本發(fā)明涉及硅基刻蝕，具體涉及一種硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法。

背景技術：

1、利用分子穿過施加有偏置電壓的納米孔時產(chǎn)生的阻塞電流，可以檢測穿孔分子的大小、類型和幾何構型等信息。常用的納米孔分子傳感器主要分為兩大類：生物納米孔和固態(tài)納米孔，相對于從自然界獲取的生物納米孔，固態(tài)納米孔具有機械性能好、可適應環(huán)境變化范圍廣、可以在更寬的ph值、鹽條件和溫度范圍內保持化學穩(wěn)定性以及加工精度高等優(yōu)點，而常見的固態(tài)納米孔制造方法主要包括聚焦離子束法、激光刻蝕法、離子徑跡刻蝕法、金屬輔助化學刻蝕、以堿性濕法刻蝕等，下面介紹這幾種主要加工方法的原理與優(yōu)缺點：

2、聚焦離子束法：原理是通過聚焦離子束轟擊樣本表面，定點移除樣本原子，從而實現(xiàn)在懸空薄膜表面加工納米孔，利用氦離子、鎵離子、氖離子等作為離子源，聚焦離子束可實現(xiàn)直徑接近亞10nm的小直徑以及高精度納米孔的制造，但這種方法每次只能加工一個納米孔，并且操作過程成本高且耗時長。

3、激光刻蝕法：原理是使用低功率高聚集激光和共聚焦顯微鏡制造直徑為單個納米的納米孔技術，主要利用高能量密度的激光束使材料表面局部升溫、熔化或氣化實現(xiàn)材料逐層去除，特別適合加工陶瓷、玻璃、金剛石、碳化硅、藍寶石等超硬材料，但其激光刻蝕技術在光路設置和尺寸控制的方面較差。

4、離子徑跡刻蝕法：原理是通過將高能重金屬離子射入聚合物膜產(chǎn)生徑跡，然后用刻蝕劑刻蝕被重離子輻照的薄膜，軌道區(qū)域的刻蝕速率大于非軌道區(qū)域的刻蝕速率，從而形成孔隙，由于薄膜的厚度可達到幾微米，因此可形成高縱橫比的圓錐形，但該方法只能用于聚合物膜，在加工中可能會在聚合物膜表面引入負電荷而導致生物分子的捕獲效率下降，并且由于離子軌道不可控，容易出現(xiàn)孔徑分布不均勻的現(xiàn)象，而且需要昂貴的重離子加速計，增加了加工的成本。

5、金屬輔助化學刻蝕：原理是以貴金屬(ag,au,pt和pd)為掩膜的硅基片在氫氟酸和氧化劑中進行濕法刻蝕，在刻蝕過程中，氧化劑會在貴金屬表面優(yōu)先被還原，同時空穴通過貴金屬注入硅，使得貴金屬下方硅的刻蝕速率遠高于未覆蓋貴金屬硅的刻蝕速率，利用此方法，可以通過設計貴金屬掩膜形狀獲得特定的幾何結構，但是刻蝕過程會在催化劑/刻蝕劑的結合物下產(chǎn)生氫氣泡，造成不同的刻蝕速率，導致納米孔陣列中孔深的非均勻性，此外流體流過催化劑還會影響催化劑的刻蝕路徑，從而影響刻蝕結果。

6、堿性濕法刻蝕：原理是利用硅在堿性溶液中刻蝕的各向異性對硅進行加工的方法，該方法的優(yōu)勢在于對不同刻蝕材料的選擇比較高，不會造成材料內部損傷，費用也較低，具備先后從晶圓兩面分步驟刻蝕獲得納米孔的方法，但超過納米孔開啟的時間越長，所得的納米孔徑越大，難以控制實際刻蝕的納米孔大小，因此通過刻蝕時間實現(xiàn)納米孔孔徑的控制是一大缺陷。

7、綜上所述，現(xiàn)有技術中固態(tài)納米孔制造方法主要存在納米孔的位置和尺寸無法控制，且操作復雜，加工效率低的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，旨在解決固態(tài)納米孔制造方法主要存在納米孔的位置和尺寸無法控制，且操作復雜，加工效率低的問題。

2、本發(fā)明實施例提供了一種硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其包括以下步驟：

3、步驟s1、依次對硅片進行第一次清洗及第一次干燥；所述第一次清洗是將所述硅片放入去離子水中進行超聲波清洗，所述第一次干燥采用氮氣流進行；

4、步驟s2、在所述硅片的正面和反面制備掩膜圖案；

5、步驟s3、將所述硅片放入氫氧化鉀和異丙醇混合形成的混合液中，并在所述硅片的正面刻蝕出倒金字塔結構槽，在所述硅片的反面刻蝕倒梯形結構槽以減薄所述硅片的厚度，所述硅片的正面和反面的刻蝕同時進行；

6、步驟s4、對所述硅片進行第二次清洗，清洗完成后在所述倒梯形結構槽的槽底旋涂金納米粒子，旋涂完成后將所述硅片浸泡在hf/h2o2溶液中以刻蝕出納米孔；所述第二次清洗是將所述硅片放入等離子體機中進行清洗；

7、步驟s5、去除所述硅片表面的掩膜和雜質，再依次對所述硅片進行離心洗滌和第二次干燥；所述第二次干燥為真空干燥。

8、優(yōu)選的，所述步驟s2中，在所述硅片的正面和反面制備掩膜圖案的具體步驟如下：

9、步驟s21、通過反應源氣體在反應爐內對所述硅片進行沉積反應，以在所述硅片的正面和反面沉積出氮化硅掩膜；

10、步驟s22、在所述硅片的正面和反面的氮化硅掩膜上旋涂光刻膠并烘干固化，再利用光刻機對準所述硅片的指定位置，并對所述硅片的正面和反面依次進行曝光、顯影、沖洗以及第三次干燥，以使所述硅片的正面和反面的氮化硅掩膜的待刻蝕區(qū)域暴露；

11、步驟s23、利用干法刻蝕刻蝕所述硅片的正面和反面未覆蓋光刻膠的窗口，以去除所述窗口上的氮化硅掩膜，之后用去離子水清洗并進行氮氣真空干燥。

12、優(yōu)選的，所述步驟s21中，所述反應源氣體為氨氣和二氯硅烷，反應爐的壓強小于133pa；所述硅片的正面和反面的氮化硅掩膜的厚度皆為100nm。

13、優(yōu)選的，所述步驟s22中，光刻的設計圖案的中心對準所述硅片的中心，光刻的設計圖案為至少一邊平行于所述硅片的直線邊界的正方形；所述光刻膠為az系列正膠。

14、優(yōu)選的，所述步驟s23中，干法刻蝕采用的氣體為cf4/o2或chf3/ar。

15、優(yōu)選的，所述步驟s3中，所述氫氧化鉀的濃度質量分數(shù)為30wt％，所述異丙醇的濃度質量分數(shù)為3.78wt％；所述硅片的正面和反面的刻蝕時間為3.5-4h，刻蝕溫度為70±0.1℃。

16、優(yōu)選的，所述步驟s4中，所述金納米粒子使用二氧化硅包覆；所述金納米粒子采用勻膠機進行旋涂，所述勻膠機的加速度為300m/s2。

17、優(yōu)選的，所述步驟s4中，所述hf/h2o2溶液的濃度比為hf：h2o2＝4.7m：0.68m，刻蝕溫度為室溫，刻蝕時間為0.5-1h。

18、優(yōu)選的，所述步驟s5中，所述離心洗滌的轉速為500～800rpm，洗滌時間為5-10min。

19、優(yōu)選的，所述步驟s5中，所述第二次干燥的溫度為60-80℃，干燥時間為5-10min。

20、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法通過依次對硅片進行第一次清洗及第一次干燥；在所述硅片的正面和反面制備掩膜圖案；將所述硅片放入氫氧化鉀和異丙醇混合形成的混合液中，并在所述硅片的正面刻蝕出倒金字塔結構槽，在所述硅片的反面刻蝕倒梯形結構槽以減薄所述硅片的厚度，所述硅片的正面和反面的刻蝕同時進行；對所述硅片進行第二次清洗，清洗完成后在所述倒梯形結構槽的槽底旋涂金納米粒子，旋涂完成后將所述硅片浸泡在hf/h2o2溶液中以刻蝕出納米孔；去除所述硅片表面的掩膜和雜質，再依次對所述硅片進行離心洗滌和第二次干燥，從而完成硅基固態(tài)納米孔刻蝕，這種刻蝕方法不僅可以控制納米孔的位置和尺寸，且操作簡單，加工效率高。

技術特征：

1.一種硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s2中，在所述硅片的正面和反面制備掩膜圖案的具體步驟如下：

3.如權利要求2所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s21中，所述反應源氣體為氨氣和二氯硅烷，反應爐的壓強小于133pa；所述硅片的正面和反面的氮化硅掩膜的厚度皆為100nm。

4.如權利要求2所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s22中，光刻的設計圖案的中心對準所述硅片的中心，光刻的設計圖案為至少一邊平行于所述硅片的直線邊界的正方形；所述光刻膠為az系列正膠。

5.如權利要求2所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s23中，干法刻蝕采用的氣體為cf4/o2或chf3/ar。

6.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述氫氧化鉀的濃度質量分數(shù)為30wt％，所述異丙醇的濃度質量分數(shù)為3.78wt％；所述硅片的正面和反面的刻蝕時間為3.5-4h，刻蝕溫度為70±0.1℃。

7.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s4中，所述金納米粒子使用二氧化硅包覆；所述金納米粒子采用勻膠機進行旋涂，所述勻膠機的加速度為300m/s2。

8.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s4中，所述hf/h2o2溶液的濃度比為hf：h2o2＝4.7m：0.68m，刻蝕溫度為室溫，刻蝕時間為0.5-1h。

9.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s5中，所述離心洗滌的轉速為500～800rpm，洗滌時間為5-10min。

10.如權利要求1所述的硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其特征在于，所述步驟s5中，所述第二次干燥的溫度為60-80℃，干燥時間為5-10min。

技術總結
本發(fā)明涉及硅基刻蝕技術領域，提供了一種硅基固態(tài)納米孔刻蝕方法，其包括以下步驟：步驟S1、依次對硅片進行清洗及干燥；步驟S2、在硅片的正面和反面制備掩膜圖案；步驟S3、將硅片放入氫氧化鉀和異丙醇混合形成的混合液中，并在硅片的正面刻蝕出倒金字塔結構槽，在硅片的反面刻蝕倒梯形結構槽以減薄硅片的厚度，硅片的正面和反面的刻蝕同時進行；步驟S4、對硅片進行清洗，再在倒梯形結構槽的槽底旋涂金納米粒子，之后將硅片浸泡在HF/H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;溶液中以刻蝕出納米孔；步驟S5、去除硅片表面的掩膜和雜質，再依次對硅片進行離心洗滌和第二次干燥。本發(fā)明的刻蝕方法不僅可以控制納米孔的位置和尺寸，且操作簡單，加工效率高。

技術研發(fā)人員：陳云,蔡楚濠,吳文軒,侯茂祥,張俊杰,馬莉,陳新
受保護的技術使用者：廣東工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/11/26