10納米級間隔的電極的製備方法

2023-10-18 19:27:04 3

專利名稱：10納米級間隔的電極的製備方法
技術領域：
本發明是一種納米器件的加工方法，特別涉及10納米級器件的製備方法背景技術隨著半導體工業和大規模集成電路的發展，單位面積可以容納的器件數達到109個每平方釐米，單個半導體器件的尺寸越做越小，到2002年已經可以做到線寬0.2微米。整個半導體工業的發展已經進入亞微米時代，正在向納米時代邁進。隨著納米器件，特別是分子器件研究的不斷深入，人們需要一種良好且穩定的方式可以連接納米器件的兩端，俗稱納米電極。一種間隔10納米甚至更小，性質穩定的納米電極對於人們探索和研究納米世界是必不可少的。
美國《應用物理快報》(Appl.Phys.Lett.2002 80 865)介紹利用電子束曝光法製備10納米間隔的電極的方法，用電子束將襯底上的光刻膠曝光，刻蝕出模版，再將所需要的金屬沉積在模版上。通過精確的控制電子束照射到光刻膠上的能量和模版上光刻膠的顯影時間，可以得到電極間隔10納米的電極。這種方法對工藝的要求非常嚴格，對電子束能量和光刻膠的顯影時間都有嚴格的要求，工藝的難度大，製備納米電極的成本高。美國《科學》(SCIENCE.1997 278 252)提供了另一種製備納米電極的方法，將一根金屬細絲的兩端固定，然後慢慢將金屬絲從中間拉斷，斷裂處形成納米量級的間隔。這種方法雖然可以得到間隔的寬度精確的納米電極，但是由於需要保持電極始終處於拉開狀態，所以這種電極極不穩定，易受外界環境的影響，不適合於大規模的工業化的生產。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種工藝簡單，參數更容易控制，成本更低的10納米級間隔的電極的製備方法。
技術方案本發明的納米電極的製備方法為(1)先用電子束曝光法製備金屬電極，將上述製備的金屬電極表面去除有機物，此電極的間隔為50-300納米；(2)將5～50納米的金顆粒製成金顆粒懸浮液；(3)將步驟(2)製備的懸浮液用水稀釋到顆粒濃度為1012～1014個/立方釐米，取出稀釋後的懸浮液，滴在步驟(1)製備的金屬電極表面；在該電極兩端施加一個交流電壓，然後用不活潑氣體將表面吹乾；(4)將步驟(3)處理得到的電極低溫退火處理；金顆粒懸浮液的製備方法是將質量濃度為0.01％的氯金酸溶液加熱恆溫並保持在92±4℃，然後攪拌溶液，迅速加入質量濃度為1％的檸檬酸三鈉溶液，檸檬酸三鈉溶液和氯金酸溶液的體積比為1～4∶50，繼續攪拌至形成金顆粒懸浮液。
所述的金屬電極材料包括金或鉑。
所述的不活潑氣體包括氮氣、氬氣或氦氣。
在電極兩端施的交流電壓的峰值在0.5-5.0伏之間，頻率在10-106赫茲之間。
有益效果本發明中，由於納米金顆粒在交流電場的作用下發生激化，極化後的金顆粒都朝著電場梯度大的電極表面移動，而電極尖端的曲率半徑最小，相應的電場梯度最大，使得極化後的金顆粒被吸附在電極尖端表面；步驟(2)中的懸浮液稀釋後使得金顆粒濃度大大降低，從而使得吸附在電極尖端表面的顆粒數目很少，避免了金顆粒將兩個電極連通；經過低溫退火處理後，由於金顆粒的熔點低，吸附在電極上的金顆粒表面發生聚合，使得電極的表面平滑。
本發明利用金納米顆粒製備納米電極的方法，由於先採用電子束曝光法製備較寬的電極，再利用金顆粒將電極間距縮短至10納米，比用電子束曝光直接製備10納米電極，工藝簡單，參數更容易控制，成本更低；而且這樣製備的納米電極非常穩定，外貌不容易發生改變，更適合用於工業使用。


圖1是本發明的製備過程示意圖。其中有二氧化矽襯底1、金電極2、金顆粒3。
圖2是本發明利用電子束曝光製備的50納米的電極的照片圖。
圖3是利用本發明處理得到的10納米的電極的照片圖。
具體實施例方式
實施例11、在二氧化矽襯底1上塗覆聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀醯胺)(PMMA/P(MMA-MAA))雙層膠作為電子束抗蝕劑；用電子束曝光方法在該雙層膠表面刻蝕出寬度和深度約為200納米的槽，所採用的電子束的加速電壓為20千伏，束斑大小為0.1微米；再利用熱蒸發儀在該表面蒸上約15納米厚的金，由此在槽中沉積形成金電極；蒸發金時，真空度須高於1.0×10-3帕，控制二氧化矽襯底溫度為室溫，蒸發上的金膜厚度可通過監控儀控制；然後用離子束刻蝕機把聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀醯胺)雙層膠去掉，即得到金電極2；2、用氧焰灼燒上述製備的金電極表面，然後放入無水乙醇溶液中清洗，將殘留的光刻膠等有機雜質除去，得到乾淨的金電極2；圖2為此金電極的掃描力顯微鏡圖像，從中看出電極的間隔為50納米；3、將50毫升0.01％(質量百分比)濃度的氯金酸溶液在油浴中加熱恆溫於92±4℃內。在磁子攪拌器的劇烈攪拌下，迅速加入4毫升的1％(質量百分比)濃度的檸檬酸三鈉溶液，繼續攪拌。直到20分鐘後溶液變成清亮的橙紅色，得到粒徑均勻的9.7±0.8納米的金納米顆粒懸浮液；所述的迅速是指將溶液一次全部倒入，而不是慢慢滴入溶液；或者，可直接採購5～20納米粒徑的金納米顆粒製成懸浮液；4、取1毫升金納米顆粒懸浮液放入40毫升水中，此時懸浮液中金顆粒的濃度為8×1012個/立方釐米；從稀釋的金納米顆粒懸浮液中取1微升，滴在步驟2得到的乾淨金電極2表面；5、將該電極兩端用導線焊接到交流信號發生器4的兩端，用交流信號發生器產生一個峰值為2伏頻率為1000赫茲的正弦交流電壓(該交流電壓的峰值可以在0.5-5.0伏之間變化，頻率可以在10-106赫茲變化)，電壓施加的時間5秒；在交流電場的作用下，懸浮液中的金顆粒3表面發生極化，使得懸浮液中的金顆粒3被吸附到金電極表面；用氮氣將金電極表面殘餘的液體吹乾；6、將吹乾後的電極放在真空室中，300℃退火兩個小時，就獲得了間隔10納米級的納米電極。
7、用掃描力顯微鏡觀察步驟5製備的納米電極，得到的結果如圖3，可以看出電極間隔確實小於10納米。
實施例21、二氧化矽襯底1上塗覆DNQ酚醛樹脂膠作為電子束抗蝕劑；用電子束曝光方法在該膠表面刻蝕出寬度和深度約為200納米的槽，所採用的電子束的加速電壓為20千伏，束斑大小為0.1微米；再利用真空離子束濺射儀在該表面生長上約15納米厚的鉑，由此在槽中沉積形成鉑電極；鉑膜厚度可通過監控儀控制；然後用離子束刻蝕機把DNQ酚醛樹脂膠去掉，即得到鉑電極2；2、氧焰灼燒上述製備的鉑電極表面，然後放入丙酮溶液中清洗，將殘留的光刻膠等有機雜質除去，得到乾淨的鉑電極2；鉑電極的間隔為300納米；3、50毫升0.01％濃度的氯金酸溶液在油浴中加熱恆溫於92±4℃內。在磁子攪拌器的劇烈攪拌下，迅速加入1毫升的1％(質量)濃度的檸檬酸三鈉溶液，繼續攪拌；20分鐘後溶液變成清亮的橙紅色，得到粒徑均勻的19.7±2.3納米的金納米顆粒懸浮液；或者，可直接採購20～50納米粒徑的金納米顆粒製成懸浮液；4、取1毫升金納米顆粒懸浮液放入20毫升水中，此時懸浮液中金顆粒的濃度為6×1013個/立方釐米；從稀釋的金納米顆粒懸浮液中取1微升，滴在步驟2得到的乾淨金電極2表面；5、該電極兩端用導線焊接到交流信號發生器4的兩端，用交流信號發生器產生一個峰值為5伏頻率為106赫茲的正弦交流電壓，電壓施加的時間30秒；在交流電場的作用下，懸浮液中的金顆粒3表面發生極化，使得懸浮液中的金顆粒3被吸附到鉑電極表面；用氬氣將鉑電極表面殘餘的液體吹乾；6、吹乾後的電極放在真空室中，300℃退火兩個小時，就獲得了間隔10納米級的納米電極。
權利要求
1.一種10納米級間隔的電極的製備方法，其特徵在於製備的方法為(1)先用電子束曝光法製備金屬電極，將上述製備的金屬電極表面去除有機物，此電極的間隔為50-300納米；(2)將5～50納米的金顆粒製成金顆粒懸浮液；(3)將步驟(2)製備的懸浮液用水稀釋到顆粒濃度為1012～1014個/立方釐米，取出稀釋後的懸浮液，滴在步驟(1)製備的金屬電極表面；在該電極兩端施加一個交流電壓，然後用不活潑氣體將表面吹乾；(4)將步驟(3)處理得到的電極低溫退火處理；
2.根據權利要求1所述的10納米級間隔的電極的製備方法，其特徵在於金顆粒懸浮液的製備方法是將質量濃度為0.01％的氯金酸溶液加熱恆溫並保持在92±4℃，然後攪拌溶液，迅速加入質量濃度為1％的檸檬酸三鈉溶液，檸檬酸三鈉溶液和氯金酸溶液的體積比為1～4∶50，繼續攪拌至形成金顆粒懸浮液。
3.根據權利要求1所述的10納米級間隔的電極的製備方法，其特徵在於所述的金屬電極材料包括金或鉑。
4.根據權利要求1所述的10納米級間隔的電極的製備方法，其特徵在於所述的不活潑氣體包括氮氣、氬氣或氦氣。
5.根據權利要求1所述的10納米級間隔的電極的製備方法，其特徵在於在電極兩端施的交流電壓的峰值在0.5-5.0伏之間，頻率在10-106赫茲之間。
全文摘要
10納米級間隔的電極的製備方法是一種納米器件的加工方法，其製備方法為(1)先用電子束曝光法製備金屬電極，將上述製備的金屬電極表面去除有機物，此電極的間隔為50－300納米；(2)將5～50納米的金顆粒製成金顆粒懸浮液；(3)將步驟(2)製備的懸浮液用水稀釋到顆粒濃度為10
文檔編號B82B3/00GK1529346SQ20031010600
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月8日 優先權日2003年10月8日
發明者張琨, 王振興, 王曉平, 侯建國, 張 琨 申請人:中國科學技術大學