专利名称：一种制备纳米金属结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备纳米金属结构的方法，特别是将硅材料的高深宽比精细刻蚀技术与金属沉积技术相结合，制备金属纳米结构。
背景技术：
基于金属表面在电磁波作用下形成的电子密度起伏——表面等离激元的相关研究，及其在探测、传感、光电集成等多个领域的应用已经逐渐展开。但相对于成熟的高精细硅材料加工技术，目前人们对金属材料的加工精度还远远不能满足等离激元技术发展的需要，如纳米尺度的金属图形加工以及超光滑表面的金属纳米结构都很难实现。在此背景下，人们提出了一种新的金属结构加工技术——金属沉积剥离法，在具有特定结构的硅材料表面沉积金属，利用金属与硅表面附着力较差的特性，再将硅表面的金属结构剥离到其他材料表面，如文献一“可应用于等离激元器件及超材料的超光滑金属图形”(Ultrasmooth Patterned Metals for Plasmonicsand Metamaterials)，载于《Science》，2009，Vol. 325 594所公开的。但之前的沉积剥离技术只能实现全金属材料的结构，即只能形成金属表面的起伏或褶皱，不能形成相互分离的金属线条，而分立的金属结构则往往是等离激元技术实际运用中所需要的。此外，传统的金属沉积剥离方法采用的直接剥离方式成功率较低，重复性也不能令人满意。
发明内容
本发明的目的是公开一种制备纳米金属结构的方法，可克服早期金属沉积剥离方法的缺陷，高效、精确实现分立结构的纳米金属结构。同时，提高了样品的制作成功率，可以在各类衬底上实现高精细、超光滑的纳米金属结构。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种制备纳米金属结构的方法，其包括步骤1)取一平整、光滑的硅片，利用掩膜刻蚀或聚焦离子刻蚀使硅片上表面形成具有一定深宽比的纳米图形，再将其表面清洗干净并使用干燥氮气吹干；2)在步骤1)中制好的样品表面沉积金属材料，形成有图形结构的金属层；3)取一平整、光滑的基片，在基片上表面均勻旋涂一层具有一定黏度的胶层；4)将步骤2、中所得样品翻转，使金属层向下倒扣在步骤幻中所得有胶层的基片上表面，将金属层与胶层紧密接触；5)再对步骤4)所得样品进行烘烤，待烘烤结束后再使其迅速降温；通过热胀冷缩使金属层与胶层紧密附着；6)对步骤5)经过处理的样品，进行硅片剥离，将步骤1)中所述的硅片与步骤2) 中所述的金属层分离，使金属层转移到步骤幻中所述的基片胶层上，从而形成高精细、超光滑的纳米金属结构。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述硅片，或是表面为硅层的多层材料片，为绝缘硅片(SOI，silicon on insulator)，其表面要经过抛光和超声清洗处理，平整清洁。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述步骤1)中的一定深宽比，指硅材料表面图形中最大线宽与刻蚀深度之比不大于1 3;表面清洗，是用超声清洗处理。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述步骤2)中的金属材料，为与硅片附着力较低的金属材料，是金、银、铜其中之一或合金；沉积金属材料的厚度不超过硅材料刻蚀深度的1/3。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述步骤3)中的基片，为硅片、二氧化硅片、 玻璃、石英、蓝宝石、氮化镓材料片其中之一，基片经过表面抛光和超声清洗处理，平整清洁。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述步骤3)中的胶层，为SU8胶、PMMA胶、 HSQ胶、聚酰乙烯树脂材料其中之一，该胶层与沉积金属材料的附着力大于硅与沉积金属材料的附着力。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述步骤5)中的烘烤，是采用热板或烘箱来进行，烘烤温度与烘烤时间根据胶层材料性质决定；迅速降温，是将烘烤后的样品置入低温冰箱或与低温源接触的方式实现，降温幅度和时间由所使用胶层材料热膨胀系数决定。所述的制备纳米金属结构的方法，其所述低温源，为酒精、水、冰块、干冰、液氮、氦气其中之一或组合。本发明方法的优点在于通过在硅表面实现一定深宽比的刻蚀结构，能够实现相互分立的纳米金属线条， 从而扩展了传统沉积剥离方法的应用范围；另外，利用高温接触和低温剥离的方法，大大提高了工艺的成功率与可靠性，更加有利于实际应用。
图1为本发明的一种制备纳米金属结构的方法流程图；图2为本发明的一种制备纳米金属结构的方法过程示意图；其中图加为本发明方法中的1)步示意图；图2b为本发明方法中的2)步示意图；图2c为本发明方法中的3)步示意图；图2d为本发明方法中的3)步示意图；图2e为本发明方法中的4)步示意图；图2f为本发明方法中的6)步示意图。图面说明1表示具有一定深宽比的纳米结构的光滑硅片；2表示沉积的金属层；3表示平整、光滑的基片；4表示具有一定黏度的胶层。
具体实施例方式本发明一种制备纳米金属结构的方法，包括以下步骤
1)在平整、光滑的硅片上，利用掩膜刻蚀或聚焦离子刻蚀使硅片表面形成具有一定深宽比的纳米图形，再将其表面清洗干净并使用干燥氮气吹干，如图加所示。硅片还包括表面为硅层的多层材料片(如绝缘硅片(SOI))，要求其表面经过抛光和超声清洗处理，平整清洁。方法中的一定深宽比指硅材料表面图形中最大线宽与刻蚀深度之比不大于 1 3。2)在步骤1)中制好的样品表面沉积金属材料，形成有图形结构的金属层，如图2b 所示。沉积金属材料包括金、银、铜等与硅片附着力较低的金属材料，要求沉积金属材料厚度不超过硅材料刻蚀深度的1/3。3)取一平整、光滑的基片，如图2c所示，在基片上表面均勻旋涂一层具有一定黏度的胶层，如图2d所示。基片包括硅片、二氧化硅片、玻璃、石英、蓝宝石、氮化镓等各类材料片，要求基片经过表面抛光和超声清洗处理，平整清洁。胶层可根据实际需要选择，如SU8胶、PMMA胶、HSQ胶、聚酰乙烯树脂等材料。胶层的一定黏度，指要求该胶层与沉积金属材料的附着力大于硅与沉积金属材料的附着力。4)将步骤2)中制好的样品翻转，使金属层向下倒扣在步骤幻中制得胶层的基片上表面，使步骤幻中所述的金属层与步骤幻中所述胶层紧密接触，如图加所示。5)对步骤4)所得的样品进行烘烤，待烘烤结束后再使其迅速降温；通过热胀冷缩使步骤幻中所述的金属层与步骤幻中所述的胶层紧密附着。烘烤可以采用热板或烘箱来进行，烘烤温度与烘烤时间根据胶层材料性质决定。迅速降温过程可以通过置入低温冰箱或与接触低温源(如酒精、水、冰块、干冰、液氮、氦气)方式实现，降温幅度由所使用胶层材料热膨胀系数决定。6)对步骤5)经过处理的样品，进行硅片剥离，将步骤1)中所述的硅片与步骤2) 中所述的金属层分离，使金属层转移到步骤幻中所述的基片胶层上，如图2f所示，从而形成高精细、超光滑的纳米金属结构。下面结合实施例和附图对本发明制备金属纳米结构的方法进行详细地说明。实施例1 1)在平整、光滑的硅片上，利用电子束曝光在PMMA掩膜上形成纳米图形，通过感应耦合反应离子刻蚀系统的纳米刻蚀工艺在硅片表面上刻出纳米结构，其图形最大线宽为 50nm，刻蚀深度220nm，深宽比为1 4. 4 ；利用丙酮、酒精、水超声清洗掉表面的残胶，使用干燥氮气将硅片表面吹干；2)在步骤1)中制好的硅片表面上沉积20nm金(Au)，形成有结构的金(Au)金属层；3)在平整、光滑的石英片上均勻旋涂一层SU8胶；4)将步骤2、中制好的样品翻转，倒扣在步骤幻中制好的样品表面，使步骤2)中所述的金(Au)金属层与步骤幻中所述的SU8胶层紧密接触；5)利用热板对经过步骤4)处理的样品进行烘烤，烘烤温度为155摄氏度，烘烤时间30分钟；待烘烤结束将样品置入0摄氏度的冰箱中十分钟；通过热胀冷缩使步骤幻中所述的Au金属层与步骤3)中所述SU8胶层紧密附着；
6)从经过步骤幻处理的样品上，将步骤1)中所述硅片剥离，使步骤幻中所述的金(Au)金属层转移到步骤幻中所述基片SU8胶层上，从而在SU8胶层上形成高精细、超光滑的纳米金属结构。实施例2 本实施例的制备方法大致同实施例1相同，只是条件如下所述利用聚焦离子束刻蚀方法直接在平整、光滑的硅片表面形成纳米结构图形，其图形最大线宽为30nm，刻蚀深度120nm，深宽比为1 4 ；清洗吹干后，在其表面沉积25nm银 (Ag)；随后在平整、光滑的氮化镓基片上均勻旋涂一层聚酰亚胺树脂，将具有银纳米结构的硅片倒扣在涂敷了聚酰亚胺树脂的氮化镓基片上，并利用烘箱在130摄氏度下烘烤1小时， 随后放在零下15摄氏度的冰块上15分钟进行降温，最后将硅片从样品上剥离开，使金属银纳米结构转移到聚酰亚胺树脂层上。
权利要求
1.一种制备纳米金属结构的方法，其特征在于，包括步骤1)取一平整、光滑的硅片，利用掩膜刻蚀或聚焦离子刻蚀使硅片上表面形成具有一定深宽比的纳米图形，再将其表面清洗干净并使用干燥氮气吹干；2)在步骤1)中制好的样品表面沉积金属材料，形成有图形结构的金属层；3)取一平整、光滑的基片，在基片上表面均勻旋涂一层具有一定黏度的胶层；4)将步骤幻中所得样品翻转，使金属层向下倒扣在步骤幻中所得有胶层的基片上表面，将金属层与胶层紧密接触；5)再对步骤4)所得样品进行烘烤，待烘烤结束后再使其迅速降温；通过热胀冷缩使金属层与胶层紧密附着；6)对步骤幻经过处理的样品，进行硅片剥离，将步骤1)中所述的硅片与步骤幻中所述的金属层分离，使金属层转移到步骤幻中所述的基片胶层上，从而形成高精细、超光滑的纳米金属结构。
2.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述硅片，或是表面为硅层的多层材料片，为绝缘硅片，其表面要经过抛光和超声清洗处理，平整清洁。
3.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述步骤1)中的一定深宽比，指硅材料表面图形中最大线宽与刻蚀深度之比不大于1 3;表面清洗，是用超声清洗处理。
4.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述步骤2)中的金属材料，为与硅片附着力较低的金属材料，是金、银、铜其中之一或合金；沉积金属材料的厚度不超过硅材料刻蚀深度的1/3。
5.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述步骤3)中的基片， 为硅片、二氧化硅片、玻璃、石英、蓝宝石、氮化镓材料片其中之一，基片经过表面抛光和超声清洗处理，平整清洁。
6.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述步骤3)中的胶层， 为SU8胶、PMMA胶、HSQ胶、聚酰乙烯树脂材料其中之一，该胶层与沉积金属材料的附着力大于硅与沉积金属材料的附着力。
7.按权利要求1所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述步骤5)中的烘烤， 是采用热板或烘箱来进行，烘烤温度与烘烤时间根据胶层材料性质决定；迅速降温，是将烘烤后的样品置入低温冰箱或与低温源接触的方式实现，降温幅度和时间由所使用胶层材料热膨胀系数决定。
8.按权利要求7所述的制备纳米金属结构的方法，其特征在于，所述低温源，为酒精、 水、冰块、干冰、液氮、氦气其中之一或组合。
全文摘要
本发明公开了一种制备纳米金属结构的方法，涉及金属纳米技术，通过在硅表面实现一定深宽比的刻蚀结构，能够实现相互分立的纳米金属线条，从而扩展了传统方法的应用范围，利用高温接触和低温剥离，大大提高了工艺的成功率与可靠性，更加有利于实际应用。本发明方法提高了样品的制作成功率，可以在各类衬底上实现高精细、超光滑的纳米金属结构。克服了传统金属沉积剥离方法的缺陷，从而提供一种高效、精确，且能够实现分立结构的纳米金属结构的制作方法。
文档编号B82Y40/00GK102169819SQ20111000847
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者刘哲, 夏晓翔, 李俊杰, 杨海方, 顾长志 申请人:中国科学院物理研究所