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36800字硕士毕业论文紫外光刻法制备纳米粒子和聚合物纳米流体核

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:36800字
论点:沟道,纳米,光刻
论文概述:

针对现行纳米沟道制作方法存在的不足,本课题研究了一种以硅模具作为母模,聚合物作为子模的二次热压工艺,以聚合物模具作为过渡,以减少硅模具的利用次数,相对提高利用率。

论文正文:

介绍

1.1纳米流体芯片简介
微流体芯片是微机电系统的重要组成部分,在分析化学等领域发挥着重要作用。近年来,随着生物化学、医学和检测技术的发展,微流控芯片正逐步向纳米尺度过渡。基于微流体芯片(至少一维为纳米尺度的通道)的纳米流体芯片已经吸引了越来越多的关注。与微流控芯片相比,纳米流控芯片的通道尺寸与单个蛋白质、脱氧核糖核酸等分子相似。它在单分子检测和分析、离子分离和富集方面具有很大的优势。此外,由于沟道从微米级减小到纳米级,沟道的物理特性(如表面特性和尺度效应)将发生很大变化,如沟道中流体电阻的增加、双电层的部分重叠、挥发性的增加、介电常数的降低等。在此基础上,人们对纳米通道的性能、流体理论等知识展开了深入的研究。因此,纳米流体芯片的制造和应用越来越受到重视。
基于纳米流体芯片在医学、生物学和物理学方面的优势,该芯片得到了广泛的应用。例如,美国橡树岭国家实验室哈德等人开发了一种沟道深度为10纳米的纳米流体芯片。使用这种纳米流体芯片,可以在70秒内成功分离和观察由人类细菌或病毒引起的肿瘤,从而提高分析速度。胡尔斯(D.Huhls)等人利用PDMS制造了通道深度约为100纳米的纳米流体芯片,用于溶液输运现象的研究,即用于分离和富集具有通道深度的纳米级脱氧核糖核酸、蛋白质和小分子。清华大学的曹杨冰·[等人用分子动力学模拟的方法研究了铂纳米通道中液态氢的流动。通过改变流体与壁面之间的势能效应,获得了流体与通道表面之间具有不同渗透特性的滑移现象。纳米流体芯片是微流体芯片技术的继承和发展。它将科学技术的前沿技术推进到纳米尺度领域。与微流体相比,纳米流体芯片在生物化学、单分子分析等领域具有更广泛的应用范围和发展前景。

1.2纳米通道处理方法
纳米流体分析系统基于纳米流体芯片的制造,纳米通道是纳米流体芯片的核心部件。与微流控芯片的制作相比,纳米流控芯片对通道制作的要求更高,许多特殊的纳米制作方法相继出现。目前,纳米流体芯片的制作方法主要包括掩膜制作、模具压印、牺牲层技术、机械拉伸技术和光学击穿技术。在加工方法上,复制技术基于成型(包括热压、浇注等)。)适于大规模生产,制造工艺相对简单,在纳米通道的制造中具有很大优势。模具注射成型是基于模具的制造和复制。常见的模具包括金属、硅及其化合物等。利用纳米压印光刻(NIL)等技术实现图形的复制和转移。国内外许多学者对此类方法进行了研究,并取得了一定的成果。例如,中国华中科技大学
结论的张鸿海和胡小凤利用应时作为掩模板,通过电子束扫描光刻制作出宽度为50nln的光栅硅模具,并通过纳米压印光刻将图案转移到PMMA上。德克萨斯大学特里维迪尔(Trivedil)等人利用纳米硅模具压印su-8胶,并利用氧等离子刻蚀技术在SU-8胶上制作100nln阵列通道。复制技术中使用的纳米模具的制造主要依赖于纳米光刻技术。
虽然纳米光刻可以处理10纳米或更小的沟道,但是纳米光刻也有缺点,例如制造成本更高、周期更长等。这些缺陷将在一定程度上阻碍纳米流体芯片的发展。因此,有必要开发一种更简单和更有效的模具制造方法。近年来,非模制方法也取得了一些成果,如:荷兰的恩施塔斯(N.R.Tas)和贝伦施托尔(J.w.Berenschotl)利用在硅台阶上制作纳米金属线牺牲层的方法,在硅中制作了一个高gonLm和40nln宽度的沟道;中国深圳大学的王凯歌和许桂文使用聚焦离子束光纤。纳米孔通道在绝缘晶体膜Si3N4上加工。直写技术可以在不传输图形的情况下获得高精度的纳米通道,从而避免图形复制过程中的变形和扭曲。但是,与造型相比,后者在未来的工业化道路上有一定的局限性,因为它不具备大规模再生产的优势。在制造材料方面,纳米流体芯片与微流体芯片相似,主要包括高分子材料(如聚甲基丙烯酸甲酯、PDMS等)。)、硅材料(单晶硅及其化合物)、玻璃和应时材料等。其中,聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等高分子材料因其良好的可塑性、光学性能和低廉的价格而越来越受欢迎。该通道制作时,加工方法简单,复制精度高,可以批量制作和生产,便于将来实现纳米流控芯片的产业化。为此,国内外学者开发了许多聚合物材料的纳米通道加工方法,如纳米压印光刻(NIL)、质子束直写(PBw)技术、弹性压印法等。

(l)纳米压印技术
纳米压印技术基于一种由硬质材料制成的模具。模具使用聚合物作为基底,将聚合物加热到其玻璃化转变温度,并在一定压力下将其与模具结合,最后将模具上的图案复制到聚合物上。Abgralll等人利用光刻和反应离子刻蚀技术制作硅模具,并利用纳米压印技术在PMMA上制作宽度为10pm、深度为80 μm的沟道,深宽比为0.008。制造步骤和通道如图1.1所示。反应离子刻蚀具有良好的刻蚀选择性和刻蚀速度,采用纳米压印技术可以获得较高的复制精度。然而,如果沟道宽度也需要达到亚微米到纳米级,则需要制造更昂贵的纳米级掩模板和纳米光刻技术,从而进一步增加制造成本。

2硅片主模制造工艺研究

制作纳米沟道硅模具需要传统的纳米掩模板、电子束光刻、x光光刻等方法。鉴于成本高,本章提出了“蚀刻后氧化”的新工艺。以最小线宽为1.6pm的铬平板玻璃为掩膜,采用传统的微通道紫外光刻技术加工微米宽度和纳米深度的通道。蚀刻后的沟道放入氧化扩散炉中进行湿法氧化,在侧壁上形成层510:沟道尺寸宽度和深度达到亚微米至纳米。纳米通道结构作为模具进行热压,得到硅模具“母模”。“蚀刻后氧化”工艺由于其掩模板和制造工艺而避免了使用高成本的纳米掩模,并且可以在微通道加工方法和环境下实现,从而大大降低了模具的制造成本。

2.1纳米通道结构
本课题设计的通道结构如下:整个图案为纳米通道阵列,9个通道并排,长度为1~,其中单通道宽度为1.6pm,间距为10pm,如图2.1所示。显影是紫外光刻工艺中的重要一步,特别是当图案宽度接近亚微米级时,如果显影时间控制不当,图案的复制精度将受到严重影响。为此,我们测试了许多不同的显影时间,并将显影光致抗蚀剂的图案尺寸与掩模板上相应的图案尺寸进行了比较。AZ7ol专用显影剂(AZ30oMIFDeveloper)用于此开发。在相同的曝光时间(205)和曝光强度(4ZmJ/cmZ)下,当显影时间不足时,图案区域中的光致抗蚀剂不能被干净地去除,如图2.3(a)所示;当显影时间太长时,光致抗蚀剂将从二氧化硅表面脱离(图2.3(b))。经过实验优化,理想的开发时间为50-605。此时,光致抗蚀剂完全显影,并保持高图案复制精度,如图2.3(c)所示。

3聚甲基丙烯酸甲酯子模块的制造................29-33
3.1聚甲基丙烯酸甲酯子模块的热压成型...................29-31
3.1.1热压成型技术简介...................29[/溴/] 3.1.2聚甲基丙烯酸甲酯子模块的制造...................热压[29-31/br/]3.2聚甲基丙烯酸甲酯子模块形态观察...................31-32
3.3本章摘要...................32-33[/溴/] 4聚酯纳米通道的制造...................33-37
4.1聚甲基丙烯酸甲酯和聚酯的热性能比较...................33-34
4.2聚酯纳米通道的热压...................34-36[/溴/] 4.3纳米通道的再现精度...................36
4.4本章概述...................36-37
5聚酯纳米流体芯片的开发...................37-42
5.1纳米流体芯片的结构...................38[/溴/] 5.2微流控芯片的键合...................38-41 [/BR/] 5.2.1芯片清洗...................38-39
5.2.2芯片对齐...................39[/溴/] 5.2.3芯片焊接...................39-41
5.3本章概述...................41-42

[9]

基于模具制造的复制技术在纳米流体芯片的开发中具有高效、简单和易于大规模生产的优点。然而,模具制造依赖于纳米光刻技术,并且成本相对较高。为了解决上述问题,本课题在传统微通道紫外光刻技术的基础上,利用复制技术的优势制作纳米模具,降低了模具的制造成本。在图形转移过程中,通过聚合物子模块的过渡,模具的利用率有所提高。
今后的工作仍有许多改进。例如,在图形的两个传输过程中会有某些复制精度错误。因此,可以优化设计该工艺的工艺参数,有望进一步提高整个工艺的复制精度。纳米通道的宽度仍在亚微米量级,可以通过改进实验方法等进一步减小。根据整个实验,得出以下结论:
(1)提出了一种制备聚合物纳米通道的新方法,并采用“刻蚀后再氧化”的新工艺,在紫外光刻的前提下成功研制出纳米硅模具,优化了工艺中涉及的“刻蚀后再氧化”、显影、二氧化硅刻蚀、硅干法刻蚀和氧化工艺参数。
(2)首次提出使用高分子材料的纳米模具子模块作为图案复制的中间模具,可以大大延长硅模具的使用寿命。对热压过程的温度和压力进行了分析,并在两次传递过程中选择了最佳参数。
(3)用上述方法开发了宽度为72纳米、深度为290纳米的阵列纳米通道。
(4)采用热键合方法成功实现了微纳通道键合。分析了键合参数,成功制作了聚酯纳米流控芯片。

参考
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