CN103278238A - 一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，先利用湿法腐蚀技术在<100>底面的硅基底上制造出沿<110>晶向排列的V型槽阵列结构，再在该V型槽结构之上利用剥离工艺制造出与槽定向相一致的三维金微电极对结构，接着通过对由氧化锌纳米粒子悬浮液所覆盖的三维微电极对之间施加高频交流电场，使氧化锌纳米粒子在基底V型槽底部所诱导的局域场增强效应的导向作用下，进行介电泳自组装，最终形成沿V型槽基底高度定向排列的氧化锌纳米粒子线结构，这种介电泳组装出的氧化锌纳米粒子线结构拥有优良的多孔性以及高度的定向排列特点，使得载流子能够快速的沿纳米粒子线方向迁移，可以用于具有高灵敏度与快响应速度的紫外光强传感器的开发与制造。
Description
技术领域
本发明属于微米纳米制造技术领域，具体涉及一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法。
背景技术
对于传感器制造，通常需要在2个电极之间制造一个氧化锌二维膜层。这种氧化锌膜层无论薄层还是厚层，都可以通过使用不同的方法例如溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶加工和电化学加工等来制造。
然而对于实现高灵敏度与高响应速度的紫外光光强度传感，制造更大表面积体积比与高度定向的氧化锌低维纳米结构成为了纳米技术面临的一个新的挑战。考虑到高性价比、轻质量，许多努力已经贡献在了氧化锌紫外光强度传感器制造方法的改善上。在各种改进的制造方法中，电动力学的方法简单、成本低廉并且对于自动工业生产而言是一个合适的候选者。而在利用各种电动力学方法组装氧化锌低维微纳结构之中，介电泳是最为有效的。
在具体的介电泳实施中，在被一个微米尺度间隙所分离的一个电极对上施加一个正弦交变的电势信号，这可以方便的通过早已商业化的函数发生器来实现。即使粒子本身表面带有一定的电动电势，由于施加的是交变电信号，一个周期内电泳效应所诱导的粒子净位移可以忽略不计，而这时起主宰粒子运动作用的主要机理为介电泳。介电泳起源于粒子与其周围悬浮液体媒介电学属性的差异。在电场施加后，自由电荷就会被电场自身诱导在粒子表面，如果此时粒子的极化率高于媒介，粒子就会受到正介电泳力的作用，作用在界面自由电荷上的库伦力就会将粒子运输到电场最强的区域也就是电极的边缘。反之，如果粒子的极化率低于悬浮媒介，负介电泳力就会将粒子排斥而远离电极所在区域。
可见，如果想要得到氧化锌纳米颗粒的有序纳米组装结构，必须使得氧化锌纳米粒子受到正介电泳力的作用。当颗粒的分散溶剂为电导率较低的去离子水时，并且交流电场频率小于1MHz，氧化锌纳米粒子在通常情况下都会受到正介电泳力的作用而运动到电极边缘，然后在近场介电泳效应下邻近的粒子们会相互靠近并且与电场线对准成链，最终组装成桥接电极对间隙的一维氧化锌纳米粒子链条结构，可以用于紫外光的传感。
然而由于粒子布朗运动的干扰，这种介电泳机理组装的纳米粒子结构最大的缺点就是定向力与有序性差，严重的影响了紫外光光强度检测时载流子沿着纳米粒子线运送的通过速度，造成了传感器对紫外光检测的灵敏度与反应速度的下降。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，基于局域场增强效应对氧化锌纳米粒子介电泳组装过程进行导向，可以有效的实现低成本、有序度高、稳定性好的基于氧化锌纳米粒子低维组装结构的紫外光光强度传感器。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，包括以下步骤：
第一步，制造拥有微米尺度的V型槽阵列结构的硅基底，使用厚度为400微米到1毫米的硅片，且其表面为<100>晶面，并且按照<110>晶向将硅片切成两个以上的小片；对切好的小片执行标准的<100>晶面硅片V型槽的湿法腐蚀工艺，在硅片表面加工出沿<110>方向排列的具有微米尺度的V型槽阵列结构,其槽宽为2微米到5微米，深度为1.4微米到3.5微米，相邻槽的间隔为10微米到20微米；
第二步，实现电绝缘，将第一步制造的表面带有V型槽阵列的硅片做表面热氧层处理，使在硅片V型槽的表面均匀的生长一层150纳米到300纳米厚度的SiO2绝缘层，然后在SiO2绝缘层表面做亲水性的表面处理；
第三步，制造与V型槽排列方向平行的三维微电极阵列，在复型了硅基底V型槽阵列结构的SiO2绝缘层上，使用光刻对准工艺来定域的紫外降解出所需要的微米尺度的电极图案，接着采用磁控溅射工艺在已经图案化的光刻胶上沉积一层厚度为50纳米到150纳米的金，然后使用剥离工艺将金层图案化并且去除光刻胶，以形成与V型槽定向相一致的三维微电极对结构；
第四步，氧化锌纳米粒子介电泳组装，把基底带有V型槽阵列结构的微电极对系统浸入氧化锌纳米粒子胶体悬浮液中，对三维微电极对施加频率为50KHz—500KHz的交流电势信号；在局域场增强效应的影响下，实现氧化锌纳米粒子在微电极系统中沿着V型槽底部高度定向排列的一维纳米链结构的组装，其优良的多孔性以及高度定向的排列提高紫外光光强度传感器的灵敏度与响应速度。
所述的表面热氧层处理的工艺步骤为:将硅片放在高温炉内，在1130摄氏度下，先通湿氧氧化30分钟-1小时，再通入干氧氧化7分钟-20分钟，在硅片表面就氧化出了一层150纳米到300纳米厚度、均匀致密的SiO2氧化层。
所述的光刻对准工艺定域紫外降解电极图案的工艺步骤为：在V型槽结构化的SiO2绝缘层上，均匀的涂覆一层1微米厚度的EPG533光刻胶薄膜；然后使用紫外曝光将电极掩膜上的电极图案转移到光刻胶薄层上，曝光过程中要确保电极图案中电极的边缘与V型槽定向垂直；接着在NaOH:H2O质量比为5:1000的显影液中进行显影，得到EPG533光刻胶的电极图案结构。
所述的磁控溅射工艺的工艺步骤为：将拥有EPG533光刻胶电极图案结构的硅片放入磁控溅射机中，靶材选为金靶，起辉电压0.26kV,电流25mA,功率控制在7-10W，溅射金靶材3-7分钟后，就在已经图案化的光刻胶上沉积了一层厚度为50纳米到150纳米的金薄膜。
所述的剥离工艺和去除光刻胶的工艺步骤为：将溅射过金膜的小片放入无水乙醇中超声清洗3min，接着放入丙酮中超声清洗3-6min，再放入去离子水中超声清洗5min，于是光刻胶被去除并且得到了预期的三维金电极结构。
本发明通过对由氧化锌纳米粒子悬浮液所覆盖的三维微电极对之间施加高频交流电场，使氧化锌纳米粒子在基底V型槽底部诱导的局域场增强效应的导向作用下，进行介电泳自组装，形成高度定向排列的氧化锌纳米粒子线结构的方法，可以有效的实现低成本、重量轻、有序度高、响应速度快的紫外光纳米传感器。本技术方案也可以推广到应用于光伏器件、光电子器件以及化学传感器等领域。
附图说明
图1为本发明中将底面为<100>晶面的硅片按照<110>晶向切成小片后的基底俯视图。
图2-1为将基底进行氧化、光刻、硅湿法腐蚀工艺加工后，表面带有Ｖ型槽阵列结构的基底俯视图；图2-2为将基底进行氧化、光刻、硅湿法腐蚀工艺加工后，表面带有Ｖ型槽阵列结构的基底左视图。
图3-1为对表面带有V型槽阵列结构的硅基底进行表面热氧层处理后的基底俯视图；图3-2为对表面带有V型槽阵列结构的硅基底进行表面热氧层处理后的基底左视图。
图4-1为涂覆光刻胶后的基地俯视图；图4-2为涂覆光刻胶后的基地左视图。
图5-1为定域紫外降解光刻胶、金层溅射与剥离工艺加工之后，表面沉积有沿V型槽方向排列的金微电极对的基底俯视图；图5-2为定域紫外降解光刻胶、金层溅射与剥离工艺加工之后，表面沉积有沿V型槽方向排列的金微电极对的基底左视图。
图6-1为进行氧化锌纳米粒子原位介电泳定向组装后，微电极系统的俯视图；图6-2为进行氧化锌纳米粒子原位介电泳定向组装后，微电极系统的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，包括以下步骤：
第一步，制造拥有微米尺度的V型槽阵列结构的硅基底，使用厚度为400微米到1毫米的硅片，且其底面为<100>晶面，并且按照<110>晶向将硅片切成两个以上的小片1，如图1所示；对切好的小片1执行标准的<100>晶面硅片V型槽的湿法腐蚀工艺，湿法腐蚀工艺主要步骤包括氧化、光刻、二氧化硅腐蚀与硅腐蚀：首先将小片1表面抛光、清洗后,在1130摄氏度下，先通湿氧氧化3小时，再通入干氧氧化1小时，于是在硅片表面就氧化出了一层大约1微米厚、均匀致密的SiO2氧化层；接着利用光刻工艺在SiO2层表面制造出沿<110>方向排列的EPG533光刻胶的栅线结构；以光刻胶的栅线结构为抗蚀层，利用湿法腐蚀工艺刻蚀SiO2层，SiO2的腐蚀液配方为HF:NH4F:H2O=1:2:3,腐蚀过程持续10分钟；将已经图形化的SiO2层作为掩膜，湿法腐蚀硅基底，腐蚀液配方为氢氧化钾：异丙醇：去离子水=1:2:2，腐蚀温度为水浴78摄氏度，10分钟即可得到所要求的微米尺度的硅V型槽阵列结构；再次使用上述提及的SiO2腐蚀工艺去除掉硅基底表面残余的SiO2材料，于是就在硅片表面加工出了沿<110>方向排列的具有微米尺度的V型槽阵列结构，其槽宽为2微米到5微米，深度为1.4微米到3.5微米，相邻槽的间隔为10微米到20微米，如图2-1、2-2所示。
第二步，实现电绝缘，将第一步制造的表面带有V型槽阵列的硅片做表面热氧层处理，使在硅片V型槽的表面均匀的生长一层150纳米到300纳米厚度的SiO2绝缘层2，然后在SiO2绝缘层2，表面做亲水性的表面处理，如图3-1、3-2所示。
第三步，制造与V型槽排列方向平行的三维微电极阵列4，在复型了硅基底V型槽阵列结构的SiO2绝缘层上，首先涂覆一层为1微米厚度的EPG533光刻胶层3，如图4-1、4-2所示；接着使用光刻对准工艺来定域的紫外降解出所需要的微米尺度的电极图案；接着采用磁控溅射工艺在已经图案化的光刻胶层上沉积一层厚度为50纳米到150纳米的金；然后使用剥离工艺将金电极图案化并且去除光刻胶，以形成与V型槽定向相一致的三维微电极对结构4，如图5-1、5-2所示；
第四步，氧化锌纳米粒子介电泳组装，把基底带有V型槽阵列结构的微电极对系统浸入氧化锌纳米粒子胶体悬浮液中，对三维微电极对施加频率为50KHz—500KHz的交流电势信号；在局域场增强效应的影响下，能够实现氧化锌纳米粒子在微电极系统中沿着V型槽底部与电极底部高度定向排列的一维纳米粒子线结构5的组装，如图6-1、6-2所示，其优良的多孔性以及高度定向的排列可以极大的提高紫外光光强度传感器的灵敏度与响应速度。
所述的表面热氧层处理的工艺步骤为:将硅片放在高温炉内，在1130摄氏度下，先通湿氧氧化30分钟-1小时，再通入干氧氧化7分钟-20分钟，在硅片表面就氧化出了一层150纳米到300纳米厚度、均匀致密的SiO2氧化层。
所述的光刻对准工艺定域紫外降解电极图案的工艺步骤为：在V型槽结构化的SiO2绝缘层上，均匀的涂覆一层1微米厚度的EPG533光刻胶薄膜；然后使用紫外曝光将电极掩膜上的电极图案转移到光刻胶薄层上，曝光过程中要确保电极图案中电极的边缘与V型槽定向垂直；接着在NaOH:H2O质量比为5:1000的显影液中进行显影，得到了EPG533光刻胶的电极图案结构。
所述的磁控溅射工艺的工艺步骤为：将拥有EPG533光刻胶电极图案结构的硅片放入磁控溅射机中，靶材选为金靶，起辉电压0.26kV,电流25mA,功率控制在7-10W，溅射金靶材3-7分钟后，就在已经图案化的光刻胶上沉积了一层厚度为50纳米到150纳米的金薄膜。
所述的剥离工艺和去除光刻胶的工艺步骤为：将溅射过金膜的小片放入无水乙醇中超声清洗3min，接着放入丙酮中超声清洗3-6min，再放入去离子水中超声清洗5min，于是光刻胶被去除并且得到了预期的三维金电极结构。
本发明巧妙利用微米尺度的硅V型槽底部的局部几何奇异特性，在高频交流电场下，对氧化锌纳米粒子进行自介电泳组装，从而通过局部电场增强效应实现沿硅V型槽底部高度定向排列的有序低维纳米结构制造。避免了传统微纳米结构制造过程中的所涉及到的复杂流程和及其昂贵的加工设备，制造加工过程较为简单方便，可以实现工业生产自动化。本发明设计的工作原理是利用氧化锌纳米粒子在较高频交流电场的激发下所诱导的正介电泳力运动，来操控和组装氧化锌纳米粒子到达电场最强的区域即微电极附近与硅V型槽的底部，以实现高度定向的有序低维纳米结构的制造，这种介电泳组装出的氧化锌纳米粒子线结构拥有优良的多孔性以及高度的定向排列特点，使得载流子能够快速的沿纳米粒子线方向迁移，可以用于具有高灵敏度与快响应速度的紫外光光强度传感器的开发与制造。由于在电极附近以及硅V型槽底部的局部电场梯度较大，致使氧化锌纳米粒子可以在垂直于电极边缘的方向而同时又沿着硅V型槽底部进行介电泳自组装，从而形成高度定向的氧化锌纳米粒子线结构，可以用于有效的紫外光光强度传感。
Claims (5)
1.一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，制造拥有微米尺度的V型槽阵列结构的硅基底，使用厚度为400微米到1毫米的硅片，且其表面为<100>晶面，并且按照<110>晶向将硅片切成两个以上的小片；对切好的小片执行标准的<100>晶面硅片V型槽的湿法腐蚀工艺，在硅片表面加工出了沿<110>方向排列的具有微米尺度的V型槽阵列结构,其槽宽为2微米到5微米，深度为1.4微米到3.5微米，相邻槽的间隔为10微米到20微米；
第二步，实现电绝缘，将第一步制造的表面带有V型槽阵列的硅片做表面热氧层处理，使在硅片V型槽的表面均匀的生长一层150纳米到300纳米厚度的SiO2绝缘层，然后在SiO2绝缘层表面做亲水性的表面处理；
第三步，制造与V型槽排列方向平行的三维微电极阵列，在复型了硅基底V型槽阵列结构的SiO2绝缘层上，使用光刻对准工艺来定域的紫外降解出所需要的微米尺度的电极图案，接着采用磁控溅射工艺在已经图案化的光刻胶上沉积一层厚度为50纳米到150纳米的金，然后使用剥离工艺将金层图案化并且去除光刻胶，以形成与V型槽定向相一致的三维微电极对结构；
第四步，氧化锌纳米粒子介电泳组装，把基底带有V型槽阵列结构的微电极对系统浸入氧化锌纳米粒子胶体悬浮液中，对三维微电极对施加频率为50KHz—500KHz的交流电势信号；在局域场增强效应的影响下，能够实现氧化锌纳米粒子在微电极系统中沿着V型槽底部高度定向排列的一维纳米链结构的组装，其优良的多孔性以及高度定向的排列提高紫外光光强度传感器的灵敏度与响应速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，其特征在于，所述的表面热氧层处理的工艺步骤为:将硅片放在高温炉内，在1130摄氏度下，先通湿氧氧化30分钟-1小时，再通入干氧氧化7分钟-20分钟，在硅片表面就氧化出了一层150纳米到300纳米厚度、均匀致密的SiO2氧化层。
3.根据权利要求1所述的一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，其特征在于，所述的光刻对准工艺定域紫外降解电极图案的工艺步骤为：在V型槽结构化的SiO2绝缘层上，均匀的涂覆一层1微米厚度的EPG533光刻胶薄膜；然后使用紫外曝光将电极掩膜上的电极图案转移到光刻胶薄层上，曝光过程中要确保电极图案中电极的边缘与V型槽定向垂直；接着在NaOH:H2O质量比为5:1000的显影液中进行显影，得到了EPG533光刻胶的电极图案结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，其特征在于，所述的磁控溅射工艺的工艺步骤为：将拥有EPG533光刻胶电极图案结构的硅片放入磁控溅射机中，靶材选为金靶，起辉电压0.26kV,电流25mA,功率控制在7-10W，溅射金靶材3-7分钟后，就在已经图案化的光刻胶上沉积了一层厚度为50纳米到150纳米的金薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于定向介电泳组装结构的紫外光强传感器制造方法，其特征在于，所述的剥离工艺和去除光刻胶的工艺步骤为：将溅射过金膜的小片放入无水乙醇中超声清洗3min，接着放入丙酮中超声清洗3-6min，再放入去离子水中超声清洗5min，于是光刻胶被去除并且得到了预期的三维金电极结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130904 |