热塑性聚合物二维纳米通道制作方法及理论研究

摘要

纳流控芯片具有纳米级的特征结构尺寸，在化学检测、生物分析以及医学工程等领域有着广阔的应用前景。其中，二维纳米通道的宽度和深度尺寸接近于生物大分子尺寸，可以在单分子水平上对生物大分子进行研究，是一种尤为重要的纳流控芯片结构。然而，目前二维纳米通道主要采用具有纳米级分辨率的光刻设备进行制造。这些设备成本昂贵，生产效率低，不适合纳流控芯片批量化生产。为此，本文对低成本批量化制造高精度二维纳米通道的工艺方法和相关理论进行了研究。主要研究内容如下:
　　(1)提出一种基于低温侧壁技术的二维纳米硅模具制造方法。首先在基于紫外曝光形成的微米尺度光刻胶台阶表面，各向同性溅射一层厚度为纳米尺度的金薄膜，然后利用各向异性的溅射刻蚀技术将水平方向的金薄膜全部去除，只留下光刻胶台阶侧壁上的金薄膜。在其后的深反应离子刻蚀工艺中，以金侧壁为掩膜对硅基底进行刻蚀，制得了二维纳米硅模具。同时，分析了工艺参数对二维纳米模具制造精度的影响。与其它常见侧壁光刻法（工作温度＞300℃）不同，整个工艺过程在40℃以下的低温环境下完成，产生的热应力小，提高了侧壁与基底的结合强度。而且该方法无需复杂、昂贵的电子束离子束光刻设备，可为低成本大面积制作高精度二维纳米模具提供一种新的工艺方法。
　　(2)对基于热压成型技术制造聚合物二维纳米沟槽的方法进行了研究。考虑了热压成型过程中聚合物基底面积变化的问题，基于粘弹性蠕变型本构方程，建立了热塑性聚合物压缩型蠕变模型，采用数值仿真与实验相结合的方法，研究了热压温度、热压压力和热压时间对纳米沟槽复制精度的影响，优化了热压成型聚合物二维纳米沟槽的工艺参数。最终采用优化后的工艺参数将二维纳米硅模具图形热压成型到聚合物基底上，制得了高精度聚合物二维纳米沟槽。
　　(3)对基于氧等离子体辅助热键合技术制造封闭聚合物二维纳米通道的方法进行了研究。以有效键合面积、键合强度和纳米通道变形量为评价指标，研究键合温度、键合压力与键合时间对聚合物二维纳米通道键合质量的影响，以此对热键合工艺参数进行了优化。从而制得了变形量小、键合强度高、无堵塞无泄漏的封闭聚合物二维纳米通道，实现了高精度聚合物二维纳米通道的制作。
　　本文通过实验分析和理论研究，提出并形成一种低成本大面积制作高精度聚合物二维纳米通道的工艺方法，可为二维纳流控芯片的实际应用提供重要支持。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 纳米通道制造研究现状

1．2．1 纳米沟槽制造方法

1．2．2 纳米模具制造技术

1．2．3 热塑性聚合物流动性分析

1．2．4 纳米沟槽键合方法

1．3 本文主要研究内容

2 热压成型聚合物二维纳米沟槽的理论研究

2．1 粘弹性模型

2．1．1 基础模型

2．1．2 Maxwell模型

2．1．3 广义Maxwell模型

2．2 蠕变柔量与松弛模量的关系

2．3 粘弹性材料的蠕变型本构方程

2．4 时温等效原理

2．5 热塑性聚合物热压成型机理

2．6 压缩型蠕变本构方程的推导

2．7 本章小结

3 二维纳米硅模具制造

3．1 模具制造总体方案

3．2 模具制造过程

3．2．1 微米尺度光刻胶台阶的制作

3．2．2 纳米尺度金薄膜的沉积

3．2．3 水平方向金薄膜的去除

3．2．4 光刻胶台阶的去除

3．2．5 二维纳米硅模具的刻蚀成型

3．3 实验研究与结果分析

3．3．1 光刻胶台阶结构对纳米模具凸起结构线条宽度的影响

3．3．2 溅射刻蚀金薄膜参数优化

3．3．3 深反应离子刻蚀硅参数优化

3．4 本章小结

4 聚合物二维纳米沟槽的热压成型方法研究

4．1 热压设备

4．2 PET二维纳米沟槽的热压成型研究

4．2．1 数值仿真

4．2．2 实验研究

4．3 PMMA二维纳米沟槽的热压成型研究

4．4 本章小结

5 聚合物二维纳米沟槽的键合方法研究

5．1 实验材料及方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方案

5．1．3 微米模具的制造

5．1．4 表面改性辅助的热键合工艺

5．2 氧等离子体表面处理参数优化

5．3 热键合PMMA-PET二维纳米通道

5．3．1 热键合参数对PMMA-PET二维纳米通道键合质量的影响

5．3．2 氧等离子体处理参数对PMMA和PET杨氏模量的影响

5．3．3 优化键合参数下PMMA-PET二维纳米通道变形情况

5．3．4 优化键合参数下PMMA-PET微米通道变形情况

5．4 热键合PET-PET二维纳米通道

5．4．1 热键合参数对PET-PET二维纳米通道键合质量的影响

5．4．2 优化键合参数下PET-PET二维纳米通道的变形情况

5．4．3 优化键合参数下PET-PET微米通道的变形情况

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介