專利名稱：一種制備三維微納器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維微納器件技術(shù)領(lǐng)域，是自由站立、三維微納結(jié)構(gòu)的制作方法，特別 涉及一種基于聚焦離子束(FIB)的三維微納結(jié)構(gòu)的生長功能來制作不位于支撐襯底平面 內(nèi)的電極接觸及配線，形成電流與支撐襯底平面成一定夾角流動(dòng)的三維微納器件的方法。
背景技術(shù)：
過去幾十年的發(fā)展經(jīng)歷表明，微電子領(lǐng)域器件集成的發(fā)展很快就會(huì)達(dá)到物理及/ 或經(jīng)濟(jì)上的極限。納米電子器件是繼微電子器件之后的下一代固體電子器件，其主要思想 是基于納米功能材料的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，以達(dá)到將集成電路進(jìn)一步減 小，并替代傳統(tǒng)的硅器件的終極目標(biāo)。為了突破傳統(tǒng)的微電子集成工藝的極限，大量的科研 工作者已投入越來越多的人力物力來研究新材料，先進(jìn)的工藝技術(shù)與新器件類型。一維/ 準(zhǔn)一維納米材料由于其獨(dú)特的物理特性以及其在電子、光子及生物傳感等納米器件上的應(yīng) 用而備受關(guān)注。隨著電子器件尺寸朝著小尺度、低維方向的發(fā)展，研究人員們不斷地合成出 形貌豐富的有序排列的自由站立的三維納米材料。對(duì)于一端固定在襯底表面，另一端自由 伸展的納米實(shí)體，如納米線，納米管，納米棒等，怎樣直接在其自由伸展端制作電極仍是一 個(gè)亟待解決的技術(shù)難題?；趥鹘y(tǒng)的光刻技術(shù)或電子束曝光技術(shù)的工藝根本無法解決這一 問題。對(duì)不位于襯底平面內(nèi)的材料進(jìn)行電學(xué)等特性測試，通常的處理方法如下首先將 材料從襯底上分離開來，這包括納米實(shí)體的刮取收集、液相分散，表面轉(zhuǎn)移等步驟，參見文 獻(xiàn)“Optical and electrical properties ofZnO nanowires grown on aluminium foil by non-catalytic thermalevaporation，，·《Nanotechnology》· 2007，Vol. 18 :175606。在該 文中，首先將生長于襯底上的ZnO納米線經(jīng)刀片刮離襯底，然后放入乙醇溶液進(jìn)行超聲使 聚團(tuán)納米線族分離，之后取分散液少量，滴到具有絕緣薄膜層的襯底表面；電極的制作則采 用電子束曝光或聚焦離子束沉積的方法。上述方法的不足之處在于1.使用刀片對(duì)襯底上 的納米材料進(jìn)行分離容易對(duì)納米材料造成機(jī)械損傷，并破壞了其原始幾何形狀，尤其是對(duì) 于多臂或其它形狀復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)；2.分散液進(jìn)行取液時(shí)具有很大的隨機(jī)性，不僅在尋找 分散的單一納米材料時(shí)耗費(fèi)時(shí)間，也很難對(duì)之前所關(guān)注的單根納米材料進(jìn)行測試研究。另 外一種可以克服上述某些不足的方法是利用聚焦離子束的刻蝕功能，將自由站立微納材料 準(zhǔn)確無誤的與襯底分離，使之位于支撐襯底平面，然后進(jìn)行電極制作。歸根到底，這兩種方 法所制作的器件，電流的流動(dòng)均位于襯底平面內(nèi)，是一種間接的、平面器件的加工方法，改 變了材料的原始空間結(jié)構(gòu)與位置，對(duì)集成度的提高具有較大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種制備三維微納器件的方 法，直接在自由站立微納材料的自由端準(zhǔn)確無誤的形成微納電極及三維配線，實(shí)現(xiàn)真正意 義上的三維器件的制作，為微納器件多功能混合集成提供新的工藝途徑。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種制備三維微納器件的方法，其包括下列步驟(1)樣品放置與固定(i)若襯底是具有表面絕緣薄膜層的導(dǎo)電襯底，用導(dǎo)電物質(zhì)從襯底背面將其固定 在樣品托上；(ii)若襯底是具有表面導(dǎo)電層的電絕緣襯底，將樣品固定在樣品托上后，再用導(dǎo) 電物質(zhì)將樣品表面與樣品托連接.將固定于樣品托上的樣品放入雙束SEM/FIB或單束FIB 腔體內(nèi)的樣品臺(tái)上，然后對(duì)樣品臺(tái)實(shí)行一定角度的傾斜，使FIB垂直于襯底入射；(2)自由站立的三維微納材料的圖形觀測移動(dòng)樣品臺(tái)，用SEM或低束流離子流進(jìn)行圖形觀測，找到需要形成電極接觸的自 由站立微納材料及其自由端的位置，并測量其尺寸；(3)襯底平面內(nèi)電極接觸塊及/或連線的生長a)在生長自由站立微納材料材料前，采用傳統(tǒng)的光刻、電子束曝光或聚焦離子束 沉積方法形成襯底平面內(nèi)的大電極接觸塊與連線；b)對(duì)于自由站立微納材料生長前沒有任何電極接觸的情況，根據(jù)材料的位置，采 用聚焦離子束，原位生長電極接觸塊與/或電極引線；(4)三維電極接觸及連線的制作對(duì)自由站立微納材料形成三維電極接觸與連線；(5)襯底上殘余沉積的清除將樣品臺(tái)傾斜一定的角度，使離子束以一定的角度側(cè)向入射，使步驟4)中加工的 三維結(jié)構(gòu)的正下方完全無遮擋的暴露在FIB視場中；然后設(shè)定掃描區(qū)域，將三維結(jié)構(gòu)下方 的殘余沉積去除；(6)得成品。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(3)中的a)步，當(dāng)自由站立微納材 料的自由端的投影與接觸塊間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，需用FIB生長一連接線將兩者間的距離縮 短，包括步驟(i)獲取待加工的自由站立微納材料與電極接觸塊的FIB圖像；(ii)利用設(shè) 備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的連接線圖形，確定其位置；(iii)引入金屬有機(jī)物氣 態(tài)分子源；(iv)打開FIB掃描沉積金屬連線，連線的一端應(yīng)與自由站立微納材料的自由端 投影相接近，另一端連接大的電極接觸塊。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(3)中的b)步，包括步驟⑴獲取 待加工的自由站立微納材料與電極接觸塊的FIB圖像；(ii)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生 成需要加工的連接線圖形，確定其位置；(iii)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(iv)打開FIB 掃描，原位生長電極接觸塊與/或電極引線。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(4)分別通過以下方法實(shí)現(xiàn)(iv)靜電位移法，設(shè)定一特定的掃描區(qū)域后，引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源，開始 FIB掃描并采用靜電偏壓對(duì)離子束以一定的速度連續(xù)的偏轉(zhuǎn)位移以獲得三維結(jié)構(gòu)；(ν)圖形掃描法，通過設(shè)備程序控制離子束掃描的掃描時(shí)間與區(qū)域來生長連續(xù)的 三維結(jié)構(gòu)；(vi)精確控制樣品臺(tái)位移法，通過樣品臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)來改變離子束在襯底上掃描的相對(duì)位置，以形成三維結(jié)構(gòu)。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(ii)，利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件 生成需要加工的圖形系列，根據(jù)特定生長條件下的生長速率，精確設(shè)定前一圖形掃描區(qū)域 與相繼的后一掃描區(qū)域的重合系數(shù)與掃描時(shí)間來獲得連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(4)的(i)靜電位移法，包括步驟(a)收集待加工的自由站立微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB 圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位置； (c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描，并以一定的速率將離子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)位 移，直到沉積的三維金屬連線與自由站立微納材料的上端接觸；(ii)圖形掃描法，包括步驟(a)收集待加工的自由站立微納材料及與之相鄰的 連接線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成離子束掃描圖形組， 確定每一圖形的具體位置與掃描時(shí)間；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描 生長三維結(jié)構(gòu)，形成電極接觸；(iii)精確控制樣品臺(tái)位移法，三維電極接觸的制作過程包括步驟(a)收集待加 工的自由站立微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖 形發(fā)生器軟件生成單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位置；(c)引入金屬有機(jī)物氣 態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描，通過樣品臺(tái)的移動(dòng)生長三維接觸結(jié)構(gòu)。所述的制備三維微納器件的方法，其所述利用聚焦離子束的金屬沉積功能制作電 極時(shí)，與材料自由伸張端直接連接的連接線的生長，采用低束流彡20pA。所述的制備三維微納器件的方法，其所述步驟(5)中，對(duì)三維結(jié)構(gòu)周圍的殘余沉 積，采用垂直或其他的入射角度去除殘余沉積；利用聚焦離子束對(duì)殘余沉積清除時(shí)，束流為 PA到nA量級(jí)。所述的制備三維微納器件的方法，其所述樣品，不僅為納米棒、納米管或納米線的 單一納米結(jié)構(gòu)，還包括自由伸展端在空間位置上無阻擋的自由站立的三維微納結(jié)構(gòu)；材質(zhì) 可以是金屬、半導(dǎo)體、有機(jī)物、雜合物、介質(zhì)材料或幾種材料的組合體，但其導(dǎo)電性要能避免 離子束掃描引起的電荷積累；三維材料自由伸展端與襯底平面間有一定傾斜角度，該角度 的取值范圍在0° < Φ彡90°之間。所述的制備三維微納器件的方法，其所述金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源可為單一或多種 金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源的混合體，要求生成的三維結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電的。本發(fā)明方法與現(xiàn)有的對(duì)一端固定在襯底上，另一端自由伸展的微納材料進(jìn)行電極 加工方法相比，優(yōu)點(diǎn)在于1.低束流的聚焦離子束(FIB)沉積是一種脫離掩模版及抗蝕劑的直寫技術(shù)，形成 的圖形分辨率可與電子束曝光制作的圖形尺寸相比擬，更為突出的是FIB可以生長導(dǎo)電性 能較好的、納米尺度的三維復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)使三維混合集成連線的制作成為可能。2.基于離子束化學(xué)氣相三維材料的生長制作納米電極，避免了對(duì)納米材料的空間 結(jié)構(gòu)與位置的破壞及機(jī)械損傷，形成的是三維器件結(jié)構(gòu)，有源區(qū)的面積非常小，電流與襯底 表面成一定的角度流動(dòng)，有利于提高器件密度。3.對(duì)于生長于事先加工好的電極接觸圖形間的三維材料，電極接觸與器件的形成 可在SEM/FIB或單束FIB系統(tǒng)上一次性完成，具有時(shí)間及成本優(yōu)勢；進(jìn)一步保證了對(duì)納米材料電極結(jié)構(gòu)制作的靈活性、完整性與準(zhǔn)確性。4.利用FIB對(duì)材料的定點(diǎn)選擇性刻蝕功能，低束流刻蝕與材料的生長相結(jié)合，在 有效的去除殘余沉積的同時(shí)，還可以對(duì)器件或電路進(jìn)行原位修復(fù)。


圖1為本發(fā)明一種制備三維微納器件的方法中，三維結(jié)構(gòu)的靜電位移生長示意 圖，其中，襯底11、離子束掃描區(qū)域12、靜電位移步長為Ar、離子束的停留時(shí)間為At、豎向 箭頭所指為At內(nèi)的離子束掃描區(qū)域，橫向箭頭所指離子束掃描靜電位移方向，三維結(jié)構(gòu) 的懸空部分與襯底的夾角為θ ；圖加-c為本發(fā)明實(shí)施例1的對(duì)垂直于襯底生長的鎢納米棒的上端形成納米接觸 的SEM側(cè)視圖片a，垂直于襯底生長的鎢納米棒；b，利用FIB在a中納米棒的上端形成三維 納米電極接觸及配線；c，F(xiàn)IB刻蝕去除b中三維納米結(jié)構(gòu)下方殘余沉積。其中襯底21，Au 電極接觸快22，F(xiàn)IB生長的鎢連接線23，鎢納米棒對(duì)，鎢納米棒的上端25 ；FIB生長的三維 納米結(jié)構(gòu)組成部分沈，27，觀，四，殘余沉積去除時(shí)FIB的掃描區(qū)域30。圖3a_d為本發(fā)明實(shí)施例2的在多層膜結(jié)構(gòu)襯底上制作垂直電子器件流程圖a， NbN/Mg0/NbN/Mg0/Si02/Si多層膜結(jié)構(gòu)；b，利用FIB在a上生長鎢納米棒；c，對(duì)b干法刻蝕 后形成三明治納米電極結(jié)構(gòu)；d，F(xiàn)IB生長三維結(jié)構(gòu)形成空間電極與配線，然后利用FIB刻蝕 去除殘余沉積。其中31為Si (襯底)/SiO2 OOOnm)/MgO部分，32與33部分分別為NbN與 MgO，34為鎢納米棒，三明治納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括34下方的(32-33-32)，NbN/(ff-Ga-C-Ο)納米 接觸由33上方的32及34組成，35為三維電極配線，36為接觸電極塊。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為本發(fā)明一種制備三維微納器件的方法示意圖，其中，襯底11、離子 束掃描區(qū)域12、靜電位移步長為△!·、離子束的停留時(shí)間為At、三維結(jié)構(gòu)的懸空部分與襯 底的夾角為θ。本發(fā)明的方法包括步驟(1)樣品放置與固定自有站立微納材料可生長在不同的支撐襯底上，根據(jù)支撐襯底的類型，固定方法 如下(i)若襯底是具有表面絕緣薄膜層的導(dǎo)電襯底，可用導(dǎo)電物質(zhì)從襯底背面將其固定 在樣品托上。(ii)對(duì)具有表面導(dǎo)電層的電絕緣襯底，將樣品固定在樣品托上后，再用導(dǎo)電 物質(zhì)將樣品表面與樣品托連接，以提供導(dǎo)電通道。將固定于樣品托上的樣品放入雙束SEM/ FIB或單束FIB腔體內(nèi)樣品臺(tái)上，然后對(duì)樣品臺(tái)實(shí)行一定角度的傾斜。(2)自由站立微納材料的圖形觀測移動(dòng)樣品臺(tái)，用SEM或低束流離子流進(jìn)行圖形觀測，找到需要形成電極接觸的自 由站立微納材料及其自由端的位置，測量其尺寸。(3)襯底平面內(nèi)電極接觸塊及/或連線的生長襯底平面內(nèi)電極接觸塊及連線的制作大體有兩種方案其一，在生長自由站立微 納材料前，采用傳統(tǒng)的光刻、電子束曝光或聚焦離子束沉積等方法形成襯底平面內(nèi)的大電 極接觸塊與連線。對(duì)于這種已具有大電極接觸塊圖形及/或連線的襯底，當(dāng)自由站立微納材料的自由端的投影與接觸塊間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，需用FIB生長一連接線將兩者間的距離縮 短，過程包括(i)獲取待加工的自由站立微納材料與電極接觸塊的FIB圖像；(ii)利用設(shè) 備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的連接線圖形，確定其位置；(iii)引入金屬有機(jī)物氣 態(tài)分子源；(iv)打開FIB掃描沉積金屬連線。連線的一端應(yīng)與自由站立微納材料的自由端 投影相接近，另一端連接大的電極接觸塊。第二種是對(duì)于自由站立微納材料生長前沒有任 何電極接觸的情況，則根據(jù)材料的位置，采用FIB，通過上述(i)-(ii)-(iii)-(iv)步來原 位生長電極接觸塊與/或電極引線。(4)三維電極接觸及連線的制作采用FIB-CVD原位生長三維結(jié)構(gòu)的工藝方案大體有三種(i)靜電位移法，即設(shè)定 一特定的掃描區(qū)域后，引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源，開始FIB掃描并采用靜電偏壓對(duì)離子 束以一定的速度連續(xù)的偏轉(zhuǎn)位移以獲得三維結(jié)構(gòu)，生長示意圖如圖1所示；(ii)圖形掃描 法，在這種方法中，通過設(shè)備程序控制離子束掃描的掃描時(shí)間與區(qū)域來生長三維結(jié)構(gòu)。這種 方法重復(fù)性、可控性好，但對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求高。需要利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成需要 加工的圖形系列，根據(jù)特定生長條件下的生長速率，精確設(shè)定前一圖形掃描區(qū)域與相繼的 后一掃描區(qū)域的重合系數(shù)與掃描時(shí)間來獲得連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)；(iii)精確控制樣品臺(tái)位移 法，即通過樣品臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)來改變離子束在襯底上掃描的相對(duì)位置來形成三維結(jié)構(gòu)。此 方法的不足在于其較差的可操作性。與以上三種生長方式相對(duì)應(yīng)，可以有三種方法來對(duì)自由站立微納材料形成電極接 觸與連線。對(duì)應(yīng)于方案(i)，三維電極接觸的制作過程包括(a)收集待加工自由站立微納 材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成 單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位置；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開 FIB掃描，并以一定的速率將離子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)位移，直到沉積的三維金屬連線與自由站立材 料的上端接觸。對(duì)應(yīng)于方案(ii)，三維電極接觸的制作過程包括(a)收集待加工自由站立 微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件 生成離子束掃描圖形組，確定每一圖形的具體位置與掃描時(shí)間；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài) 分子源；(d)打開FIB掃描生長三維結(jié)構(gòu)，形成電極接觸。對(duì)應(yīng)于方案(iii)，三維電極接觸 的制作過程包括(a)收集待加工自由站立微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的 FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位 置；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描，通過樣品臺(tái)的移動(dòng)生長三維接觸 結(jié)構(gòu)。(5)襯底上殘余沉積((residue deposition))的清除將樣品臺(tái)傾斜一定的角度，使離子束以一定的角度側(cè)向入射，使步驟4)中加工的 三維結(jié)構(gòu)的正下方完全無遮擋的暴露在FIB視場中。然后設(shè)定掃描區(qū)域，將三維結(jié)構(gòu)下方 的殘余沉積去除。對(duì)三維結(jié)構(gòu)周圍的殘余沉積，可采用垂直或其他的入射角度。一端自由伸展的微納材料與襯底的夾角Φ、以及納米材料與襯底上電極接觸塊間 的距離影響著三維結(jié)構(gòu)生長的位置及生長需要傾斜的角度。若距離太遠(yuǎn)，則需要事先生長 連接線使兩者相距0. 5-5 μ m為佳。距離太大，同時(shí)空間材料的高度又小時(shí)，所需生長傾斜 角度與跨度均很大的三維結(jié)構(gòu)，這增加了三維生長的工藝難度。距離太小，則材料生長的過 程中，可能會(huì)在空間實(shí)體上有沉積發(fā)生，某種程度上改變其原始性能。
利用FIB金屬沉積功能制作電極時(shí)，與自由站立微納材料的自由伸張展端直接 連接的連接線的生長適宜采用低束流(<20pA)生長，其它連接線及電極接觸塊則采用 較大的束流來完成。低束流沉積能很好的避免束流掃描時(shí)由于束流剖面分布特征(beam profile)及二次電子散射等因素產(chǎn)生的在設(shè)定面積區(qū)域外產(chǎn)生的殘余沉積，嚴(yán)重的殘余沉 積可造成電極間的短路或在納微材料周圍形成額外的導(dǎo)電通道；同時(shí)低束流可使由于離子 轟擊對(duì)自由站立微納材料的影響降至最低甚至沒有。較大的束流大體上可以獲得較大的沉 積速率，從而節(jié)省時(shí)間。對(duì)離子束的位移速度是三維材料生長的關(guān)鍵，太慢則懸空部分偏離 豎直方向的傾斜角度(90° -Θ)太小，跨度小，工藝上與空間結(jié)構(gòu)相連的時(shí)間較長。另外， 大的位移速度根本無法對(duì)高度小，與襯底上連接線距離大的自由站立微納材料的自由伸展 端形成接觸。而且過快的位移速度會(huì)使襯底上的殘余沉積增加，相應(yīng)的增加了殘余沉積去 除的時(shí)間。利用FIB對(duì)材料的刻蝕功能對(duì)殘余沉積清除時(shí)，三維結(jié)構(gòu)下方材料的清除可采用 PA到nA量級(jí)的束流。大束流可以增加刻蝕速度，節(jié)省時(shí)間；而低束流可以降低對(duì)三維結(jié)構(gòu) 的影響。[實(shí)施例1]在垂直于襯底的鎢納米棒的自由端形成垂直電極，包括以下步驟1)鎢納米棒的圖像觀測。如圖加所示，直徑為150nm的鎢納米棒Q4)位于 SiO2OOOnm)/Si襯底Ql)上的鎢連接線03)表面的左端。左邊的Αι^22)接觸塊與之相 距約lym。連接線的另一端與襯底上的AU/Cr(50nm/10nm)電極接觸塊相連。將該襯底利 用導(dǎo)電碳帶固定在樣品托上，送入SEM/FIB腔體內(nèi)并固定在樣品臺(tái)上。所用的系統(tǒng)FIB入 射方向與水平面夾角為38° ；打開電子槍(5kV電子束加速電壓，30 μ m的電子束光闌)和 離子槍(30kV離子束加速電壓，IpA的離子束束流)，將樣品臺(tái)上升到工作高度為5mm處，傾 斜樣品臺(tái)使離子束垂直于襯底平面入射；對(duì)納米棒圖像進(jìn)行聚焦與其它參數(shù)調(diào)整。2)加熱金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源導(dǎo)入系統(tǒng)(Precursor gas injectionsystem)。本 實(shí)施例中使的金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源為w(co)6。3)三維納米電極的生長。生長示意圖見圖1 (圖中不成比例)，步驟如下⑴納 米棒圖形位置的確定與尺寸測量，將納米棒與電極連線移到視場中心，利用SEM測量其高 度( 4. 5 μ m)及納米棒與左側(cè)Au接觸塊間的距離( 1 μ m)；然后切換到FIB成像模式 并收集一 FIB圖像；(ii)根部垂直部分的生長(如圖2b中沈部分)，采用圖形發(fā)生器定義 大小為SOnmXSOnm的離子束掃描區(qū)域，并將此圖形放置到納米棒正對(duì)著的金接觸塊的邊 沿，設(shè)定掃描時(shí)間為30s。將金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源的氣體導(dǎo)管引如到襯底表面，打開氣體 導(dǎo)管閥門，選用IpA的離子束束流并啟動(dòng)離子束掃描，其高度約為0. 5μ m ； (iii)懸空三維 配線的生長，這一部分分三段組成(如圖2b中的27，28，四所示)，27部分偏離豎直方向的 角度為 。，在Z方向與X方向的生長分別為3. 3與0. 4 μ m，使用的靜電位移速度與時(shí)間分 別為Ζηπ Γ1與％iin，28部分偏離豎直方向的角度為18°，在Z方向與X方向的生長分別為 0. 6與0. 2 μ m，使用的靜電位移速度與時(shí)間分別為^miT1與Imin ；29部分偏離豎直方向的 角度為，在Z方向與X方向的生長分別為0. 4與0. 3 μ m，使用的靜電位移速度與時(shí)間 分別為enms—1與lmin，三維器件結(jié)構(gòu)見圖2b。4)殘余沉積的去除。將樣品臺(tái)傾斜45°，此時(shí)FIB與襯底間的夾角為7°，然后采
9用圖形發(fā)生器形成圖2c中白色虛線(30)所示掃描區(qū)域，用5pA的束流刻蝕2分鐘，將殘余 沉積去除。在本發(fā)明的步驟1)中，鎢納米棒與襯底的夾角Φ僅為示例性的，可用于本發(fā)明方 法的Φ的取值范圍可以在0° < Φ <90°之間；另外，鎢納米棒還可以是其他材料與形狀 的微納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)包括但不限于諸如納米棒、納米管或納米線的單一納米結(jié)構(gòu)， 所述材料包括金屬、半導(dǎo)體、有機(jī)物、雜合物(composite)、介質(zhì)及他們的組合體。例如Pt， Au, Co, Cu, Ni, Si, GaN, InP, ZnO, C, Pt-ff-Ga-C, SiO2 等。本發(fā)明的硅襯底僅作為示意性的舉例，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，用 來形成垂直器件的自由站立微納材料可生長在不同的襯底上。因此，本發(fā)明根據(jù)襯底的類 型，相應(yīng)地采用以下固定方法(i)若襯底是具有表面絕緣層的導(dǎo)電襯底，可用導(dǎo)電物質(zhì)從襯底背面將其固定在 樣品托上。所述絕緣層包括SiO2, Si3N4，Al2O3或其組合等，且膜厚應(yīng)使襯底在電子束離子束 成像時(shí)無電荷積累但能達(dá)到襯底表面電絕緣效果；所述導(dǎo)電襯底包括Si，GaAs，GaN, InP或 金屬等；此外，也可用普通光學(xué)光刻-金屬沉積-剝離工藝在長有電介質(zhì)薄膜的襯底上制作 金屬接觸圖形并用其為襯底；(ii)若襯底是具有表面導(dǎo)電層的絕緣襯底，可將樣品固定在樣品托上后，再用導(dǎo) 電物質(zhì)將樣品表面與樣品托連接起來。其中，所述導(dǎo)電層包括諸如ITO薄膜的導(dǎo)電氧化物 或單層的或多層的金屬，所述金屬包括Au，Ni, Cr, Cu或Al等；所述絕緣襯底包括玻璃、石 英或藍(lán)寶石等絕緣材料；所述導(dǎo)電物質(zhì)包括導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電碳帶，銅帶等。在本發(fā)明的步驟i)中，所使用的金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源也是示范性的，能生長導(dǎo) 電性能較好的三維結(jié)構(gòu)的其他單一的前驅(qū)體或多個(gè)前軀體的組合均可，包括WF6, PtC7H17, Al (CH3) 3，Au C7H7F6O2或他們的組合等。在本發(fā)明的步驟3)中三維結(jié)構(gòu)生長所采用的束流僅為示例性的，其范圍大約為 20pA及以下量級(jí)。對(duì)離子束采取的靜電位移速度(Ar/At)還要根據(jù)在特定的生長條件 下，納米結(jié)構(gòu)垂直部分生長的速度，需要形成三維接觸的材料的高度以及它與襯底上接觸 塊或連接線之間的距離來定。CVD生長三維結(jié)構(gòu)時(shí)，傾斜部分的生長通常伴隨著豎直方向 與平行于襯底的生長，這不可避免的在襯底上也有附帶的生長。較大的位移速度對(duì)應(yīng)著較 大的傾斜角(90° -Θ) (1/At)，同時(shí)也導(dǎo)致在襯底上更多的殘余沉積。當(dāng)三維結(jié)構(gòu)高 度較短，且與連接線間的距離較大時(shí)，需要采用相對(duì)較大的離子束位移速度，反之，宜采用 較小的離子束位移速度，以降低殘余沉積。采用的生長方法也是示例性的，還可以采用圖 形掃描，樣品臺(tái)精確移動(dòng)等方法。另外，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，本發(fā)明 采用SEM/FIB雙束系統(tǒng)，然而本方法同樣可以在單束或其他FIB系統(tǒng)中所使用；除使用SEM 外，本發(fā)明還可以使用低束流離子流對(duì)需要形成三維電極的的自由站立的微納材料進(jìn)行圖 形觀測，低束流離子流可避免鎵離子對(duì)材料在成像過程中造成的不必要的轟擊；而且，也可 以用多束離子束，電子束進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的生長。此外，在FIB生長的同時(shí)，利用SEM進(jìn)行實(shí) 時(shí)觀測生長過程，實(shí)時(shí)更改離子束位移速度，以調(diào)整接觸點(diǎn)的位置等。在本發(fā)明的步驟4)中，殘余沉積，污染的去除所使用的離子流大小是示例性的， 其范圍大約為PA到nA量級(jí)，樣品臺(tái)的傾斜角度要以離子束能去除三維結(jié)構(gòu)下方的殘余沉積時(shí)，掃描不被其阻擋即可。[實(shí)施例2]在多層膜Si (襯底)/SiA (200nm) /MgO (緩沖層)/NbN (260nm) /MgO/NbN (220nm)結(jié) 構(gòu)上制作垂直納米器件，包括以下步驟1)有源區(qū)的隔離采用光刻技術(shù)在多層膜襯底上形成抗蝕劑圖形區(qū)域，然后用干 法刻蝕RIE (反應(yīng)氣體CF4)及ICP (反應(yīng)氣體BCl3/Ar)，將有源區(qū)分成獨(dú)立的單元，圖3a所 示為加工后的襯底有源區(qū)示意圖，31為Si (襯底)/SiO2 OOOnm)/MgO部分，32與33部分分 別為NbN與MgO層。2)生長鎢納米棒將步驟(1)中加工好的襯底利用導(dǎo)電銀膠固定在樣品托上，送 入SEM/FIB腔體內(nèi)并固定在樣品臺(tái)上；將樣品臺(tái)順時(shí)針傾斜52°，使襯底表面與離子束入 射方向垂直。加熱GIS的鎢源(W(CO)6),打開電子束離子束，選擇IpA的離子束束流，調(diào)整 好工作高度與設(shè)備狀態(tài)。采用設(shè)備圖形發(fā)生器在有源區(qū)中間位置設(shè)置離子束掃描區(qū)域的尺 寸為SOnmX80nm，后導(dǎo)入金屬有機(jī)物氣態(tài)鎢源，設(shè)定離子束掃描時(shí)間為lOmin。鎵離子分解 含鎢的金屬有機(jī)物分子，形成垂直于樣品表面的鎢納米棒(34)，如圖北所示。納米棒生長 結(jié)束后，關(guān)閉鎢源閥門并將GIS系統(tǒng)退回原始非工作位置。3)納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制作。利用圖北中FIB生長的納米棒作為刻蝕的掩模，采用 RIE及ICP，干法刻蝕至下層NbN并剩有約IOOnm厚，形成34下方的三明治納米點(diǎn)結(jié)構(gòu) (32-33-32)以及NbN/ (ff-Ga-C-Ο)納米接觸(由33上方的32及34組成)，如圖3c所示。4)三維電極配線(35)的形成。過程如同實(shí)施例1中的步驟3)，只是對(duì)離子束施 加的位移方向相反。5)接觸電極塊(36)的形成。采用IOpA的FIB束流，設(shè)定有源區(qū)寬度一致的掃描 區(qū)域?qū)⑷S結(jié)構(gòu)下方的NbN層刻透，使之一分為二，則下層剩余的IOOnm厚的NbN可用作大 的電極接觸塊，最終實(shí)現(xiàn)SIS垂直納米結(jié)構(gòu)，器件圖示結(jié)構(gòu)如圖3d。作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述方法突出體現(xiàn)了本發(fā)明在采用FIB生長的垂 直于襯底的納米材料作為納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)制作的掩模，同時(shí)作為垂直電極的優(yōu)異之處。然而，對(duì) 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的另一種更普遍的實(shí)現(xiàn)方式為首先根據(jù)器件要求， 在材料生長的過程中，生長合適的表層材料薄膜層，形成具有特定結(jié)接觸特性的多層結(jié)構(gòu)， 接著生長垂直于襯底平面的納米材料作為掩模，后采用干法或濕法刻蝕形成納米點(diǎn)功能結(jié) 構(gòu)，利FIB-CVD生長三維配線，完成器件制作。對(duì)多層膜材料，F(xiàn)IB生長的納米棒或其他方式生長的其他材料種類的導(dǎo)電納米線， 納米棒等既可作為刻蝕掩模，形成功能納米點(diǎn)，在刻蝕完成后還可作為電極的垂直部分，利 用FIB-CVD，繼而可以生長三維配線，使之與大的接觸塊連接。這種方法形成的垂直器件，有 源區(qū)的面積非常小。在本實(shí)施例的步驟1)中，所使用的多層膜結(jié)構(gòu)僅為示例性的，還可以是其他的多 層膜或單層膜結(jié)構(gòu)，如p+GaN/lnGaN/GaN (MQff) /n+GaN多量子阱結(jié)構(gòu)。有源區(qū)的隔離也可以 用其他的設(shè)備及反應(yīng)氣體來完成，或采用濕法腐蝕，濕法與干法結(jié)合的方法。另外，在本實(shí)施例的步驟2)中，F(xiàn)IB生長的垂直于襯底表面的納米棒也可以由其 他圖形所代替，如方形，三角形，環(huán)形結(jié)構(gòu)，或先生長面積較大的圖形快，然后在其上生長具 有一定高度的納米棒等。掃描區(qū)域大小也可自由設(shè)計(jì)。
此外，在本實(shí)施例的步驟5)中，采用FIB刻蝕將底層剩余的NbN層刻透分開的同 時(shí)，也去處了三維生長時(shí)的殘余沉積，同時(shí)底層的NbN可作為兩接觸電極塊，減少了器件制 作工序。而且上述方法制作的垂直納米器件是自對(duì)準(zhǔn)的，有源區(qū)的面積可以做得很小，其側(cè) 面沒有阻擋，這在發(fā)光器件、表面器件、傳感器的制作上優(yōu)勢更加明顯。盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都應(yīng) 在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備三維微納器件的方法，其特征在于包括下列步驟(1)樣品放置與固定(1)若襯底是具有表面絕緣薄膜層的導(dǎo)電襯底，用導(dǎo)電物質(zhì)從襯底背面將其固定在樣 品托上；(ii)若襯底是具有表面導(dǎo)電層的電絕緣襯底，將樣品固定在樣品托上后，再用導(dǎo)電物 質(zhì)將樣品表面與樣品托連接.將固定于樣品托上的樣品放入雙束SEM/FIB或單束FIB腔體 內(nèi)的樣品臺(tái)上，然后對(duì)樣品臺(tái)實(shí)行一定角度的傾斜，使FIB垂直于襯底入射；(2)自由站立的三維微納材料的圖形觀測移動(dòng)樣品臺(tái)，用SEM或低束流離子流進(jìn)行圖形觀測，找到需要形成電極接觸的自由站 立微納材料及其自由端的位置，并測量其尺寸；(3)襯底平面內(nèi)電極接觸塊及/或連線的生長a)在生長自由站立微納材料前，采用傳統(tǒng)的光刻、電子束曝光或聚焦離子束沉積方法 形成襯底平面內(nèi)的大電極接觸塊與連線；b)對(duì)于自由站立微納材料生長前沒有任何電極接觸的情況，根據(jù)材料的位置，采用聚 焦離子束，原位生長電極接觸塊與/或電極引線；(4)三維電極接觸及連線的制作對(duì)自由站立微納材料形成三維電極接觸與連線；(5)襯底上殘余沉積的清除將樣品臺(tái)傾斜一定的角度，使離子束以一定的角度側(cè)向入射，使步驟4)中加工的三維 結(jié)構(gòu)的正下方完全無遮擋的暴露在FIB視場中；然后設(shè)定掃描區(qū)域，將三維結(jié)構(gòu)下方的殘 余沉積去除；(6)得成品。
2.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟(3)中的 a)步，當(dāng)自由站立微納材料的自由端的投影與接觸塊間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，需用FIB生長一連 接線將兩者間的距離縮短，包括步驟(i)獲取待加工的自由站立微納材料與電極接觸塊 的FIB圖像；(ii)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的連接線圖形，確定其位置； (iii)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(iν)打開FIB掃描沉積金屬連線，連線的一端應(yīng)與自由 站立微納材料的自由端投影相接近，另一端連接大的電極接觸塊。
3.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟(3)中的b) 步，包括步驟(i)獲取待加工的自由站立微納材料與電極接觸塊的FIB圖像；(ii)利用設(shè) 備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的連接線圖形，確定其位置；(iii)引入金屬有機(jī)物氣 態(tài)分子源；(iv)打開FIB掃描，原位生長電極接觸塊與/或電極引線。
4.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟(4)分別通 過以下方法實(shí)現(xiàn)(i)靜電位移法，設(shè)定一特定的掃描區(qū)域后，引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源，開始FIB掃 描并采用靜電偏壓對(duì)離子束以一定的速度連續(xù)的偏轉(zhuǎn)位移以獲得三維結(jié)構(gòu)；(ii)圖形掃描法，通過設(shè)備程序控制離子束掃描的掃描時(shí)間與區(qū)域來生長連續(xù)的三維 結(jié)構(gòu)；(iii)精確控制樣品臺(tái)位移法，通過樣品臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)來改變離子束在襯底上掃描的相對(duì)位置，以形成三維結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟(ii)，利用設(shè) 備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的圖形系列，根據(jù)特定生長條件下的生長速率，精確設(shè) 定前一圖形掃描區(qū)域與相繼的后一掃描區(qū)域的重合系數(shù)與掃描時(shí)間來獲得連續(xù)的三維結(jié) 構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟⑷的⑴靜 電位移法，包括步驟(a)收集待加工的自由站立微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB圖像； (b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位置；(c)引 入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描，并以一定的速率將離子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)位移，直 到沉積的三維金屬連線與自由站立微納材料的上端接觸；( )圖形掃描法，包括步驟(a)收集待加工的自由站立微納材料及與之相鄰的連接 線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成離子束掃描圖形組，確定 每一圖形的具體位置與掃描時(shí)間；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分子源；(d)打開FIB掃描生長 三維結(jié)構(gòu)，形成電極接觸；(iii)精確控制樣品臺(tái)位移法，三維電極接觸的制作過程包括步驟(a)收集待加工的 自由站立微納材料及與之相鄰的連接線或接觸電極塊的FIB圖像；(b)利用設(shè)備的圖形發(fā) 生器軟件生成單個(gè)離子束掃描圖形區(qū)域與大小，確定其位置；(c)引入金屬有機(jī)物氣態(tài)分 子源；(d)打開FIB掃描，通過樣品臺(tái)的移動(dòng)生長三維接觸結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述利用聚焦離子 束的金屬沉積功能制作電極時(shí)，與材料自由伸張端直接連接的連接線的生長，采用低束流 彡 20pA。
8.如權(quán)利要求1所述的制備三維微納器件的方法，其特征在于所述步驟(5)中，對(duì)三 維結(jié)構(gòu)周圍的殘余沉積，采用垂直或其他的入射角度去除殘余沉積；利用聚焦離子束對(duì)殘 余沉積清除時(shí)，束流為PA到nA量級(jí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備三維微納器件的方法，涉及三維微納器件技術(shù)，包括步驟(1)樣品放置與固定；(2)自由站立微納材料的圖形觀測；(3)襯底平面內(nèi)電極接觸塊及/或連線的生長；(4)三維電極接觸及連線的制作；(5)襯底上殘余沉積的清除；(6)得成品。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、器件精確，直接在自由站立的微納材料的自由端準(zhǔn)確無誤的形成微納電極及三維配線，實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維器件的制作，為微納器件多功能混合集成提供新的工藝途徑。
文檔編號(hào)B82B3/00GK102107847SQ200910243010
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者李無瑕, 顧長志 申請人:中國科學(xué)院物理研究所