CN109663621A - 一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件，第一微纳结构和第二微纳结构是分步形成的，因此可以形成不同的尺寸；并且，在第一区域形成第一微纳结构的过程中，通过第二膜层保护第一膜层的第二区域，在第二区域形成第二微纳结构的过程中，通过第三膜层保护第一微纳结构，由于第二膜层或第三膜层的保护，使得多种图案化工艺均可用于形成第一微纳结构和第二微纳结构，如纳米压印工艺、激光干涉光刻工艺等，不再局限于电子束曝光刻蚀工艺，这样可以制备得到大面积的微纳结构基板，并且可以降低成本，具有更高的灵活性和量产性。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件。
背景技术
微流控芯片于1992年兴起，是在微米尺度通道中操纵微量流体的科学和技术，由于其快速、高效和试样用量少的特点，已被广泛应用于生化分析、药物筛选、环境检测等领域。近年来，随着微流控芯片的迅猛发展和纳米加工工艺的进步，纳流控芯片也越来越引起人们的关注。由于通道尺度由微米级进入纳米级，该尺寸与生物大分子如DNA、蛋白质等处于同一量级，所以纳流控芯片可应用于生物大分子的单分子检测、控制和分离等。对于不同种类的生物大分子，对应的纳米结构尺寸不同，因此制作不同尺寸的纳米结构在实际应用中非常重要。
现有不同尺寸的纳米结构多通过电子束曝光刻蚀工艺制作，最大只能制作12寸的基底，不能实现大面积化而且成本很高。
发明内容
本发明提供一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件，以实现不同尺寸微纳结构基板的大面积化。
为了解决上述问题，本发明公开了一种微纳结构基板的制备方法，包括：
提供基底，并在所述基底上形成第一膜层，所述第一膜层包括第一区域和第二区域；
在所述第一膜层的所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层；
在所述第一膜层的所述第一区域形成第一微纳结构，并去除所述第二膜层；
在所述第一微纳结构背离所述基底的一侧形成第三膜层；
在所述第一膜层的所述第二区域形成第二微纳结构，并去除所述第三膜层，得到所述微纳结构基板。
可选地，所述第一膜层、所述第二膜层以及所述第三膜层的材料至少包括以下至少一种：SiO、SiN、Al、Mo、ITO和PR胶。
可选地，所述第一膜层的厚度大于或等于10nm，且小于或等于1μm。
可选地，所述第一区域的膜层厚度与所述第二区域的膜层厚度不同。
可选地，所述在所述基底上形成第一膜层的步骤，包括：
在所述基底上形成第一膜层材料；
对所述基板上预设区域的第一膜层材料进行刻蚀，形成包括所述第一区域和所述第二区域的所述第一膜层。
可选地，所述第二膜层的厚度等于所述第一区域的膜层厚度与所述第二区域的膜层厚度的差值绝对值。
可选地，所述在所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层的步骤，包括：
在所述第一膜层背离所述基底的一侧形成第二膜层材料；
对形成在所述第一区域的第二膜层材料进行刻蚀，得到形成在所述第二区域的第二膜层。
可选地，所述在所述第一区域形成第一微纳结构的步骤，包括：
采用纳米压印工艺，在所述第一区域形成第一微纳结构；
所述在所述第二区域形成第二微纳结构的步骤，包括：
采用纳米压印工艺，在所述第二区域形成第二微纳结构。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种微纳流控芯片，包括任一制备方法获得的微纳结构基板。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种微纳流控器件，包括任一实施例所述的微纳流控芯片。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本申请提供了一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件，其中，所述微纳结构基板的制备方法包括：提供基底，并在所述基底上形成第一膜层，所述第一膜层包括第一区域和第二区域；在所述第一膜层的所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层；在所述第一膜层的所述第一区域形成第一微纳结构，并去除所述第二膜层；在所述第一微纳结构背离所述基底的一侧形成第三膜层；在所述第一膜层的所述第二区域形成第二微纳结构，并去除所述第三膜层，得到所述微纳结构基板。由于第一微纳结构和第二微纳结构是分步形成的，因此可以形成不同的尺寸；并且，在第一区域形成第一微纳结构的过程中，通过第二膜层保护第一膜层的第二区域，在第二区域形成第二微纳结构的过程中，通过第三膜层保护第一微纳结构，由于第二膜层或第三膜层的保护，使得多种图案化工艺均可用于形成第一微纳结构和第二微纳结构，如纳米压印工艺、激光干涉光刻工艺等，不再局限于电子束曝光刻蚀工艺，这样可以制备得到大面积的微纳结构基板，并且可以降低成本，具有更高的灵活性和量产性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法的步骤流程图；
图2示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法中完成第一膜层制作的剖面结构示意图；
图3示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法中完成第二膜层制作的剖面结构示意图；
图4示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法中完成第一微纳结构制作的剖面结构示意图；
图5示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法中完成第三膜层制作的剖面结构示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法中完成微纳结构基板制作的剖面结构示意图；
图7示出了本申请实施例提供的第一微纳结构的制备方法中完成压印胶涂覆的剖面结构示意图；
图8示出了本申请实施例提供的第一微纳结构的制备方法中完成压印固化的剖面结构示意图；
图9示出了本申请实施例提供的第一微纳结构的制备方法中完成脱模的剖面结构示意图；
图10示出了本申请实施例提供的第一微纳结构的制备方法中完成第一膜层刻蚀的剖面结构示意图；
图11示出了本申请实施例提供的第二微纳结构的制备方法中完成第一膜层压印、固化和脱模的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本申请一实施例提供了一种微纳结构基板的制备方法，参照图1，该制备方法可以包括：
步骤101：提供基底，并在基底上形成第一膜层，第一膜层包括第一区域和第二区域。参照图2示出了完成第一膜层制作的剖面结构示意图。
具体地，基底材料可以是玻璃、PI等。
第一膜层的材料可以是SiO、SiN等无机材料，也可以是Al、Mo等金属材料，还可以是PR胶等有机材料。
第一膜层的厚度可以大于或等于10nm，且小于或等于1μm。
第一区域和第二区域的第一膜层厚度可以相同，这样直接采用成膜工艺在基底上形成特定厚度的第一膜层材料即可得到第一膜层。
第一区域和第二区域的第一膜层厚度也可以不同，可以首先采用成膜工艺在基底上形成第一膜层材料，再对基板上预设区域(第一区域或第二区域，图2示出的为第二区域)的第一膜层材料进行刻蚀，形成包括第一区域和第二区域的第一膜层。其中通过刻蚀减薄的膜层厚度(图2中的台阶高度)根据实际需要确定。
步骤102：在第一膜层的第二区域背离基底的一侧形成第二膜层。参照图3示出了完成第二膜层制作的剖面结构示意图。
具体地，第二膜层的材料可以是SiO、SiN等无机材料，也可以是Al、Mo等金属材料，还可以是PR胶等有机材料。
当第二区域的第一膜层厚度比第一区域的第一膜层厚度薄时，第二膜层的高度可以与第一区域的第一膜层平齐，即第二膜层的厚度等于第一区域的膜层厚度与第二区域的膜层厚度的差值绝对值；第二膜层的高度也可以稍高于或低于第一区域的第一膜层。在实际应用中，第二膜层只要能保护其覆盖的第一膜层不被破坏即可，具体厚度和材料可以根据实际情况确定。
第二膜层可以采用成膜工艺直接形成在第二区域，也可以首先在第一膜层上覆盖形成第二膜层材料；再对形成在第一区域的第二膜层材料进行刻蚀，得到形成在第二区域的第二膜层。
步骤103：在第一膜层的第一区域形成第一微纳结构，并去除第二膜层。图4示出了完成第一微纳结构制作的剖面结构示意图。
具体地，可以采用纳米压印工艺或激光干涉光刻等图案化工艺，在第一区域形成第一微纳结构。
一种实现方式中，采用纳米压印工艺在第一膜层的第一区域形成第一微纳结构的步骤具体可以包括：
在第一膜层的第一区域和第二膜层上涂压印胶；参照图7示出了完成压印胶涂覆的剖面结构示意图；
采用压印模板对压印胶进行压印并固化；参照图8示出了完成压印固化的剖面结构示意图；
脱模，得到图案化压印胶；参照图9示出了完成脱模的剖面结构示意图；
对未被压印胶覆盖的第一膜层进行刻蚀；如采用干刻工艺，得到第一微纳结构，参照图10示出了完成第一膜层刻蚀的剖面结构示意图。完成第一微纳结构之后，可以采用刻蚀工艺去除第二区域的第二膜层，参照图4。
需要说明的是，在刻蚀第一膜层的第一区域时，第二膜层不能被刻蚀掉，使得第二膜层可以保护第二区域的第一膜层不被刻蚀。
步骤104：在第一微纳结构背离基底的一侧形成第三膜层。图5示出了完成第三膜层制作的剖面结构示意图。
具体地，第三膜层的材料可以是SiO、SiN等无机材料，也可以是Al、Mo等金属材料，还可以是PR胶等有机材料。
第三膜层只要能保护其覆盖的第一微纳结构不被破坏即可，具体厚度和材料可以根据实际情况确定。
第三膜层可以采用成膜工艺直接形成在第一微纳结构上，也可以首先在第一微纳结构和第二区域覆盖形成特定厚度的第三膜层材料，然后再将第二区域的第三膜层材料刻蚀掉得到。第三膜层的材料、厚度以及形成工艺可以与第二膜层相同或相似。
步骤105：在第一膜层的第二区域形成第二微纳结构，并去除第三膜层，得到微纳结构基板。图6示出了完成微纳结构基板制作的剖面结构示意图。
具体地，可以采用纳米压印工艺或激光干涉光刻等图案化工艺，在第二区域形成第二微纳结构。
一种实现方式中，采用纳米压印工艺在第一膜层的第二区域形成第二微纳结构的步骤具体可以包括：
在第一膜层的第二区域和第三膜层上涂压印胶；
采用压印模板对压印胶进行压印并固化；脱模，得到图案化压印胶；参照图11示出了制备第二微纳结构过程中完成第一膜层压印、固化和脱模的剖面结构示意图。
对未被压印胶覆盖的第一膜层进行刻蚀；如采用干刻工艺，得到第二微纳结构。
完成第二微纳结构之后，可以采用刻蚀工艺去除第一微纳结构上的第三膜层，参照图6。
需要说明的是，在刻蚀第一膜层的第二区域时，第三膜层不能被刻蚀掉，使得第三膜层可以保护第一微纳结构不被刻蚀。
本实施例提供的一种微纳结构基板的制备方法，由于第一微纳结构和第二微纳结构是分步形成的，因此可以形成不同的尺寸；并且由于第二膜层或第三膜层的保护，使得多种图案化工艺均可用于形成第一微纳结构和第二微纳结构，如纳米压印工艺、激光干涉光刻工艺等，不再局限于电子束曝光刻蚀工艺，这样可以制备得到大面积的微纳结构基板，并且可以降低成本，具有更高的灵活性和量产性。进一步地，本实施例通过一种压印模板、多次压印的方式实现了大面积、不同尺寸的微纳结构制作。通过纳米压印工艺将压印模版中的微结构转移到未被第二膜层或第三膜层覆盖的第一膜层上，从而形成不同尺寸的微纳结构。
下面介绍上述实施例提供的制备方法的一种具体应用。
第一膜层材料为SiN，起到保护作用的第二膜层和第三膜层的材料为ITO。
第一区域的第一膜层厚度为150nm，第二区域的第一膜层厚度为70nm，制备过程中形成在第二区域的第二膜层厚度为80nm。
参照图6，制备得到的第一微纳结构的线宽w1、线距d1和高度h1可以分别为70nm、70nm和120nm，第二微纳结构的线宽w2、线距d2和高度h2可以分别为70nm、70nm和60nm。
需要说明的是，第一微纳结构和第二微纳结构的线宽和线距可以通过压印模板来控制，高度可以通过第一膜层的厚度或对第一膜层的刻蚀时间来控制。
微纳结构基板可以附接于、组合进、集成至各种适当装置和设备，或以其他方式在各种适当装置和设备中使用。
本申请另一实施例还提供了一种微纳流控芯片，包括上述任一实施例所述的制备方法获得的微纳结构基板。
微纳流控芯片指的是能够利用小体积和/或小流速分离分子的小型装置。包括各种传感器，比如气体传感器、脱氧核糖核酸(DNA)传感器、核糖核酸(RNA)传感器、肽或蛋白质传感器、抗体传感器、抗原传感器、组织因子传感器、载体和病毒载体传感器、脂质和脂肪酸传感器、类固醇传感器、神经递质传感器、无机离子和电化学传感器、pH传感器、自由基传感器、碳水化合物传感器、神经传感器、化学传感器、小分子传感器、外显子传感器、代谢物传感器、中间体传感器、染色体传感器和细胞传感器等。
本申请另一实施例还提供了一种微纳流控器件，包括任一实施例所述的微纳流控芯片。
当前微纳流控器件在微流体技术中具有许多应用，其示例包括：离子阀、分子阀、电控微流体装置、光控微流体装置、离子晶体管等等。
本申请实施例提供了一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件，其中，所述微纳结构基板的制备方法包括：提供基底，并在所述基底上形成第一膜层，所述第一膜层包括第一区域和第二区域；在所述第一膜层的所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层；在所述第一膜层的所述第一区域形成第一微纳结构，并去除所述第二膜层；在所述第一微纳结构背离所述基底的一侧形成第三膜层；在所述第一膜层的所述第二区域形成第二微纳结构，并去除所述第三膜层，得到所述微纳结构基板。通过第二膜层保护第一膜层的第二区域，在第一膜层的第一区域形成第一微纳结构；通过第三膜层保护第一微纳结构，在第一膜层的第二区域形成第二微纳结构；由于第二膜层或第三膜层的保护，使得多种图案化工艺均可用于形成第一微纳结构和第二微纳结构，如纳米压印工艺、激光干涉光刻工艺等，不局限于电子束曝光刻蚀工艺，并且可以制备得到大面积且具有多种不同尺寸微纳结构的基板，同时可以降低成本，具有更高的灵活性和量产性。进一步地，本实施例通过一种压印模板、多次压印的方式实现了大面积、不同尺寸的微纳结构制作。通过纳米压印工艺将压印模版中的微结构转移到未被第二膜层或第三膜层覆盖的第一膜层上，从而形成不同尺寸的微纳结构。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种微纳结构基板的制备方法、微纳流控芯片及器件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种微纳结构基板的制备方法，其特征在于，包括：
提供基底，并在所述基底上形成第一膜层，所述第一膜层包括第一区域和第二区域；
在所述第一膜层的所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层；
在所述第一膜层的所述第一区域形成第一微纳结构，并去除所述第二膜层；
在所述第一微纳结构背离所述基底的一侧形成第三膜层；
在所述第一膜层的所述第二区域形成第二微纳结构，并去除所述第三膜层，得到所述微纳结构基板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一膜层、所述第二膜层以及所述第三膜层的材料至少包括以下至少一种：SiO、SiN、Al、Mo、ITO和PR胶。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一膜层的厚度大于或等于10nm，且小于或等于1μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一区域的膜层厚度与所述第二区域的膜层厚度不同。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述在所述基底上形成第一膜层的步骤，包括：
在所述基底上形成第一膜层材料；
对所述基板上预设区域的第一膜层材料进行刻蚀，形成包括所述第一区域和所述第二区域的所述第一膜层。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二膜层的厚度等于所述第一区域的膜层厚度与所述第二区域的膜层厚度的差值绝对值。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第二区域背离所述基底的一侧形成第二膜层的步骤，包括：
在所述第一膜层背离所述基底的一侧形成第二膜层材料；
对形成在所述第一区域的第二膜层材料进行刻蚀，得到形成在所述第二区域的第二膜层。
8.根据权利要求1至7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第一区域形成第一微纳结构的步骤，包括：
采用纳米压印工艺，在所述第一区域形成第一微纳结构；
所述在所述第二区域形成第二微纳结构的步骤，包括：
采用纳米压印工艺，在所述第二区域形成第二微纳结构。
9.一种微纳流控芯片，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项制备方法获得的微纳结构基板。
10.一种微纳流控器件，其特征在于，包括权利要求9所述的微纳流控芯片。
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