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(yīng)用的基礎(chǔ)。納流控芯片與微流控芯片的主要區(qū)別是結(jié)構(gòu)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(shù)已經(jīng)相對成熟，而納流控芯片技術(shù)尚處于發(fā)展階段，但其應(yīng)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(shù)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(chǎn)的納米級溝槽制造技術(shù)，并將納米級溝槽封裝起來形成納米溝道的穩(wěn)定成型工藝，已成為納流控器件真正得以實用化的關(guān)鍵。

關(guān)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(shè)備，如電子束光刻、聚焦離子束、質(zhì)子束直寫等。這些光刻技術(shù)打破了標準光刻技術(shù)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(shè)備，并且生產(chǎn)效率極低，不適合批量生產(chǎn)。

二維納米溝槽的制造方法仍然依賴于MEMS技術(shù)——這是因為其成本低，產(chǎn)量高，具有晶圓級的加工能力。MEMS加工方法通常利用常規(guī)紫外光刻工藝形成微米結(jié)構(gòu)，然后利用一系列沉淀和刻蝕工藝形成納米結(jié)構(gòu)。盡管常規(guī)紫外光刻設(shè)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(shù)，可以將結(jié)構(gòu)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(shù)制造二維納米溝槽的主要方法為：犧牲層釋放技術(shù)、刻蝕與沉淀技術(shù)和復制技術(shù)。其中，復制技術(shù)包括熱納米壓印技術(shù)、紫外納米壓印技術(shù)和熱壓成型技術(shù)。

2.?二維納米溝槽的制造方法

2.1?犧牲層技術(shù)

犧牲層技術(shù)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(shù)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(cè)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(shù)工藝相對簡單，且成本相對較低，容易與其它微結(jié)構(gòu)集成為微納流控器件。然而，由于刻蝕犧牲層過程中的應(yīng)力釋放，密封層的邊沿會發(fā)生機械變形。導致最后成型的納米溝道的橫截面與所設(shè)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(yīng)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(xù)納流控器件的應(yīng)用造成嚴重影響。

2.2?刻蝕與沉淀技術(shù)

利用刻蝕與沉淀技術(shù)制造二維納米溝槽，首先需要利用光刻和刻蝕技術(shù)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(shù)，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(shù)形成納米溝道的關(guān)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(shù)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(shù)工藝比較簡單，然而此種技術(shù)成本相對較高。并且由于CVD、PV和氧化沉積技術(shù)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(shù)

彈性材料PDMS已經(jīng)廣泛的應(yīng)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(shù)量級，比較容易變形和坍塌。利用PDMS薄膜變形技術(shù)，即可在PDMS薄膜和通過刻蝕制作的結(jié)構(gòu)側(cè)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(shù)和PDMS表面處理技術(shù)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(shù)

納米光刻技術(shù)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(zhì)以定義納米圖形。不同于納米光刻技術(shù)，復制技術(shù)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(shù)中光的衍射極限問題。復制技術(shù)主要包括納米壓印技術(shù)和熱壓成型技術(shù)，其中納米壓印技術(shù)主要包括熱納米壓印技術(shù)和紫外納米壓印技術(shù)。

2.4.1?熱納米壓印技術(shù)

熱納米壓印技術(shù)是Chou博士在1995年發(fā)明的一項重要的二維納米溝槽加工技術(shù)，具有成本較低，分辨率高，可以進行批量生產(chǎn)的優(yōu)點。

2.4.2?紫外納米壓印技術(shù)

利用紫外納米壓印技術(shù)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(shù)不是通過加熱實現(xiàn)對光刻膠的固化，而是通過紫外光照射實現(xiàn)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(tài)，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(shù)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(xiàn)了納米溝槽的批量制造。同時，納米壓印技術(shù)可以與其它的微制造技術(shù)兼容，制造出復雜的微/納流控器件。然而，納米壓印技術(shù)是將納米模具的圖形復制到硬質(zhì)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(zhuǎn)移到硬質(zhì)基底上，得到二維納米溝槽。尤其是利用紫外納米壓印技術(shù)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(shù)

利用熱壓成型技術(shù)與納米壓印技術(shù)制造二維納米溝槽的工藝在本質(zhì)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(shù)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(xiàn)二維納米溝槽的批量制造，與納米壓印技術(shù)相比，具有成本低且工藝簡單的優(yōu)點，盡管熱壓成型技術(shù)有上述優(yōu)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(shè)備，那么熱壓成型技術(shù)將不再是一種經(jīng)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(wù)：學生，研究方向：微納制造傳感測控。