定位裁剪多壁碳納米管的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種定位裁剪多壁碳納米管的方法。包括：將一個(gè)或多個(gè)多壁碳納米管置于一基片上；在基片上形成一刻蝕用掩模，該刻蝕用掩模具有至少一個(gè)刻蝕窗口，每一刻蝕窗口分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出多個(gè)多壁碳納米管中待裁剪的多壁碳納米管的待裁剪部位；利用刻蝕工藝刻蝕去除待裁剪多壁碳納米管的待裁剪部位處的一層或多層管壁。通過(guò)將多壁碳納米管置于基片上，并在基片上形成至少一個(gè)刻蝕窗口的刻蝕用掩模，每一刻蝕窗口分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出多壁碳納米管中的待裁剪部位，利用刻蝕工藝刻蝕去除待裁剪多壁碳納米管裁剪部位處的一層或多層管壁。該方法實(shí)現(xiàn)了納米尺度上多個(gè)碳納米管的定位裁剪，操作工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說(shuō)明】定位裁剪多壁碳納米管的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳納米管微納米器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種定位裁剪多壁碳納米管的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(CNT)是一種近乎理想的一維納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能，其在納米晶體管、納米傳感器、微納機(jī)械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]碳納米管根據(jù)碳原子管壁的層數(shù)可分為單壁碳納米管(Single-walled carbonnanotube ；SWCNT)和多壁碳納米管(Mult1-walled carbon nanotube ；MWCNT),而多壁碳納米管同時(shí)也可看作多根單壁碳納米管以共軸的方式嵌套而成，值得注意的是，多壁碳納米管中相鄰管壁之間具有極小的摩擦力系數(shù)。多壁碳管這種多層共軸嵌套的結(jié)構(gòu)和層間極小摩擦力系數(shù)的特性使其成為構(gòu)建納米轉(zhuǎn)子、納米電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、納米發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等微納結(jié)構(gòu)的熱門材料。然而，利用多壁碳納米管構(gòu)造微納結(jié)構(gòu)迫切需要在多壁碳管特定的位置進(jìn)行裁剪，以形成刻蝕后的納米結(jié)構(gòu)。
[0004]經(jīng)過(guò)裁剪后的多壁碳納米管，可以剝離掉其外壁或部分次外壁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成實(shí)現(xiàn)將內(nèi)層管壁暴露，為方便操縱內(nèi)外層管壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供機(jī)械力學(xué)附著點(diǎn)，獲得可方便控制內(nèi)外層管壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多壁碳管結(jié)構(gòu)。比如利用該結(jié)構(gòu)可構(gòu)造納米轉(zhuǎn)子等微納結(jié)構(gòu)。此夕卜，基于材料的性質(zhì)取決于材料的結(jié)構(gòu)，對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行裁剪可以改變其性質(zhì)，從而可以用于構(gòu)造新型的多壁碳納米管晶體管等器件，因此，經(jīng)剝離掉外壁或次外壁的多壁碳納米管可以廣泛地應(yīng)用到微納米器件中。
[0005]目前，用于多壁碳納米管裁剪的方法如電流燒蝕法，該方法是通過(guò)大電流加熱多壁碳納米管的特定區(qū)段至高溫，然后進(jìn)一步通過(guò)空氣中的氧氣氧化高溫碳納米管的管壁，以實(shí)現(xiàn)逐層燒蝕多壁碳納米管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多壁碳納米管的裁剪。利用該方法可以在多壁碳納米管特定的位置處構(gòu)造電極，施加大電流也能實(shí)現(xiàn)多壁碳納米管的定位燒蝕。然而，該方法操作比較復(fù)雜，并且只能單根多壁碳納米管逐一實(shí)現(xiàn)電流燒蝕，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]盡管從2000年人們開(kāi)始嘗試用多壁碳納米管制備微納米器件以來(lái)就一直渴望尋找一種能夠有效率、簡(jiǎn)單且大規(guī)模地裁剪多壁碳納米管的方法，但一直沒(méi)有獲得成功。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的旨在提供一種定位裁剪多壁碳納米管的方法，該方法可以逐層對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行裁剪，不僅操作簡(jiǎn)單，而且還有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種定位裁剪多壁碳納米管的方法，包括:將一個(gè)或多個(gè)多壁碳納米管置于一基片上；在基片上形成一刻蝕用掩模，該刻蝕用掩模具有至少一個(gè)刻蝕窗口，每一刻蝕窗口分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出多個(gè)多壁碳納米管中待裁剪的多壁碳納米管的待裁剪部位；利用刻蝕工藝刻蝕去除待裁剪多壁碳納米管的待裁剪部位處的一層或多層管壁。
[0009]進(jìn)一步地，刻蝕用掩模由布置在基片上的光刻膠層形成，并且，通過(guò)對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光形成刻蝕窗口。
[0010]進(jìn)一步地，定位裁剪多壁碳納米管的方法還包括:
[0011]在基片的預(yù)定位置處形成基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記，每一局域定位標(biāo)記相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的位置參數(shù)是預(yù)先確定的；
[0012]獲取待裁剪多壁碳納米管相對(duì)于與其相鄰的局域定位標(biāo)記的局域位置參數(shù)；
[0013]根據(jù)待裁剪多壁碳納米管的局域位置參數(shù)以及局域定位標(biāo)記相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的位置參數(shù)獲得待裁剪多壁碳納米管在基片上相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的全局位置參數(shù)；
[0014]根據(jù)待裁剪多壁碳納米管的全局位置參數(shù)確定刻蝕窗口的全局位置參數(shù)；
[0015]根據(jù)刻蝕窗口的全局位置參數(shù)形成帶有與刻蝕窗口相對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口圖形的曝光圖形；其中，在對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光時(shí)，基于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記將曝光圖形與基片對(duì)準(zhǔn)，以使得刻蝕窗口圖形與需要在光刻膠層中形成的刻蝕窗口的位置相對(duì)準(zhǔn)。
[0016]進(jìn)一步地，多個(gè)局域定位標(biāo)記相互之間是可區(qū)分的。
[0017]進(jìn)一步地，多個(gè)局域定位標(biāo)記中每一局域定位標(biāo)記由一矩形區(qū)域及位于該矩形區(qū)域內(nèi)的數(shù)字標(biāo)記構(gòu)成，并且任意兩個(gè)局域定位標(biāo)記具有不同的數(shù)字標(biāo)記。
[0018]進(jìn)一步地，多個(gè)局域定位標(biāo)記布置成一個(gè)陣列并聚集在基片的一個(gè)局部的定位標(biāo)記區(qū)域內(nèi)。
[0019]進(jìn)一步地，定位裁剪多壁碳納米管的方法還包括:用原子力顯微鏡在局域定位標(biāo)記區(qū)域內(nèi)掃描探測(cè)基片上的多壁碳納米管，并獲得待裁剪多壁碳納米管的局域位置參數(shù)。
[0020]進(jìn)一步地，對(duì)光刻膠層進(jìn)行的曝光為電子束曝光。
[0021]進(jìn)一步地，刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝；其中，所使用的工作等離子體為氬等離子體，氬等離子體的功率為5?50W，刻蝕腔體內(nèi)的氣壓為50?10mTorr，刻蝕時(shí)間為30?120 秒。
[0022]進(jìn)一步地，采用金屬薄膜沉積的方法在基片的預(yù)定位置處形成基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記，以對(duì)多壁碳納米管的刻蝕窗口進(jìn)行定位。
[0023]本申請(qǐng)的發(fā)明人經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)非常成熟的刻蝕工藝(特別是電子束曝光和等離子體刻蝕)就有可能解決前述的本領(lǐng)域技術(shù)人員長(zhǎng)期渴望解決的技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)將多壁碳納米管置于基片上，并在基片上形成具有至少一個(gè)刻蝕窗口的刻蝕用掩模，使得每一刻蝕窗口分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出多壁碳納米管中的待裁剪的多壁碳納米管的待裁剪部位，之后利用刻蝕工藝刻蝕去除待裁剪多壁碳納米管裁剪部位處的一層或多層管壁。采用本發(fā)明所提供的刻蝕方法，相對(duì)于現(xiàn)有的電流燒蝕的方法，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上多個(gè)碳納米管或者碳納米管的多個(gè)部位的同時(shí)定位裁剪，操作工藝簡(jiǎn)單，可以大規(guī)模制備特定的多壁碳納米管結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
[0024]此外，本發(fā)明還可以通過(guò)選擇合適的刻蝕參數(shù)，控制多壁碳納米管的管壁裁剪層數(shù)，即可以根據(jù)需要刻蝕多壁碳納米管的一層或者多層管壁。本發(fā)明所提供的定位裁剪多壁碳納米管的方法，在碳納米管晶體管、軸承結(jié)構(gòu)的碳納米管齒輪、軸承結(jié)構(gòu)的碳納米管電動(dòng)機(jī)、軸承結(jié)構(gòu)的碳納米管發(fā)電機(jī)等微納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0025]根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0027]圖1為根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施例中定位刻蝕多壁碳納米管的工藝流程示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的多壁碳納米管在刻蝕前、后的原子力顯微鏡圖；
[0029]圖3為對(duì)應(yīng)于圖2中多壁碳納米管樣品在刻蝕如、后的聞度測(cè)量圖；
[0030]圖4為多壁碳納米管的刻蝕區(qū)域以及被光刻膠掩膜層覆蓋的區(qū)域的原子力顯微鏡圖；
[0031]圖5為多(雙)壁碳納米管的刻蝕區(qū)域其外壁被去除后露出的次外壁的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6為雙壁碳納米管的被光刻膠掩膜層覆蓋的區(qū)域其外壁未被去除的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖7為在硅片上利用電子束曝光的方法制備數(shù)字標(biāo)記時(shí)所用的曝光圖形；
[0034]圖8為分散有多壁碳納米管且?guī)в袛?shù)字標(biāo)記的硅片表面的原子力顯微鏡照片；
[0035]圖9為用于第二次電子束曝光的曝光圖案；
[0036]圖10為圖9中的標(biāo)記X所示區(qū)域的放大圖，其中顯示了數(shù)字標(biāo)記和用于套刻的圖層X(jué)l (電子束曝光寫場(chǎng)校準(zhǔn)圖層)部分圖形(正方形圖形所示)；以及
[0037]圖11為圖9中標(biāo)記y所示區(qū)域的放大圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中采用電流燒蝕的方法在多壁碳納米管的特定位置構(gòu)造微納結(jié)構(gòu)時(shí)，只能單一逐根電流燒蝕進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多壁碳納米管管壁的裁剪，無(wú)法規(guī)模化生產(chǎn)并且工藝復(fù)雜的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種定位裁剪多壁碳納米管的方法。如圖1所示，該定位裁剪多壁碳納米管的方法包括以下步驟:將一個(gè)或多個(gè)多壁碳納米管10置于一基片20上，并在基片20上形成一刻蝕用掩模。該刻蝕用掩模具有至少一個(gè)刻蝕窗口 40,其中每一刻蝕窗口 40分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出多個(gè)多壁碳納米管中的待裁剪的多壁碳納米管10的待裁剪部位，之后利用刻蝕工藝刻蝕去除待裁剪多壁碳納米管10的待裁剪部位處的一層或多層管壁。
[0039]本發(fā)明所提供的方法在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)或多個(gè)碳納米管或碳納米管的多個(gè)部位的同時(shí)定位裁剪，操作工藝簡(jiǎn)單，而且可以大規(guī)模制備特定的多壁碳納米管結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
[0040]在本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例中，如圖1所示，在基片20上形成的刻蝕用掩模由布置在基片20上的光刻膠層30形成。并且，通過(guò)對(duì)光刻膠層30進(jìn)行曝光形成刻蝕窗口 40。除了光刻膠層形成掩膜外，還可以采用其它方法，如蒸鍍金屬層、自組裝微納顆粒等形成掩膜。采用光刻膠層30形成刻蝕用掩膜，其是目前工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)工藝，工藝簡(jiǎn)單，便于后續(xù)電子束曝光。
[0041]如圖1所示，定位裁剪多壁碳納米管的方法一般包括以下步驟:提供如圖1(a)所示的基片20，該基片20上分散有一個(gè)或多個(gè)多壁碳納米管10以及上述所提到的用于對(duì)多壁碳納米管10定位的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記60。在圖1 (a)中僅示意性地示出了某個(gè)局域定位標(biāo)記60中的一個(gè)字母標(biāo)記。為了更方便精確地定位多壁碳納米管10與字母標(biāo)記a的局域位置參數(shù)，優(yōu)選采用四個(gè)直角設(shè)置在字母的四個(gè)角上。
[0042]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可以先在基片20上分散多壁碳納米管10，之后再在基片20上形成定位標(biāo)記，進(jìn)而對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行套刻。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，還可以先在基片20上形成定位標(biāo)記，之后再在基片20上分散多壁碳納米管10。其制備方法包括:先在基片20的表面上旋涂光刻膠層。對(duì)具有光刻膠層的基片20曝光和顯影，以在基片上露出待制作標(biāo)記的區(qū)域。在待制作標(biāo)記的區(qū)域形成用于對(duì)多壁碳納米管定位的標(biāo)記，以準(zhǔn)確地對(duì)待刻蝕的多壁碳納米管定位。之后剝離基片上未曝光部分的光刻膠，并將多壁碳納米管分散或生長(zhǎng)在基片上。無(wú)論是先在基片上分散或生長(zhǎng)多壁碳納米管，后在基片上形成定位標(biāo)記的方式，還是先在基片上形成定位標(biāo)記，之后分散或生長(zhǎng)多壁碳納米管的方式，均可以得到如圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)。
[0043]優(yōu)選采用金屬薄膜沉積的方法在基片20上形成定位標(biāo)記，以對(duì)待刻蝕的多壁碳納米管定位。在沉積金屬薄膜時(shí)，可以采用金屬靶濺射法，包括磁控濺射、直流輝光濺射和離子束濺射等，也可以采用金屬蒸鍍發(fā)法，包括熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等。所采用的基片可以為帶氧化硅層的硅片、云母薄片或金屬薄片。為了使得金屬薄膜能夠在上述材料的基片上形成清晰的定位標(biāo)記，優(yōu)選沉積金屬薄膜的物質(zhì)為鉻、金等。金屬薄膜的厚度一般為30?500nm，以能夠在基片上形成清晰的定位標(biāo)記為準(zhǔn)。
[0044]上述的定位標(biāo)記包括為了建立第二次曝光所需的直角坐標(biāo)系而設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50以及為了確定套刻時(shí)所需的多壁碳管位置參數(shù)而設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記60。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，首先在基片20的預(yù)定位置處形成基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記60,每一局域定位標(biāo)記60相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50的位置參數(shù)是預(yù)先確定的。之后獲取待裁剪多壁碳納米管10相對(duì)于與其相鄰的局域定位標(biāo)記60的局域位置參數(shù)，根據(jù)待裁剪多壁碳納米管10的局域位置參數(shù)以及局域定位標(biāo)記60相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的位置參數(shù)獲得待裁剪多壁碳納米管10在基片20上相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50的全局位置參數(shù)。進(jìn)而根據(jù)待裁剪多壁碳納米管10的全局位置參數(shù)確定刻蝕窗口 40的全局位置參數(shù)，然后根據(jù)刻蝕窗口 40的全局位置參數(shù)形成帶有與刻蝕窗口 40相對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口圖形的曝光圖形。其中，在對(duì)光刻膠層30進(jìn)行曝光時(shí)，基于基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50將曝光圖形與基片20對(duì)準(zhǔn)，以使得刻蝕窗口圖形與需要在光刻膠層30中形成的刻蝕窗口 40的位置相對(duì)準(zhǔn)。優(yōu)選采用原子力顯微鏡在局域定位標(biāo)記60區(qū)域內(nèi)掃描探測(cè)基片20上的多壁碳納米管10，并獲得待裁剪多壁碳納米管10的局域位置參數(shù)。
[0045]優(yōu)選地，多個(gè)局域定位標(biāo)記60相互之間是可區(qū)分的。由于多局域定位標(biāo)記60相互之間時(shí)可區(qū)分的，因此在確定待刻蝕的多壁碳納米管10或者刻蝕窗口 40與某個(gè)局域定位標(biāo)記60的局域位置參數(shù)時(shí)更加快速準(zhǔn)確，否則容易使得局域定位標(biāo)記60混淆，導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的多壁碳納米管的局域位置參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)局域定位標(biāo)記60中每一局域定位標(biāo)記60由一矩形區(qū)域及位于該矩形區(qū)域內(nèi)數(shù)字標(biāo)記構(gòu)成，并且任意兩個(gè)局域定位標(biāo)記60具有不同的數(shù)字標(biāo)記。當(dāng)然，在本發(fā)明的其它未示出的實(shí)施例中，也可以采用其它的如不同的字母、圖形等標(biāo)記構(gòu)成，當(dāng)然這些字母或圖形也可以形成矩形區(qū)域外的其它如圓形等區(qū)域，只要能夠方便地對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行準(zhǔn)確定位方便查找即可。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)局域定位標(biāo)記60布置成一個(gè)陣列并聚集在基片20的一個(gè)局域定位標(biāo)記的區(qū)域內(nèi)。
[0046]通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50和局域定位標(biāo)記60的配合使用，實(shí)現(xiàn)了多壁碳納米管的準(zhǔn)確定位，這樣在原子顯微鏡下能夠方便、準(zhǔn)確地找到待刻蝕多壁碳納米管的位置，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)套刻中的精確曝光和顯影。
[0047]設(shè)置好具有多壁碳納米管10和標(biāo)記的基片20后,如圖1(b)所不，在基片20上旋涂光刻膠，然后曝光、顯影。在本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例中，對(duì)光刻膠層30進(jìn)行的曝光為電子束曝光。除此之外，還可以根據(jù)設(shè)計(jì)的曝光圖形合理地選擇紫外曝光、納米壓印等曝光方式。本發(fā)明所采用的電子束光刻膠是指正性光刻膠，如分子量為100k、300k、495k或950k的PMMA電子束光刻膠。旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速可以為4000轉(zhuǎn)/分。旋涂電子束光刻膠層后將該基片放在3000°C的熱板上烘烤5分鐘。雖然光刻膠中的溶劑能夠幫助得到薄的光刻膠膜，但是其吸收光且影響光刻膠膜的黏附性，因此，需要通過(guò)烘烤使得電子束光刻膠中的大部分溶劑蒸發(fā)掉。其中，烘烤的溫度和時(shí)間取決于工藝條件，如果過(guò)度烘烤則會(huì)導(dǎo)致光刻膠聚合，其光敏性降低；如果烘烤不足，則會(huì)影響粘附性和曝光。
[0048]本發(fā)明采用上述套刻技術(shù)對(duì)待刻蝕多壁碳納米管或其特定區(qū)域進(jìn)行精確曝光和顯影，得到了如圖1(c)中所示的具有刻蝕窗口 40的圖形，并在其它不需要刻蝕的部分形成光刻膠掩膜層，進(jìn)而對(duì)不需刻蝕的碳納米管或其部分區(qū)域進(jìn)行了保護(hù)。當(dāng)然，采用本發(fā)明的技術(shù)方案不僅可以對(duì)某個(gè)碳納米管的特定區(qū)域進(jìn)行曝光，也可以對(duì)整個(gè)碳納米管或多個(gè)碳納米管同時(shí)曝光，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
[0049]得到圖1(c)中所示結(jié)構(gòu)的基片后，將其置于等離子刻蝕設(shè)備中刻蝕，如圖1(d)所示?？涛g氣體可以為氬等離子體，刻蝕腔體內(nèi)的氣壓可以為50?lOOmTorr，等離子體的刻蝕功率可以為5?50W，優(yōu)選為10W?？涛g時(shí)間可以為30?120秒，優(yōu)選為60秒。經(jīng)等離子體刻蝕，可以將刻蝕窗口 40范圍內(nèi)的多壁碳納米管的至少一層外壁刻蝕掉。本發(fā)明還可以對(duì)刻蝕參數(shù)進(jìn)行合理選擇，進(jìn)而控制多壁碳納米管的管壁刻蝕層數(shù)。
[0050]將刻蝕后的基片放入丙酮中浸泡，一般需要浸泡24小時(shí)，以去除其它部分的光刻膠掩膜層。之后采用去離子水清洗基片，再將其置于300°C的熱板上烘烤，以除去基片上殘余的電子束光刻膠。此時(shí)，多壁碳納米管的單層或多層外壁在刻蝕時(shí)被去除，而被光刻膠掩膜層覆蓋的碳納米管區(qū)域未被刻蝕。采用本發(fā)明的方法對(duì)多壁碳納米管裁剪，實(shí)現(xiàn)了逐層刻蝕掩模區(qū)域中裸露(未被光刻膠掩膜層保護(hù))部分的多壁碳納米管區(qū)域。本發(fā)明可以得到具有類似于共軸的機(jī)械轉(zhuǎn)子等納米結(jié)構(gòu)，外力可方便作用于內(nèi)外層管壁使得內(nèi)外層管發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？涛g后的多壁碳管的電學(xué)特性發(fā)生了改變，這也可用于構(gòu)造新型的多壁碳管電學(xué)器件。
[0051]下面結(jié)合更加具體的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的有益效果:
[0052]I)取具有氧化硅層的硅片，清潔干凈，以4000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速在硅片上均勻旋涂一層電子束光刻膠PMMA495，將硅片放在3000°C的熱板上烘烤5分鐘，使光刻膠固化。之后在硅片的邊角處點(diǎn)上銀膠顆粒，以用于下一步的電子束曝光。
[0053]2)將步驟I)中得到的涂有電子束光刻膠的硅片置于電子束曝光系統(tǒng)中，以硅片左下方邊角作為原點(diǎn)，以下邊作為X軸建立曝光坐標(biāo)系。設(shè)定曝光光闌為20 μ m,利用之前所點(diǎn)的銀膠顆粒聚焦、調(diào)節(jié)像散、調(diào)節(jié)曝光電子束準(zhǔn)直、調(diào)寫場(chǎng)，并根據(jù)曝光電子束束流大小和曝光劑量計(jì)算曝光時(shí)間。
[0054]3)導(dǎo)入圖7中所示的曝光圖案。該曝光圖案中的圖形包括用于建立第二次曝光和多壁碳納米管定位所用到的坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50 (圖7中所示的十字曝光圖形)和局域定位標(biāo)記60(如圖7中所示的數(shù)字陣列)，利用該曝光圖案，在硅片的中心區(qū)域曝光。該數(shù)字陣列可以是包含100個(gè)數(shù)字的方陣排列，如從下到上按照順序，第一橫排為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 ;然后第二橫排為10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 ;然后依次排列，每?jī)蓚€(gè)數(shù)字縱橫間距為10微米。其中每個(gè)數(shù)字與圖1(a)中的字母[a]具有相同的意義。
[0055]4)取出經(jīng)過(guò)曝光的硅片，進(jìn)行顯影與定影，顯影液為2.5wt%的四甲基氫氧化銨，顯影90秒，定影采用去離子水清洗30秒，用氮?dú)獯蹈?，這樣在硅片上就得到了相應(yīng)的光刻膠圖形，后續(xù)在該區(qū)域形成定位標(biāo)記。
[0056]5)將硅片置于磁控濺射系統(tǒng)中，采用常規(guī)的磁控濺射薄膜技術(shù)先沉積厚度為5nm的鉻，后沉積厚度為10nm的金。對(duì)硅片進(jìn)行溶脫、清洗、氧等離子體去殘膠，便可將圖7中所示的曝光圖案轉(zhuǎn)移至硅片上。
[0057]6)用溶液轉(zhuǎn)移法將多壁碳納米管分散至帶有數(shù)字標(biāo)記的潔凈硅片上，具體操作步驟如下:a)先將Img的多壁碳管粉末樣品置于裝有80ml的二氯乙烷的燒杯中，將該燒杯置于大功率超聲機(jī)中超聲90分鐘，便可獲得淺灰色的碳管溶液；b)將適量的碳管溶液裝入離心管中，對(duì)其進(jìn)行離心處理，離心時(shí)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為12000轉(zhuǎn)/分鐘，離心時(shí)間為15分鐘，離心處理后，取離心管中上方透明清液；c)將透明清液滴在帶有數(shù)字標(biāo)記的硅片上，隨即用氣槍吹干溶液；d)反復(fù)重復(fù)步驟c)的操作，操作時(shí)間為15分鐘；e)隨后將硅片置于300°C的熱板上，在空氣中烘烤60分鐘，此時(shí)便可獲得分散有多壁碳管的樣品基片。圖8中顯示了多壁碳納米管在帶有數(shù)字標(biāo)記的樣品硅片表面數(shù)字陣列區(qū)域某一處的分布情況。其中，60代表數(shù)字陣列中的數(shù)字標(biāo)記，10代表多壁碳納米管。
[0058]7)選擇和定位待刻蝕的多壁碳納米管:利用原子力顯微鏡掃描硅片上的數(shù)字陣列區(qū)域，從而可以得到圖8所示的顯示硅片表面高度形貌的照片(照片中顏色的亮暗和硅片表面的高低具有定量關(guān)系)。利用原子力顯微鏡測(cè)量照片中所示區(qū)域中的部分碳納米管的直徑，從中挑選直徑為2?3nm的多壁碳納米管作為待刻蝕的碳納米管。利用硅片上的四個(gè)十字圖形(基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記50)建立一坐標(biāo)系，其中數(shù)字陣列標(biāo)記(即局域定位標(biāo)記60)相對(duì)于四個(gè)十字圖形的位置參數(shù)是已知的。根據(jù)原子力顯微鏡獲得的硅片的圖像以及待曝光圖形的幾何參數(shù)，獲得待刻蝕的碳納米管相對(duì)于與其相鄰的數(shù)字陣列標(biāo)記的局域位置參數(shù)。進(jìn)一步，利用原子力顯微鏡記錄的待刻蝕碳納米管相對(duì)于與其相鄰的數(shù)字標(biāo)記的局域位置參數(shù)和該數(shù)字標(biāo)記相對(duì)于十字圖形標(biāo)記(基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記)的位置參數(shù)，從而獲得待刻蝕的碳納米管在基片上相對(duì)于十字圖形的全局位置參數(shù)。重復(fù)上述的步驟，可以選擇和定位多個(gè)待刻蝕的碳納米管。
[0059]8)依據(jù)步驟7)中獲得的待刻蝕碳納米管在基片上的十字圖形坐標(biāo)系中的全局位置參數(shù)，進(jìn)一步確定刻蝕窗口 40的全局位置參數(shù)。根據(jù)刻蝕窗口 40的全局位置參數(shù)形成帶有與刻蝕窗口 40相對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口圖形的曝光圖形。即依照該步驟便可獲得第二次曝光所需的曝光圖案，如圖9-11所不。其中，圖9為用于第二次電子束曝光的曝光圖案,其中ZD58為硅基片標(biāo)號(hào)。圖10為圖9中標(biāo)記X所示區(qū)域的放大圖，該放大圖中顯示數(shù)字陣列標(biāo)記和用于套刻的圖層(電子束曝光寫場(chǎng)校準(zhǔn)圖層)部分圖形(正方形圖形，標(biāo)記xl所示)。圖11為圖9中標(biāo)記y所示區(qū)域的放大圖，從圖11中可以看出基于碳納米管位置構(gòu)建的刻蝕窗口 40的圖形和基于碳納米管定位坐標(biāo)所畫的碳納米管位置示意圖形(標(biāo)記z所示)。
[0060]9)如圖1中(a) (b)所示，將完成選擇和定位的待刻蝕碳納米管的硅片重復(fù)步驟I)和2)，即進(jìn)行涂膠和調(diào)節(jié)曝光電子束校準(zhǔn)，以硅片上的十字圖形作為坐標(biāo)系建立基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。
[0061]10)導(dǎo)入第二次曝光所需的曝光圖案，先曝光寫場(chǎng)校準(zhǔn)基準(zhǔn)圖層X(jué)l (該圖層有四個(gè)圖9中標(biāo)記xl所示的正方形)，使其在預(yù)定位置曝光(要求曝光的各個(gè)正方形圖形中心相應(yīng)地落在數(shù)字標(biāo)記O的左下角，9的右下角，90的左上角，99的右上角)。通過(guò)xl圖層的
3-5次曝光和寫場(chǎng)校準(zhǔn)操作，可以精確實(shí)現(xiàn)該套刻過(guò)程，其精度可控在50nm范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)寫場(chǎng)校準(zhǔn)(套刻)后，進(jìn)一步增加了曝光的精度。取出曝光后的基片，進(jìn)行顯影與定影，顯影90秒，定影30秒，用氮?dú)獯蹈桑憧色@得圖1(c)所示的具有刻蝕窗口 40的硅片，硅片上的其它部分具有光刻膠掩膜層。
[0062]11)將圖1(c)中具有刻蝕窗口 40的娃片放入Oxford Plasmalab 80Plus反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)中，用氬等離子體進(jìn)行刻蝕，腔體氣壓為10mTorr，刻蝕功率為10W，刻蝕時(shí)間為 60s。
[0063]12)將刻蝕后的硅片放入丙酮中浸泡24小時(shí)，隨后用去離子水清洗硅片，之后置于300°C的熱板上烘烤I小時(shí)，以除去基片上殘余的電子束光刻膠，得到多壁碳納米管。
[0064]該多壁碳納米管刻蝕區(qū)域的單層外管壁或多層管壁在刻蝕過(guò)程中被除去，被光刻膠掩膜層覆蓋的區(qū)域則未被刻蝕。
[0065]圖2為實(shí)施例1中制備的多壁碳納米管樣品刻蝕前、后的原子力顯微鏡表征結(jié)果圖。(a)區(qū)域表示刻蝕前的被光刻膠掩膜層所保護(hù)的區(qū)段&、C0以及刻蝕窗口 40區(qū)段Btl ；(b)區(qū)域表示刻蝕后被光刻膠掩膜層所保護(hù)的區(qū)段A1X1以及刻蝕窗口 40區(qū)段I。圖2中下方的部分表示相應(yīng)刻蝕區(qū)和被刻蝕區(qū)的碳管區(qū)段在刻蝕前后的放大圖，從中可以看出未被刻蝕區(qū)域的未被刻蝕的碳管區(qū)段刻蝕前后的顏色幾乎沒(méi)變，而刻蝕區(qū)域中的被刻蝕的碳管區(qū)段被刻蝕之后顏色變暗，根據(jù)原子顯微鏡采集圖像的原理，顏色變暗，意味著被刻蝕的碳管區(qū)段直徑變小。圖3中的(c)和(d)分別對(duì)應(yīng)于多壁碳納米管樣品在刻蝕前后的高度測(cè)量圖，該高度表示碳納米管的直徑大小。從圖3的(d)中可以看出，被光刻膠掩膜層所保護(hù)的區(qū)段A、C在刻蝕前、后的高度不變，而刻蝕窗口區(qū)段B在經(jīng)過(guò)刻蝕后，碳納米管的直徑減小了約0.6納米，大約為兩層管壁的高度，即有兩層碳納米管壁被刻蝕除去。
[0066]圖4為多壁碳納米管的原子力顯微鏡圖，其中a區(qū)域?yàn)榭涛g窗口區(qū)段，b區(qū)域?yàn)楸还饪棠z掩膜層覆蓋區(qū)域。圖5為多(雙)壁碳納米管的刻蝕區(qū)域其外壁被去除后露出的次外壁的放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為多(雙)壁碳納米管的刻蝕過(guò)程中被光刻膠掩膜層覆蓋的區(qū)域其外壁未被去除的放大結(jié)構(gòu)示意圖。從圖5-6可以看出，外層管壁套設(shè)在內(nèi)層管壁外部的雙壁碳管的刻蝕區(qū)域經(jīng)過(guò)刻蝕后，外層管壁被去除掉。
[0067]至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種定位裁剪多壁碳納米管的方法，包括: 將一個(gè)或多個(gè)多壁碳納米管(10)置于一基片(20)上； 在所述基片(20)上形成一刻蝕用掩模，所述刻蝕用掩模具有至少一個(gè)刻蝕窗口(40)，每一所述刻蝕窗口(40)分別對(duì)準(zhǔn)并暴露出所述多個(gè)多壁碳納米管中的待裁剪的所述多壁碳納米管(10)的待裁剪部位； 利用刻蝕工藝刻蝕去除所述待裁剪多壁碳納米管(10)的所述待裁剪部位處的一層或多層管壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蝕用掩模由布置在所述基片(20)上的光刻膠層(30)形成，并且，通過(guò)對(duì)所述光刻膠層(30)進(jìn)行曝光形成所述刻蝕窗口(40)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括: 在所述基片(20)的預(yù)定位置處形成基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記(50)和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記(60)，每一所述局域定位標(biāo)記￠0)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記(50)的位置參數(shù)是預(yù)先確定的； 獲取所述待裁剪多壁碳納米管(10)相對(duì)于與其相鄰的所述局域定位標(biāo)記￠0)的局域位置參數(shù)； 根據(jù)所述待裁剪多壁碳納米管(10)的局域位置參數(shù)以及所述局域定位標(biāo)記￠0)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的位置參數(shù)獲得所述待裁剪多壁碳納米管(10)在所述基片(20)上相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記(50)的全局位置參數(shù)； 根據(jù)所述待裁剪多壁碳納米管(10)的全局位置參數(shù)確定所述刻蝕窗口(40)的全局位置參數(shù)； 根據(jù)所述刻蝕窗口(40)的全局位置參數(shù)形成帶有與所述刻蝕窗口(40)相對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口圖形的曝光圖形； 其中，在對(duì)所述光刻膠層(30)進(jìn)行所述曝光時(shí)，基于所述基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記(50)將所述曝光圖形與所述基片(20)對(duì)準(zhǔn)，以使得所述刻蝕窗口圖形與需要在所述光刻膠層(30)中形成的所述刻蝕窗口(40)的位置相對(duì)準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)局域定位標(biāo)記￠0)相互之間是可區(qū)分的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)局域定位標(biāo)記￠0)中每一局域定位標(biāo)記￠0)由一矩形區(qū)域及位于該矩形區(qū)域內(nèi)數(shù)字標(biāo)記構(gòu)成，并且任意兩個(gè)局域定位標(biāo)記￠0)具有不同的數(shù)字標(biāo)記。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)局域定位標(biāo)記￠0)布置成一個(gè)陣列并聚集在所述基片(20)的一個(gè)局部的定位標(biāo)記區(qū)域內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括: 用原子力顯微鏡在所述局域定位標(biāo)記￠0)區(qū)域內(nèi)掃描探測(cè)所述基片(20)上的所述多壁碳納米管(10)，并獲得所述待裁剪多壁碳納米管(10)的所述局域位置參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)所述光刻膠層(30)進(jìn)行的所述曝光為電子束曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝；其中，所使用的工作等離子體為氬等離子體，所述氬等離子體的功率為5?50W，刻蝕腔體內(nèi)的氣壓為50?10mTorr,刻蝕時(shí)間為30?120秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，采用金屬薄膜沉積的方法在所述基片(20)的預(yù)定位置處形成基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記(50)和一個(gè)或多個(gè)局域定位標(biāo)記￠0)，以對(duì)所述多壁碳納米管(10)的所述刻蝕窗口(40)定位。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104392902SQ201410610638
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】張余春, 趙尚騫, 梁文杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所