CN105344387A - 一种基于聚焦离子束和mems加工方法的纳米网孔薄膜微流控器件的设计 - Google Patents

Abstract

一种基于聚焦离子束和MEMS加工方法的纳米网孔薄膜微流控器件的设计。本发明公开了一种使用聚焦离子束加工纳米网孔微流控器件的方法。包括如下步骤：1)利用KOH腐蚀掏空衬底背腔，使制备纳米网孔的区域悬空。2)设计“初始干扰”图形，并借助FIB将其预置在所得悬浮薄膜上，以诱导瑞利不稳定性方向。进行FIB大面积扫描，通过控制FIB能量、剂量、扫描布局、扫描时间以及驻留时间，制得悬浮的光滑表面纳米网孔薄膜结构。3)在制作纳米网孔上，通过淀积、溅射工艺以及与PDMS流道的键合，制得纳米网孔微流控器件。4)通过调节金属电极两端电压，控制金属网孔外介质层表面双电层的特性，可对溶液中目标物质的控制与检测。5)通过精确控制纳米网孔尺寸参数，进一步增强器件控制与检测的能力和适用性。

Description

一种基于聚焦离子束和MEMS加工方法的纳米网孔薄膜微流控器件的设计

技术领域

本发明涉及一种使用聚焦离子束(FocusedIonBeam，FIB)以及MEMS工艺加工纳米网孔薄膜微流控器件的设计方法。

背景技术

聚焦离子束(FocusedIonBeam，FIB)是一种灵活的微纳米加工方法，可原位加工微米、纳米尺度的结构，操作方式包括对目标材料的局部精确刻蚀和淀积，加工的同时还可在片显微观察。它广泛应用在微纳加工及测试分析领域。

纳米网孔是一种悬浮的、单孔直径限制在500nm以下的纳米薄膜结构，这种二维纳米阵列结构既可作为滤膜材料，又可作为光学超材料，表现出很多新奇的特性，从而在制作微流控器件、光学器件等上有巨大潜力。

本发明提出一种基于聚焦离子束与MEMS工艺的悬浮纳米网孔微流控器件的设计方法。能够应用该方法加工纳米网孔结构的有金、铝、钛、铜等金属材料，单晶硅、多晶硅等半导体材料，以及氮化硅、二氧化硅等非晶绝缘体材料，通过调节能量、束流、作用时间等离子束参数即可同时加工不同材料、不同规格的纳米网孔结构。与传统MEMS工艺相结合，对悬浮纳米网孔保型淀积介质层、与PDMS微流道结构键合等，从而构成完整的纳米网孔薄膜微流控器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工悬浮二维纳米网孔结构微流控器件的方法，利用聚焦离子束的扫描式轰击使目标悬浮薄膜材料表现出类似于流体的物质再分布的特性，受瑞利不稳定性原理支配，发生瑞利不稳定现象，从而形成诸如二维纳米网孔的悬浮纳米结构。进而运用MEMS工艺对二维悬浮纳米网孔保型淀积介质层以及与PDMS微流道结构键合等，构筑出完整的纳米网孔薄膜微流控器件。

本发明所提供的并行加工纳米网孔薄膜微流控器件的方法，包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上淀积制备纳米网孔所需的薄膜材料以及相关的保护层。

2)将所要加工的目标薄膜材料悬空，并且定义相关图形和连接。将目标薄膜材料悬空的方法可以是使用牺牲层或者掏背腔。

3)设计二维“初始干扰”图形，并借助FIB原位精密刻蚀加工能力将其预置在所得悬浮薄膜上，以诱导瑞利不稳定性方向。

4)通过高能聚焦离子束扫描目标薄膜材料图形，因溅射作用对其进行减薄，同时，被辐照薄膜材料会由于能量交换而发生类流体性质的物质再分布效应，在瑞利不稳定原理控制下，变形成型出一定纳米结构。

5)通过控制离子束作用的条件(如加速电压、轰击束流、作用时间等)以及目标薄膜材料的性质和初始图形，可形成不同尺寸参数的二维纳米网孔阵列结构。

6)在加工成型的纳米网孔薄膜上保型淀积一层介质层(如氧化硅或Parylene)。

7)将保型淀积有介质层的悬浮纳米网孔薄膜与PDMS微结构键合在一起，形成通过该薄膜的微流道。

8)从纳米网孔阵列结构周围引出电极，形成纳米网孔薄膜微流控器件。

本发明以聚焦离子束轰击作用为基础，具有如下优点：1.可以通过预置二维“初始干扰”图形以及调节FIB作用参数，从而有可能实现对纳米网孔结构形状的可控制、可重复成型；2.聚焦离子束技术与微电子相结合，将制作的纳米网孔应用于微流体器件，利用纳米网孔结构形状的可控性，进而可以检测与控制不同种类目标颗粒。

附图说明

图1为实施实例中1)-3)步形成悬浮薄膜的流程示意图；

图2为实施实例4)-5)中进行聚焦离子束加工纳米网孔阵列的说明图；

图3为在纳米网孔基础上，淀积介质层和电极引出后的示意图；

图4为微纳流道示意图；

图5为纳米网孔阵列的扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)照片，照片同时展示了纳米网孔阵列的形成过程

图6为不同金属的纳米网孔阵列的SEM照片，其中(a)为钛材料，(b)为金材料，(c)为20*20的金纳米网孔阵列，(d)为其细节图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步的详细说明。

实施实例：金(Au)纳米网孔微流器件

具体步骤

1)准备并清洗所选用的硅(Si)衬底，硅选用N型(100)晶向，400um双抛硅片。

2)双面化学气相淀积二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)，形成用于制备纳米网孔的薄膜材料，同时形成氢氧化钾(KOH)腐蚀掏背腔的掩膜，见图1a，其中氧化硅厚度200nm，氮化硅厚度110nm。

3)背面光刻，然后反应离子刻蚀(RIE)氮化硅和二氧化硅，形成图1b的掩模；氢氧化钾腐蚀掏背腔，腐蚀到二氧化硅自停止，见图1c；用RIE去掉Si₃N₄，物理汽相淀积(PVD)一层金(100nm)，见图1d。最后用缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀二氧化硅使薄膜悬浮，形成悬浮的金薄膜，见图1e。

4)使用聚焦离子束在薄膜上进行选择性刻蚀，做进一步的初始图形加工，加工出规则阵列凹槽，深度在50nm左右，如图2a。

5)继续使用聚焦离子束在希望形成纳米网孔的区域进行轰击扫描，在逐渐减薄材料的过程中形成纳米网孔，形成过程的侧视图见图5。该过程中，聚焦离子束扫描区域可以很大，覆盖多个初始图形，实现并行加工。

6)继续使用聚焦离子束扫描轰击已减薄的区域，短时间内会使特定区域基本流体化，发生物质“流动”再分布及其瑞利不稳定性现象，在薄膜即将断裂的时候，停止离子束辐照，就可形成二维纳米网孔结构。选择合适的离子能量和轰击密度，即可形成纳米网孔阵列结构(图5为所得厚度约100nm的Si₃N₄纳米网孔结构电镜照片，网孔尺寸500nm，FIB能量和密度分别取30keV和3.1×10¹⁷ion/cm·s，可见其逐步演化的形成过程，从图5(d)中还可明显看出其侧面光滑起伏的形貌。图6是在不同金属薄膜(Au，Ti)加工出的纳米网孔阵列结构，可以看出阵列规模可达20*20)。

7)在加工得到悬浮纳米网孔的基础上，进行保形CVD淀积SiO₂，随后进行电极的引出。如图3所示。

8)最后在薄膜两侧键合上PDMS制得的微流道，在待测粒子/物质的溶液穿过网孔的过程中，通过电极施加电压，控制网孔表面双电层的分布，进而控制粒子/物质的通过，可以对其进行富集和检测。

Claims (2)

1.一种基于聚焦离子束和MEMS加工方法的纳米网孔薄膜微流控器件的设计，包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上淀积制备纳米网孔所需的薄膜材料以及相关的保护层。

2)将所要加工的目标薄膜材料悬空，并且定义相关图形和连接。将目标薄膜材料悬空的方法可以是使用牺牲层或者掏背腔。

3)设计二维“初始干扰”图形，并借助FIB原位精密刻蚀加工能力将其预置在所得悬浮薄膜上，以诱导瑞利不稳定性方向。

4)通过高能聚焦离子束扫描目标薄膜材料图形，因溅射作用对其进行减薄，同时，被辐照薄膜材料会由于能量交换而发生类流体性质的物质再分布效应，在瑞利不稳定原理控制下，变形成型出一定纳米结构。

5)通过控制离子束作用的条件(如加速电压、轰击束流、作用时间等)以及目标薄膜材料的性质和初始图形，可形成不同尺寸参数的二维纳米网孔阵列结构。

6)在加工成型的纳米网孔薄膜上保型淀积介质层(氧化硅或Parylene)。

7)将保型淀积有介质层的悬浮纳米网孔薄膜与PDMS微结构键合在一起，形成通过该薄膜的微流道。

8)从纳米网孔阵列结构周围引出电极，形成纳米网孔薄膜微流控器件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

1)使用低的离子加速电压和束流轰击加工，可以制作特征尺寸在200纳米的网孔阵列结构。

2)可并行加工，不需要精准操作。

3)可适用于多种目标薄膜材料，包括各种单晶材料，如单晶硅等；各种多晶材料，如多晶硅等；各种无定形材料或者金属晶体，比如无定形氮化硅、金和铜。

4)可生成表面光滑的规模10微米*10微米的网孔阵列结构。

5)通过对导电悬浮薄膜施加一定电压，以造成其上纳米网孔表面双电层的变化，从而到达对溶液中带电目标物质的控制与检测。

6)通过控制FIB加工参数，可以得到不同纳米网孔结构参数的器件，从而可以改变对溶液中目标物质的控制与检测能力。