专利名称：一种石英玻璃上制作纳米级沟道的方法
技术领域：
本发明涉及一种石英玻璃上纳米沟道的制作方法，属于微细加工技术领域。
背景技术：
微全分析系统(micro total analytical system，μTAS)又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)是在上世纪90年代由Manz et al.提出的概念，是将微机电技术(micro-electromechanical systems，MEMS)和分析化学检测相结合，把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的技术。经过十多年的发展，在微芯片上对核酸、蛋白质、有机化合物及无机离子的分离、分析及检测系统方面发展很快，已经有集成的商品化微全分析系统出现。近来纳米尺度下的流体特性受到广泛关注，当管道尺寸降至纳米尺寸的时候，其沟道中的液体将展现出与微米尺度流体所不同的流体特性，例如电渗流减小，液体流速增加等。这为微全分析系统的研究开辟了新的领域，已有报道将纳米流体特性应用于蛋白的预富集、超快速样品混和、带电反应物的转移等。现阶段，加工纳米沟道主要用反应离子蚀刻(RIE)的方法，在真空状态下对通入反应腔的气体施加射频电源，使气体分子解离并在电极的作用下加速撞击阴极的需要蚀刻材料从而达到蚀刻材料的目的。需要特殊的反应设备并需根据不同材料准备不同流量的反应气体，且加工费用昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英玻璃上制作纳米级沟道的方法，具体地说是在石英玻璃材料上采用标准的光刻、湿法腐蚀和键合技术实现纳米级沟道的一种制作方法。方法简便，使用基本的MEMS加工工艺，无需特殊设备。
本发明解决的关键技术有以下几个方面1.湿法腐蚀液的配置采用了目前广泛使用的湿法腐蚀工艺，这是微机械加工技术中的关键步骤。对湿法腐蚀而言，刻蚀的形貌主要决定于待腐蚀的材料及腐蚀液的组成。因此腐蚀液的配置直接影响着纳米沟道的图形结构，是本制作方法的关键工艺。
2.腐蚀深度的控制湿法腐蚀中，腐蚀深度与多个因素相关，包括材料性能、腐蚀液配比、腐蚀的环境温度。在材料性能确定的前提下，本发明采用水浴下进行腐蚀操作，控制腐蚀操作环境的温度在40℃；严格控制腐蚀液的配比。由此控制纳米级管道的腐蚀深度。
具体的说，本发明提供了一种简单可行的纳米结构制作方法，具体工艺流程包括下列几个关键步骤1.光刻将镀了铬层的石英玻璃片，使用丙酮、乙醇和去离子水反复清洗；使用氮气吹干并放至120℃烘干；再蒸镀六甲基二硅氧烷HMDS，以增加玻片表面粘附性；在4000rpm下甩光刻胶6809；在100℃热板上前烘；使用强度为12mW/cm2光刻机，光刻12s；放置显影液中显影18s，去离子水清洗。
2.湿法腐蚀等离子体去除残留管道内的光刻胶；坚膜120℃；用铬腐蚀液，去除图形部分铬层；放入40～50℃恒温的石英玻璃腐蚀液搅拌，进行纳米管道腐蚀。
3.键合使用在水中低温键合方法纳米沟道腐蚀完毕后，用去离子水清洗，放入铬腐蚀液将表面剩余的铬层去掉；然后将基片和盖片放入Piranha(体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1)洗液清洗后；接着在亲和洗液(体积比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中烧煮30min，后使用去离子水清洗；水中贴合芯片键合(预键合)直接将基片和盖片在去离子水中贴合，然后转移到真空干燥箱中。设定真空干燥箱温度为100℃打开真空泵，持续抽真空30min后关闭真空泵，保持100℃，2h；键合缓慢加热至200℃保持6h后关闭电源自然冷却，实现纳米级沟道的制作，可用于纳米流体特性的研究。
具体制作步骤详见实施例1和2，在此不再重复。
本发明所述的纳米级管道为架在两微米管道间纳米管道或米字型纳米级沟道芯片。
本发明采用的优点和有益效果是1.本发明采用的加工基底材料为石英玻璃，具有良好的微加工性质，与MEMS加工工艺兼容，来源丰富；2.本发明加工工艺过程简单，不需要反应离子刻蚀等特殊仪器；3.根据配制的腐蚀液，调节腐蚀时间及腐蚀温度可以精确的控制纳米沟道的深度和宽度，误差在±1nm左右。
图1纳米沟道制作工艺流程图(a)在石英基片上镀铬(b)蒸HMDS(c)涂光刻胶6809(d)光刻(e)腐蚀铬层(f)玻璃腐蚀(g)去光刻胶及铬层(h)键合图2纳米沟道结构图(a)纳米沟道AFM效果图(b)纳米沟道结构照片(圆内为架在两微米管道间的纳米沟道)
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明实施例1在微米管道间制作50nm纳米通道。
1)第一次光刻1、清洗分别用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗基片5min；氮气吹干；烘干(120℃)20min2、蒸镀有机硅氧化物(HMDS)；涂6809光刻胶，以4000rpm速度甩胶30s3、前烘100℃，6min4、光刻使用强度为12mW/cm2的光刻机，光刻12s5、显影18s6、打底膜10S7、坚膜120℃烘箱30min2)主管道腐蚀1、去铬用铬腐蚀液(硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L)去图形部分铬层2、去离子水清洗10遍3、玻璃腐蚀放入40-50℃恒温的石英玻璃腐蚀液(体积比HF∶H2O2∶HAC＝2∶1∶1)中腐蚀40-50min，得到宽50微米，深10微米左右的主通道，调节腐蚀时间和温度可精确控制纳米沟道的深度和宽度，误差为±1nm。
4、去离子水清洗10遍3)第二次光刻，以制作纳米结构的沟道1、清洗分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片5min；氮气吹干；120℃烘干20min2、甩胶，光刻胶6809 4000rpm，30s厚度0.9μm3、前烘100℃，6min(热板)
4、对准光刻采用强度为12mW/cm2的光刻机光刻12s5、显影18s6、打底膜10s7、坚膜120℃烘箱30min4)纳米管道制作1、去铬用铬腐蚀液(硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L)去图形部分的铬层2、纳米腐蚀放入40-50℃恒温的石英玻璃腐蚀液(体积比HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5)搅拌，50-70s，50nm左右深，根据配制的腐蚀液，调节腐蚀时间和温度可精确控制腐蚀深度，误差为±1nm；5)打孔金刚钻在基片相应位置上钻孔径为2mm的孔，作为储液池。
6)键合1、丙酮去表面残留光刻胶，乙醇及去离子水清洗2、表面去铬将基片放入配好的铬腐蚀液中，在超声池中3min去铬层3、用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗基片、盖片5min4、Piranha洗液清洗。将基片、盖片放入Piranha洗液(体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1)，烧煮10～15min；增加表面亲和力；去离子水清洗5、在亲和洗液(体积比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中烧煮30min；去离子水清洗10-15遍6、水中贴合芯片键合(预键合)直接将基片和盖片在去离子水中贴合，然后转移到真空干燥箱中。设定真空干燥箱温度为100℃打开真空泵，持续抽真空30min后关闭真空泵，保持100℃7、键合缓慢升至200℃6h后关闭电源自然冷却，实现低温键合制得纳米级沟道芯片，用于纳米流体分析。
实施例2制作“米”字型100nm纳米通道芯片。
1)光刻(纳米结构)
1、清洗分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片5min；氮气吹干；烘干(120℃)20min2、甩胶，光刻胶68094000rpm，30s厚度0.9μm3、前烘100℃，6min(热板)4、对准光刻采用强度为12mW/cm2的光刻机光刻12s5、显影18s6、打底膜10S7、坚膜120℃烘箱30min2)纳米管道制作1、去铬用铬腐蚀液(硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L)去图形部分铬层2、纳米腐蚀放入40-50℃恒温的石英玻璃腐蚀液(HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5，体积比)搅拌，100-120s，100nm左右深；根据配制的腐蚀液，调节腐蚀时间和温度，可精确控制纳米沟道的深度，误差在±1nm左右；3)打孔金刚钻在基片相应位置上钻孔径为2mm的孔，作为储液池。
4)键合1、丙酮去表面残留光刻胶，乙醇及去离子水清洗2、表面去铬将基片放入配好的铬腐蚀液中，在超声池中3min去铬层3、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片、盖片5min4、Piranha洗液清洗。将基片、盖片放入Piranha洗液(体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1)，烧煮10～15min；增加表面亲和力；去离子水清洗5、在亲和洗液(体积比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中烧煮30min；去离子水清洗10遍6、水中贴合芯片键合(预键合)直接将基片和盖片在去离子水中贴合，然后转移到真空干燥箱中。设定真空干燥箱温度为100℃打开真空泵，持续抽真空30min后关闭真空泵，保持100℃7、键合缓慢升至200℃6h后，关闭电源自然冷却，实现低温键合制得纳米级沟道芯片，用于纳米流体分析。
权利要求
1.一种石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于所述的纳米级管道为架在两微米管间纳米管道的制作步骤是A)第一次光刻(a)清洗分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗镀了铬层的石英玻璃片5min；氮气吹干；烘干；(b)蒸镀六甲基二硅氧烷；涂6809光刻胶，以4000rpm速度甩胶；(c)前烘100℃，6min；(d)光刻使用强度为12mW/cm2的光刻机，光刻12s；(e)显影18s，且去离子清洗；(f)打底膜10S；(g)坚膜120℃烘箱30min；B)主管道腐蚀(a)去铬用由硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L配制的铬腐蚀液去除图形部分铬层；(b)去离子水清洗10遍；(c)玻璃腐蚀放入40-50℃恒温的体积比HF∶H2O2∶HAC＝2∶1∶1组成的石英玻璃腐蚀液中腐蚀，得到宽50微米，深10微米的主通道；(d)去离子水清洗10遍C)第二次光刻，以制作纳米结构的管道(a)清洗分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片5min；氮气吹干；烘干20min；(b)甩胶，光刻胶6809 4000rpm，30s厚度0.9μm；(c)前烘100℃，6min；(d)对准光刻采用强度为12mW/cm2的光刻机光刻12s；(e)显影18s；(f)打底膜10s；(g)坚膜120℃烘箱30min；D)纳米管道制作(a)去铬用由硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L配制成的铬腐蚀液去除图形部分的铬层；(b)纳米腐蚀放入40-50℃恒温的由体积比HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5组成的石英玻璃腐蚀液搅拌，50-70s，腐蚀深度为50nm；E)打孔用金刚钻在基片相应位置上钻孔径为2mm的孔，作为储液池；F)键合(a)丙酮去表面残留光刻胶，乙醇及去离子水清洗；(b)表面去铬∶将基片放入配好的铬腐蚀液中，在超声池中3min去铬层；所述的铬腐蚀液组成与上述步骤B中(a)相同；(c)丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片、盖片5min；(d)洗液清洗，将基片、盖片放入体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1的Piranha洗液，烧煮10～15min；增加表面亲和力；且用去离子水清洗；(e)再在体积比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1的亲和洗液中烧煮30min；去离子水清洗；(f)水中贴合芯片预键合直接将基片和盖片在去离子水中贴合，然后转移到真空干燥箱中。设定真空干燥箱温度为100℃打开真空泵，持续抽真空30min后关闭真空泵，保持100℃(g)键合缓慢升至200℃后，关闭电源自然冷却，实现低温键合制得纳米级沟道芯片，用于纳米流体分析。
2.按权利要求1所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在第一次光刻步骤中(a)的烘干温度为120℃，时间为20分钟。
3.按权利要求1所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在第一次光刻步骤(b)的甩胶时间为30s。
4.按权利要求1所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在主管道腐蚀步骤中的(c)中石英玻璃腐蚀时间为40-50min，根据配制的腐蚀液，调节腐蚀液湿度误差为±1nm。
5.按权利要求1所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在键合步骤中(g)中的键合时间为6h。
6.一种石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于所述“米”字型纳片通道芯片的制作步骤是A)光刻纳米结构(a)清洗分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗镀了铬层的石英玻璃基片5min；氮气吹干；烘干；(b)甩胶，光刻胶6809甩胶速度为4000rpm；(c)前烘100℃，6min；(d)对准光刻采用强度为12mW/cm2的光刻机光刻12s；(e)显影18s；(f)打底膜10S；(g)坚膜120℃烘箱30min；B)纳米管道制作(a)去铬使用由硝酸铈铵400g+高氯酸110mL，去离子水定容至1.76L配制的铬腐蚀液去除图形部分铬层；(b)纳米腐蚀放入40-50℃恒温的由体积比为HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5组成的石英玻璃腐蚀液搅拌，腐蚀深度为100nm；C)打孔金刚钻在基片相应位置上钻孔径为2mm的孔，作为储液池；D)键合(a)先用丙酮去除表面残留光刻胶，再用乙醇及去离子水清洗；(b)表面去铬将基片放入配好的铬腐蚀液中，在超声池中3min去铬层；所述的铬腐蚀同步骤(B)中(a)所述的组成；(c)丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基片、盖片5min(d)洗液清洗.将基片、盖片放入体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1的Piranha洗液，烧煮10～15min；增加表面亲和力；去离子水清洗；(e)再在体积比为NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1的亲和洗液中烧煮30min；去离子水清洗；(f)水中贴合芯片；预键合直接将基片和盖片在去离子水中贴合，然后转移到真空干燥箱中.设定真空干燥箱温度为100℃打开真空泵，持续抽真空30min后关闭真空泵，保持100℃；(g)键合缓慢升至200℃后，关闭电源自然冷却，实现低温键合制得纳米级沟道芯片，用于纳米流体分析。
7.按权利要求6所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于光刻纳米结构步骤中(a)的烘干温度为120℃，时间为20分钟。
8.按权利要求6所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于光刻纳米结构步骤中(b)的甩胶时间为30s，厚度为0.9μm。
9.按权利要求6所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在纳米管道制作步骤(b)去除图形部分铬层的石英玻璃腐蚀时间为100-120s，调节腐蚀的时间和温度控制纳米沟道的深度，误差为±1nm。
10.按权利要求6所述的石英玻璃上纳米沟道的制作方法，其特征在于在键合步骤中200℃条件下，键合时间为6h。
全文摘要
本发明涉及一种石英玻璃上纳米沟道的制作方法。其特征在于制作的关键技术包括光刻、湿法腐蚀和键合三个关键步骤，其中湿法腐蚀液配置，这是MEMS加工技术中的关键之一，它直接影响纳米沟道的图形结构。本发明采用的基底材料为石英玻璃，工艺简单不需要反应离子刻蚀等设备，根据配制的腐蚀液调节腐蚀时间和温度可精确控制纳米沟道的深度误差在±1nm左右。
文档编号G01N35/00GK101037185SQ20071003641
公开日2007年9月19日 申请日期2007年1月12日 优先权日2007年1月12日
发明者金庆辉, 刘菁, 赵建龙 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所