專利名稱：納米結構體的制造方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在較低的基底溫度下制造納米結構體的方法。更具體而 言，本發明涉及使用了熱控制阻擋層和可選地使用對靶基底的表面進行 加熱的熱源的方法。術語"納米結構體(NS)"在這里是作為上位概念使用的，其包含所有 金屬的、半導體的和絕緣的具有高長徑比的納米結構體，例如單壁和多 壁碳納米管、碳納米纖維、碳納米絲、碳納米束(碳納米管的束)、硅和氧 化硅納米線、氮化鎵納米線、氧化鋅納米線等。術語"熱源"在這里是 作為上位概念使用的，其代表所有加熱形式，例如基于電阻、光、等離 子等的加熱形式。
背景技術：
高長徑比的納米結構體在各種應用中具有巨大的潛力。其產生量子 限域、高長徑比、獨特的電學、光學、力學性質等的小尺寸使其高度合 乎如互連、電極、傳感器、納米激光器等應用的需要。納米結構體的存在已在學術文獻中廣為記載，并被廣泛地研究。據 報導納米結構體可通過多種技術合成。 一個例子是碳納米管，其合成技 術包括電弧放電、激光汽化、電子束和催化熱解。其他已知方法是使用 化學氣相沉積(CVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)。討論碳納米管 的背景信息公開在2000年12月那期的Scientific American (P. G. Collins 等)的第38 45頁的現有技術文件"Nanotubes for electronics"中。此文件 公開了碳納米管(CNT)制造方法，其中將基底放置于真空爐或流式管中， 加熱至約50(TC 120(TC的溫度，并可選地在過渡金屬催化劑的存在下將 含碳氣體如甲垸引入，在所述催化劑上含碳氣體分解為碳蒸氣等。 一些 碳蒸氣形成或者凝結為碳納米管。此催化工藝類似于用于合成大量的各
種材料的納米線的技術，例如其中催化劑為鎵而原料氣為硅烷的硅納米線(S. Sharma and M.K. Sunkara， Nanotechnology 15(2004) pp 130國134)和使用了鎵和作為催化劑的鎳以及作為原料氣的氨氣的GaN納米線(F. Sammy, NNIN REU Research accomplishments (2004) pp 112)。這些納米結構體的合成限制為高溫，通常高于500°C。 一個例子是 公開在國際專利申請WO 99/65821中的碳納米管生長技術，其中公開了 使用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)在如玻璃、二氧化硅、石英和硅 等材料上形成碳納米管的方法。此"熱絲"PECVD方法使用了 300°C 70(TC的較高的氣體溫度，以便將碳納米管沉積在例如應變點溫度為 666。C的玻璃上。置于材料上的加熱絲直接對碳納米管要沉積到的材料進 行加熱，加熱絲提供在基底上產生等離子所需的能量，因此提供了使用 催化劑將烴類氣體解離并形成碳納米管的機構。然后，其上沉積有碳納 米管的玻璃可以用于平板顯示器的制造。從US 6，858，197可知一種用于單壁和多壁碳納米管的可控圖案形成 和生長的方法和系統。以由第一選擇金屬構成的第一層和催化劑第二層 涂覆基底。第一層的設置強化了與碳納米管相關的電導率，也有助于防 止第二層中的催化劑從基底上脫離(lift-off)。氣體溫度通常為800 1畫。C。從US 2005/0109280可知一種替代的碳納米管制作系統和方法。此 納米管形成于承載在經過溫度調節的夾盤中的基底中。形成碳納米管后， 立即啟動冷卻循環來冷卻基底的背面。當前技術包括較高的基底溫度，這使應用開發存在嚴重的限制。最 近的研究集中于降低合成溫度， 一個例子是公開在國際專利申請WO 03/011755中的技術，其中公開了在低至室溫的基底溫度制造碳納米管。 在此通過參照方式將WO 03/011755的內容全部引入。在WO 03/011755公開后，已有利用低于30(TC的低基底溫度的類似 技術的報導，如New Journal of Physics的2003期153.1頁(S. Hofmann, B. Kleinsorge， C. Ducati and J. Robertson)禾卩Applied Physics Letter的2004期 1244頁(T.M. Minea, S. Point, A. Granier and M. Touzeau)所報導的，其中兩
種技術均顯示出有缺陷的碳納米管，我們相信這是由于較低的溫度所致。從CN 1448334可知另一種用于在基底材料上直接低溫合成碳納米 管的工藝。此文件公開了在多層基底上直接生長碳納米管。三層金屬層 包括位于基底上的一層金屬載體層、 一層覆蓋金屬層以及夾在兩者之間 的一層活性金屬催化劑層。活性金屬催化劑為Fe、 Co、 Ni或其合金，金 屬載體層和覆蓋金屬層可以為Au、 Ag、 Cu、 Pd、 Pt或其合金，這三層 可以通過真空濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積、絲網印刷或電鍍形 成。設計和改進本發明的目的是提供一種用于形成和生長碳納米管的改 良的低溫PECVD工藝。發明內容從第一方面來看，本發明涉及一種形成納米結構體或納米材料的方 法，其包括在基底上設置熱控制阻擋層并形成所述納米結構體或納米材 料。所述熱控制阻擋層有助于確保基底溫度保持在相對較低的溫度并由 此擴大了可用于形成所述基底的材料的范圍。因此，所述熱控制阻擋層 降低了對基底的熱效應。在形成所述納米結構體或納米材料的過程中基 底溫度優選低于350°C 。至少在本發明的優選實施方式中，現在能夠在保持低缺陷水平的情 況下將納米結構體或納米材料沉積到溫度較低的基底上，增加了碳納米 管制造的商業潛力，尤其是將納米結構體或納米材料應用到那些不能使 用已知高溫沉積法的有重要商業意義的材料時。本發明由于生長速率增 加還可以獲得納米結構體合成的更高產率和產量。所述納米結構體或納米材料通常形成在所述熱控制阻擋層上。所述熱控制阻擋層優選以實質連續層方式設置，從而確保基底在其 整個表面上都得到保護。所述熱控制阻擋層可以使用任何合適的技術進 行施用。不過，優選所述熱控制阻擋層是沉積在基底上的。例如，所述 熱控制阻擋層可以濺射到基底上。所述熱控制阻擋層優選具有實質上均勻的厚度。所述熱控制阻擋層
的厚度優選為3nm以上；5nm以上；10nm以上；20nm以上；30 nm 以上；50nm以上；100nm以上；或200nm以上。在需要額外保護的應 用中，可以增加所述熱控制阻擋層的厚度。所述熱控制阻擋層的厚度可 以為500 nm以上。所述熱控制阻擋層優選為金屬(如鈦)、半導體或電介質材料。本發明的方法優選包括在所述熱控制阻擋層上設置催化劑以促進納 米結構體或納米材料形成的另一步驟。該催化劑可以在形成納米結構體 或納米材料前施用；或者在形成納米材料或納米結構體時進行施用。該 催化劑可以例如以粒徑為0.1一 ljum的粉末形式提供。可以使用常規光 刻技術來使催化劑形成圖案。所述催化劑可以為金屬，例如過渡金屬。所述催化劑可以例如為選 自由鎳(N')、鈷(Co)和鐵(Fe)組成的組的金屬或金屬混合物。當然，可以 選擇催化劑以促進所需納米結構體的形成。鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)通常 用于碳納米管生長；而鎵(Ga)或金(Au)可以用于硅納米線。同樣地，可以 將不同的材料用于氧化鋅(ZnO)納米線。在某些實施方式中，所述熱控制阻擋層足以將基底溫度維持在低于 350°C。不過，進行額外的冷卻基底的步驟也是合適的。這可以通過向冷 卻井供應冷卻劑(如水或氦氣)來進行。可以在基底的正面設置熱控制阻擋 層，而冷卻基底的背面。優選在形成納米結構體或納米材料的過程中進 行冷卻基底的步驟。最優選的是，在整個過程中實質上連續地進行冷卻 基底的步驟。所述冷卻優選控制為確保基底的實質上均勻冷卻。在形成納米結構體或納米材料的過程中基底的溫度可以低于275'C; 225°C; 175t:或125。C。基底的溫度優選在形成納米結構體或納米材料的 過程中達到最高。可以在形成納米結構體或納米材料后立即啟動基底的冷卻。不過， 優選地，在形成納米結構體或納米材料的過程中進行基底的冷卻。這樣， 所述熱控制阻擋層可以將基底保持在相對較低的溫度同時使納米結構體 或納米材料得以形成。等離子將導致熱控制阻擋層的表面和/或催化劑得到加熱。不過，所
述方法可以包括對熱控制阻擋層和/或催化劑進行額外加熱的步驟。例如， 可以通過激光；紅外光；或熱絲，進行所述額外加熱。所述熱控制阻擋層可以具有光反射性。因此，此阻擋層可以反射光， 例如來自紅外燈的光，從而保持基底冷卻并且如有催化劑存在時可以促 進催化劑的加熱。所述熱控制阻擋層可以為絕熱體。當然，所述熱控制 阻擋層可以既具有光反射性又為絕熱體。所述方法可以包括在基底上設置至少一個器件的額外步驟。所述至 少一個器件例如可以為電子元件，如晶體管。所述熱控制阻擋層優選設 置在所述至少一個器件的上面。所述至少一個器件優選被所述熱控制阻 擋層至少實質上覆蓋。所述納米材料或納米結構體可以在兩個以上的此 類器件之間形成互連。可以在基底上設置一層或一層以上的接觸層從而 將所述納米結構體或納米材料連接到所述至少一個器件。所述基底例如可以為塑料材料。從另一方面來看，本發明涉及一種形成納米結構體或納米材料的方 法，其包括在設置在基底上的至少一個器件的上面設置熱控制阻擋層并 形成所述納米結構體或納米材料。所述納米結構體或納米材料通常形成 在所述熱控制阻擋層上。在形成所述納米結構體或納米材料的過程中基底溫度優選低于 350°C 。所述熱控制阻擋層可以在不能有效地冷卻基底的情況下提供充分 的保護而將基底溫度維持在低于35(TC。不過，在某些實施方式中，所述 方法可以包括冷卻基底的步驟。優選在形成所述納米結構體或納米材料 的過程中冷卻基底。基底優選是均勻冷卻的。所述方法可以包括加熱所述熱控制阻擋層的步驟。盡管用于形成所 述納米結構體或納米材料的等離子將導致加熱，但是額外的加熱也是合 適的。所述熱控制阻擋層優選以實質連續層方式提供。可以使用任何合適 的技術來施用熱控制阻擋層，但是優選為濺射到熱控制阻擋層上。所述 熱控制阻擋層的厚度優選為3nm以上；5nm以上；10nm以上；20 nm 以上；30nm以上；50nm以上；100nm以上；或200nm以上。所述熱
控制阻擋層例如可以為鈦層。所述設置在基底上的至少一個器件優選至少實質上被所述熱控制阻 擋層覆蓋。所述至少一個器件優選為電子元件，如晶體管。從又一方面來看，本發明涉及一種形成納米結構體或納米材料的方 法，其包括在基底的第一表面設置熱控制阻擋層并形成所述納米結構體 或納米材料，其中在形成所述納米結構體或納米材料的過程中將基底的 第二表面冷卻。所述納米結構體或納米材料通常形成在所述熱控制阻擋 層上。基底的第二表面的冷卻優選在整個所述表面上均勻地進行。這有助 于確保所述納米結構體或納米材料的均勻形成。在形成所述納米結構體或納米材料的過程中基底溫度優選低于350°C 。所述熱控制阻擋層可以在不能有效地冷卻基底的情況下提供充分 的保護而將基底溫度維持在低于350°C 。不過，在某些實施方式中，所述方法可以包括冷卻基底的步驟。優 選在形成所述納米結構體或納米材料的過程中冷卻基底。優選通過將冷 卻劑弓I入冷卻井中來將所述第二表面冷卻。所述方法可以包括在所述第 二表面與承載所述基底的表面之間的界面處引入氣體的額外步驟。所述 氣體可以為氫氣或氦氣。所述方法可以包括加熱所述熱控制阻擋層的額外步驟。盡管用于形 成所述納米結構體或納米材料的等離子將導致加熱，但是額外的加熱也 是合適的。優選在所述基底的第一面上設置至少一個器件。所述至少一個器件 優選至少實質上被所述熱控制阻擋層覆蓋。所述至少一個器件優選為電 子元件，如晶體管。從另一方面來看，本發明涉及一種形成納米結構體或納米材料的方 法，所述方法包括在基底的第一表面上形成所述納米結構體或納米材料 并冷卻所述基底的第二表面；其中，在所述第二表面與承載所述基底的 表面之間的界面處引入氣體。在界面處所引入的氣體優選為氫氣。優選將承載所述基底的表面冷卻以實現所述基底的第二表面的冷
卻。可以通過將冷卻劑引入冷卻井中來冷卻所述表面。優選地，在形成 所述納米結構體或納米材料的過程中將所述第二表面冷卻。此處所述的方法可以包括將催化劑施用到熱控制阻擋層的額外步 驟。所述催化劑可以與所述納米結構體或納米材料的形成同步施用或者 可以在所述納米結構體或納米材料形成前施用。從又一方面來看，本發明涉及一種用于形成納米結構體或納米材料 的組件或結構體，其包含基底和熱控制阻擋層。所述熱控制阻擋層的厚度優選為3nm以上；5nm以上；10 nm以上；20 nm以上；或30 nm以上。可以在所述基底上設置至少一個器件，如電子元件。從再一方面來看，本發明涉及一種用于形成納米結構體或納米材料 的組件，所述組件包含基底和至少一個器件；其中，熱控制阻擋層至少 實質上覆蓋所述基底和所述至少一個器件。所述至少一個器件可以為電子元件，如晶體管。所述組件還可以包 含用于形成納米結構體或納米材料的催化劑。可以重復此處所述的步驟來建立多層結構體，如微處理器。可以進 行中間研磨步驟以提供適用于設置另一熱控制阻擋層的表面，在所述另 一熱控制阻擋層上可以形成額外的納米結構體或納米材料。本發明的優選實施方式提供了一種由使用含碳氣體等離子的等離子 增強化學氣相沉積來形成碳納米管的方法，其中所述碳納米管不形成在 溫度為35(TC以上的基底上。所述含碳氣體可以在原位生長環境之外分 解，而以激發態或"熱等離子"狀態進入生長區從而促進生長過程。碳 源也可以呈等離子束、或等離子弧、或帶有激發態碳離子或自由基的分 子蒸氣的形式。顯然，當可以實現對施加至可選區域的熱量以及材料結 構的控制時，本發明可以擴展至大量的其他材料和應用。此處所述的方法使得可以進行可選地利用來自熱源的可選加熱的納 米結構體的合成，并可進行將熱控制阻擋層用于有效熱預算控制的阻熱。 此工藝通用于生長由金屬、半導體材料或絕緣材料所構成的所有形式的 納米材料和納米結構體，如納米管和納米線。此方法適合制造傳感器和
集成電路。不過，此處限定的本發明不應解釋為局限于這些特定應用。根據此處所述方法制得的納米結構體例如可以是由使用含碳氣體等離子的等離子增強化學氣相沉積而形成的碳納米管或碳納米線。從另一方面來看，本發明涉及用于形成納米結構體或納米材料的設備，所述設備包含等離子室、至少一個熱源和用于安放基底的夾盤；其中，所述夾盤是可互換的。從又一方面來看，本發明涉及用于形成納米結構體或納米材料的設備，所述設備包含等離子室、至少一個熱源和用于安放基底的夾盤；其 中，設置了用于使所述基底均勻冷卻的冷卻井。所述冷卻井優選適用于 在納米結構體或納米材料形成時提供基底的均勻冷卻。所述設備優選還 包含用于向處于夾盤與安放在所述夾盤內的基底之間的界面供應氣體的 出口。優選提供如氫氣或氦氣等氣體的供應。所述設備優選設有用于向夾盤有選擇地供應能量的RF (射頻)和 DC (直流)電源。可以設置開關以使得可以選擇合適的電源。此處所用的術語"熱控制阻擋層"和"熱阻擋層"具有相同的意思。 本發明還涉及根據此處所述的方法所制得的元件/組件/設備。
為了闡釋本發明并且使本領域技術人員更容易理解和實現本發明， 現將參照以下附圖僅通過非限制性實例方式對本發明的實施方式進行說 明，其中圖1是根據本發明的一個實施方式的適用于在基底上形成和生長碳 納米管的直流等離子室的示意圖。圖2A是根據本發明的一個實施方式的位于鈦熱阻擋層上的鎳催化 劑的示意圖。圖2B是在阻擋層厚度影響下的熱阻擋層的阻熱效果的模擬圖。圖3是根據本發明的一個實施方式的在直流乙炔/氮氣/氫氣等離子中在低于350。C的溫度時在鎳催化劑顆粒上制得的碳納米管的典型的掃描電子顯微照片(SEM)。
圖4A是根據本發明的一個實施方式的以直流PECVD制得的納米管 的典型的透射電子顯微照片(TEM)。圖4B是根據本發明的一個實施方式的以直流PECVD制得的納米管 的典型的透射電子顯微照片，其顯示了沿納米管軸向排列的單原子石墨 層(graphene layer )。圖5顯示了具有多個電源的PECVD系統的替代構造的示意圖。圖6是使用碳納米管作為微電子技術中的"穿越晶片式(cross wafer)" 通孔(互連)的示意圖，熱阻擋層將器件與過高溫度隔離。圖7是納米管用作傳感器平臺且利用熱阻擋層保護驅動器件和基底 的實例的示意圖。圖8是根據本發明的一個實施方式的適用于在基底上形成和生長碳 納米管的帶有集成的光學熱源的等離子室的示意圖。 圖9是用于圖8所示的等離子室的夾盤的示意圖。
具體實施方式
第一實施方式的說明在此實施方式中，本發明實現了在低于35(TC的低基底溫度下沉積 低缺陷水平的碳納米管，但并不局限于此。對本領域技術人員而言顯而 易見的是本發明可以擴展至其他材料。首先參照圖1，如圖所示使用了自建直流PECVD系統3的等離子室 1。真空室外殼能夠利用由真空泵入口 5處的手動釋放閥(未示出)所控制 的壓力進行排空。此室具有用于接收需要的氣體或氣體混合物(通常為烴 類氣體，如乙炔C2H2)流的氣體入口 7。對本領域技術人員而言顯而易見 的是可以使用任何含碳氣體。接地電極(陽極)9也是設置在室1的上部中的噴頭的一部分，而接電 (負偏壓的)電極(陰極)ll設置在此室的下部中并連接到合適的電源13。在 此實施方式中，所用的電源為600W的Glassman電源單元(PSU)。如圖2A所示，將500 nm的鈦熱阻擋層17濺射涂覆在基底15上， 之后再濺射涂覆鎳薄膜層19。鎳膜層19是用于形成納米管(NT)的催化劑。
基底15的厚度為1000 nm;催化劑19的厚度為10 nm。熱控制阻擋層17(在 此實施方式中以鈦層的形式)利用了較低的熱導率性質。此實施方式中所 用的基底15為硅基底，但對于本領域技術人員而言顯而易見的是可以使 用任何其他基底。催化劑19和熱阻擋層17的選擇并不局限于鎳和鈦， 這對于本領域技術人員而言也是顯而易見的。將基底15放置在較低的電極(陰極)ll上并將室1排空。使用如質量 流控制器等合適的裝置，使乙炔、氮氣和氫氣分別以3、100和100 sccm(立 方厘米/分)的速率流入室1中。為了點燃等離子，將電壓設置為500 V的直流電源接通。當等離子 點燃后，將氣體流速調整為提供約5托的工作壓力并將直流電源調整為 在550 V恒壓運行以維持等離子。電位差在某種程度上決定了碳納米管 的生長和排列方向。是溫度非常高的等離子提供了產生室1中氣體的所需反應所必需的 能量，由此使PECVD系統將解離的烴類物質和碳離子輸送到基底并由催 化劑引發碳納米管的生長。類似地，加熱表面的方式不僅僅局限于等離 子，可以采用熱絲、紅外燈、激光等形式，這對于本領域技術人員而言 是顯而易見的。此實施方式中，在點燃等離子時電極9、 11上的基底15的溫度低于 350°C。此較低的基底溫度使大量的以前不能適用的基底得以用于碳納米 管沉積。本實施方式中的基底沒有經歷特意的冷卻。因此，對本領域技 術人員而言顯而易見的是，如圖2B所示，可以利用合適的冷卻機構將基 底溫度降至室溫以下。在所進行的不同的工藝試驗中，使用了 250 420'C的多個溫度。不 過，對本領域技術人員而言顯而易見的是可以使用更高或更低的溫度。 另外，使用了 10 30分鐘的多個工藝時間。我們使用了 1 10托的典型 工作壓力。但是，本領域技術人員可以改變此工作壓力以適合于應用。所形成的納米管的表征在日立S-4000場發射掃描電子顯微鏡(SEM) 和飛利浦CM 200透射電子顯微鏡(TEM)上進行。TEM所研究的樣品通 過以下方式制備得到將"生長狀態的(as grown)"樣品超聲分散在甲醇
中，然后將一滴懸浮液滴到承載在銅網上的有孔碳膜上。然后將樣品干 燥。在圖3中提供了直流PECVD中生長在保持于35(TC的基底上的碳納 米管的SEM顯微照片。碳納米管為了支撐而聚集成束，但是對本領域技 術人員而言顯而易見的是，可以通過施加的電壓來控制排列。TEM研究顯示了產生的碳納米管的成束。直流PECVD產生的納米 管的典型的透射電子顯微照片如圖4A所示。圖4B顯示了碳納米管的高 倍放大圖像，揭示了排列在管軸向的納米管的多層石墨壁。發現了沿碳 納米管軸向的石墨片的典型的0.34nm的層間間隔。產生的碳納米管的典 型長度為0.5 5 |im，直徑為5 15nm。調整工藝參數，如沉積時間、氣 流、催化劑顆粒狀態、氣體濃度等，可以改變碳納米管的長度和厚度。從討論的方法中已顯示出直流等離子可以產生如下的碳納米管所 述碳納米管在保持低缺陷水平的情況下生長在保持于低于350°C的溫度 甚至可能低至室溫的基底15上。此低溫等離子增強CVD方法適合于以 下情況當碳納米管生長點的溫度允許使用溫敏基底時或當需要低缺陷 碳納米管時，通過利用金屬催化效應有選擇地生長排列良好的碳納米管。對本領域技術人員而言也顯而易見的是，所述構造并不局限于此實 施方式中所述的構造。圖5顯示了改進的構造，其中在具有冷卻機構25 的同時配置了多個電源21、 23來提供等離子加熱。在此實施方式未提及 的其他可能構造中，還可以以光(例如激光、鹵素燈等)、電阻加熱(例如 加熱絲等)和其他的形式提供能源。第二實施方式的說明根據第二實施方式，本發明可以在微電子技術中所用的互連27的應 用中使低缺陷碳納米管在低于35(TC的低基底溫度下沉積。互連在集成電 路中用于負載大電流密度。由于碳納米管的共價結構不會產生較多的電 遷移、并具有高載流能力和在面對高電流時產生低阻抗的彈道電子輸送 能力，所以碳納米管是合適的材料。微電子工藝經常要求基底溫度保持 在低于45(TC以避免硅中摻雜物通過創建更多的空位而過多擴散。 圖6顯示了使用低熱導率材料將加熱元件與相鄰器件29(如晶體管等) 隔離。互連27的位置可以通過己有光刻技術來勾畫出輪廓。熱阻擋層17可以使用標準沉積技術來鋪設并有效地覆蓋要保護的 區域。催化劑19鋪設在碳納米管將要沉積的位置。可以采用等離子或者頂加熱技術來合成碳納米管。熱阻擋層17創造 了熱梯度，這避免了過多的熱量到達相鄰器件。生長碳納米管后，頂面可以通過化學機械研磨來除去(如果需要)以便 進一步沉積頂部接觸層。也可以根據本領域的現有技術使用混合的碳納 米管-金屬互連以強化導電工藝。 一旦排列的碳納米管得以生長，這將得 以實現，沉積回填的合適金屬以進一步促進導電。也可以設計互連27來 連通單片集成電路上的層間"電子"。此時，碳納米管生長在預定的通孔 (通常用金屬如銅填充的空腔)中，其中首先設置阻擋層，在其頂部上沉積 促進碳納米管在低溫下生長的催化劑層。此金屬生長可以通過如電沉積 等溶液法或者如濺射或蒸發等物理法來進行。 一旦生長出合適長度的碳 納米管，可能需要采用機械研磨如CMP(化學機械研磨)來使表面平整。 也可能需要采用另一金屬層來將碳納米管連接到集成電路上的目標金屬 軌道(metal track)。第三實施方式的說明根據第三實施方式，本發明在傳感平臺的應用中使碳納米管或替代 的納米線在低于35(TC的低基底溫度下沉積在層28上。碳納米管或其他 納米線由于其獨特的性質和高長徑比(這導致表面積增加)被用作化學、機 械等傳感器的材料。在此實施方式中，使用了例如塑料等溫敏基底15。 在基底15上設置了多個器件29。溫敏材料的使用不局限于基底并且可以 擴展至有源器件，例如此應用中所用的有機晶體管。參照圖7，熱阻擋層17可以描述為包圍著器件區域。將催化劑置于 所需區域并使用與第一實施方式類似的技術沉積納米管。接觸層18設置 用于連接在基底15上設置的器件29。自上而下的加熱和底部冷卻方法有效地同時保護了器件區域和基 底。這樣沉積的納米管此時可以以其當前形式或通過經化學方法的表面
功能化來加以利用。利用合適的功能化，其可以用于檢測病毒、抗體或 氣體。其還可以用于在化學電池中通過周圍環境收集能量，或者用合適 的涂層收集太陽能。還可以制作根據與納米管的變形相關的信號進行工 作的壓力傳感器。還可以將納米管用于傳遞RF信號，或者在所謂的EEG(腦電圖)或ECG(心電圖)裝置中用作小型化生物電位傳感器。本領域 技術人員可以發明將此平臺技術用于多種應用的多種器件結構。熱阻擋層17的使用實現了納米管的大面積沉積，這有效地增加了傳 感器的效率。第四實施方式的說明根據第四實施方式，本發明實現了在低于35(TC的低基底溫度下沉 積低缺陷水平的碳納米管，但并不局限于此。對本領域技術人員而言顯 而易見的是本發明可以擴展至其他材料。在此實施方式中采用了一個或 多個紅外燈的形式的光學熱源。參照圖8，此PECVD系統包含容納此系統的元件的室31。室31的 壁33可以根據工藝的需要進行加熱或冷卻。此系統主要包含氣體入口 35和出口37。工藝氣體經入口 35進入并通過噴頭39均勻分布。然后工 藝壓力通過使用位于泵送系統前的氣體出口 37處的節流閥而得以維持。 可以通過處理室的多管泵送(manifoldpumping)來迸一步提高氣體分布 均勻性。電能通過使樣品熱附著到冷卻臺的電極43輸送到等離子。所輸送的 電能可以是RF 45或DC 47源的形式，這可以通過電源開關49進行控制。 冷卻臺可以由任何冷卻氣或冷卻液驅動，因此基底的溫度由冷卻劑流51 控制。從基底到冷卻臺的熱傳遞可以通過控制如氫氣等熱界面氣體53來 進一步優化。熱源是由紅外(IR)燈55提供的光學加熱的形式。可以使用 反射器57使紅外線直射到樣品來進一步優化光學加熱。對本領域技術人 員而言顯而易見的是可以調節光源波長來提供最優的加熱。在此實施方式中，光學熱源集成到噴頭中。可以任意使用噴頭組件 59或護罩61或室31作為陽極來產生等離子。這種情況下的等離子可以 用于排列納米管。
此實施方式中的熱控制阻擋層將基于熱導率或如發射率或吸收等光 學性質。對本領域技術人員而言，顯而易見的是對使用阻擋膜的熱控制 的選擇將受制于熱源。此具體實施方式
中的阻擋膜將由此可以在反射(以 光學形式)或阻礙向基底傳熱的同時優化催化劑的熱吸收。如圖9所示，基底15由第一和第二卡裝部件63、 65固定安裝在夾 盤61中。夾盤61設置有具有入口 69和出口 71的冷卻井67。冷卻液73 經入口 69被引入冷卻井67并經出口 71離開從而提供均勻的、可控的基 底15背側冷卻。夾盤61優選可與其他夾盤(未示出)互換。如上所述，從基底到夾盤61的熱傳遞可以通過提供熱界面氣體53 來進一步優化。在本實施方式中，熱界面氣體為氫氣53，其通過氣體供 應管75供應至基底15與夾盤61之間的區域中。熱界面氣體53優選供 應至基底15的中心區域并能夠排出到基底15外邊緣的室31中。熱界面 氣體53通常以室31內工藝壓力的1.5倍以上壓力供應。設置至少一個溫度傳感器77來測量基底15的下表面的溫度。可以理解的是，在不背離本發明的范圍或精神的情況下可以對此處 所述的設備和步驟作出多種變動和改進。
權利要求
1.一種形成納米結構體或納米材料的方法，所述方法包括在基底上設置熱控制阻擋層并形成所述納米結構體或納米材料。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，在形成所述納米結構體或納米 材料的過程中，所述基底的溫度低于35(TC。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層以實質 連續層方式設置。
4. 如權利要求1、 2或3任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻 擋層沉積在所述基底上。
5. 如權利要求1 4任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層 的厚度為3nm以上；5nm以上；10 nm以上；20 nm以上；或30 nm 以上。
6. 如權利要求1 4任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層 為金屬層、半導體層或電介質材料層。
7. 如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法還包括在所述熱控 制阻擋層上設置催化劑的步驟。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，所述催化劑為金屬或金屬混合
9. 如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法還包括將所述基底 均勻冷卻的步驟。
10. 如權利要求9所述的方法，其中，在形成所述納米結構體或納 米材料的過程中將所述基底冷卻。
11. 如權利要求9或IO所述的方法，所述方法還包括向冷卻井供應 冷卻液以冷卻所述基底。
12. 如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法還包括加熱所述 熱控制阻擋層和/或所述催化劑的步驟。
13. 如權利要求12所述的方法，其中，從頂部對所述熱控制阻擋層 和/或所述催化劑進行加熱。
14. 如權利要求12或13所述的方法，其中，所述的加熱所述熱控 制阻擋層和/或所述催化劑的步驟是通過以下方式進行的激光；紅外光; 或熱絲。
15. 如前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層 具有光反射性。
16. 如前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層 為絕熱體。
17. 如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法還包括在所述基 底上設置至少一個器件。
18. 如權利要求17所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層設置在所 述至少一個器件的上面。
19. 如權利要求18所述的方法，其中，所述至少一個器件被所述熱 控制阻擋層至少實質上覆蓋。
20. 如權利要求17、 18或19任一項所述的方法，其中，所述器件 為電子元件，如晶體管。
21. 如前述權利要求任一項所述的方法，其中，重復所述步驟以形 成多層結構體。
22. 如前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述基底為塑料材
23. —種形成納米結構體或納米材料的方法，所述方法包括在設置 在基底上的至少一個器件的上面設置熱控制阻擋層并形成所述納米結構 體或納米材料。
24. 如權利要求23所述的方法，其中，在形成所述納米結構體或納 米材料的過程中，所述基底的溫度低于35(TC。
25. 如權利要求23或24所述的方法，所述方法還包括使所述基底 均勻冷卻的步驟。
26. 如權利要求25所述的方法，其中，在形成所述納米結構體或納 米材料的過程中將所述基底冷卻。
27. 如權利要求23 26任一項所述的方法，所述方法還包括在所述 熱控制阻擋層上設置催化劑的步驟。
28. 如權利要求23 27任一項所述的方法，所述方法還包括加熱所述熱控制阻擋層和/或所述催化劑的步驟。
29. 如權利要求28所述的方法，其中，從頂部對所述熱控制阻擋層 和/或所述催化劑進行加熱。
30. 如權利要求28或29所述的方法，其中，所述的加熱所述熱控 制阻擋層和/或所述催化劑的步驟是通過以下方式進行的激光；紅外光； 或熱絲。
31. 如權利要求23 30任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋層以實質連續層方式設置。
32. 如權利要求23 31任一項所述的方法，所述熱控制阻擋層沉積在所述熱控制阻擋層上。
33. 如權利要求23 32任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋 層的厚度為3nm以上；5nm以上；10nm以上；20nm以上；或30nm以上。
34. 如權利要求23 33任一項所述的方法，其中，所述熱控制阻擋 層為金屬層、半導體層或電介質材料層。
35. 如權利要求23 34任一項所述的方法，其中，所述至少一個器件被所述熱控制阻擋層至少實質上覆蓋。
36. 如權利要求23 35任一項所述的方法，其中，所述至少一個器件為電子元件，如晶體管。
37. —種形成納米結構體或納米材料的方法，所述方法包括在基底 的第一表面上設置熱控制阻擋層并形成所述納米結構體或納米材料，其 中，在形成所述納米結構體或納米材料的過程中，將所述基底的第二表 面冷卻。
38. 如權利要求37所述的方法，其中，將所述第二表面均勻冷卻。
39. 如權利要求37或38所述的方法，其中，通過將冷卻劑引入冷 卻井將所述第二表面冷卻。
40. 如權利要求37、 38或39任一項所述的方法，所述方法還包括 在所述第二表面與承載所述基底的表面之間的界面處引入氣體的步驟。
41. 如權利要求40所述的方法，其中，所述氣體為氫氣。
42. 如權利要求37 41任一項所述的方法，其中，在形成所述納米 結構體或納米材料的過程中，所述基底的溫度低于350°C。
43. 如權利要求37 42任一項所述的方法，所述方法還包括在所述 熱控制阻擋層上設置催化劑的步驟。
44. 如權利要求37 43任一項所述的方法，所述方法還包括加熱所 述熱控制阻擋層和/或所述催化劑的步驟。
45. 如權利要求44所述的方法，其中，從頂部對所述熱控制阻擋層和/或所述催化劑進行加熱。
46. 如權利要求44或45所述的方法，其中，所述的加熱所述熱控 制阻擋層和/或所述催化劑的步驟是通過以下方式進行的激光；紅外光； 或熱絲。
47. 如權利要求37 46任一項所述的方法，其中，在所述基底的第 一面上設置至少一個器件。
48. 如權利要求47所述的方法，其中，所述至少一個器件被所述熱 控制阻擋層至少實質上覆蓋。
49. 如權利要求47或48所述的方法，其中，所述至少一個器件為 電子元件，如晶體管。
50. 如前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述納米結構體是 通過使用含碳氣體等離子的等離子增強化學氣相沉積形成的碳納米管或 碳納米線。
51. —種形成納米結構體或納米材料的方法，所述方法包括在基底 的第一表面上形成所述納米結構體或納米材料并冷卻所述基底的第二表 面；其中，在所述第二表面與承載所述基底的表面之間的界面處引入氣體。
52. 如權利要求51所述的方法，其中，所述氣體為氫氣。
53. 如權利要求51或52所述的方法，其中，在形成所述納米結構 體或納米材料的過程中，將所述第二表面冷卻。
54. 如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法還包括控制穿過 所述基底的電場以排列所述納米結構體或納米材料的步驟。
55. —種通過使用氣體等離子的等離子增強化學氣相沉積來形成納 米結構體或納米材料的方法，其中，所述納米結構體或納米材料不形成 在溫度為35(TC以上的基底上。
56. 根據前述權利要求任一項所述的方法制得的結構體或組件。
57. —種用于形成納米結構體或納米材料的組件或結構體，所述組 件或結構體包含基底和熱控制阻擋層。
58. 如權利要求57所述的組件或結構體，其中，所述熱控制阻擋層 的厚度為3nm以上；5nm以上；10 nm以上；20 nm以上；或30 nm 以上。
59. 如權利要求57或58所述的組件或結構體，所述組件或結構體 還包含至少一個器件。
60. —種用于形成納米結構體或納米材料的組件，所述組件包含基 底和至少一個器件；其中，熱控制阻擋層至少實質上覆蓋所述基底和所 述至少一個器件。
61. 如權利要求59或60所述的組件，其中，所述至少一個器件為 電子元件，如晶體管。
62. 如權利要求57 61任一項所述的組件，所述組件還包含用于形 成納米結構體或納米材料的催化劑。
63. 用于形成納米結構體或納米材料的設備，所述設備具有等離子 室、至少一個熱源和用于安放基底的夾盤；其中，所述夾盤是可互換的。
64. 用于形成納米結構體或納米材料的設備，所述設備包含等離子 室、至少一個熱源和用于安放基底的夾盤；其中，設置了用于使所述基 底均勻冷卻的冷卻井。
65. 如權利要求64所述的設備，其中，所述冷卻井適用于在形成納米結構體或納米材料的過程中使所述基底均勻冷卻。
66. 如權利要求63、 64或65任一項所述的設備，所述設備還具有 用于向所述夾盤有選擇地供應電能的射頻電源和直流電源。
全文摘要
本發明提供了納米結構體的制造方法和設備。本發明涉及一種形成納米結構體或納米材料的方法。所述方法包括在基底(15)上設置熱控制阻擋層(17)并形成所述納米結構體或納米材料。所述方法，例如，可以用于通過使用含碳氣體等離子的等離子增強化學氣相沉積來形成碳納米管。在形成所述碳納米管的過程中，所述基底(15)的溫度可以保持在低于350℃。
文檔編號C23C16/26GK101213321SQ200680020804
公開日2008年7月2日 申請日期2006年5月11日 優先權日2005年5月11日
發明者本·保羅·延森, 森布提拉切萊格·拉維·希爾瓦, 陳冠佑 申請人:薩里納米系統有限公司