專利名稱：基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，具體為ー種基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來有序納米自組裝結(jié)構(gòu)已成為國內(nèi)外研究的重點和熱點之一,科研人員研究了納米顆粒、量子點、納米線等低維納米結(jié)構(gòu)有序組裝的合成エ藝。目前，有序低維納米結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用到微納電子、光電子、生物化學(xué)傳感器等各個領(lǐng)域，且展現(xiàn)出了誘人的前景和可觀的社會、經(jīng)濟(jì)價值。隨著低維納米結(jié)構(gòu)和器件逐步的向高集成化和實用化發(fā)展，目前對于低維納米自組裝エ藝都強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用為導(dǎo)向，在很大程度上對低維納米自組裝技術(shù)提出了更高的要求，這不但需要確保低成本、高度有序、大面積制造的低維納米自組裝エ藝，還要與傳統(tǒng)MEMS 加工エ藝良好的兼容。但目前有序低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法只能小面積制造，極大地浪費了資源且成本較高，而且與傳統(tǒng)MEMS加工エ藝兼容性低；同時制備時采用化學(xué)合成方法會殘留大量的化學(xué)垃圾，且制備成本較高，而我們賴以生存的地球正面臨著嚴(yán)峻的環(huán)保問題，保護(hù)環(huán)境人人有責(zé)，所以研究成本低、耗材少、零污染的納米科技也成為了我們每個地球兒女的研究使命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有有序低維納米結(jié)構(gòu)只能小面積制造、成本高、污染嚴(yán)重且與傳統(tǒng)的MEMS加工エ藝兼容性差的問題，提供了ー種基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟
(一)、低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板的制備(其エ藝流程圖如圖I所示)
步驟ー取直徑為3inch 6inch、厚度為300 600 y m的圓片級娃片襯底(I),采用熱氧化法(硅的熱氧化法是指硅與含有氧化物質(zhì)的氣體，例如水汽和氧氣在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，而在硅片表面產(chǎn)生ー層致密的ニ氧化硅薄膜)在圓片級硅片襯底的正面和背面均生長ー層厚度為300nm 500nm的SiO2掩膜層。步驟ニ將圓片級硅片襯底的正面進(jìn)行表面清潔處理(表面清潔處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易實現(xiàn)的技術(shù)，通常依次通過超聲波丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行清潔)后涂ー層正性光刻膠；利用光刻エ藝(光刻エ藝是在一片干凈平整的硅片上涂ー層正性光刻膠，隨后讓紫外光通過ー塊刻有圖形的掩模板照射在硅片上；將硅片放入顯影液中反應(yīng)后，被照射到的部分光刻膠會發(fā)生變質(zhì)被腐蝕掉，而沒被照射到的光刻膠則會仍舊粘連在硅片上面)，使圓片級硅片襯底的正面上得到與掩膜板(掩膜板上的圖形根據(jù)需要可以設(shè)計為方塊陣列、或直條陣列等)上形狀相同的光刻圖形。
步驟三采用等離子體干法刻蝕方法將圓片級硅片襯底正面的SiO2掩膜層的露出部分腐蝕掉，從而露出將要被刻蝕的圓片級硅片襯底的正面。步驟四采用濕法各向異性腐蝕方法將圓片級硅片襯底放入腐蝕液中對圓級硅片襯底進(jìn)行刻蝕，從而將圓片級硅片襯底的正面上露出部分腐蝕掉并將圓片級硅片襯底頂部與光刻圖形接觸的部分腐蝕成尖端狀結(jié)構(gòu)；其中腐蝕液是由質(zhì)量百分比為KOH =IPA H20=23% :14% :63%混合而成。圓片級硅片襯底是由單晶硅組成的，其中單晶硅有三個晶面:100、110、111，其中水平面是(110)面，(100)面垂直于(110)面，與(100)面的夾角為54.74°的為(111)面；由于各種晶面上原子排列密度不同導(dǎo)致了硅單晶各向異性，突出地表現(xiàn)為腐蝕速率不同；腐蝕液對圓片級硅片襯底上(100)面的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(111)面，所以腐蝕液在(100)面上腐蝕，沿(111)面形成V型槽，這樣當(dāng)兩個V形槽連接在一起時形成尖端狀結(jié)構(gòu)。步驟五將圓片級硅片襯底放入與正性光刻膠配套的剝離液中反應(yīng)，從而去除圓 片級硅片襯底正面的光刻圖形。步驟六將圓片級硅片襯底放入由體積百分比為HF: H2O=I:5混合而成的氫氟酸溶液中去除圓片級硅片襯底正面的SiO2掩膜層，從而得到帶有尖端狀結(jié)構(gòu)的低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板。(ニ)、將低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板放在內(nèi)設(shè)貴金屬祀材(貴金屬可選用Au、Ag、Pt等)的磁控濺射儀的目標(biāo)靶上，將磁控濺射儀內(nèi)通入惰性氣體氬氣，惰性氣體電離后轟擊貴金屬靶材從而使脫離貴金屬靶材的貴金屬納米顆粒進(jìn)行合成后淀積到低維納米物理襯底模板上，在靜電場奇點效應(yīng)下合成的貴金屬納米顆粒有序緊湊的沉積到尖端狀結(jié)構(gòu)的尖端結(jié)構(gòu)上，從而得到ー層貴金屬薄膜。如圖9所示，合成的貴金屬納米顆粒會自動附帶負(fù)電荷，當(dāng)帶有靜電荷的貴金屬納米顆粒向帶有尖端狀結(jié)構(gòu)的低維納米物理襯底模板表面運(yùn)動時，帶電的貴金屬納米顆粒將會形成一個電子云，通過該電子云形成的靜電場將會進(jìn)一歩極化低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板，在電場奇點效應(yīng)(電場奇點效應(yīng)是指在物體表面曲率大的地方，如尖銳、細(xì)小物的頂端等電勢面密，電場強(qiáng)度劇增；相反，在曲率小的地方，如凹部、平滑面等電荷密度接近于零，電場強(qiáng)度劇減)的作用下會在尖端結(jié)構(gòu)的尖端處形成靜電場奇點；合成的貴金屬納米顆粒在電場奇點效應(yīng)的作用下會自動沉積到尖端結(jié)構(gòu)的尖端處，并最終達(dá)到靜電平衡分布，形成ー層貴金屬薄膜，從而實現(xiàn)從合成納米顆粒到低維納米結(jié)構(gòu)的有序自組裝。(三)、將低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板進(jìn)行退火エ藝，對自組裝納米結(jié)構(gòu)貴金屬薄膜內(nèi)部的顆粒間距和接觸方式及納米結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的電子輸運(yùn)特性進(jìn)行改變，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部從納米顆粒聚集到致密的轉(zhuǎn)變，從而最終得到圓片級低維納米結(jié)構(gòu)。所述熱氧化法、光刻エ藝、等離子體干法刻蝕、濕法各向異性腐蝕方法均為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技木。本發(fā)明所述的制備方法充分利用合成的貴金屬納米顆粒自身荷電特性及靜電場奇點效應(yīng)原理，在與傳統(tǒng)MEMS加工エ藝良好兼容的前提下，采用物理方法，得到了低成本、零污染、圓片級大面積、高可靠性和高度有序的貴金屬低維納米材料結(jié)構(gòu)；突破了低維納米結(jié)構(gòu)在大面積自組裝エ藝中效率低下、技術(shù)不成熟的技術(shù)難題，實現(xiàn)了圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的自組裝制造；解決了現(xiàn)有有序低維納米結(jié)構(gòu)只能小面積制造、成本高、污染嚴(yán)重且與傳統(tǒng)的MEMS加工エ藝兼容性差的問題，可廣泛適用于有序低維納米結(jié)構(gòu)的大面積制造。


圖I是本發(fā)明第一歩的エ藝流程圖。圖2是圓片級硅片襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明第一歩中步驟ー的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明第一步中步驟ニ的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明第一歩中步驟三的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明第一歩中步驟四的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明第一歩中步驟五的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明第一歩中步驟六的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是在電場奇點效應(yīng)下貴金屬納米顆粒自聚焦的原理圖。圖10是實施例I中ー維納米線物理襯底模板的立體圖。圖11是實施例I得到的小面積低維納米結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是實施例2中零維納米點物理襯底模板的立體圖。圖13是實施例2得到的小面積低維納米結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-圓片級硅片襯底；2_Si02掩膜層；3_光刻圖形；4_尖端狀結(jié)構(gòu)；5_截面為三角形的尖端狀結(jié)構(gòu)；6_金納米線陣列；7 -四棱錐納米點尖端狀結(jié)構(gòu)；8_銀納米點陣列。
具體實施例方式實施例I :
基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟
(一)ー維納米線物理襯底模板的制備
步驟ー取直徑為3inch、厚度為600 iim的圓片級硅片襯底1，采用熱氧化法在圓片級硅片襯底I的正面和背面均生長ー層厚度為300nm的SiO2掩膜層2 ；
步驟ニ 將圓片級硅片襯底I的正面進(jìn)行表面清潔處理后涂ー層正性光刻膠；選用直條陣列狀掩膜板，利用光刻エ藝，使圓片級硅片襯底I的正面上形成直條陣列狀光刻圖形；步驟三采用等離子體干法刻蝕方法將圓片級硅片襯底正面的SiO2掩膜層2的露出部分腐蝕掉；
步驟四采用濕法各向異性腐蝕方法將圓片級硅片襯底I放入腐蝕液中對圓片級硅片襯底I進(jìn)行刻蝕，從而將圓片級硅片襯底I的正面上露出部分腐蝕掉并將圓片級硅片襯底I頂部與直條陣列狀光刻圖形接觸的部分腐蝕成截面為三角形的尖端狀結(jié)構(gòu)5 ;其中腐蝕液是由質(zhì)量百分比為KOH IPA H20=23% 14% 63%混合而成；
步驟五將圓片級硅片襯底I放入與正性光刻膠配套的剝離液中反應(yīng)，從而去除圓片級硅片襯底I正面的直條陣列狀光刻圖形；
步驟六將圓片級硅片襯底I放入由體積百分比為HF: H2O=I:5混合而成的氫氟酸溶液中去除圓片級硅片襯底I正面和背面的SiO2掩膜層2，從而得到帶有截面為三角形的尖端狀結(jié)構(gòu)5的ー維納米線物理襯底模板；如圖10所示；(ニ)、將ー維納米線物理襯底模板放在內(nèi)設(shè)金靶材的磁控濺射儀的目標(biāo)靶上，將磁控濺射儀內(nèi)通入惰性氣體氬氣，惰性氣體電離后轟擊金靶材從而使脫離金靶材的金納米顆粒進(jìn)行合成后淀積到ー維納米線物理襯底模板上，在靜電場奇點效應(yīng)下合成的金納米顆粒有序緊湊的沉積到截面為三角形的尖端狀結(jié)構(gòu)5的尖端上從而得到一層金納米線陣列6 ；(三)將ー維納米線物理襯底模板進(jìn)行退火エ藝，從而得到圓片級低維納米結(jié)構(gòu)。使用時將上述制得的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割分塊，得到如圖11所示的小面積低維納米結(jié)構(gòu)單元，以便應(yīng)用到MEMS器件中，從而實現(xiàn)真正的工程化應(yīng)用。

實施例2:
基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟
(一)零維納米點物理襯底模板的制備
步驟ー取直徑為6inch、厚度為300 iim的圓片級硅片襯底1，采用熱氧化法在圓片級硅片襯底I的正面和背面均生長ー層厚度為500nm的SiO2掩膜層2 ；
步驟ニ 將圓片級硅片襯底I的正面進(jìn)行表面清潔處理后涂ー層正性光刻膠；選用方塊陣列掩膜板，利用光刻エ藝，使圓片級硅片襯底I的正面上形成方塊陣列狀光刻圖形；步驟三采用等離子體干法刻蝕方法將圓片級硅片襯底I正面的SiO2掩膜層2的露出部分腐蝕掉；
步驟四采用濕法各向異性腐蝕方法將圓片級硅片襯底I放入腐蝕液中對圓片級硅片襯底I進(jìn)行刻蝕，從而將圓片級硅片襯底I的正面上露出部分腐蝕掉并將圓片級硅片襯底I頂部與方塊陣列狀光刻圖形接觸的部分腐蝕成四棱錐納米點尖端狀結(jié)構(gòu)7 ;其中腐蝕液是由質(zhì)量百分比為KOH IPA H20=23% 14% 63%混合而成；
步驟五將圓片級硅片襯底I放入與正性光刻膠配套的剝離液中反應(yīng)，從而去除圓片級硅片襯底I正面的方塊陣列狀光刻圖形；
步驟六將圓片級硅片襯底I放入由體積百分比為HF: H2O=I:5混合而成的氫氟酸溶液中去除圓片級硅片襯底I正面和背面的SiO2掩膜層2，從而得到帶有四棱錐納米點尖端狀結(jié)構(gòu)7的零維納米點物理襯底模板；如圖12所示；
(ニ)將零維納米點物理襯底模板放在內(nèi)設(shè)銀靶材的磁控濺射儀的目標(biāo)靶上，將磁控濺射儀內(nèi)通入惰性氣體氬氣，惰性氣體電離后轟擊銀靶材從而使脫離銀靶材的銀納米顆粒進(jìn)行合成后淀積到零維納米點物理襯底模板上，在靜電場奇點效應(yīng)下合成的銀納米顆粒有序緊湊的沉積到四棱錐納米點尖端狀結(jié)構(gòu)7的尖端上從而得到一層銀納米點陣列8 ；
(三)將零維納米點物理襯底模板進(jìn)行退火エ藝，從而得到圓片級低維納米結(jié)構(gòu)。使用時將上述制得的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割分塊，得到如圖13所示的小面積低維納米結(jié)構(gòu)單元，以便應(yīng)用到MEMS器件中，從而實現(xiàn)真正的工程化應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (一)、低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板的制備 步驟一取直徑為3inch 6inch、厚度為300 600 μ m的圓片級娃片襯底(I),采用熱氧化法在圓片級硅片襯底(I)的正面和背面均生長一層厚度為300nm 500nm的SiO2掩膜層(2); 步驟二 將圓片級硅片襯底(I)的正面進(jìn)行表面清潔處理后涂一層正性光刻膠；利用光刻工藝，使圓片級硅片襯底(I)的正面上得到與掩膜板上形狀相同的光刻圖形(3)； 步驟三采用等離子體干法刻蝕方法將圓片級硅片襯底(I)正面的SiO2掩膜層(2)的露出部分腐蝕掉； 步驟四采用濕法各向異性腐蝕方法將圓片級硅片襯底(I)放入腐蝕液中對圓片級硅片襯底(I)進(jìn)行刻蝕，從而將圓片級硅片襯底(I)的正面上露出部分腐蝕掉并將圓片級硅片襯底(I)頂部與光刻圖形(3 )接觸的部分腐蝕成尖端狀結(jié)構(gòu)(4 );其中腐蝕液是由質(zhì)量百分比為 KOH IPA H20=23% :14% :63% 混合而成； 步驟五將圓片級硅片襯底(I)放入與正性光刻膠配套的剝離液中反應(yīng)，從而去除圓片級硅片襯底(I)正面的光刻圖形(3)； 步驟六將圓片級硅片襯底(I)放入由體積百分比為HF: H2O=I: 5混合而成的氫氟酸溶液中去除圓片級硅片襯底(I)正面和背面的SiO2掩膜層(2)，從而得到帶有尖端狀結(jié)構(gòu)(4)的低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板； (二 )、將低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板放在內(nèi)設(shè)貴金屬靶材的磁控濺射儀的目標(biāo)靶上，將磁控濺射儀內(nèi)通入惰性氣體氬氣，惰性氣體電離后轟擊貴金屬靶材從而使脫離貴金屬靶材的貴金屬納米顆粒進(jìn)行合成后淀積到低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板上，在靜電場奇點效應(yīng)下合成的貴金屬納米顆粒有序緊湊的沉積到尖端狀結(jié)構(gòu)(4)的尖端上從而得到一層貴金屬薄膜； (三)、將低維納米結(jié)構(gòu)物理襯底模板進(jìn)行退火工藝，從而最終得到圓片級低維納米結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于靜電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述磁控派射儀采用Qprep400-BASE型納米團(tuán)簇沉積系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法，解決了現(xiàn)有有序低維納米結(jié)構(gòu)只能小面積制造且成本高、污染嚴(yán)重的問題?；陟o電場奇點自聚焦的圓片級低維納米結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟首先在圓片級硅片襯底上通過光刻和刻蝕工藝得到低維納米結(jié)構(gòu)自組裝物理襯底模板；然后將其放在磁控濺射儀目標(biāo)靶上，合成的貴金屬納米顆粒自動沉積到尖端結(jié)構(gòu)上得到貴金屬薄膜；最后進(jìn)行退火工藝。本發(fā)明所述的制備方法利用合成的納米顆粒，依托傳統(tǒng)的MEMS加工工藝制備，得到了低成本、零污染、圓片級大面積、高可靠性和高度有序的低維納米材料結(jié)構(gòu)；可廣泛適用于有序低維納米結(jié)構(gòu)的大面積制造。
文檔編號B82Y40/00GK102765695SQ20121027597
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者劉俊, 唐軍, 張文棟, 柴鵬蘭, 溫?zé)w, 石云波, 翟超, 薛晨陽 申請人:中北大學(xué)