一種制備納米線的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用揮發(fā)性氣源為原料，基于電子束誘導(dǎo)沉積原理加工制備納 米線的方法，尤其涉及一種使用利用寬束電子束制備小尺寸納米線的方法，屬于先進半導(dǎo) 體材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著科研的深入，納米線材料越來越多的應(yīng)用到了電子器件制造，高性能 材料，日常消費品等領(lǐng)域。特別的，在先進半導(dǎo)體電子器件制造領(lǐng)域，納米線可以用于制造 小尺寸的半導(dǎo)體材料以獲得優(yōu)良的器件性能。而在使用納米線構(gòu)建半導(dǎo)體電子器件時通常 需要納米線能夠位于確定的位置以實現(xiàn)電連接或者某種功能特性。此時，最好是能有一種 能在指定位置直接制備納米線的手段。這一手段最好是能良好的定位，并能實現(xiàn)對納米線 直徑，長度，形狀等特性的控制。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的最有效的方法之一是電子束誘 導(dǎo)沉積（EBID)制備納米線結(jié)構(gòu)的方法。利用電子束誘導(dǎo)沉積制備納米線的基本原理是在 低壓強環(huán)境下利用高能電子束使得吸附于襯底表面的有機分子分解，其中分子中的碳或者 金屬元素以固體的形式淀積在襯底表面，而非碳元素成分則形成揮發(fā)相被帶走。一般認為， 使用電子束誘導(dǎo)沉積制備的納米線的線寬直接與電子束的束斑大小相關(guān)。由于電子束與物 質(zhì)相互作用的彌散效應(yīng)，所獲得的納米線的線寬一般要大于電子束束斑的直徑。為此，為了 獲得小線寬的納米線，必須使用束斑更小的電子束。目前，使用較好的儀器設(shè)備，電子束的 束斑可能被縮小至亞納米量級的水平。但是由于電子與材料表面作用所產(chǎn)生的彌散效應(yīng)所 獲得線寬一般在十納米的量級。而且，要獲得這一線寬，所配套的電子束匯聚系統(tǒng)需要花費 巨大的成本。
[0003] 目前狀況下，在大多數(shù)應(yīng)用場合，數(shù)十納米的線寬是可以接受的，但是仍然需要納 米量級的束斑直徑，其成本仍然較高。因為可能達到的電子束束斑的大小直接決定了電子 光學(xué)系統(tǒng)的成本，因此，尋找一種在大束斑條件下制備小線寬的方法必然極大的降低成本， 極大的方面相關(guān)方向的發(fā)展。
[0004] 如前所述，基于常規(guī)的原理，由于電子束與材料作用產(chǎn)生的彌散效應(yīng)，納米線的線 寬必然要大于所使用的電子束的直徑。要使用大束斑的電子束制備小尺寸的納米線似乎是 不可能的。而這一原理似乎也限制了將電子束誘導(dǎo)沉積制備小尺寸納米線的方法應(yīng)用于低 成本的納米線結(jié)構(gòu)制備方面。本發(fā)明通過實驗分析，證實了使用大束斑的電子束制備小尺 寸的納米線的可行性。這一方法基于新的電子束誘導(dǎo)沉積機理，可以極大的降低相關(guān)方面 的成本，有利于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種使用有機物氣體或者金屬化合物作為氣源為原料，使 用寬束電子束，基于電子束誘導(dǎo)沉積原理加工制備小尺寸納米線的方法。利用寬束電子束 束斑內(nèi)強度分布的梯度效應(yīng)以及其邊緣效應(yīng)，通過控制電子束位置的方法，實現(xiàn)納米線材 料在制定位置進行制定長度和直徑的直接讀寫方式的制備。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種制備納米線的方法，具體步驟如下：
[0007] (1)將需要生長納米線的襯底放入真空室，抽真空，控制真空室壓強在 KT3-l(T6Pa，通入氣源，控制通入氣源后真空室內(nèi)壓強為K^-K^Pa;
[0008] (2)待氣源穩(wěn)定后開啟電子束，調(diào)節(jié)電子束的聚焦狀態(tài)，使得電子束在束斑直徑 內(nèi)，電子束的平均強度大于l〇2e/nm2/s;并調(diào)節(jié)電子束邊緣的強度分布狀況，使強度沿著 邊緣具有不均勻分布，即其自束斑邊緣沿著束斑直徑方向的空間變化率大于l〇2e/nm2/ S/100nm;電子束束斑的直徑大小為所需制備的納米線直徑的2-1000倍；
[0009] (3)將電子束的束斑邊緣置于需要生長納米線材料的襯底位置，所述襯底位置與 束斑邊緣之間點接觸，且接觸點在接觸之后即刻生長出納米結(jié)構(gòu)，之后以一定的速度相對 襯底移動電子束，移動過程中，通過控制其移動速度和聚焦位置使電子束束斑的邊緣始終 位于新生長出的納米結(jié)構(gòu)的尖端，形成納米線；也即保持納米線的生長頂端隨著電子束的 邊緣延伸；電子束相對襯底移動的速度即為納米線生長的速度；
[0010] 所述電子束相對襯底移動的速度V的判定方法如下：
[0011] 通過實驗獲得步驟（1)中氣源在步驟（2)所述電子束下的淀積速率Z，納米線的直
【主權(quán)項】
1. 一種制備納米線的方法，其特征在于：具體步驟如下： (1) 將需要生長納米線的襯底放入真空室，抽真空，控制真空室壓強在l〇_3_l〇_6Pa，通 入氣源，控制通入氣源后真空室內(nèi)壓強為K^-K^Pa; (2) 待氣源穩(wěn)定后開啟電子束，調(diào)節(jié)電子束的聚焦狀態(tài)，使得電子束在束斑直徑內(nèi)，電 子束的平均強度大于l〇2e/nm2/s;并調(diào)節(jié)電子束邊緣的強度分布狀況，使強度沿著邊緣具 有不均勻分布，即其自束斑邊緣沿著束斑直徑方向的空間變化率大于l〇2e/nm2/s/100nm; 電子束束斑的直徑大小為所需制備的納米線直徑的2-1000倍； (3) 將電子束的束斑邊緣置于需要生長納米線材料的襯底位置，所述襯底位置與束斑 邊緣之間點接觸，且接觸點在接觸之后即刻生長出納米結(jié)構(gòu)，之后以一定的速度相對襯底 移動電子束，移動過程中，通過控制其移動速度和聚焦位置使電子束束斑的邊緣始終位于 新生長出的納米結(jié)構(gòu)的尖端，形成納米線；也即保持納米線的生長頂端隨著電子束的邊緣 延伸；電子束相對襯底移動的速度即為納米線生長的速度； 所述電子束相對襯底移動的速度v的判定方法如下： 通過實驗獲得步驟（1)中氣源在步驟（2)所述電子束下的淀積速率z，納米線的直徑D與電子束相對襯底移動速度v線性相關(guān)：
，其中，L為納米線在t時間內(nèi)長出的 長度，其和電子束相對襯底移動速度v的關(guān)系為v=L/t，所以
|即在淀積速率z 和需制備的納米線直徑D-定的情況下，可得到電子束移動速度v; (4) 結(jié)束納米線的生長后關(guān)閉電子束，獲得所需制備的納米線結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米線的方法，其特征在于：步驟（3)中所述將電 子束的束斑邊緣置于需要生長納米線材料的襯底位置；具體的：當需要生長納米線材料的 襯底位置為厚度在500納米以下的襯底邊緣時，將電子束的束斑邊緣與襯底的邊緣接觸， 其它端均不接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米線的方法，其特征在于：步驟（3)中所述將電 子束的束斑邊緣置于需要生長納米線材料的襯底位置；具體的：當需要生長納米線材料的 襯底位置為襯底的平坦表面上一個點時，先在該點處淀積一個凸出的生長點，之后變化襯 底和電子束的相對位置，將電子束的束斑邊緣與所述凸出的生長點接觸，其它端均不接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制備納米線的方法，其特征在于：所述生長點的制備方 法為：使用半導(dǎo)體工藝制備一凸起結(jié)構(gòu)，或者使用傾斜襯底的方法在需要生長納米線材料 的襯底位置使用電子束誘導(dǎo)沉積來制備一凸起結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米線的方法，其特征在于：步驟（3)中在電子束 和襯底相對移動過程中，在適當位置停留或者改變電子束與襯底的相對移動方向，前者可 產(chǎn)生竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)，后者產(chǎn)生彎曲的碳納米線，移動速度的不均勻會使得納米線存在不同的 直徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米線的方法，其特征在于：步驟（1)所述氣源為 有機物氣體，用于生長碳納米線；或者是金屬化合物，用于生長金屬納米線。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種使用有機物氣體或者金屬化合物作為氣源為原料，使用寬束電子束，基于電子束誘導(dǎo)沉積原理加工制備小尺寸納米線的方法。利用寬束電子束束斑內(nèi)強度分布的梯度效應(yīng)以及其邊緣效應(yīng)，通過控制電子束位置的方法，實現(xiàn)納米線材料在制定位置進行制定長度和直徑的直接讀寫方式的制備。
【IPC分類】B82Y40-00, B82B3-00, C01B31-02, B82Y30-00
【公開號】CN104555911
【申請?zhí)枴緾N201510028655
【發(fā)明人】萬能, 卜新陽
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月20日