[发明专利]一种具有极小孔径的阶梯孔阵列的加工方法

说明书

本发明公开了一种具有极小孔径的阶梯孔阵列的加工方法，根据所需要成形的阶梯孔阵列，选用由二氧化硅(SiO2)包裹贵金属所形成的核‑壳(Core‑Shell)纳米小球作为加工刀具，分别通过核‑壳纳米球中外层的二氧化硅层厚度和内部的贵金属粒子粒径来控制阶梯孔的间距和孔径大小，在刻蚀溶液中工件被加工出高密度微孔阵列，并进一步通过多步法选用不同尺寸的贵金属粒子，从而加工出所需的孔径逐级减小的阶梯孔阵列。工艺简单，所需要的单分散性较好的核壳纳米球、二氧化硅纳米球等原材料成熟，可以控制其直径在5nm以下，为加工孔径小于5nm的微孔阵列提供支持。

技术领域

本发明涉及纳米器件加工领域，尤其涉及一种具有极小孔径的阶梯孔阵列的加工方法。

背景技术

微孔阵列广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。微孔阵列的密度、孔径和结构等直接影响控制与检测的准确度。特别是在基因检测等高端应用场合，要求孔径小于10nm，且形状为阶梯孔。

当前，加工孔径较小的纳米孔阵列的方法主要有光刻法、电化学刻蚀法、反应离子刻蚀(RIE)、硅二次填充反转法，其中反应离子刻蚀(RIE)不适合用于加工具有高比表面积的纳米孔阵列；硅二次填充反转法工艺复杂、成本很高，产业化难度大。利用固相化学和光刻技术相结合的原位光控合成技术，受光刻机的分辨率的制约(目前最高分辨率为10nm)，难以加工孔径仅为5nm的微孔群，现有方法加工的微孔阵列的孔径一般为20～100nm，微孔阵列形状通常为直孔，难以满足高性能检测的要求。因此，微孔阵列加工技术成为制约高精度高性能基因芯片检测等技术进一步发展的瓶颈，亟需发明加工具有极小孔径的阶梯孔阵列的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有极小孔径的阶梯孔阵列的加工方法，可加工孔径在5nm以下的阶梯孔阵列，并且控制难度低、准确度高、成本低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有极小孔径的阶梯孔阵列的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据N级微孔的孔径大小要求(N＝1、2、…、M，M为目标极数)，配制二氧化硅层包裹贵金属粒子的N级核-壳纳米球悬浮液，并将所述N级核-壳纳米球悬浮液旋涂于待加工的工件的表面，所述工件为半导体材料，所述N级核-壳纳米球悬浮液中的N级核-壳纳米球通过自组装在所述工件的表面形成单层有序的致密排列，得到预加工的工件，所述N级核-壳纳米球的贵金属粒子具有与N级微孔的孔径大小相等的直径；

步骤二、将步骤一中的所述预加工的工件放入刻蚀液中进行刻蚀，N级核-壳纳米球的二氧化硅层最先被刻蚀去除，从而N级核-壳纳米球的贵金属粒子在重力、范德华力和静电吸附力的作用下自然吸附到所述预加工的工件的表面，在所述预加工的工件上产生具有一定间距并且有序排列的贵金属纳米粒子点格；然后，在所述贵金属粒子的催化作用下，所述工件中与所述贵金属粒子接触的区域被刻蚀，从而在所述工件上刻蚀出呈阵列分布并且孔径与贵金属粒子的直径大小相等的N级微孔，得到N级加工的工件；

步骤三、将步骤二中的所述N级加工的工件取出，并用清洗去除其表面的贵金属粒子，再干燥；

步骤四、选用直径大小与一级微孔的孔径大小相等的二氧化硅纳米球，按照步骤一在经步骤三干燥后的N级加工的工件表面通过自组装形成单层有序的二氧化硅纳米球致密排列，从而将所述工件的所有一级微孔填满；然后，对所述工件进行刻蚀，直至每个所述一级微孔均只有一颗所述二氧化硅纳米球被刻蚀去除后，将所述工件清洗并干燥；

步骤五、根据N+1级微孔的孔径大小要求(N+1级微孔的孔径小于N级微孔的孔径)，选用直径与N级核-壳纳米球的直径相等、但其贵金属粒子的直径与N+1级微孔的孔径相等的N+1级核-壳纳米球,按照步骤一在步骤四干燥后的工件表面通过自组装形成单层有序的N+1级核-壳纳米球致密排列；