專利名稱：一種多壁碳納米管電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多壁碳納米管電極的制作方法，特別是涉及與集成電路制造工藝兼 容，在利用多壁碳納米管制作微納電子器件時(shí)，能提高多壁碳納米管與金屬電極接觸特性 的電極制作方法。
背景技術(shù)：
碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)特性，在很多方面有著潛在的應(yīng)用前 景。隨著碳納米管管壁中石墨環(huán)排列的螺旋性和管徑變化，碳納米管會(huì)呈現(xiàn)金屬性或半導(dǎo) 體性。金屬性碳納米管，尤其是多壁碳納米管，由于具有很高的電流承載能力，是用作未來(lái) 微納電子器件和集成電路互連導(dǎo)線的理想材料。要實(shí)現(xiàn)碳納米管在微納電子器件中的應(yīng)用 還有許多問(wèn)題需要解決，例如，碳納米管與金屬電極之間的接觸問(wèn)題，它將嚴(yán)重影響器件性 能的穩(wěn)定，有效控制和提高碳納米管與金屬電極接觸特性是制造穩(wěn)定可靠的納米電子器件 的前提。目前所報(bào)道的關(guān)于利用合成的單根碳納米管制作原型器件和研究其電學(xué)特性的工 作中，實(shí)現(xiàn)碳納米管與金屬電極接觸的方法主要有以下兩種第一種方法是將合成的碳納 米管分散到絕緣基片上，通過(guò)微納加工技術(shù)制作金屬電極壓在碳納米管上；第二種方法是 利用金屬納米探針直接接觸碳納米管。現(xiàn)對(duì)這兩種實(shí)現(xiàn)碳納米管與金屬電極接觸的方法具 體描述如下1.通過(guò)微納米加工技術(shù)將金屬電極壓于碳納米管之上參見(jiàn)文件1，“單根碳納米 管白勺電導(dǎo)，，(Electrical conductivity of individual carbon nanotubes)，載于〈〈Nature〉〉 1996，Vol. 382 :54-56上；它是將碳納米管分散到具有氧化層的硅基片上，然后利用聚焦離 子束誘導(dǎo)沉積金屬鎢電極于碳納米管上以形成電學(xué)接觸。通過(guò)這種方法形成的電學(xué)接觸， 由于僅僅是多層碳納米管的外層管壁直接與金屬電極接觸，通常只有外層管壁參與導(dǎo)電， 而內(nèi)層管壁幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，并沒(méi)有充分發(fā)揮多壁碳納米管應(yīng)有的強(qiáng)大電流承載能力。2.利用金屬納米探針直接接觸碳納米管參見(jiàn)文件2 “多壁碳納米管中的多通道 彈道輸運(yùn)，，(Multichannel Ballistic Transport in Multiwall Carbon Nanotubes),載于 ((Physical Review Letters)) 2005, Vol. 95 :086601上；它是通過(guò)熱燈絲化學(xué)氣相沉積方法 將多壁碳納米管生長(zhǎng)在鎢絲襯底上，以鎢絲襯底作為其中一個(gè)電極，在掃描電子顯微鏡中 原位觀察，操縱一根可移動(dòng)的鎢納米探針接近多壁碳納米管的另一端，在鎢納米探針和碳 納米管間施加一個(gè)電壓產(chǎn)生放電，在接觸部位產(chǎn)生高溫使得鎢納米探針與多壁碳納米管焊 接在一起，從而形成良好的歐姆接觸。測(cè)量結(jié)果表明該多壁碳納米管的電導(dǎo)高達(dá)(460-490) (V最大電流達(dá)到7. 27mA，多壁碳納米管的幾乎每一層管壁都參與了電輸運(yùn)過(guò)程，其電流承 載能力得到了極大提高。但是這樣的方法僅適用于納米管的電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，與目前的 集成電路制造工藝并不兼容?？傊?，目前利用合成的單根多壁碳納米管制作原型器件和研究其電學(xué)特性時(shí)，實(shí) 現(xiàn)多壁碳納米管與金屬電極接觸的方法通常只是外層碳納米管管壁參與導(dǎo)電，沒(méi)能充分發(fā) 揮多壁碳納米管應(yīng)有的強(qiáng)大電流承載能力，或者通過(guò)金屬納米探針與碳納米管的多層管壁同時(shí)直接接觸而提高其電流承載能力，但這樣的方法與集成電路制造工藝并不兼容。雖然 有人提出先制作金屬電極并在電極端部放置生長(zhǎng)碳納米管所需的金屬催化劑顆粒，然后再 生長(zhǎng)碳納米管連接于金屬電極之間，但是對(duì)于所生長(zhǎng)的碳納米管的方向、尺寸和數(shù)量的控 制并不十分理想。因此，發(fā)展一種能有效體現(xiàn)多壁碳納米管高電流承載能力特性的電極制 作方法是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有的制作多壁碳納米管接觸電極的方法所存在的僅 有外層管壁參與導(dǎo)電的缺點(diǎn)，而提供一種多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方 法，該方法能制做提高多壁碳納米管與金屬電極接觸特性的多壁碳納米管電極，使多壁碳 納米管的多層管壁都與金屬電極直接接觸，達(dá)到提高多壁碳納米管電流承載能力的目的。 該方法與集成電路制造工藝兼容，適用于利用單根多壁碳納米管制作微納電子器件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的多壁碳納米管電極的制作方法，其步驟如下1)選擇具有絕緣介質(zhì)層1的平整基片作為襯底；2)將多壁碳納米管分散于襯底上；3)將分散有多壁碳納米管的襯底放入電子束曝光系統(tǒng)中，選定其中一單根多壁碳 納米管2，并記錄該單根多壁碳納米管2的坐標(biāo)位置，然后將襯底從電子束曝光系統(tǒng)中取 出；在具有該單根多根碳納米管2的襯底表面旋涂正性光刻膠，利用熱板進(jìn)行烘烤；再次將 襯底放入電子束曝光系統(tǒng)，按照之前記錄的所述單根多壁碳納米管2的坐標(biāo)位置，進(jìn)行曝 光制作出電極圖案，將襯底從電子束曝光系統(tǒng)中取出，經(jīng)過(guò)顯影和定影后，在襯底上的光刻 膠層中形成電極圖案；4)采用鍍膜工藝在具有電極圖案的襯底表面上沉積金屬膜，并放入丙酮溶液中進(jìn) 行溶脫剝離處理，在襯底上形成壓于該單根多壁碳納米管之上的金屬電極3 ；5)將步驟4)所述襯底放入聚焦離子束系統(tǒng)中，在襯底的所述金屬電極3與多壁碳 納米管2接觸的部位打孔4，孔深穿透所述單根多壁碳納米管；6)然后將步驟4)所述襯底放入等離子體刻蝕系統(tǒng)，用等離子體刻蝕以改善孔內(nèi) 多壁碳納米管的截面質(zhì)量；7)利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在步驟4)所述襯底的孔內(nèi)沉積金屬5，使所述單 根多壁碳納米管2與金屬電極3之間通過(guò)金屬5形成直接接觸，得到本發(fā)明的多壁碳納米 管電極。在上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述的絕緣介質(zhì)層1包括氧化硅、氮化硅、氧化鋁、 氧化鉿以及其它絕緣介質(zhì)。其中氧化硅可以通過(guò)熱氧化硅片獲得，也可以通過(guò)濺射沉積或 化學(xué)氣相沉積方法獲得；氮化硅通常通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法制得；氧化鋁和氧化鉿可以通 過(guò)濺射沉積或原子層沉積方法制得。它們的厚度一般為10-500納米，具體厚度根據(jù)制作器 件的實(shí)際需要而定。在上述技術(shù)方案中，步驟幻中所述的將多壁碳納米管分散于襯底上通常是將含 有多壁碳納米管的材料溶解稀釋于丙酮、酒精或其他溶劑中，然后用滴管將其滴于襯底上， 干燥后多壁碳納米管即分布散落于襯底表面。
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在上述技術(shù)方案中，步驟3)中所述的尋找所需的單根多壁碳納米管2并記錄其坐 標(biāo)位置需要事先在襯底上制作兩個(gè)或三個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，以便以此確定樣品坐標(biāo)系，當(dāng)襯底再 次放入電子束曝光系統(tǒng)時(shí)，同樣用這些對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記來(lái)定義確定樣品坐標(biāo)系，使得兩次的樣品 坐標(biāo)系重合。在上述技術(shù)方案中，步驟4)中所述的鍍膜工藝可以采用金屬靶濺射法，包括磁控 濺射、直流輝光濺射或離子束濺射等，也可以采用金屬蒸鍍法，包括熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā) 等；沉積的金屬薄膜的種類依據(jù)所要制作器件的實(shí)際需要而定，金屬薄膜的厚度不能超過(guò) 所旋涂的光刻膠厚度，通常是光刻膠厚度的1/3-1/2為宜。在上述技術(shù)方案中，步驟幻中所述的打孔工藝可以采用聚焦離子束刻蝕方法，也 可以采用激光打孔方法，通常打孔直徑接近多壁碳納米管直徑為宜。在上述技術(shù)方案中，步驟6)中所述的等離子體刻蝕工藝可以采用反應(yīng)離子刻蝕 方法，也可以采用其它等離子濺射方法，刻蝕氣體可以采用氧氣，也可以采用氬氣，刻蝕時(shí) 間以能夠刻蝕掉幾個(gè)碳原子層為宜，一般為20秒到2分鐘。在上述技術(shù)方案中，所述步驟7)中的利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在孔內(nèi)沉積 金屬鎢是利用含鎢有機(jī)物作為反應(yīng)氣體，通過(guò)將該反應(yīng)氣體噴射到孔內(nèi)，同時(shí)用離子束轟 擊使含鎢有機(jī)物分解，金屬鎢原子沉積于孔內(nèi)，分解的碳氧原子被真空泵抽走，金屬鎢沉積 的位置和形狀由離子束轟擊掃描的位置和圖案確定。所述含鎢有機(jī)物為W(C0)6。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.本發(fā)明利用電子束曝光等微納米加工技術(shù)在多壁碳納米管上制作金屬電極后， 通過(guò)聚焦離子束技術(shù)在金屬電極與多壁碳納米管接觸的部位打孔，然后利用等離子體刻蝕 方法處理小孔，并用聚焦離子束沉積金屬，使多壁碳納米管的多層管壁都與金屬電極直接 接觸，提供了一種能提高多壁碳納米管與金屬電極接觸特性的電極制作方法，從而提高多 壁碳納米管的電流承載能力。2.在整個(gè)工藝過(guò)程中，采用的都是常規(guī)的微納米加工技術(shù)，因此該方法對(duì)于集成 電路制造工藝而言具有良好的兼容性，適用于利用單根多壁碳納米管制作微納電子器件。


圖Ia至圖Ic為本發(fā)明的多壁碳納米管接觸電極的制作流程示意圖圖Ia為將多壁碳納米管分散于襯底上的示意圖；圖Ib為利用微納米加工技術(shù)在單根多壁碳納米管上制作金屬電極的示意圖；圖Ic為利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)在金屬電極與多壁碳納米管接觸的部位打孔， 并用等離子體處理的示意圖；圖Id為利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在孔中沉積金屬。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述對(duì)本發(fā)明。實(shí)施例1參照?qǐng)D1，按本發(fā)明的方法制作本實(shí)施例如圖加至圖2c所示的多壁碳納米管四電極測(cè)試器件，其步驟如下1)選用500納米厚的具有熱氧化制成的S^2膜的硅片作為襯底；2)將多壁碳納米管溶解稀釋于酒精溶劑中，經(jīng)過(guò)1小時(shí)超聲波振動(dòng)分散，之后用 滴管將含有多壁碳納米管的酒精溶液滴于襯底上，將襯底在50°C熱板上烘烤2分鐘，使多 壁碳納米管分布散落于襯底表面；3)將步驟2)的分散有多壁碳納米管的襯底放入Raith 150電子束曝光系統(tǒng)中， 在掃描電鏡模式下觀察襯底上的多壁碳納米管，選定一單根多壁碳納米管并記錄其坐標(biāo)位 置，然后將襯底從電子束曝光系統(tǒng)中取出；在具有該單根多壁碳納米管的襯底表面上旋涂 厚度為100納米的正性光刻膠PMMA，并在180°C熱板上烘烤1分鐘，再次將所述襯底放入 Raith 150電子束曝光系統(tǒng)，按照之前記錄的該單根多壁碳納米管的坐標(biāo)位置，曝光制作出 四電極圖案，再次將襯底從Raith 150電子束曝光系統(tǒng)中取出，經(jīng)過(guò)顯影和定影后，在分散 有多壁碳納米管的襯底上的光刻膠層中形成四電極圖案；4)采用熱蒸發(fā)鍍膜方法在步驟幻的襯底上首先沉積5納米厚的鈦膜，然后沉積 40納米厚的金膜，并將所述襯底放入丙酮溶液中進(jìn)行溶脫剝離處理，形成壓干所述襯底的 單根多壁碳納米管之上的金屬電極3，其掃描電鏡圖片請(qǐng)參見(jiàn)圖加；5)將步驟4)襯底放入FEI DB235聚焦離子束系統(tǒng)中，用加速電壓為30kV，束流為 IOpA的( 離子對(duì)襯底進(jìn)行轟擊，在襯底的金屬電極3與多壁碳納米管2接觸的部位被轟擊 打孔，其孔深度穿透多壁碳納米管2，打孔后掃描電鏡圖片請(qǐng)參見(jiàn)圖2b ；6)將步驟5)襯底放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行刻蝕；所述反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng) 的反應(yīng)腔體壓力為0. 7Pa，直流偏壓100V，功率200W，氧氣流量20sCCm，刻蝕時(shí)間30秒；7)然后利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在所述孔內(nèi)沉積金屬鎢，在孔的位置進(jìn)行離 子束掃描，通過(guò)氣體注入系統(tǒng)噴射W(CO)6到孔內(nèi)，同時(shí)用高能量的離子束轟擊使其分解，將 金屬鎢原子沉積于孔內(nèi)，使該多壁碳納米管2的多層管壁與金屬電極3之間通過(guò)金屬鎢形 成直接接觸，得到多壁碳納米管四電極測(cè)試器件，其掃描電鏡圖片請(qǐng)參見(jiàn)圖2c ；在打孔前后分別測(cè)量多壁碳納米管的電輸運(yùn)性質(zhì)，結(jié)果表明通過(guò)打孔再沉積金屬 形成新的接觸后，多壁碳納米管的電導(dǎo)提高了 10倍以上；實(shí)施例2本實(shí)施例在氧化鋁絕緣介質(zhì)層上制作多壁碳納米管的金屬測(cè)量電極。參考圖1，本實(shí)施例的制備方法按照?qǐng)D1的工藝流程進(jìn)行，詳細(xì)描述如下1)將硅片放入Cambridge NanoTech Inc生產(chǎn)的Savannah-100原子層沉積系統(tǒng) 中，在硅片上生長(zhǎng)50納米厚的氧化鋁絕緣介質(zhì)層，底層硅在器件測(cè)量時(shí)可以作為柵電極；2)將多壁碳納米管溶解稀釋于酒精溶劑中，經(jīng)過(guò)1小時(shí)超聲波振動(dòng)分散，用滴管 將含有多壁碳納米管的酒精溶液滴于具有氧化鋁絕緣介質(zhì)層的硅襯底上，在50°C的熱板上 烘烤硅襯底1分鐘，多壁碳納米管分散于襯底的氧化鋁絕緣介質(zhì)層上；3)將分散有多壁碳納米管的襯底放入Raith 150電子束曝光系統(tǒng)中，通過(guò)掃描電 鏡觀察襯底上的多壁碳納米管，選定一單根多壁碳納米管并記錄其坐標(biāo)位置，然后將襯底 從Raith 150電子束曝光系統(tǒng)中取出；在具有該單根多壁碳納米管的襯底表面上旋涂100 納米厚的正性光刻膠PMMA，并在180°C熱板上烘烤1分鐘；再次將襯底放入Raith 150電子 束曝光系統(tǒng)，按照之前記錄該單根多壁碳納米管的坐標(biāo)位置，曝光制作出電極圖案，將襯底從Raith 150電子束曝光系統(tǒng)中取出，經(jīng)過(guò)顯影和定影后，在襯底上的光刻膠層中形成電 極圖案；4)采用熱蒸發(fā)鍍膜方法在襯底具有電極圖案的表面上首先沉積5納米厚的鈦膜， 然后再沉積50納米厚的金膜，將襯底放入丙酮溶液中進(jìn)行溶脫剝離處理，光刻膠上的金屬 膜被溶脫剝離下來(lái)，留下壓在所述單根多壁碳納米管2上的金屬電極3 ；5)將襯底放入FEI DB235聚焦離子束系統(tǒng)中，利用加速電壓為30kV，束流為IOpA 的聚焦( 離子轟擊，在金屬電極與多壁碳納米管接觸的部位打孔，孔深度穿透多壁碳納米 管，然后利用Ar離子濺射處理小孔1分鐘；最后，在孔內(nèi)利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積金屬鉬， 所述該單根多壁碳納米管的多層管壁2與金屬電極3之間通過(guò)金屬鉬形成直接接觸，便制 成了本實(shí)施例的在氧化鋁絕緣介質(zhì)層上制作多壁碳納米管的金屬測(cè)量電極。
權(quán)利要求
1.一種多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其包括以下步驟1)選擇具有絕緣介質(zhì)層(1)的平整基片作為襯底；2)將多壁碳納米管分散于襯底上；3)將分散有多壁碳納米管的襯底放入電子束曝光系統(tǒng)中，選定其中一單根多壁碳納 米管O)，并記錄該單根多壁碳納米管O)的坐標(biāo)位置，然后將襯底從電子束曝光系統(tǒng)中取 出；在具有該單根多根碳納米管O)的襯底表面旋涂正性光刻膠，利用熱板進(jìn)行烘烤；再次 將襯底放入電子束曝光系統(tǒng)，按照之前記錄的所述單根多壁碳納米管O)的坐標(biāo)位置，進(jìn) 行曝光制作出電極圖案，將襯底從電子束曝光系統(tǒng)中取出，經(jīng)過(guò)顯影和定影后，在襯底上的 光刻膠層中形成電極圖案；4)采用鍍膜工藝在具有電極圖案的襯底表面上沉積金屬膜，并放入丙酮溶液中進(jìn)行溶 脫剝離處理，在襯底上形成壓于該單根多壁碳納米管之上的金屬電極(3)；5)將步驟4)所述襯底放入聚焦離子束系統(tǒng)中，在襯底的所述金屬電極(3)與多壁碳納 米管( 接觸的部位打孔G)，孔深穿透所述單根多壁碳納米管；6)然后將步驟4)所述襯底放入等離子體刻蝕系統(tǒng)，用等離子體刻蝕以改善孔內(nèi)多壁 碳納米管的截面質(zhì)量；7)利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在步驟4)所述襯底的孔內(nèi)沉積金屬(5)，使所述單根 多壁碳納米管(2)與金屬電極(3)之間通過(guò)金屬(5)形成直接接觸，得到多壁碳納米管電 極。
2.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟1)中所述的絕緣介質(zhì)層(1)的材質(zhì)為氧化硅、氮化硅、氧化鋁或氧化鉿，其厚 度一般為10-500納米。
3.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟2)中所述的將多壁碳納米管分散于襯底上通常是將多壁碳納米管溶解稀釋 于有機(jī)溶液中，然后用滴管將其滴于襯底上，干燥后多壁碳納米管即分布散落于襯底表面。
4.按權(quán)利要求3所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述的有機(jī)溶液為丙酮或酒精。
5.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟4)中所述的鍍膜工藝為金屬靶濺射法或金屬蒸鍍法；所述金屬靶濺射法為磁 控濺射、直流輝光濺射或離子束濺射；所述金屬蒸鍍法為熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)；所沉積的 金屬膜的厚度為所述正性光刻膠厚度的1/3-1/2。
6.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟幻中打孔采用聚焦離子束刻蝕打孔，或采用激光打孔；孔徑等于所述單根多 壁碳納米管的直徑。
7.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟6)等離子體刻蝕或離子濺射采用氧氣或氬氣，刻蝕時(shí)間為20秒到2分鐘。
8.按權(quán)利要求1所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述步驟7)中的利用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)在孔內(nèi)沉積金屬鎢是利用含鎢有機(jī)物 作為反應(yīng)氣體，通過(guò)將該反應(yīng)氣體噴射到孔內(nèi)，同時(shí)用離子束轟擊使含鎢有機(jī)物分解，金屬 鎢原子沉積于孔內(nèi)，分解的碳氧原子被真空泵抽走，金屬鎢沉積的位置和形狀由離子束轟擊掃描的位置和圖案確定。
9.按權(quán)利要求8所述的多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其特征在 于，所述含鎢有機(jī)物為W (CO) 6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層管壁參與導(dǎo)電的多壁碳納米管電極的制作方法，其包括將多壁碳納米管分散于具有絕緣介質(zhì)層襯底上；通過(guò)電子束曝光等微納米加工技術(shù)制作僅接觸多壁碳納米管外層管壁的金屬電極；利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)在金屬電極與多壁碳納米管接觸的部位打孔；然后利用等離子體刻蝕方法處理小孔；并用聚焦離子束沉積金屬，使多壁碳納米管的多層管壁均與金屬電極直接接觸；該方法使多壁碳納米管的多層管壁都參與導(dǎo)電，可以提高多壁碳納米管的電流承載能力；該方法與集成電路制造工藝兼容，適用于利用單根多壁碳納米管制作微納電子器件。
文檔編號(hào)B82B3/00GK102107854SQ20091024358
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者崔阿娟, 羅強(qiáng), 顧長(zhǎng)志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所