CN107877010B - 一种微纳孔阵列的加工装置 - Google Patents

Abstract

一种微纳孔阵列的加工装置，包括支撑架、激光装置、真空反应装置、磁场装置和操作台；真空反应装置包括反应装置、吸附机构、真空导气管和真空泵；反应装置包括上盖、反应盒体和底盘；反应盒体安装于激光装置的正下方，其侧壁通过真空导气管连接真空泵；底盘安装于反应盒体的底部，其表面开设有环形凹槽，其底部开设有通孔；吸附机构包括吸附底盘和压力调节器；吸附底盘安装于底盘的底部，其顶部接通于通孔；压力调节器一端连接于吸附底盘，另一端连接真空泵；本发明提出的微纳孔阵列的加工装置，通过结构的优化设计，实现能够采用微纳复合结构金属粒子进行微纳米加工的方式，提高加工的稳定性，提高加工质量的可控性。

Description

一种微纳孔阵列的加工装置

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种微纳孔阵列的加工装置。

背景技术

微纳孔阵列广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中。随着微纳加工技术的不断提高，使加工结构尺寸更小、精度要求更高的微纳结构得以实现。如用于DNA单分子分析的固态纳米孔就是典型案例之一。与DNA单分子分析工作中常用的生物纳米孔相比，固态纳米孔在化学、热学、力学稳定性等方面具有明显优势，并可通过常规的微纳加工技术制成，这样既可以实现纳米孔的大规模加工，又可以精确控制其孔径。因此，众多研究小组持续关注固态纳米孔的加工过程，并研究生物分子在固态纳米孔中的运动过程。

金纳米粒子或金纳米棒上的载流电子在受到可见光及近红外光照射时会产生连续震荡的现象，导致金纳米粒子或金纳米棒表面形成局部等离子体共振。这种表面局部等离子体共振会以辐射和非辐射的形式逐渐衰退，后者能够加热微小的粒子，并形成热点，最高温度可超过2000℃。这一效应，已经被应用在玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯等材料上加工纳米孔。

但是，仍面临着如下难题：要实现金纳米粒子尽可能高效地吸收光的能量并产生能够消除材料的高温热点，要求粒子的直径必须远小于光的波长。因此，目前多采用直径为10nm～100nm的金纳米粒子进行加工。对应地，加工所形成的纳米孔的直径也被严格限制在10nm～100nm。此外，由于加工中纳米粒子收到基材蒸发的影响，其运动轨迹具有一定的随机性。如何控制加工中的金纳米粒子的运动轨迹进而加工出形状可控的微纳孔阵列极具挑战。

通过需外加物理场引导纳米粒子定向移动，进而实现形状可控的微纳孔阵列的高效加工是一种可行的手段。然而，想要能够实现以金、银或铝包裹的微纳复合结构金属粒子进行微纳米加工的方式，目前仍没有一个可实现该功能的成套刻蚀设备，因此亟需进一步对现有的加工微纳孔阵列的加工装置的改进优化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种微纳孔阵列的加工装置，通过进行结构的优化设计，以实现能够采用微纳复合结构金属粒子进行微纳米加工的方式，提高加工的稳定性，以及提高加工质量的可控性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种微纳孔阵列的加工装置，包括支撑架、激光装置、真空反应装置、磁场装置和操作台；所述激光装置安装于所述支撑架上；所述真空反应装置包括反应装置、吸附机构、真空导气管和真空泵；

所述反应装置包括上盖、反应盒体和底盘；所述上盖盖于所述反应盒体的顶部；反应盒体安装于所述激光装置的正下方，且其侧壁通过所述真空导气管连接真空泵；所述底盘安装于所述反应盒体的底部，并且其表面开设有若干个同心环形凹槽，所述环形凹槽底部均匀开设有通孔；所述吸附机构包括吸附底盘和压力调节器；所述吸附底盘安装于所述底盘的底部，所述吸附底盘的顶部接通于所述通孔；所述压力调节器的一端连接于所述吸附底盘侧边，另一端通过所述真空导气管连接真空泵；

所述激光装置、压力调节器、真空泵分别与所述操作台电气连接；所述磁场装置安装于所述反应装置的下方。

进一步说明，所述激光装置包括直驱电机平台、光学系统和激光发生器；所述直驱电机平台包括Z轴导轨、滑动支撑架和直驱电机；所述Z轴导轨竖直安装于所述支撑架上；所述滑动支撑架滑动安装于所述Z轴导轨上，并与所述光学系统连接；所述直驱电机驱动所述滑动支撑架，用以带动所述光学系统沿Z轴导轨方向作上下运动；所述光学系统与所述激光发生器电气连接。

进一步说明，所述光学系统包括隔磁外壳、光学组件和激光出镜罩；所述隔磁外壳安装于滑动支撑架上；所述光学组件安装于所述隔磁外壳的内部；所述激光出镜罩连接于所述隔磁外壳的底部的通口处；所述激光出镜罩的出光口位于反应盒体的正上方。

进一步说明，所述操作台是由可视化的PLC屏幕和集成PLC控制系统组成的集成控制平台；所述激光发生器包括平面激光脉冲器和激光束产生装置；所述激光束产生装置产生的激光束的波长为：350～2000nm；所述激光束的能量为1～5MW/cm²；所述光学组件为全反射镜、扩束镜、整形镜片和扫描振镜。

进一步说明，所述反应盒体内的侧壁设置有加热贴片，所述加热贴片的加热温度范围为20～70℃，精度为±1℃。

进一步说明，所述反应盒体内部设置有检测调节装置，并通过电气连接于所述操作台；所述检测调节装置包括真空度检测器、恒温调节器和磁场强度检测器；三者沿轴中心对称安装于所述反应应盒体的内壁上，并且相互间隔分布。

进一步说明，所述上盖的中部为玻璃透明材料，其外围设置有第一密封垫；所述底盘与所述吸附底盘之间设置有第二密封垫。

进一步说明，所述磁场装置包括磁场发生器、传动装置和旋转电机；所述磁场发生器安装于所述反应装置的下方，所述旋转电机通过所述传送装置带动所述磁场发生器绕轴承作旋转运动；所述磁场发生器产生的磁场梯度为2～6kg/cm。

进一步说明，所述磁场发生器包括磁芯、支撑轴承、磁场线圈和电压电流输出器；所述磁芯的底部通过所述支撑轴承安装于所述支撑架上，并位于所述反应装置的下方；所述支撑轴承连接于所述传送装置；所述磁场线圈均匀缠绕在所述磁芯外侧，并与所述电压电流输出器电气连接。

进一步说明，所述加工装置用于加工玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料的工件。

本发明的有益效果：通过对加工装置结构的优化设计，提供成套刻蚀加工设备，以能够采用以金、银或铝包裹的微纳复合结构金属粒子进行微纳米加工的方式，从而实现可加工100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔阵列，使加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果，环保且操作简单。

其中，1、优化真空反应装置的结构，形成一真空吸附体系，不仅对反应盒体内部抽真空，以有效清除内部的杂物和营造稳定的真空环境，提高反应盒体内的环境洁净度，提高激光照射的质量；而且对吸附底盘抽真空，以达到更稳定地固定工件，提高加工的稳定性；

2、对工件表面的微纳复合结构金属粒子进行激光照射，并对所述反应装置施加磁场作为外加物理场，以达到引导微纳复合结构金属粒子的定向移动，进而实现形状可控的微纳孔阵列的高效加工；

3、提高了加工微纳孔阵列的可重复性，保证了每次反应参数的一致，并且能够实时地测控工件的受力情况，大大增强了对批量加工质量的可控性；

4、装置结构简单、操作简便，无需化学电解液等污染较大的试剂，加工的孔径大小、形状和深度均可控，在生物检测、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。

附图说明

图1是本发明一个实施例的微纳孔阵列的加工装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的反应装置和吸附机构的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的上盖的结构示意图；

图4～图12是本发明一个实施例的工件加工过程的横截面示意图；

其中：支撑架1，Z轴导轨211，滑动支撑架212，隔磁外壳221，光学组件，激光出镜罩223，激光发生器23，上盖311，反应盒体312，底盘313，第一密封垫315，吸附底盘321，压力调节器322，真空导气管33，真空泵34，磁芯410，支撑轴承411，磁场线圈412，传动装置42，旋转电机43，操作台5，环形凹槽6，通孔61，工件06，光刻胶07，微纳复合结构金属粒子08。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种微纳孔阵列的加工装置，包括支撑架1、激光装置、真空反应装置、磁场装置和操作台5；所述激光装置安装于所述支撑架1上；所述真空反应装置包括反应装置、吸附机构、真空导气管33和真空泵34；

所述反应装置包括上盖311、反应盒体312和底盘313；所述上盖311盖于所述反应盒体312的顶部；反应盒体312安装于所述激光装置的正下方，且其侧壁通过所述真空导气管33连接真空泵34；所述底盘313安装于所述反应盒体312的底部，并且其表面开设有若干个同心环形凹槽6，所述环形凹槽6底部均匀开设有通孔61；所述吸附机构包括吸附底盘321和压力调节器322；所述吸附底盘321安装于所述底盘313的底部，所述吸附底盘321的顶部接通于所述通孔61；所述压力调节器322的一端连接于所述吸附底盘321侧边，另一端通过所述真空导气管33连接真空泵34；

所述激光装置、压力调节器322、真空泵34分别与所述操作台5电气连接；所述磁场装置安装于所述反应装置的下方。

针对目前由于激光只能激发直径远小于光波长的纳米粒子才能产生等离子体共振的限制，导致微纳米加工技术难以有效可控加工获得100nm以上的纳米孔的难点，本发明提出一种微纳孔阵列的加工装置，通过对加工装置结构的优化设计，提供成套刻蚀加工设备，以能够采用以金、银或铝包裹的微纳复合结构金属粒子进行微纳米加工的方式，即利用微纳复合结构金属粒子的磁性内核将多个直径大小仍在100nm以下、能够产生等离子体共振的纳米金粒子积聚在一起，并通过磁场来引导微纳复合结构金属粒子的有效运动，从而实现可加工100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔阵列，使加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果，无需化学电解液等污染较大的试剂，环保且操作简单。相比现有的加工装置，本发明的加工装置主要包括以下特点：

1、优化真空反应装置的结构，通过反应装置的底盘313表面设置环形凹槽6，并在环形凹槽内开设的通孔61，以能够利用所述通孔61与所述吸附底盘321相通，形成了一真空吸附体系；其主要目的在于一方面，能够对反应盒体内部抽真空，以有效清除内部的杂物和营造稳定的真空环境，提高反应盒体内的环境洁净度，使得反应废气废物及时抽走避免影响反应，并且真空刻蚀环境有效提高了激光照射的质量；另一方面能够对吸附底盘321抽真空，以达到更稳定地固定工件，提高加工的稳定性；

2、将工件放于所述底盘313上，通过其正上方的所述激光装置对工件表面的微纳复合结构金属粒子进行激光照射；并由所述磁场装置对所述反应装置施加磁场作为外加物理场，以达到引导微纳复合结构金属粒子的定向移动，进而实现形状可控的微纳孔阵列的高效加工；

3、通过所述操作台5的程序控制，提高了加工微纳孔阵列的可重复性，保证了每次反应参数的一致，并且通过设置所述压力调节器322，能够实时地测控工件的受力情况，从而大大增强了对批量加工质量的可控性；

4、装置结构简单、操作简便，无需化学电解液等污染较大的试剂，加工的孔径大小、形状和深度均可控，在生物检测、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。

进一步说明，所述激光装置包括直驱电机平台、光学系统和激光发生器23；所述直驱电机平台包括Z轴导轨211、滑动支撑架212和直驱电机；所述Z轴导轨211竖直安装于所述支撑架1上；所述滑动支撑架212滑动安装于所述Z轴导轨211上，并与所述光学系统连接；所述直驱电机驱动所述滑动支撑架212，用以带动所述光学系统沿Z轴导轨211方向作上下运动；所述光学系统与所述激光发生器23电气连接。

通过设置所述直驱电机平台，利用所述滑动支撑架212来带动所述光学系统沿Z轴导轨211方向作上下运动，从而可根据实际情况来精确地调整所述光学系统与所述反应装置之间的距离，灵活度更高，确保激光对工件表面的微纳复合结构金属粒子的有效照射。

进一步说明，所述光学系统包括隔磁外壳221、光学组件和激光出镜罩223；所述隔磁外壳221安装于滑动支撑架212上；所述光学组件安装于所述隔磁外壳221的内部；所述激光出镜罩223连接于所述隔磁外壳221的底部的通口处；所述激光出镜罩223的出光口位于反应盒体312的正上方。通过设置所述隔磁外壳221对所述光学组件起到保护的作用，避免其受到下方的较强磁场而影响照射功能和使用寿命。

进一步说明，所述操作台5是由可视化的PLC屏幕和集成PLC控制系统组成的集成控制平台；所述激光发生器23包括平面激光脉冲器和激光束产生装置；所述激光束产生装置产生的激光束的波长为：350～2000nm；所述激光束的能量为1～5MW/cm²；所述光学组件为全反射镜、扩束镜、整形镜片和扫描振镜。其中，所述全反射镜，用以对激光束进行位置和角度调节；所述扩束镜，用以对所述激光束的直径进行扩展并减少激光束的发散角；所述整形镜片，用以光斑能量分布整形，基于傅里叶方法将高斯光束整形成平顶光束；所述扫描振镜包括X、Y扫描电机、驱动器及信号接口板；所述信号接口板通过电气连接于所述操作台5，在所述操作台5控制下输出一个伺服信号控制扫描振镜偏转。

进一步说明，所述反应盒体312的内侧壁设置有加热贴片，所述加热贴片的加热温度范围为20～70℃，精度为±1℃。

进一步说明，所述反应盒体312内部设置有检测调节装置，并通过电气连接于所述操作台5；所述检测调节装置包括真空度检测器、恒温调节器和磁场强度检测器；三者沿轴中心对称安装于所述反应应盒体312的内壁上，并且相互间隔分布。通过检测调节装置能够有效监控所述反应盒体312内的真空度、温度变化和磁场的强度变化，从而更精确稳定地控制工件加工，提高加工效果。

进一步说明，所述上盖311的中部为玻璃透明材料，其外围设置有第一密封垫315；所述底盘313与所述吸附底盘321之间设置有第二密封垫。在所述上盖311设置第一密封垫315以保证所述反应装置的气密性；同时通过设置所述第二密封垫，进一步保证所述吸附机构的气密性。

进一步说明，所述磁场装置包括磁场发生器、传动装置42和旋转电机43；所述磁场发生器安装于所述反应装置的下方，所述旋转电机43通过所述传送装置42带动所述磁场发生器绕轴承作旋转运动；所述磁场发生器产生的磁场梯度为2～6kG/cm。利用所述旋转电机43驱动所述传动装置42，从而带动所述磁场发生器的运动，从而实现自动化地调整施加的磁场方向，更精确地控制对工件加工的孔径大小、形状和深度。

进一步说明，所述磁场发生器包括磁芯410、支撑轴承411、磁场线圈412和电压电流输出器；所述磁芯410的底部通过所述支撑轴承411安装于所述支撑架1上，并位于所述反应装置的下方；所述支撑轴承411连接于所述传送装置42；所述磁场线圈412均匀缠绕在所述磁芯410外侧，并与所述电压电流输出器电气连接。

进一步说明，所述加工装置用于加工玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料的工件。

具体的加工过程如下：

步骤1：反应前清洗。首先，将尺寸为10cm*10cm的工件06置于稀硫酸(质量浓度为5％)和过氧化氢(质量浓度为30％)体积比为1:1混合120℃热溶液浸泡10分钟，以充分去除工件06表面氧化物；然后，将工件06从溶液中取出，用大量去离子水将其冲洗干净；再用氮气流中进行干燥。干燥后取出备用；如图4所示；

步骤2：将步骤1得到的工件衬底上旋涂一层约为400nm厚的光刻胶07，如图5所示，烘干并放在光刻机中进行曝光，未经曝光的光刻胶经过显影去除；然后，通过反应离子刻蚀(RIE)2-3分钟，去除残留的光刻胶，如图6所示；接着，在工件衬底上表面旋涂以金、银或铝包裹磁性金属的微纳复合结构金属粒子08，如图7所示；所述微纳复合结构金属粒子08的结构以磁性81内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层82；如图8所示。

步骤3：结合使用上述的一种微纳孔阵列的加工装置，启动并初始化设备，调试激光装置、真空反应装置、磁场装置和操作台5，使其处于初始化的准备状态；所述激光发生器23、直驱电机、吸附机构、压力调节器322、加热贴片、检测调节装置、磁场装置、电压电流输出器、带传动装置42、旋转电机43处于准备的状态；检查各个连接管道的气密性和通畅性；将步骤2得到的工件06放置于所述底盘313上，调节工件06对中度，调节所述压力调节器322，使所述吸附底盘321吸紧工件06；盖上所述上盖311，开启真空泵34，将所述反应盒体312内抽真空；驱动所述直驱电机，使所述激光出镜罩223下降到紧贴所述上盖311；参考加工孔的速度5～50nm/min计算处理时间；如图9所示；

步骤5：调节所述操作台5的参数，采用激光对表面有金属粒子的工件06进行照射，激光波长为350～2000nm，同时在反应盒体内施加与工件06表面相垂直的磁场；如图10、图11所示；

步骤6：控制反应时间，系统按照设定的反应时间，当刻蚀反应时间到达时，系统即刻提示反应完成。关闭激光及移除磁场，将工件06取出并用去离子水冲洗干净、用氮气吹干，即可得到目标孔径大小、形状、深度的微纳孔阵列；如图12所示。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：包括支撑架、激光装置、真空反应装置、磁场装置和操作台；所述激光装置安装于所述支撑架上；所述真空反应装置包括反应装置、吸附机构、真空导气管和真空泵；

所述反应装置包括上盖、反应盒体和底盘；所述上盖盖于所述反应盒体的顶部；反应盒体安装于所述激光装置的正下方，且其侧壁通过所述真空导气管连接真空泵；所述底盘安装于所述反应盒体的底部，并且其表面开设有若干个同心环形凹槽，所述环形凹槽底部均匀开设有通孔；所述吸附机构包括吸附底盘和压力调节器；所述吸附底盘安装于所述底盘的底部，所述吸附底盘的顶部接通于所述通孔；所述压力调节器的一端连接于所述吸附底盘侧边，另一端通过所述真空导气管连接真空泵；

所述激光装置、压力调节器、真空泵分别与所述操作台电气连接；所述磁场装置安装于所述反应装置的下方；

所述激光装置包括直驱电机平台、光学系统和激光发生器所述直驱电机平台包括Z轴导轨、滑动支撑架和直驱电机；所述Z轴导轨竖直安装于所述支撑架上；所述滑动支撑架滑动安装于所述Z轴导轨上，并与所述光学系统连接；所述直驱电机驱动所述滑动支撑架，用以带动所述光学系统沿Z轴导轨方向作上下运动；所述光学系统与所述激光发生器电气连接；

所述磁场装置包括磁场发生器、传动装置和旋转电机；所述磁场发生器安装于所述反应装置的下方，所述旋转电机通过所述传动装置带动所述磁场发生器绕轴承作旋转运动；所述磁场发生器产生的磁场梯度为2～6kG/cm。

2.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述光学系统包括隔磁外壳、光学组件和激光出镜罩；所述隔磁外壳安装于滑动支撑架上；所述光学组件安装于所述隔磁外壳的内部；所述激光出镜罩连接于所述隔磁外壳的底部的通口处；所述激光出镜罩的出光口位于反应盒体的正上方。

3.根据权利要求2所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述操作台是由可视化的PLC屏幕和集成PLC控制系统组成的集成控制平台；所述激光发生器包括平面激光脉冲器和激光束产生装置；所述激光束产生装置产生的激光束的波长为：350～2000nm；所述激光束的能量为1～5MW/cm2；所述光学组件为全反射镜、扩束镜、整形镜片和扫描振镜。

4.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述反应盒体内的侧壁设置有加热贴片，所述加热贴片的加热温度范围为20～70℃，精度为±1℃。

5.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述反应盒体内部设置有检测调节装置，并通过电气连接于所述操作台；所述检测调节装置包括真空度检测器、恒温调节器和磁场强度检测器；三者沿轴中心对称安装于所述反应盒体的内壁上，并且相互间隔分布。

6.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述上盖的中部为玻璃透明材料，其外围设置有第一密封垫；所述底盘与所述吸附底盘之间设置有第二密封垫。

7.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述磁场发生器包括磁芯、支撑轴承、磁场线圈和电压电流输出器；所述磁芯的底部通过所述支撑轴承安装于所述支撑架上，并位于所述反应装置的下方；所述支撑轴承连接于所述传动装置：所述磁场线圈均匀缠绕在所述磁芯外侧，并与所述电压电流输出器电气连接。

8.根据权利要求1所述的一种微纳孔阵列的加工装置，其特征在于：所述加工装置用于加工玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料的工件。