一种通过角度沉积薄膜制作尺寸可控纳米通道的方法与流程

本发明涉及微纳加工技术领域，具体公开了一种通过角度沉积薄膜制作尺寸可控纳米通道的方法。

背景技术：

微纳流体系统的制作其核心在于微纳流体通道的加工。如何低成本、高效率、高精度地实现微纳流体通道的制作是问题的关键。在制作微纳流体系统时，聚合物微纳米通道结构可以利用纳米压印、掩膜板光刻、电子束直写等技术制作，并结合牺牲层刻蚀技术或热键合技术实现通道的顶部密封。热键合是聚合物微纳通道密封的关键技术，一般微纳流控通道热键合过程如图1所示。首先，将预先制作好的线条结构置于下支撑台上，接着将带有键合胶层的上基片均匀平整的置于线条上，通过热传导给上平台加热，使得键合层被加热到玻璃化温度附近或以上，通过浸润和粘合作用实现界面处分子链的纠缠，从而获得紧密的界面接触。由于牺牲层技术需要较长时间去除牺牲层，同时刻蚀液会在通道中滞留，不利于大面积图形结构释放，因此应用受到限制。而键合技术由于设备工艺简单、成本低，结合强度好，成为实现通道顶部密封较为适合和通用的技术。然而，在键合过程中，为了保持键合胶层和线条结构良好接触，需要施加一定的外加压力，聚合物只能在应力作用下沿着通道侧壁向下形成挤压流动，从而加速聚合物的顶部填充，处于熔融态的聚合物在键合过程中不可避免的会流入通道线条结构内部。随着制作的通道尺寸减小，尤其是尺寸达到纳米级的时候，键合的方式极易导致通道堵塞，对通道尺寸的精确控制及工艺可靠性造成不利影响。因此现有的键合方式主要用于微米级及以上尺寸通道的制作。

而现有技术对于纳米通道的制备方法，尚未发现有较成熟的工艺。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种通过角度沉积薄膜制作尺寸可控纳米通道的方法。本申请以全息光刻、湿法刻蚀工艺为基础，通过全息光刻、湿法刻蚀、纳米压印及角度沉积薄膜制作尺寸可控纳米通道，该方法的优点在于，可以控制纳米通道尺寸的同时，避免传统密封通道方法易造成通道阻塞的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

本发明的角度沉积薄膜制作尺寸可控纳米通道的方法，具体制备步骤如下：

(1)微纳线条结构的制作

a、以带有氮化硅掩膜的110晶向硅片为基底，首先对基底清洗干燥；

作为本发明的一种实施方式，对基底清洗干燥为使用有机溶剂超声处理、ipa(是指利用ipa(异丙醇)蒸汽进行脱水干燥的清洗工艺)清洗并使用烘箱干燥；

b、旋涂正型光刻胶于基底上，前烘以去除光刻胶中的溶剂；

作为本发明的一种实施方式，烘烤温度为90℃，烘烤时间为20分钟；

c、确定110晶向硅片的晶向，采用全息法制作光刻胶的光栅图形；

d、利用四氟化碳等离子体干法刻蚀，将光刻胶线条结构转移到氮化硅上；

e、利用氮化硅线条结构作为掩模，对110晶向硅片基底进行湿法腐蚀，形成了硅光栅图形及氮化硅光栅掩模结构；最后利用四氟化碳气体等离子体对氮化硅层进行干法刻蚀，去除多余的氮化硅，获得线条光滑均匀的硅压印模板；

作为本发明的一种实施方式，使用质量百分浓度为45～55％的强碱液在温度为70～85℃的条件下对110晶向硅片进行湿法腐蚀。所述强碱溶液可以为koh或naoh溶液等。

本申请通过增加湿法刻蚀时间，可以获得高度较高的沟槽，这也有利于后期通道的密封；

(2)纳米压印转移纳米线条结构

a、采用脱模剂对硅压印模板表面改性；

作为本发明的一种实施方式，所述脱模剂为道康宁有机硅脱模剂dc-20与异丙醇的混合溶液，按体积比dc20：异丙醇＝1：100～200。

作为本发明的一种实施方式，采用脱模剂改性的具体方法为，硅压印模板清洁处理及干燥后，以2000～3000rpm的转速旋涂脱模剂，脱模剂会在模板表面形成单分子层。旋涂脱模剂速度不宜过高也不宜过低，过高造成脱模剂太少而涂覆不均；而太低侧脱模剂在光刻胶上的残留量会增加，本发明优选旋涂脱模剂转速为2000rpm。

b、压印及紫外固化：将经表面改性的硅压印模板压在表面具有负性光刻胶的玻璃基底上，加热使负性光刻胶受热软化，加压使得压印模板压入负性光刻胶，然后冷却、紫外曝光、后烘使得负性光刻胶会发生改性固化；

作为本发明的一种实施方式，所述负性光刻胶为su-8光刻胶。su-8胶具有稳定性好，生物兼容性好等优点。

作为本发明的一种实施方式，所述加压过程为保持90℃压印温度及2mpa压印100分钟。

作为本发明的一种实施方式，所述曝光剂量为200～300mj/cm²；优选200mj/cm²。曝光计量太少的话，su-8交没有完成交联反应，也即没有固化完全，不利于后面脱模。曝光剂量太多的话，su-8会变得很脆，也不利于光刻胶图案成型。

作为本发明的一种实施方式，后烘温度为90℃，时间为10分钟。

c、脱模，待su-8光刻胶固化后，分离硅压印模板和表面粘附有su8光刻胶的玻璃基底。压印模板上的线条结构会复制到su-8光刻胶上，在su-8光刻胶上形成线条结构，脱模过程应当在低于聚合物玻璃化温度条件下进行。

(3)微纳通道的密封

通过一定的镀膜角度将薄膜沉积到线条顶部形成密封。

作为本发明的一种实施方式，在镀膜之前，利用氧气等离子体处理压印后的带负性光刻胶的玻璃基底。

氧气等离子体处理以去除由硅压印模板带来的残留在玻璃基底上的脱模剂，同时也可以提高su-8光刻胶的表面能，增强与后续沉积的二氧化硅(sio2)薄膜之间的结合力。

作为本发明的一种实施方式，所述镀膜材料为sio2。

当入射角不同时，所形成的通道尺寸也会随之改变。通过该方法可以在不重新制作模板的前提下，有效的控制通道大小。采用sio2作为镀膜材料，是因为其为透明材料，因此可以方便的观察到通道内部情况，且生物兼容性较好，便于应用于生物实验。

本发明的有益效果为：

本申请首先通过全息光刻技术及湿法刻蚀技术，制作出高深宽比的纳米线条结构模板，接着以该模板为基础，用纳米压印技术转移纳米线条图案到光刻胶。最后通过角度沉积薄膜的方法实现纳米通道的密封。相比于传统的热键合通道密封方法在制作纳米通道时，易出现通道堵塞的问题，本申请方法提供的纳米通道制作方法，以全息光刻、湿法刻蚀工艺为基础，采用角度镀膜的方式来实现纳米通道的密封，不仅解决通道堵塞的问题，同时通过控制镀膜角度，可以获得不同尺寸的通道。

附图说明

图1为传统热键合工艺流程示意图；

图2为全息光刻结合湿法刻蚀制作工艺流程示意图；

图3为确定晶向方向示意图；

图4为纳米压印转移纳米线条结构流程示意图；

图5为磁控溅射角度薄膜沉积实现通道密封工艺示意图；

图6为不同角度沉积形成尺寸不同尺寸通道示意图。

附图标记：

101-上工作台；102-基片；103-缝合胶层；104微纳通道；105-下工作台；

201-光刻胶az1305；202-氮化硅；203-晶向硅片；204-四氟化碳等离子体；205-以圆形为中心的六边形结构；206-初始刻蚀圆孔结构；207-su8光刻胶；208-玻璃基底；209-硅压印模板；210-脱模剂；211-紫外光；212-磁控溅射；213-二氧化硅薄膜；a、晶向；d、通道宽度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

(1)微纳线条结构的制作

全息光刻为采用一定波长的激光器作为光源，通过空间滤波器扩束滤波最后采用劳埃镜光路形成干涉条纹。对光刻胶曝光后，光刻胶记录下来干涉条纹信息。对于两束光波干涉，条纹间距或周期由(λ/2)/sin(θ/2)决定，其中λ为波长、θ为两束相干光波之间的夹角。通过改变两干涉光束在样品表面的夹角或激光波长，可以制作出不同周期的光刻胶光栅图案，这在一定程度上可以控制后续制作纳米通道的宽度。

对于硅材料基底，由于其具有严格的晶向结构，湿法刻蚀时会严格按照晶向进行，即各向异性刻蚀。因此刻蚀后得到的光栅线条结构会非常陡直均匀。

微纳线条结构的基本加工流程如图2所示。其原理是以带有氮化硅202掩膜的110晶向硅片203为基底，通过全息光刻和反应离子刻蚀的方法将光栅结构转移到氮化硅202上。再以氮化硅202为新的掩膜，通过湿法刻蚀得到高质量矩形硅结构光栅。如果选择的硅基片的晶体纯净度足够高，并且制作的氮化硅202掩膜版能够做到与硅基底晶向方向完全对准，那么最后得到的光栅侧壁也就有了与硅基底晶面一致的光滑度(原子级)，粗糙度极小。

本发明选择110晶向的硅基片，这样后期湿法刻蚀的时候才能沿着晶向刻蚀，制作出陡直的线条沟槽结构。具体流程如下：

a、以带有氮化硅202掩膜的110晶向硅片203为基底，首先是基底勤洗过程，使用有机溶剂超声处理、ipa(是指利用ipa(异丙醇)蒸汽进行脱水干燥的清洗工艺)清洗并使用烘箱干燥；

b、旋涂az1350光刻胶201于基底的氮化硅202上，前烘以去除光刻胶中的溶剂，烘烤温度为90℃，烘烤时间为20分钟；

c、确定110晶向硅片203的晶向，采用全息法制作光刻胶的光栅图形；

d、利用四氟化碳等离子体204干法刻蚀将az1350光刻胶线条结构转移到氮化硅202上；

e、利用氮化硅202线条结构作为掩模，使用质量百分浓度为50％koh溶液在温度为80℃的条件下对110晶向硅片203进行湿法腐蚀，经过湿法腐蚀，110晶向硅片203形成了硅光栅图形及氮化硅202光栅掩模结构；最后利用四氟化碳气体等离子体对氮化硅202层进行干法刻蚀，去除多余的氮化硅202，获得线条光滑均匀的硅压印模板209；通过增加湿法刻蚀时间，可以获得高度较高的沟槽，这也有利于后期通道的密封；

确定硅片的晶向方法如图3所示，具体为先利用圆孔掩模板曝光获得光刻胶的圆孔结构，再通过反应离子刻蚀去除氮化硅202，获得暴露的硅圆形结构。再利用koh溶液腐蚀硅圆形结构，由于硅湿法腐蚀各向异性的特性，会自动获得以圆形为中心的六边形结构205。此时只需特征夹具上的六边形结构与基底上湿法腐蚀形成的六边形结构对准，对准特征的线条方向即为硅片的晶向，通过夹具调整硅片方向，使得全息曝光的线条方向与晶向一致。

(2)纳米压印转移纳米线条结构

工艺流程示意图如4图所示。其原理为以玻璃为基底，以su-8光刻胶207为衬底材料，将上述光滑均匀的硅压印模板209压入su8光刻胶207中，并进行紫外曝光，由于su8光刻胶为负性光刻胶材料，曝光处(纳米通道线条结构及周围支撑材料区)会固化。

a表面改性：压印的过程中聚合物和压印模板是直接接触的，硅压印模板209用脱模剂210进行表面改性以降低硅压印模板209的表面能，方便压印后模板和su8光刻胶的分离。

脱模剂210选用道康宁有机硅脱模剂dc-20、异丙醇的混合溶液，按体积比dc20：异丙醇＝1：200混合。在模板清洁处理及干燥后，以2000rpm的转速旋涂脱模剂210，脱模剂210会在模板表面形成单分子层。

b压印及紫外固化：将压印模板压在表面具有su-8光刻胶的玻璃基底208上，在烘箱中以90℃烘烤10分钟之后，su-8光刻胶受热软化。向压印模板施加2mpa的压印压力，使得压印模板压入su-8光刻胶。保持90℃压印温度及2mpa压印压力100分钟，待压印结束后自然冷却，此时，压印模板、su-8光刻胶以及玻璃基底208会结合在一起。通过透光的硅压印模板209对su-8光刻胶进行紫外曝光，曝光剂量为200mj/cm²，对曝光后的su-8光刻胶进行后烘使得su-8光刻胶会发生改性固化，后烘温度为90℃，时间为10分钟。

c脱模:待su-8光刻胶固化后，分离硅压印模板209和表面粘附有su-8光刻胶的玻璃基底208。压印模板上的线条结构会复制到su-8光刻胶上，在su-8光刻胶上形成线条结构，脱模过程应当在低于聚合物玻璃化温度条件下进行。

由于通过晶向湿法刻蚀制作的纳米沟线条结构，边壁陡直，另外加上脱模剂210的作用，使得脱模难度减小，成功率增加，另外，由于模板为硅材料硬质模板，因此可以重复利用，成本上也能得到一定的控制。

(3)微纳通道的密封

最后是纳米通道结构的密封，完成微纳通道104的制作。由于纳米结构尺寸较小，用传统的密封键合方式极易造成堵塞，且尺寸不可控。本申请将采用磁控溅射212角度薄膜沉积法来解决通道密封问题。其工艺示意图如图5所示。

a、在镀膜之前，利用氧气等离子体处理压印后的带su-8光刻胶的玻璃基底208，以去除由硅压印模板209带来的残留在玻璃基底208上的脱模剂，同时也可以提高su-8光刻胶的表面能，增强与后续沉积的二氧化硅(sio2)薄膜之间的结合力。所述氧气等离子体处理真空度为25pa，功率为60w，轰击时间为90秒。

b、通过一定的镀膜角度将二氧化硅(sio2)薄膜沉积到线条顶部形成密封。如图6所示，当入射角不同时，所形成的通道尺寸也会随之改变。通过该方法可以在不重新制作模板的前提下，有效的控制通道大小。采用sio2作为镀膜材料，是因为其为透明材料，因此可以方便的观察到通道内部情况，且生物兼容性较好，便于应用于生物实验。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。