構(gòu)的面積約為5X6cm2。圖4為圖2中執(zhí)行步驟121之后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，過渡層302上形成了若干條第一溝槽303以及在圖形化時(shí)保留下來的光刻膠304。圖5為圖4中若干條第一溝槽形成的曲形結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，每兩條第一溝槽303之間有光刻膠304。步驟102、沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；
本實(shí)施例中，步驟102中沿著所述第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽包括去除第一溝槽處的部分所述襯底以及部分所述過渡層，形成若干條第二溝槽。圖6為圖1中步驟102的具體流程示意圖。如圖6所示，步驟102中去除第一溝槽處的部分所述過渡層以及部分所述襯底，形成若干條第二溝槽包括
步驟112、采用干法刻蝕去除第一溝槽處的部分所述過渡層，形成若干條過渡溝槽；
本實(shí)施例中，采用干法刻蝕，刻蝕氣體可以為CF4。步驟122、沿著所述過渡溝槽去除部分所述襯底，形成若干條第二溝槽。在形成過渡溝槽后，繼續(xù)沿著過渡溝槽向下刻蝕襯底，刻蝕深度比如為llum，去除襯底中的部分材料，從而形成若干條第二溝槽，該步驟也可以稱為襯底的預(yù)刻蝕。步驟112和122中的刻蝕都要求各向同性刻蝕，需要側(cè)壁較為陡直，便于溝槽線寬的控制。圖7為經(jīng)過圖6所示步驟處理后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，形成了過渡溝槽305、第二溝槽306。步驟103、去除光刻膠，利用過渡層作為掩膜沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成一曲形結(jié)構(gòu)微通道。本實(shí)施例中，步驟103中沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕時(shí)，在去除過渡層時(shí)，采用各向同性刻蝕氣氛，沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)定內(nèi)徑的微通道，比如利用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)工藝,采用各向同性刻蝕氣氛，使第二溝槽形成比較圓滑的內(nèi)徑，保證流體在微通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施例中，包括第二溝槽的深度在內(nèi)，襯底總的刻蝕深度為50 80um，優(yōu)選為60um。圖8為執(zhí)行圖1中步驟103之后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，在襯底301的上表面?zhèn)刃纬闪艘磺谓Y(jié)構(gòu)微通道307。步驟104，沿著所述襯底的上表面?zhèn)龋瑢?duì)所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道進(jìn)行封裝。圖9為執(zhí)行圖1中步驟104之后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖9所示，本實(shí)施例中，利用封裝工藝在襯底301的上表面?zhèn)刃纬傻那谓Y(jié)構(gòu)微通道307上封裝一玻璃基板308。步驟105、在襯底的兩表面?zhèn)戎g形成貫穿襯底的通孔，以將兩表面?zhèn)鹊那谓Y(jié)構(gòu)微通道連通，從而形成整體氣相色譜柱。本實(shí)施例中,利用娃通孔(through silicon via,TSV)技術(shù)從襯底背面形成通孔。圖10為執(zhí)行圖1中步驟105之后的部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10所示，在襯底的上下表面?zhèn)戎g形成一個(gè)通孔309。該通孔的孔徑可以為20 50um，在此選用30um，該通孔將襯底上表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道和其后形成的下表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道連通。如果要將氣相色譜柱的流體入口(圖中未示出)和流體出口(圖中未示出)位于襯底301的同一表面?zhèn)热缫r底301的下表面?zhèn)?，則可以在襯底的上下表面?zhèn)戎g形成兩個(gè)通孔309。圖11為執(zhí)行圖1中步驟105之后的另一種結(jié)構(gòu)示意圖(可作為實(shí)施例二)。在襯底的上下表面?zhèn)戎g形成兩個(gè)通孔309，其中一個(gè)通孔將襯底表面的微通道和其后形成的下表面曲形結(jié)構(gòu)微通道連通，另一個(gè)通孔作為流體的端口(出口或入口)。步驟106、在襯底下表面重復(fù)步驟IOf 104，形成另一曲形結(jié)構(gòu)微通道，并完成封裝。圖12為執(zhí)行圖1中步驟106后形成的氣相色譜柱結(jié)構(gòu)示意圖。如果要在襯底301的上下表面?zhèn)榷夹纬汕谓Y(jié)構(gòu)微通道，則在襯底301的下表面?zhèn)戎貜?fù)上述步驟IOf 104即可，詳細(xì)過程在此不再贅述。在該實(shí)施例一中，流體的出入口分別位于襯底的兩個(gè)表面?zhèn)?。圖13為本發(fā)明實(shí)施例二形成的另一氣相色譜柱結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)使氣相色譜柱的流體入口(圖中未不出)和流體出口(圖中未不出)位于襯底301的同一表面?zhèn)热缫r底301的下表面?zhèn)?，在襯底的上下表面?zhèn)戎g形成兩個(gè)通孔309，其中一個(gè)通孔將作為流體的某一端口(出口或入口)。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種氣相色譜柱結(jié)構(gòu)，包括位于襯底兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道，所述曲形結(jié)構(gòu)微通道是沿著若干條第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕形成的，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽是在襯底的一表面形成若干條第一溝槽并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成的，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)通過貫穿襯底的通孔連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)。上述說明示出并描述了本發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣相色譜柱的形成方法，其特征在于，包括 在襯底的一表面形成若干條第一溝槽，并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)； 沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成一曲形結(jié)構(gòu)微通道，然后形成貫穿襯底的通孔，采用形成所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道同樣的方式，在襯底另一表面形成另一曲形結(jié)構(gòu)微通道，并利用所述通孔與所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽包括 在襯底上形成一過渡層； 對(duì)所述過渡層進(jìn)行光刻膠涂覆并進(jìn)行圖形化處理，形成所述襯底表面上的若干條第一溝槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在襯底上形成一過渡層時(shí)，通過濕氧形成一氧化層，以作為過渡層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述氧化層的厚度為I 1.7um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在襯底的一表面形成若干條第一溝槽時(shí)，使所述第一溝槽的寬度為80 200um，相鄰所述第一溝槽的間隔為200um，第一溝槽的長度為4 8cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，沿著所述第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽包括 去除第一溝槽處的部分所述襯底以及部分所述過渡層，形成若干條第二溝槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，去除第一溝槽處的部分所述過渡層以及部分所述襯底，形成若干條第二溝槽包括 采用干法刻蝕去除第一溝槽處的部分所述過渡層，形成若干條過渡溝槽； 沿著所述過渡溝槽去除部分所述襯底，形成若干條第二溝槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕時(shí)，采用各向同性刻蝕氣氛，沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)定內(nèi)徑的所述一曲形結(jié)構(gòu)微通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在襯底的兩表面?zhèn)戎g形成所述通孔，以將兩表面?zhèn)鹊乃鲆磺谓Y(jié)構(gòu)微通道以及所述另一曲形結(jié)構(gòu)微通道連通，從而形成整體氣相色譜柱。
10.一種氣相色譜柱，其特征在于，包括位于襯底兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道，所述曲形結(jié)構(gòu)微通道是沿著若干條第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕形成的，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)，若干條所述第二溝槽是在襯底的一表面形成若干條第一溝槽并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成的，若干條所述第一溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)微通道；兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道通過貫穿襯底的通孔連通，形成整體的微通道結(jié)構(gòu)。
11.一種氣相色譜儀，其特征在于，包括權(quán)利要求10所述的氣相色譜柱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣相色譜柱及其形成方法、以及氣相色譜儀。該方法包括在襯底的一表面形成若干條第一溝槽，并沿著所述若干條第一溝槽在所述襯底中形成若干條第二溝槽，若干條所述第二溝槽連通形成曲形結(jié)構(gòu)；沿著所述第二溝槽對(duì)部分所述襯底進(jìn)行刻蝕，形成一曲形結(jié)構(gòu)微通道，對(duì)所述襯底進(jìn)行通孔刻蝕，然后在襯底另一表面同樣形成另一曲形結(jié)構(gòu)微通道，形成整體為曲形結(jié)構(gòu)微通道，以作為氣相色譜柱。本發(fā)明通過形成在襯底兩個(gè)表面的曲形結(jié)構(gòu)微通道，從而實(shí)現(xiàn)了器件的小型化以及微型化。
文檔編號(hào)G01N30/60GK103063788SQ20121058010
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者王偉軍, 李銘, 儲(chǔ)佳 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司