CN107290326B

CN107290326B - 芯片器件及其制作方法

Info

Publication number: CN107290326B
Application number: CN201610224118.1A
Authority: CN
Inventors: 潘革波; 秦双娇; 彭飞; 陈雪晴
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: CN107290326A

Abstract

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，尤其公开了一种用于拉曼检测的芯片器件，其包括：基底、纳米颗粒层以及多孔层；其中，所述基底的表面凹陷形成间隔排列的多个凹槽，所述凹槽的槽壁以及位于两相邻的所述凹槽之间的基底的表面上覆盖有多孔层；所述纳米颗粒层覆盖于所述多孔层上。根据本发明的芯片器件具有多孔结构，具备较大的局域电磁场效应以及更多的拉曼活性增强点，使得该芯片器件具有高灵敏度。本发明还公开了上述芯片器件的制作方法，该制作方法工艺简单，生产成本低，适于大批量生产。

Description

芯片器件及其制作方法

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，具体地讲，尤其涉及一种具有高灵敏度的用于拉曼检测的芯片器件及其制作方法。

背景技术

激光拉曼光谱技术近年来成为研究分子结构常用的光谱技术之一，这主要是由于在现有的光谱技术中，红外和拉曼技术是仅有的两种能够给出分子结构信息的表征手段；然而，一般的拉曼光谱信号比较弱，灵敏度很低，光散射信号易被荧光掩盖，这很大程度上降低了拉曼光谱技术的实用性，这种内在低灵敏度的缺陷制约了拉曼光谱应用于痕量和微量物质的日常检测。拉曼光谱的这种不足，通过引入特殊的纳米金属结构—表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS)衬底，就可以得到完美的解决。因此，如何设计和生产具有极高的拉曼信号增强能力的SERS衬底，是拉曼光谱技术实际应用于食品安全、环境监测和医疗卫生等领域的研究热点。

目前，利用粗糙金属表面、颗粒之间的纳米间隙、不规则金属纳米颗粒的尖端效应已能实现电磁场的局域增强，进而获得较强的SERS信号。不足之处是，拉曼增强活性点是随机分布的，这就使得在不同区域所得到的待测化学物质的拉曼特征峰具有不同的相对强度。此外，利用电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等纳米加工技术，可以在实验室制备出金属纳米阵列构成的较均匀的SERS衬底，但是制备工艺相对复杂，无法作为低成本的量产技术。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种芯片器件及其制作方法，该芯片器件具有多孔结构，具备较大的局域电磁场效应以及更多的拉曼活性增强点。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种芯片器件，包括：基底、纳米颗粒层以及多孔层；其中，所述基底的表面凹陷形成间隔排列的多个凹槽，每个所述凹槽的槽壁以及位于相邻的两个所述凹槽之间的所述基底的表面上覆盖所述多孔层；所述纳米颗粒层覆盖所述多孔层。

进一步地，所述纳米颗粒层的制作材料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、过渡金属氧化物纳米颗粒中的任意一种。

进一步地，所述纳米颗粒层中纳米颗粒的粒径为10nm～50nm，间距为1nm～10nm。

进一步地，所述多孔层中孔的宽度为10nm～50nm，深度为10nm～1μm。

进一步地，所述凹槽阵列中凹槽的深度为10nm～1μm。

进一步地，所述凹槽的形状选自立方体、长方体、圆柱、圆锥中的任意一种。

进一步地，所述基底由有机聚合物材料或半导体材料或金属材料制成。

本发明的另一目的还在于一种芯片器件的制作方法，包括：提供一基底；在所述基底的表面上形成间隔排列的多个凹槽；在每个所述凹槽的槽壁以及位于相邻的两个所述凹槽之间的所述基底的表面上形成多孔层；在所述多孔层上形成纳米颗粒层。

进一步地，在所述基底的表面上形成间隔排列的多个所述凹槽的具体方法包括：对所述基底的表面进行图形化处理，以在所述基底的表面上形成间隔排列的多个介质掩膜层；对相邻的两个所述介质掩膜层之间暴露出的所述基底的表面进行刻蚀，以形成所述凹槽；将所述多个介质掩膜层剥离去除。

进一步地，在所述基底的表面进行图形化处理，以在所述基底的表面上形成间隔排列的多个所述介质掩膜的具体方法包括：在所述基底的表面上覆盖压印胶层；采用压印模板对所述压印胶层进行压印，以在所述基底上形成多个所述介质掩膜和多个残余层；其中，所述介质掩膜层和所述残余层交替排布；将所述多个残余层刻蚀去除。

本发明首先在基底上形成多个凹槽，然后在凹槽的槽壁及基底的位于相邻的凹槽之间的表面上形成多孔层，最后在多孔层上沉积形成纳米颗粒层，由此制备得到了具有多孔结构的用于拉曼检测的芯片器件，该芯片器件因此而具备较大的局域电磁场效应以及更多的拉曼活性增强点，其可应用于食品安全、公安刑侦、医疗检测、环保监测、工业过程监控、制药等众多领域。与现有技术中的制作方法相比，根据本发明的制作方法先后通过刻蚀和沉积即可制备得到具有多孔结构的芯片器件，工艺简单，生产成本低，适于大批量生产。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例1的芯片器件的剖面图；

图2是根据本发明的实施例1的芯片器件的俯视图；

图3是根据本发明的实施例1的覆盖有压印胶层的基底的剖面图；

图4是根据本发明的实施例1的压印模板在压印覆盖有压印胶层的基底时的剖面图；

图5是根据本发明的实施例1的覆盖有介质掩膜及残余层的基底的剖面图；

图6是根据本发明的实施例1的覆盖有介质掩膜的基底的剖面图；

图7是根据本发明的实施例1的覆盖有介质掩膜且具有凹槽阵列的基底的剖面图；

图8是根据本发明的实施例1的具有凹槽阵列的基底的剖面图；

图9是根据本发明的实施例1的具有多孔层以及凹槽阵列的基底的剖面图；

图10是根据本发明的实施例2的芯片器件的结构示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

实施例1

图1是根据本实施例的芯片器件的剖面图，图2是根据本实施例的芯片器件的俯视图。

具体参照图1，根据本实施例的芯片器件包括基底1、纳米颗粒层2以及多孔层3；其中，基底1的表面凹陷形成间隔排布的多个凹槽11，这些凹槽11形成凹槽阵列，并且，在凹槽11的槽壁以及基底1位于两相邻的凹槽11之间的表面上均具有多孔层3，而纳米颗粒层2即覆盖于所述多孔层3之上。

具体地，基底1的材料为FTO导电玻璃(即掺杂F的SnO₂透明导电玻璃)。

具体参照图2，在本实施例中，所述凹槽11的形状为立方体，且凹槽11的边长为200nm，两相邻凹槽11之间的间距为2μm。而位于凹槽11槽壁以及基底1的位于两相邻的凹槽11之间的表面上的多孔层3中的孔呈球状，且其平均直径为20nm左右。

值得说明的是，所述多孔层3中孔的尺寸大小不一，一般地，这些孔的平均宽度为10nm～50nm，平均深度为10nm～1μm。

优选地，本实施例中的纳米颗粒层2的材料为银纳米颗粒，且所述银纳米颗粒的粒径为10nm左右，纳米颗粒层2中银纳米颗粒的间距为10nm。

值得说明的是，本实施例的多孔层3中的孔之间相互贯通，所述多孔层3呈蜂窝状；而纳米颗粒层2中的银纳米颗粒为相互独立的且高密度分布的，其之间并未接触形成连续的膜状结构。

以下将参照图3至图9对本实施例的芯片器件的制作方法进行详细的描述。

具体参照图3至图5，在步骤一中，首先在基底1上覆盖压印胶层4a，然后利用压印模板5对压印胶层4a进行压印，并紫外曝光，压印胶层4a的待图案化区域被压印形成特定图案，形成依次间隔且相连的若干介质掩膜41和若干残余层42。

具体地，在本实施例中，基底1的材料为FTO导电玻璃(即掺杂F的SnO₂透明导电玻璃)。

在步骤二中，对基底1进行图案化，在基底1表面形成若干介质掩膜41，如图6所示；也就是说，刻蚀去除位于若干介质掩膜41之间的若干残余层42，而介质掩膜41保留在基底1表面，以起到图案化掩膜的作用。

在本实施例中，去除残余层42的具体方法为O₂反应离子刻蚀工艺。

在步骤三中，采用湿法刻蚀工艺刻蚀覆盖有介质掩膜41的基底1，基底的表面1形成由若干凹槽11组成的凹槽阵列，同时，凹槽11的底部形成了多孔层3，如图7所示。

值得说明的是，在本实施例中，通过控制湿法刻蚀工艺，使得在基底1上形成多个凹槽11的同时，即在凹槽11的底部形成了多孔层3；当然，本发明并不限制于此，凹槽11的底部是否形成所述多孔层3，其可由所述湿法刻蚀工艺进行控制，也由所述凹槽11的形状来决定；同时，位于凹槽11的底部的多孔层3也可另行形成。

在本实施例中，经步骤三获得的凹槽11的形状为立方体，其边长为200nm，且凹槽阵列中两相邻凹槽11的间距为2μm。与此同时，形成于凹槽11底部的多孔层3中的孔呈球状，且其平均直径为20nm左右；也就是说，该孔的平均宽度与平均深度均为20nm左右。

在步骤四中，采用剥离工艺去除覆盖于基底1表面的介质掩膜41，如图8所示。

在步骤五中，采用湿法刻蚀工艺刻蚀具有凹槽阵列的基底1，在凹槽11的侧壁以及基底1的位于凹槽11两侧的表面上均形成所述多孔层3，如图9所示；如此，即在凹槽11的槽壁及位于相邻的两个凹槽11之间的基底1的表面上均形成了所述多孔层3。

在步骤六中，采用电化学沉积的工艺沉积银纳米颗粒，在多孔层3之上形成了纳米颗粒层2，制备得到了如图1所示的芯片器件。

具体地，采用电化学沉积的工艺沉积银纳米颗粒的方法为：首先将基底1作为工作电极，饱和甘汞电极和铂丝分别作为参比电极和对电极，然后以20mL浓度为5mmol/L的AgNO₃水溶液作为电解液，进行电化学沉积，银纳米颗粒逐渐沉积在多孔层3上方，形成了非连续成膜的纳米颗粒层2。具体地，本实施例的银纳米颗粒的粒径为10nm左右，纳米颗粒层2中银纳米颗粒的间距为10nm。

如此形成的芯片器件包括具有多孔结构的多孔层3，同时，纳米颗粒层2中的具有拉曼增强性能的银纳米颗粒均匀地覆盖于所述多孔层3之上，形成了大量均匀的拉曼活性增强点，从而保证了该芯片器件具有较大的局域电磁场效应，使得该用于拉曼检测的芯片器件具有高灵敏度；与此同时，由于上述拉曼增强活性点是均匀分布的，这就使得在不同区域所得到的待测化学物质的拉曼特征峰具有一致的相对强度，其可用于食品安全、公安刑侦、医疗检测、环保监测、工业过程监控、制药等众多领域，且能够获得稳定准确的检测数据。另外，本实施例的芯片器件的制作方法工艺简单，生产成本低，适于大批量生产。

实施例2

在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于，具体参照图10，在实施例2中，基底1的材料为氮化镓；凹槽11的形状为圆锥，且该圆锥的锥底圆的直径为400nm，深度为200nm，凹槽阵列中凹槽11的间距为3μm；纳米颗粒层2的材料为铜纳米颗粒，且所述铜纳米颗粒的粒径为50nm左右，纳米颗粒层2中铜纳米颗粒的间距为10nm。

本实施例中芯片器件的制作方法与实施例1中的制作方法的不同之处在于：在步骤一中，基底1的材料为氮化镓。

在步骤三中，采用湿法刻蚀工艺刻蚀覆盖有介质掩膜41的基底1，基底的表面1形成由若干凹槽11组成的凹槽阵列。

在本实施例中，经步骤三获得的凹槽11的形状为圆锥，其锥底圆的直径为400nm，深度为200nm，且凹槽阵列中两相邻凹槽11的间距为3μm。

值得说明的是，在本实施例中，因所述凹槽11的形状为圆锥，其不存在底部，因此，通过控制本实施例中步骤三的湿法刻蚀工艺，在基底1的表面仅形成若干圆锥状的凹槽11，而并未在所述凹槽11的内部形成多孔层3。

在步骤五中，采用干法刻蚀工艺刻蚀具有凹槽阵列的基底1，在凹槽11的槽壁以及基底1的位于两相邻的凹槽11之间的表面上均形成多孔层3。

在步骤六中，采用磁控溅射的工艺沉积铜纳米颗粒，在多孔层3之上形成了纳米颗粒层2，制备得到了如图10所示的芯片器件。

具体地，本实施例的铜纳米颗粒的粒径为50nm左右，纳米颗粒层2中铜纳米颗粒的间距为10nm。

如此形成的芯片器件具有多孔结构的多孔层3，同时，纳米颗粒层2中的具有拉曼增强性能的铜纳米颗粒均匀地覆盖于所述多孔层3之上，形成了大量均匀的拉曼活性增强点，从而保证了该芯片器件具有较大的局域电磁场效应，使得该用于拉曼检测的芯片器件具有高灵敏度；与此同时，由于上述拉曼增强活性点是均匀分布的，这就使得在不同区域所得到的待测化学物质的拉曼特征峰具有一致的相对强度，其可用于食品安全、公安刑侦、医疗检测、环保监测、工业过程监控、制药等众多领域，且能够获得稳定准确的检测数据。另外，本实施例的芯片器件的制作方法工艺简单，生产成本低，适于大批量生产。

当然，对基底1进行图案化在其表面形成若干介质掩膜41的方法并不限于上述步骤一至步骤二中所述的采用压印胶层4a的方法，还可以是其他任意可实现在基底1表面形成图案化掩膜的方法均可。

值得说明的是，根据本发明的实施例的芯片器件中，凹槽阵列中凹槽11的形状还可以是圆柱、长方体等任意形状，凹槽的形状具体根据对基底1进行图案化的模板以及后续步骤三中的湿法刻蚀的工艺参数来控制；同时，凹槽11的深度也不限于上述实施例1、2中所述的200nm，一般地，控制凹槽阵列中凹槽11的深度为10nm～1μm即可。基底1的材料也不限于上述实施例1、2中所述的FTO导电玻璃的有机聚合物、氮化镓的半导体材料，还可以是其他如硅等半导体材料；另外，金属纳米颗粒层2的材料也并不限于上述实施例1、2中所述的银纳米颗粒、铜纳米颗粒，还可以其他如金纳米颗粒或过渡金属氧化物纳米颗粒，而所述金属纳米颗粒层2中金属纳米颗粒的粒径及间距一般均控制为1nm～10nm即可。上述凹槽阵列中凹槽11的间距、深度，多孔层3中孔的宽度、深度，以及纳米颗粒层2中纳米颗粒的粒径、间距和纳米颗粒层2的厚度等根据预制作的芯片器件的具体要求控制即可。

另外，对具有凹槽阵列的基底1进行刻蚀，以在凹槽11槽壁以及基底1的位于两相邻的凹槽11之间的表面上形成多孔层3的方法并不限于上述实施例1、2中所述的湿法刻蚀、干法刻蚀，还可以是其他如电化学刻蚀、无电流刻蚀等方法；而在多孔层3上方沉积纳米颗粒以形成纳米颗粒层2的方法也不限于上述实施例1、2中所述的电化学沉积、磁控溅射，还可以是其他如化学沉积等方法。

根据本发明的实施例的芯片器件因包括具有多孔结构的多孔层3、以及覆盖于所述多孔层3上方的纳米颗粒层2，使得该芯片器件具有高灵敏度；另外，本实施例的芯片器件的制作方法工艺简单，生产成本低，适于大批量生产。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种芯片器件，其特征在于，包括：基底、纳米颗粒层以及多孔层；其中，所述基底的表面凹陷形成间隔排列的多个凹槽，每个所述凹槽的槽壁以及位于相邻的两个所述凹槽之间的所述基底的表面上覆盖所述多孔层，所述纳米颗粒层覆盖所述多孔层；其中，所述凹槽的形状选自立方体、长方体、圆柱、圆锥中的任意一种；

其中，所述多孔层中孔的宽度为10nm～50nm，深度为10nm～1μm。

2.根据权利要求1所述的芯片器件，其特征在于，所述纳米颗粒层的制作材料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、过渡金属氧化物纳米颗粒中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的芯片器件，其特征在于，所述纳米颗粒层中纳米颗粒的粒径为10nm～50nm，间距为1nm～10nm。

4.根据权利要求1所述的芯片器件，其特征在于，所述凹槽的深度为10nm～1μm。

5.根据权利要求1所述的芯片器件，其特征在于，所述基底由有机聚合物材料或半导体材料或金属材料制成。

6.一种芯片器件的制作方法，其特征在于，包括：

提供一基底；

在所述基底的表面上形成间隔排列的多个凹槽；其中，所述凹槽的形状选自立方体、长方体、圆柱、圆锥中的任意一种；

在每个所述凹槽的槽壁以及位于相邻的两个所述凹槽之间的所述基底的表面上形成多孔层，所述多孔层中孔的宽度为10nm～50nm，深度为10nm～1μm；

在所述多孔层上形成纳米颗粒层。

7.根据权利要求6所述的芯片器件的制作方法，其特征在于，在所述基底的表面上形成间隔排列的多个所述凹槽的具体方法包括：

对所述基底的表面进行图形化处理，以在所述基底的表面上形成间隔排列的多个介质掩膜层；

对相邻的两个所述介质掩膜层之间暴露出的所述基底的表面进行刻蚀，以形成所述凹槽；

将所述多个介质掩膜层剥离去除。

8.根据权利要求7所述的芯片器件的制作方法，其特征在于，对所述基底的表面进行图形化处理，以在所述基底的表面上形成间隔排列的多个所述介质掩膜层的具体方法包括：

在所述基底的表面上覆盖压印胶层；

采用压印模板对所述压印胶层进行压印，以在所述基底上形成多个介质掩膜层和多个残余层；其中，所述介质掩膜层和所述残余层交替排布；

将所述多个残余层刻蚀去除。