專利名稱：一種石英玻璃上制作納米級(jí)溝道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石英玻璃上納米溝道的制作方法，屬于微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微全分析系統(tǒng)(micro total analytical system，μTAS)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)是在上世紀(jì)90年代由Manz et al.提出的概念，是將微機(jī)電技術(shù)(micro-electromechanical systems，MEMS)和分析化學(xué)檢測(cè)相結(jié)合，把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的技術(shù)。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，在微芯片上對(duì)核酸、蛋白質(zhì)、有機(jī)化合物及無(wú)機(jī)離子的分離、分析及檢測(cè)系統(tǒng)方面發(fā)展很快，已經(jīng)有集成的商品化微全分析系統(tǒng)出現(xiàn)。近來(lái)納米尺度下的流體特性受到廣泛關(guān)注，當(dāng)管道尺寸降至納米尺寸的時(shí)候，其溝道中的液體將展現(xiàn)出與微米尺度流體所不同的流體特性，例如電滲流減小，液體流速增加等。這為微全分析系統(tǒng)的研究開辟了新的領(lǐng)域，已有報(bào)道將納米流體特性應(yīng)用于蛋白的預(yù)富集、超快速樣品混和、帶電反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移等?，F(xiàn)階段，加工納米溝道主要用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的方法，在真空狀態(tài)下對(duì)通入反應(yīng)腔的氣體施加射頻電源，使氣體分子解離并在電極的作用下加速撞擊陰極的需要蝕刻材料從而達(dá)到蝕刻材料的目的。需要特殊的反應(yīng)設(shè)備并需根據(jù)不同材料準(zhǔn)備不同流量的反應(yīng)氣體，且加工費(fèi)用昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石英玻璃上制作納米級(jí)溝道的方法，具體地說(shuō)是在石英玻璃材料上采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、濕法腐蝕和鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)溝道的一種制作方法。方法簡(jiǎn)便，使用基本的MEMS加工工藝，無(wú)需特殊設(shè)備。
本發(fā)明解決的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面1.濕法腐蝕液的配置采用了目前廣泛使用的濕法腐蝕工藝，這是微機(jī)械加工技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。對(duì)濕法腐蝕而言，刻蝕的形貌主要決定于待腐蝕的材料及腐蝕液的組成。因此腐蝕液的配置直接影響著納米溝道的圖形結(jié)構(gòu)，是本制作方法的關(guān)鍵工藝。
2.腐蝕深度的控制濕法腐蝕中，腐蝕深度與多個(gè)因素相關(guān)，包括材料性能、腐蝕液配比、腐蝕的環(huán)境溫度。在材料性能確定的前提下，本發(fā)明采用水浴下進(jìn)行腐蝕操作，控制腐蝕操作環(huán)境的溫度在40℃；嚴(yán)格控制腐蝕液的配比。由此控制納米級(jí)管道的腐蝕深度。
具體的說(shuō)，本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單可行的納米結(jié)構(gòu)制作方法，具體工藝流程包括下列幾個(gè)關(guān)鍵步驟1.光刻將鍍了鉻層的石英玻璃片，使用丙酮、乙醇和去離子水反復(fù)清洗；使用氮?dú)獯蹈刹⒎胖?20℃烘干；再蒸鍍六甲基二硅氧烷HMDS，以增加玻片表面粘附性；在4000rpm下甩光刻膠6809；在100℃熱板上前烘；使用強(qiáng)度為12mW/cm2光刻機(jī)，光刻12s；放置顯影液中顯影18s，去離子水清洗。
2.濕法腐蝕等離子體去除殘留管道內(nèi)的光刻膠；堅(jiān)膜120℃；用鉻腐蝕液，去除圖形部分鉻層；放入40～50℃恒溫的石英玻璃腐蝕液攪拌，進(jìn)行納米管道腐蝕。
3.鍵合使用在水中低溫鍵合方法納米溝道腐蝕完畢后，用去離子水清洗，放入鉻腐蝕液將表面剩余的鉻層去掉；然后將基片和蓋片放入Piranha(體積比H2SO4∶H2O2＝4∶1)洗液清洗后；接著在親和洗液(體積比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中燒煮30min，后使用去離子水清洗；水中貼合芯片鍵合(預(yù)鍵合)直接將基片和蓋片在去離子水中貼合，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。設(shè)定真空干燥箱溫度為100℃打開真空泵，持續(xù)抽真空30min后關(guān)閉真空泵，保持100℃，2h；鍵合緩慢加熱至200℃保持6h后關(guān)閉電源自然冷卻，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)溝道的制作，可用于納米流體特性的研究。
具體制作步驟詳見實(shí)施例1和2，在此不再重復(fù)。
本發(fā)明所述的納米級(jí)管道為架在兩微米管道間納米管道或米字型納米級(jí)溝道芯片。
本發(fā)明采用的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是1.本發(fā)明采用的加工基底材料為石英玻璃，具有良好的微加工性質(zhì)，與MEMS加工工藝兼容，來(lái)源豐富；2.本發(fā)明加工工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要反應(yīng)離子刻蝕等特殊儀器；3.根據(jù)配制的腐蝕液，調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間及腐蝕溫度可以精確的控制納米溝道的深度和寬度，誤差在±1nm左右。


圖1納米溝道制作工藝流程圖(a)在石英基片上鍍鉻(b)蒸HMDS(c)涂光刻膠6809(d)光刻(e)腐蝕鉻層(f)玻璃腐蝕(g)去光刻膠及鉻層(h)鍵合圖2納米溝道結(jié)構(gòu)圖(a)納米溝道AFM效果圖(b)納米溝道結(jié)構(gòu)照片(圓內(nèi)為架在兩微米管道間的納米溝道)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1在微米管道間制作50nm納米通道。
1)第一次光刻1、清洗分別用丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗基片5min；氮?dú)獯蹈?；烘?120℃)20min2、蒸鍍有機(jī)硅氧化物(HMDS)；涂6809光刻膠，以4000rpm速度甩膠30s3、前烘100℃，6min4、光刻使用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)，光刻12s5、顯影18s6、打底膜10S7、堅(jiān)膜120℃烘箱30min2)主管道腐蝕1、去鉻用鉻腐蝕液(硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L)去圖形部分鉻層2、去離子水清洗10遍3、玻璃腐蝕放入40-50℃恒溫的石英玻璃腐蝕液(體積比HF∶H2O2∶HAC＝2∶1∶1)中腐蝕40-50min，得到寬50微米，深10微米左右的主通道，調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間和溫度可精確控制納米溝道的深度和寬度，誤差為±1nm。
4、去離子水清洗10遍3)第二次光刻，以制作納米結(jié)構(gòu)的溝道1、清洗分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片5min；氮?dú)獯蹈桑?20℃烘干20min2、甩膠，光刻膠6809 4000rpm，30s厚度0.9μm3、前烘100℃，6min(熱板)
4、對(duì)準(zhǔn)光刻采用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)光刻12s5、顯影18s6、打底膜10s7、堅(jiān)膜120℃烘箱30min4)納米管道制作1、去鉻用鉻腐蝕液(硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L)去圖形部分的鉻層2、納米腐蝕放入40-50℃恒溫的石英玻璃腐蝕液(體積比HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5)攪拌，50-70s，50nm左右深，根據(jù)配制的腐蝕液，調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間和溫度可精確控制腐蝕深度，誤差為±1nm；5)打孔金剛鉆在基片相應(yīng)位置上鉆孔徑為2mm的孔，作為儲(chǔ)液池。
6)鍵合1、丙酮去表面殘留光刻膠，乙醇及去離子水清洗2、表面去鉻將基片放入配好的鉻腐蝕液中，在超聲池中3min去鉻層3、用丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗基片、蓋片5min4、Piranha洗液清洗。將基片、蓋片放入Piranha洗液(體積比H2SO4∶H2O2＝4∶1)，燒煮10～15min；增加表面親和力；去離子水清洗5、在親和洗液(體積比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中燒煮30min；去離子水清洗10-15遍6、水中貼合芯片鍵合(預(yù)鍵合)直接將基片和蓋片在去離子水中貼合，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。設(shè)定真空干燥箱溫度為100℃打開真空泵，持續(xù)抽真空30min后關(guān)閉真空泵，保持100℃7、鍵合緩慢升至200℃6h后關(guān)閉電源自然冷卻，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合制得納米級(jí)溝道芯片，用于納米流體分析。
實(shí)施例2制作“米”字型100nm納米通道芯片。
1)光刻(納米結(jié)構(gòu))
1、清洗分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片5min；氮?dú)獯蹈?；烘?120℃)20min2、甩膠，光刻膠68094000rpm，30s厚度0.9μm3、前烘100℃，6min(熱板)4、對(duì)準(zhǔn)光刻采用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)光刻12s5、顯影18s6、打底膜10S7、堅(jiān)膜120℃烘箱30min2)納米管道制作1、去鉻用鉻腐蝕液(硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L)去圖形部分鉻層2、納米腐蝕放入40-50℃恒溫的石英玻璃腐蝕液(HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5，體積比)攪拌，100-120s，100nm左右深；根據(jù)配制的腐蝕液，調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間和溫度，可精確控制納米溝道的深度，誤差在±1nm左右；3)打孔金剛鉆在基片相應(yīng)位置上鉆孔徑為2mm的孔，作為儲(chǔ)液池。
4)鍵合1、丙酮去表面殘留光刻膠，乙醇及去離子水清洗2、表面去鉻將基片放入配好的鉻腐蝕液中，在超聲池中3min去鉻層3、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片、蓋片5min4、Piranha洗液清洗。將基片、蓋片放入Piranha洗液(體積比H2SO4∶H2O2＝4∶1)，燒煮10～15min；增加表面親和力；去離子水清洗5、在親和洗液(體積比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1)中燒煮30min；去離子水清洗10遍6、水中貼合芯片鍵合(預(yù)鍵合)直接將基片和蓋片在去離子水中貼合，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。設(shè)定真空干燥箱溫度為100℃打開真空泵，持續(xù)抽真空30min后關(guān)閉真空泵，保持100℃7、鍵合緩慢升至200℃6h后，關(guān)閉電源自然冷卻，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合制得納米級(jí)溝道芯片，用于納米流體分析。
權(quán)利要求
1.一種石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于所述的納米級(jí)管道為架在兩微米管間納米管道的制作步驟是A)第一次光刻(a)清洗分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗鍍了鉻層的石英玻璃片5min；氮?dú)獯蹈?；烘干?b)蒸鍍六甲基二硅氧烷；涂6809光刻膠，以4000rpm速度甩膠；(c)前烘100℃，6min；(d)光刻使用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)，光刻12s；(e)顯影18s，且去離子清洗；(f)打底膜10S；(g)堅(jiān)膜120℃烘箱30min；B)主管道腐蝕(a)去鉻用由硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L配制的鉻腐蝕液去除圖形部分鉻層；(b)去離子水清洗10遍；(c)玻璃腐蝕放入40-50℃恒溫的體積比HF∶H2O2∶HAC＝2∶1∶1組成的石英玻璃腐蝕液中腐蝕，得到寬50微米，深10微米的主通道；(d)去離子水清洗10遍C)第二次光刻，以制作納米結(jié)構(gòu)的管道(a)清洗分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片5min；氮?dú)獯蹈?；烘?0min；(b)甩膠，光刻膠6809 4000rpm，30s厚度0.9μm；(c)前烘100℃，6min；(d)對(duì)準(zhǔn)光刻采用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)光刻12s；(e)顯影18s；(f)打底膜10s；(g)堅(jiān)膜120℃烘箱30min；D)納米管道制作(a)去鉻用由硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L配制成的鉻腐蝕液去除圖形部分的鉻層；(b)納米腐蝕放入40-50℃恒溫的由體積比HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5組成的石英玻璃腐蝕液攪拌，50-70s，腐蝕深度為50nm；E)打孔用金剛鉆在基片相應(yīng)位置上鉆孔徑為2mm的孔，作為儲(chǔ)液池；F)鍵合(a)丙酮去表面殘留光刻膠，乙醇及去離子水清洗；(b)表面去鉻∶將基片放入配好的鉻腐蝕液中，在超聲池中3min去鉻層；所述的鉻腐蝕液組成與上述步驟B中(a)相同；(c)丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片、蓋片5min；(d)洗液清洗，將基片、蓋片放入體積比H2SO4∶H2O2＝4∶1的Piranha洗液，燒煮10～15min；增加表面親和力；且用去離子水清洗；(e)再在體積比NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1的親和洗液中燒煮30min；去離子水清洗；(f)水中貼合芯片預(yù)鍵合直接將基片和蓋片在去離子水中貼合，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。設(shè)定真空干燥箱溫度為100℃打開真空泵，持續(xù)抽真空30min后關(guān)閉真空泵，保持100℃(g)鍵合緩慢升至200℃后，關(guān)閉電源自然冷卻，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合制得納米級(jí)溝道芯片，用于納米流體分析。
2.按權(quán)利要求1所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在第一次光刻步驟中(a)的烘干溫度為120℃，時(shí)間為20分鐘。
3.按權(quán)利要求1所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在第一次光刻步驟(b)的甩膠時(shí)間為30s。
4.按權(quán)利要求1所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在主管道腐蝕步驟中的(c)中石英玻璃腐蝕時(shí)間為40-50min，根據(jù)配制的腐蝕液，調(diào)節(jié)腐蝕液濕度誤差為±1nm。
5.按權(quán)利要求1所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在鍵合步驟中(g)中的鍵合時(shí)間為6h。
6.一種石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于所述“米”字型納片通道芯片的制作步驟是A)光刻納米結(jié)構(gòu)(a)清洗分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗鍍了鉻層的石英玻璃基片5min；氮?dú)獯蹈?；烘干?b)甩膠，光刻膠6809甩膠速度為4000rpm；(c)前烘100℃，6min；(d)對(duì)準(zhǔn)光刻采用強(qiáng)度為12mW/cm2的光刻機(jī)光刻12s；(e)顯影18s；(f)打底膜10S；(g)堅(jiān)膜120℃烘箱30min；B)納米管道制作(a)去鉻使用由硝酸鈰銨400g+高氯酸110mL，去離子水定容至1.76L配制的鉻腐蝕液去除圖形部分鉻層；(b)納米腐蝕放入40-50℃恒溫的由體積比為HF∶H2O2∶HAC＝2∶5∶5組成的石英玻璃腐蝕液攪拌，腐蝕深度為100nm；C)打孔金剛鉆在基片相應(yīng)位置上鉆孔徑為2mm的孔，作為儲(chǔ)液池；D)鍵合(a)先用丙酮去除表面殘留光刻膠，再用乙醇及去離子水清洗；(b)表面去鉻將基片放入配好的鉻腐蝕液中，在超聲池中3min去鉻層；所述的鉻腐蝕同步驟(B)中(a)所述的組成；(c)丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗基片、蓋片5min(d)洗液清洗.將基片、蓋片放入體積比H2SO4∶H2O2＝4∶1的Piranha洗液，燒煮10～15min；增加表面親和力；去離子水清洗；(e)再在體積比為NH3·H2O∶H2O∶H2O2＝6∶3∶1的親和洗液中燒煮30min；去離子水清洗；(f)水中貼合芯片；預(yù)鍵合直接將基片和蓋片在去離子水中貼合，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中.設(shè)定真空干燥箱溫度為100℃打開真空泵，持續(xù)抽真空30min后關(guān)閉真空泵，保持100℃；(g)鍵合緩慢升至200℃后，關(guān)閉電源自然冷卻，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合制得納米級(jí)溝道芯片，用于納米流體分析。
7.按權(quán)利要求6所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于光刻納米結(jié)構(gòu)步驟中(a)的烘干溫度為120℃，時(shí)間為20分鐘。
8.按權(quán)利要求6所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于光刻納米結(jié)構(gòu)步驟中(b)的甩膠時(shí)間為30s，厚度為0.9μm。
9.按權(quán)利要求6所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在納米管道制作步驟(b)去除圖形部分鉻層的石英玻璃腐蝕時(shí)間為100-120s，調(diào)節(jié)腐蝕的時(shí)間和溫度控制納米溝道的深度，誤差為±1nm。
10.按權(quán)利要求6所述的石英玻璃上納米溝道的制作方法，其特征在于在鍵合步驟中200℃條件下，鍵合時(shí)間為6h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石英玻璃上納米溝道的制作方法。其特征在于制作的關(guān)鍵技術(shù)包括光刻、濕法腐蝕和鍵合三個(gè)關(guān)鍵步驟，其中濕法腐蝕液配置，這是MEMS加工技術(shù)中的關(guān)鍵之一，它直接影響納米溝道的圖形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的基底材料為石英玻璃，工藝簡(jiǎn)單不需要反應(yīng)離子刻蝕等設(shè)備，根據(jù)配制的腐蝕液調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間和溫度可精確控制納米溝道的深度誤差在±1nm左右。
文檔編號(hào)G01N35/00GK101037185SQ20071003641
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者金慶輝, 劉菁, 趙建龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所