二維納米溝道制造的研究與分析

徐莘博 張揚 寶林 滿運城

摘要：納米溝道是納流控芯片檢測與應用的基礎。納流控芯片與微流控芯片的主要區別是結構特征尺寸的差異。微流控芯片的特征部件為微米尺度的通道，而納流控芯片的特征部件為納米尺度的通道。在國際上，微流控芯片技術已經相對成熟，而納流控芯片技術尚處于發展階段，但其應用潛力與市場前景巨大。

納米溝道是納流控器件最基本的組成部分。納流控芯片制造技術的難點是納米溝槽的制造與納米溝道的鍵合。所以，探索成型工藝簡單、成本低、可進行批量化生產的納米級溝槽制造技術，并將納米級溝槽封裝起來形成納米溝道的穩定成型工藝，已成為納流控器件真正得以實用化的關鍵。

關鍵詞：納米溝槽;制造方法

1.二維納米溝道制造介紹

目前，二維納米溝槽的制造主要依賴于具有納米級分辨率的光刻設備，如電子束光刻、聚焦離子束、質子束直寫等。這些光刻技術打破了標準光刻技術的衍射極限，能夠制造出分辨率較高的納米圖形。然而，它們都需要昂貴復雜的設備，并且生產效率極低，不適合批量生產。

二維納米溝槽的制造方法仍然依賴于MEMS技術——這是因為其成本低，產量高，具有晶圓級的加工能力。MEMS加工方法通常利用常規紫外光刻工藝形成微米結構，然后利用一系列沉淀和刻蝕工藝形成納米結構。盡管常規紫外光刻設備不能直接的定義納米級圖形的特征尺寸，但是通過精確的控制沉淀或者刻蝕工藝參數，可以將結構的深度和寬度尺寸精確的控制在納米量級。目前，基于MEMS加工技術制造二維納米溝槽的主要方法為：犧牲層釋放技術、刻蝕與沉淀技術和復制技術。其中，復制技術包括熱納米壓印技術、紫外納米壓印技術和熱壓成型技術。

2.?二維納米溝槽的制造方法

2.1?犧牲層技術

犧牲層技術是一種以自上而下的方式制造封閉二維納米溝槽的方法。犧牲層技術就是首先形成厚度為納米級的犧牲層，然后有選擇性地將犧牲層移除，留下犧牲層周圍的材料作為側壁，形成納米溝道。與其它二維納米溝槽的制造方法相比，犧牲層技術工藝相對簡單，且成本相對較低，容易與其它微結構集成為微納流控器件。然而，由于刻蝕犧牲層過程中的應力釋放，密封層的邊沿會發生機械變形。導致最后成型的納米溝道的橫截面與所設計的納米溝道的橫截面不同。另外，刻蝕犧牲層的刻蝕劑和反應物容易留在納米溝道里面不易清除，特別是較長的納米溝道，從而對后續納流控器件的應用造成嚴重影響。

2.2?刻蝕與沉淀技術

利用刻蝕與沉淀技術制造二維納米溝槽，首先需要利用光刻和刻蝕技術在基底上成型一個尺寸較大的溝槽。然后利用非均勻的沉淀技術，形成封閉的二維納米溝道。非均勻沉淀過程是利用刻蝕與沉淀技術形成納米溝道的關鍵步驟，它的重要作用就是將溝槽的寬度縮小到納米尺度，并將其密封起來形成納米溝道。這些沉淀技術包括化學氣相沉積?（CVD）、物理氣相沉積?（PVD）?和氧化沉積等。

綜上所述，刻蝕與沉淀技術工藝比較簡單，然而此種技術成本相對較高。并且由于CVD、PV和氧化沉積技術等沉淀的薄膜不均勻，很難精確地控制最后成型的納米溝道的截面尺寸。

2.3?聚二甲基硅氧烷?（PDMS）?表面處理/變形成型技術

彈性材料PDMS已經廣泛的應用于微米溝槽的制造，卻很少用于納米溝槽的制造。這是由于彈性材料的彈性模量較小，比熱塑性聚合物約小5個數量級，比較容易變形和坍塌。利用PDMS薄膜變形技術，即可在PDMS薄膜和通過刻蝕制作的結構側壁之間形成截面為三角形的納米溝道，?利用PDMS變形成型技術和PDMS表面處理技術制造二維納米溝槽，制作工藝簡單，成本相對較低，但由于裂縫的開裂位置與尺寸不易掌控，此方法很難精確地控制納米溝槽的尺寸和截面形狀。

2.4?復制技術

納米光刻技術是利用光子或者電子改變光刻膠材料的化學或者物理性質以定義納米圖形。不同于納米光刻技術，復制技術是將模具的納米級特征尺寸機械地復制到壓印光刻膠上，依靠光刻膠材料的變形成型納米圖形，克服了光刻技術中光的衍射極限問題。復制技術主要包括納米壓印技術和熱壓成型技術，其中納米壓印技術主要包括熱納米壓印技術和紫外納米壓印技術。

2.4.1?熱納米壓印技術

熱納米壓印技術是Chou博士在1995年發明的一項重要的二維納米溝槽加工技術，具有成本較低，分辨率高，可以進行批量生產的優點。

2.4.2?紫外納米壓印技術

利用紫外納米壓印技術成型納米溝槽的步驟與熱納米壓印工藝基本相似。但是，紫外納米壓印技術不是通過加熱實現對光刻膠的固化，而是通過紫外光照射實現的。因為光刻膠中含有光敏劑，被紫外光照射后會迅速固化。另外，紫外納米壓印對納米模具和光刻膠也有特殊的要求。模具必須是對紫外光高度透明的，一般選擇石英模板。同時要求光刻膠的粘度很低，即為液態，在很小的壓力下就可以完成對模具空腔的填充。

綜上所述：納米壓印技術突破了光的衍射極限，可以大面積的制造納米圖形。并且模具可反復利用，實現了納米溝槽的批量制造。同時，納米壓印技術可以與其它的微制造技術兼容，制造出復雜的微/納流控器件。然而，納米壓印技術是將納米模具的圖形復制到硬質基底表面的薄層光刻膠涂層上，然后通過刻蝕的方法將納米圖形轉移到硬質基底上，得到二維納米溝槽。尤其是利用紫外納米壓印技術成型二維納米溝槽時，還需要使用對紫外光有高透明度的模具，以及粘度很低的光刻膠材料，在很大程度上增加了制造成本。

2.4.3?熱壓成型技術

利用熱壓成型技術與納米壓印技術制造二維納米溝槽的工藝在本質上是一樣的，都是在高溫高壓下將納米模具的圖形復制到基底上。但是，熱壓成型技術只需要一步復制工藝，即將納米模具的圖形直接復制到成本低廉的熱塑性聚合物基底上，就可以實現二維納米溝槽的批量制造，與納米壓印技術相比，具有成本低且工藝簡單的優點，盡管熱壓成型技術有上述優點，但是如果無法制造納米模具，或者是制造納米模具需要昂貴的納米光刻設備，那么熱壓成型技術將不再是一種經濟可行的納米溝槽制造方法。

作者簡介：徐莘博（1994-），男，江西宜春人，工作單位：大連理工大學，職務：學生，研究方向：微納制造傳感測控。