专利名称：Su-8纳米流体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种SU-8纳米流体系统的制作方法，更具体地说是涉及利用光刻-压 印组合模板制作SU-8纳米流体系统的方法，属于微纳流体系统制作技术领域。
背景技术：
近年来，纳米流体系统相关的基础和技术应用研究成为引人注目的前沿领域，它 一般定义为流体流动的通道一维以上的截面处于数百到几纳米的尺寸范围。流体在其中传 输具有特异的性质，能使得主导宏观和微米量级流体传输和分子行为的许多物理化学性质 发生改变。基于此系统的研究不仅突破了传统理论的一些重要概念，而且一些深入研究的 成果在DNA分子的拉伸操纵、药物释放技术、电池技术、激光器等许多领域中有重大应用。目前加工纳米流体系统的常用方法是利用电子束光刻或聚焦离子束刻蚀技术获 得纳米沟槽结构，并利用键合或牺牲层技术实现纳米通道的顶部密封。尽管上述方法可以 实现纳米通道尺寸的精确控制，但却限制了材料仅仅可以选择为玻璃、硅及其化合物等，同 时电子束和聚焦离子束技术加工时间长，阳极键合技术需要高温高电压，牺牲层的去除可 能需要数天的时间，这无疑增加了制作成本和周期，不利于向器件批量化方向发展。聚合物材料因其优良的化学机械性能、生物兼容性、微加工性能而开始成为纳流 控通道及系统的备选材料，应用于DNA操纵及选择性固定、流体传输等研究。纳米压印技术是制作聚合物微纳结构的常用方法，主要指利用具有纳米特征尺寸 的印章去挤压受热的聚合物达到复制印章图形的效果，具有高分辨率、低成本、高产量等显 著特点，适于微纳流控芯片一次性使用的需求。但是纳米流体系统包括了具有纳米尺度的 通道和大尺寸的样品池结构，纳米压印技术不能对这样的微纳复合结构进行同时加工，往 往需要结合常规的微米加工手段来制作样品池这样的大尺寸结构。这无疑对对准工艺及精 度提出了很高的要求，同时增加了工艺的复杂性和制作成本。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结合组合光刻-压印 模板技术并利用SU-8光刻胶的SU-8纳米流体系统的制作方法，实现制作材料的拓展和制 作方法的更新，并且实现成本的降低和制作效率的提高。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明SU-8纳米流体系统的制作方法的特点是按如下步骤操作a、利用全息法在石英基底上制作光刻胶的光栅图形，并通过反应离子刻蚀将所述光刻胶的光栅图形转移到石英基底上，形成具有光栅结构的石英基底；在所述具有光栅结 构的石英基底上旋涂用于制作样品池掩模的光刻胶，利用样品池模板通过曝光显影形成具 有样品池结构的光刻胶图形；利用反应离子刻蚀将所述具有样品池结构的光刻胶图形向石 英基底上的转移，在完成转移后的石英基底的表面沉积Cr膜，获得包含样品池Cr掩模结构 和光栅纳米尺寸结构的组合光刻_压印模板；
b、在Si片表面旋涂SU-8光刻胶，经烘烤形成Si基底；C、在所述组合光刻-压印模板的表面旋涂脱模剂后层压在所述Si基底上，预热使所述Si基底表面的SU-8光刻胶软化后向所述组合光刻-压印模板施加压印压力，使所述 组合光刻_压印模板压入软化的SU-8光刻胶，保持压印压力20分钟后自然冷却，得到组合 光刻_压印模板、Si基底以及SU-8光刻胶的结合体；d、对所述结合体中的SU-8光刻胶通过透光的组合光刻-压印模板进行紫外曝光， 曝光后经烘烤使SU-8光刻胶固化，同时，组合光刻_压印模板上的光栅纳米尺寸结构复制 在所述SU-8光刻胶上；经自然冷却后重新分离为组合光刻_压印模板和表面粘附有SU-8 光刻胶的Si基底；将所述表面粘附有SU-8光刻胶的Si基底浸入在PGMEA显影液中，使样 品池Cr掩模结构下未曝光的SU-8光刻胶溶于显影液，完成在所述Si基底上的样品池的制 作；e、在PET片材的表面旋涂键合层SU_8光刻胶，经烘烤固化后对所述PET片材上的 键合层SU-8光刻胶进行紫外曝光，再经烘烤使曝光后的键合层SU-8光刻胶固化，经自然冷 却得PET基片；将稀释成厚度为150nm的稀释SU-8光刻胶旋涂于固化的键合层SU-8光刻 胶上；f、将经所述步骤d完成制作的Si基底经氧气等离子体处理后层压在所述PET基 片上，经预热软化后施加压印压力，使得稀释SU-8光刻胶将键合层SU-8光刻胶和Si基底 上SU-8光刻胶粘合，保持压印压力20分钟后自然冷却；透过PET基片对Si基底上的各 SU-8光刻胶层进行紫外曝光，完成曝光后，对于包括有Si基底、各SU-8光刻胶层以及PET 基片的层叠结构进行烘烤，使得各SU-8光刻胶层之间充分固化交联后，去除PET基片即完 成SU-8纳米流体系统的制作。本发明SU-8纳米流体系统的制作方法的特点也在于在所述步骤a中，所述反应离子刻蚀过程是以CHF3和Ar的混合气体为刻蚀气体， 按体积比的CHF3 Ar为3 1。所述步骤c中的脱模剂为DC20。所述各步骤中的紫外曝光光源的波长为365nm。所述步骤e中的稀释SU-8光刻胶是对型号为2002的SU_8光刻胶以环戊酮按20 倍的体积比进行稀释。所述步骤f中对Si基底进行氧气等离子体处理的真空度为25Pa，功率为60W，轰 击时间为15秒。 与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在1、相比于的传统利用电子束光刻或聚焦离子束刻蚀技术获得纳米沟槽结构，本发 明采用全息方法制作组合光刻压印模版的纳米特征结构具有大面积、低周期、且低成本的 优势。2、本发明将组合光刻-压印模板应用到纳米流体系统制作过程，这一方法弥补了 纳米压印的不足，实现了样品池和纳米通道的同步成型，方法简单可控，并结合SU-8双层 胶工艺及PET牺牲层技术实现了纳米流体的制作。
图1为本发明光刻_压印组合模板的制作流程图。图2为本发明基于SU-8的纳米流体系统的制作流程图。图中标号1为用于制作光栅掩模的光刻胶、2为石英基底、3为用于制作样品池掩 模的光刻胶、4为样品池模板、5为Cr膜、6为组合光刻-压印模板、7为样品池Cr掩模结构、 8为光栅纳米尺寸结构、9为SU-8光刻胶、10为Si基底、11为PET基片、12键合层SU-8光 刻胶、13稀释SU-8光刻胶。以下通过具体实施方式
，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施例方式具体实施按以下过程进行1、清洁处理石英基底，并在石英基底上旋涂用于制作光栅掩模的光刻胶，如图1 中Al所示；利用全息法在石英基底上制作光刻胶的光栅图形，如图1中A2所示；再通过反 应离子刻蚀将光刻胶的光栅图形转移到石英基底上，形成具有光栅图形结构的石英基底， 在具有光栅结构的石英基底上旋涂用于制作样品池掩模的光刻胶，如图1中A3所示；利用 样品池模板对光刻胶进行曝光显影，形成具有样品池结构的光刻胶图形，如图1中A4所示； 利用反应离子刻蚀将具有样品池结构的光刻胶图形向石英基底上的转移，并在完成转移后 的石英基底的表面沉积Cr膜，如图1中A5所示；最后用丙酮去除残留光刻胶，获得组合光 刻_压印模板，其中组合光刻_压印模板包含样品池Cr掩模结构和光栅纳米尺寸结构，见 图1A6。在反应离子刻蚀过程中，使用CHF3和Ar的混合气体作为刻蚀气体，混合气体是CHF3 和Ar按体积比为3 1混合。2、将Si片以丙酮超声处理5分钟，再用去离子水冲淋并吹干，在烘箱中以130°C烘 烤30分钟，经自然冷却后，在Si片表面旋涂型号2025的SU-8光刻胶，并在90°C的温度下 烘烤20分钟形成Si基底，如图2中Bl所示；3、在组合光刻-压印模板的光栅图形面上以2000RPM的速度旋涂脱模剂；将涂有 脱模剂的组合光刻-压印模板层压在表面具有SU-8光刻胶的Si基底上，以90°C预热10分 钟之后，向组合光刻_压印模板施加2Mpa的压印压力，使得组合光刻-压印模板压入经加 热软化的SU-8光刻胶，如图2中B2所示，保持90°C温度及压印压力20分钟后自然冷却； 得到组合光刻_压印模板、Si基底以及SU-8光刻胶的结合体；4、对结合体中的SU-8光刻胶通过透光的组合光刻-压印模板进行紫外曝光，曝光剂量为200mJ/cm2，对曝光后的SU-8光刻胶进行烘烤固化，烘烤温度为90°C，烘烤时间为10 分钟，经过烘烤固化，组合光刻_压印模板上的光栅纳米尺寸结构会复制到SU-8光刻胶上， 在SU-8光刻胶上形成光栅纳米尺寸结构；自然冷却后重新分离为组合光刻-压印模板和表 面粘附有SU-8光刻胶的Si基底；将表面粘附有SU-8光刻胶的Si基底浸入PGMEA显影液， 曝光后的SU-8光刻胶固化不溶于显影液，样品池Cr掩模结构下未曝光的SU-8光刻胶溶于 显影液，实现在Si基底上的样品池的制作，如图2中B3所示。5、取PET片材，如图2中B4所示，在PET片材的表面旋涂型号为2025的、作为键 合层的键合层SU-8光刻胶，在90°C条件下烘烤20分钟，对PET片材上的键合层SU-8光刻 胶进行紫外曝光，曝光剂量为lOOmJ/cm2。对曝光后的键合层SU-8光刻胶进行烘烤使得曝光的键合层SU-8光刻胶固化，烘烤温度是90°C，烘烤时间为10分钟，自然冷却得PET基片，如图2中B5所示。按体积比环戊酮SU-8为100 5对型号为2002的SU-8光刻胶进行 稀释，稀释后的SU-8光刻胶厚度为150nm。将稀释后厚度为150nm SU-8光刻胶旋涂于固化 的键合层SU-8光刻胶上，作为固化的键合层SU-8光刻胶的粘附层，如图2中B6所示；
6、将经步骤4完成制成的具有光栅纳米尺寸结构和样品池结构的Si基底经氧气 等离子体处理后层压在PET基底上，以75°C预热10分钟，施加0. 5Mpa的压印压力，使得 SU-8光刻胶将键合层SU-8光刻胶和Si基底上SU-8光刻胶粘合，保持75°C及压印压力20 分钟后自然冷却，透过PET基片对Si基底上的各SU-8光刻胶层进行紫外曝光，曝光剂量为 200mJ/cm2，完成曝光后，对于包括有Si基底、各SU-8光刻胶层以及PET基片的层叠结构进 行烘烤，使得各SU-8光刻胶层之间充分固化交联后，去除PET基片即完成SU-8纳米流体系 统的制作，如图2B7所示。其中后烘时间为20分钟，温度由75°C上升至90°C，温度上升速 度为2°C/分钟。
权利要求
一种SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是按如下步骤操作a、利用全息法在石英基底(2)上制作光刻胶(1)的光栅图形，并通过反应离子刻蚀将所述光刻胶(1)的光栅图形转移到石英基底(2)上，形成具有光栅结构的石英基底(2)；在所述具有光栅结构的石英基底(2)上旋涂用于制作样品池掩模的光刻胶(3)，利用样品池模板(4)通过曝光显影形成具有样品池结构的光刻胶图形；利用反应离子刻蚀将所述具有样品池结构的光刻胶图形向石英基底(2)上的转移，在完成转移后的石英基底(2)的表面沉积Cr膜(5)，获得包含样品池Cr掩模结构(7)和光栅纳米尺寸结构(8)的组合光刻-压印模板(6)；b、在Si片表面旋涂SU-8光刻胶(9)，经烘烤形成Si基底(10)；c、在所述组合光刻-压印模板(6)的表面旋涂脱模剂后层压在所述Si基底(10)上，预热使所述Si基底(10)表面的SU-8光刻胶(9)软化后向所述组合光刻-压印模板(6)施加压印压力，使所述组合光刻-压印模板(6)压入软化的SU-8光刻胶(9)，保持压印压力20分钟后自然冷却，得到组合光刻-压印模板(6)、Si基底(10)以及SU-8光刻胶(9)的结合体；d、对所述结合体中的SU-8光刻胶(9)通过透光的组合光刻-压印模板(6)进行紫外曝光，曝光后经烘烤使SU-8光刻胶(9)固化，同时，组合光刻-压印模板(6)上的光栅纳米尺寸结构(8)复制在所述SU-8光刻胶(9)上；经自然冷却后重新分离为组合光刻-压印模板(6)和表面粘附有SU-8光刻胶(9)的Si基底(10)；将所述表面粘附有SU-8光刻胶(9)的Si基底(10)浸入在PGMEA显影液中，使样品池Cr掩模结构(7)下未曝光的SU-8光刻胶(9)溶于显影液，完成在所述Si基底(10)上的样品池的制作；e、在PET片材的表面旋涂键合层SU-8光刻胶(12)，经烘烤固化后对所述PET片材上的键合层SU-8光刻胶(12)进行紫外曝光，再经烘烤使曝光后的键合层SU-8光刻胶(12)固化，经自然冷却得PET基片(11)；将稀释成厚度为150nm的稀释SU-8光刻胶(13)旋涂于固化的键合层SU-8光刻胶(12)上；f、将经所述步骤d完成制作的Si基底(10)经氧气等离子体处理后层压在所述PET基片(11)上，经预热软化后施加压印压力，使得稀释SU-8光刻胶(13)将键合层SU-8光刻胶(12)和Si基底(10)上SU-8光刻胶(9)粘合，保持压印压力20分钟后自然冷却；透过PET基片(11)对Si基底(10)上的各SU-8光刻胶层进行紫外曝光，完成曝光后，对于包括有Si基底(10)、各SU-8光刻胶层以及PET基片(11)的层叠结构进行烘烤，使 得各SU-8光刻胶层之间充分固化交联后，去除PET基片(11)即完成SU-8纳米流体系统的制作。
2.根据权利要求1所述的SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是在所述步骤a中， 所述反应离子刻蚀过程是以CHF3和Ar的混合气体为刻蚀气体，按体积比的CHF3 Ar为 3 I0
3.根据权利要求1所述的SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是所述步骤c中的脱 模剂为DC20。
4.根据权利要求1所述的SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是所述各步骤中的紫 外曝光光源的波长为365nm。
5.根据权利要求1所述的SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是所述步骤e中的稀 释SU-8光刻胶(13)是对型号为2002的SU-8光刻胶以环戊酮按20倍的体积比进行稀释。
6.根据权利要求1所述的SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是所述步骤f中对 Si基底(10)进行氧气等离子体处理的真空度为25Pa，功率为60W，轰击时间为15秒。
全文摘要
本发明公开了一种SU-8纳米流体系统的制作方法，其特征是利用全息曝光技术制作光刻-压印组合模板，并将光刻压印组合模板应用于SU-8纳米流体系统的加工中，其中利用光刻-压印组合模板包含的不同部分具有的不同功能，并结合键合技术实现纳米流体系统的制作。该方法操作简单，实现了样品池和纳米通道的同步成型，制造成本低，且不需要苛刻的设备。对制作的纳米流体系统进行流体填充测试的结果显示了系统没有分层和堵塞，通道的边界清晰可见，也看不出键合的界面，显示了很好的质量。
文档编号B82B3/00GK101823690SQ201010143718
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者卢景景, 李小军, 汤起升, 王旭迪, 金建 申请人:合肥工业大学