一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法及装置与流程

本发明涉及金属辅助化学刻蚀加工技术领域，具体涉及一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法及装置。

背景技术：

随着金属辅助化学刻蚀硅纳米结构技术的发展，通过该方法制造的硅纳米结构在太阳能转换、热能转换、储能、生化传感器以及仿生超疏水等领域的应用取得了重大进步。特别地，硅纳米孔在dna测序技术领域有着重要的应用前景。金属辅助化学刻蚀技术的加工精度极高，可在硅衬底上制造纳米级的硅纳米线和硅纳米孔；此外，通过更换刻蚀剂多次刻蚀以及改变刻蚀剂的成分还可制造出曲折或呈锯齿形的硅纳米线，因此越来越多的学者、科学家投身于金属辅助化学刻蚀技术的研究。目前，金属辅助化学刻蚀硅纳米阵列结构方面的研究已经较为成熟，但对于刻蚀可控离散型图案的硅纳米结构方面的研究还存在不少挑战，如具有离散型图案的金属颗粒沉积较难、可控性差等。因此，亟需提出新的方法将离散型图案的金属纳米粒子沉积在硅衬底的表面上，以实现金属辅助化学刻蚀具有离散型图案的硅纳米结构。

目前，在金属辅助化学刻蚀过程中，金属纳米粒子的沉积方法主要包括热蒸发、溅射、电子束蒸发、无电沉积、电极沉积、聚焦离子束辅助沉积、或通过其他方法旋涂颗粒。其中，由于真空物理类型的沉积方法，如热蒸发、溅射和电子束蒸发，更容易地控制所得贵金属膜的形态，可以在硅衬底上获得图案化的金属颗粒排布。但通过这些方法获得的图案化金属纳米粒子排布紧密，不能实现离散分布；并且沉积位置可控性较差。此外，中国专利cn106006546a提出了一种转移和控制纳米结构的方法，可应用于金属辅助化学刻蚀的金属沉积，帮助构筑各种二维、三维甚至异质结构，但该方法是对已完成沉积的非离散型图案纳米结构进行转移，依旧没有解决离散型图案的直接沉积；另，中国专利cn106430084b提出了一种单个微纳米结构转移装置及其转移方法，该发明通过具有周期性凸起平台和坐标标记的微纳结构中转基片，配合显微镜实时观察以及原位操纵微纳操纵器，实现单个微纳米结构的精确定点转移，该装置可实现离散型图案的金属颗粒沉积，但其转移定位精度为1微米，并且装置复杂，成本较高，实现难度较大。

为此，亟需提出一种新方法，在金属辅助化学刻蚀过程中实现具有离散型图案的金属纳米粒子沉积到硅衬底上的同时，能够达到较高的定位精度，并且成本较低，易于实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种定位精度高、易于实现的金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法及装置。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法，包括如下步骤：

步骤一，清洗受体基底和供体基底；

步骤二，在所述供体基底表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷层，自然固化；

步骤三，稀释金属纳米粒子溶液，并旋涂在聚二甲基硅氧烷层上，自然干燥；

步骤四，在激光束关闭的情况下，将目标金属纳米粒子移动到激光焦点下方，同时将受体基底目标沉积位置移动到激光束焦点上方；

步骤五，通过聚焦激光束照射金属纳米粒子，使金属纳米粒子从供体基底释放并转移到受体基底上；

步骤六，将下一个待转移目标金属纳米粒子移动到激光焦点下，同时将受体基底移动到下一个目标待沉积位置，重复步骤五；

步骤七，重复步骤六，最终将具有离散型图案的金属纳米颗粒沉积到受体基底上。

更进一步的说明，所述步骤一中选取一块玻璃盖玻片作为供体基底和一块硅片作为受体基底，分别使用无水乙醇、去离子水超声清洗，用氮气吹干表面。

更进一步的说明，所述步骤二中用移液枪取pdms固化混合剂滴于在步骤一的供体基底上，用匀胶机旋涂均匀，取下供体基底在干燥、洁净环境中自然固化，得到一层柔软的、薄的聚二甲基硅氧烷层。

更进一步的说明，所述步骤三中用移液枪取稀释金属纳米粒子分散液滴于步骤三的供体基底的聚二甲基硅氧烷层上，用匀胶机旋涂后取下供体基底并自然干燥。

更进一步的说明，所述步骤四中通过光学系统中的ccd成像系统在计算机显示器上的成像情况以及计算机辅助控制纳米定位平台将目标金属纳米粒子、受体基底目标沉积位置移动到激光焦点上，调整激光束焦点进一步使目标金属纳米粒子在焦点下方、受体基底目标沉积位置移动到激光束焦点上方。

更进一步的说明，所述步骤五中连续波激光器的工作波长选取在1064纳米，功率为100mw/μm2。

使用一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法的装置，包括计算机、受体纳米定位平台、供体纳米定位平台和光学系统；所述计算机与所述受体纳米定位平台、供体纳米定位平台和光学系统通过通信网络连接；所述受体纳米定位平台上设有受体基底，所述供体纳米定位平台上设有供体基底，所述受体基底和供体基底涂布原料的一面相向设置，所述光学系统照射所述供体基底未涂布原料的一面。

更进一步的说明，所述光学系统中包括连续波激光器、柔性聚焦透镜组、液晶光学快门、四分之一波片、二向色镜、油浸物镜、聚光透镜、管透镜、分束器、灯泡、第一ccd成像系统和第二ccd成像系统；所述连续波激光器、柔性聚焦透镜组、液晶光学快门、四分之一波片、二向色镜和油浸物镜形成第一光路；所述管透镜和分束器形成第二光路；

所述柔性聚焦透镜组、液晶光学快门和四分之一波片顺次设置在所述连续波激光器前；所述油浸物镜和灯泡设置在所述供体基底的一侧；所述二向色镜设置在所述油浸物镜和所述连续波激光器的光路的交点处；所述管透镜和分束器设置在所述第一ccd成像系统和第二ccd成像系统之前。

本发明的有益效果：本方法能够将单个纳米级金属颗粒转移到硅衬底上，并且具有较高的定位精度，实现在硅衬底上排布具有离散型图案的金属纳米粒子，但成本较低，易于实现；通过金属辅助化学刻蚀方法刻蚀具有离散型图案金属纳米粒子的硅衬底，实现硅衬底上刻蚀离散型图案硅纳米孔结构，在基于纳米孔的dna测序技术领域具有深刻的应用意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一个实施例的受体基底和供体基底的示意图；

图2是本发明的一个实施例的供体基底涂布聚二甲基硅氧烷层的示意图；

图3是本发明的一个实施例的供体基底涂布金属纳米颗粒的示意图；

图4是本发明的一个实施例的整体结构示意图；

图5是本发明的一个实施例的工作状态示意图；

图6是本发明的一个实施例的生产成品示意图。

其中：101、受体基底；102、供体基底；201、聚二甲基硅氧烷层；301、金属纳米颗粒；401、受体基底纳米定位平台；402、供体基底纳米定位平台；403、聚光透镜；404、灯泡；405、油浸物镜；406、二向色镜；407、管透镜；408、连续波激光器；409、柔性聚焦透镜组；410、液晶光学快门；411、四分之一波片；412、分束器；413、供体基底ccd成像系统；414、受体基底ccd成像锡系统；415、供体基底表面成像；416、受体基底表面成像。

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。

如图1-图6所示，一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，清洗受体基底和供体基底；

步骤二，在所述供体基底表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷层，自然固化；

步骤三，稀释金属纳米粒子溶液，并旋涂在聚二甲基硅氧烷层上，自然干燥；

步骤四，在激光束关闭的情况下，将目标金属纳米粒子移动到激光焦点下方，同时将受体基底目标沉积位置移动到激光束焦点上方；

步骤五，通过聚焦激光束照射金属纳米粒子，使金属纳米粒子从供体基底释放并转移到受体基底上；

步骤六，将下一个待转移目标金属纳米粒子移动到激光焦点下，同时将受体基底移动到下一个目标待沉积位置，重复步骤五；

步骤七，重复步骤六，最终将具有离散型图案的金属纳米颗粒沉积到受体基底上。

采用激光热效应的方法，将供体基底上的金属纳米粒子加热，使得供体基底受热膨胀，金属纳米粒子推送到受体基底上。首先将稀释的金属纳米粒子溶液旋涂在供体基底(玻璃盖玻片上的聚二甲基硅氧烷层(pdms))上，通过自然干燥，使金属纳米粒子沉积在供体基底上，金属纳米粒子通过范德瓦尔斯引力附着在其上；使用一个连续波激光器(工作在1064纳米波长)和一个油浸物镜来聚焦激光束，当金属纳米粒子被聚焦激光束照射，它吸收激光能量并加热其下方的供体基底，这导致供体基底快速热膨胀。在供体基底变形的早期阶段，金属纳米粒子与膨胀的基底一起移动。在达到稳态温度之前，金属纳米粒子的速度随着供体基底膨胀率的增加而继续上升。最终，基底的热膨胀速率以及纳米粒子的速度达到峰值。然后，供体基底的热膨胀速率开始降低，但由于惯性，金属纳米粒子倾向于以恒定的速度向上移动。由于激光聚焦在金属纳米粒子上方几百纳米处，金属纳米粒子上的光学轴向力首先向上，帮助金属纳米粒子释放，然后方向改变为向下。金属纳米粒子上的空气阻力总是反对金属纳米粒子运动，使金属纳米粒子减速。当金属纳米粒子接近接受体基底时，金属纳米粒子和受体基底之间的范德华力变得很大。因此，金属纳米粒子被吸引向受体基底，并最终沉积在其上。供体基底的温度在金属纳米粒子从供体基底释放后下降，由于其高弹性最终返回到其正常状态。

更进一步的说明，所述步骤一中选取一块玻璃盖玻片作为供体基底和一块硅片作为受体基底，分别使用无水乙醇、去离子水超声清洗，用氮气吹干表面。

由于金属辅助化学刻蚀针对的是半导体材料，特别是单晶硅，本申请针对金属辅助化学刻蚀提出的，故受体基底采用硅片

更进一步的说明，所述步骤二中用移液枪取pdms固化混合剂滴于在步骤一的供体基底上，用匀胶机旋涂均匀，取下供体基底在干燥、洁净环境中自然固化，得到一层柔软的、薄的聚二甲基硅氧烷层。

具体的，pdms固化混合剂用量2ml，均匀旋涂，厚度控制在1微米以内；金属纳米颗粒控制在50nm以内；原因是由于pdms的受热膨胀产生的力有限，并且过大的金属颗粒其运动规律不可控可能性增大。

更进一步的说明，所述步骤三中用移液枪取稀释金属纳米粒子分散液滴于步骤三的供体基底的聚二甲基硅氧烷层上，用匀胶机旋涂后取下供体基底并自然干燥。

所述步骤四中通过光学系统中的ccd成像系统在计算机显示器上的成像情况以及计算机辅助控制纳米定位平台将目标金属纳米粒子、受体基底目标沉积位置移动到激光焦点上，调整激光束焦点进一步使目标金属纳米粒子在焦点下方、受体基底目标沉积位置移动到激光束焦点上方。

借助ccd成像系统，通过精确定位，将供体的金属纳米粒子转移到受体上，实现了金属纳米粒子的定点转移。

更进一步的说明，所述步骤五中连续波激光器的工作波长选取在1064纳米，功率为100mw/μm2。

1064纳米的激光是整个系统工作的最佳值。

使用一种金属辅助化学刻蚀离散型硅纳米孔图案的方法的装置，包括计算机、受体纳米定位平台401、供体纳米定位平台402和光学系统；所述计算机与所述受体纳米定位平台401、供体纳米定位平台402和光学系统通过通信网络连接；所述受体纳米定位平台401上设有受体基底101，所述供体纳米定位平台402上设有供体基底102，所述受体基底101和供体基底102涂布原料的一面相向设置，所述光学系统照射所述供体基底102未涂布原料的一面。供体基底102上涂布有聚二甲基硅氧烷层201，聚二甲基硅氧烷层201上旋涂有金属纳米粒子301。

更进一步的说明，所述光学系统中包括连续波激光器408、柔性聚焦透镜组409、液晶光学快门410、四分之一波片411、二向色镜406、油浸物镜405、聚光透镜403、管透镜407、分束器412、灯泡404、第一ccd成像系统413和第二ccd成像系统414；所述连续波激光器408、柔性聚焦透镜组409、液晶光学快门410、四分之一波片411、二向色镜406和油浸物镜405形成第一光路；所述管透镜407和分束器412形成第二光路；

所述柔性聚焦透镜组409、液晶光学快门410和四分之一波片411顺次设置在所述连续波激光器408前；所述油浸物镜405和灯泡404设置在所述供体基底102的一侧；所述二向色镜406设置在所述油浸物镜405和所述连续波激光器408的光路的交点处；所述管透镜407和分束器412设置在所述第一ccd成像系统413和第二ccd成像414系统之前。

所述光学系统搭载在所述的纳米定位平台上，控制过程通过第一ccd成像系统413和第二第一ccd成像系统414进行观察，重复操作以达到离散型的金属纳米粒子301图案化沉积。在光学系统中，连续波激光器408发出激光，通过柔性聚焦透镜组409、液晶光学快门410、四分之一波片411、二向色镜406、油浸物镜405，最终聚焦到目标金属纳米粒子301的上方，对目标金属纳米粒子301进行加热；同时，通过管透镜407、分束器412实现激光照射过程中供体基底102与受体基底101情况在第一ccd成像系统413和第二第一ccd成像系统414成像系统，并在计算机上观察到供体基底表面成像415和受体基底表面成像416。通过普通灯泡404和聚焦透镜403实现非激光照射过程中供体基底与受体基底情况在第一ccd成像系统413和第二ccd成像系统414中的观察。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。