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二维纳米沟道制造的研究与分析

时间:2020-02-16 05:19:51

摘要:纳米沟道是纳流控芯片检测与应用的基础。纳流控芯片与微流控芯片的主要区别是结构特征尺寸的差异。微流控芯片的特征部件为微米尺度的通道,而纳流控芯片的特征部件为纳米尺度的通道。在国际上,微流控芯片技术已经相对成熟,而纳流控芯片技术尚处于发展阶段,但其应用潜力与市场前景巨大。
  纳米沟道是纳流控器件最基本的组成部分。纳流控芯片制造技术的难点是纳米沟槽的制造与纳米沟道的键合。所以,探索成型工艺简单、成本低、可进行批量化生产的纳米级沟槽制造技术,并将纳米级沟槽封装起来形成纳米沟道的稳定成型工艺,已成为纳流控器件真正得以实用化的关键。
  关键词:纳米沟槽;制造方法
  1.二维纳米沟道制造介绍
  目前,二维纳米沟槽的制造主要依赖于具有纳米级分辨率的光刻设备,如电子束光刻、聚焦离子束、质子束直写等。这些光刻技术打破了标准光刻技术的衍射极限,能够制造出分辨率较高的纳米图形。然而,它们都需要昂贵复杂的设备,并且生产效率极低,不适合批量生产。
  二维纳米沟槽的制造方法仍然依赖于MEMS技术——这是因为其成本低,产量高,具有晶圆级的加工能力。MEMS加工方法通常利用常规紫外光刻工艺形成微米结构,然后利用一系列沉淀和刻蚀工艺形成纳米结构。尽管常规紫外光刻设备不能直接的定义纳米级图形的特征尺寸,但是通过精确的控制沉淀或者刻蚀工艺参数,可以将结构的深度和宽度尺寸精确的控制在纳米量级。目前,基于MEMS加工技术制造二维纳米沟槽的主要方法为:牺牲层释放技术、刻蚀与沉淀技术和复制技术。其中,复制技术包括热纳米压印技术、紫外纳米压印技术和热压成型技术。
  2. 二维纳米沟槽的制造方法
  2.1 牺牲层技术
  牺牲层技术是一种以自上而下的方式制造封闭二维纳米沟槽的方法。牺牲层技术就是首先形成厚度为纳米级的牺牲层,然后有选择性地将牺牲层移除,留下牺牲层周围的材料作为侧壁,形成纳米沟道。与其它二维纳米沟槽的制造方法相比,牺牲层技术工艺相对简单,且成本相对较低,容易与其它微结构集成为微纳流控器件。然而,由于刻蚀牺牲层过程中的应力释放,密封层的边沿会发生机械变形。导致最后成型的纳米沟道的横截面与所设计的纳米沟道的横截面不同。另外,刻蚀牺牲层的刻蚀剂和反应物容易留在纳米沟道里面不易清除,特别是较长的纳米沟道,从而对后续纳流控器件的应用造成严重影响。
  2.2 刻蚀与沉淀技术
  利用刻蚀与沉淀技术制造二维纳米沟槽,首先需要利用光刻和刻蚀技术在基底上成型一个尺寸较大的沟槽。然后利用非均匀的沉淀技术,形成封闭的二维纳米沟道。非均匀沉淀过程是利用刻蚀与沉淀技术形成纳米沟道的关键步骤,它的重要作用就是将沟槽的宽度缩小到纳米尺度,并将其密封起来形成纳米沟道。这些沉淀技术包括化学气相沉积 (CVD)、物理气相沉积 (pVD) 和氧化沉积等。
  综上所述,刻蚀与沉淀技术工艺比较简单,然而此种技术成本相对较高。并且由于CVD、pV和氧化沉积技术等沉淀的薄膜不均匀,很难精确地控制最后成型的纳米沟道的截面尺寸。
  2.3 聚二甲基硅氧烷 (pDMS) 表面处理/变形成型技术
  弹性材料pDMS已经广泛的应用于微米沟槽的制造,却很少用于纳米沟槽的制造。这是由于弹性材料的弹性模量较小,比热塑性聚合物约小5个数量级,比较容易变形和坍塌。利用pDMS薄膜变形技术,即可在pDMS薄膜和通过刻蚀制作的结构侧壁之间形成截面为三角形的纳米沟道, 利用pDMS变形成型技术和pDMS表面处理技术制造二维纳米沟槽,制作工艺简单,成本相对较低,但由于裂缝的开裂位置与尺寸不易掌控,此方法很难精确地控制纳米沟槽的尺寸和截面形状。
  2.4 复制技术
  纳米光刻技术是利用光子或者电子改变光刻胶材料的化学或者物理性质以定义纳米图形。不同于纳米光刻技术,复制技术是将模具的纳米级特征尺寸机械地复制到压印光刻胶上,依靠光刻胶材料的变形成型纳米图形,克服了光刻技术中光的衍射极限问题。复制技术主要包括纳米压印技术和热压成型技术,其中纳米压印技术主要包括热纳米压印技术和紫外纳米压印技术。
  2.4.1 热纳米压印技术
  热纳米压印技术是Chou博士在1995年发明的一项重要的二维纳米沟槽加工技术,具有成本较低,分辨率高,可以进行批量生产的优点。
  2.4.2 紫外纳米压印技术
  利用紫外纳米压印技术成型纳米沟槽的步骤与热纳米压印工艺基本相似。但是,紫外纳米压印技术不是通过加热实现对光刻胶的固化,而是通过紫外光照射实现的。因为光刻胶中含有光敏剂,被紫外光照射后会迅速固化。另外,紫外纳米压印对纳米模具和光刻胶也有特殊的要求。模具必须是对紫外光高度透明的,一般选择石英模板。同时要求光刻胶的粘度很低,即为液态,在很小的压力下就可以完成对模具空腔的填充。
  综上所述:纳米压印技术突破了光的衍射极限,可以大面积的制造纳米图形。并且模具可反复利用,实现了纳米沟槽的批量制造。同时,纳米压印技术可以与其它的微制造技术兼容,制造出复杂的微/纳流控器件。然而,纳米压印技术是将纳米模具的图形复制到硬质基底表面的薄层光刻胶涂层上,然后通过刻蚀的方法将纳米图形转移到硬质基底上,得到二维纳米沟槽。尤其是利用紫外纳米压印技术成型二维纳米沟槽时,还需要使用对紫外光有高透明度的模具,以及粘度很低的光刻胶材料,在很大程度上增加了制造成本。
  2.4.3 热压成型技术
  利用热压成型技术与纳米压印技术制造二维纳米沟槽的工艺在本质上是一样的,都是在高温高压下将纳米模具的图形复制到基底上。但是,热压成型技术只需要一步复制工艺,即将纳米模具的图形直接复制到成本低廉的热塑性聚合物基底上,就可以实现二维纳米沟槽的批量制造,与纳米压印技术相比,具有成本低且工艺简单的优点,尽管热压成型技术有上述优点,但是如果无法制造纳米模具,或者是制造纳米模具需要昂贵的纳米光刻设备,那么热压成型技术将不再是一种经济可行的纳米沟槽制造方法。
  作者简介:徐莘博(1994-),男,江西宜春人,工作单位:大连理工大学,职务:学生,研究方向:微纳制造传感测控。
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