CN103030097A - 基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米结构的制备方法，具体为一种基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，解决了现有有序低维纳米结构只能小面积制造、成本高、污染严重且与传统的MEMS加工工艺兼容性差的问题。基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，包括如下步骤：传统光刻工艺制得低维纳米结构物理衬底模板；磁控溅射仪将合成的纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底上从而得到贵金属薄膜；剥离去掉光刻图形；退火。本发明突破了大面积自组装工艺中的技术难题，实现了零污染、低成本、耗材少的低维纳米结构圆片级大面积加工；可广泛适用于微纳电子、光电子、生物化学传感器等各个领域。
Description
技术领域
本发明涉及纳米结构的制备方法，尤其是低维纳米结构阵列的大面积制备方法，具体为一种基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法。
背景技术
近年来有序纳米自组装结构已被广泛应用到微纳电子、光电子、生物化学传感器等各个领域，且展现出了诱人的前景和可观的社会、经济价值。
随着纳米结构和器件逐步的向高集成化和实用化发展，目前对于纳米自组装工艺都强调以应用为导向，在很大程度上对纳米自组装技术提出了更高的要求，这不但需要确保低成本、高度有序、大面积制造的纳米自组装工艺，还要与传统的MEMS加工工艺良好的兼容。但目前有序低维纳米结构的制备方法只能小面积制造，与传统MEMS加工工艺兼容性低，极大地浪费了资源且成本较高；同时制备时采用化学合成方法会产生大量的化学垃圾，不利于环保。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，包括如下步骤（其工艺流程图如图2所示）：
（一）、低维纳米结构物理衬底模板的制备：
取圆片级硅片衬底，将圆片级硅片衬底的正面进行表面清洁处理（表面清洁处理是本领域技术人员容易实现的技术，通常依次通过超声波丙酮、酒精、去离子水进行清洁）后涂一层正性光刻胶；利用电子束光刻工艺（电子束光刻工艺是在一片平整的硅片上涂上一层正胶，随后让电子束曝光通过一块刻有图形的掩模板照射在硅片上；则被照射到的部分光刻胶在放到显影液中时因发生变质被腐蚀掉，而没被照射到的光刻胶则会保存在硅片上面），使圆片级硅片衬底的正面上得到与掩膜板（掩膜板上的图形根据需要可以设计为方块阵列或圆形阵列或直条阵列等）上形状相同的光刻图形，从而得到低维纳米结构物理衬底模板。
（二）将低维纳米结构物理衬底模板放在内设贵金属靶材的磁控溅射仪的目标靶上，将磁控溅射仪内通入惰性气体氩气，惰性气体电离后轰击贵金属靶材（贵金属可选用Au、Ag、Pt等），从而使脱离贵金属靶材的贵金属纳米颗粒经过合成并筛选出直径为1-20nm的纳米颗粒，进而沉积到低维纳米结构物理衬底模板上；如图3所示，当已合成的贵金属纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底的表面时，由于圆片级硅片衬底具有导电特性，而合成的贵金属纳米颗粒自身带有负电荷，贵金属纳米颗粒所带电荷会被圆片级硅片衬底导走；但是当贵金属纳米颗粒沉积到光刻图形的表面时，由于光刻胶的绝缘特性，贵金属纳米颗粒所带电荷将会保留；由于沉积于光刻图形表面的贵金属纳米颗粒的电荷无法导走而产生积聚，贵金属纳米颗粒在达到静电平衡后会形成一个电场，从而实现静电场自动聚焦；当贵金属纳米颗粒继续往低维纳米结构物理衬底模板上沉积时，贵金属纳米颗粒会受到光刻图形上自建电场的排斥力作用从而自动有序紧凑的沉积到圆片级硅片衬底上（即静电场可加速后续的已合成贵金属纳米颗粒到圆片级硅片衬底的有序组装效率），从而得到一层贵金属薄膜；实现在自建电场中低维纳米结构的有序自组装；
（三）将低维纳米结构物理衬底模板放在与光刻胶对应型号的剥离液中去除圆片级硅片衬底表面的光刻图形。
（四）将低维纳米结构物理衬底模板进行退火工艺，从而得到基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构。通过退火可以改变金属纳米材料的组织和结构，改善低维纳米结构的相关特性，最终实现金属纳米材料与纳米结构的介观结构与聚集态结构的调控。
所述磁控溅射仪可直接从市场中购得。
本发明利用合成的贵金属纳米颗粒自动附带负电荷的理论、以及带电贵金属纳米颗粒在导电圆片级硅片衬底和不导电光刻图形上选择性生长的特性，其选择性可以造成在两个区域的贵金属纳米颗粒的密度相差两个数量级或更多；带有静电荷的合成的贵金属纳米颗粒在光刻图形上聚集并达到饱和后会产生自建电场，当带电的合成贵金属纳米颗粒继续往圆片级硅片衬底上沉积时会受到光刻图形上自建电场的排斥力作用从而自动沉积到圆片级硅片衬底上，从而实现从贵金属纳米颗粒到低维纳米结构阵列的圆片级大面积有序自组装工艺；低维纳米结构物理衬底模板采用传统的MEMS光刻工艺制得，与传统的MEMS加工工艺兼容性良好，零污染、成本低、耗材少，无需外部电场辅助，可实现圆片级大面积制造，突破了现有加工工艺对于大面积可控有序自组装制备的瓶颈，尤其是对于纳米尺度下的自组装纳米制造工艺。
本发明突破了大面积自组装工艺中的技术难题，采用传统的MEMS光刻工艺，无需外部电场辅助，零污染、低成本、耗材少，通过调整模板尺寸和表面电荷积聚密度等参数，实现静电场自聚焦特性的改进，完成多维、多尺度下的自组装工艺模板的低成本圆片级制备；可广泛适用于微纳电子、光电子、生物化学传感器等各个领域。
附图说明
图1是圆片级硅片衬底的结构示意图。
图2是本发明的工艺流程图。
图3是贵金属纳米颗粒自聚焦的原理图。
图4是本发明步骤一的结构示意图。
图5是本发明步骤三的结构示意图。
图6是实施例1中二维纳米带物理衬底模板的立体图。
图7是实施例1得到的小面积低维纳米结构单元的结构示意图。
图8是实施例2中一维纳米块物理衬底模板的立体图。
图9是实施例2得到的小面积低维纳米结构单元的结构示意图。
图10是实施例3中零维纳米点物理衬底模板的立体图。
图11是实施例3得到的小面积低维纳米结构单元的结构示意图。
图中：1-圆片级硅片衬底；2-光刻图形；3-贵金属薄膜；4-Au纳米带阵列；5-Ag纳米线阵列；6-Pt纳米点阵列。
具体实施方式
实施例1：
基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
（一）二维（该结构的长度和宽度在微米量级，厚度在纳米级)纳米带物理衬底模板的制备：取圆片级硅片衬底1，将圆片级硅片衬底1的正面进行表面清洁处理后涂一层正性光刻胶；利用电子束光刻工艺，选取方块阵列状掩膜板，使圆片级硅片衬底1的正面上得到方块阵列状光刻图形，从而得到二维纳米带物理衬底模板；
（二）将二维纳米带物理衬底模板放在内设Au靶材的磁控溅射仪的目标靶上，将磁控溅射仪内通入惰性气体氩气，惰性气体电离后轰击Au靶材，从而使脱离Au靶材的Au纳米颗粒经过合成并筛选出直径为1nm的纳米颗粒，进而沉积到二维纳米带物理衬底模板上；当已合成的Au纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底1的表面时，由于圆片级硅片衬底1具有导电特性，而合成的Au纳米颗粒自身带有负电荷，Au纳米颗粒所带电荷会被圆片级硅片衬底1导走；但是当Au纳米颗粒沉积到光刻图形的表面时，由于光刻胶的绝缘特性，Au纳米颗粒所带电荷将会保留；由于沉积于光刻图形表面的Au纳米颗粒的电荷无法导走而产生积聚，Au纳米颗粒在达到静电平衡后会形成一个电场，从而实现静电场自动聚焦；当Au纳米颗粒继续往二维纳米带物理衬底模板上沉积时，Au纳米颗粒会受到光刻图形上自建电场的排斥力作用从而自动有序紧凑的沉积到圆片级硅片衬底1上，从而得到一层Au纳米带阵列4；
（三）将二维纳米带物理衬底模板放在与光刻胶对应型号的剥离液中去除圆片级硅片衬底1正面的方块阵列状光刻图形；
（四）将二维纳米带物理衬底模板进行退火工艺，从而得到基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构。
使用时将上述制得的圆片级低维纳米结构进行切割分块，得到如图7所示的小面积低维纳米结构单元，以便应用到MEMS器件中，从而实现真正的工程化应用。
实施例2：
基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
（一）一维(该结构的长度在微米量级，宽度和厚度在纳米级)纳米线物理衬底模板的制备：取圆片级硅片衬底1，将圆片级硅片衬底1的正面进行表面清洁处理后涂一层正性光刻胶；利用电子束光刻工艺，选取直条阵列状掩膜板，使圆片级硅片衬底1的正面上得到直条阵列状光刻图形，从而得到一维纳米线物理衬底模板；
（二）将一维纳米线物理衬底模板放在内设Ag靶材的磁控溅射仪的目标靶上，将磁控溅射仪内通入惰性气体氩气，惰性气体电离后轰击Ag靶材，从而使脱离Ag靶材的Ag纳米颗粒经过合成并筛选出直径为20nm的纳米颗粒，进而沉积到一维纳米线物理衬底模板上；当已合成的Ag纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底1的表面时，由于圆片级硅片衬底1具有导电特性，而合成的Ag纳米颗粒自身带有负电荷，Ag纳米颗粒所带电荷会被圆片级硅片衬底1导走；但是当Ag纳米颗粒沉积到光刻图形的表面时，由于光刻胶的绝缘特性，Ag纳米颗粒所带电荷将会保留；由于沉积于光刻图形表面的Ag纳米颗粒的电荷无法导走而产生积聚，Ag纳米颗粒在达到静电平衡后会形成一个电场，从而实现静电场自动聚焦；当Ag纳米颗粒继续往一维纳米线物理衬底模板上沉积时，Ag纳米颗粒会受到光刻图形上自建电场的排斥力作用从而自动有序紧凑的沉积到圆片级硅片衬底1上，从而得到一层Ag纳米线阵列5；
（三）将一维纳米线物理衬底模板放在与光刻胶对应型号的剥离液中去除圆片级硅片衬底1正面的直条阵列状光刻图形；
（四）将一维纳米线物理衬底模板进行退火工艺，从而得到基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构。
使用时将上述制得的圆片级低维纳米结构进行切割分块，得到如图9所示的小面积低维纳米结构单元，以便应用到MEMS器件中，从而实现真正的工程化应用。
实施例3：
基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
（一）零维（该结构的长度、宽度和厚度均在纳米级）纳米点物理衬底模板的制备：取圆片级硅片衬底1，将圆片级硅片衬底1的正面进行表面清洁处理后涂一层正性光刻胶；利用电子束光刻工艺，选取圆形阵列状掩膜板，使圆片级硅片衬底1的正面上得到圆形阵列状光刻图形，从而得到零维纳米点物理衬底模板；
（二）将零维纳米点物理衬底模板放在内设Pt靶材的磁控溅射仪的目标靶上，将磁控溅射仪内通入惰性气体氩气，惰性气体电离后轰击Pt靶材，从而使脱离Pt靶材的Pt纳米颗粒经过合成并筛选出直径为10nm的纳米颗粒，进而沉积到零维纳米点物理衬底模板上；当已合成的Pt纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底1的表面时，由于圆片级硅片衬底1具有导电特性，而合成的Pt纳米颗粒自身带有负电荷，Pt纳米颗粒所带电荷会被圆片级硅片衬底1导走；但是当Pt纳米颗粒沉积到光刻图形的表面时，由于光刻胶的绝缘特性，Pt纳米颗粒所带电荷将会保留；由于沉积于光刻图形表面的Pt纳米颗粒的电荷无法导走而产生积聚，Pt纳米颗粒在达到静电平衡后会形成一个电场，从而实现静电场自动聚焦；当Pt纳米颗粒继续往零维纳米点物理衬底模板上沉积时，Pt纳米颗粒会受到光刻图形上自建电场的排斥力作用从而自动有序紧凑的沉积到圆片级硅片衬底1上，从而得到一层Pt纳米点阵列6；
（三）将零维纳米点物理衬底模板放在与光刻胶对应型号的剥离液中去除圆片级硅片衬底1正面的圆形阵列状光刻图形；
（四）将零维纳米点物理衬底模板进行退火工艺，从而得到基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构。
使用时将上述制得的圆片级低维纳米结构进行切割分块，得到如图11所示的小面积低维纳米结构单元，以便应用到MEMS器件中，实现真正的工程化应用。
具体实施时，可以根据不同要求选择不同尺寸的圆片级硅片衬底，至少可采用直径为3inch～6inch、厚度为300～600μm的圆片级硅片衬底，实现多维、多尺度的低成本圆片级有序自组装结构制备。
Claims (1)
1.基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（一）、低维纳米结构物理衬底模板的制备：
取圆片级硅片衬底（1），将圆片级硅片衬底（1）的正面进行表面清洁处理后涂一层正性光刻胶；利用电子束光刻工艺，使圆片级硅片衬底（1）的正面上得到与掩膜板上形状相同的光刻图形（2），从而得到低维纳米结构物理衬底模板；
（二）、将低维纳米结构物理衬底模板放在内设贵金属靶材的磁控溅射仪的目标靶上，将磁控溅射仪内通入惰性气体氩气，惰性气体电离后轰击贵金属靶材，从而使脱离贵金属靶材的贵金属纳米颗粒经过合成并筛选出直径为1-20nm的纳米颗粒，进而沉积到低维纳米结构物理衬底模板上；当已合成的贵金属纳米颗粒沉积到圆片级硅片衬底（1）的表面时，由于圆片级硅片衬底（1）具有导电特性，而合成的贵金属纳米颗粒自身带有负电荷，贵金属纳米颗粒所带电荷会被圆片级硅片衬底（1）导走；但是当贵金属纳米颗粒沉积到光刻图形（2）的表面时，由于光刻胶的绝缘特性，贵金属纳米颗粒所带电荷将会保留；由于沉积于光刻图形（2）表面的贵金属纳米颗粒的电荷无法导走而产生积聚，贵金属纳米颗粒在达到静电平衡后会形成一个电场，从而实现静电场自动聚焦；当贵金属纳米颗粒继续往低维纳米结构物理衬底模板上沉积时，贵金属纳米颗粒会受到光刻图形（2）上自建电场的排斥力作用从而自动有序紧凑的沉积到圆片级硅片衬底（1）上，从而得到一层贵金属薄膜（3）；实现在自建电场中低维纳米结构的有序自组装；
（三）、将低维纳米结构物理衬底模板放在与光刻胶对应型号的剥离液中去除圆片级硅片衬底（1）正面的光刻图形（2）；
（四）、将低维纳米结构物理衬底模板进行退火工艺，从而得到基于静电场自聚焦的圆片级低维纳米结构。
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