聚合物二維納米通道熱壓工藝及相關理論研究.pdf

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

2、的思路。與微流控芯片相比，納流控芯片功能更復雜，靈敏度和集成度更高，試劑消耗量也進一步下降。因此納流控芯片自從誕生起就受到了國內外學者的廣泛關注。目前世界各國的研究者已經開始對納流控芯片技術進行了研究，其應用范圍也延伸到生命科學、生物分析化學、臨床檢驗診斷學、信息科學、材料科學和環(huán)境科學等相關領域。
　　納米通道是納流控芯片的關鍵結構，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納流控芯片的研究主要集中在對納米通道內流體

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納流控芯片應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，人們已經對二維納米通道的制造方法進行了大量研究，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，熱壓成型技術具有工藝簡單、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。然而，目前利

4、用熱壓技術和熱壓鍵合技術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）缺乏準確計算廣義Maxwell方程常數的模型;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制精度低。本文針對這些問題，提出了解決方案并進行了如下研究。
　　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、體刻蝕時間對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)律和產生機理，表征了光刻膠臺階高度和寬度的均勻性，分析了光刻膠臺階均勻性對納米圖形尺寸的影響。該方法利用傾斜蒸鍍技術，一步制造出寬度為納米級的銅掩蔽層。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。
　　另外本文也設計了基于低溫側墻技術的二維納米模具制造工藝。分析了側墻斷裂和剝離的原因，研究了工藝溫度對側墻應力的影響。開發(fā)了一

6、種低溫沉積和側墻材料去除工藝，采用紫外光刻制造微米尺度光刻膠臺階作為側墻支撐材料，使得整個工藝能夠在室溫下進行。這兩種二維納米模具制造方法均無需復雜昂貴的電子束和離子束刻蝕設備，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方程常數計算模型
　　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，根據廣義Maxwell方程和粘彈性積分型本構方程，建立了適合熱

7、壓過程的聚合物廣義Maxwell方程常數計算新模型。根據聚合物壓縮蠕變實驗曲線，計算了不同溫度下聚合物的廣義Maxwell方程常數。通過有限元數值仿真，定量地分析了熱壓工藝參數與二維納米溝道復制精度之間的關系，并結合熱壓成型實驗結果，驗證了廣義Maxwell方程常數計算模型的準確性。
　　3)研究了熱壓鍵合工藝關鍵技術，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聚合物芯片進行鍵合，以芯片鍵合率和通道

8、截面損失率為評價指標，研究了熱壓鍵合工藝參數對芯片鍵合質量的影響，優(yōu)化了熱壓鍵合工藝參數。分析了氧等離子體處理射頻功率和處理時間對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聚合物表層材料楊氏模量和硬度的影響，提出一種觀測表征聚合物微米和納米通道斷面形貌的置換表征法，計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導致納米圖形復制精度降低的現(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，提高二維納米溝道的復制精度。在制造過程中，本文分析了熱壓溫度、熱壓時間和SU-8膠二維納米溝道復制精度之間的關系，研究了曝光時間和后烘時間對SU-8膠微米和納米溝道形貌的影響機理，提高了SU-8膠微米和納米溝道的制造質量。
　　本文對聚合物二維納米通道熱壓工藝進行了理