專利名稱：納米結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成小尺度結(jié)構(gòu)的方法，例如納米尺度—通常所知的納米結(jié)構(gòu)，并且也涉及小顆粒特別是納米尺度顆粒與材料表面間相互作用的方法。
到目前，利用光刻加工技術(shù)已經(jīng)制造出小尺寸的光子或電子器件。隨著尺寸減小，由于需要使用比以往任何時候都短的波長照射以使光致抗蝕劑曝光，因此以足夠的分辨率形成這些器件的獨立的幾何特征變得困難。
在作者為Chu等人，發(fā)表于Applied Physics Letters 67(21)，1995年11月20日，第3114-3116頁的“聚合物中25nm以下的通孔和溝槽的印刻(Imprint of sub-25nm vias and trenches inpolymers)”一文中，公開了一種工藝，該工藝將一印模壓入基片上的熱塑性聚合物薄膜中來產(chǎn)生最小尺寸為25nm的通孔和溝槽。
納米尺寸的金屬和半導(dǎo)體顆粒(納米顆粒)可被認(rèn)為一種用于光子或量子電子器件的潛在元件。這些器件的制造不僅要求淀積也要求納米顆粒在基片上的定位。有許多不同的使用顆粒或團簇作為組成部分產(chǎn)生納米級結(jié)構(gòu)的方法，諸如利用毛細(xì)管力從懸浮液中沉淀，它可以產(chǎn)生顆粒類晶結(jié)構(gòu)的二維和三維陣列。
分辨率好于200nm的金屬團簇的納米級鏈已被制造出來。在銅淀積過程中他們在基片邊界和光致抗蝕劑線上成核—“納米級團簇鏈在已形成圖案的Si表面上的微制造(Microfabrication of nanoscalecluster chains on a patterned Si surface)”，作者為Liu等，發(fā)表于Applied Physics Letters，1995年10月5日，第2030-2032頁。
“通過電子束繪圖的微米尺度粉末顆粒的排列(An arrangementof micrometer-sized powder particles by electron beamdrawing)”一文，作者Fudouzi等，發(fā)表于Advanced PowderTechnol.，1997年第8卷第3期，251-262頁，報道了可在絕緣表面內(nèi)寫下尺寸為20μm的帶電線。它表明懸浮液中帶電的二氧化硅球體(直徑5μm)能被可控地導(dǎo)向這樣的帶電線。
就荷電表面的題目，“使用力顯微鏡的靜電書寫和成像(Electrostatic writing and imaging using a forcemicroscope)”一文，作者Saurenbach，發(fā)表于IEEE Transactionson Industry Applications，28卷第1期，1992年1月，256頁，公開了使用具有鎢顯微尖端的靜電力顯微鏡，使其接觸帶有小電壓的聚碳酸脂表面來將電荷傳遞到表面，以產(chǎn)生微米尺度的“電荷點”。
“通過接觸起電在SrTiO3薄膜上的電荷存儲(Charge storage onthin Sr TrO3film by contact electrification)”，作者Uchiahashi等，發(fā)表于Japanese Journal of Applied Physics，33卷(1994)，5573-5576頁，公開了通過使用原子力顯微鏡，利用接觸起電在薄膜上的電荷存儲。可能分辨間隔約60nm的荷電點。該工藝意在用于非易失性半導(dǎo)體存儲器。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的方法，通過該方法可以制造具有小的幾何特征的器件。
本發(fā)明的概念是優(yōu)選通過使可控的金屬工具接觸絕緣襯底，以在表面上的非常小，小到納米尺度的區(qū)域?qū)腚姾伞Ｗ鳛楸景l(fā)明的第二步，處于氣溶膠或液相中的納米尺度顆粒則受基片上的電荷區(qū)的影響，以便被淀積在基片上或如下所說明的與基片相互作用。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種方法，該方法包含以下步驟，通過用工具裝置接觸所述區(qū)域用于傳遞電荷，在第一材料的表面上形成一個或多個預(yù)定形狀的帶電區(qū)域；以及提供第二材料；和使顆粒在所述區(qū)域的附近流動，以按照預(yù)定方式與所述區(qū)域的電荷相互作用。
在第二方面，本發(fā)明提供了完成方法的裝置，該裝置包含用于接觸第一材料表面上的一個或多個預(yù)定形狀區(qū)域以將電荷傳到其上的工具裝置，和用于使第二材料的顆粒在所述區(qū)域附近流動，按照預(yù)定形式與所述區(qū)域相互作用的裝置。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，該方法包含以下步驟，在材料表面上形成一個或多個預(yù)定形狀的帶電區(qū)域；提供納米尺度顆粒；以及允許顆粒在所述區(qū)域的附近流動，以按照預(yù)定形式與所述區(qū)域相互作用。
對于本說明書的目的，“納米尺度顆粒”意指直徑為300納米或更小的顆粒。大多數(shù)應(yīng)用的優(yōu)選顆粒直徑為50納米或更小；而在有些應(yīng)用中例如光電子學(xué)應(yīng)用中，更進一步優(yōu)選顆粒直徑為10納米或更小。
工具裝置可以是具有大到毫米尺度或小到納米尺度的輪廓表面(contoured surface)的壓機(press)或印模，它被安排與基片表面接觸，并且具有符合所需要的圖形或?qū)⒁坏矸e到基片上的電荷的構(gòu)形的構(gòu)形。壓機或印模可以是剛性材料或彈性材料，例如表面有橡膠涂層的金屬。
使用印模的一個顯著優(yōu)點是一個具有預(yù)定形狀的荷電區(qū)域構(gòu)形，它在一個寬廣范圍內(nèi)延伸，可在一次單獨操作中形成。本發(fā)明的工藝因此比其它方法，如電子束繪圖或書寫的方法，進行得更快。
或者，工具可以采取針、桿或其它伸長體的形式，它們按照預(yù)想的路徑在表面繪制來產(chǎn)生所需要的電荷圖形。工具也可以是掃描探針顯微鏡的尖端。工具材料通常是金屬的，但也可以是任何其它合適的剛性材料，該材料具有與第一材料的功函數(shù)相關(guān)的功函數(shù)以便允許電荷流動到第一材料表面。第一材料通常為絕緣材料，但也可以是半導(dǎo)體的或任何可使施加的電荷保持足夠長時間以允許進行的本發(fā)明方法材料。
除局部荷電區(qū)域以外，第二材料的淀積可通過施加靜電沉淀電場輔助進行。
優(yōu)選，第二材料顆粒具有和第一材料符號相反的第二電荷。或者，第二材料的顆粒可以是和第一電荷符號相同的，被淀積的第二材料的圖形由來自一個或多個荷電區(qū)域的排斥力決定。
顆粒帶電的要求在某些情況下可以放寬—在電場中顆?？梢员粯O化并且會由于電場梯度被吸引向靜電荷電體。
在另一應(yīng)用中，電中性納米顆?？杀话l(fā)射到一個表面，每個顆粒吸收一個或多個電荷載流子，并且在荷電條件下從基片被反彈回來。
除接觸荷電外，可以使用其它方法產(chǎn)生局部荷電區(qū)域，包括通過利用光子輻照導(dǎo)入電荷圖形，例如使用掩模通過例如同步加速的光子輻照；或在極性半導(dǎo)體表面通過激光干涉導(dǎo)入荷電圖形。
第二材料顆?？赏ㄟ^任何合適的工藝形成。一個優(yōu)選的產(chǎn)生氣溶膠形式的顆粒的工藝在下面描述。或者其它工藝如激光燒蝕可被采用。
附圖簡述現(xiàn)在將只通過實施例參考附圖描述本發(fā)明地優(yōu)選實施例，其中

圖1是說明本發(fā)明方法的簡圖；圖2a～2c是說明按照本發(fā)明施加電荷到絕緣表面的接受區(qū)域的過程；圖3是本發(fā)明的方法中，用于氣溶膠納米顆粒發(fā)生器的淀積反應(yīng)室(沉淀器)；圖4以圖解的形式說明氣溶膠納米顆粒發(fā)生器，它在我們共同未解的PCT申請?zhí)朑B98/03429中被描述。
圖5a～c到9是按照本發(fā)明形成的其上有顆粒淀積的材料表面的掃描電子顯微照片；以及圖10～20是表示本發(fā)明不同實施例的簡圖。
優(yōu)選實施例描述現(xiàn)在參考附圖中的圖1，硅晶片3的表面被氧化生成二氧化硅層1，帶負(fù)電荷的局部區(qū)域5被印在表面上。在局部電場F的輔助下，在氣溶膠單元中形成的納米顆粒7被施加正電荷，并且被吸引到二氧化硅表面層的局部荷電區(qū)域5。
圖2a到2c表示了一種施加局部電荷到表面的方法。納米印模(nanoprinting stamp)9由導(dǎo)體材料制成(或由表面覆有金屬涂層的絕緣材料制成)，并且使之與絕緣表面1接觸。印模9在其接觸表面上具有預(yù)定構(gòu)形的凸起11。這些凸起的寬度可從納米尺度直到宏觀毫米尺度，優(yōu)選通過電子束光刻法制造。凸起的高度對區(qū)域限定是不重要的。接觸之后，精確反映印模凸起的尺寸和結(jié)構(gòu)的局部荷電區(qū)域留在基片的表面1上。
本方法的基礎(chǔ)是電荷穿過被相互接觸的絕緣體和金屬的界面。金屬被移走后，電荷保留在絕緣體上。所傳遞的電荷的符號和數(shù)量近似線性地取決于與絕緣體功函數(shù)或自由能相關(guān)的金屬的功函數(shù)或自由能?？赏ㄟ^在金屬和絕緣體之間提供電勢差可使電荷數(shù)量增加。據(jù)估計，使用該優(yōu)選實施例所述方法，每平方微米或更小傳遞105個電荷。
此時其表面1上已具有了荷電圖形的基片，被放在如圖3所示的用于氣溶膠發(fā)生器的淀積反應(yīng)室或沉淀器中。發(fā)生器產(chǎn)生帶有可控正電荷或負(fù)電荷的顆粒。如果氣溶膠顆粒具有與基片表面電荷相反的極性，顆粒將優(yōu)先淀積在基片的荷電區(qū)(圖1)，而具有與表面電荷圖形相同極性的顆粒將被從荷電圖形反射回來，并且被淀積在局部荷電區(qū)域之間的空間中。在沒有施加電場的情況下，帶有相反電荷狀態(tài)的顆粒將仍然淀積在基片的荷電區(qū)，而與表面荷電圖形極性相同的顆粒將不被淀積。
可隨后進行進一步的工藝步驟以將顆粒永久固定在表面。
參考圖3，它表示出一個接地的反應(yīng)室20，在其上壁中具有用于接收氣溶膠形式的顆粒7的開口22。為了在電極和反應(yīng)室壁之間產(chǎn)生電場，反應(yīng)室中的電極24被連接到電勢源26。電極24安裝在絕緣管28上。荷電樣品1被放在電極24的上表面。樣品距開口22有幾厘米的距離。
使用時，通過開口22進入反應(yīng)室的顆粒23流向樣品1。如圖1所示的樣品上的電荷可能足以吸引顆粒淀積。但是如圖所示，可通過在電極24和反應(yīng)室20的壁之間存在的電場輔助淀積。
在此情況下，可以(a)通過吸引不同極性的顆粒到荷電區(qū)域以及(b)通過使顆粒偏離荷電區(qū)域發(fā)生顆粒淀積。在第一種情況下，顆粒不僅被淀積在荷電區(qū)域也被淀積在區(qū)域之間的面積上，淀積密度低且隨機淀積。這取決于電場間的距離、所施加的宏觀電場的強度、顆粒尺寸以及顆粒在氣流中的速度。在第二種情況下，顆粒將只被淀積在荷電區(qū)域之間。
另外，本實施例可適用于來自液相的膠態(tài)顆粒代替氣溶膠顆粒而被采用。
可使用不依靠宏觀電場的使顆粒接近表面的其它方法，例如慣性碰撞或熱泳。
雖然對于絕緣表面電荷圖形的產(chǎn)生很容易被驗證，該方法也可用于半導(dǎo)體和金屬表面，雖然電荷數(shù)量和電荷持續(xù)的時間與絕緣表面相比可能較小。
另一個特征是基片本身或活性表面層可以很薄—只有幾個納米，例如50nm。這促進了在一側(cè)形成電荷圖形，而顆粒淀積在基片的另一側(cè)。這可以使如圖2所示的印模裝置被組合到如圖3所示的淀積反應(yīng)室中，這樣樣品可被固定在反應(yīng)室內(nèi)，并且印模裝置被對著樣品的下側(cè)以給予電荷圖形(電極的上表面可形成印模)。然后該電荷將有效吸引氣溶膠顆粒向下流到樣品的上表面。該基片的厚度僅受基片材料的介電常數(shù)、存儲于表面中的電荷數(shù)和本身是顆粒尺寸函數(shù)的顆粒電遷移率、顆粒上的電荷數(shù)和顆粒懸浮媒介的限制。因此，薄的箔片可能用作基片材料。
為了在如圖3所示的裝置中產(chǎn)生用于淀積在基片表面的荷電顆粒，本實施例采用圖4裝置。這是一個能夠產(chǎn)生體積流量為1680cm3/min。氣溶膠的氣溶膠發(fā)生器，并且約5×105cm-3的顆粒濃度被用于顆粒發(fā)生。在圖4中，爐子F1產(chǎn)生由升華產(chǎn)生的金屬顆粒。一個充電器C1被置于爐后為氣溶膠顆粒充電。在差分遷移率分析儀DMA1中進行顆粒尺寸選擇。DMA裝置發(fā)現(xiàn)一個事實，即各自帶電的顆粒的電遷移率是顆粒尺寸的單調(diào)遞增函數(shù)。當(dāng)荷電顆粒流垂直電場送入時，電場使顆粒被吸引到一個電容器平板。具有較高電遷移率的顆粒將被淀積在平板的最近部分，而那些遷移率較低的顆粒將被主泄流帶走。只有那些有正確遷移率，即顆粒尺寸的顆粒被吸引到樣品槽裝置，在此顆粒被流過樣品槽的氣流帶走。DMA可產(chǎn)生尺寸嚴(yán)格控制的顆粒，其尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差在百分之幾以內(nèi)。這些顆粒被導(dǎo)向下一個爐子F2，在此處與氫化物氣體混合以產(chǎn)生另外組成的另外顆粒。這些顆粒在下一個DMA2中受到嚴(yán)格的顆粒尺寸控制。對于給定的顆粒直徑，獲得一個直徑±0.2的直徑分布。顆粒直徑可小到5nm，或者甚至到分子大小。這些顆粒被導(dǎo)向如圖3所示的淀積反應(yīng)室DC。一個靜電計E1和泵Pu被連接來測量顆粒濃度并產(chǎn)生使顆粒流入淀積反應(yīng)室或沉淀器的氣流。
載氣為大氣壓力和室溫下的超高純氮氣。由于發(fā)生工藝，顆粒帶一個正電或一個負(fù)電電荷。氣溶膠流入如圖3所示裝置進行淀積。在基片上建立了一種滯流點流動。電場引導(dǎo)荷電顆粒流向要淀積的表面。沒有電場時，顆粒跟隨載氣流線流走并不發(fā)生淀積。具有500nm厚氧化物的熱濕性氧化的硅(111)和一個平坦表面被用作基片。硅是p+型摻雜，具有0.01～0.02Ω.cm的電阻率。除了用氮氣吹去除粗顆粒外不進行特殊的清洗工藝。
作為使用印模的替代方法，基片表面的接觸充電可用不銹鋼針完成，不施加壓力使針滑過基片表面，針和基片均接地。
為評估樣品，利用掃描電子顯微鏡(SEM)獲得基片表面上顆粒的排列。
圖5表示顆粒的均勻分布，它是在具有150kV/m電場強度的靜電沉淀器的均勻電場中淀積帶負(fù)電的30nm的銦顆粒得到的。通過宏觀電場顆粒被吸引到表面。顆粒的宏觀分布在整個樣品區(qū)域是均勻的。對于在負(fù)電場中淀積帶正電顆粒得到同樣情況。
當(dāng)帶負(fù)電顆粒在150kV/m電場下被淀積在基片上時，如圖6所示，基片表面事先已利用負(fù)表面電荷線條形成圖形，在均勻分布的顆粒內(nèi)，顯現(xiàn)出無顆粒區(qū)域。圖6是一張掃描電子顯微照片，它表明這些區(qū)域的寬度約為10μm。在他們的邊界上是一條寬度約為300nm的狹窄的過渡區(qū)(示于插圖中)，過渡區(qū)中顆粒密度由零增加到基片其余區(qū)域所具有的平均密度。淀積后觀察到的無顆粒區(qū)的圖形對應(yīng)于用鋼針施加的圖形。這表示基片和針之間的接觸區(qū)帶負(fù)電。
對于利用均勻的～150kV/m電場，在帶負(fù)電的基片上淀積帶正電顆粒的情況下，如圖7所示，顆粒被淀積在位于200μm無顆粒區(qū)82中心的約10μm的線條80中。該線條80中的顆粒密度與樣品其余部位的平均密度相比高約5～10倍。再者，不同區(qū)間的邊界十分清晰。線條位于鋼針橫穿基片的區(qū)域。在遠(yuǎn)離線條80的區(qū)域84中，發(fā)生由靜電淀積的淀積。
對于微電子元件的制造，通常希望有選擇地用單一材料如金覆蓋基片的某些區(qū)域，而其余區(qū)域保持干凈。這意味著要優(yōu)先避免靜電沉淀器的電場引起的對基片的無控制覆蓋。關(guān)閉靜電沉淀器即不施加電場在荷電基片上淀積帶正電顆粒，令人吃驚的結(jié)果是基片上電荷的數(shù)量足夠吸引來自氣流的顆粒。這意味著淀積變得非常具有選擇性，只有樣品的荷電部分被顆粒覆蓋?？色@得約10μm的線寬。當(dāng)相同的工藝采用帶負(fù)電顆粒進行時，根本沒有顆粒被淀積。
當(dāng)在大氣環(huán)境下處理基片時，表面將具有主要由水組成的污染層。在接觸起電過程中，電荷被俘獲在氧化硅表面內(nèi)，也束縛在污染層中。后者是流動的并且能在污染層中移動。這導(dǎo)致表面上荷電圖形的寬化。使用沒有污染層的表面改善荷電和非荷電區(qū)域間邊界的清晰度。因此，作為優(yōu)選方法，采用去除或阻止水污染區(qū)形成的方法和裝置，比如在無水氣氛中加熱基片。
在一個具體實施例中，將具有1μm厚氧化層的硅對著壓縮光盤(CD)母版壓。CD母版是一個具有凸起的金屬片，凸起對應(yīng)于CD中的凹處。這些凸起尺度為1μm。氣溶膠顆粒淀積后的結(jié)果示于掃描電子顯微照片中(圖8a～c)。這表明顆粒集中在接觸電化點。圖8a是均勻淀積、沒有局部荷電區(qū)的情形。圖8b，與圖8a比例相同，表示通過用CD母版壓制在局部荷電區(qū)上的淀積。圖8c是圖8b的縮小比例視圖。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，如圖9所示，通過對著絕緣(SiO2)表面輕輕滑動金屬針產(chǎn)生線條。這表明在沉淀器中施加或不施加外部電場收集帶正電或負(fù)電的顆粒是可能的?？色@得低于50nm的分辨率。
利用能夠使其帶電并在載氣中被分散的物質(zhì)覆蓋具有納米分辨率的表面是可能的。結(jié)構(gòu)單元(building block)的尺寸范圍從幾百納米直至單個分子大小。該工藝的靈活性可以產(chǎn)生具有從毫米尺寸范圍(如傳感器)小到100nm或更小尺寸范圍(如量子器件)的分辨率的結(jié)構(gòu)。這使得宏觀和納米級世界之間的連接可在一步工藝內(nèi)實現(xiàn)。另一個可觀察的結(jié)果是能夠?qū)⒉煌w粒密度的顆粒鏈一個挨一個緊密排列起來。
對于電子納米結(jié)構(gòu)的制造，理想的是充電工藝既不破壞也不污染基片表面。假設(shè)人們選擇正確的材料組合，例如將足夠硬的材料壓向一種較柔軟的材料，表面隨后發(fā)生彈性變形而非永久變形，只要接觸壓力足夠低，硬的材料將不會損傷基片，這是由于無害接觸僅僅足以產(chǎn)生電荷圖形，而沒有施加壓力。實際上，產(chǎn)生表面缺陷如劃痕，將破壞接觸充電效應(yīng)。使用較軟材料，例如表面和體原子間結(jié)合不是很強的材料，有可能接觸后材料可留在表面上。
用于在表面上制造清楚的結(jié)構(gòu)的方法的分辨率范圍主要取決于儲存于表面中的電荷數(shù)、被淀積的顆粒數(shù)，以及顆粒的電遷移率。電遷移率是顆粒尺寸、顆粒所帶電荷數(shù)和顆粒懸浮媒介的函數(shù)。
本發(fā)明在克服常規(guī)光刻的限制方面找到特殊應(yīng)用。隨著電路不斷變小，用于連接芯片上器件的金屬線(稱為通孔)的層數(shù)增加，這成為芯片制造中成本消耗最大的一部分。每層金屬要求一個單獨的光刻步驟，其中要施加光致抗蝕劑，使其曝光并顯影，接著蒸發(fā)金屬，以及最后去除多余的金屬。在這一點上，本發(fā)明允許不用任何光刻步驟且不損傷下層結(jié)構(gòu)而制造具有納米尺度的引線。
通過首先產(chǎn)生電荷圖形并淀積一種顆粒，然后形成第二種電荷圖形并淀積另一種顆粒，甚至可能進行不同材料或不同材料尺寸的連續(xù)淀積。此時，對最初淀積顆粒的固定步驟可能是必需的，如進行退火處理。
本發(fā)明也可用來替代用于制造化學(xué)和生物傳感器的非常精細(xì)的光刻方法。它也可用于制造催化劑結(jié)構(gòu)。
已經(jīng)用非常慢的電子束光刻法和金屬化制造出具有亞皮秒響應(yīng)時間的光學(xué)探測器。用這種方法，具有低于50nm的橫向金屬-金屬間隙的交錯對插式金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)被形成。利用本發(fā)明的方法，可有效制造完整的光電子器件，如基于納米顆粒的光電子元件。對于其中一些元件，光波長量級的顆粒有序化是關(guān)鍵。這些元件中有基于激光和發(fā)光二極管的量子點。
該方法也可用于光子帶隙材料中—顆粒處于光波長量級為序的陣列中，它呈現(xiàn)光子帶隙，以不允許某些波長通過。這應(yīng)用于光通訊中。
本發(fā)明在干涉著色和防反射涂層的制造以及具有獨特的例如耐磨性的摩擦性納米結(jié)構(gòu)表面的構(gòu)造方面找到了應(yīng)用。
本發(fā)明可進一步應(yīng)用于磁存儲器件、閃速存儲器器件、電致發(fā)光顯示器的制造。另外，本發(fā)明也可適用于納米管和納米晶須生長的可控籽晶培育。
此外，通過本方法向表面荷電區(qū)域發(fā)射高速中性顆粒可能會導(dǎo)致電荷從表面?zhèn)鬟f到顆粒，允許被表面散射的顆粒獲得電荷。
本發(fā)明在去除氣體或液體中的顆粒方面也找到了應(yīng)用。
現(xiàn)在參考圖10，圖10表示通過按照本發(fā)明的方法產(chǎn)生的庫侖阻塞器件的實施例。圖10a表示形成以納米顆粒間電子躍遷為基礎(chǔ)的無線單電子邏輯回路的納米顆粒鏈100。圖10b表示具有受電極104、106影響的中心納米顆粒100、102的單電子晶體管結(jié)構(gòu)。
圖11是一個按照本發(fā)明的方法的示意圖，該方法用于制造納米尺度金屬電路結(jié)構(gòu)。具有預(yù)定形狀112的印模110(概念性表示)被壓向基片114，以產(chǎn)生相應(yīng)的荷電圖形區(qū)116。然后帶有相反電荷類型的金屬顆粒118被淀積在基片上以粘附圖形116。經(jīng)過退火處理后，顆粒結(jié)合形成連續(xù)的金屬特性119。
現(xiàn)在參考圖12，圖12表示通過按照本發(fā)明的可控納米顆粒淀積產(chǎn)生多金屬表面結(jié)構(gòu)。印模120被壓向基片122，以在基片上形成荷電圖形區(qū)124；在其上淀積帶有相反電荷的納米顆粒125。然后通過適當(dāng)工藝將顆粒固定在基片上。具有不同印模圖形的另一印模126被壓向基片122，以產(chǎn)生第二種荷電區(qū)圖形128。這允許不同類型的納米顆粒129淀積在第二荷電區(qū)上。
參考圖13，圖13表示通過按照本發(fā)明的方法制造量子點激光器，其中具有尺寸小于20納米的金屬化凸起132的印模130被壓向基片134?；牧显诒緦嵗惺羌す馄鹘Y(jié)構(gòu)的n-型部分；替代地，基片也可構(gòu)成激光器的p-型部分。金屬化凸起在基片上產(chǎn)生荷電區(qū)或點，以允許顆粒136淀積在局部電荷區(qū)產(chǎn)生n-型激光活性量子點區(qū)138。經(jīng)過顆粒的外延過度生長，如同在具有p-型基片的139上一樣以產(chǎn)生激光器結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)為最后工序作好準(zhǔn)備。
圖12和圖13的工藝可被基本結(jié)合，其中可進行淀積p-型或n-型顆粒的重復(fù)操作，形成激光器結(jié)構(gòu)的一些部分；每一步操作采用不同直徑的顆粒，并由此產(chǎn)生不同的激光特性，例如波長。最后，如圖13進行外延過度生長。
現(xiàn)在參考圖14，圖14表示按照本發(fā)明的方法制造光子帶隙材料，其中具有橫向尺寸為所討論的光波波長的1/4量級的金屬化凸起142的印模140被壓向基片144，以產(chǎn)生相似圖形的荷電區(qū)。然后微米尺寸的顆粒146被淀積到基片上，在局部荷電區(qū)積聚。通過延長淀積時間，顆粒將在彼此頂部上沉淀以產(chǎn)生細(xì)絲148或顆粒鏈。這產(chǎn)生具有光波長量級的理想晶格結(jié)構(gòu)的細(xì)絲，由此通過布拉格反射，產(chǎn)生被傳播光的光子帶隙。
參考圖15，圖15表示通過按照本發(fā)明的方法制造納米管陣列，其中具有橫向尺寸為小于20nm的凸起152的印模150被壓向基片154，以產(chǎn)生局部荷電區(qū)。帶相反電荷的納米尺寸顆粒156被淀積在基片上，粘附到局部荷電區(qū)。以納米顆粒為籽晶，碳納米管158陣列或細(xì)絲可通過化學(xué)氣相淀積生長。這在場發(fā)射應(yīng)用領(lǐng)域有應(yīng)用。
參考圖16，圖16表示按照本發(fā)明的方法制造納米桿陣列，其中具有橫向尺寸為小于20nm的凸起162的印模160被壓向基片164，以產(chǎn)生局部荷電區(qū)。納米尺寸顆粒166被淀積在局部荷電區(qū)，這些顆粒被用作籽晶以產(chǎn)生細(xì)絲或納米桿，例如半導(dǎo)體或磁性材料，他們采用氣相淀積法生長。
參考圖17，圖17表示了一種使氣溶膠顆粒帶電的方法。具有橫向尺寸為厘米數(shù)量級的金屬化凸起172的印模170被壓向基片174，以產(chǎn)生荷電區(qū)176。中性氣溶膠顆粒被高速引導(dǎo)到表面，因而從基片上反彈并從荷電區(qū)176帶走相應(yīng)的荷電單位。替代地，基片可以是不帶電的。通過碰撞過程，氣溶膠顆粒仍然有效地從基片“提取”電荷。
參考圖18，圖18表示從出口氣體流中去除煤煙顆粒的方法，其中位于例如發(fā)動機的排氣管中絕緣材料圓筒180，具有一個通過支架184安裝在管180中心的旋轉(zhuǎn)金屬刷182。金屬刷有與內(nèi)壁接觸的金屬絲186，并且當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時使壁內(nèi)表面帶負(fù)電。圓筒可以是二氧化硅、玻璃或陶瓷的。在最初階段，或者由于燃燒過程或通過單獨裝置如充電器，排出氣體中的顆粒帶正電。這些帶電顆粒然后被淀積在圓筒壁上。刷子起從壁上將顆粒清除到排出通道188用于進一步處理的作用。
現(xiàn)在參考圖19，圖19表示按照本發(fā)明的方法，種植用于二維或三維量子點陣列的外延自組裝點的一種方法。如圖19a所示，通過按照本發(fā)明的方法產(chǎn)生局部荷電區(qū)190。利用外延法，在局部荷電點上形成自組裝點192。外延法可以是分子束外延、化學(xué)束或金屬-有機氣相外延法，或是這幾種方法的任意組合。然后在顆粒192上生長絕緣層194，重復(fù)該工藝來產(chǎn)生量子點三維陣列196。
在圖19b中的方法有些類似圖19a所示方法，并且相似部分用相同的參考數(shù)表示。但是，在最初一步，納米顆粒例如鎢顆粒191被按照本發(fā)明的方法淀積在荷電陣列上。利用外延法，生長一個薄緩沖層194來覆蓋顆粒。在下一個外延步驟中，按照圖19a其余部分所描述的，在被埋置的顆粒上部形成自組裝點192。延長的外延工藝將產(chǎn)生量子點三維陣列196。
參考圖20，一個閃速存儲器結(jié)構(gòu)包含帶有源電極和漏電極202的基片200。一個柵極結(jié)構(gòu)覆蓋在導(dǎo)電溝道206上。柵極結(jié)構(gòu)包含氧化層208、包含在外延過度生長212中納米顆粒210的納米顆粒層，以及另一個氧化層214，和最后的金屬柵電極216。納米顆粒210具有電荷存儲能力，并且可以是任何適當(dāng)材料的。在該結(jié)構(gòu)形成過程中，氧化層208最初在基片表面上生長，然后通過如上的印模工藝施加納米顆粒。外延過度生長和選擇性刻蝕的相繼其它步驟產(chǎn)生所示結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包含以下步驟，通過用工具裝置(9)接觸所述區(qū)域來傳遞電荷，在第一材料的表面(1)上形成預(yù)定形狀的一個或多個荷電區(qū)(5)；提供第二材料的顆粒(7)；和允許顆粒在所述區(qū)域附近流動，以便按照預(yù)定方式與所述區(qū)域相互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述顆粒為納米尺度。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中第二材料不同于第一材料。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中使所述一個或多個荷電區(qū)帶第一符號電荷，而第二材料顆粒帶第二符號電荷，第二符號與第一符號相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任何之一的方法，其中使所述一個或多個荷電區(qū)帶第一符號電荷，而第二材料顆粒帶第二符號電荷，第二符號與第一符號相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其中所述第二材料顆粒各帶一個或多個電荷。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中在朝向所述表面的方向提供電場以增強所述顆粒向所述第一表面的流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該電場導(dǎo)致所述顆粒的電荷極化，這對在表面上淀積顆粒是有效的。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中為了制造一種結(jié)構(gòu)，所述顆粒被淀積在由一個或多個荷電區(qū)決定的區(qū)域內(nèi)的表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中顆粒被淀積在所述一個或多個荷電區(qū)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中顆粒被淀積在所述一個或多個荷電區(qū)以外的區(qū)域上的所述表面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～3任何之一的方法，其中所述第二材料顆粒為電中性，并被投射到所述區(qū)域(176)以吸收電荷單元，并在荷電條件(178)下從表面反彈回來。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中該工具裝置包含印模，該印模具有輪廓表面，用于接觸第一材料的表面，具有符合所述區(qū)域形狀的構(gòu)形。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或12任何之一的方法，其中該工具裝置包含一種延伸體如針或桿，它被壓向材料表面并按照所需路徑在表面繪制以確定所述區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該工具裝置為掃描探針顯微鏡的尖端。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述表面被準(zhǔn)備以便沒有顯著的水或其它導(dǎo)電性污染。
17.根據(jù)任一前述的權(quán)利要求制造材料構(gòu)形的方法，其中所述第二材料顆粒被安排如同氣溶膠流動。
18.根據(jù)權(quán)利要求1～16任何之一的制造材料構(gòu)形的方法，其中所述第二材料顆粒被安排如同液體懸浮液流動。
19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中第二材料是金屬，并且顆粒被淀積在第一材料上，并隨后對表面作退火處理。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中在方法的第二階段，采用不同預(yù)定形狀或尺寸的不同的一個或多個荷電區(qū)(128)重復(fù)進行權(quán)利要求1中提出的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求1～18任何之一的方法，其中第一材料形成激光器結(jié)構(gòu)的第一部分(134)，第二材料顆粒被淀積在第一材料上并形成激光器結(jié)構(gòu)的第二部分(138)，并且包含第二材料顆粒外延過度生長以形成激光器結(jié)構(gòu)的進一步的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求20和21的方法，其中第二材料顆粒以連續(xù)步驟淀積，每一步驟包含不同尺寸和激光性能的顆粒。
23.根據(jù)權(quán)利要求1～18任何之一的方法，包括用延長的周期在第一材料表面上淀積所述第二材料顆粒，以產(chǎn)生從表面直立的第二材料的細(xì)絲(148，158)。
24.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，包括在所述工具裝置和所述表面間提供一個電壓偏壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求1～18任何之一的方法，通過(a)利用外延法在所述一個或多個荷電區(qū)上形成自組裝量子點(192)；(b)在自組裝量子點上生長一個中間層(194)，并根據(jù)所需次數(shù)重復(fù)所述步驟(a)和(b)(196)，對該方法進行了修改。
26.根據(jù)權(quán)利要求1～18任何之一的方法，其中通過在覆蓋基片的絕緣層上淀積顆粒，使顆粒被埋置于絕緣層內(nèi)，然后有選擇地刻蝕該層，并形成閃速存儲器結(jié)構(gòu)的電極，建立閃速存儲器結(jié)構(gòu)。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求26的方法形成的閃速存儲器結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求1～25任何之一所述，一種通過在一個表面的一個或多個荷電區(qū)上淀積至少一種材料形成的納米級電子或光電子器件。
29.根據(jù)權(quán)利要求1～25任何之一，通過在一個表面的一個或多個荷電區(qū)上淀積材料形成的具有改進的摩擦性能的一種表面。
30.根據(jù)權(quán)利要求1～25任何之一，通過在一個表面的一個或多個荷電區(qū)上淀積材料形成的具有改進的光學(xué)性能的一種表面。
31.一種方法，包含以下步驟，在預(yù)定形狀的第一材料的一個表面(1)中形成一個或多個荷電區(qū)(5)，所述區(qū)域通過用光子輻照表面形成；提供第二材料的顆粒(7)；以及允許該顆粒在所述一個或多個荷電區(qū)附近流動，以便按照由所述區(qū)域決定的圖形淀積在表面上。
32.一種方法，包含以下步驟，在一種極性半導(dǎo)體材料的表面內(nèi)形成一個或多個預(yù)定形狀的荷電區(qū)(5)，所述區(qū)域通過在所述表面上進行激光干涉形成；提供第二材料的顆粒(7)；以及允許顆粒在所述區(qū)域附近流動，以便按照由所述區(qū)域決定的圖形淀積在表面上。
33.一種方法，包含以下步驟，在一種材料的表面(1)上形成一個或多個預(yù)定形狀的荷電區(qū)(5)，提供納米尺度顆粒(7)，以及允許顆粒在所述區(qū)域附近流動，以便按照預(yù)定方式與所述區(qū)域相互作用。
34.根據(jù)權(quán)利要求31～33的方法，并進一步包括根據(jù)權(quán)利要求2～25任何之一的步驟。
35.一種方法，包含提供納米尺度顆粒(178)，以及允許顆粒碰撞基片表面(174)并從表面(174)反彈，從而使顆粒吸收電荷。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中基片表面是荷電的(176)。
37.一種從氣流中去除顆粒的方法，包含通過用工具裝置(182，186)接觸表面提供一個具有電荷的表面(180)，允許氣流留過表面使顆粒被淀積在荷電表面上，然后將顆粒從表面去除。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該工具裝置是一個旋轉(zhuǎn)的刷子，它在后續(xù)旋轉(zhuǎn)中從表面清除顆粒并將顆粒淀積在收集區(qū)(188)中也是有效的。
39.完成一種方法的裝置，包含工具裝置(9)，用于接觸第一材料的表面(1)上的預(yù)定形狀的一個或多個區(qū)域(5)，以將電荷傳遞到其上；以及裝置(20，22)，用于允許第二材料的顆粒(7)在所述區(qū)域附近流動，以便按照預(yù)定方式與所述區(qū)域相互作用。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，包括用于產(chǎn)生納米尺度顆粒的氣溶膠裝置(F1-DMA2)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所述氣溶膠裝置被安排用于給所述顆粒帶電。
42.根據(jù)權(quán)利要求39～41任何之一的裝置，包括用于在朝向所述表面的方向產(chǎn)生電場以增強所述顆粒向所述表面流動的裝置(26)。
43.根據(jù)權(quán)利要求39～42任何之一的裝置，其中該工具裝置包含具有輪廓表面的印模，用于接觸第一材料表面，具有符合所述區(qū)域形狀的構(gòu)形。
44.完成一種方法的裝置，包含工具裝置(9)，用于在第一材料的表面(1)上形成預(yù)定形狀的一個或多個荷電區(qū)(5)；以及裝置(20，22)，用于允許第二材料的顆粒(7)在所述區(qū)域附近流動，以便按照預(yù)定方式與所述區(qū)域相互作用。
45.從氣流中清除顆粒的裝置，包含一個表面(180)，一個用于接觸表面以將電荷傳遞到表面的工具裝置(182，186)，用于使氣流在表面上流動以便使顆粒淀積在荷電表面上的裝置，和用于從表面去除顆粒的裝置(182，186)。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的裝置，其中該工具裝置是一個旋轉(zhuǎn)的刷子，它在后續(xù)旋轉(zhuǎn)中從表面去除顆粒并將顆粒淀積在收集區(qū)(188)中也是有效的。
全文摘要
一種產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的快速方法，該方法包含以下步驟通過用印模接觸區(qū)域來傳遞電荷在第一材料的表面(1)上形成一個或多個荷電區(qū)域(5)，提供第二材料的荷電納米顆粒(7)，和允許顆粒在該區(qū)域附近流動以被淀積在該區(qū)域上。
文檔編號H01L49/00GK1427962SQ01809009
公開日2003年7月2日 申請日期2001年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月4日
發(fā)明者K·W·德佩爾特, C·M·H·馬努松, L·I·薩米爾松, T·J·克林克 申請人:英國技術(shù)集團國際有限公司