基于納米壓印和鍵合制造尺寸可控的微/納米流體芯片研究

黃 達，張 然，樊元義，劉 驍，褚金奎

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

近年來，隨著微納米加工技術的不斷發展，微納流控技術在分析化學和生物醫學等方面的應用也變得越來越重要。通過微納流控技術能夠快速、準確地實現離子操控[1]，生物分子的檢測、分離[2-3]以及樣品濃縮[4]等應用。目前，微納流控技術的應用主要是基于納米通道的特性。納米通道的尺寸與德拜長度大小接近，當溶液中的帶電物質通過納米通道時將會受到雙電層的影響，使得與納米通道表面帶有同種電荷的物質受到排斥，異種電荷物質富集[5]。基于這一特性制作的微納流控芯片已經被應用在蛋白質分子富集和分離、納流體晶體管[6-8]等多方面研究。

目前在微納流控芯片制作方面的研究已經取得了一定的進展。通過傳統紫外光刻和刻蝕技術實現了在高度方向為納米尺度的一維納米通道制作[9]。通過電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕能夠實現10 nm以下的納米通道制作[10-11]。然而設備昂貴、加工效率低，使得其在大面積結構以及批量制作方面受到了限制。相比較而言，納米壓印光刻技術具有高分辨率、高產量和低成本等特點，已成為制作納米結構圖形的重要方式。通過將模板壓印到壓印膠上，模板上納米結構圖形可以直接復制到基底上，極大地降低了納米通道制作工藝的難度和制作成本。Wang等[12]和Yin等[13]通過納米壓印的方式實現了納米通道的大面積制作。然而，通過納米壓印光刻技術制作的納米通道尺寸由模板尺寸決定，制作不同尺寸納米通道必須更換模板，成本較高。另一方面，微納流控芯片制作的重點在于納米通道的制作和微納米通道的集成。納米壓印材料在固化之后表面能較低，難以與其他材料集合實現納米溝槽的密封以及微米通道制作，這對微納流控芯片的集成制作造成一定困難。

針對這些問題，本文通過對基底上壓印膠厚度的控制，實現了同一模板進行不同尺寸納米溝槽的制作。另一方面，為了實現納米溝槽密封和微米通道的制作，本文采用PDMS（polydimethylsiloxane）作為納米通道密封材料。PDMS具有良好的生物兼容性、透光性好并且易加工，常用于微通道的制作[14]。在對納米溝槽密封過程中，通過在納米溝槽表面沉積氮化硅作為鍵合層與氧等離子體處理之后的PDMS進行鍵合，實現了納米通道的密封以及納米通道和微米通道的連接。為了驗證完成之后的微納流控芯片的富集性能，進行了FITC離子富集試驗。結果顯示該芯片具備較好的富集性能。

1 微納流控芯片結構

微納流控芯片主要由納米通道、微通道和儲液池三部分組成。圖1所示為微納流控芯片結構示意圖，其中納米通道截面尺寸為95 nm×200 nm，周期為200 nm；微通道截面尺寸為100 μm×100 μm，兩條微通道之間間距為100μm。

圖1 微納流控芯片結構示意圖

2 工藝制作

微納流控芯片的制備流程如圖2所示，其主要制備過程可以歸納為以下3步：（1）利用納米壓印光刻工藝制作納米溝槽；（2）通過SU-8膠光刻制作微通道模具，并澆注PDMS制作微通道；（3）通過在納米溝槽表面沉積氮化硅和氧等離子體對PDMS表面進行處理，實現納米通道的密封。

圖2 微納流控芯片制作工藝流程

2.1 納米溝槽制作

納米溝槽是通過納米壓印光刻技術進行制作的。在壓印過程中，通過軟模板轉印的方式將原始模板上納米溝槽結構轉印到基底上。IPS（Intermediate PloymerSheet,Obducat AB,Sweden）是一種含氟高分子聚合物材料，其表面能低、熱塑性良好，是軟模板制作的理想復制材料。軟模板復制過程中，首先將IPS與鎳模板接觸放入腔室內對IPS進行熱壓，在這個過程中需要將壓印腔室溫度升至160℃，達到IPS的玻璃化溫度；隨后施加3.5 MPa的壓力，持續100 s，使熔融狀態下的IPS完全填充進鎳模板的納米溝槽結構中；最后將腔室溫度降至115℃以下，使IPS再次固化，并在此溫度下進行脫模，完成IPS軟模板的轉印過程。上述壓印過程在瑞典Eitre 6-inch紫外熱納米壓印機（Obducat AB,Sweden）中完成。

在以IPS軟模板對基底進行壓印前，首先需要對硅基底進行處理，去除表面污漬、顆粒等。然后將STU-7壓印膠滴到硅基底表面，并涂覆硅片表面約3/4面積，以2 000 r/min的速度旋涂40 s后，放在95℃熱板上烘烤3～5 min，使溶劑蒸發，最終得到約200 nm厚均勻壓印膠介質層。使用帶有納米結構的IPS軟模板在Eitre 6-inch紫外熱納米壓印機上對壓印膠進行壓印。壓印過程中，腔室的溫度為70℃進行，施加的壓力為3.5 MPa，在施壓110 s后，玻璃化后的壓印膠填充進IPS上的納米結構中，然后打開UV紫外燈對壓印膠曝光90 s后進行固化。最后在70℃下進行脫模，完成鎳模板上納米溝槽向基底的復制過程。壓印之后的納米溝槽斷面如圖3（a）所示。

2.2 微通道制作

在對壓印好的納米溝槽進行封口之前，需要在封口層上進行微通道和蓄水池的制作。本文選用PDMS作為封口材料，通過澆注SU-8膠模具來獲得微米通道結構。在澆注過程中，PDMS和固化劑按比例10∶1混合均勻后澆注在SU-8模具上，在真空烘箱中排除氣泡，隨后在80℃下固化1.5 h之后進行脫模。最后，使用直徑為0.8 mm的PDMS打孔器在PDMS上微通道末端進行打孔，形成與微通道連接的儲液池。

2.3 納米溝槽與PDMS鍵合

由于固化之后的壓印膠表面能較低，難以與PDMS直接鍵合，所以需要在納米溝槽表面沉積一層氮化硅作為鍵合層。一方面，氮化硅與PDMS之間有較強的鍵合強度[15]；另一方面，氮化硅沉積在納米溝槽表面可以提高納米通道內壁的特性，改善微納流控芯片的富集性能[16]。使用薄膜沉積系統（Kurt J.Lesker）進行氮化硅濺射，濺射功率為150 W，濺射時間為25 min，最后得到氮化硅厚度為18 nm。濺射氮化硅之后的納米溝槽如圖3（b）所示。將PDMS和沉積氮化硅之后的納米溝槽放入射頻等離子刻蝕清洗系統（K1050X plasma asher）中進行氧等離子體處理。腔室的真空度為12 MPa；工作功率為20 W；處理時間為30 s。將處理后的氮化硅表面和PDMS表面進行對準貼合，使兩表面之間形成不可逆鍵合。在鍵合之后，納米溝槽結構被PDMS密封形成納米通道并且直接與PDMS上的微通道結構相連接。鍵合之后形成的納米通道斷面如圖3（c）所示，最終完成的芯片如圖3（d）所示。

圖3 納米壓印制作納米通道過程SEM圖與芯片實物圖

3 結果與討論

3.1 通過壓印膠厚度控制納米溝槽尺寸

通過納米壓印光刻制造的納米通道的尺寸主要由壓印后形成的納米溝槽尺寸大小決定。在使用同一模具進行壓印過程中，可以通過控制壓印膠的厚度來實現不同高度的納米凹槽的制作。如圖4所示，在納米壓印過程中，熔融狀態下的壓印膠在IPS軟模板的擠壓下流填充到納米結構中。然而，當壓印膠的厚度小于一定值時，在壓力作用下，IPS軟模板對壓印膠進行擠壓，并與基底接觸。此時，熔融狀態下的壓印膠不足以填充滿軟模板上的納米溝槽結構。在紫外曝光之后，壓印膠重新固化，脫模后形成的納米溝槽的高度將小于軟模板上納米溝槽的高度，從而實現對壓印高度的控制。納米溝槽高度與壓印膠厚度之間的關系如下式所示：

式中：h為納米凹槽的高度；t為NIL抗蝕劑的厚度；s為周期納米凹槽的寬度；w為納米凹槽的寬度。

圖4 納米壓印示意圖

在基底上旋涂壓印膠的厚度是通過勻膠機轉速以及壓印膠稀釋比例進行控制的。使用納米溝槽寬度為100 nm、高度為200 nm、周期為200 nm的軟模板對壓印膠厚度分別為50 nm、70 nm、80 nm和120 nm的壓印膠進行壓印，形成的納米溝槽截面圖如圖5所示。圖5（a）所示為壓印膠厚度為120 nm所形成的納米溝槽，溝槽的尺寸與軟模板尺寸相同。壓印過程熔融的壓印膠完全填充滿軟模板的結構中，此時軟模板未與硅基底相接觸，使得壓印之后的結構與基底之間存在一定厚度的壓印膠殘留層。然而，當壓印膠的厚度小于100 nm時，壓印過程中壓印膠不能填充滿軟模板上的溝槽結構。在紫外固化之后形成的結構與基底之間不存在殘留層，納米溝槽的高度由式（1）確定。如圖5（b）～（d）所示，由45 nm、57 nm和68 nm厚的壓印膠形成的溝槽高度分別為90 nm、115 nm和136 nm。最后對納米溝槽進行封口，形成不同尺寸的納米通道，實現對通道尺寸的調節。

圖5 不同高度納米溝槽斷面

3.2 PDMS與納米溝槽鍵合

在對壓印之后的納米溝槽鍵合密封形成納米通道的過程中，鍵合強度的高低直接影響納米通道的密封效果和微納流控芯片的使用壽命。因此，對影響PDMS和納米溝槽之間鍵合強度的參數進行了優化研究。在鍵合過程中，兩者之間的結合強度主要受兩表面的表面能大小影響[17]。采用氧等離子體對PDMS和氮化硅表面進行處理，有利于提高其表面能的大小。通過對處理前后表面對去離子水接觸角的大小進行觀察，研究氧等離子體處理功率和處理時間對鍵合強度的影響。

首先在不同功率下對PDMS表面分別處理20 s，對處理之后的PDMS進行接觸角測量。氧等離子體處理功率對PDMS表面接觸角影響通過結果可以看出，未經處理的PDMS表面接觸角為102℃，呈現疏水狀態。隨著處理功率的增減，其接觸角迅速降低。在功率為20 W時，其接觸角降至18°。在20 W之后，PDMS表面接觸角隨著功率改變較小，如圖6所示。因此，最終確定等離子處理功率為20 W。在研究處理時間對接觸角的影響時，采用處理功率為20 W對PDMS進行處理。通過測量不同處理時間下PDMS接觸角大小可以得出，處理時間在30 s以下時，接觸角大小隨時間增加迅速降低；在30 s時，接觸角達到10°；當處理時間大于30 s時，接觸角大小變化甚微，如圖7所示。因此，最終確定氧等離子處理的最佳時間為30 s。

圖6 氧等離子體處理功率對PDMS表面接觸角影響

圖7 氧等離子體處理時間對PDMS表面接觸角影響

3.3 熒光離子富集試驗

為了驗證制作完成之后的微納流控芯片的富集性能，對其進行了熒光離子富集試驗，如圖8所示。如圖8（a）所示，在通道內通入1×10-4mol/L的KCL溶液對通道清洗2 h，然后在4個儲液池中加入1×10-5mol/L的FITC溶液，并使其充滿整個微納通道。將4個Pt電極分別插入4個儲液池中。在A1和A2電極上施加20 V電壓，并使B1和B2接地。通過熒光倒置顯微鏡觀察FITC離子富集情況，并采集熒光圖像，計算熒光富集倍率。

圖8 富集實驗原理圖和不同時刻熒光圖

如圖8（b）～（d）所示，在施加電壓之后，與負極相連，微通道內熒光強度逐漸增加；與正極相連，微通道熒光逐漸變暗。圖9所示為熒光強度隨時間變化曲線。從熒光強度的變化可以發現，熒光強度在3 min之前變化緩慢。這次主要用于驅動離子在微通道中的移動，隨著時間的增加，熒光強度迅速增加，離子開始富集在通道中。20 min時，熒光強度達到峰值，此時溶液中FITC溶度大于1×10-4mol/L，富集倍率達到10倍以上。離子富集結果表明，微/納米流體芯片具有較好的離子富集能力。

圖9 熒光強度隨時間變換曲線圖

4 結束語

本文通過納米壓印光刻技術和鍵合技術進行了微納流控芯片的集成制作。通過對基底上壓印膠厚度的控制，實現了對壓印之后納米溝槽的調節。通過在納米溝槽表面沉積氮化硅的方式，實現了與帶有微通道的PDMS的鍵合，并進一步研究了氧等離子體對PDMS表面處理對鍵合強度的影響。該方法能夠高效便捷地實現芯片的制作，具有簡單易行和成功率高等特點。采用這種工藝方法對微納流控芯片進行了制作，得到通道最小尺寸小于100 nm。利用該芯片進行離子富集試驗，富集之后的溶液濃度達到10倍以上。該研究結果表明，這種工藝具有成本低、精度高和效率高等優點，在微納流控芯片的集成制作及應用方面具有潛在的價值。