一种可控金属纳米颗粒的制作方法
一种可控金属纳米颗粒的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可控金属纳米颗粒的制作方法。属于纳米材料制备与应用技术领域。
【背景技术】
[0002]由于金属纳米颗粒的尺寸小，比表面积大，使其在光学、化学催化、生化检测等领域得到了广泛的使用。其中，金属因具有良好的电学特性和优异的热传递性能，使得金属在微电子领域的受到格外的关注。令人兴奋的是纳米铜能够在400°C下催化娃纳米线的生长，易与CMOS工艺兼容。(Vincent T.Renard, Michael Jublot,等“Catalyst preparat1n for CMOS-compatible silicon nanowire synthesis，，Naturtenanotechnology, 4(2009)，654-657。文中20nm厚铜在低氧的条件下被氧化，得到氧化亚铜，氧化亚铜与硅烷反应产生铜硅化合物，该化合物能在较低的温度条件下与硅烷反应生长娃纳米线)这种与CMOS工艺兼容新型娃纳米制作方法，给微纳传感器的制作带来了极为可贵的启发，具有重要的意义。
[0003]目前，制造各种金属纳米颗粒的传统法有机械研磨法、喷雾法、溶胶-凝胶发、电沉积以及微乳法。这些传统方法存在纳米颗粒尺寸不易控制、成本高或者制造工艺复杂等缺陷。随着技术的发展，一些新制作方法逐渐提出，提升了制作纳米颗粒的可控性、降低了制作成本。如三星电机株式会社混合铜前驱(硝酸金属、乙酸金属、乙二胺金属等)和胺化合物，加热条件下反应，经醇溶剂沉淀获得纳米铜颗粒(中国专利200710145582.2)。如张彤等提出的通过金膜退火制备金纳米颗粒的方法(参见中国专利申请号:201210270560.X，申请公布号CN 102806354 A)，是溅射或蒸发一层金薄膜，然后通过350?600°C下退火30?120分钟，制备金纳米颗粒。这种方法制备的纳米颗粒的特点是，形貌比较良好、纳米球尺寸分布比较均匀。但是不能实现金纳米颗粒的图形化。韩国专利(专利号10-2005-35606)提出使用CVD前体设计技术来设计铜前体后，用热分解技术制备铜纳米颗粒，该方法可以在低于200°C的条件下制作出铜纳米颗粒，比采用退火金属纳米薄膜的物理方法优越。但是，该方法需要设计前体，成本高。中国科学院福建物质结构研宄所的周有福等人，以卤化钠为矿化剂，以葡萄糖为还原剂，一价金属离子在水热条件下还原反应生成铜纳米颗粒。(参见中国专利申请号:201110257946.2公开号:CN 102962468 A)。再如华东师范大学的林和春和褚君浩，采用半固相的合成方法，将二价金属盐、还原剂、稳定剂及水混合得到均匀的混合物，采用微波热的方法，快速合成得到铜纳米颗粒(参见中国专利申请号:201110355856.公开号:CN 102407343 A)。
[0004]在纳米探针制造领域，纳米线探针的出现解决了传统工艺很难制备出尖锐度高的纳米探针的难题。但是也遇到了新的困难，即辅助纳米线生长的催化剂位置和尺寸需要控制。国际商业机器公司的G-M ?科昂等人提出一种通过纳米线生长的单片高纵横比纳米尺寸扫描探针显微镜(SPM)尖端。该方法制造工艺繁琐，同时生长出的纳米线数量较多，需要特殊处理才能最终实现纳米线探针。因此，实现位置、尺寸可控的金属纳米颗粒制备在纳米线探针制造领域具有重要的意义。
[0005]采用化学反应的方法或者物理方法得到的金属纳米颗粒以液体悬浮液或者粉体的形式存在，限制了金属纳米颗粒作为催化剂在定点、可控纳米材料生长领域的使用。同时采用退火的方法亦不能实现。因此，实现金属纳米颗粒作为催化剂在定点可控纳米材料生长领域的应用，需要解决金属纳米颗粒的尺寸可控、位置可控的制造难题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种与CMOS技术相兼容的可控金属纳米颗粒的制作方法，用于解决现有技术无法实现在特定位置制作尺寸可控的金属纳米颗粒的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可控金属纳米颗粒的制作方法，所述制作方法至少包括步骤:
[0008]I)提供一包括基体和顶绝缘层的基板；
[0009]2)在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；
[0010]3)采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；
[0011 ] 4)采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到位置和尺寸都可控的金属纳米颗粒。
[0012]可选地，所述步骤I)中的基体材料为硅、锗或锗硅，顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。
[0013]可选地，所述顶绝缘层的厚度范围为50?800nm。
[0014]可选地，所述步骤2)中采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm。金属薄膜材料可以为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜。金属纳米薄膜层数不限，只要总厚度在10?600nm范围即可。
[0015]可选地，所述步骤2)中采用光刻和刻蚀的方法制作的金属微米图形尺寸范围为(0.1?200 μ m)* (0.1?200 μ m)。可以是等径尺寸，也可以是不等经尺寸，在所述的范围内均可。
[0016]可选地，所述步骤3)采用离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA,车■照时间为1s?200s。
[0017]可选地，所述步骤3)中的离子束福照得到的金属纳米颗粒尺寸范围为:10nm?200nmo
[0018]如上所述，本发明的可控金属纳米颗粒的制作方法，包括步骤:首先提供一包括基体和顶绝缘层的基板；然后在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；接着采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；最后采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到尺寸可控的金属纳米颗粒。
[0019]本发明具有以下有益效果:
[0020]1、金属纳米颗粒的位置得到精确控制。本发明中采用聚焦离子束辐照微米金属图形，得到金属纳米颗粒。聚焦离子束辐照位置是通过控制微米金属图形，以及聚焦离子束的聚焦位置便实现精确控制。微米金属图形提供粗对准，聚焦离子束的聚焦位置则能实现在纳米级别的精确对准，因此，在本发明中，金属纳米颗粒的位置能够得到精确的控制。此外，聚焦离子束辐照范围是可以通过聚焦离子束工作时的放大倍率调节。
[0021]2、金属纳米颗粒的尺寸得到精确控制。本发明中通过调节微米金属厚度、聚焦离子电流大小、聚焦离子束束斑大小、接受聚焦离子束辐照的时间，以及基板温度五个参数来控制金属纳米颗粒的尺寸。因此，金属纳米颗粒的尺寸能够得到精确的控制。
[0022]3、本发明与CMOS技术兼容，制备周期短、效率高。采用CMOS技术制作出微米金属图形，同时采用聚焦离子束辐照微米金属图形，整个过程时间短，效率高。
【附图说明】
[0023]图1显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法的工艺流程图。
[0024]图2显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法的步骤I)之前的基体的结构示意图。
[0025]图3显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤I)中呈现的结构示意图。
[0026]图4?显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤2)中呈现的结构示意图
[0027]图5显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤3)中呈现的结构示意图。
[0028]图6显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤4)中呈现的结构示意图。
[0029]图7显示为本发明实施例制作出的可控金属纳米颗粒电子显微镜图。
[0030]元件标号说明
[0031]SI ?S4步骤
[0032]I基板
[0033]10基体
[0034]11顶绝缘层
[0035]2金属纳米薄膜
[0036]21微米金属图形
[0037]22金属纳米颗粒
【具体实施方式】
[0038]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0039]请参阅附图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可 为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0040]如图1所示，本发明提供的一种可控金属纳米颗粒的制作方法，至少包括以下步骤:
[0041]SI，提供一包括基体和顶绝缘层的基板；
[0042]S2，在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；
[0043]S3，用光刻、刻蚀的方法制作微米金属图形；
[0044]S4，在利用聚焦离子束辐照金属微米图形，得到位置和尺寸可控的纳米金属颗粒；
[0045]下面结合具体附图对本发明可控金属纳米颗粒的制作方法作详细的介绍。
[0046]首先执行步骤SI，提供一包括基体10和顶绝缘层11的基板I。
[0047]请参阅附图2?图3，所述基体I包括位于所述基体I和基体10上的顶绝缘层11。即，所述基板I整体由基体10和位于所述基体10上的顶绝缘层11构成。
[0048]所述基体10可以是硅、锗或锗硅，在此不限。本实施例中，所述基体10为单晶硅。顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。作为示例，所述顶绝缘层11为氧化娃。所述顶绝缘层11的厚度可以在50?800nm范围内，本实施例中，所述顶绝缘层11的厚度暂选为300nm，当然，在其他实施例中，所述顶绝缘层11和底绝缘层12的厚度还可以是 50nm、200nm、500nm 或者 800nm 等。
[0049]需要说明的是，所述基板I是已经在上表面制作完成S12绝缘层的基体10，直接提供就可以为本发明所利用。
[0050]接着执行步骤S2，在所述顶绝缘层11上方沉积金属纳米薄膜2。
[0051]采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm。当然，也可以采用其他合适的工艺在所述顶绝缘层11表面形成金属纳米薄膜2，在此不限。金属薄膜材料可以为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜。在本实施例中，采用磁控溅射沉积厚度为200nm的铜，如图4所示。当然，在其他实施例中，金属纳米薄膜2的材料可以选择为铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属，厚度还可以制作为10nm、100nm、300nm、400nm、500nm或600nm种的任一种。
[0052]接着执行步骤S3，制作微米金属图形21。
[0053]在所述顶绝缘层11上方沉积金属纳米薄膜2后通过图形化处理和刻蚀工艺得到形状规则的微米金属图形21。本实施例中，采用光刻和等离子刻蚀(1n beam etching，RIE)工艺，具体过程为:在所述金属纳米薄膜2上涂敷光刻胶，之后通过光刻或者电子束光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用等离子刻蚀所述开口以下的金属纳米薄膜2形成微米金属图形21，如图5所示。
[0054]形成的微米金属图形21的尺寸范围为(0.1?200 μ m) X (0.1?200 μ m)。在本实施例中，所述微米金属图形21的尺寸为5 μηιΧ5 μπι。
[0055]需要说明的是，在其他实施例中，也可以通过光刻、溅射或者蒸镀工艺组成的剥离工艺实现形成微米金属图形21结构。具体地，在所述顶绝缘层11表面涂敷光刻胶后，通过紫外曝光、显影、清洗和甩干得到无光刻胶阵列图形；再通过溅射或者蒸镀工艺在光刻胶和无光刻胶区域制作金属纳米薄膜2，最后将整个基底置于丙酮溶液中浸泡，光刻胶和光刻胶表面的纳米金属薄膜2与基底分离，留下部分的纳米金属薄膜2形成微米金属图形21。
[0056]之后执行步骤S4，请参阅附图6，进行聚焦离子束辐照，所述微米金属图形21在聚焦离子束辐照过程中被刻蚀掉，同时在所述微米金属图形21位置得到所述金属纳米颗粒22。
[0057]具体地，将步骤S3获得的结构置于Focused 1n Beam(FIB)腔体内，然后抽真空。当腔体内的压强小于10_5pa时候，先通过微米铜图形实现粗对准，找到目标范围区域。开启离子束，并在离子束下进行聚焦并选择合适的放大倍率，得到所需要的辐照范围。最后进行聚焦离子束辐照。优选地，离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA，福照时间为1s?200s。得到的金属纳米颗粒尺寸范围在1nm?200nm内。
[0058]本实施例中，聚焦离子束辐照所述微米金属图形21过程中，离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为4.3nA，辐照时间为60s。而辐照过程中，所述微米金属图形21被刻蚀，同时在所述微米金属图形21位置得到所述金属纳米颗粒22。如图7所示为本实例中得到的所述金属纳米颗粒22尺寸在1nm?30nm范围内。
[0059]本发明中，除了金属纳米颗粒的位置能够得到控制，本发明可以通过微米金属厚度、聚焦离子电流大小、聚焦离子束束斑大小、接受聚焦离子束辐照的时间，以及基板温度五个参数来控制金属纳米颗粒的尺寸。
[0060]综上所述，本发明提供的一种可控金属纳米颗粒的制作方法，解决了传统方法中无法实现金属纳米颗粒的位置和尺寸可控的制造难题。实现了金属纳米颗粒在任意位置的可控制造。同时本发明采用聚焦离子束辐照微米金属图形，整个过程时间短，效率高。另外，本发明与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0061]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种可控金属纳米颗粒的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括: 1)提供一包括基体和顶绝缘层的基板； 2)在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜； 3)采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形； 4)采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到位置和尺寸都可控的金属纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤I)中的基体材料为硅、锗或锗硅，顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述步骤2)中: ①采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm ； ②金属纳米薄膜材料为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜； ③所述顶绝缘层的厚度范围为50?800nm。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于金属纳米薄膜层数不限，只是厚度在10?600nm范围即可。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述的金属纳米薄膜材料为Cu，厚度为 200nmo6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤3)中采用光刻和刻蚀的方法制作的金属微米图形尺寸范围为(0.1?200 μ m) X (0.1?200 μπι)，所述的金属微米金属图形尺寸不一定为等径尺寸。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)采用聚焦离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA，辐照时间为1s?200s。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于步骤3)所得到的微米金属图形提供粗对准，步骤4)实现纳米级别的精确对准。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)中的离子束辐照得到的金属纳米颗粒尺寸范围为1nm?200nm。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于: a)所述的光刻包括电子束光刻； b)所述的刻蚀包括等离子刻蚀工艺； c)所述的微米金属图形尺寸为5μmX5 μπι。
【专利摘要】本发明提供一种可控金属纳米颗粒的制作方法，包括：首先提供一包括基体和顶绝缘层的基板；然后在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；接着采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；最后采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到尺寸可控的金属纳米颗粒。本发明工艺简单、金属纳米颗粒的位置、尺寸可控、且效率高，与CMOS工艺的兼容使其有较好的扩展性，在催化剂、微电子领域、生化检测领域有着较广的使用前景。
【IPC分类】B22F9/04, B82Y40/00
【公开号】CN104889410
【申请号】CN201510136274
【发明人】李铁, 袁志山, 王辉
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月26日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可控金属纳米颗粒的制作方法。属于纳米材料制备与应用技术领域。
【背景技术】
[0002]由于金属纳米颗粒的尺寸小，比表面积大，使其在光学、化学催化、生化检测等领域得到了广泛的使用。其中，金属因具有良好的电学特性和优异的热传递性能，使得金属在微电子领域的受到格外的关注。令人兴奋的是纳米铜能够在400°C下催化娃纳米线的生长，易与CMOS工艺兼容。(Vincent T.Renard, Michael Jublot,等“Catalyst preparat1n for CMOS-compatible silicon nanowire synthesis，，Naturtenanotechnology, 4(2009)，654-657。文中20nm厚铜在低氧的条件下被氧化，得到氧化亚铜，氧化亚铜与硅烷反应产生铜硅化合物，该化合物能在较低的温度条件下与硅烷反应生长娃纳米线)这种与CMOS工艺兼容新型娃纳米制作方法，给微纳传感器的制作带来了极为可贵的启发，具有重要的意义。
[0003]目前，制造各种金属纳米颗粒的传统法有机械研磨法、喷雾法、溶胶-凝胶发、电沉积以及微乳法。这些传统方法存在纳米颗粒尺寸不易控制、成本高或者制造工艺复杂等缺陷。随着技术的发展，一些新制作方法逐渐提出，提升了制作纳米颗粒的可控性、降低了制作成本。如三星电机株式会社混合铜前驱(硝酸金属、乙酸金属、乙二胺金属等)和胺化合物，加热条件下反应，经醇溶剂沉淀获得纳米铜颗粒(中国专利200710145582.2)。如张彤等提出的通过金膜退火制备金纳米颗粒的方法(参见中国专利申请号:201210270560.X，申请公布号CN 102806354 A)，是溅射或蒸发一层金薄膜，然后通过350?600°C下退火30?120分钟，制备金纳米颗粒。这种方法制备的纳米颗粒的特点是，形貌比较良好、纳米球尺寸分布比较均匀。但是不能实现金纳米颗粒的图形化。韩国专利(专利号10-2005-35606)提出使用CVD前体设计技术来设计铜前体后，用热分解技术制备铜纳米颗粒，该方法可以在低于200°C的条件下制作出铜纳米颗粒，比采用退火金属纳米薄膜的物理方法优越。但是，该方法需要设计前体，成本高。中国科学院福建物质结构研宄所的周有福等人，以卤化钠为矿化剂，以葡萄糖为还原剂，一价金属离子在水热条件下还原反应生成铜纳米颗粒。(参见中国专利申请号:201110257946.2公开号:CN 102962468 A)。再如华东师范大学的林和春和褚君浩，采用半固相的合成方法，将二价金属盐、还原剂、稳定剂及水混合得到均匀的混合物，采用微波热的方法，快速合成得到铜纳米颗粒(参见中国专利申请号:201110355856.公开号:CN 102407343 A)。
[0004]在纳米探针制造领域，纳米线探针的出现解决了传统工艺很难制备出尖锐度高的纳米探针的难题。但是也遇到了新的困难，即辅助纳米线生长的催化剂位置和尺寸需要控制。国际商业机器公司的G-M ?科昂等人提出一种通过纳米线生长的单片高纵横比纳米尺寸扫描探针显微镜(SPM)尖端。该方法制造工艺繁琐，同时生长出的纳米线数量较多，需要特殊处理才能最终实现纳米线探针。因此，实现位置、尺寸可控的金属纳米颗粒制备在纳米线探针制造领域具有重要的意义。
[0005]采用化学反应的方法或者物理方法得到的金属纳米颗粒以液体悬浮液或者粉体的形式存在，限制了金属纳米颗粒作为催化剂在定点、可控纳米材料生长领域的使用。同时采用退火的方法亦不能实现。因此，实现金属纳米颗粒作为催化剂在定点可控纳米材料生长领域的应用，需要解决金属纳米颗粒的尺寸可控、位置可控的制造难题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种与CMOS技术相兼容的可控金属纳米颗粒的制作方法，用于解决现有技术无法实现在特定位置制作尺寸可控的金属纳米颗粒的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可控金属纳米颗粒的制作方法，所述制作方法至少包括步骤:
[0008]I)提供一包括基体和顶绝缘层的基板；
[0009]2)在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；
[0010]3)采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；
[0011 ] 4)采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到位置和尺寸都可控的金属纳米颗粒。
[0012]可选地，所述步骤I)中的基体材料为硅、锗或锗硅，顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。
[0013]可选地，所述顶绝缘层的厚度范围为50?800nm。
[0014]可选地，所述步骤2)中采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm。金属薄膜材料可以为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜。金属纳米薄膜层数不限，只要总厚度在10?600nm范围即可。
[0015]可选地，所述步骤2)中采用光刻和刻蚀的方法制作的金属微米图形尺寸范围为(0.1?200 μ m)* (0.1?200 μ m)。可以是等径尺寸，也可以是不等经尺寸，在所述的范围内均可。
[0016]可选地，所述步骤3)采用离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA,车■照时间为1s?200s。
[0017]可选地，所述步骤3)中的离子束福照得到的金属纳米颗粒尺寸范围为:10nm?200nmo
[0018]如上所述，本发明的可控金属纳米颗粒的制作方法，包括步骤:首先提供一包括基体和顶绝缘层的基板；然后在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；接着采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；最后采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到尺寸可控的金属纳米颗粒。
[0019]本发明具有以下有益效果:
[0020]1、金属纳米颗粒的位置得到精确控制。本发明中采用聚焦离子束辐照微米金属图形，得到金属纳米颗粒。聚焦离子束辐照位置是通过控制微米金属图形，以及聚焦离子束的聚焦位置便实现精确控制。微米金属图形提供粗对准，聚焦离子束的聚焦位置则能实现在纳米级别的精确对准，因此，在本发明中，金属纳米颗粒的位置能够得到精确的控制。此外，聚焦离子束辐照范围是可以通过聚焦离子束工作时的放大倍率调节。
[0021]2、金属纳米颗粒的尺寸得到精确控制。本发明中通过调节微米金属厚度、聚焦离子电流大小、聚焦离子束束斑大小、接受聚焦离子束辐照的时间，以及基板温度五个参数来控制金属纳米颗粒的尺寸。因此，金属纳米颗粒的尺寸能够得到精确的控制。
[0022]3、本发明与CMOS技术兼容，制备周期短、效率高。采用CMOS技术制作出微米金属图形，同时采用聚焦离子束辐照微米金属图形，整个过程时间短，效率高。
【附图说明】
[0023]图1显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法的工艺流程图。
[0024]图2显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法的步骤I)之前的基体的结构示意图。
[0025]图3显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤I)中呈现的结构示意图。
[0026]图4?显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤2)中呈现的结构示意图
[0027]图5显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤3)中呈现的结构示意图。
[0028]图6显示为本发明可控金属纳米颗粒的制作方法步骤4)中呈现的结构示意图。
[0029]图7显示为本发明实施例制作出的可控金属纳米颗粒电子显微镜图。
[0030]元件标号说明
[0031]SI ?S4步骤
[0032]I基板
[0033]10基体
[0034]11顶绝缘层
[0035]2金属纳米薄膜
[0036]21微米金属图形
[0037]22金属纳米颗粒
【具体实施方式】
[0038]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0039]请参阅附图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可 为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0040]如图1所示，本发明提供的一种可控金属纳米颗粒的制作方法，至少包括以下步骤:
[0041]SI，提供一包括基体和顶绝缘层的基板；
[0042]S2，在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；
[0043]S3，用光刻、刻蚀的方法制作微米金属图形；
[0044]S4，在利用聚焦离子束辐照金属微米图形，得到位置和尺寸可控的纳米金属颗粒；
[0045]下面结合具体附图对本发明可控金属纳米颗粒的制作方法作详细的介绍。
[0046]首先执行步骤SI，提供一包括基体10和顶绝缘层11的基板I。
[0047]请参阅附图2?图3，所述基体I包括位于所述基体I和基体10上的顶绝缘层11。即，所述基板I整体由基体10和位于所述基体10上的顶绝缘层11构成。
[0048]所述基体10可以是硅、锗或锗硅，在此不限。本实施例中，所述基体10为单晶硅。顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。作为示例，所述顶绝缘层11为氧化娃。所述顶绝缘层11的厚度可以在50?800nm范围内，本实施例中，所述顶绝缘层11的厚度暂选为300nm，当然，在其他实施例中，所述顶绝缘层11和底绝缘层12的厚度还可以是 50nm、200nm、500nm 或者 800nm 等。
[0049]需要说明的是，所述基板I是已经在上表面制作完成S12绝缘层的基体10，直接提供就可以为本发明所利用。
[0050]接着执行步骤S2，在所述顶绝缘层11上方沉积金属纳米薄膜2。
[0051]采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm。当然，也可以采用其他合适的工艺在所述顶绝缘层11表面形成金属纳米薄膜2，在此不限。金属薄膜材料可以为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜。在本实施例中，采用磁控溅射沉积厚度为200nm的铜，如图4所示。当然，在其他实施例中，金属纳米薄膜2的材料可以选择为铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属，厚度还可以制作为10nm、100nm、300nm、400nm、500nm或600nm种的任一种。
[0052]接着执行步骤S3，制作微米金属图形21。
[0053]在所述顶绝缘层11上方沉积金属纳米薄膜2后通过图形化处理和刻蚀工艺得到形状规则的微米金属图形21。本实施例中，采用光刻和等离子刻蚀(1n beam etching，RIE)工艺，具体过程为:在所述金属纳米薄膜2上涂敷光刻胶，之后通过光刻或者电子束光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用等离子刻蚀所述开口以下的金属纳米薄膜2形成微米金属图形21，如图5所示。
[0054]形成的微米金属图形21的尺寸范围为(0.1?200 μ m) X (0.1?200 μ m)。在本实施例中，所述微米金属图形21的尺寸为5 μηιΧ5 μπι。
[0055]需要说明的是，在其他实施例中，也可以通过光刻、溅射或者蒸镀工艺组成的剥离工艺实现形成微米金属图形21结构。具体地，在所述顶绝缘层11表面涂敷光刻胶后，通过紫外曝光、显影、清洗和甩干得到无光刻胶阵列图形；再通过溅射或者蒸镀工艺在光刻胶和无光刻胶区域制作金属纳米薄膜2，最后将整个基底置于丙酮溶液中浸泡，光刻胶和光刻胶表面的纳米金属薄膜2与基底分离，留下部分的纳米金属薄膜2形成微米金属图形21。
[0056]之后执行步骤S4，请参阅附图6，进行聚焦离子束辐照，所述微米金属图形21在聚焦离子束辐照过程中被刻蚀掉，同时在所述微米金属图形21位置得到所述金属纳米颗粒22。
[0057]具体地，将步骤S3获得的结构置于Focused 1n Beam(FIB)腔体内，然后抽真空。当腔体内的压强小于10_5pa时候，先通过微米铜图形实现粗对准，找到目标范围区域。开启离子束，并在离子束下进行聚焦并选择合适的放大倍率，得到所需要的辐照范围。最后进行聚焦离子束辐照。优选地，离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA，福照时间为1s?200s。得到的金属纳米颗粒尺寸范围在1nm?200nm内。
[0058]本实施例中，聚焦离子束辐照所述微米金属图形21过程中，离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为4.3nA，辐照时间为60s。而辐照过程中，所述微米金属图形21被刻蚀，同时在所述微米金属图形21位置得到所述金属纳米颗粒22。如图7所示为本实例中得到的所述金属纳米颗粒22尺寸在1nm?30nm范围内。
[0059]本发明中，除了金属纳米颗粒的位置能够得到控制，本发明可以通过微米金属厚度、聚焦离子电流大小、聚焦离子束束斑大小、接受聚焦离子束辐照的时间，以及基板温度五个参数来控制金属纳米颗粒的尺寸。
[0060]综上所述，本发明提供的一种可控金属纳米颗粒的制作方法，解决了传统方法中无法实现金属纳米颗粒的位置和尺寸可控的制造难题。实现了金属纳米颗粒在任意位置的可控制造。同时本发明采用聚焦离子束辐照微米金属图形，整个过程时间短，效率高。另外，本发明与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0061]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种可控金属纳米颗粒的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括: 1)提供一包括基体和顶绝缘层的基板； 2)在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜； 3)采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形； 4)采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到位置和尺寸都可控的金属纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤I)中的基体材料为硅、锗或锗硅，顶绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或者二氧化铪。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述步骤2)中: ①采用磁控溅射或者蒸镀的方法在顶绝缘层上方沉积一层或者多层金属纳米薄膜，金属纳米薄膜的厚度范围为10?600nm ； ②金属纳米薄膜材料为铜、铝、金、铂、铬、钛、镍或者是由这些金属组成的复合纳米膜，以及化合物的金属纳米薄膜； ③所述顶绝缘层的厚度范围为50?800nm。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于金属纳米薄膜层数不限，只是厚度在10?600nm范围即可。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述的金属纳米薄膜材料为Cu，厚度为 200nmo6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤3)中采用光刻和刻蚀的方法制作的金属微米图形尺寸范围为(0.1?200 μ m) X (0.1?200 μπι)，所述的金属微米金属图形尺寸不一定为等径尺寸。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)采用聚焦离子束辐照的工作电压为30keV，离子电流范围为1.1pA?7nA，辐照时间为1s?200s。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于步骤3)所得到的微米金属图形提供粗对准，步骤4)实现纳米级别的精确对准。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)中的离子束辐照得到的金属纳米颗粒尺寸范围为1nm?200nm。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于: a)所述的光刻包括电子束光刻； b)所述的刻蚀包括等离子刻蚀工艺； c)所述的微米金属图形尺寸为5μmX5 μπι。
【专利摘要】本发明提供一种可控金属纳米颗粒的制作方法，包括：首先提供一包括基体和顶绝缘层的基板；然后在顶绝缘层上方沉积金属纳米薄膜；接着采用光刻和刻蚀的方法得到微米金属图形；最后采用聚焦离子束辐照的方法，刻蚀金属的同时得到尺寸可控的金属纳米颗粒。本发明工艺简单、金属纳米颗粒的位置、尺寸可控、且效率高，与CMOS工艺的兼容使其有较好的扩展性，在催化剂、微电子领域、生化检测领域有着较广的使用前景。
【IPC分类】B22F9/04, B82Y40/00
【公开号】CN104889410
【申请号】CN201510136274
【发明人】李铁, 袁志山, 王辉
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月26日
最新回复(0)