Su-8納米流體系統的製作方法
2023-04-25 00:40:11 1
專利名稱：Su-8納米流體系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種SU-8納米流體系統的製作方法，更具體地說是涉及利用光刻-壓 印組合模板製作SU-8納米流體系統的方法，屬於微納流體系統製作技術領域。
背景技術：
近年來，納米流體系統相關的基礎和技術應用研究成為引人注目的前沿領域，它 一般定義為流體流動的通道一維以上的截面處於數百到幾納米的尺寸範圍。流體在其中傳 輸具有特異的性質，能使得主導宏觀和微米量級流體傳輸和分子行為的許多物理化學性質 發生改變。基於此系統的研究不僅突破了傳統理論的一些重要概念，而且一些深入研究的 成果在DNA分子的拉伸操縱、藥物釋放技術、電池技術、雷射器等許多領域中有重大應用。目前加工納米流體系統的常用方法是利用電子束光刻或聚焦離子束刻蝕技術獲 得納米溝槽結構，並利用鍵合或犧牲層技術實現納米通道的頂部密封。儘管上述方法可以 實現納米通道尺寸的精確控制，但卻限制了材料僅僅可以選擇為玻璃、矽及其化合物等，同 時電子束和聚焦離子束技術加工時間長，陽極鍵合技術需要高溫高電壓，犧牲層的去除可 能需要數天的時間，這無疑增加了製作成本和周期，不利於向器件批量化方向發展。聚合物材料因其優良的化學機械性能、生物兼容性、微加工性能而開始成為納流 控通道及系統的備選材料，應用於DNA操縱及選擇性固定、流體傳輸等研究。納米壓印技術是製作聚合物微納結構的常用方法，主要指利用具有納米特徵尺寸 的印章去擠壓受熱的聚合物達到複製印章圖形的效果，具有高解析度、低成本、高產量等顯 著特點，適於微納流控晶片一次性使用的需求。但是納米流體系統包括了具有納米尺度的 通道和大尺寸的樣品池結構，納米壓印技術不能對這樣的微納複合結構進行同時加工，往 往需要結合常規的微米加工手段來製作樣品池這樣的大尺寸結構。這無疑對對準工藝及精 度提出了很高的要求，同時增加了工藝的複雜性和製作成本。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種結合組合光刻-壓印 模板技術並利用SU-8光刻膠的SU-8納米流體系統的製作方法，實現製作材料的拓展和制 作方法的更新，並且實現成本的降低和製作效率的提高。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明SU-8納米流體系統的製作方法的特點是按如下步驟操作a、利用全息法在石英基底上製作光刻膠的光柵圖形，並通過反應離子刻蝕將所述光刻膠的光柵圖形轉移到石英基底上，形成具有光柵結構的石英基底；在所述具有光柵結 構的石英基底上旋塗用於製作樣品池掩模的光刻膠，利用樣品池模板通過曝光顯影形成具 有樣品池結構的光刻膠圖形；利用反應離子刻蝕將所述具有樣品池結構的光刻膠圖形向石 英基底上的轉移，在完成轉移後的石英基底的表面沉積Cr膜，獲得包含樣品池Cr掩模結構 和光柵納米尺寸結構的組合光刻_壓印模板；
b、在Si片表面旋塗SU-8光刻膠，經烘烤形成Si基底；C、在所述組合光刻-壓印模板的表面旋塗脫模劑後層壓在所述Si基底上，預熱使所述Si基底表面的SU-8光刻膠軟化後向所述組合光刻-壓印模板施加壓印壓力，使所述 組合光刻_壓印模板壓入軟化的SU-8光刻膠，保持壓印壓力20分鐘後自然冷卻，得到組合 光刻_壓印模板、Si基底以及SU-8光刻膠的結合體；d、對所述結合體中的SU-8光刻膠通過透光的組合光刻-壓印模板進行紫外曝光， 曝光後經烘烤使SU-8光刻膠固化，同時，組合光刻_壓印模板上的光柵納米尺寸結構複製 在所述SU-8光刻膠上；經自然冷卻後重新分離為組合光刻_壓印模板和表面粘附有SU-8 光刻膠的Si基底；將所述表面粘附有SU-8光刻膠的Si基底浸入在PGMEA顯影液中，使樣 品池Cr掩模結構下未曝光的SU-8光刻膠溶於顯影液，完成在所述Si基底上的樣品池的制 作；e、在PET片材的表面旋塗鍵合層SU_8光刻膠，經烘烤固化後對所述PET片材上的 鍵合層SU-8光刻膠進行紫外曝光，再經烘烤使曝光後的鍵合層SU-8光刻膠固化，經自然冷 卻得PET基片；將稀釋成厚度為150nm的稀釋SU-8光刻膠旋塗於固化的鍵合層SU-8光刻 膠上；f、將經所述步驟d完成製作的Si基底經氧氣等離子體處理後層壓在所述PET基 片上，經預熱軟化後施加壓印壓力，使得稀釋SU-8光刻膠將鍵合層SU-8光刻膠和Si基底 上SU-8光刻膠粘合，保持壓印壓力20分鐘後自然冷卻；透過PET基片對Si基底上的各 SU-8光刻膠層進行紫外曝光，完成曝光後，對於包括有Si基底、各SU-8光刻膠層以及PET 基片的層疊結構進行烘烤，使得各SU-8光刻膠層之間充分固化交聯後，去除PET基片即完 成SU-8納米流體系統的製作。本發明SU-8納米流體系統的製作方法的特點也在於在所述步驟a中，所述反應離子刻蝕過程是以CHF3和Ar的混合氣體為刻蝕氣體， 按體積比的CHF3 Ar為3 1。所述步驟c中的脫模劑為DC20。所述各步驟中的紫外曝光光源的波長為365nm。所述步驟e中的稀釋SU-8光刻膠是對型號為2002的SU_8光刻膠以環戊酮按20 倍的體積比進行稀釋。所述步驟f中對Si基底進行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W，轟 擊時間為15秒。 與已有技術相比，本發明的有益技術效果體現在1、相比於的傳統利用電子束光刻或聚焦離子束刻蝕技術獲得納米溝槽結構，本發 明採用全息方法製作組合光刻壓印模版的納米特徵結構具有大面積、低周期、且低成本的 優勢。2、本發明將組合光刻-壓印模板應用到納米流體系統製作過程，這一方法彌補了 納米壓印的不足，實現了樣品池和納米通道的同步成型，方法簡單可控，並結合SU-8雙層 膠工藝及PET犧牲層技術實現了納米流體的製作。
圖1為本發明光刻_壓印組合模板的製作流程圖。圖2為本發明基於SU-8的納米流體系統的製作流程圖。圖中標號1為用於製作光柵掩模的光刻膠、2為石英基底、3為用於製作樣品池掩 模的光刻膠、4為樣品池模板、5為Cr膜、6為組合光刻-壓印模板、7為樣品池Cr掩模結構、 8為光柵納米尺寸結構、9為SU-8光刻膠、10為Si基底、11為PET基片、12鍵合層SU-8光 刻膠、13稀釋SU-8光刻膠。以下通過具體實施方式
，並結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施例方式具體實施按以下過程進行1、清潔處理石英基底，並在石英基底上旋塗用於製作光柵掩模的光刻膠，如圖1 中Al所示；利用全息法在石英基底上製作光刻膠的光柵圖形，如圖1中A2所示；再通過反 應離子刻蝕將光刻膠的光柵圖形轉移到石英基底上，形成具有光柵圖形結構的石英基底， 在具有光柵結構的石英基底上旋塗用於製作樣品池掩模的光刻膠，如圖1中A3所示；利用 樣品池模板對光刻膠進行曝光顯影，形成具有樣品池結構的光刻膠圖形，如圖1中A4所示； 利用反應離子刻蝕將具有樣品池結構的光刻膠圖形向石英基底上的轉移，並在完成轉移後 的石英基底的表面沉積Cr膜，如圖1中A5所示；最後用丙酮去除殘留光刻膠，獲得組合光 刻_壓印模板，其中組合光刻_壓印模板包含樣品池Cr掩模結構和光柵納米尺寸結構，見 圖1A6。在反應離子刻蝕過程中，使用CHF3和Ar的混合氣體作為刻蝕氣體，混合氣體是CHF3 和Ar按體積比為3 1混合。2、將Si片以丙酮超聲處理5分鐘，再用去離子水衝淋並吹乾，在烘箱中以130°C烘 烤30分鐘，經自然冷卻後，在Si片表面旋塗型號2025的SU-8光刻膠，並在90°C的溫度下 烘烤20分鐘形成Si基底，如圖2中Bl所示；3、在組合光刻-壓印模板的光柵圖形面上以2000RPM的速度旋塗脫模劑；將塗有 脫模劑的組合光刻-壓印模板層壓在表面具有SU-8光刻膠的Si基底上，以90°C預熱10分 鍾之後，向組合光刻_壓印模板施加2Mpa的壓印壓力，使得組合光刻-壓印模板壓入經加 熱軟化的SU-8光刻膠，如圖2中B2所示，保持90°C溫度及壓印壓力20分鐘後自然冷卻； 得到組合光刻_壓印模板、Si基底以及SU-8光刻膠的結合體；4、對結合體中的SU-8光刻膠通過透光的組合光刻-壓印模板進行紫外曝光，曝光劑量為200mJ/cm2，對曝光後的SU-8光刻膠進行烘烤固化，烘烤溫度為90°C，烘烤時間為10 分鐘，經過烘烤固化，組合光刻_壓印模板上的光柵納米尺寸結構會複製到SU-8光刻膠上， 在SU-8光刻膠上形成光柵納米尺寸結構；自然冷卻後重新分離為組合光刻-壓印模板和表 面粘附有SU-8光刻膠的Si基底；將表面粘附有SU-8光刻膠的Si基底浸入PGMEA顯影液， 曝光後的SU-8光刻膠固化不溶於顯影液，樣品池Cr掩模結構下未曝光的SU-8光刻膠溶於 顯影液，實現在Si基底上的樣品池的製作，如圖2中B3所示。5、取PET片材，如圖2中B4所示，在PET片材的表面旋塗型號為2025的、作為鍵 合層的鍵合層SU-8光刻膠，在90°C條件下烘烤20分鐘，對PET片材上的鍵合層SU-8光刻 膠進行紫外曝光，曝光劑量為lOOmJ/cm2。對曝光後的鍵合層SU-8光刻膠進行烘烤使得曝光的鍵合層SU-8光刻膠固化，烘烤溫度是90°C，烘烤時間為10分鐘，自然冷卻得PET基片，如圖2中B5所示。按體積比環戊酮SU-8為100 5對型號為2002的SU-8光刻膠進行 稀釋，稀釋後的SU-8光刻膠厚度為150nm。將稀釋後厚度為150nm SU-8光刻膠旋塗於固化 的鍵合層SU-8光刻膠上，作為固化的鍵合層SU-8光刻膠的粘附層，如圖2中B6所示；
6、將經步驟4完成製成的具有光柵納米尺寸結構和樣品池結構的Si基底經氧氣 等離子體處理後層壓在PET基底上，以75°C預熱10分鐘，施加0. 5Mpa的壓印壓力，使得 SU-8光刻膠將鍵合層SU-8光刻膠和Si基底上SU-8光刻膠粘合，保持75°C及壓印壓力20 分鐘後自然冷卻，透過PET基片對Si基底上的各SU-8光刻膠層進行紫外曝光，曝光劑量為 200mJ/cm2，完成曝光後，對於包括有Si基底、各SU-8光刻膠層以及PET基片的層疊結構進 行烘烤，使得各SU-8光刻膠層之間充分固化交聯後，去除PET基片即完成SU-8納米流體系 統的製作，如圖2B7所示。其中後烘時間為20分鐘，溫度由75°C上升至90°C，溫度上升速 度為2°C/分鐘。
權利要求
一種SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是按如下步驟操作a、利用全息法在石英基底(2)上製作光刻膠(1)的光柵圖形，並通過反應離子刻蝕將所述光刻膠(1)的光柵圖形轉移到石英基底(2)上，形成具有光柵結構的石英基底(2)；在所述具有光柵結構的石英基底(2)上旋塗用於製作樣品池掩模的光刻膠(3)，利用樣品池模板(4)通過曝光顯影形成具有樣品池結構的光刻膠圖形；利用反應離子刻蝕將所述具有樣品池結構的光刻膠圖形向石英基底(2)上的轉移，在完成轉移後的石英基底(2)的表面沉積Cr膜(5)，獲得包含樣品池Cr掩模結構(7)和光柵納米尺寸結構(8)的組合光刻-壓印模板(6)；b、在Si片表面旋塗SU-8光刻膠(9)，經烘烤形成Si基底(10)；c、在所述組合光刻-壓印模板(6)的表面旋塗脫模劑後層壓在所述Si基底(10)上，預熱使所述Si基底(10)表面的SU-8光刻膠(9)軟化後向所述組合光刻-壓印模板(6)施加壓印壓力，使所述組合光刻-壓印模板(6)壓入軟化的SU-8光刻膠(9)，保持壓印壓力20分鐘後自然冷卻，得到組合光刻-壓印模板(6)、Si基底(10)以及SU-8光刻膠(9)的結合體；d、對所述結合體中的SU-8光刻膠(9)通過透光的組合光刻-壓印模板(6)進行紫外曝光，曝光後經烘烤使SU-8光刻膠(9)固化，同時，組合光刻-壓印模板(6)上的光柵納米尺寸結構(8)複製在所述SU-8光刻膠(9)上；經自然冷卻後重新分離為組合光刻-壓印模板(6)和表面粘附有SU-8光刻膠(9)的Si基底(10)；將所述表面粘附有SU-8光刻膠(9)的Si基底(10)浸入在PGMEA顯影液中，使樣品池Cr掩模結構(7)下未曝光的SU-8光刻膠(9)溶於顯影液，完成在所述Si基底(10)上的樣品池的製作；e、在PET片材的表面旋塗鍵合層SU-8光刻膠(12)，經烘烤固化後對所述PET片材上的鍵合層SU-8光刻膠(12)進行紫外曝光，再經烘烤使曝光後的鍵合層SU-8光刻膠(12)固化，經自然冷卻得PET基片(11)；將稀釋成厚度為150nm的稀釋SU-8光刻膠(13)旋塗於固化的鍵合層SU-8光刻膠(12)上；f、將經所述步驟d完成製作的Si基底(10)經氧氣等離子體處理後層壓在所述PET基片(11)上，經預熱軟化後施加壓印壓力，使得稀釋SU-8光刻膠(13)將鍵合層SU-8光刻膠(12)和Si基底(10)上SU-8光刻膠(9)粘合，保持壓印壓力20分鐘後自然冷卻；透過PET基片(11)對Si基底(10)上的各SU-8光刻膠層進行紫外曝光，完成曝光後，對於包括有Si基底(10)、各SU-8光刻膠層以及PET基片(11)的層疊結構進行烘烤，使 得各SU-8光刻膠層之間充分固化交聯後，去除PET基片(11)即完成SU-8納米流體系統的製作。
2.根據權利要求1所述的SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是在所述步驟a中， 所述反應離子刻蝕過程是以CHF3和Ar的混合氣體為刻蝕氣體，按體積比的CHF3 Ar為 3 I0
3.根據權利要求1所述的SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是所述步驟c中的脫 模劑為DC20。
4.根據權利要求1所述的SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是所述各步驟中的紫 外曝光光源的波長為365nm。
5.根據權利要求1所述的SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是所述步驟e中的稀 釋SU-8光刻膠(13)是對型號為2002的SU-8光刻膠以環戊酮按20倍的體積比進行稀釋。
6.根據權利要求1所述的SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是所述步驟f中對 Si基底(10)進行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W，轟擊時間為15秒。
全文摘要
本發明公開了一種SU-8納米流體系統的製作方法，其特徵是利用全息曝光技術製作光刻-壓印組合模板，並將光刻壓印組合模板應用於SU-8納米流體系統的加工中，其中利用光刻-壓印組合模板包含的不同部分具有的不同功能，並結合鍵合技術實現納米流體系統的製作。該方法操作簡單，實現了樣品池和納米通道的同步成型，製造成本低，且不需要苛刻的設備。對製作的納米流體系統進行流體填充測試的結果顯示了系統沒有分層和堵塞，通道的邊界清晰可見，也看不出鍵合的界面，顯示了很好的質量。
文檔編號B82B3/00GK101823690SQ201010143718
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者盧景景, 李小軍, 湯起升, 王旭迪, 金建 申請人:合肥工業大學