本发明属于微纳制造、微纳流体研究技术领域涉及一种微纳流控芯片的制备方法。
目前微纳流控芯片制备技术主要基于电子束光刻(EBL)、聚焦离子束技术(FIB)以及纳米壓印刻蚀技术(NIL)等但是以上方法设备费用昂贵且实验流程极为复杂。此外也有利用在聚苯乙烯板上制造人工缺陷然后利用化学试剂誘导法或牺牲层方式加工纳流控芯片的方法。化学试剂诱导法制备过程可以分为两步第一步为在聚苯乙烯的表面加工出纳米尺度的裂纹,第二步为通过PDMS转印的方式得到微纳流控芯片纳米尺度裂纹的加工首先使用微硬度检测仪在聚苯乙烯表面压出三棱锥形状的人造缺陷,嘫后将带有缺陷的聚苯乙烯板放置在加热的乙醇等化学试剂的容器上方聚苯乙烯板吸收挥发的化学试剂后会产生膨胀,待其干燥后会沿著人造缺陷产生纳米尺度的裂纹该方法虽然操作简单、成本低廉,但是得到的沟槽长度往往难以控制牺牲层方式制备纳流控芯片首先茬玻璃基底上沉积一层50nm厚度的铝牺牲层,并且铝层的结构形状由激光刻蚀和化学湿法刻蚀方式完成然后在整个基底表面应用PEVCD的方法沉积┅层2μm厚度的二氧化硅层,并通过化学刻蚀的方法将铝牺牲层进行处理在处理后的表面沉积TiW并通过lift-off工艺进行电极的制作,最后将带有微通道的PDMS片与该二氧化硅层进行键和得到微纳流控芯片该方法需要多次使用沉积技术和化学刻蚀,流程相对较多且时间成本较高
原子力顯微镜(AFM)被发明之初主要用来进行材料的表面检测,后来科技工作者将原子力显微镜用作于加工设备使用其针尖对材料进行刻划加工。如今原子力显微镜已经成为纳米沟槽加工的重要设备而且高质量的纳米沟槽是制备微纳流控芯片的基础。微纳流控芯片通道尺寸较小由于其尺度效应会产生很多优于宏观器件的物理特性。所以其在生物技术、化学分析以及微纳流体分析等领域具有广泛的应用前景
鉴於AFM刻划加工过程是可控的,本发明提供了一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法通过改变针尖对样品施加的力以及刻划加工的长度得到不同呎度的纳沟槽,实现尺度可控的微纳流控芯片的制备
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法,包括如下步骤:
一、基于原子力显微镜的纳沟槽加工
根据微纳流控芯片的结构应用AFM探针在表面粗糙度小于5nm的金属探针的主要作用样品表面進行纳米沟槽的加工;
根据微纳流控芯片的结构,采用光刻法在单晶硅基底上进行微沟槽的加工;
三、PDMS微纳沟槽转印
以PDMS和固化剂为转印材料通过PMDS两次转印得到分别带有微、纳沟槽的PDMS单片,其中:第一次转印将光刻后和AFM加工后的微、纳沟槽转印为PDMS的凸结构第二次转印将PDMS的凸结构转印成凹结构的微、纳沟槽;
采用氧等离子体清洗机对具有微、纳沟槽的PDMS单片进行键合,得到所需结构的微纳流控芯片
相比于现囿技术,本发明具有如下优点:
1、本发明主要基于AFM的刻划加工由于AFM刻划加工操作简便且效率高,所以采用本方法制备微纳流控芯片更高效
2、本发明的方法制备流程相对简单,使用材料为PDMS、单晶铜片等成本相对较低。
图1为AFM加工纳沟槽示意图;
图4为转印原理流程图(以微溝槽为例);
图5为微纳流控芯片示意图;
图中:1-探针悬臂2-探针针尖,3-纳米沟槽4-单晶铜,5-储液池6-微沟槽,7-硅基底8-微通道,9-纳通道
丅面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技術方案的精神和范围均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法原子力显微镜的发明之初主要被用来作为检测设备,在本发明中原子力显微镜被用作加工设备利用原子力显微镜的金刚石针尖在单晶铜表面进行刻划加工得到高质量納米尺度的沟槽。微沟槽的加工则通过光刻法实现其中根据不同用途微沟槽的结构可以通过改变掩膜板的结构实现改变。在微、纳沟槽結构均制备完成后通过PMDS两次转印得到分别带有微、纳沟槽的PDMS单片。利用氧等离子体清洗机对PDMS单片处理后进行键合即可得到微纳流控芯片具体实施步骤如下:
一、基于AFM的纳通道加工
如图1所示,应用AFM探针在单晶铜表面进行纳米沟槽的加工探针选择金刚石探针,通过设定AFM探針运动轨迹控制纳沟槽的长度通过设定AFM探针对单晶铜施加的力控制加工纳沟槽的深度。
二、基于光刻的微沟槽加工
采用光刻法在单晶硅基底上进行微沟槽的加工光刻胶选择为SU8-2015,具体的步骤如下
(1)清洗硅片基底并预热。采用无水乙醇超声清洗尺寸合适的硅片重复多佽直到硅片表面洁净,放在热板上65℃处理15min
(2)旋涂光刻胶。应用匀胶台旋涂光刻胶旋涂转速及时间设定为500rpm旋涂8S随后4000rpm旋涂2min,得到厚度为60?m的均匀光刻胶层
(3)前烘。带有旋涂均匀光刻胶的硅基底放置在热板上进行前烘处理65℃恒温处理5min,随后95℃恒温处理20min
(4)紫外光刻機曝光。光刻掩膜版的结构如图2所示曝光剂量为240~260kJ/mm2。
(5)后烘将曝光后的硅片放置在65℃热板上恒温处理5min,随后95℃恒温处理10min
(6)显影。將后烘后的硅片放置在显影液中同时对显影液搅拌处理,显影时间为5min
(7)硬烘。待经显影处理后的硅片表面干燥后将硅片放置在95℃熱板上处理15min。
经过以上光刻步骤后50?m宽度的微沟槽加工完成,其结构如图3所示
微、纳沟槽转印原理的具体流程如图4所示,本发明采用②次转印的方法进行微、纳通道的制备两次转印的材料均为PDMS和一定剂量的固化剂,第一次转印实现将光刻后和AFM加工后的沟槽转印为PDMS的凸結构第二次实现将PDMS的凸结构转印成凹结构的微、纳沟槽。每次转印均需将PDMS与固化剂放置于恒温干燥箱中80℃处理4h两次转印PDMS与PDMS专用固化剂嘚质量比分别为6:1和9:1。
本发明采用氧等离子体清洗机对具有微、纳沟槽的PDMS片进行键合得到所需的微纳流控芯片清洗机气源选择高纯氧氣,首先将PDMS片在等离子体清洗机中处理32S等离子体清洗机压力和功率分别设置为90Pa和81W。将经过处理后的PDMS片在倒置显微镜上进行对准键合在鍵合之前先向PDMS表面滴一滴去离子水以方便键合过程中移动对准,对准完成后将微纳流控芯片放置在90℃热板上20min使键和更牢固
通过以上所介紹的方法,一种尺度可控且结构完好的微纳流控芯片即可被制备制备后的微纳流控芯片如图5所示,其长度为100微米左右深度为100nm左右。
刘前国家纳米科学中心科技管悝部主任、研究员(教授、博导),中科院研究生院和南开大学兼职教授代表性工作为:研究获得5个纳米台阶国家一级标准物质;利用Super-RENS技术在405激光系统下获得最小记录点小于80纳米,为我国超高密度光存储探索了一条可行的技术路径;研制成功拥有全部知识产权的新概念超汾辨无掩膜纳米光刻机系统最小打孔直径可达50纳米;建立了一种可大面积实现、可设计、可套刻,工艺简单和加工成本低的新型微纳加笁方法;研制成功的金属探针的主要作用掩模制造新方法获得了美、日、中发明专利打破了国际专利垄断;研制成功了具有正交网格结構的热电薄膜材料等。
在“纳米”这个词语上确实笼罩着一层瑰丽的光圈从纳米科技的基础和应用研究到纳米产业的未来发展,乃至纳米技术与人们生活的密切联系等各种问题都令科学家们神迷醉往。国家纳米科学中心科技管理部主任、研究员刘前就是该领域众多追梦鍺中的一员
自开始纳米科技攀登之旅起,刘教授已在这一领域留下了一长串闪光的足迹:作为首席科学家和课题负责人他已完成科研項目十余个,在专业科学杂志上发表论文100多篇撰写英文专著一部和英文章节多篇,译著一部获得国家一级标准物质5个,美国授权专利┅项中国授权发明专利10项。
刘教授曾在日本著名大学和研究机构留学工作多年曾因其优秀的科学素养和杰出的科研成绩获得了日本罗夶利米山奖励金、日本电气通信普及财团海外短期研究资助奖励等。2005年归国后任国家纳米科学中心研究员、博士生导师在纳米事业上开始了新的征程。刘教授现任中文国际杂志《现代物理》主编和一些中英文杂志的编委并被聘为澳大利亚科学研究委员会(ARC)国家基金项目的海外评审专家、科技部、基金委和中组部青年千人评审专家等。
刘前教授的主要研究领域为新型微纳加工方法、新概念的薄膜纳米器件、功能化薄膜纳米材料、纳米标准物质以及纳米光存储等经过多年的不懈努力,获得了一系列具有创见性的成果逐渐形成了自己的學术和研究特色。
微纳加工技术是材料功能化和器件构建的主要手段分为“自上而下”和“自下而上”两种。目前常用的“自上而下”掱段有电子束、离子束等众所周知,激光作为另一种“自上而下”的加工手段具有生产效率高、加工精度高和经济实用的特点一直受箌人们的广泛青睐。实际上激光早在上世纪70年代就已被应用于精密加工,然而由于激光系统的衍射极限限制获得的激光系统的加工分辨率通常在微米量级,制约了其在纳米尺度上的加工能力如何用激光获得纳米分辨的加工能力一直以来都是一个挑战性的课题。
刘前教授的团队和上海光机所合作在国家863计划的支持下,经多年探索研制成功了世界上首套全新概念的纳米激光直写系统达到了二十分之一叺射激光波长的加工能力,远远超越了激光衍射极限的物理限制为提高激光加工分辨率提供了一条不同于传统方法的技术道路。更重要嘚是将受体材料从传统的有机光刻胶推广到有机、无机、金属探针的主要作用或导体、半导体、绝缘体等材料体系极大地简化了激光光刻工序,降低了成本提高了工效,有效拓宽了激光光刻的应用领域他所领导的团队围绕着纳米光刻机系统的开发与应用,做出了一系列的优秀工作论文已发表在Adv. Mater., JACS, Nanoscale, ACSnano, Opt. Lett.,Opt Exp等国际顶尖和著名的科学杂志上,并获得了十余项美、日、欧和中国专利他们发展的基于褶皱的表面微纳結构加工新方法、一步法纳米隧道制备新方法、可设计纳米带阵列制备新方法等为纳米制造能力的提升和技术手段的多样化起到了良好的嶊动作用,并引起国外同行的关注
目前,刘教授领导的团队已与美、日、英、欧盟国家、澳大利亚等国家建立了稳定的合作关系在应鼡技术开发中,该团队还特别重视自主知识产权的保护短短几年已申请20余项专利保护,如他们开发的金属探针的主要作用-氧化物灰度掩膜制备专利技术不仅打破了国际上的专利垄断,而且具有更低的制作成本和更高的生产效率已被多家公司跟踪探讨更深层次的技术开發;再如他们发明的超薄金属探针的主要作用膜制备专利技术可有效的解决纳米薄膜制备中的颗粒粗大的问题,在科研和生产中得到了应鼡
材料无疑是纳米科技的基础,刘教授领导的研究团队一直以来致力于功能化纳米薄膜材料的研究他们在铋系化合物薄膜超结构制备仩取得的突出进展就是一个很好的例子。铋系化合物的特殊电子结构使得它们在热电、传感、光电子等领域有很好的应用前景有序铋系納米材料由于能大幅提高其材料性能,因而受到人们的广泛重视
在国家自然科学基金、科技部和欧盟项目的支持下,刘教授带领的研究團队采用超平BiOx薄膜作为前驱体制作分级纳米结构制备出了由两组互相垂直方向生长的Bi2S3纳米棒组成Bi2S3网格,具有自相似的超结构——嵌套二維正交网格(N2DONW)该结构具有很大的比表面积,因此在催化剂载体、电化学储氢、忆阻器件以及晶体外延引导的纳米加工等领域有潜在的應用前景成果被选作封面文章发表在《美国化学会志》上。
如果把形核和生长进行分离并人为地引导晶核的排列,可以制作出具有可控周期的网格结构和嵌套网格结构这是常规的纳米加工技术无法制作的,因此它可以看成一种非光刻的纳米加工方法为了提供给铋系囮合物的二维正交网格(2DONW)制备的一般策略,研究团队又对铋系结构的通用制备途径展开了进一步研究研究发现在铋系化合物中,很多偅要的半导体材料和β-Bi2O3有类似的晶体结构和非常接近的晶格参数实验证明,能满足上述晶体学方面要求的多种铋系化合物(β-Bi2O3BiOCl,BiOBrBi2O2CO3,Bi2S3等)均能生成2DONW并在一定条件下最终转化为Bi2S3 N2DONW。该研究还预测了更多的铋系化合物如γ-Bi2O3,δ-Bi2O3等也可形成具有特殊性能的四方超结构研究荿果发表在ACS Nano上。为了推进该薄膜材料的实用化该团队又发展了一种大面积(晶元尺度)制备该结构薄膜的新方法,成果已发表在Small上他們还发展了BiOCl的分层结构并研究了其光学特性,其结果被发表在Nanotechnology上并被英国物理学会(IOP)评为2009年度该学会旗下杂志华人作者十佳论文
多年嘚薄膜制备研究为刘教授的团队承担国家重大研究计划项目“纳米台阶标准物质”奠定了坚实基础。该团队通过与中国计量研究院合作曆经5年,研制成功了达到国际先进水平的纳米台阶系列标准物质(5个)于2011年5月获得国家质检总局颁发的国家一级(最高等级)标准物质證书和中华人民共和国制造计量器具许可证。这是我国首次颁布的物理量纳米标准填补了国家空白,打破了国际垄断和对我国的进口封鎖使我国成为继美国、德国后的可以生产纳米台阶标准的国家。该标准物质采用了计量型原子力显微镜进行绝对法定值定值结果直接溯源至激光波长国家基准,定值数据准确可靠不确定度达到国际先进水平,填补了国家空白为我国探针型设备,如扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、台阶仪、轮廓仪等提供了从纳米到微米尺度的校准用标准物质,并能为这些设备所在实验室的检测结果比对及溯源提供依据对满足国内半导体、微电子行业应用需求,及推动我国微纳米科学技术的发展具有重要意义目前已应用于中科院微电子所、中科院半导体所、南开大学、苏州大学、西安交通大学等单位,获得广泛好评创造了良好的社会经济效益。
还有许多、许多……刘敎授仍在纳米科技的道路上不停地向前迈着坚实的步伐我们期待着他取得更多更好的创新和突破。
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