一種可控金屬納米顆粒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可控金屬納米顆粒的制作方法。屬于納米材料制備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于金屬納米顆粒的尺寸小，比表面積大，使其在光學(xué)、化學(xué)催化、生化檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。其中，金屬因具有良好的電學(xué)特性和優(yōu)異的熱傳遞性能，使得金屬在微電子領(lǐng)域的受到格外的關(guān)注。令人興奮的是納米銅能夠在400°C下催化娃納米線(xiàn)的生長(zhǎng)，易與CMOS工藝兼容。(Vincent T.Renard, Michael Jublot,等“Catalyst preparat1n for CMOS-compatible silicon nanowire synthesis，，Naturtenanotechnology, 4(2009)，654-657。文中20nm厚銅在低氧的條件下被氧化，得到氧化亞銅，氧化亞銅與硅烷反應(yīng)產(chǎn)生銅硅化合物，該化合物能在較低的溫度條件下與硅烷反應(yīng)生長(zhǎng)娃納米線(xiàn))這種與CMOS工藝兼容新型娃納米制作方法，給微納傳感器的制作帶來(lái)了極為可貴的啟發(fā)，具有重要的意義。
[0003]目前，制造各種金屬納米顆粒的傳統(tǒng)法有機(jī)械研磨法、噴霧法、溶膠-凝膠發(fā)、電沉積以及微乳法。這些傳統(tǒng)方法存在納米顆粒尺寸不易控制、成本高或者制造工藝復(fù)雜等缺陷。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新制作方法逐漸提出，提升了制作納米顆粒的可控性、降低了制作成本。如三星電機(jī)株式會(huì)社混合銅前驅(qū)(硝酸金屬、乙酸金屬、乙二胺金屬等)和胺化合物，加熱條件下反應(yīng)，經(jīng)醇溶劑沉淀獲得納米銅顆粒(中國(guó)專(zhuān)利200710145582.2)。如張彤等提出的通過(guò)金膜退火制備金納米顆粒的方法(參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201210270560.X，申請(qǐng)公布號(hào)CN 102806354 A)，是濺射或蒸發(fā)一層金薄膜，然后通過(guò)350?600°C下退火30?120分鐘，制備金納米顆粒。這種方法制備的納米顆粒的特點(diǎn)是，形貌比較良好、納米球尺寸分布比較均勻。但是不能實(shí)現(xiàn)金納米顆粒的圖形化。韓國(guó)專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)10-2005-35606)提出使用CVD前體設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)銅前體后，用熱分解技術(shù)制備銅納米顆粒，該方法可以在低于200°C的條件下制作出銅納米顆粒，比采用退火金屬納米薄膜的物理方法優(yōu)越。但是，該方法需要設(shè)計(jì)前體，成本高。中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研宄所的周有福等人，以鹵化鈉為礦化劑，以葡萄糖為還原劑，一價(jià)金屬離子在水熱條件下還原反應(yīng)生成銅納米顆粒。(參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201110257946.2公開(kāi)號(hào):CN 102962468 A)。再如華東師范大學(xué)的林和春和褚君浩，采用半固相的合成方法，將二價(jià)金屬鹽、還原劑、穩(wěn)定劑及水混合得到均勻的混合物，采用微波熱的方法，快速合成得到銅納米顆粒(參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201110355856.公開(kāi)號(hào):CN 102407343 A)。
[0004]在納米探針制造領(lǐng)域，納米線(xiàn)探針的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)工藝很難制備出尖銳度高的納米探針的難題。但是也遇到了新的困難，即輔助納米線(xiàn)生長(zhǎng)的催化劑位置和尺寸需要控制。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司的G-M ?科昂等人提出一種通過(guò)納米線(xiàn)生長(zhǎng)的單片高縱橫比納米尺寸掃描探針顯微鏡(SPM)尖端。該方法制造工藝繁瑣，同時(shí)生長(zhǎng)出的納米線(xiàn)數(shù)量較多，需要特殊處理才能最終實(shí)現(xiàn)納米線(xiàn)探針。因此，實(shí)現(xiàn)位置、尺寸可控的金屬納米顆粒制備在納米線(xiàn)探針制造領(lǐng)域具有重要的意義。
[0005]采用化學(xué)反應(yīng)的方法或者物理方法得到的金屬納米顆粒以液體懸浮液或者粉體的形式存在，限制了金屬納米顆粒作為催化劑在定點(diǎn)、可控納米材料生長(zhǎng)領(lǐng)域的使用。同時(shí)采用退火的方法亦不能實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒作為催化劑在定點(diǎn)可控納米材料生長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，需要解決金屬納米顆粒的尺寸可控、位置可控的制造難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種與CMOS技術(shù)相兼容的可控金屬納米顆粒的制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在特定位置制作尺寸可控的金屬納米顆粒的問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種可控金屬納米顆粒的制作方法，所述制作方法至少包括步驟:
[0008]I)提供一包括基體和頂絕緣層的基板；
[0009]2)在頂絕緣層上方沉積金屬納米薄膜；
[0010]3)采用光刻和刻蝕的方法得到微米金屬圖形；
[0011 ] 4)采用聚焦離子束輻照的方法，刻蝕金屬的同時(shí)得到位置和尺寸都可控的金屬納米顆粒。
[0012]可選地，所述步驟I)中的基體材料為硅、鍺或鍺硅，頂絕緣層的材料為氧化硅、氮化硅、氧化鋁或者二氧化鉿。
[0013]可選地，所述頂絕緣層的厚度范圍為50?800nm。
[0014]可選地，所述步驟2)中采用磁控濺射或者蒸鍍的方法在頂絕緣層上方沉積一層或者多層金屬納米薄膜，金屬納米薄膜的厚度范圍為10?600nm。金屬薄膜材料可以為銅、鋁、金、鉑、鉻、鈦、鎳或者是由這些金屬組成的復(fù)合納米膜，以及化合物的金屬納米薄膜。金屬納米薄膜層數(shù)不限，只要總厚度在10?600nm范圍即可。
[0015]可選地，所述步驟2)中采用光刻和刻蝕的方法制作的金屬微米圖形尺寸范圍為(0.1?200 μ m)* (0.1?200 μ m)?？梢允堑葟匠叽?，也可以是不等經(jīng)尺寸，在所述的范圍內(nèi)均可。
[0016]可選地，所述步驟3)采用離子束輻照的工作電壓為30keV，離子電流范圍為1.1pA?7nA,車(chē)■照時(shí)間為1s?200s。
[0017]可選地，所述步驟3)中的離子束福照得到的金屬納米顆粒尺寸范圍為:10nm?200nmo
[0018]如上所述，本發(fā)明的可控金屬納米顆粒的制作方法，包括步驟:首先提供一包括基體和頂絕緣層的基板；然后在頂絕緣層上方沉積金屬納米薄膜；接著采用光刻和刻蝕的方法得到微米金屬圖形；最后采用聚焦離子束輻照的方法，刻蝕金屬的同時(shí)得到尺寸可控的金屬納米顆粒。
[0019]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]1、金屬納米顆粒的位置得到精確控制。本發(fā)明中采用聚焦離子束輻照微米金屬圖形，得到金屬納米顆粒。聚焦離子束輻照位置是通過(guò)控制微米金屬圖形，以及聚焦離子束的聚焦位置便實(shí)現(xiàn)精確控制。微米金屬圖形提供粗對(duì)準(zhǔn)，聚焦離子束的聚焦位置則能實(shí)現(xiàn)在納米級(jí)別的精確對(duì)準(zhǔn)，因此，在本發(fā)明中，金屬納米顆粒的位置能夠得到精確的控制。此外，聚焦離子束輻照范圍是可以通過(guò)聚焦離子束工作時(shí)的放大倍率調(diào)節(jié)。
[0021]2、金屬納米顆粒的尺寸得到精確控制。本發(fā)明中通過(guò)調(diào)節(jié)微米金屬厚度、聚焦離子電流大小、聚焦離子束束斑大小、接受聚焦離子束輻照的時(shí)間，以及基板溫度五個(gè)參數(shù)來(lái)控制金屬納米顆粒的尺寸。因此，金屬納米顆粒的尺寸能夠得到精確的控制。
[0022]3、本發(fā)明與CMOS技術(shù)兼容，制備周期短、效率高。采用CMOS技術(shù)制作出微米金屬圖形，同時(shí)采用聚焦離子束輻照微米金屬圖形，整個(gè)過(guò)程時(shí)間短，效率高。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法的工藝流程圖。
[0024]圖2顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法的步驟I)之前的基體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法步驟I)中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4?顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法步驟2)中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖5顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法步驟3)中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖6顯示為本發(fā)明可控金屬納米顆粒的制作方法步驟4)中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7顯示為本發(fā)明實(shí)施例制作出的可控金屬納米顆粒電子顯微鏡圖。
[0030]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0031]SI ?S4步驟
[0032]I基板
[0033]10基體
[0034]11頂絕緣層
[0035]2金屬納米薄膜
[0036]21微米金屬圖形
[0037]22金屬納米顆粒
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀(guān)點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0039]請(qǐng)參閱附圖1至圖7。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可