（分析化学专业论文）玻璃纳流控芯片的制作及其应用研究.pdf

摘要 摘要 随着微流控芯片在生物、化学方面的迅速发展，纳流控芯片也越来越引起 人们的关注。纳流控的基础和应用研究以纳流控芯片的研制为基础，随着纳流 控芯片通道尺寸的降低，对其制作技术提出了更高的要求；在纳流控芯片中， 随着通道尺寸的降低，纳米通道具有一些特殊的性质如双电层重叠，粘度增加， 电渗流降低等；这些特殊的性质又对其在生化方面的应用起到重要作用。本文 讨论了纳流控芯片的制作，初步研究了纳流控芯片的性质，在此基础上研究了 电场作用下离子在纳米通道两侧的富集及消减现象。 第一章首先综述了目前制作一维纳流控芯片的技术方法、纳流控芯片的性 能研究、以及在化学和生物化学方面的应用研究。按照芯片制作技术的不同， 可划分为掩膜加工法，牺牲层技术，模具加工法等三种主要技术，此外，还有 机械拉伸技术，化学机械抛光技术等其他的制作技术。文中对几种技术做 了比较详细的介绍。同时，综述了当前纳流控芯片性能的研究现状，诸如纳米 通道中的液体受力状况，流体动力学特征，电导率情况以及纳米通道中能量转 化以及影响因素。文章也介绍了目前纳流控芯片在化学和生物方面的应用研究， 如试样预分离和富集、d n a 拉伸、分离等。 第二章中介绍了玻璃基质一维纳流控芯片的制作，研究建立了一整套简单 易行的玻璃纳流控芯片加工技术。本文利用紫外光刻和湿法刻蚀的方法制作纳 米通道，通过改变刻蚀液的组成提高纳米通道表面的光滑度；考察了刻蚀温度、 刻蚀液浓度对纳米通道深度的影响。在优化的条件下，通过控制刻蚀时间来控 制纳米通道的深度。方法重现性好，同问刻蚀通道深度精度达到6 8 ( r s d ， n = 5 ) 。本文利用室温封合技术，较好解决了纳米芯片封合时通道易塌陷的问题， 最小深宽比可达到为5 x 1 0 一。 第三章在上述一维纳流控芯片的加工基础上，两次利用紫外光刻和湿法刻 蚀技术制作纳微米结合的通道，成功研制出微纳流控一体化玻璃芯片。利用该 摘要 技术，直接将纳米、微米通道制作于同一块玻璃基片上，避免在两块基片上分 别刻蚀微米、纳米通道，然后对准封合所引起的上下两条通道易错位的问题。 实验表明以该技术得到的通道结构完整，操作简单，成功率高。 第四章在前两章芯片制作的基础上，进一步研究纳流控芯片的流体动力学 性质和纳米通道的电渗流性能，同时也考察了基于微纳米通道一体化芯片的离 子在纳米通道两侧的富集消减现象。实验中，首先观察在毛细作用下水流流经 纳米通道的状况，发现在纳米通道中，水流不是笔直的，成弯月面的向前流动， 而是无规则的向前铺展，并且水流过程通道内易产生气泡，不易排除，可能与 纳米通道比表面积大，表面张力大，阻力和粘滞力都比较大有关。另外，本文 尝试利用电流法检测纳米通道中的电渗流大小，由于诸多因素的影响，所得电 渗流重现性不好。最后本文利用二次刻蚀技术制作微纳米通道一体化的芯片， 观察在纳米通道两侧离子的富集消减现象。 关键词：玻璃纳流控芯片，制作，二次刻蚀，流体动力学，电渗流，离子富集 消减 a b s t r a c t a bs t r a c t t h es t u d i e so nn a n o f l u i d i cc h i ph a v em a d eg r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s b o t ht h e b a s i ca n da p p l i e dr e s e a r c ho fn a n o f l u i d i c si sb a s e do nt h en a n o c h i pf a b r i c a t i o n i t d e m a n d sm o r er i g o r o u st e c h n i q u e sf o rn a n o c h i pf a b r i c a t i o na st h ec h a n n e l sd o w n i n g t on a n o m e t e rs c a l e a st h ec h a n n e ld i m e n s i o ng o e sd o w nt on a n o m e t e rs c a l e ，u n i q u e p r o p e r t i e se m c e e ，f o re x a m p l e ，o v e r l a p p e d e l e c t r i cd o u b l e l a y e r s ，r e d u c e d e l e c t r o o s m o t i cf l o w , i n c r e a s e dv i s c o s i t y , i o ne n r i c h m e n ta n dd e p l e t i o n t h e s e p r o p e r t i e sw o u l di m p a c to nt h en a n o f l u i d i c sa p p l i c a t i o n t h et o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o n i sf o c u s e do nt h ef a b r i c a t i o no ft h eg l a s sn a n o c h i p s ，t h er e s e a r c ho nb a s i cp r o p e r t i e s o ft h en a n o c h a n n e l sa n dt h e i o ne n r i c h m e n ta n dd e p l e t i o na tt h et e r m i n a lo f n a n o c h a n n e lu n d e rt h ee l e c t r i cf i e l d i n c h a p t e r1 ，v a r i o u s f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fn a n o f l u i d i c sw e r er e v i e w e d ， i n c l u d i n gs a c r i f i c i a ll a y e rt e c h n o l o g y , b u l k f i l m m a c h i n i n g ，c h e m i c a l m e c h a n i c a l p o l i s h i n gm e t h o d ，m o l d m a c h i n i n gm e t h o d ，a n ds oo n t h er e c e n tr e s e a r c ho n n a n o f l u i d i sp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o nw a sa l s oi n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h et e c h n i q u e so fn a n o c h a n n e lf a b r i c a t i o no fg l a s ss u b s t r a t ea n dt h e c h i pb o n d i n gw e r ed e v e l o p e d g l a s sn a n o c h a n n e l sw e r ea c h i e v e db yu l t r a v i o l e t l i t h o g r a p h ya n dw e tc h e m i c a le t c h i n g s m o o t hi n n e rs u r f a c eo ft h en a n o c h a n n e lw a s g o t t e nb yo p t i m i z i n gt h ec o m p o s i t i o no ft h ee t c h a n t t h et e m p e r a t u r eo fe t c h i n ga n d t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ee t c h a n tw e r eo p t i m i z e d t h ed e p t ho ft h en a n o c h a n n e lw a s t u n e db yc o n t r o l l i n gt h ee t c h i n gt i m e g o o dr e p r o d u c i b i l i t yi nd e p t ho f6 8 ( n = 5 ) w a sa c h i e v e db yi n t e r - d a yp r e p a r a t i o n s t h es u b s t r a t ew a sb o n d e dw i t ht h ec o v e r p l a t eb yr o o m t e m p e r a t u r eb o n d i n gt e c h n i q u e t h em i n i m u ma s p e c tr a t i o ( d e p t ht o w i d t h ) o f5 o xlo w a sa c h i e v e d i nc h a p t e r3 ，t h ed o u b l ee t c h i n gt e c h n i q u ew a sd e v e l o p e dt of a b r i c a t en a n o f l u i d i c i i i a b s t r a c t c h i pw h i c hi n t e g r a t e dn a n o c h a n n e lw i t hm i c r o c h a n n e l st h es a m es u b s t r a t e t h e p r o b l e mo fd i s l o c a t i o no fc h a n n e l sc o u l db ea v o i d e da n dm o r et h a n9 0 b o n d i n g y i e l df o rt h es u b s t r a t e sw a sa c h i e v e du s i n g t h i ss i m p l et e c h n i q u e i nc h a p t e r4 ，t h er e s e a r c ho nh y d r o k i n e t i c sa n de l e c t r o o s m o t i cf l o wo fn a n o c h a n n e l sw a ss t u d i e d t h es t r e a mf l o w st h r o u g ht h en a n o c h a n n e lu n d e rt h ec a p i l l a r y e f f e c t s i tw a sf o u n dt h a tt h ef l o ws p r e a da h e a dr u l e l e s s l yw i t ha i rb u b b l ei n c u r r e n t - m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n tm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ee l e c t r o o s m o t i cf l o w o fn a n oc h a n n e l i o ne n r i c h m e n ta n dd e p l e t i o nw a sa l s od e m o n s t r a t e da tt h et e r m i n a l s o fn a n o c h a n n e l su n d e rt h ee l e c t r i cf i e l du s i n gt h ei n t e g r a t e dn a n o f l u i d i c s k e y w o r d ：g l a s s n a n o f l u i d i c s c h i p ，f a b r i c a t i o n ，d o u b l ee t c h i n gt e c h n i q u e ， h y d r o k i n e t i c s ，e l e c t r o o s m o t i cf l o w , i o ne n r i c h m e n ta n dd e p l e t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 一躲降及及飙硼年加甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝至三盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 诈淑 导师签名： 期：懈年月7 日 期：硼年月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： l 亿) 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系， 受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导 师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作全 部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期： 髟年 产囊炙 0 月 7 ， 日 第一章绪论 第一章绪论 摘要：近年来，纳流控学和纳流控芯片应用于化学和生化分析的研究取得了长足 的进展。纳流控的基础和应用研究以纳流控芯片的研制为基础，而纳流控芯片 的制备需依靠微纳加工技术。本章着重介绍目前已经建立的纳流控芯片加工技 术，包括掩膜加工法、牺牲层技术、模具加工法、化学机械抛光法、机械 拉伸技术以及其他的加工技术。此外，还简单介绍了纳流控芯片在试样预处理 以及生化分析中的应用。 关键词：纳流控芯片，微加工，应用 1 1 引言 近年来，随着微流控芯片的迅猛发展，纳流控芯片( 芯片通道至少一维是纳 米尺度) 也越来越引起人们的关注。首先，随着通道尺度从微米进入纳米，通 道表面性能发生巨大的变化，如通道内流体阻力的增大、双电层的部分重叠、 黏度的增加、介电常数的下降等，吸引人们展开有关通道性能、流体力学等的 基础理论研刭2 巧】；其次，纳流控通道的尺寸与生物大分子如d n a 、蛋白质大小 相近，可将纳流控芯片用于生物大分子的单分子检测、控制和分离分析等，吸 引人们开展纳流控芯片在生物化学方面的一些基础应用研究睁8 】；此外，从微流 控进入纳流控分析，试样剂消耗量进一步下降，更有利于珍贵生物试样的分析。 纳流控芯片的制作是纳流控芯片分析的基础。与微流控芯片相比，纳流控 芯片对加工技术提出了更高的要求，促使许多特殊的微加工技术相继出现。纳 米微结构的加工技术通常可以分为自上而下技术( t o p d o w n ) 和自下而上技术 ( b o t t o m u p ) 两大类。后者是利用化学反应，在基片表面形成的原子或分子通过组 装形成纳米微结构，该技术主要用于形成纳米管、纳米隧道等微结构，但是无 第一章绪论 法按照实际需要，形成通道网络，因此不适于纳流控芯片的加工；前者通常是 利用微n - r 技术，加工形成纳米微结构或纳米通道，按照微加工技术的不同， 又可以分为掩膜加工法、牺牲层技术、模具压印法等。 本文着重介绍近年来发展形成的纳流控芯片微加工技术，在此基础上，对 纳流控芯片的应用进展进行简单的概述。 1 2 纳流控芯片的加工技术 用于制作纳流控芯片的材料与微流控芯片的基本相似，主要有硅材料，包 括硅及其化合物；石英和玻璃；高分子聚合物，包括硬质聚合物如聚碳酸酯( p c ) 、 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 等，弹性聚合物如聚 二甲基硅氧烷( p d m s ) 以及光敏聚合物( 女n s u 8 ) 。 硅材料 硅与二氧化硅具有良好的化学惰性和热稳定性，尤其是单晶硅是微电子行 业的基础材料，其加工工艺及相关设备完善。在硅片上可使用光刻技术高精度 的复n - 维图形，并可使用制备集成电路的成熟工艺进行加工及批量生产。即 使复杂的三维结构，也可以用整体和表面微加工技术进行高精度的复制。 硅材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不够好，且表面化学 行为较复杂。这些缺点限制了它在纳流控芯片中的广泛应用。然而，由于硅材 料有良好的光洁度和成熟的加工工艺，可用于加工微泵、微阀等液流驱动和控 制元器件。此外，在用热压法、模塑法制作高分子聚合物芯片时常用它制作相 应的模具。 石英和玻璃 石英玻璃和普通玻璃有效弥补了单品硅在电学和光学方面的不足。玻璃和 石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，且它们的表面性质，例如湿润能力、 2 第一章绪论 表面吸附和表面反应性等，都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。 使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃和石英上，因此玻璃和石英材 料已广泛的应用于制作纳流控芯片阳1 。 高分子聚合物 高分子聚合物种类多，价格便宜，加工相对容易，又有很好的透明性和介 电性，成为除玻璃材料之外的另一类主要芯片材料。s o p e r 等对聚合物基材的特 点进行了全面的综述，并提出选择聚合物材料的主要考虑指标：( 1 ) 良好的光学 性质；( 2 ) 易加工；( 3 ) 对待分析物惰性；( 4 ) 良好的电和热特性；( 5 ) 有多种表 面修饰和改性方法。由于高分子聚合物可以用复制成型技术实现大批量生产， 从而使纳流控分析芯片的一次性使用成为可能。 用于制作纳流控芯片的高分子聚合物主要有两类：硬质聚合物和弹性聚合 物。硬质聚合物主要指室温下为固体的塑料，例如最为常用的聚碳酸酯( p c ) ， 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ，聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 等。这类高聚物 材料一般具有热塑性，可以采用热压法及注塑法加工成型。 弹性聚合物主要有聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ，俗称硅橡胶。p d m s 具有独特 的弹性，良好的透光性，介电性，化学惰性，无毒，容易j j h - r 价廉，并且能可 逆和重复变形而不发生永久性破坏，所以被广泛应用于微纳流控芯片的制备阳1 。 光敏聚合物 光敏聚合物是指在紫外光束辐照下，能够发生降解或交联反应的有机聚合 物材料，又称光刻胶。如果在光束辐照下，光胶层主要发生降解反应，光刻胶 大分子分裂成小分子而随后溶解在显影液中，这类光刻胶叫做正光胶( 如a z 光 刻胶) ：如果在光束辐照下，光胶层主要发生交联反应，在相邻的聚合物链之间 产生化学键，使分子量变大而在显影液中溶解度降低，成为非溶性，这类光刻 胶叫做负光胶( 女u s u 一8 光刻胶) 。通过曝光成像的原理，可以将光刻掩模上微图形 转移到光胶层上( 9 1 。普通光刻胶的光胶层的厚度一般为0 5 - - 2 0 胛，常用于微流 3 第一章绪论 控芯片加工中的微图形转移【1 0 】。s u 一8 光刻胶是近年来研制成功的环氧基负光胶， 它具有良好的光敏性，对紫外光的吸收很小，一次涂覆可以得到大于1 0 0 舯厚 的光胶层。在微流控芯片研究领域，s u 8 负光胶常用于加工复制高聚物微流控 芯片以及纳流控芯片所需要的金属阳模【1 ，以及用光刻法直接制作s u 一8 微流控 芯片【1 2 1 ，h u 等【1 3 l 在低温低压下，利用紫外反转光刻得到了三维的s u 一8 纳米结构。 不同材料可以采用不同的加工方法，目前纳流控芯片的加工方法主要有掩 膜加工法、牺牲层技术、模具压印法，另外还包括机械拉伸技术、光学击穿技 术等。 1 2 1 掩膜加工法 掩膜加工法( b u l k 一f i l m m a c h i n i n g ) 主要用于石英、玻璃、硅及其化合物等材 质的纳流控芯片制作。首先在基片上通过光刻、刻蚀形成通道，然后用另一块 盖片与其封合形成芯片。加工技术一般分为下面几个步骤：图案转移刻蚀 封合。 ) p h o t o l i t h o g r a p h y r e s i s t - 一 g 知哺曩s u b s t r a t e t c ) s u r f a c ed e a m t n ga n da c t i v a t i o n e t c h i n g c h a n n e l 王当黑k g k 锚州蛐下 图1 1 掩膜加j ：法制作玻璃芯片1 】 a 在玻璃上形成一层薄的光胶，光刻，进行图形转移；b 利用各种刻蚀方法刻蚀形成 纳米通道；c 清洗盖片和基片；d 盖片和基片封合形成芯片。 1 2 1 1 图案转移 4 第一章绪论 图案转移也即光刻。通常采用标准紫外光刻，即通过紫外光照将掩膜中的 图案转移至涂有光胶和保护层的基片上【 】。紫外光刻时，一般使用汞灯所发出 的紫外光( 其中以9 l = 2 5 4n l n 最为典型) 作为光源。当掩膜中通道宽度小于波长的一 半时，图案就会模糊，因此，通过标准紫外光刻得到的通道宽度通常为数微米 至数十微米，仅适用于维纳米通道的加工( 深度为纳米尺度) 。x 射线以及远紫 外光的使用可以使通道宽度控制在1 0 0n n l 以下【1 6 。1 8 】。n a u l l e a u 等【1 7 】利用远紫外光 进行光刻得到宽度低于7 0n m 的通道。但是，传统的透镜和掩膜不能透过远紫外 光。 为了得到更小宽度的通道，越来越多的光学技术被用于纳流控芯片的制作。 各种聚焦束( f o c u s e db e a m ) 也被用于图案转移之中，如电子束光$ 1 ( e l e c t r o n b e a m l i t h o g r a p h y ，e b l ) t 1 9 之2 1 ，聚焦离子束光刻( f o c u s e d 。i o nb e a m ，f i b ) 2 3 2 s 】，质子束刻 写( p r o t o nb e a mw r i t i n g ，p b w ) 2 6 乏9 1 等技术的应用，使1 0m n 左右宽的通道制作成 为可能。t i r o n 等 1 9 1 利用e b l 技术，将图案转移至氢基硅氧烷( h y d r o g e n s i l s e s q u i o x a n e ，h s q ) 光胶上，通道宽度达到5n n l 以下。f i b 技术 2 3 之5 1 可以与其他 制作技术结合，如脉冲沉积、有机金属化学沉积等，从而得到任意形状的通道， 该方法快速省时，重现性也较好。w a n g 等【2 3 】利用该技术在氮化硅上得到4 0b i n 宽，6 0n n l 深，5 0 肛m 长的通道( 如图1 2 所示) 。 5 第章绪论 ：黼徽麓黜品篇。 蚓1 2f i b 技术加j 纳米通道1 2 3 i a 庄硅表面均埘低压化学气相沉积( 1 0 w p 删犯e h e m i c a lv a p o u r d 印o s l t l o n ) 的方法沉 积一层氮化砖膜，在其中的一例氮化硅膜上形成一层光胶，h j 光刻的方法制作出通道b 用 n h a f - h f - h 2 0 刻蚀液刻蚀氮化硅层，c n h f h f - h 2 0 到蚀液刻蚀砖层d 在另一侧氢化 礴膜上硐f i b 刻蚀出纳米通道通道深6 0 啪，宽4 0 呻，长5 0 m p b w 技术在高聚物材质的芯片卜应用较多【2 6 - 2 9 1 。s h a o 等利用p b w 技术在 p m m a j - $ 9 作2 0 0n m 宽、2p m 深的纳米通道。o b r i e nt 1 等用干涉光亥技术 ( i n t e r f e r o m e t r i cl i t h o g r a p h y ，i l ) 得到1 0 0n m 宽、5 0 0i 啪深的通道。这种方法不需 要掩模r 以冉硅基片上进行大面积的光刘。得 q 1 0 0n m 2m m 不同宽度的纳米 通道，c h e n 等川利用激光干涉光刻( l a s c ri n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ，l i l ) 的方法在 嘿鼍m n 第一章绪论 硅基片上制作纳米通道。 1 2 1 2 亥i j 蚀 为得到表面光滑的纳米通道，需要选择合适的刻蚀技术。刻蚀技术主要包 括湿法刻蚀1 1 7 , 3 2 - 3 5 】和干法刻蚀1 1 4 , 3 1 , 3 3 , 3 6 3 7 1 。后者又包括反应离子刻蚀 1 4 , 3 0 , 3 7 】、深 度反应离子刻蚀【3 1 1 、等离子体刻蚀【3 6 3 8 瑚】、聚焦离子束刻蚀【1 7 1 等。h u g l 3 2 】把湿法 刻蚀和深度反应离子刻蚀相结合，加工形成微米和纳米一体化芯片。张伟明等【4 u 利用荷能重离子径迹刻蚀的方法在k a p t o n 聚酰亚胺膜上刻蚀形成纳米通道，并用 于核酸分子检测以及蛋白质生物传感器。 y a n g 等【3 4 】把光化学和k o h 刻蚀的方法结合在p e t 基片上制作纳米( 亚微米) 芯片，如图l - 3 所示：首先在p e t 表面涂覆一层n ，n 二甲基酰胺( d m f ) ( 图1 3 a ) ， 在紫外光照射下，d m f 与p e t 的酯基发生氨化反应，使p e t 长链降解，然后用 丙酮除去降解形成的短链( 图1 3 b ) ，最后在5 0 。c 下用k o h ( 1w t ) 刻蚀形成通 道( 图1 3 c ) 。 蜥n l l l l l l l j l l l i i i p h o o m a 味口口口口 0 p e t 铋b 嗣 图1 3p e t 通道的制作【3 4 1 s t e pi 光化学刻蚀，光引发( 4 1 6 m i n ) + s o x h l e l 提取( 8 h ) s t e p2 加碱发生水解反应，进行化学刻蚀：3 5 h s t e p3 ( u l t r a s t e p ) 光引发( 4 1 6 m i n ) + 加碱水解，化学刻蚀( 3 5 h ) 7 1 o n e 第一章绪论 1213 封台 由r 纳米尺度r ，通道易变形塌陷或堵塞，封接成为纳流控芯片加i ，的关 键，也是技术难点，因而，也成为当前纳流控芯片基础研究的热点之 。根据 芯片所用材质不同，主要采用阳极键台m 。8 4 2 i 、高温键合叫i 、微波辅助键合【矧、 h f 作为粘合剂进行辅助封台【“1 以及用其他辅助手段进行封合m “。 幽14 目i 极键台装簧m 】 硅和硅、玻璃和玻璃以及玻璃和硅之间通常采用阳极键合的方法进行封台 1 3 6 , 3 s , 4 2 。如图14 所示，d a t t a 等i 在玻璃基片上通过化学气相沉积形成层a , - s i ， 然后与另一块盖片通过阳极键台形成5 0n m 深的玻璃芯片。m a o 等报道了利用 高温键台可咀制作得到深度为2 5n m 、深宽比为5 1 矿的玻璃基质纳米芯片。 n a k a n i s h i 等报道了利用h f 作为粘合荆在室温下封合二氧化硅芯h ，避免了高 温封合引起纳米通道的塌陷。c h e n 等”利用硅的氧化自封台，形成一系列问隔 均匀的纳通道，如图15 n 示。g u 等4 8 报道了利用聚倍半硅氧烷在室温下封合硅 或者氧化硅芯片，可咀得到深8r 肌，深宽比小于4 1 0 4 的通道。 哽 第章绪论 削15 砷的门氧化封台纳米通道川 a 在有砘i l 的1 1 0 品面的砘t ，沉积一层抗反射层，然后溅射1 8 0n m 厚的光脞培：b 川馓光干涉光刻( u f ) 的 浊( h e c d 激光) 成碰上光脞，川c h 3 f 等离子体和k o h 浒渡刻诎 ( 室温，4 0 w t ) ，形成缝隙一帛 品氧化辞，d i 丁凹槽或者n 起对硅的氧化速度有影响( 降 低轧化速度) 这样在氧化过帕p 彤成纳米通道。 2 2 牺牲层技术 牺牲层技术f s a c r i f i c i a ll a y e rt e c h n o l o g y ) 也可称作表面微机械加t 技术 ( s u r f a c em a c h i n i n gt e c h n o l o g y ) ，是种先形成闭合的芯片t 然后在芯片上形成通 道的加t 方法。加i 过程如图16 所示，首先住基片上沉积一层底物和牺牲层， 蛆过光刻或其他技术在牺牲膳l 口成一定的图案结构，然后在其表面再沉积覆 盖层作为盖片进行封台。展后除去牺牲层，得到纳流控芯片。e j j k e l 等4 “利用牺 牲层技术首先在硅基片 j _ i l 成一层聚酰业胺为底层；然后溅射沉积一层1 0 0l l m 厚的锚层作为牺牲层，采川光刻和枷、准锚剡蚀形成定的剧雍。再扫：铝卜面滁 覆策酰胺层：然后通过刻蚀除土钾得到i g on m 深的聚酰咂胺纳流控芯片。 罩必 第章绪论 牲层 ( b )( c )( d ) 幽i6 辆牲层技术加i 过科 a ) 基片上依次沉积底物平牺牲层；( b ) 光刻形成图案：( c ) 沉积覆盖层；( d ) 除去牺 作为牺牲层的物质有多晶硅【4 7 , 4 9 l ，二氧化硅【聃, 4 0 l ，聚合物包括热降解材料( 如 聚降冰片烯p n s ) 5 0 - 5 ”，金属1 4 04 6 “噜。l i 等i ”通过热降解除去作为牺牲层的 p n b ，形成1 0 0r u n 的硅。氧化硅的杂交芯片，见图l7 。被用来作为牺牲层的 金属除了铝“4 ”，还有铜、镍、铬等i ”, s 4 1 。 田 u d e c ) 1 1 ) w 4 4 1 jl 医i i 习 一 1 s t “【) l 3 】o z 一 一 g l i t s i s t r i eo t 、? a n dp n l 4 - _ _ _ _ - _ 一 ) o l p o s i tcrdr i i f to f f 幽i7 牺牲崖技术制作纳米i | 互道 ( a ) 砟基( b ) d t 辞基片上溅射壕p n b ( c ) 继 女h jp e c v d 的厅浊沉积层s i o ，； ( d ) 眦光脞( e ) 光划成刑：( f ) 存没有光脞的区域上沉积层侬，除上剩余光脞：( g ) 川 应心离r 刻蚀的a 洼划蚀s i o ，刊p n b ；( h ) 除去铬和s i o ，：( i ) 在p n bl p e c v d 0l 霹 一层s i o ：( hj 扯滞度为4 4 0 c 时脐解p n b 形成纳术芯p n b 的厚度就足蛀后 所得通道的深度。 p e n g 等1 4 0 l 件| 镍作为牺牛牛层形成纳米细线。z e n g 等例把铬和铜作为牺牲层依 次沉秘存玻璃或并6 e 旗片h 用光胶、一氧化碓或者p d m s 作为盖片，然后艘 入刻蚀液中州电流腐蚀的方法除去牺牲层，制作深度为几r 纳米的芯片，具体 操作过程见崮18 所小。t a s 等1 4 “墟过化学刻蚀作为牺料层的氧化肿彤成深5 0 n m ，宽4 0 0n m 的纳米通道。 一一一一一一一一一 第章绪论 一：旨i i 寻：= = n c h 洲t | 生 18 - i u 流脚蚀划蚀币意削 _ 。 i ii i i i 一。 - _ 。 剀i8 - 2 芯片制作过 ￥m 幽t8 - i 中监包代表需h 黄色为l 洞极层，褐色为极接，扶色为些片 a 开嫡圳蚀，bh l 饭微刻蚀c 阴极艘刻蚀 幽182 片制作过样 a j i i l u 子小光圳城者般光刻成型，b 沉积金属壕，c 川丙酮除上l ：【部竹，d 沉积 盖片，e 剁蚀 牺牲层坎术足先j = 寸然后除去牺牲层形成通道，因此呵蛆避免山于封合引 起通道塌陷的问题同时这利，方法可以制作结构复杂的、几寸要求比较严格的 占片。但是，这种力法比较繁琐而且耗时，牺牲层的刻蚀时m 通常k 选数小时 甚至数r 小时， 般小+ 制作k 通道的纳流控芯片。 123 模具加工法 模具加i ：注, ( m o l d m a c h i n i n g m e t h o d ) 的关键是制作加r 相心的模h ，然后用 此模扯基片i ， 形成纳术微结构。常 】的模具加工法包括纳米膻印技术 ( n a n o i m p r i n t t e c h n o l o g y , n i l ) 和弹性印章法( p o l y m e r i n k i n gp r o c e s s ) 。 第一章绪论 1 2 3 1 纳米压印技术 n i l 技术在高聚物芯片加工中应用较多f 1 4 5 5 埘j 。此法通常需要一个硬质材料 做成的模具，压在聚合物基片上，先加热到聚合物的软化温度以上，然后逐渐 降温，移开模具，在聚合物基片上就形成相应的通道，最后与另一盖片封合形 成芯片( 如图1 9 所示) 。a b g r a l l 等【5 5 j 利用该法制作p m m a 纳流控芯片，通道深 8 0n l n 、深宽比达到0 0 0 8 。 一斗l一已二! 刍一己! 呈5 ( b )( c ) ( d ) 图1 9 纳米压印技术制作高聚物纳流控芯片 ( a ) 将模具放在高聚物基片上；( b ) 加热、加压；( c ) 脱模；( d ) 封合，形成芯片。 此外，n i l 技术也可以与其他技术相结合，制作纳流控芯片。z h a o 等5 6 1 利 用交联反应以及基板表面处理技术和n i l 技术联用制作一系列从2 肛m 到2 5 0m 不同尺寸的微结构。j e o n g 等5 7 】将紫外辅助封合技术与n i l 技术结合，制作有纳 米通道或者纳米微柱的聚乙二醇( p e g ) 芯片。 同时，利用n i l 技术还可以得到有纳米通道的多层微结构【5 8 , 5 9 , 6 5 , 6 6 】。e l i a s o n 等【5 9 】连续两次使用n i l 技术，通过调整两次压印的角度和压印所用模具的尺寸、 形状，得到相互平行或者相互垂直的纳米通道。 1 2 3 2 弹性印章法 弹性印章法是一种软刻蚀技术。弹性印章是该技术的核心，p d m s 是制作弹 性印章的最佳聚合物。首先采用微加工技术制得有关微结构的母模，然后在其 上通过浇铸法即可得到表面复制有精细图案的p d m s 弹性印章。利用该弹性印 章再采用微接触印刷法( m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g ) 也称蘸笔法( d i p p e nm e t h o d ) 1 6 7 1 或 1 3 第一章绪论 毛细管内微浇铸法( m i c r o m o l d i n gi nc a p i l l a r y ) 等加工纳米结构。其中微接触印刷 法的基本过程如图1 1 0 所示：首先在印章表面涂上适当的聚合物“墨水 ，然后 将此印章与另一基片接触，在一定温度和压力下，利用聚合物与模具、基片之 间结合能的不同，选择性地将印章中突出部位的聚合物薄层转移到基片上，形 成纳米通道或纳米微结构。 图溪蔑酐s 唧 一一一n p 0 1 y r n e r i n k 二二) 毗赢_ ( a ) ( b ) 图1 1 0 微接触印刷法制作纳米通道 一亡了 ( c ) ( a ) 在印章表面蘸上聚合物“墨水”；( b ) 蘸有聚合物“墨水”的印章与基片接触；( c ) 移开模 具，在基片上形成纳米结构。 z a u m s e i l 等【6 7 】利用这种方法将金膜转移到硫醇上，制作具有二维及三维( 多 层) 结构的纳米通道构型。首先制作p d m s 印章，在印章上利用电子束蒸发的方 法沉积金层；把g a a s 基片上清洗干净，除去氧化层，在辛硫醇溶液中浸泡1 2 h 形成硫醇的单分子层；利用纳米转移技术将有金层的p d m s 压印在有硫醇的基 片上，由于硫醇和金形成的共价键作用比金层与p d m s 之间的范德华作用力强， 金层就留在硫醇单分子层上，并且形成一定的结构；用电感耦合等离子体刻蚀， 形成二维纳米通道，如图1 1 1 a 所示。三维结构的制作是两次利用纳米转移技术， 将金层转移到基片上，形成多层的纳米结构，如图1 1 1 b 所示。 1 4 第章绪沧 a )b ) g l a s sb a c k - “q 7 翻登- 。o c t a n 孑e l 黑端i ；。 凹】1 1 纳米芯片的制什i ”i h1 1 1a 维纳米芯片的制作步骤：制作p d m s 印草：沉# 金屡；纳米转移技术将金 培组裟矗：有硫醇的旗片上：电感耦台等离子体刻蚀。 幽ll ib 一维纳米结杜j 的制作步骤制作p d m s 印章；优秘会层：纳米转移技术将金 拥姨杠f i 硫时的丝片i ：第一敞麻卅乐臼j 技术将金层转移形成- 维纳米结构。 利川模其加_ 技术制作芯片不需要在超净川进行，用模具直接压印制作通 道，方便、羟济，适合j 批量生产。但是这种打法所需要的模具制作成本比较 高、难度大。 2 4 化学机械抛光技术 l e e 等”i 提种小需要光刻直接采川化学一机械抛光 熹嵩 ，苫一，一 ：盅 第一章绪论 ( c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 以及热氧化的方法在硅基片上制作纳米通 道。具体过程如图1 1 2 所示：首先在硅基片上依次沉积一层氮化硅和无定形硅； 用反应离子刻蚀的方法刻蚀无定形硅形成一定构型的通道，然后高温下用干氧 氧化的方法形成一层约5 0h i l l 厚的二氧化硅，该二氧化硅的厚度决定了通道的 宽度；再沉积一层无定形硅，利用化学以及机械抛光直至二氧化硅露出；然后 刻蚀除去s i 0 2 形成纳米通道，最后利用氧化硅形成二氧化硅层或者直接沉积金 层进行封合形成纳流控芯片。这种方法不需要光刻，比较经济，但是制作步骤 较多，繁琐耗时。 绷：f a rt h cw k 翻 hi nn a n o c h a n n 亡l 一、，7 一一、， “ - s i 1r 1r 一 l c f ，r 一一一。w n f h 1 几广一 l 图1 1 2 硅基质纳米芯片制作过程旧 ( a ) 硅基片上沉积一层氮化硅和无定形硅；( b ) 反应离子刻蚀无定形硅，后干氧氧化形成 纳米级的s i 0 2 层：( c ) 再沉积一层无定形硅；( d ) 化学机械抛光直到s i o z 露出；( e ) 刻蚀 除去s i 0 2 层：( f ) h a u 或者s i 0 2 进行封合。 1 2 5 机械拉伸技术 1 6 第章绪论 s i v a n e s a n 等m 恨道了种利用热机械拉伸的方法制作p c 纳米通道芯片， 这种方法与可视光纤拉仲技术有相通之处。苛先制作出一块微米通道芯片，将 芯片放在镍一铬辐射加热器之刚加热，然历进行机械拉伸形成纳米通道r 图5 所 示) 。h u h 等m 道了通过扣仲已经氧化的p d m s 形成纳米通道的方法。 幽l1 3 机械拉伸法制作纳流控芯片示意圈5 7 2 1 ( a ) 机械拉伸装置示意幽：m ) 机械拉伸法制得的p c 纳米通道芯片 126 其他加工技术 k e 等【州利用光学击穿的方法，快速形成玻璃纳米通道。如图6 示：将基 片浸入水中用纳米级_ 二维工作台通过光学聚焦观察基片通过一个高数值孔 径的油浸物镜使飞秒脉冲聚焦在目标基片上，利用光学击穿的方法加工纳米通 道。 第一章绪沦 恻11 4 激光纳机槭加i 系统【7 4 i 用电化学方法也町以制作纳米阵列或者纳米通道0 7 5 , 7 6 。其中，l e e 等m 1 报道 了在距离很近的微米通道中酬通过电致坍塌的方法形成纳米通道，用以富集 蛋白。k o 等m 报道了利用光胶沉积、刻蚀等多种方法结合，在硅上形成太面积 高质量的、结构一致的单晶硅微纳米带。r o b i n s o n 等【7 8 1 在硅基片上形成余膜做 催化齐将硅转化为二氧化硅，然后选挥性刻蚀形成纳米柱或者纳米通道。 除了上述一些制作纳米芯片的方法以外，牛物技术也可以用以制作纳米芯 片1 7 9 , 8 0 l 。i o n e s o u 等报道了通过在纳米滴管表面滁覆蚩白酶在扫描探针显微 镜的控制下，在蛋白质表面进行刻蚀形成宽3 4 0n m ，深6 6 0r u m 的通道： k o e n d e n n k f 幻嚏出了利用细胞基质纳米粒了阵列的可编程的纳米光刻技术制作 纳米通道，这种技术可以通过控制波长、入射角来控制用掩模曝光时的图形。 这两种方法在生物技术方面有实用性。 3 纳流控芯片的性能研究及应