一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法与流程

本发明涉及纳米通道的制作方法，具体涉及一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法。

背景技术：

微纳流控芯片可将生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、分离、检测等基本操作微缩到一个几十平方厘米大小的基底上。通过设计适当的微纳通道结构，流体能在通道中按照一定方式流动，从而使芯片在整体上获得特定的功能。然而随着通道尺寸的减小，尺寸效应的影响将会提高，微纳通道中的流体会出现一些与宏观流体不一样的特异性质。例如当通道尺寸到达纳米级时，量子效应、界面效应和纳米尺度效应将不可忽略。因此基于纳米通道的流体系统越来越受到人们的关注。

利用和研究纳米流体系统，其前提是制作纳米通道。传统的纳米通道制作方法，是先通过纳米压印、掩膜板光刻或者电子束直写等技术制作聚合物微纳米沟槽结构，然后结合热键合技术实现通道的顶部密封。热键合技术是将键合层通过加热粘连微纳米沟槽，以封闭沟槽顶部形成通道的技术。在外部压力作用下，高于玻璃态温度的高聚物键合层通过浸润和粘合作用实现界面处分子链的纠缠，实现紧密的界面接触。图1是常规热键合技术的流程简图。然而，处于熔融态的聚合物在键合过程中不可避免的会流入通道线条结构内部。随着制作的通道尺寸减小，尤其是尺寸达到纳米级的时候，键合的方式极易导致通道堵塞，对通道尺寸的精确控制及工艺可靠性造成不利影响。因此现有的热键合方式主要用于微米级及以上尺寸通道的制作。

此外，当尺寸到达纳米级的时候，利用纳米通道做一些生物化学实验时，由于通道尺寸太小，很难引导需要研究的物质或粒子进入纳米通道。例如，当需要做dna拉伸实验时，由于dna粒子蜷缩成团，很难引导其进入纳米通道内。如果能够制作一个渐变的纳米通道，通道尺寸从大逐渐变小，那么粒子就可以先进入大的通道，然后再进去小的通道。这样就对引导粒子进入纳米通道有一定的帮助，然而传统的加工方法中还没有类似的工艺。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对现有纳米通道制作过程存在问题，提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法。本发明的技术方案为：

第一个方面，本发明提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，纳米线条结构模板的制作；

步骤1.1，在石英玻璃基片一的一侧表面涂覆光刻胶一；

步骤1.2，对光刻胶一进行全息曝光，曝光结束后显影，直至在光刻胶一出现纳米线条结构；

步骤1.3，将显影后的光刻胶一在保护气下进行离子束刻蚀，刻蚀结束后去除光刻胶得到纳米线条结构模板；

步骤2，纳米压印转移模板上的纳米线条结构；

步骤2.1，在石英玻璃基片二上涂覆光刻胶二；

步骤2.2，将步骤1获得的纳米线条结构模板涂覆脱模剂后压入光刻胶二后对其进行紫外曝光直至该模板上的纳米线条结构转移到光刻胶二上；

步骤2.3，转移完成后，将光刻胶二进行改性固化，脱除纳米线条结构模板，得到纳米线条结构基片；

步骤3，将纳米线条结构基片上纳米线条结构区域分成若干部分，按照顺序以渐变角度将二氧化硅薄膜一一沉积在每部分的纳米线条结构表面，以形成渐变尺寸的纳米通道。

优选的，所述步骤1.1中，涂覆光刻胶一的条件为：匀胶机转速1000～2000r/min，时间为30s，涂覆厚度为180～220nm，并于90℃保温30min。

可选的，所述光刻胶一为az701光刻胶。

优选的，所述步骤1.2中，全息曝光的条件为：曝光时间4～5分钟；波长442m，光强130mw。全息光刻是采用一定波长的激光器作为光源，通过空间滤波器扩束滤波最后采用劳埃镜光路形成干涉条纹。对光刻胶曝光后，光刻胶记录下来干涉条纹信息。对于两束光波干涉，条纹间距或周期由(λ/2)/sin(θ/2)决定，其中λ为波长、θ为两束相干光波之间的夹角。通过改变两干涉光束在样品表面的夹角或激光波长，可以制作出不同周期的光刻胶线条图案。

进一步的，所述步骤1.3中刻蚀的通道的宽深比为1:(2～2.5)。

进一步的，所述步骤2.1中，涂覆光刻胶二的条件为：匀胶机转速是先600r/min9秒，然后2000r/min60秒，涂覆厚度为2～2.5μm，并于90℃保温10min。

可选的，所述光刻胶二为su-82002光刻胶。

可选的，所述步骤2.2中，脱模剂由有机硅脱模剂和异丙醇按照体积比为1:200混合而成。

优选的，所述步骤2.2中，紫外曝光的条件为：曝光时间2分钟，曝光剂量为200mj/cm²。

优选的，所述步骤2.3中，改性固化的条件为：温度为90℃，时间为10min。

进一步的，所述步骤3中渐变角度范围在25～80℃。

第二个方面，本发明提供一种渐变尺寸的纳米通道，是采用上述制作方法制作。

本发明的有益效果是：本发明首先利用全息光刻法制作出符合预期的纳米线条结构模板，然后将模板上的纳米线条结构转移至另一基片的光刻胶后脱模，再通过沉积薄膜的方式来实现纳米通道的密封。在镀膜过程中通过遮挡及变换镀膜角度的方式，实现渐变尺寸的纳米通道的制作，该方法的优点在于，可以获得渐变尺寸的纳米通道的同时，避免传统密封通道方法易造成通道阻塞的问题。此外还可以解决大纳米通道与小纳米通道的衔接问题，有助于将待检测纳米粒子顺利引入到纳米通道内，从而更加方便进行其他生物化学分析，拓展其应用范围。

附图说明

图1为常规热键合过程的工艺流程简图，其中a)表示在基底上旋涂聚合物，b)表示已制备的微纳米图形，c)表示热键合。

图2为本发明实施例1中纳米线条结构模板的制作过程示意图。

图3为本发明实施例1中纳米压印转移模板上的纳米线条结构的制作过程示意图。

图4为本发明实施例1中第一部分遮挡及以θ1＝25°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图，其中4-1为对剩余部分进行遮挡的结构示意图，4-2为在θ1的镀膜角度进行二氧化硅沉积的结构示意图。

图5为本发明实施例1中第二部分遮挡及以θ2＝35°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图，其中5-1为对剩余部分进行遮挡的结构示意图，5-2为在θ1的镀膜角度进行二氧化硅沉积的结构示意图。

图6为本发明实施例1中第三部分遮挡及以θ3＝45°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图，其中6-1为对剩余部分进行遮挡的结构示意图，6-2为在θ1的镀膜角度进行二氧化硅沉积的结构示意图。

图7为本发明实施例1中第四部分遮挡及以θ4＝60°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图，其中7-1为对剩余部分进行遮挡的结构示意图，7-2为在θ1的镀膜角度进行二氧化硅沉积的结构示意图。

图8为本发明实施例1中最终获得的渐变尺寸的密封通道的结构示意图。

图9为本发明对比例2中第一部分遮挡及以θ1＝20°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图。

图10为本发明对比例3中第四部分遮挡及以θ4＝85°角进行薄膜沉积密封通道的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本实施例提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，纳米线条结构模板的制作；其制作过程如图2所示。

步骤1.1，取一片透光率高，表面平整的石英玻璃作为基底，将石英玻璃用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮。自然冷却后，放入灰化机中灰化一小时以增强其表面粘附力。接着通过匀胶机在石英表面涂覆一层增粘剂(azadpromoter增粘剂)，增加基底黏性，防止光刻胶显影时脱胶。匀胶机转速1500r/min，时间为30s，并置于烘箱中，90℃，保温10分钟；

步骤1.2，前处理好石英基片后，在其上涂覆az701光刻胶，光刻胶是经过专门的稀释剂(az1500thinner稀释剂)以体积比1：5的方式稀释，这样旋涂的后胶层较薄，有利于后面的曝光及显影到底。匀胶机转速为1000r/min，时间为30s，此时光刻胶厚约200nm；随后将其置于90℃烘箱中30分钟，以完全去除多余溶剂；

步骤1.3，对上述基片进行全息曝光，曝光时间4分钟；波长442，光强130mw。全息光刻是采用一定波长的激光器作为光源,通过空间滤波器扩束滤波最后采用劳埃镜光路形成干涉条纹。对光刻胶曝光后,光刻胶记录下来干涉条纹信息。对于两束光波干涉，条纹间距或周期由(λ/2)/sin(θ/2)决定，其中λ为波长、θ为两束相干光波之间的夹角。通过改变两干涉光束在样品表面的夹角或激光波长，可以制作出不同周期的光刻胶线条图案。本实施例中制作的纳米线条为1500线，即纳米线条结构周期为667nm；

步骤1.4，曝光后，将基片至于质量百分比为5‰naoh溶液中显影，显影时长为1分钟10秒；此时基片上将出现纳米线条结构；

步骤1.5，显影完成后通过去离子水冲净，并氮气吹干；

步骤1.6，将上述基片至于离子束刻蚀机内，在三氟甲基烷烃(cf3)，氩气环境下进行离子束刻蚀，本实施例的刻蚀深度为160nm，宽度为333nm，因此本实施例制作的通道深宽比约为1:2。

步骤1.7，用丙酮去除保护的光刻胶，最终得到符合预期的纳米线条结构模板。

步骤2，纳米压印转移模板上的纳米线条结构；其制作过程如图3所示。

步骤2是以玻璃为基底，以su-8为转印的光刻胶材料，将步骤1制作的纳米线条结构模板压入su-8中，并进行紫外曝光，由于上述石英模板是透光的，因此整个su-8都会被曝光并固化，从而将纳米线条结构转移到su-8光刻胶上。纳米线条结构转移到光刻胶的目的和作用有两个，一是可以节省成本，原始模板可以重复利用。第二，本实施例后期是通过薄膜沉积的方式密封通道，沉积的薄膜材料与光刻胶结合力也强一些，这样制作的通道结构强度也好一些。具体工艺步骤如下：

步骤2.1，取另一片平整的玻璃作为基底，用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮，自然冷却后，放入灰化机中灰化1小时以增强其表面粘附力；

步骤2.2，前处理好石英基片后，在其上涂覆su-82002光刻胶。匀胶机转速是先600r/min9秒，然后2000r/min60秒，胶层厚度为2.5μm左右。将硅片放在热台上，在90℃条件下烘烤10min，去除su-8的有机溶剂；

步骤2.3，在上述基片上旋涂脱模剂，便于后面模板与su-8分离。脱模剂为道康宁有机硅脱模剂dc-20、异丙醇的混合溶液，按体积比dc20：异丙醇＝1：200混合。在模板清洁处理及干燥后，以2000rpm的转速旋涂脱模剂，脱模剂会在基片表面形成单分子层；

步骤2.4，将涂覆脱模剂的基片放到紫外曝光机下曝光2分钟，曝光剂量为200mj/cm2，对曝光后的su-8光刻胶进行后烘使得su-8光刻胶会发生改性固化，后烘温度为90℃，时间为10分钟。su-8曝光固化后，表面能变低，利于后面的脱模。

步骤2.5，待su-8固化后，分离压印模板。最终将纳米线条结构转移到su-8胶上。脱模过程应当在低于聚合物玻璃化温度条件下进行。

步骤3，尺寸渐变纳米通道的制作；该步骤是通过遮挡及变换镀膜角度的方式来实现尺寸渐变纳米通道的制作。这样一方面可以解决传统通道密封工艺容易导致通道堵塞的问题，同时也可以通过改变镀膜角度控制通道大小。工艺方法如下：

步骤3.1，在镀膜之前，利用氧气等离子体处理上述su-8纳米线条结构，以去除由模板带来的残留在基底上的脱模剂，同时也可以提高su-8的表面能，增强su-8与后续沉积的二氧化硅(sio2)薄膜之间的结合力；

步骤3.2，将上述制作好的纳米线条结构基片上纳米线条结构区域分成4部分，依次进行二氧化硅薄膜沉积，并且在沉积其中一部分时剩余部分用遮挡板挡住，如图4～7所示，将基片至于磁控溅射镀膜机中，调整基片与靶材的角度，以角度(θ1＝25°)将二氧化硅(sio2)薄膜沉积到第一部分的基片上，接近通道入口的通道部分，镀膜角度大一些，这样镀膜密封形成的通道尺寸相对较大。这里采用sio2作为镀膜材料，是因为其为透明材料，因此可以方便的观察到通道内部情况，便于应用于其他化学生物实验。接着，遮挡第二部分，如图5所示，再次调整镀膜角度(θ2＝35°)，让镀膜角度小一些，这样密封形成的通道尺寸会相对小一些。重复以上步骤，如图6，7所示，遮挡第三部分和第四部分，并变换薄膜沉积角度(θ3＝45°，θ4＝60°)，最终制作出渐变宽度的纳米通道。制作出的通道(示意其中一条)，如图8所示，从入口到出口宽度逐渐从a变化b，再到c，最后到d，其中a、b、c、d约330nm、220nm、160nm、90nm。

对比例1

本实施例提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法，与实施例1的区别在于：步骤3采用键合密封，即在步骤2获得的基片上盖一层盖片进行密封，最终只能获得一种尺寸的通道，此外，这种键合方式密封极易造成通道堵塞。

对比例2

本实施例提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法，与实施例1的区别在于：θ1＝20°。结果，由于沉积的粒子反射等原因，形成了一种不规则图案，通道尺寸变得不可控，如图9所示。因此，在采用沉积方式进行通道密封时的最小镀膜角度不能低于25°。

对比例3

本对比例提供一种渐变尺寸的纳米通道的制作方法，与实施例1的区别在于：θ4＝85°。结果，在进行第四部分沉积时发生通道堵塞，如图10所示，推测是由于粒子间碰撞、散射等一系列原因导致，总之最终的结果是如果沉积最大角度大于80°，导致通道封闭失败。

综上，本发明首先利用全息光刻法制作出符合预期的纳米线条结构模板，然后将模板上的纳米线条结构转移至另一基片的光刻胶后脱模，再通过沉积薄膜的方式来实现纳米通道的密封。在镀膜过程中通过遮挡及变换镀膜角度的方式，实现渐变尺寸的纳米通道的制作，该方法的优点在于，可以获得渐变尺寸的纳米通道的同时，避免传统密封通道方法易造成通道阻塞的问题。此外还可以解决大纳米通道与小纳米通道的衔接问题，有助于将待检测纳米粒子顺利引入到纳米通道内，从而更加方便进行其他生物化学分析，拓展其应用范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。