[發明專利]用于混合尺度納流體芯片的凸模具的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202211029524.4
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115477276A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 余丙軍;吳磊;陳婷婷;崔立聰;錢林茂
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發明公開了用于混合尺度納流體芯片的凸模具的制備方法及應用，該方法的加工步驟為：首先采用微納刻劃設備對單晶硅樣品進行刻劃，再置入硅烷和乙醇的混合溶液中，使硅烷分子充分吸附在刻劃區域；然后采用刻蝕溶液對單晶硅樣品進行選擇性刻蝕，刻蝕出具有微米級高度和厘米級長度的硅凸結構；再采用微納刻劃設備刻劃具有硅凸結構的單晶硅表面，然后再次選擇性刻蝕，從而形成具有納米級高度的凸結構，完成混合尺度納凸模具結構加工。本發明利用兩次掃描探針技術實現了單晶硅表面具有混合尺度特征的凸模具集成加工，加工流程簡單、成本低，可以提高納流體芯片的生產效率。

技術領域

本發明是關于微納加工技術領域，具體涉及一種用于混合尺度納流體芯片的凸模具的制備方法及應用。

背景技術

納米流體學是研究一維或多維尺寸不超過100 nm的通道中及其周圍流體的特性和應用的一門新興科學。表面/界面力的相互作用在納米通道的流體運輸中起著重要作用，且納米通道中存在一些獨特的化學和物理現象，例如雙電層重疊、離子濃差極化和納米流體整流等。這些特性促進了包括二極管和離子場效應晶體管等在內的納流體器件在單分子分析、生化檢測、能量收集和DNA測序等領域的應用。

納流體器件通常需要微流體通道網絡作為引導目標分子進入納米通道的路徑。通常采用微米制造和納米制造相結合的工藝來制備具有混合尺度特征（一般跨nm至cm尺度）的納流體芯片。然而，用于制備混合尺度納流體芯片的傳統微/納米制造方法，即光刻、電子束/聚焦離子束光刻和納米壓印光刻，在加工跨尺度結構時面臨巨大挑戰。因此，發展一種簡單、低成本集成加工混合尺度凸模具的方法對于批量化生產納流體芯片至關重要。

發明內容

本發明的目的在于針對上述問題，提供了一種用于混合尺度納流體芯片的凸模具的制備方法及應用，該方法利用掃描探針技術實現了單晶硅表面具有混合尺度特征的凸模具集成加工，加工流程簡單、成本低，制備得到的凸模具非常適用于納流體芯片的批量化生產。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

用于混合尺度納流體芯片的凸模具的制備方法，其加工步驟如下：

S1、采用微納刻劃設備一在潔凈的單晶硅樣品表面按預定軌跡進行第一次刻劃加工；

S2、將步驟S1中第一次刻劃后的單晶硅樣品置入混合溶液中浸泡，使硅烷分子充分吸附在刻劃區域，用于提升刻劃區域抵抗刻蝕的能力；所述混合溶液為硅烷和乙醇混合，或硅氧烷和乙醇混合；所述浸泡時間為1-3h；

S3、采用刻蝕溶液對步驟S2所處理的單晶硅樣品進行選擇性刻蝕，從而刻蝕出具有微米級高度和厘米級長度的硅凸結構；

S4、采用微納刻劃設備二對步驟S3中具有硅凸結構的單晶硅表面進行第二次刻劃，在單晶硅表面形成納米級劃痕，所述納米級劃痕為連續的結構；

S5、將步驟S4所得的單晶硅樣品再次浸入刻蝕溶液中進行選擇性刻蝕，從而形成具有納米級高度的凸結構，進而完成混合尺度凸模具結構的集成加工。

步驟S1中，所述微納刻劃設備一刻劃時所用的接觸壓力為11-20 GPa，速度為0.1-1 mm/s。

步驟S2中，所述硅烷或硅氧烷可采用：1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDS）、十八烷基三氯硅烷（OTS）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，其用于提升濕法刻蝕掩膜的能力。

步驟S3中，刻蝕溶液采用氫氧化鉀溶液（質量濃度為20%）或四甲基氫氧化銨溶液（質量濃度為25%）；步驟S5中的刻蝕溶液采用氫氧化鉀溶液（質量濃度為20%）。

步驟S4中，所述微納刻劃設備二進行第二次刻劃時所用的接觸壓力為11-13 GPa，速度為1-100 μm/s，其目的是形成納米級劃痕。

進一步的，所述微納刻劃設備一的刻劃區域半徑大于微納刻劃設備二。