CN110921612A - 一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构及其制备方法。所述方法包括如下步骤：S1：将AAO薄膜转移到硅基板的上表面；S2：在AAO薄膜上沉积一层金属纳米颗粒；S3：去掉AAO薄膜，在硅基板表面得到分布均匀的金属颗粒阵列；S4.将步骤S3得到的硅基板除上表面外，其余表面采用聚合物密封覆盖，并在硅基板两侧对称设置电极；S5.将聚合物密封覆盖的硅基板置于刻蚀液体中蚀刻，得到纳米孔垂直基板的结构；S6.电极通电并施加电压，产生的电场改变金属纳米颗粒的蚀刻方向，即可得到纳米孔方向改变的硅纳米孔结构。本发明通过施加电压，改变金属纳米颗粒蚀刻方向，即可得到方向多变的纳米孔结构；所述工艺简单，实现硅纳米孔刻蚀过程中刻蚀方向可调控刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及微纳器件制备与应用技术领域，更具体地，涉及一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科学家们在生物分子筛选、基因测序等方面研究的越来越受关注，固态纳米孔阵列传感器也成为生物学科研工具中的重要器件。其中纳米孔阵列是生物分子筛选器件的核心功能单元，固态纳米孔的制造直接关系到检测系统的性能指标。现有的固态纳米孔结构都是单方向的纳米孔，其制造方法都是借助于纳米级加工工具，如聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)等，不仅制造成本高，制造过程中孔的形成方向不能改变而且受到设备腔体的限制、制造效率低。因此，现有方法约束了固态纳米孔阵列的制造与应用。如何实现低成本、高效、多样式的固态纳米孔阵列的制造，是纳米孔生物分子筛选技术向微纳制造技术提出严峻的挑战。因此，研究新型固态纳米孔阵列制造方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中制备固态纳米孔结构的方法成本高，形成方向不能改变，而且受到设备腔体的限制、制造效率低的缺陷和不足，提供一种刻蚀方向改变的硅纳米孔结构的制备方法。本发明提供的制备方法制作过程中能改变纳米孔的刻蚀方向，从而得到不同方向刻蚀的硅纳米孔结构，工艺简单、制造成本低，极大程度上满足个性化的需求，同时在微纳生物、医药、光学、传感等领域有广泛应用前景。
本发明的另一目的在于提供一种刻蚀方向改变的硅纳米孔结构。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：将AAO薄膜转移到硅基板的上表面；
S2：在AAO薄膜上沉积一层金属纳米颗粒；
S3：去掉AAO薄膜，在硅基板表面得到分布均匀的金属颗粒阵列；
S4.将步骤S3得到的硅基板除上表面外，其余表面采用聚合物密封覆盖，并在硅基板两侧对称设置电极；
S5.将聚合物密封覆盖的硅基板置于刻蚀液体中蚀刻，得到纳米孔垂直基板的结构；
S6.电极通电并施加电压，产生的电场改变金属纳米颗粒的蚀刻方向，即可得到纳米孔方向改变的硅纳米孔结构。
本发明通过在硅基板两侧施加电压，改变金属纳米颗粒周围电子转移方向，从而可以改变蚀刻的纳米孔的方向发生改变，制备得到方向不同的硅纳米孔结构，满足不同的需求。
本发明工艺简单，打破传统化学刻蚀硅纳米孔中只能单方向刻蚀的刻蚀行为，并实现硅纳米孔刻蚀过程中刻蚀方向可调控刻蚀，其刻蚀结构极大程度上满足个性化的需求，工艺简单、制造成本低，同时在微纳生物、医药、光学、传感等领域有广泛应用前景。
优选地，步骤S1中，所述硅基板为N型<100>晶向硅片；所述硅基板的厚度为0.1～10mm。
本发明的硅基板、AAO(通孔阳极氧化铝，Anodic Aluminum Oxide，AAO)薄膜可选用本领域常规的硅片和AAO薄膜，其厚度也可选用常规厚度。
优选地，步骤S1中，所述AAO薄膜为超薄通孔可转移型薄膜；其厚度为20nm～800μm。
AAO薄膜中的厚度、孔直径及孔间隙可根据最终得到的硅纳米孔的实际需要进行选择。
优选地，所述AAO薄膜的厚度和孔直径之比为1:3～1:6；其孔直径与孔间隙之比为1:3。
在上述厚度、孔直径和孔间隙条件下，保证了金属纳米颗粒在硅基板上的有效沉积。
优选地，步骤S1中，所述AAO薄膜转移的过程为：直接将AAO薄膜固定在硅基板的上表面或在丙酮溶液中将AAO薄膜转移到硅基板的上表面。
优选地，步骤S2中，金属纳米颗粒沉积的方式为溅射镀膜、真空蒸镀、离子镀膜、电弧等离子体镀膜或分子束外延。
优选地，所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒或金纳米颗粒中的一种或两种；所述金属纳米颗粒沉积的厚度为5～40nm。
优选地，步骤S3中，去掉AAO薄膜的过程为：利用胶带粘掉；或置于磷酸溶液或氢氧化钠溶液中反应去除AAO薄膜后干燥。
更优选地，所述磷酸溶液的质量浓度为2～15％。更为优选地，所述磷酸溶液的温度为10～30℃；所述反应的时间为50min～2h。
优选地，步骤S4中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
优选地，步骤S4中所述电极材料为各种导电材料。电极材料选取可根据实际情况需要进行选取。
优选地，步骤S5中，所述刻蚀液体为H2O2和HF的混合溶液；所述混合溶液中H2O2的质量浓度范围在5～20％，HF的质量浓度范围在0.05～1％；所述刻蚀的时间为5s～2min，温度为25～35℃。
优选地，步骤S6中，电极施加的电压为-10V～-0.1V。
由上述所述制备方法制备得到的刻蚀方向可变的硅纳米孔结构也在本发明的保护范围之类。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过施加负极电压产生电场改变金属纳米颗粒周围电子转移方向，控制金属纳米颗粒刻蚀得到方向多变的纳米孔结构。本发明工艺简单，打破传统化学刻蚀硅纳米孔中只能单方向刻蚀的刻蚀行为，并实现硅纳米孔刻蚀过程中刻蚀方向可调控刻蚀，其刻蚀结构极大程度上满足个性化的需求，工艺简单、制造成本低，同时在微纳生物、医药、光学、传感等领域有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明刻蚀方向可控的硅纳米孔结构及其制作工艺的工艺流程图。
图2为本发明所需的硅基板和AAO薄膜示意图。
图3为本发明S1中呈现的结构示意图。
图4为本发明S2中呈现的结构示意图。
图5为本发明S3中呈现的结构示意图。
图6为本发明S4中呈现的结构示意图。
图7为本发明S5中呈现的结构示意图。
图8为本发明S6中呈现的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构及其制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
S1：将AAO薄膜转移到硅基板的上表面；
S2：在AAO薄膜上沉积一层金属纳米颗粒；
S3：去掉AAO薄膜，在硅基板表面得到分布均匀的金属颗粒阵列；
S4.将步骤S3得到的硅基板除上表面外，其余表面采用聚合物密封覆盖，并在硅基板两侧对称设置电极；
S5.将聚合物密封覆盖的硅基板置于刻蚀液体中蚀刻，得到纳米孔垂直基板的结构；
S6.电极通电并施加电压，产生的电场改变金属纳米颗粒的蚀刻方向，即可得到纳米孔方向改变的硅纳米孔结构。
下面结合具体附图对本发明硅纳米孔结构及其制作方法作详细的介绍。
首先执行步骤S1，提供一N型<100>晶向硅片为基板，一可转移的通孔AAO薄膜，如图2所示。其中，硅基板1的厚度为0.1～10mm。AAO薄膜为超薄通孔可转移型薄膜，其中厚度为20nm～800μm并且薄膜厚度和薄膜孔直径比为1:3到1:6，薄膜孔直径与孔间隙之比为1:3。
然后，将AAO薄膜转移到硅基板正面上。如图3所示。其中转移方法可以直接将AAO薄膜固定在硅基板表面，也可以在丙酮溶液中将AAO薄膜转移到硅基板表面。
接着执行步骤S2，在AAO薄膜上沉积金属纳米薄膜工艺有溅射镀膜、真空蒸镀、离子镀膜，电弧等离子体镀以及分子束外延等。本实施例采用磁控溅射沉积金属薄膜，如图4所示。其中，金属为银、金中一种或混合物，薄膜厚度为5nm～40nm；溅射系统的本底真空度为6ⅹ10-5Pa～9ⅹ10-5Pa，射频溅射功率为30W～100W，溅射时间为10s～60s。本实施例中，沉积的金属为银，金属沉积厚度为30nm，溅射系统真空度为7ⅹ10-5Pa，射频溅射功率为40W。
接着执行步骤S3，去掉AAO薄膜，在基板表面得到分布均匀的金属颗粒阵列。如图5所示。其中去除AAO薄膜的方法可以是用胶带直接粘掉，也可以先放入磷酸溶液中反应去除AAO薄膜，然后再用氮气干燥。其中磷酸溶液浓度为2％～15％，溶液温度为30℃，反应时间为50min～2h。本实施例中，用胶带直接粘掉。
接着执行步骤S4，分别在样品侧面左右两侧施加电极，并用聚合物将样品除上表面外的其它部分密封。其中，电极材料为导电材料，本实施事例选用金属Cu作电极，如图6所示。
接着执行步骤S5，使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助上述金属纳米颗粒刻蚀得到垂直硅基板的纳米孔。如图7所示。其中H2O2的浓度范围在5％～20％，HF的浓度范围在0.05％～1％，刻蚀时间为5s～2min。
接着执行步骤S6，电极接通外部电源，向样品侧面施加负极电压产生电场改变金属纳米颗粒周围电子转移方向，控制金属纳米颗粒改变刻蚀方向，得到横向刻蚀的多孔状纳米孔结构，并在形成的垂直纳米孔中远离磁场侧纳米孔壁发生从上到下不均匀刻蚀。如图8所示。其中外部电源电压为-10V～-0.1V，刻蚀1min中。
图2至图8中各标号指代的结构如下所示：
其中，1为基板，10为硅纳米孔，2为AAO薄膜，20为AAO薄膜纳米孔，3为银靶，30为银纳米薄膜，31为银原子，4为刻蚀液体，5电场，6为样品，7为电极，8为玻璃，9聚合物，11为胶带，12为导电线。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将AAO薄膜转移到硅基板的上表面；
S2：在AAO薄膜上沉积一层金属纳米颗粒；
S3：去掉AAO薄膜，在硅基板表面得到分布均匀的金属颗粒阵列；
S4.将步骤S3得到的硅基板除上表面外，其余表面采用聚合物密封覆盖，并在硅基板两侧对称设置电极；
S5.将聚合物密封覆盖的硅基板置于刻蚀液体中蚀刻，得到纳米孔垂直基板的结构；
S6.电极通电并施加电压，产生的电场改变金属纳米颗粒的蚀刻方向，即可得到纳米孔方向改变的硅纳米孔结构。
2.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硅基板为N型<100>晶向硅片；所述硅基板的厚度为0.1～10mm。
3.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述AAO薄膜为超薄通孔可转移型薄膜；其厚度为20nm～800μm；
所述AAO薄膜的厚度和孔直径之比为1:3～1:6；其孔直径与孔间隙之比为1:3。
4.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述AAO薄膜转移的过程为：直接将AAO薄膜固定在硅基板的上表面或在丙酮溶液中将AAO薄膜转移到硅基板的上表面。
5.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，金属纳米颗粒沉积的方式为溅射镀膜、真空蒸镀、离子镀膜、电弧等离子体镀膜或分子束外延。
6.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒或金纳米颗粒中的一种或两种；所述金属纳米颗粒沉积的厚度为5～40nm。
7.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S3中，去掉AAO薄膜的过程为：利用胶带粘掉；或置于磷酸溶液或氢氧化钠溶液中反应去除AAO薄膜后干燥。
8.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷；
步骤S5中，所述刻蚀液体为H2O2和HF的混合溶液；所述混合溶液中H2O2的质量浓度范围在5～20％，HF的质量浓度范围在0.05～1％；所述刻蚀的时间为5s～2min，温度为25～35℃。
9.根据权利要求1所述刻蚀方向可变的硅纳米孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S6中，电极施加的电压为-10V～-0.1V。
10.一种刻蚀方向可变的硅纳米孔结构，其特征在于，通过权利要求1～9任一所述制备方法制备得到。
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