一種原位構建微納器件的方法
2023-11-08 06:56:52
專利名稱：一種原位構建微納器件的方法
技術領域：
本發明涉及一種微納器件的構建方法，是一種快速、損傷小的微納器件的 原位構建方法，特別適合於大面積的器件製備。
背景技術：
納米技術是21世紀一個重要的新興科技領域，大量的納米材料與器件不斷 被開發出來，並在信息、醫學以及國防等各個領域中展現出前所未有的應用前 景。微納器件是納米科技中的一個重要研究領域，是納米科技走向實際應用的 重要途徑和橋梁。目前微納器件的研究還存在許多技術上的難題。
對於納米材料連接在兩電極之間這樣一個基本微納結構單元的製備，目前
常用的方法大體可以分為以下幾種1)採用標記、基底上塗布納米材料、掃描 電鏡査找納米材料位置、曝光圖形的導A 、、鬼子束光刻等一系列工藝過程製備 出納米材料置於金屬電極層之下，連接在電極之間的微納器件。該方法也是一 種原位構建微納器件的無掩模光刻方法，可以實現較小的器件尺寸，因而被較 多使用。然而該方法對材料損傷較大，而且由於電子束光刻設備成本高、維護 成本高、製備速度慢，因此不利於批量製備。
2)採用先製備金屬電極、再將納米材料.構建於電極之上的方法。該方法的 技術難點是將納米材料連接在電極之上。所需的光刻機可以是電子束光刻機， 帶掩膜板的常規光刻機，也包括本發明所用的無掩模光刻機，還包括納米壓印 技術。該方法可以製備多種微納器件，應用範圍較廣。但是電子束光刻具有l) 中所述的一些缺點；而帶掩膜板的常規光刻機因為曝光圖形的不同就需要不同 的掩膜板，因而使用成本較高；納米壓印技術可以重複性地在大面積上製備納米圖形結構，還有製作成本極低、簡單易行、效率高等優點，然而該方法需要 高質量的壓印光刻模版以及昂貴的模板缺陷檢査工具，還需要其他工具實現電 路各層之間的對準，實現起來難度較大。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種新的成本較低的原位微納器件的構 建方法，這種方法既避免了電子束光刻對器件的損傷和製備速度慢的缺點，也 避免了使用成本較高數量較多的掩膜板，方法簡單易操作，且能保證電極間的 通道為納米材料，特別適合於微納原型器件的製備。
本發明提供的技術方案為一種微納器件的原位構建方法，包括以下步驟
(6) 將納米材料分布在襯底基片上；
(7) 在基片上塗膠，包括勻膠；
(8) 運用無掩模光刻機的顯微系統査找納米材料的位置，再運用無掩模光 刻機原位設計待曝光電極的圖形，使納米材料連接於電極圖形之間；
(9) 運用無掩模光刻機原位曝光，然後顯影、定影；
(10) 在基片上沉積金屬電極層、剝離，最後得到納米材料連接於電極 之間並位於電極之下的微納器件(如圖1所示)。
上述步驟(1 )所述的納米材料為能夠製備的納米材料，包括零維納米材料、 一維納米材料、二維納米材料或複合結構的納米體系；其中，複合結構的納米 體系包括Y形、多角狀納米材料、多元納米體系以及其它複合體系。
所述的納米材料也可以是無機的納米材料，也可以是有機的納米材料或生 物納米材料；可以是單個的納米材料，也可以是多個的納米材料；納米材料的 特徵尺度在l納米-l釐米之間。 ^
上述步驟(1)所述的納米材料在襯底基片上的分散，可以是首先利用超聲的方法將納米材料均勻分散入相應的溶液，例如乙醇溶液，然後使用滴定管將 溶液分散在襯底基片上，也可是將溶液使用旋塗的方法，還可以是將溶液使用 噴塗的方法，使溶液分散在襯底基片上，待溶液揮發後形成納米材料在襯底基
片上的分散。還可以採用微流體(microfluidic)的方法按實際需要將納米材料 分布在襯底基片上，也可以採用原子力顯微鏡AFM的探針或其它種類的探針 移動納米材料，使納米材料按目的要求分布在襯底基片上，更可以採用鑷子等 手段直接將所選材料分布或放在襯底基片上。
上述步驟(3)所述的電極是在基片的絕緣層上製備的，基片的絕緣層為絕 緣材料，包括Si02、玻璃及高介電材料；其中高介電材料包括Si3N4、 A1203、 Hf02、 Y203、 La203、 Ta205、 Ti02、 LaAp，中的至少一種；絕緣層厚度為1納 米-10釐米。
所述的無掩模光刻機是原位構建微納器件的關鍵性設備。
所述的原位製備電極的方法，可以是在基底上塗膠，利用無掩模光刻機的 顯微系統，找到相應納米材料的位置，然後在該位置設計並導入兩個電極形狀 的曝光圖形，使得納米材料兩端位於兩，極之間，還可以在該位置設計並導入 多個電極的曝光圖形，使得納米材料與電極相連接。
所述的原位製備三電極的方法，可以是在基底上塗膠，利用無掩模光刻機 的顯微系統，找到相應納米材料三端與基底接觸的位置，然後在該位置導入三 電極的曝光圖形，使得納米材料位於三電極之間並與電極的圖形相連接。
所述的與電極相連的納米材料的兩端位於兩電極材料層之下，具有Y形、 四角錐狀的納米材料的三端位於三電極材料層之下。
上述所述步驟(3)運用無掩模光刻機的顯微系統，找到相應納米材料的位 置，找到納米材料位置後，在該位置設計待曝光電極的圖形，使得納米材料的與電極相連接。
上述步驟(3)所述的納米材料與電極的連接，可以是一端連接、兩端連接、
三端或多端連接；所設計的電極圖形中，不需要納米材料的每端都與電極相連
接，也不需要每個電極都與納米材料相連接。
上述步驟(3)所述可以為運用無掩模光刻機的顯微系統，找到Y形納米 材料的位置，然後在Y形的三端位置設計三個電極的曝光圖形，使得納米材料 位於電極之間並與電極相連接。 ，
上述步驟(3)所述也可以為運用無掩模光刻機的顯微系統，找到四角錐狀 納米材料的位置，然後在材料與基底接觸的三端位置設計三個電極的曝光圖形， 使得納米材料位於電極之間並與電極相連接。
所製備的電極不需要每個都與納米材料相連接，可以不與納米材料相接觸， 用作器件的柵極，調控器件的電位或載流子濃度。
上述步驟(5)所述所得的連接有納米材料的電極之間的間距小於納米材料 的長度；電極之間的距離為l納米到l釐米之間。
上述步驟(5)所述的沉積金屬電極層為採用熱蒸發、濺射或電子束蒸發方 法在基片上沉積一層導電材料，所述導電材料包括(1) Au、 Ag、 Ti、 Pt、 Pd、 AuGe、 Ta、 W、 Co、 Mo、 Cr、 Ni金屬中的一種或幾種的複合或組合；(2)金 屬氧化物；(3)其它無機物或有機物導電材料；(4)金屬或半導體納米材料；其 中，金屬電極的厚度在l納米到l毫米之間，導電材料的特徵尺度在l納米-l 釐米之間。
以該微納器件為基礎，可以進一步加工，製備成其他的微納器件和結構單 元，包括電晶體、傳感器。
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明。
圖1為本發明微納器件的原理結構示意圖，其中納米材料兩端與兩電極相 連，置於兩電極之下，與基底接觸；
圖2為利用本發明的原型器件進一步加工製成的頂柵電晶體器件原理結構 示意圖，其中納米材料是半導體性的納米材料，兩端與兩電極相連，置於兩電 極之下，與基底接觸；
圖3為實施例8製備的微納器件，柵極位於基底絕緣層之上，電晶體絕緣 層之下；
圖4為實施例9原位製備的三端微納器件；
圖5為實施例10原位製備的微納器件平面結構示意圖6為實施例11原位製備的微納器件平面結構示意圖。
附圖標記:
1與納米材料相連接的兩個電極2基片的絕緣層3納米材料4不包括 絕緣層的襯底5頂柵結構電晶體的絕緣層，作為柵介質6頂柵結構電晶體的 柵極7 —種柵極位於下方的電晶體的柵極8 —種柵極位於下方的電晶體的絕 緣層，作為柵介質9四角狀納米材料，其中三端與基底接觸IO連接四角狀納 米材料與基底接觸的三電極11連接納米材料的四個電極12不與納米材料相 連接的電極具體實施方式
實施例l
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，在矽表面上通過熱氧化的方 法生長出一層500納米厚的SiO2層，作為基片的絕緣層2，如圖1所示，其中 納米材料3為碳納米管，直徑為10納米，長度為10微米，由化學氣相沉積方法合成。首先利用超聲的方法將碳納米管均勻分散入乙醇溶液，然後使用旋塗 或噴塗的方法使溶液分散在襯底基片上，待乙醇揮發後形成碳納米管在襯底上 的均勻分散。在基片絕緣層2表面勻膠，將基片放在無掩模光刻機的顯微系統 下觀察，査找出第一個碳納米管的位置，然後原位導入兩個電極曝光圖形並進 行曝光，利用類似的方法在第二個、第三個...第N個碳納米管處曝光。經過顯
影定影，採用電子束蒸發的方法先後沉積10納米厚的鈦和50納米厚的金，經
剝離清洗後形成兩個電極i，每個電極的大小是ioo微米xioo微米，電極之間
的間距為0.5微米，即得到N個原型微納器件。 實施例2
選用普通絕緣玻璃作為基底2和4，如圖1所示，其中納米材料3為ZnO 納米線，直徑為30納米，長度為2微米，由物理方法合成。使用微流體的方法 使ZnO納米線均勻分散在襯底基片上。在基片絕緣層2表面勻膠，將基片放在 無掩模光刻機的顯微系統下觀察，查找出第一個ZnO納米線的位置，然後原位 設計兩個電極曝光圖形並導入圖形到相應位置，進行曝光，利用類似的方法在 第二個、第三個...第N個ZnO納米線處曝光。經過顯影定影，採用熱蒸發的 方法沉積80納米厚的金,經剝離清洗後形成兩個電極1 ，每個電極的大小是200 微米X200微米，電極之間的間距從為l微米之間變化。即得到N個原型微納 器件。 實施例3
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，在矽表面通過原子層沉積系 統沉積10納米厚的Hf02，作為基片的絕緣層2，如圖1所示，其中納米材料3 為氧化錫納米線，直徑為40納米，長度為3微米，由物理方法合成。首先利用 超聲的方法將氧化錫納米線均勻分散入乙醇溶液，然後使用噴塗的方法使溶液分散在襯底基片上，待乙醇揮發後形成氧化錫納米線在襯底上的均勻分散。在 基片絕緣層2表面勻膠，將基片放在無掩模光刻機的顯微系統下觀察，査找出 第一個氧化錫納米線的位置，然後原位導入兩個電極曝光圖形並進行曝光，利 用類似的方法在第二個、第三個...第N個氧化錫納米線處曝光。經過顯影定影，
採用濺射的方法先後沉積20納米厚的銀和30納米厚的金，經剝離清洗後形成 兩個電極l，每個電極的大小是500微米X500微米，電極之間的間距為0.6微 米。即得到N個原型微納器件。 實施例4
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，用原子層沉積系統在矽表面 沉積10納米厚的Hf02，作為基片的絕緣層2，如圖1所示，其中納米材料3 為ZnO納米線，直徑為10納米，長度為2微米，由物理方法合成。使用探針 臺系統的探針移動100個ZnO納米線，使其在基底上2上均勻分散。表面勻膠、 用無掩模光刻機顯微系統査找100個ZnO納米線的位置、依次原位設計曝光圖 形並曝光，然後顯影定影，採用電子束^發系統先後沉積10納米厚的鈦和50 納米厚的金，剝離並清洗，形成兩個電極1，每個電極的大小是30微米X30 微米，電極之間的間距是l微米。即得到100個原型微納器件。 實施例5
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，用原子層沉積系統在矽表面 沉積10納米厚的Hf02，作為基片的絕緣層2，如圖1所示，其中納米材料3 為ZnO納米線，直徑為10納米，長度為2微米，由物理方法合成。使用探針 臺系統的探針移動100個ZnO納米線，使其在基底上2上均勻分散。表面勻膠、 用無掩模光刻機顯微系統査找100個ZnO納米線的位置、依次原位導入曝光圖 形並曝光，然後顯影定影，釆用電子束蒸發系統先後沉積10納米厚的鈦和50納米厚的金，剝離並清洗，形成兩電極1，每個電極的大小是300微米X300 微米，電極之間的間距是l微米。即得到lCH)個原型ZnO納米線微納器件。以 n+型高摻雜矽4作為電晶體的背柵，電極1作為電晶體的源漏電極，ZnO納米 材料作為電晶體的溝道，得到100個具有同一背柵的ZnO納米線電晶體。
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，用原子層沉積系統在矽表面 沉積10納米厚的Hf02，作為基片的絕緣馬2，如圖2所示，其中納米材料3 為ZnO納米線，直徑為10納米，長度為2微米，由物理方法合成。使用探針 臺系統的探針移動100個ZnO納米線，使其在基底上2上均勻分散。表面勻膠、 用無掩模光刻機顯微系統査找100個ZnO納米線的位置、依次原位導入曝光圖 形並曝光，然後顯影定影，採用電子束蒸發系統先後沉積10納米厚的鈦和50 納米厚的金，剝離並清洗，形成兩電極》每個電極的大小是100微米XIOO 微米，電極之間的間距是l微米。即得到100個原型微納器件。然後用原子層 沉積系統在此基片上沉積10納米厚的HfO2作為柵介質5，在其上勻膠，利用 無掩模光刻機的顯微系統查找ZnO納米線連接到兩電極之間的圖形，在此處設 計柵極圖形並原位曝光，採用電子束蒸發系統沉積50納米厚的金，剝離並清洗， 得到具有頂柵6,製備出頂柵結構的ZnO納米線電晶體。 實施例7
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底4，用原子層沉積系統在矽表面 沉積70納米厚的Si3N4，作為基片的絕緣層2，如圖2所示，其中納米材料3 為半導體性碳納米管，直徑為10納米、長度為IO微米，由化學氣相沉積方法 合成。在基片2表面使用原子力顯微鏡的探針移動100個碳納米管，使其在基 底上均勻分散。表面勻膠、用無掩模光刻機顯微系統查找100個碳納米管的位置、依次原位設計曝光圖形並曝光，然後顯影定影，採用電子束蒸發系統沉積
50納米厚的Pd，剝離並清洗，形成兩電極1，每個電極的大小是IOO微米XIOO
微米，電極之間的間距是i微米。即得到ioo個原型碳納米管微納器件。然後
用脈衝雷射沉積系統在此基片上沉積10納米厚的Hf02作為柵介質5,在其上 勻膠，利用無掩模光刻機的顯微系統查找碳納米管連接到兩電極之間的圖形， 在此處設計並導入柵極圖形並原位曝光，採用電子束蒸發系統沉積50納米厚的 金，剝離並清洗，得到具有頂柵6，製備出頂柵結構的碳納米管電晶體。 實施例8
選用普通絕緣玻璃作為基底4和2。如圖3所示，在基底上製備出60納米 的金屬層Pt，作為所要製備電晶體的柵極7。在金屬層上用脈衝雷射沉積的方 法製備出60納米的1^203作為柵介質8。將ZnO納米線(直徑為30納米，長 度為2微米，由物理方法合成)利用超聲的方法均勻分散入乙醇溶液，然後使 用噴塗的方法使溶液分散在襯底基片上，待乙醇揮發後形成ZnO納米線在襯底 上的均勻分散。在基片絕緣層2表面勻膠，將基片放在無掩模光刻機的顯微系 統下觀察，查找出第一個ZnO納米線的位置，然後原位設計並導入兩個電極曝 光圖形，進行曝光，利用類似的方法在第二個、第三個...第N個ZnO納米線 處曝光。經過顯影定影，採用濺射的方法沉積80納米厚的金，經剝離清洗後形 成電極1作為電晶體的源漏極，每個電極的大小是100微米X200微米，電極 之間的間距為0.6微米。即得到N個ZnO納米線電晶體。 實施例9
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底，在矽表面上通過熱氧化的方 法生長出一層500納米厚的SiO2層，作為基片的絕緣層，如圖4所示，其中納 米材料9為四角錐狀ZnO納米材料，由物理方法合成。將四角錐狀ZnO納米材料分散在襯底基片上。在基片絕緣層表面勻膠，將基片放在無掩模光刻機的
顯微系統下觀察，查找出第一個四角錐狀ZnO納米材料的位置，其三端與基底
接觸。原位設計三電極圖形並進行曝光，利用類似的方法在第二個、第三個...
第N個四角錐狀ZnO納米材料處曝光。.-經過顯影定影，採用電子束蒸發的方 法先後沉積50納米厚的金，經剝離清洗後形成三電極10，每個電極的大小是 IOO微米XIOO微米，即得到N個原型微納器件。 實施例10
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底，在矽表面通過原子層沉積系 統沉積10納米厚的Hf02，作為基片的絕緣層，納米材料3為氧化錫納米線， 直徑為20納米，長度為30微米，由物理方法合成。首先利用超聲的方法將氧 化錫納米線均勻分散入乙醇溶液，然後使用噴塗的方法使溶液分散在襯底基片 上，待乙醇揮發後形成氧化錫納米線在襯底上的均勻分散。在基片絕緣層表面 勻膠，將基片放在無掩模光刻機的顯微系統下觀察，査找出一根氧化錫納米線 的位置，然後原位導入具有四個電極的,形並進行曝光，經過顯影定影，採用 濺射的方法先後沉積10納米厚的鈦和30納米厚的金，經剝離清洗後形成四個 電極ll)(如圖5所示)，即得到一個連有四電極的氧化錫納米線原型微納器件。 實施例11
選用(001)取向的n+型高摻雜矽作為基底，在矽表面通過原子層沉積系 統沉積50納米厚的Si3N4，作為基片的絕緣層，納米材料3為氧化錫納米線， 直徑為20納米，長度為10微米。首先利用超聲的方法將氧化錫納米線均勻分 散入乙醇溶液，然後使用噴塗的方法使溶液分散在襯底基片上，待乙醇揮發後 形成氧化錫納米線在襯底上的分散。在基片絕緣層表面勻膠，將基片放在無掩 模光刻機的顯微系統下觀察，查找出一根氧化錫納米線的位置，然後原位導入具有三個電極的圖形並進行曝光，經過顯影定影，採用濺射的方法先後沉積io 納米厚的鈦和60納米厚的金，經剝離清洗後形成三個電極，其中兩個電極1
與納米材料的兩端相連接，另一個電極12不與納米材相連接(如圖6所示)，
用於調控納米材料的載流子濃度，即得到一個氧化錫納米線微納器件。
權利要求
1、一種微納器件的原位構建方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將納米材料分布在襯底基片上；(2)在基片上塗膠，包括勻膠；(3)運用無掩模光刻機的顯微系統查找納米材料的位置，再運用無掩模光刻機原位設計待曝光電極的圖形，使納米材料連接於電極圖形之間；(4)運用無掩模光刻機原位曝光，然後顯影、定影；(5)在基片上沉積金屬電極層、剝離，最後得到納米材料連接於電極之間並位於電極之下的微納器件。
2、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(1)所述的納米材料是能夠製備的納米材料，包括零維納米材料、 一維納米材料、二維納米材料或複合結構的納米體系；其中，複合結構的納米體系包括Y形、多角狀納米材料、多元納米體系以及其它複合體系；納米材料的特徵尺度在1納米-1釐米之間。
3、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(1)所述將納米材料分布在襯底基片上的過程為利用超聲的方法將納米材料均勻分散入相應的溶液，再以以下方法之一將納米材料溶液分散在襯底基片上(1)使用滴定管將納米材料溶液分散在襯底基片上，待溶液揮發後形成納米材料在襯底基片上的分布，(2)使用旋塗或噴塗的方法使納米材料溶液分散在襯底基片上，待溶液揮發後形成納米材料在襯底基片上的分布；或採用以下方法之一將納米材料分散在襯底基片上(1)採用微流體的方法按實際需要將納米材料分布襯底基片上，(2)採用原子力顯微鏡的探針或其它種類的探針移動納米材料，使納米材料按目的要求分布在襯底基片上，(3)釆用鑷子直接將所選材料分布或放在襯底基片上。
4、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(3)所述的電極是在基片的絕緣層上製備的；基片的絕緣層為絕緣材料，包括Si02、玻璃或高介電材料；所述高介電材料包括Si3N4、 A1203、 Hf02、 Y203、 La203、Ta205、 Ti02、 LaA102中的至少一種；絕緣層厚度為1納米-10釐米。
5、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，所述步驟(3)運用無掩模光刻機的顯微系統，找到相應納米材料的位置，找到納米材料位置後，在該位置設計待曝光電極的圖形，使得納米材料的與電極相連接。
6、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(3)所述的納米材料與電極的連接為一端連接、兩端連接、三端連接或多端連接；所設計的電極圖形中，不需要納米材料的毎端都與電極相連接，也不需要每個電極都與納米材料相連接。
7、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，所述步驟(3)運用無掩模光刻機的顯微系統，找到Y形納米材料的位置，然後在Y形的三端位置設計三個電極的曝光圖形，使得納米材料位於電極之間並與電極相連接。
8、按照權利要求1所述的微納器件的tfl建方法，其特徵在於，所述步驟(3)運用無掩模光刻機的顯微系統，找到四角錐狀納米材料的位置，然後在材料與基底接觸的三端位置設計三個電極的曝光圖形，使得納米材料位於電極之間並與電極相連接。
9、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(5)所得的連接有納米材料的電極之間的間距小於納米材料的長度；電極之間的距離為l納米到l釐米之間。
10、 按照權利要求1所述的微納器件的構建方法，其特徵在於，步驟(5)所述的沉積金屬電極層為採用熱蒸發、濺射或電子束蒸發方法在基片上沉積一層導電材料，所述導電材料包括(1) Au、 Ag、 Ti、 Pt、 Pd、 AuGe、 Ta、 W、Co、 Mo、 Cr、 Ni金屬中的一種或幾種的複合或組合；(2)金屬氧化物；(3)其它無機物或有機物導電材料；(4)金屬或半導體納米材料；其中，金屬電極的厚度在1納米到1毫米之間，導電材料的特徵尺度在1納米-1釐米之間。
全文摘要
本發明公開了一種微納器件的原位構建方法，特別是利用無掩模光刻技術原位構建微納器件的方法，它是將納米材料置於電極之間並且與電極相連的一種新方法。其工藝過程為納米材料在基底上的分布、勻膠、通過無掩模光刻機定位納米材料、原位設計曝光圖形並曝光、顯影、定影、金屬層的沉積、剝離，最後形成納米材料位於電極之下並與電極相連的原型微納器件結構。此方法特別適合於具有複雜納米結構的器件的原位構建。此器可以進一步構建其它結構的微納器件，包括納米材料場效應電晶體、微納傳感器、振蕩器和相移器等器件。該方法具有原位製備的優點，成本低、工藝簡單、速度快、對器件損傷小，是一種有著廣泛應用前景的微納器件單元的構建方法。
文檔編號B82B3/00GK101462693SQ200810143760
公開日2009年6月24日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者李秋紅, 王太宏, 亨 趙 申請人:湖南大學