CN104849957A - 一种带有纳米尺度通道的su-8胶电液动力射流喷针制造方法 - Google Patents

Abstract

一种制备带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针的热压印-紫外曝光制造方法,采用两次PDMS浇注和氧等离子体处理方法，制造出镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具。然后在硅片上光刻出BP212牺牲层，蒸镀一层Al作为掩蔽层，并旋涂SU-8胶。利用微纳复合尺度PDMS模具，采用热压印和正向紫外曝光方法制造出带有纳米尺度沟道的SU-8胶喷针。键合后去除Al掩蔽层和BP212牺牲层，使SU-8胶喷针针尖前部悬空，形成前部悬空的带有纳米尺度通道的SU-8胶喷针。本发明制作工艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。

Description

一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法

技术领域

本发明涉及微机电研究领域，特别是涉及一种基于热压印-紫外曝光技术的电液动力射流喷针制造方法。

背景技术

纳米结构器件能够在生物、化学和电子学领域得到广泛应用，主要依靠具有灵活简单，低成本和实用性的纳米结构制造技术。电液动力射流(Electrohydrodynamic-jet，EHD-jet)打印是一种使用溶液直接印写微/纳米图形的技术，具有按需增材、低成本高分辨率、大面积快速柔性制造优点。电液动力射流打印技术采用电场力，驱动液体墨水流过电液动力射流喷针产生射流，实现在基底上直接印写图形。电液动力射流具有尺度效应，打印分辨率主要取决于喷针内径尺度，随着喷针内径尺度的减小打印分辨率可以得到提高。所以通过缩小喷孔直径，就有可能获得更高分辨率打印，最终实现100nm以下图形高分辨率直写打印。

目前，几乎所有电液动力射流打印都使用石英玻璃喷针，石英玻璃喷针是通过加热拉伸方法获得的。由于拉伸过程中喷针内径尺寸难以控制，而且容易破碎，因此制造100nm以下带有纳米尺度通道的石英喷针十分困难。聚合物喷针是近几年提出的一种用于电液动力电喷雾电离的喷针。通过采用传统紫外光刻工艺，能够在光敏聚合物上形成微米尺度通道的喷针。该制造方法工艺灵活，成本低，不容易损坏，但是由于受到紫外光衍射极限的制约，喷针通道尺寸仅为微米尺度。

从以上的分析中可以看出，如何制造通道尺寸更小、价格更低廉的电液动力射流喷针已成为获取更高打印分辨率(100nm以下)亟待解决的问题。为解决这一问题，本专利提出一种新颖的电液动力射流喷针制造方法，采用镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具，利用热压印和正向紫外曝光技术，采用Al掩蔽层和BP212牺牲层制作纳米尺度沟道SU-8喷针悬空针尖，最终制造出100nm以下纳米尺度通道SU-8胶电液动力射流喷针。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对以往电液动力射流喷针加工困难、制造成本高、不能制造100nm以下纳米通道喷针问题，提出一种基于镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具，采用热压印和正向紫外曝光技术的电液动力射流喷针制造方法。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

(1)镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具加工

采用两次PDMS浇注技术制造微纳复合尺度PDMS模具。首先将PDMS浇注到经过表面改性后的二维纳米硅模具上。经过抽真空和热固化，形成带有纳米尺度图形的第一层PDMS。将带有微米尺度图形的掩膜胶片和第一层PDMS经过氧等离子处理后，经对准将掩膜胶片置于第一层PDMS上，然后浇注第二层PDMS，使掩膜胶片被封装在两层PDMS之间，形成微纳复合尺度PDMS模具。

(2)采用微纳复合尺度PDMS模具热压印和紫外固化制造纳米尺度沟道SU-8喷针

在硅片上旋涂一层紫外固化光刻胶，经过曝光显影制造出纳米尺度沟道喷针BP212牺牲层。然后利用热蒸发在牺牲层上蒸镀一层Al掩蔽层薄膜。在带有BP212牺牲层和Al掩蔽层薄膜的硅片上旋涂一层SU-8胶，前烘后利用步骤(1)得到的微纳复合尺度PDMS模具，在SU-8胶基底上热压印出纳米尺度沟道。然后从PDMS模具上方对SU-8胶进行紫外曝光，后烘后使微米尺度图形区域以外的SU-8胶固化，显影后形成带有纳米尺度沟道的SU-8喷针。

(3)采用Al掩蔽层和BP212牺牲层制作纳米尺度沟道SU-8喷针悬空针尖

在PDMS基底上旋涂一层SU-8胶，前烘后，形成纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板。将纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板和步骤(2)得到的带有纳米尺度沟道的SU-8喷针进行氧等离子体处理，处理后利用热压键合将纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板和带有纳米沟道的SU-8喷针进行热压键合。紫外曝光、后烘并显影后，形成带有纳米通道的电液动力射流SU-8喷针。去除Al掩蔽层薄膜和牺牲层，使SU-8胶喷针前部悬空，再将SU-8胶喷针悬空部分以下的硅片切除后，最终形成前部悬空的带有纳米通道的SU-8胶喷针。

本发明采用两次PDMS浇注技术制造镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具，采用热压印和紫外曝光技术，在紫外固化光刻胶材料SU-8基底上制造出带有纳米沟道的喷针，利用氧等离子体辅助热压键合实现纳米沟道喷针键合，采用Al掩蔽层和BP212牺牲层制作纳米尺度沟道SU-8喷针悬空针尖，最终制作出纳米尺度通道尺寸在100nm以下的电液动力射流SU-8喷针。采用两次PDMS浇注技术可制造低成本微纳复合尺度PDMS模具。利用热压纳米压印和紫外曝光技术，可实现纳米通道尺寸小于100nm的低成本聚合物纳米喷针制造。本发明制作工艺简单、成本低并且容易实现。

附图说明

图1是纳米通道喷针的热压印-紫外曝光制造方法示意图。

图2是热压印-紫外曝光后带有纳米沟道的SU-8胶喷针结构示意图。

图3是键合去除牺牲层后悬空的带有纳米通道的SU-8胶喷针结构示意图。

图中：1二维硅纳米模具；2 PDMS；3带有微米尺度图形的掩膜胶片；4正胶BP212；5金属Al；6 SU-8胶；a第一层PDMS浇注；b放置微米掩膜板；c第二层PDMS浇注；d PDMS脱模；e BP212光刻和Al蒸镀；f旋涂SU-8胶；g热压印-紫外曝光SU-8胶；h SU-8胶后烘显影；i SU-8胶旋涂；j SU-8胶喷针键合；k去除PDMS；l Al和BP212腐蚀。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。

图1是本发明纳米通道喷针热压印-紫外曝光制造方法示意图。

如图1所示，制作流程步骤如下：

(a)将深度宽度尺度均在100nm以下的二维纳米硅模具1通过标准清洗液清洗后，采用二甲基二氯硅烷改性，增加模具表面疏水性。然后浇注PDMS 2，第一层PDMS固化剂比例为5:1，浇注厚度控制在200μm到500μm之间。抽真空去除PDMS中的气泡后，将带有纳米尺度喷针图形的第一层PDMS固化，固化温度为40℃，固化时间为3小时；

(b)为增强第一层PDMS、胶片掩膜板和第二次PDMS的结合强度，将胶片掩膜板3和第一层PDMS用氧等离子体处理。然后将掩膜胶片的微米尺度图形和第一层PDMS上的纳米尺度图形进行对准，对准后将掩膜胶片置于第一层PDMS上；

(c)浇注第二层PDMS，第二层PDMS固化剂比例为10:1，PDMS厚度控制在1mm到2mm之间。利用抽真空去除PDMS中的气泡后，将镶嵌微米尺度图形掩膜胶片的第二层PDMS固化，固化温度为80℃，固化时间为1.5小时；

(d)将固化后的PDMS从二维纳米硅模具上揭下来，形成镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具；

(e)在新的2英寸硅片上旋涂一层紫外固化光刻胶BP212，在紫外光刻、显影后形成光刻胶台阶4，作为电液动力射流喷针针尖的牺牲层。利用热蒸发蒸镀一层Al掩蔽层薄膜5，用于防止SU-8在显影过程中显影液对BP212进行腐蚀；

(f)旋涂一层紫外固化光刻胶SU-85，并进行前烘，前烘温度为85℃，前烘时间为30min；

(g)利用步骤(a)至(d)制造的镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具，对步骤(f)中的SU-8胶基底进行热压，热压温度为85℃，热压压力为0.2MPa，热压时间为20min。热压后从微纳复合尺度PDMS模具上方对SU-8进行紫外曝光，并进行后烘，后烘温度为85℃，后烘时间为1.5min；

(h)对步骤(g)制造出的SU-8胶结构进行显影，显影时间为1.5min，显影后形成一种微纳复合尺度沟道的SU-8胶喷针(如说明书附图2所示)，SU-8胶喷针纳米尺度沟道深度和宽度均在100nm以下，其纳尺度沟道由热压印和紫外固化形成，微尺度沟道由紫外光刻固化显影形成。

(i)在PDMS基底上旋涂一层SU-8胶，形成纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板。为保证SU-8胶平整度和键合效果，前烘温度采用60℃，前烘时间采用1.5h。SU-8喷针盖板厚度控制在10μm到15μm之间；

(j)将步骤(h)得到的带有纳米尺度沟道SU-8喷针与步骤(i)得到的纳米尺度沟道SU-8喷针盖板进行氧等离子体处理，氧等离子体处理后将带有纳米尺度沟道的SU-8胶喷针与纳米尺度沟道SU-8喷针盖板进行热压键合，热压键合温度为50℃，热压键合压力为0.2MPa，热压键合时间为5min；

(k)揭掉纳米尺度沟道SU-8喷针盖板上的PDMS基底，将SU-8胶盖板与带有纳米尺度沟道的SU-8胶喷针针尖基底端面对准，紫外光刻曝光，经后烘显影，后烘温度为85℃，后烘时间为1.5min，显影时间为1.5min，形成一个整体平滑的带有盖板封闭通道的SU-8胶喷针针尖端面；

(l)将步骤(k)得到的带有纳米尺度通道的SU-8胶喷针，先浸入到NaOH溶液中，腐蚀步骤(e)中形成的Al掩蔽层薄膜。然后浸入到丙酮中，腐蚀步骤(e)中制造的BP212牺牲层。腐蚀Al掩蔽层薄膜和BP212牺牲层后，SU-8胶喷针针尖前部悬空，将SU-8胶喷针针尖悬空部分以下的硅片切除，最终形成前部悬空带有纳米尺度通道的SU-8胶喷针(如说明书附图3所示)。

凡是利用本发明及附图内容的等效结构或等效工艺流程，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征如下：

(1)采用两次PDMS浇注技术制造微纳复合尺度PDMS模具

首先将PDMS浇注到经过表面改性后的二维纳米硅模具上；经过抽真空和热固化，形成带有纳米尺度图形的第一层PDMS；将带有微米尺度图形的掩膜胶片和第一层PDMS经过氧等离子处理后，经对准将掩膜胶片置于第一层PDMS上，然后浇注第二层PDMS，使掩膜胶片被封装在两层PDMS之间，形成微纳复合尺度PDMS模具；

(2)采用微纳复合尺度PDMS模具热压印和紫外固化制造纳米尺度沟道SU-8喷针

在硅片上旋涂一层紫外固化光刻胶，经过曝光显影制造出纳米尺度沟道喷针BP212牺牲层；然后利用热蒸发在牺牲层上蒸镀一层Al掩蔽层薄膜；在带有BP212牺牲层和Al掩蔽层薄膜的硅片上旋涂一层SU-8胶，前烘后利用步骤(1)得到的微纳复合尺度PDMS模具，在SU-8胶基底上热压印出纳米尺度沟道；然后从PDMS模具上方对SU-8胶进行紫外曝光，后烘后使微米尺度图形区域以外的SU-8胶固化，显影后形成带有纳米尺度沟道的SU-8喷针；

(3)采用Al掩蔽层和BP212牺牲层制作纳米尺度沟道SU-8喷针悬空针尖

在PDMS基底上旋涂一层SU-8胶，前烘后，形成纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板；将纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板和步骤(2)得到的带有纳米尺度沟道的SU-8喷针进行氧等离子体处理，处理后利用热压键合将纳米尺度沟道SU-8喷针的盖板和带有纳米沟道的SU-8喷针进行热压键合；紫外曝光、后烘并显影后，形成带有纳米通道的电液动力射流SU-8喷针；去除Al掩蔽层薄膜和牺牲层，使SU-8胶喷针前部悬空，再将SU-8胶喷针悬空部分以下的硅片切除后，最终形成前部悬空的带有纳米通道的SU-8胶喷针。

2.根据权利要求1所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，在聚合物材料上形成一种微纳复合尺度沟道喷针结构，其纳尺度沟道的宽度和深度均小于100nm，由热压印和紫外固化形成，微尺度沟道由紫外光刻固化显影形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，采用热压-紫外光刻制造带有纳米尺度沟道的SU-8胶喷针针尖基底端面，键合SU-8胶盖板后，将SU-8胶盖板与带有纳米尺度沟道的SU-8胶喷针针尖基底端面对准，紫外光刻曝光，经后烘显影，形成一个整体平滑的带有盖板封闭通道的SU-8胶喷针针尖端面。

4.根据权利要求3所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，制造镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具过程中，带有纳米尺度喷针图形的第一层PDMS固化剂比例为5:1，浇注厚度控制在200μm到500μm之间；镶嵌微米尺度图形掩膜胶片的第二层PDMS固化剂比例为10:1，PDMS厚度控制在1mm到2mm之间。

5.根据权利要求1或4所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，制造镶嵌掩膜胶片的微纳复合尺度PDMS模具过程中，带有纳米尺度喷针图形的第一层PDMS固化温度为40℃，固化时间3小时；镶嵌微米尺度图形掩膜胶片的第二层PDMS固化温度为80℃，固化时间1.5小时。

6.根据权利要求5所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，采用金属Al掩蔽层保护SU-8胶悬空针尖下面的BP212牺牲层，防止SU-8胶悬空针尖下面的牺牲层在SU-8胶显影过程中被显影液腐蚀。

7.根据权利要求5所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，在腐蚀Al薄膜和SU-8胶悬空针尖下面的BP212牺牲层后，SU-8胶喷针前部悬空，将SU-8胶喷针悬空部分以下的硅片切除，最终形成喷针前部悬空的带有纳米通道的SU-8胶喷针。

8.根据权利要求6或7所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，形成纳米尺度沟道SU-8喷针的SU-8胶盖板厚度为10μm到15μm之间。

9.根据权利要求1或6或7所述的一种带有纳米尺度通道的SU-8胶电液动力射流喷针制造方法，其特征在于，金属Al可被替换成Cu、Cr、Au和Ni；正胶BP212可被替换成AZ701、AZ703和聚酰亚胺。