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纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复口大学硕士学位论文 摘要 微流控技术是在微米级的通道结构中操控纳升至皮升体积流体的技术，是近十年 来迅速崛起的一个崭新的领域。不同于宏观体系，流体在微流控芯片的微米级通道中， 由于尺度的效应会导致许多新的现象，在生物检测和分析化学等领域有着重要的意 义。 随着微流控芯片在生物、化学等领域的迅速发展和纳米加工工艺的进步，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是以纳流控芯片的制造为基 础，随着纳流控芯片通道尺寸的不断降低，对其制作技术提出了更高的要求，需要更 先进的加工工艺来制造出更小尺寸的纳沟道，并需要研究新的工艺解决沟道在键合过 程中的塌陷等问题。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 的性质如粘度的增加、电渗流降低等，这些特殊的性质对其在生化方面的应用将起到 重要作用。 微纳米结构的制作需要先进的图形转移技术光刻技术。传统光刻在制作纳米 级图形时面临日益严重的挑战，在目前出现的多种先进的光刻技术如x 射线光刻、 电子束光刻等技术则代价昂贵，难以实现产业化，而纳米压印光刻技术作为下一代光 刻技术中的热门研究方法之一，由于其特有的优点，很好的解决了这一矛盾。目前， 纳米压印在存储器、微纳沟道和微纳光学等方面都取得了广泛的应用。 在本文中，我们将纳米压印技术应用于制造聚合物的纳流体沟道，通过优化键合 的工艺参数，成功地制造出s u 一8 紫外固化胶的纳沟道，最小尺寸达到l o o n m 量级且 沟道的外形轮廓良好。此外我们还结合纳米压印技术与牺牲层法，成功地用锆钛酸铅 ( p b ( z r ，t i h ) m ，简称p z t ) 铁电材料制造出纳沟道，最小尺寸达到5 0 n m 。我们还将 纳米压印的s u 一8 胶相位光栅集成到s u - 8 胶的微流通道底部，成功地制造出可以检测 液体折射率的微流控器件，最终的测量结果与相位光栅的理论模拟吻合。我们还研究 了目前微流控芯片制备中使用最广泛的聚合物材料：聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 的制作、 表面改性及其键合方法，研究了微流体的层流现象并制造出了微混合器应用于液体的 快速混合中。 关键词：纳米压印，s u 一8 ，p z t ，p d m s ，相位光栅，微纳流体 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复日大学硕十学位论文 a b s t r a c t m i c r o f l u i d i ci st h et e c h n o l o g yt h a to p e r a t e so rm a n i p u l a t e ss m a l la m o u n t so ff l u i d s ( n a n o l i t r et op l i t r e ) w i t hc h a n n e l si nt h ed i m e n s i o no ft e n st oh u n d r e d so fm i c r o m e t e r s u n l i k em a c r o s c o p i cs y s t e m s ，f l u i d si nt h em i c r o f l u i d i cc h i ph a v em a n yn e wp h e n o m e n a d u et ot h ee f f e c t so fs c a l e ，w h i c hi se x p e c t e dt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fb i o s e n s i n g a n da n a l y t i c a lc h e m i s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e m to fm i c r o f l u i d i cc h i pi nt h ea r e ao f b i o l o g i c a la n dc h e m i c a la n d t h e p r o g r e s so fn a n o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，n a n o f l u i d i cc h i ph a sd r a w ni n c r e a s i n g a t t e n t i o n b o t ht h eb 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 ci sb a s e do nt h ef a b r i c a t i o no f n a n o f l u i d i cc h i p a st h ec h a n n e l sg od o w nt on a n o m e t e rs c a l e ，t h e r ea r em o r er e q u i r e m e n t s f o rm o r ea d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nn a n o m e t e rs c a l e ，u n i q u ep r o p e r t i e so ff l u i d s e m e r g e ，f o re x a m p l e ，i n c r e a s e dv i s c o s i t y 、r e d u c e de l e c t r o o s m o t i cf l o w , t h e s es p e c i a l p r o p e r t i e sw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o rb i o l o g i c a la n dc h e m i c a la p p l i c a t i o n m i c r o n a n of a b r i c a t i o nc a n n o tb ea c h i e v e dw i t h o u ta d v a n c e dl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a ll i t h o g r a p h yw i l lm e e tg r e a tc h a l l e n g e sw h e np a t t e r n i n gn a n o s c a l es t r u c t u r e s ， m e a n w h i l e ，s o m ea d v a n c e dl i t h o g r a p h yt e c h n i q u es u c ha sxr a yl i t h o g r a p h y ，e l e c t r o nb e a m l i t h o g r a p h y ，e t c i st o oe x p e n s i v ea n dn o ts u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o n a so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gt e c h n i q u e st h a th a v eb e e ni n t e n s i v e l ys t u d i e d ，n a n o i m p r i n th a sb e e na p p l i e di n c i r c u i ti n t e g r a t i o n ，m e m o r y ，m i c o n a n oc h a n n e l ，a n dm i c r o n a n oo p t i ca r e a i nt h i sa r t i c l e ，w eu s e dn a n o i m p r i n tt e c h n o l o g yt of a b r i c a t ep o l y m e rn a n o f l u i d i c s ，b y o p t i m i z i n gt h eb o n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e ds u - 8n a n o c h a n n e l s i nt h ed i m e n s i o no f10 0 n mw i t hg o o dc h a n n e lp r o f i l e i na d d i t i o n ，w ea l s oc o m b i n e dt h e n a n o i m p r i n tt e c h n o l o g yw i t hs a c r i f i c i a ll a y e rm e t h o da n ds u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dp z t ( p b ( z r x ，t i l x ) 0 3 ) n a n o c h a n n e l s ，t h em i n i m u ms i z ew eh a v ea c h i e v e di so n l y5 0 n m w ea l s o i n t e g r a t e ds u - 8p h a s eg r a t i n g si n t ot h eb o t t o mo fs u - 8m i c r o c h a n n e la n ds u c c e s s f u l l y c r e a t e dm i c r o f l u i d i cd e v i c ew h i c hc a nd e t e c tt h er e f r a c t i v ei n d e xo ff l u i d si nt h ec h a n n e l ， t h em e a s u r e dr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n w ea l s os t u d i e dt h e p r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fp d m s ，s u r f a c em o d i f i c a t i o na n db o n d i n gm e t h o d ，t h e p h e n o m e n o no fl a m i n a rf l o wi sa l s os t u d i e da n dam i c r o f l u i d i cm i x e rh a sb e e nc r e a t e da n d u s e di nt h er a p i dm i x i n go f l i q u i d s k e yw o r d s ：n a n o i m p r i n t ，s u - 8 ，p z t ，p d m s ，p h a s eg r a t i n g ，m i c r o - n a n o f l u i d i c 2 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复口大学硕+ 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 于1 9 9 2 年问世，由m a n z 和w i d m e r 首次提出微 全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，u t a s ) 的概念 1 ，微流控芯片 作为一个跨学科的新领域，迅速发展成为微全分析系统的主流技术，并被预言将引导 化学分析领域和生物医学领域的下一次革命。常规的微流控芯片主要由一片基片和一 片盖片经过键合而成，通过在芯片上加工微通道、微泵、微阀、微储液器、微电极、 微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，实现样品的进样、反应、分离和检测等过 程，是一种快速、高效、试样用量少的微型实验装置，已应用于生化分析如d n a 测序、 基因分析、蛋白质分析及药物学领域的新药发现、组合化学等。 近年来，随着微流控芯片的迅猛发展和纳米加工工艺的进步，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级 进入纳米级，会产生新的流体现象，如通道内影响流体运动的各种力，吸引人们展开 有关通道性能、流体输运等理论研究 2 - 4 ：其次，纳流控通道的尺寸与生物大分子如 d n a 、蛋白质处于同一量级，可将纳流控芯片用于生物大分子的单分子检测、控制和 分离等，制造新的纳流体器件 5 - 7 ：此外，纳流控分析相比较微流控来说，试剂消耗 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与应用的基础。与微流控芯片相比，纳流对 加工技术提出了更高的要求，目前，纳流控芯片技术的研究在国际上还处于发展初期， 作为该项技术的基础纳流控芯片加工技术，正受到越来越多专家科研人员的高度 重视，而纳米沟道的制作是纳流控芯片加工的关键技术和难点。纳米沟道结构的加工 技术通常使用自上而下技术( t o p d o w n ) ，利用微纳加工技术，加工形成纳米结构或纳 米通道，按照加工技术的不同，可以分为光刻法，牺牲层技术、压印技术等。本节着 重介绍近年来出现的纳流控芯片微纳加工技术，并对微纳流控芯片的应用进展做了简 单的概述。 1 2 纳流控芯片加工工艺 下面我们将介绍微流控芯片的加工工艺，主要从材料，键合方法和加工技术三个 方面来介绍。 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用 复口大学硕+ 学位论文 1 2 1 制作纳流体芯片的主要材料 纳流控芯片是由微流控发展而来，因此材料基本相似，大体包括两大类：一类为 硅及其化合物，石英和玻璃，另一类为高分子聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ， 聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ，聚对苯二甲酸7 , - - 醇酯( p e t ) ，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 ) 及光敏聚合物( s u 一8 ) 等。 1 2 1 1 硅材料 硅是微流控加工最先尝试使用的材料之一，主要是因为硅材料是微电子行业的基 础材料，其加工工艺比较成熟。在硅片上可使用光刻技术高精度的制作二维图形，并 可使用制备集成电路的成熟工艺进行加工及批量生产，甚至在硅片上制作出复杂的三 维结构。 硅半导体材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不好，而且要求超净 环境下加工，对于一些包含生物试剂的反应的化学和生物兼容性差，这些缺点限制了 它在纳流控芯片中的广泛应用，不利于进行实验观察和生物实验。然而，由于硅材料 表面平整，有成熟的加工工艺，可用于加工微泵、微阀等液流驱动和控制元器件。此 外，在用纳米压印法、模具浇铸法制作高分子聚合物芯片时常用它制作相应的模具或 衬底。 1 2 1 2 石英和玻璃 石英与玻璃都是绝缘体且透光性能好，因此弥补了硅作为微流控材料的一些缺陷。 石英与玻璃有良好的电渗性质，且表面性质良好，有利于使用化学方法对其表面进行 改性。石英与玻璃的加工工艺也比较成熟，使用光刻和刻蚀技术可以在表面作出精细 的微纳结构，因此他们也广泛的应用在微流控芯片的制造上，但是他们的缺陷是材料 的不定形性使得垂直方向上刻蚀难度较大，不适合快速大批量的生产。 1 2 1 3 聚合物材料 常用的聚合物材料有p m m a 、p d m s 、p e t 及s u 一8 ，其中根据他们自身性质的不同可 以分为两类，一类为p m m a 、p d m s 、p e t 这样的具有热塑性的高聚物材料，一般采用热 压印法或者注塑法来加工沟道，另一类为s u - 8 这样的光敏材料，可以使用紫外曝光 或纳米压印技术来加工成型。 聚合物与早期的微流控芯片使用的材料硅和玻璃相比具有很多优点：品种多、价 格低、制作工艺简单、批量生产成本低、可制成一次性芯片等，已得到广泛的应用。 4 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用 复口大学硕+ 学位论文 1 2 1 制作纳流体芯片的主要材料 纳流控芯片是由微流控发展而来，因此材料基本相似，大体包括两大类：一类为 硅及其化合物，石英和玻璃，另一类为高分子聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ， 聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ，聚对苯二甲酸7 , - - 醇酯( p e t ) ，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 ) 及光敏聚合物( s u 一8 ) 等。 1 2 1 1 硅材料 硅是微流控加工最先尝试使用的材料之一，主要是因为硅材料是微电子行业的基 础材料，其加工工艺比较成熟。在硅片上可使用光刻技术高精度的制作二维图形，并 可使用制备集成电路的成熟工艺进行加工及批量生产，甚至在硅片上制作出复杂的三 维结构。 硅半导体材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不好，而且要求超净 环境下加工，对于一些包含生物试剂的反应的化学和生物兼容性差，这些缺点限制了 它在纳流控芯片中的广泛应用，不利于进行实验观察和生物实验。然而，由于硅材料 表面平整，有成熟的加工工艺，可用于加工微泵、微阀等液流驱动和控制元器件。此 外，在用纳米压印法、模具浇铸法制作高分子聚合物芯片时常用它制作相应的模具或 衬底。 1 2 1 2 石英和玻璃 石英与玻璃都是绝缘体且透光性能好，因此弥补了硅作为微流控材料的一些缺陷。 石英与玻璃有良好的电渗性质，且表面性质良好，有利于使用化学方法对其表面进行 改性。石英与玻璃的加工工艺也比较成熟，使用光刻和刻蚀技术可以在表面作出精细 的微纳结构，因此他们也广泛的应用在微流控芯片的制造上，但是他们的缺陷是材料 的不定形性使得垂直方向上刻蚀难度较大，不适合快速大批量的生产。 1 2 1 3 聚合物材料 常用的聚合物材料有p m m a 、p d m s 、p e t 及s u 一8 ，其中根据他们自身性质的不同可 以分为两类，一类为p m m a 、p d m s 、p e t 这样的具有热塑性的高聚物材料，一般采用热 压印法或者注塑法来加工沟道，另一类为s u - 8 这样的光敏材料，可以使用紫外曝光 或纳米压印技术来加工成型。 聚合物与早期的微流控芯片使用的材料硅和玻璃相比具有很多优点：品种多、价 格低、制作工艺简单、批量生产成本低、可制成一次性芯片等，已得到广泛的应用。 4 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复日大学硕士学位论文 聚合物除了价格低制作工艺简单外，他们本身的性质也适合用来制作微流控芯片，比 如良好的透光性和介电性，对流体分析物有一定的抗腐蚀性，易于表面修饰和改性。 聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 俗称硅橡胶，有独特的弹性，良好的透光性，介电性， 化学惰性，易加工成型，并且可以根据具体要求分别实现可逆和永久性键合，因此广 泛应用于微纳流控芯片的制造中。 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 是一种硬质聚合物，以它为材料的芯片主要使用热压 法来制作，另外也可使用激光灼烧、反应离子刻蚀、溶剂腐蚀法、喷射模塑法等来制 备。 s u - 8 胶是一种化学放大负胶，因其分子式中有8 个环氧环而得名。在紫外曝光( 波 长3 5 0 n m , - 一4 0 0 n m ) 中会产生一种l e w i s 酸，使得环氧圈打开并重新键合，而在发生 铰链反应( c r o s s l i n kr e a c t i o n ) 的同时，又将产生更多的l e w i s 酸，如此循环放大， 直至整个s u - 8 胶固化。它有良好的光敏性，对紫外光吸收少，旋涂厚度可达2 5 0 u m 。 在微流控的应用中，s u - 8 胶通常用来做为p d m s 复制的母板图形或者用光刻法直接制 作s u - 8 微流控芯片。此外s u - 8 胶还广泛应用于纳米压印中，可以利用压印技术来制 备纳流体。 图1 1 显示了各种的材料对于不同波段光的透射率。从中可以看出石英的光学性 质最好，p m m a 则较差。 1 2 2 键合 图1 1 不同材料基片对于不同波段光的透射率 对于玻璃和硅来说，通常的键合方法有高温键合 8 、阳极键合 9 - 1 1 、微波辅助 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕士学位论文 键合 1 2 等。图1 2 为阳极键合装置的示意图，电压通常在6 0 0 至1 0 0 0 v 。由于沟道 的深度在纳米量级，因此在封合时可能造成通道的变形或塌陷，从而导致纳流控芯片 制作的失败，因此键合成为加工工艺的关键步骤，并且也是技术难点与研究的热点之 图1 2 阳极键合装置 而对于聚合物材料，通常的键合方法有热键合和紫外固化键合等。 1 2 3 纳沟道加工技术 o n 根据不同的材料，我们在制作微纳流控芯片是就有不同的加工工艺。目前常用的 加工方法有传统光刻法、干涉光刻法，牺牲层法、纳米压印法等。 1 2 3 1 传统光刻法 传统光刻法主要应用于硅及其化合物、石英、玻璃等材料的纳流控芯片中。首先 在基片上匀上一定厚度的光刻胶，然后进行紫外曝光，再接着用湿法腐蚀或干法刻蚀 形成通道，最后用另一块盖片与其键合形成芯片，如图1 3 所示。 ( a ) p h o t o i i t h o g r a p h y r e s i s t _ 囊圜圈_ i s u b s t r a t e l ( c ) s u r f a c ec l e a n i n g ( b ) e t c h i n g _ 一 卜 s u b s t r a t e ， ，：l c o v e ri a v e r 1 ”习 i s u b s 仃a t e ，l 图1 3 传统光刻加工纳流体芯片 6 i d i c 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其麻h ；j复日大学硕士学位论文 传统的光刻受到本身技术的限制，掩模版的沟道宽度不能小于波长，否则光刻出 的图形会模糊，而通常紫外曝光使用的波段在2 5 4 n m 、3 2 5 n m 或3 6 5 n m 上，因此一般 实验室中光刻出的沟道宽度通常在微米量级。通过这种方法加工得到的纳流控芯片都 是一维纳米通道。 为了得到合适深度的纳米通道，需要选择合适的刻蚀方法。通常使用的方法主要 包括湿法腐蚀和干法刻蚀。湿法腐蚀的是各向同性的，因此会有横向的腐蚀，得到的 沟道的侧壁不是垂直的，而干法刻蚀如我们实验室常用的反应离子刻蚀则可以得到垂 直的侧壁。对于玻璃或石英通常使用h f 缓冲溶液来进行腐蚀，对于硅则通常使用一 些碱性溶液如t m a h 或k o h 溶液。图1 4 为使用湿法腐蚀玻璃得到的横截面图。 图1 4 湿法腐蚀得到的玻璃横截面 随着加工技术的进步，很多新的光刻技术被应用于纳流控芯片的制作中。如x 射 线光刻、远紫外光刻、干涉光刻法、电子束光刻( e l e c t r o n b e a ml i t h o g r a p h y ，e b l ) 1 3 - 1 6 、聚焦离子束光刻( f o c u s e d i o nb e a m ，f i b ) 1 7 1 9 、质子束刻写( p r o t o n b e a mw r i t i n g ) 2 0 - 2 3 等技术都被应用到纳流控芯片制作中，使得加工出纳沟道宽 度能够减小到l o n m 以下。 1 2 3 2 激光干涉光刻法 激光干涉法是利用激光白干涉形成明暗条纹来对光刻胶进行曝光，得到的线条宽 度可达到激光波长的一半，它比普通的紫外光刻可以得到更小的线宽。如图1 5 所示， 使用激光干涉光刻与硅的自氧化方法得到纳沟道。具体工艺是先在基片表面旋涂一层 抗反射层和光刻胶，然后用激光干涉光刻法在光刻胶上形成光栅图案，再用等离子体 刻蚀和k o h 溶液腐蚀形成缝隙，然后在高温下自氧化，由于各部分的氧化速率不一样， 所以在氧化过程当中就能够形成纳米通道，可得到2 5 n m 左右的尺寸 2 4 。 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕+ 学位论文 l l i l a n de t c h i n g lo x i d a t i o n 1 2 3 3 牺牲层技术 ! 图1 5 干涉光刻与硅氧化形成纳米沟道 牺牲层技术( s a c r i f i c i a ll a y e rt e c h n o l o g y ) 是一种先形成闭合的通道，然后再 将闭合通道的物质去除的加工方法。加工步骤如下：首先在基片上沉积一层底物和牺 牲层，利用光刻或其他技术在牺牲层上形成图案，然后在其表面再沉积一层材料作为 盖层进行封合，最后除去牺牲层则可以得到纳流控芯片。 通常作为牺牲层的物质有无机材料如多晶硅、二氧化硅等 2 5 - 2 7 ，金属如铝、镍、 铬等 2 8 ，2 9 ，聚合物如聚降冰片烯( p n b ) 等 3 0 - 3 2 。 嘲田 s p 椭c tp n b ? d e c o m p o 辅 4 4 0 c 田 p e c v d s l 0 2 ：p e c v ds 1 0 2 l - s o r nr e s i s ts t r i p ( = r 删s l i o z 誓 一 一一 i n k o n n t 嘲s tr 匿o f 如2 删p n b i - _ i l 图1 6 牺牲层技术制作纳米通道。 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应h j 复旦大学硕士学位论文 图1 6 中使用了p n b 作为牺牲层的材料通过热降解去除，形成了1 0 0 n m 宽的硅一 氧化硅的杂交芯片 3 3 。工艺流程：在硅基片上涂一层p n b 材料，使用p e c v d 在上面 再淀积一层二氧化硅，再旋涂上一层光刻胶，使用光刻工艺来形成图案，其中( a ) 与 ( b ) 使用的纳米压印技术，( c ) 使用的紫外光刻技术来得到图形，在无光刻胶的地方淀 积一层铬，去除残余光刻胶，再用等离子体刻蚀的方法去除二氧化硅和p n b ，再湿法 腐蚀去除铬和二氧化硅，然后在剩余的p n b 上再用p e c v d 淀积一层二氧化硅，最后在 4 4 0 下热降解p n b ，形成纳米通道，p n b 的厚度就是最后能够得到纳米通道的高度， 因此可以通过控制p n b 的厚度来得到想要的纳沟道高度。 因为牺牲层技术是先封合然后除去牺牲层以形成通道，因此可以避免由于封合引 起通道塌陷的问题，这种方法可以制作结构复杂的、尺寸要求精度比较高的芯片。但 是这种方法步骤多，耗时长，牺牲层的刻蚀时间通常需要较长的时间，所以一般不宜 制作过长的通道。 1 2 3 4 斜淀积法 斜淀积法与牺牲层法有着同样的优点，都可以避免封和通道塌陷的问题。如图1 7 所示，这种方法就是在淀积时基片与淀积方向成一定的角度，在淀积过程中由于侧壁 的阻挡，从大角度入射的材料就不能淀积到底部，导致凹槽不同部位淀积速率的不同， 在底部淀积速率较低，凹槽的侧壁上部淀积速率较大，这种工艺最终得到纳沟道宽度 会比凹槽的更窄。工艺流程：首先使用光刻方法在硅或二氧化硅上刻蚀出纳米光栅的 结构，再斜淀积二氧化硅来进行封合，使用这种方法最终可以得到l o n m 左右的沟道。 s p u t l e r l n gt a r g e t 图1 7 斜淀积法制作纳沟道 9 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕士学位论文 1 2 3 5 纳米压印法 纳米压印( n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ，n i l ) 技术主要应用在聚合物纳流控芯片 的加工中，同时它作为一种光刻技术，也可以进一步在衬底上刻蚀出沟道来制作出硅 或二氧化硅的纳沟道。这种方法通常需要一个硬质材料做成的模版，如硅模版或石英 模版，在聚合物上压印出沟道，然后将模版和基片分离，这样就在基片的聚合物上形 成了相应的通道，最后再与另一个盖片键合就可以得到纳流控芯片，如图1 8 所示。 ( a ) m o l d 一 s u b s t r a t e ( c ) 匕兰= 兰 ( b ) c o v e r l a y e r 图1 8 纳米压印制作聚合物纳流控芯片 纳米压印模具的制造通常使用电子束光刻法来制作，但是也可以用一些特殊 的方法来得到，如图1 9 所示，利用淀积的侧壁来形成纳米结构 3 4 。 ，0 图1 9 纳米压印模版的制造工艺 不使用纳米光刻技术来制造单根纳米结构压印模版的具体工艺如下：在s o i 片子 上热氧化一层二氧化硅，在片子上光刻出大面积的矩形形状，分别刻蚀掉二氧化硅和 1 0 簸 纳米乐印技术制作微纳流体芯片及其应用 复旦大学硕十学位论文 硅层，形成一个陡直的硅台阶结构，然后l p c v d 一层氮化硅，用等离子体刻蚀掉表面 的氮化硅层，去除硅则可得到突出的氮化硅纳米线结构，就是最终所要的纳米压印模 版。图1 9 ( h ) 和( i ) 分别为压印模版的g e m 图片和压印结构的s e m 图片。 纳米压印技术分为热压印( h o te m b o s s i n g ) 、紫外固化压印( u v n i l ) ( 包括步进 一闪光压印( s - f i l ) ) 3 5 3 7 、微接触印刷( u c p ) 3 8 、反压印( r - n i l ) 3 9 ，4 0 、 光刻结合压印( c n p ) 和激光辅助压印( l a d i ) 等。 热压印是最早开发出的压印技术，在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低 而速度快的方法。通常的工艺步骤如下：聚合物被加热到它的玻璃化温度以上，其中 大分子链段运动充分开展，使其相应处于高弹态，在一定压力下，就能迅速发生形变。 接着聚合物被图案化的模具所压，施加一定的压力。在模具和聚合物间加大的压力可 以填充模具中的空腔。模压过程结束后，整个叠层结构被冷却到聚合物玻璃化温度以 下，以使图案固化，提供足够大的机械强度，最后进行脱模。如图1 1 0 所示，其中 ( a ) 为通常的热压印，( b ) 在减小p m m a 的厚度之后，让聚合物不能完全填充进沟道中， 形成纳米沟道，( c ) 和( d ) 为得到纳米沟道的s e m 图 4 1 。 图1 1 0 热压印制造纳米沟道 紫外固化压印( u v - c u r a b l en a n o i m p r i n tl i t h o g r a h p y ) 是目前综合优势最好的 压印技术，它具有加工精度高、生产效率高、对准性好的优点。它的基本压印步骤和 热压印是一致的，只是这里需要使用对于紫外线敏感的压印光刻胶，因此在压印过程 中需要对光刻胶进行曝光以使其发生铰链反应并固化，之后再进行脱模。这就要求压 印的模板或衬底中至少有一种是透明的，这样才能进行曝光压印。 微接触工艺( m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g ) 是哈佛大学w h i t e s i d e sg v l 等人提出 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕十学位论文 的，其基本思想是用一块弹性模板和分子自组装技术，在基地表面形成自组装单分子 层纳米图形结构。这是一种高质量，低成本的微结构制作方法，可以制作大面积的简 单图案，适用于微米至纳米级图形制作。 反压印( r e v e r s en a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 技术源于b o r z e n k o 等人丌发的聚 合物连接技术，不同于其他压印工艺，反压印时是先将压印光刻胶涂于模板上，这样 使得光刻胶在压印前就能够完全填充模板上的凹槽。在一定的温度和压力下，将涂有 光刻胶的模板压到衬底上，脱模时光刻胶会黏附在衬底而自动从模板脱落。可见要实 现这一过程，模板表面的亲和能一定要比衬底表面亲和能低，光刻胶才不至于黏附在 模板上。这种工艺也适合在无法旋涂光刻胶的软性衬底或者是已经有图形的衬底上进 行，可以利用此技术制造出具有三维结构的纳米图形，对于微纳流道的制备具有重要 意义。如图1 1 1 所示，利用反压印技术制造出多层结构的s u - 8 纳沟道 4 2 。 1 2 3 6 激光灼烧法 _ 詈警 i 瓢 c o a ts u - g o n 舢n n k iq u ar t z 沁暾忙_ 沁8 u - 8 血 0 s u 。删二 勋v m lt m i 州n t 8 e d m dc o , 址i n g w i t hw c t 玎州$ 1 1 - 8 油删q r l z s e c o n di 州弦j nl i n d w c u r e d _ s ； 图1 1 l 纳米反压印技术制造s u - 8 纳沟道 在硅纳米结构上用激光灼烧使得表层的硅融化，熔融的硅向两侧流动结合冷却后 可以得到封合的沟道，再结合硅自氧化技术可以进一步减小沟道的尺寸，如图1 1 2 所示 4 3 。从图( h ) 至( j ) 可以明显地看出沟道随着热氧化时间的延长显著缩小。 1 2 船斟 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复日大学硕+ 学位论文 i 二二二二- 二二一二_ l 雹 怿。，娥| | = 墅 图1 1 2 激光灼烧技术制造纳沟道 1 3 微纳流控芯片的应用 微流控芯片分析系统己广泛应用于生物和化学中试样的快速、高通量、低消耗分 析。将已有的微纳流控芯片技术与现有的光学检测，电学检测等技术结合是现在的热 点之一 4 4 4 7 ，特别是流体与光学的结合现已形成一个崭新的领域：光流体 ( o p t o f l u i d i c ) ，流体本身可变的性质可以用来调节光系统，而光学系统对于微纳流 体器件的检测与集成也有很大的意义。 卜 2 1 1 芦m 图i 1 3d n a 在纳沟道中被拉直 _ _ _ _ 一单 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕十学位论文 当通道尺寸由微米减少至纳米尺度时，不仅试样消耗量进一步下降，当其尺度与 生物大分子如蛋白质相当时，分析性能也将产生显著的变化。近年来已有不少文献报 道了在纳流控芯片中开展生物分子如d n a 的检测、传输、操控、分离和筛选等 4 8 5 0 。 例如图1 1 3 中，纳沟道的尺寸跟d n a 的直径大小在一个数量级，因此d n a 进入纳沟 道中会被拉直，可以用于d n a 的分析检测中。 下面将介绍一些微纳流控芯片的具体应用。 1 3 1 纳米通道染料混合 如图1 1 4 所示，( a ) 为通道构型以及压力调节器体系图示，通道为y 型，在木端 加上压力调节器，( b ) 用于混合的y 型纳米通道体系，在y 型通道中分别加入1 0 x 1 0 叫m o l l 的荧光素溶液( p h = i o ) 和1 0 x1 0 叫m o l l 罗丹明b 溶液( p h = 7 ) 。右边为在荧 光显微镜下荧光素和罗丹明b 的混合情况 5 1 。由于在纳米通道中，体积流速比较小 会导致流动过程中压力损耗比较大，因此需要在通道术端加上可以调控压力的装置。 ( a )b a c k p r e s s u r e r e g u l a t o r f l u o r e s c e i n10 m p h1 0 。1 7m p a ( b ) r h o d a m i n eb 1 0 - m 。 p h7 0 。1 7 m p a 图1 1 4 纳米通道的染料混合 1 3 2 分布反馈染料激光器 在微流体通道中加入周期性的结构，周期为入，这个周期的结构就会对通道中的 波长为2 n 入m 的光进行反射，其中r l 为液体的折射率，m 为自然数。该过滤器的频率 响应因此可通过修改调整液体的折射率来改变。这种结构被用来做分布反馈染料 1 4 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复旦大学硕十学位论文 当通道尺寸由微米减少至纳米尺度时，不仅试样消耗量进一步下降，当其尺度与 生物大分子如蛋白质相当时，分析性能也将产生显著的变化。近年来已有不少文献报 道了在纳流控芯片中开展生物分子如d n a 的检测、传输、操控、分离和筛选等 4 8 5 0 。 例如图1 1 3 中，纳沟道的尺寸跟d n a 的直径大小在一个数量级，因此d n a 进入纳沟 道中会被拉直，可以用于d n a 的分析检测中。 下面将介绍一些微纳流控芯片的具体应用。 1 3 1 纳米通道染料混合 如图1 1 4 所示，( a ) 为通道构型以及压力调节器体系图示，通道为y 型，在木端 加上压力调节器，( b ) 用于混合的y 型纳米通道体系，在y 型通道中分别加入1 0 x 1 0 叫m o l l 的荧光素溶液( p h = i o ) 和1 0 x1 0 叫m o l l 罗丹明b 溶液( p h = 7 ) 。右边为在荧 光显微镜下荧光素和罗丹明b 的混合情况 5 1 。由于在纳米通道中，体积流速比较小 会导致流动过程中压力损耗比较大，因此需要在通道术端加上可以调控压力的装置。 ( a )b a c k p r e s s u r e r e g u l a t o r f l u o r e s c e i n10 m p h1 0 。1 7m p a ( b ) r h o d a m i n eb 1 0 - m 。 p h7 0 。1 7 m p a 图1 1 4 纳米通道的染料混合 1 3 2 分布反馈染料激光器 在微流体通道中加入周期性的结构，周期为入，这个周期的结构就会对通道中的 波长为2 n 入m 的光进行反射，其中r l 为液体的折射率，m 为自然数。该过滤器的频率 响应因此可通过修改调整液体的折射率来改变。这种结构被用来做分布反馈染料 1 4 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复口人学硕十学位论文 ( d i s t r i b u t e df e e d b a c kd y e ，d f b ) 激光器，如图1 1 4 所示 5 2 ，作为光流体器件 的一个种类，它们是光流体平台的一个重要部分。这些激光体积小，广泛可调。它的 激发源可以是外部光照或片上激光二极管的光照。图1 1 4 ( a ) 为这种布拉格光栅染料 激光器的示意图，在p d m s 的沟道中做出布拉格光栅，染料被注入到沟道中，它既作 为这个光波导的中心也作为增益介质。外部有激发光入射沟道。图( b ) 为d f b 结构的 光学图像，因为p d m s 是软性的聚合物，因此可以通过拉伸或挤压这个结构来改变这 个激光器的波长。( c ) 为这个激光器的开启特性实验结果。( d ) 显示了可以通过改变染 料或拉伸挤压p d m s 来改变激光的波长。 1 3 3 光波导 图1 1 5 分布反馈染料( d f b ) 激光器 光波导可以由不同的液一固组合，也可以由液一液组成，它们会引发可变的光学特 性，其中液一液( 1 i q u i d c o r e 1 i q u i d c l a d d i n g ，厶) 组合相比较具有更好的灵活性。 图1 1 6 就是液一液的光波导 5 3 ，( a ) 是一个厶光波导的示意图，绿色和蓝色的区域 代表了不同的液体，通过选择具有较高折射率的液体作为中心，较低折射率的液体作 为包层，光可以被集中在中心液体区域。( b ) 至( d ) 显示了通过改变液体的速率，可以 调整液核区域的位置，从而调节光的位置。( e ) 展示了使用不同的荧光染料，能够得 到可控的微流光源。 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复口大学硕十学位论文 一。 。争，w ；携一垂_ 呻 ：l ：鎏釜鍪 l i 口口_ 图1 1 6 液一液( 1i q u i d c o r e 1i q u i d c l a d d i n g ，厶) 光波导 1 3 4 光子晶体在微流体中的应用 光子晶体是指具有光子带隙( p h o t o n i cb a n d - g a p ，简称为p b g ) 特性的人造周期 性电介质结构，有时也称为p b g 结构，它可以用在传感器中。将光子晶体和微流体器 件集成做成光流体器件，一方面可以集成生物化学传感器，待测物通过流体运送到高 灵敏度光子器件进行分析，另一方面微流体控制微光子器件，使微光子器件可控、可 调。 图1 1 7 为光流体集成平台 5 4 。( a ) 在平面光子晶体器件上的两层微流网路结构。 ( b ) 平面光子晶体波导的s e m 图片。( c ) 是当光子晶体波导中的孔注不同液体( 水和氯 化钙溶液) 时的透射。 1 6 圈一 纳米压印技术制作微纳流体芯片及其应用复口人学硕+ 学位论文 a 咖缸啊 图 藤藏 匿戮黼 夔圈墨盥墨- 隧筑j 雾一鹫莲戮萋薹j 雹璺 3 0 曼2 5 2 丝2 0 l s 量1 0 兰5 o 0 r 2 8 s0 2 902 9 s 图1 1 7 集成光子晶体器件的微流体 1 3 5 纳米线传感器在微流体中的应用 一维的结构如碳纳米管，半导体纳米线或聚合物纳米线等在生物的检测中显示了 它们的优点，如高灵敏度，结构简单易于携带，响应速度快，生物兼容性好和半导体 工艺兼容性好等优点，越来越受到人们的重视。在检测中，纳米线的导电率是通过测 量电流的大小来监测的。当纳米线传感器上吸附了某种带电荷的物质之后，会使纳米 线里的载