1绪论
1.1纳流控芯片简介
微流控芯片是微机电系统(MEMS)的重要组成部分，在分析化学等领域起着重要的作用。近年来，随着生物化学、医学以及检测技术的发展，微流控芯片逐渐向纳米尺度过渡，以微流控芯片为基础发展而来的纳流控芯片(通道至少有一维是纳米尺度越来越受到人们的关注。与微流控芯片相比，纳流控芯片通道的尺度与单个蛋白质、DNA等分子的尺寸相近，在单分子检测与分析，离子的分离与富集上有着巨大的优势。此外，由于通道由微米级下降至纳米级，通道的表面特性、尺度效应等物理学特性会发生很大的变化，如通道内流体阻力的增大、双电层的部分重叠、勃度的增加、介电常数的下降等，在此基础上，人们展开了对纳沟道性能，流体理论等知识的深入研究降。因此，纳流控芯片的制作与应用越来越受到人们的广泛关注。
基于纳流控芯片在医药、生物及物理等方面研究上的优势，芯片得到了广泛的应用。例如，美国橡树岭国家实验室Hadd等研制出了一种通道深度为10纳米的纳流控芯片，并用该纳流控芯片成功地在70秒内分离和观察到人体细菌或病毒引起的肿瘤，提高了分析速度。D.Huhls]等利用PDMS制作出通道深度大约为100纳米的纳流控芯片，用于溶液的传输现象研究，即用于与通道深度相当的纳米水平DNA、蛋白质及小分子分离与富集。清华大学的曹炳阳[6]等采用分子动力学模拟方法研究了液态氢在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象。纳流控芯片是微流控芯片技术的继承和发展，它将科技前沿技术推进到了纳米尺度领域，与微流控相比，在生物化学，单分子分析等方面具有更加宽广的应用范围和发展前景。
1.2纳米沟道的加工方法
纳流控分析系统是以纳流控芯片的制作为基础的，而纳米沟道是纳流控芯片的核心组成。与微流控芯片的加工制作相比，纳流控芯片在沟道的制作上提出了更高的要求，相继出现了许多特殊的纳米加工方法。目前纳流控芯片的加工方法主要有掩膜加工法、模具压印法、牺牲层技术，另外还包括机械拉伸技术和光学击穿技术等。在加工方法中，以模塑成型为基础的复制技术(包括热压、浇注等)适合批量化制造、制作工艺相对简单，在纳米沟道的制作中有着巨大的优势。模注塑成型法是以模具的制作和复制为基础的，常见的模具有金属、硅及其化合物等等。利用纳米压印(NIL)等技术实现图形的复制和转移。国内外有很多学者进行了此类作方法的研究，并取得了一定的成果。如:中国华中科技大学的张鸿海、胡晓峰[9]等利用石英作为掩模板，利用电子束扫描光刻技术制成宽度为50nln的光栅硅模具，并利用纳米压印技术把图形转移至PMMA上。美国德克萨斯州大学的Trivedil等利用纳米硅模具对su-8胶进行压印，并通过氧气等离子体刻蚀技术在SU-8胶上制作出100nln的阵列式沟道。复制技术需要用到的纳米模具的制作主要依赖纳米光刻。
纳米光刻虽然能够加工出10nm甚至更细的沟道，但纳米光刻又存在缺点，如制作成本较高，周期较长等。这些缺陷会在一定程度上阻碍纳流控芯片的发展，因此，需要开发一种更加简便高效的模具制作方法。非模塑成型法近年来也取得了一定的成果，如:荷兰的N.R.Tas和J.w.Berenschotl利用在硅台阶上制造纳米金属线牺牲层的方法，在硅的内部制做出了高gonLm，宽40nln的沟道;中国深圳大学的王凯歌、许桂雯I”J等利用聚焦离子束FIB(DB235，FEIc。在绝缘晶体薄膜Si3N4上加工出纳米孔沟道。直写技术无需经过图形的转移即可得到高精度的纳米沟道，避免了图形复制过程中的变形与失真。但与模塑成型相比，后者由于其不具有批量复制的优点，在今后的产业化道路上有一定的局限性。在制作材料上，纳流控芯片与微流控芯片相似，主要包括高分子聚合物材料(如PMMA、PDMS等)，硅材料(单晶硅及其化合物)，玻璃与石英材料等。其中，聚合物材料由于其良好的可塑性和光学性能以及价格的低廉越来越受到人们的青睐，如聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)，聚对苯二甲酸乙二醇酷(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。在制作沟道时，加工方法简单，复制精度高，并且可以批量制作与生产，便于将来实现纳流控芯片的产业化。为此，国内外学者开发出很多针对于聚合物材料的纳沟道加工方法，如纳米压印技术(NIL)，质子束直写(PBw)技术，弹性印章法等。
(l)纳米压印技术
纳米压印技术是以模具为基础的，模具利用硬质材料制作，将聚合物作为基片，加热到聚合物玻璃化温度并在一定压力下与模具结合，最后将模具上的图形复制到聚合物上。Abgralll等利用光刻和反应离子刻蚀技术制作出硅模具，并利用纳米压印技术法在PMMA上制作出宽度为10pm深度为80lun的沟道，其深宽比达到0.008，制作步骤及沟道如图1.1所示。反应离子刻蚀具有良好的刻蚀选择性和速度，利用纳米压印技术可以得到较高的复制精度，但如沟道宽度也需达到亚微米一纳米量级，则要制作较为昂贵的纳米级掩模板和利用纳米光刻技术，使得制作成本进一步提高。
2硅模具母模的制作工艺研究
传统的纳沟道硅模具制作需纳米级掩模板以及电子束光刻，X射线光刻等方法，针对成本较高的不足，本章提出一种“刻蚀后氧化”的新工艺。利用最低线宽为1.6pm的铬版玻璃做掩模，并通过传统的微沟道紫外光刻技术加工出宽度为微米量级，深度为纳米量级的通道。将刻蚀后的通道放入氧化扩散炉中进行湿法氧化，在侧壁形成一层510:使通道尺寸在宽度和深度上都达到了亚微米一纳米量级。以此纳沟道结构作为模具进行热压即为硅模具“母模”。“刻蚀后氧化”工艺由于其掩模板和制作过程避免了高成本纳米掩模的使用，并且在微沟道加工方法和环境下即可实现，因此将大大降低模具的制作费用。
2.1纳米沟道结构
本课题设计的通道结构如下:整个图形为阵列式纳米沟道，并排9根，长度为1~，其中单条通道宽度为1.6pm，间距为10pm，如图2.1所示。显影是紫外光刻工艺中的重要步骤，尤其当图形的宽度接近亚微米级时，如果显影时间控制不当，会严重影响图形的复制精度。为此，我们测试了多个不同显影时间，并对显影后光刻胶的图形尺寸与掩模板上的对应图形尺寸进行了比较。此次显影使用AZ7ol专用的显影液(AZ30oMIFDeveloper)。在同一曝光时间(205)和曝光强度(4ZmJ/cmZ)下，当显影时间不足时，图形区的光刻胶去除不干净，如图2.3(a)所示;当显影时间过长，则会出现光刻胶从二氧化硅表面脱离的现象(图2.3(b))。经过实验优化后，较理想的显影时间为50-605，此时光刻胶显影充分，而且保持了较高的图形复制精度，如图2.3(c)所示。
3 PMMA子模的制作 ......................29-33
3.1 PMMA子模的热压成型.................... 29-31
3.1.1 热压成型技术简介.................... 29
3.1.2 热压法制作PMMA子模....................29-31
3.2 PMMA子模形貌观测 ....................31-32
3.3 本章小结.................... 32-33
4 PET纳米沟道的制作.................... 33-37
4.1 PMMA与PET的热性能对比.................... 33-34
4.2 PET纳米沟道的热压成形 ....................34-36
4.3 纳米沟道的复制精度.................... 36
4.4 本章小结.................... 36-37
5 一种PET纳流控芯片的研制.................... 37-42
5.1 纳流控芯片的结构.................... 38
5.2 微-纳流控芯片的键合.................... 38-41
5.2.1 芯片的清洗 ....................38-39
5.2.2 芯片的对准.................... 39
5.2.3 芯片的键合.................... 39-41
5.3 本章小结.................... 41-42
结论
以模具制作为基础的复制技术在纳流控芯片的研制中具有高效、简便、易于批量生产等优势，但又存在模具制作依赖纳米光刻，成本相对较高等不足。为解决以上问题，本课题利用了复制技术的优势，以传统的微通道紫外光刻技术为基础制作出纳米模具，使得模具的制作成本得到了降低;在图形的传递过程中，通过聚合物子模的过渡，使得模具的利用率得到了一定程度的提高。
在未来的工作中，课题还有许多改进之处。如:图形在两次的传递过程中会出现一定的复制精度误差，因此，可对该过程的工艺参数进行优化设计，有望进一步提高整个过程的图形复制精度;纳沟道的宽度仍在亚微米量级，通过实验方法的改善可进一步减小等。针对整个实验，现得出以下几点结论:
(1)提出了一种新颖的聚合物纳米沟道制作方法，并利用一种“刻蚀后再氧化”新工艺，在紫外光刻的前提下，成功研制出了纳米硅模具，并对“刻蚀后再氧化，，工艺涉及到的显影、二氧化硅刻蚀、硅干法刻蚀及氧化过程进行了工艺参数优化。
(2)首次提出利用聚合物材料的纳米模具子模作为图形复制的中间模具，可以大大延长硅模具的使用寿命。在图形的两次传递过程中，对热压工艺的温度、压力进行了分析，并选取了最佳参数。
(3)通过上述方法研制出了宽度为72Onm、深度为290nxn的阵列式纳米沟道。
(4)利用热键合方法成功实现了微一纳通道的键合，分析了键合参数，成功制作出一种PET纳流控芯片。
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