聚合物二維納米通道熱壓工藝及相關(guān)理論研究.pdf

1、近年來，隨著微流控芯片制造工藝和納米加工技術(shù)的不斷發(fā)展，納米溝道、納米膜等納米結(jié)構(gòu)開始集成到微流控芯片上，這使得一項(xiàng)新技術(shù)——納流控芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。由于納流控芯片最小通道尺寸從微米進(jìn)入到納米，使得納流控芯片通道內(nèi)壁性能發(fā)生了巨大變化，新的流體現(xiàn)象將會(huì)隨之產(chǎn)生，比如雙電層疊加、表觀黏度增加、通道內(nèi)流體阻力增大和介電常數(shù)下降等。這些現(xiàn)象吸引人們展開對(duì)納流控流體輸運(yùn)特性的理論研究，從而為基因組測(cè)序、生物單分子檢測(cè)和離子樣品富集等提供了一個(gè)新

2、的思路。與微流控芯片相比，納流控芯片功能更復(fù)雜，靈敏度和集成度更高，試劑消耗量也進(jìn)一步下降。因此納流控芯片自從誕生起就受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前世界各國的研究者已經(jīng)開始對(duì)納流控芯片技術(shù)進(jìn)行了研究，其應(yīng)用范圍也延伸到生命科學(xué)、生物分析化學(xué)、臨床檢驗(yàn)診斷學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。
　　納米通道是納流控芯片的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是決定納流控器件性能的重要部件。目前世界各國的研究者對(duì)納流控芯片的研究主要集中在對(duì)納米通道內(nèi)流體

3、特性的研究。所以制造出低成本高精度納米通道尤其是二維納米通道對(duì)納流控芯片應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　在二維納米通道加工過程中，存在制造成本高，加工工藝復(fù)雜等問題，這些困難限制了納流控芯片的推廣和普及。盡管，人們已經(jīng)對(duì)二維納米通道的制造方法進(jìn)行了大量研究，但至今制造低成本高精度的二維納米通道仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。與現(xiàn)有的二維納米通道制造方法相比，熱壓成型技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的特性，非常適合大面積二維納米通道批量化生產(chǎn)。然而，目前利

4、用熱壓技術(shù)和熱壓鍵合技術(shù)制造納米通道仍然存在若干問題:1）大面積、低成本、尺寸均勻二維納米模具制造困難;2）缺乏準(zhǔn)確計(jì)算廣義Maxwell方程常數(shù)的模型;3）聚合物基底上二維納米溝道鍵合與表征困難;4）微納跨尺度熱壓成型中納米溝道復(fù)制精度低。本文針對(duì)這些問題，提出了解決方案并進(jìn)行了如下研究。
　　1)研究了低成本大面積二維納米硅模具制造新工藝
　　本文提出了基于傾斜蒸鍍技術(shù)的二維納米模具制造方法。分析了傾斜蒸鍍角度和氬等離子

5、體刻蝕時(shí)間對(duì)納米模具形貌的影響，研究了大面積二維納米圖形寬度變化的規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理，表征了光刻膠臺(tái)階高度和寬度的均勻性，分析了光刻膠臺(tái)階均勻性對(duì)納米圖形尺寸的影響。該方法利用傾斜蒸鍍技術(shù)，一步制造出寬度為納米級(jí)的銅掩蔽層。再利用濺射刻蝕，能夠制造出寬度和深度約60 nm的4英寸大面積低成本二維納米硅模具。
　　另外本文也設(shè)計(jì)了基于低溫側(cè)墻技術(shù)的二維納米模具制造工藝。分析了側(cè)墻斷裂和剝離的原因，研究了工藝溫度對(duì)側(cè)墻應(yīng)力的影響。開發(fā)了一

6、種低溫沉積和側(cè)墻材料去除工藝，采用紫外光刻制造微米尺度光刻膠臺(tái)階作為側(cè)墻支撐材料，使得整個(gè)工藝能夠在室溫下進(jìn)行。這兩種二維納米模具制造方法均無需復(fù)雜昂貴的電子束和離子束刻蝕設(shè)備，可為低成本大面積高精度二維納米模具制造提供一種新的工藝思路。
　　2)建立了適合熱壓過程的聚合物廣義Maxwell方程常數(shù)計(jì)算模型
　　本文分析了熱壓過程中聚合物受壓過程和基底截面積變化，根據(jù)廣義Maxwell方程和粘彈性積分型本構(gòu)方程，建立了適合熱

7、壓過程的聚合物廣義Maxwell方程常數(shù)計(jì)算新模型。根據(jù)聚合物壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算了不同溫度下聚合物的廣義Maxwell方程常數(shù)。通過有限元數(shù)值仿真，定量地分析了熱壓工藝參數(shù)與二維納米溝道復(fù)制精度之間的關(guān)系，并結(jié)合熱壓成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了廣義Maxwell方程常數(shù)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。
　　3)研究了熱壓鍵合工藝關(guān)鍵技術(shù)，提出了表征聚合物二維納米通道變形的置換表征法
　　采用熱壓鍵合方法對(duì)聚合物芯片進(jìn)行鍵合，以芯片鍵合率和通道

8、截面損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了熱壓鍵合工藝參數(shù)對(duì)芯片鍵合質(zhì)量的影響，優(yōu)化了熱壓鍵合工藝參數(shù)。分析了氧等離子體處理射頻功率和處理時(shí)間對(duì)聚合物基底接觸角的影響。為表征鍵合后微米和納米通道的損失率，分析了氧等離子體處理對(duì)聚合物表層材料楊氏模量和硬度的影響，提出一種觀測(cè)表征聚合物微米和納米通道斷面形貌的置換表征法，計(jì)算了熱壓鍵合后微米和納米通道深度和寬度的損失率。
　　4)研究了一種基于熱壓-反向紫外曝光技術(shù)的微納跨尺度制造方法
　　

9、本文分析了微納跨尺度壓印過程中臨近效應(yīng)導(dǎo)致納米圖形復(fù)制精度降低的現(xiàn)象，提出一種新的微納跨尺度制造方法。通過采用熱壓和紫外曝光混合制造方式，解決跨尺度壓印中的臨近效應(yīng)，提高二維納米溝道的復(fù)制精度。在制造過程中，本文分析了熱壓溫度、熱壓時(shí)間和SU-8膠二維納米溝道復(fù)制精度之間的關(guān)系，研究了曝光時(shí)間和后烘時(shí)間對(duì)SU-8膠微米和納米溝道形貌的影響機(jī)理，提高了SU-8膠微米和納米溝道的制造質(zhì)量。
　　本文對(duì)聚合物二維納米通道熱壓工藝進(jìn)行了理