一种新颖的纳米沟道制造技术研究及其应用

论文摘要

微沟道是生物化学、微纳流体行为研究、纳米光学、生物医学等方面研究的重要载体，是微控流芯片(Microfluidic Chip)的核心部分，也是纳米制造工艺研究的主要对象之一。本文以微控流芯片中的微流体流动特性和纳米管道制备技术的研究热点为背景，展开全文的研究。针对目前主流微纳工艺的高成本和低可控性的不足，本文从MEMS选择性工艺出发，重点研究离子束干法刻蚀原理和和双阴影效应，提出了一种新颖的基于离子束角度选择性的纳米制造技术。根据离子束双阴影效应，即离子束的角度选择性，本文建立了自对准的双纳米沟道的离子束刻蚀模型，并结合其他MEMS选择性工艺，在微米掩模图形上成功制备出双纳米沟道。最后将这种新型纳米制造工艺尝试应用于微控流芯片中。本文的工作主要有以下几部分组成。首先，综述介绍了微系统技术和纳米制造技术的发展和应用，并提出MEMS选择性工艺在纳米制造上的重要性和相关的技术。同时以微控流芯片的研究为背景，提出本文课题研究的目的和方向。接着，根据微流体在沟道内的流动特性相关理论，简述了微米沟道的不同横截面形状对微流体的流动的不同影响，并重点介绍了带有双纳米沟道的微通道的模型和它的应用价值。然后，从MEMS选择性工艺出发，研究干法刻蚀中的离子束刻蚀技术。重点分析离子束在刻蚀微米尺度图形时所表现出的双阴影效应，建立基于离子束刻蚀的自对准的纳米沟道模型，并结合其他的MEMS选择性工艺，设计了可行的工艺方案。最后，在2um宽的掩模基础上，利用离子束双阴影效应成功制备出双纳米沟道，其宽度可达200nm。同时，将这种新颖的纳米沟道制备技术尝试应用于微控流芯片的流片中，并作初步的测试。本文在研究新型工艺下所获得的纳米沟道具有良好的自对准性和低的工艺成本，有可能应用于生物医学、微纳米流体的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 微/纳机电系统制造技术
• 1.1.1 微/纳机电系统简述
• 1.1.2 纳米制造工艺技术
• 1.1.3.基于MEMS工艺的纳米制备技术
• 1.2 微流体系统概述
• 1.2.1 微流体系统的发展
• 1.2.2 微控流芯片简介
• 1.3 课题的提出及工作内容
• 1.3.1 课题研究背景与提出
• 1.3.2 本文的工作内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 微流体相关理论
• 2.1 微流体理论基础
• 2.1.1 宏观与微观流体异同
• 2.1.2 微细管道内的流体阻力分析
• 2.1.3 流道截面形状对微流体流动性能的影响
• 2.2 双纳米沟道的流体理论模型
• 2.2.1 利用扩散系数分析双纳米沟道
• 2.2.2 仿真与参数优化
• 2.3 本章小结
• 第三章 离子束刻蚀相关理论及纳米沟道刻蚀方案的设计
• 3.1 MEMS选择性工艺—干法刻蚀选择性原理介绍
• 3.1.1 干法刻蚀的发展和分类
• 3.1.2 各种干法刻蚀的选择性
• 3.2 离子束双阴影效应与纳米沟道的刻蚀模型
• 3.2.1 离子束双阴影效应原理
• 3.2.2 形成双纳米沟道的离子束双阴影刻蚀模型
• 3.2.3 形成单纳米沟道的离子束刻蚀模型
• 3.2.4 离子束对图形的均匀刻蚀
• 3.3 三种纳米沟道离子束刻蚀方案的设计
• 3.3.1 基于离子束双阴影效应的双纳米沟道制备方案设计
• 3.3.2 基于离子束阴影效应的单纳米沟道制备方案设计
• 3.3.3 另一种双纳米沟道制备方案的设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于离子束双阴影效应的纳米沟道制备工艺实验
• 4.1 纳米沟道制备工艺流程
• 4.1.1 双纳米沟道制备实验
• 4.1.2 单纳米沟道的制备实验
• 4.1.3 双纳米沟道的另一种制备实验
• 4.1.4 三种纳米沟道的比较
• 4.2 实验结果及对工艺细节的讨论
• 4.2.1 矩形截面与半圆形截面的纳米沟道制备
• 4.2.2 掩模的质量
• 4.2.3 离子束刻蚀速度的印象因素
• 4.2.4 工艺中其他问题
• 4.3 本章小结
• 第五章 初步应用与结论
• 5.1 纳米沟道的应用与微控流芯片流片
• 5.1.1 微控流芯片设计说明
• 5.1.2 微控流芯片制作
• 5.1.3 带纳米沟道的微控流芯片制作
• 5.2 测试与结果
• 5.3 总结与展望
• 参考文献
• 作者简介及发表论文
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢