CN100543583C - 在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种微细加工技术领域的在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，首先制备碳纳米管薄膜，然后制备感光材料图形，最后进行反应离子辅助等离子体增强气相沉积，即使用反应离子辅助等离子体刻蚀技术刻蚀碳纳米管薄膜，同时利用形成的复合等离子体在感光材料层表面形成新的碳基纳米结构，所使用的刻蚀气体，必须能够依靠物理轰击、化学反应或者两者的综合作用刻蚀碳纳米管，即能够将碳纳米管分解成为碳基纳米颗粒，从而形成复合等离子体。本发明形成的碳基纳米结构与基体可以有很好的结合力，很好的垂直取向性和密度、高度的一致性，同时，其密度、长度可以被控制，并适于加工实现阵列化设计和批量生产，因此有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细加工技术领域的方法，具体的说，是涉及一种在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法。
技术背景
碳基纳米结构(carbon based nanostructures，CNSs)在微纳系统技术、真空电子技术、传感器技术中有着广泛而独特的应用，通常可以作为电极材料使用。碳基纳米结构可以覆盖在某种衬底的表面，从而作为特种薄膜材料使用：同时，它也可以从基体剥离，从而作为特种粉体材料使用。其中，作为粉体使用的方法尚处于开发之中，而最为成熟广泛的技术是与基体结合作为薄膜材料的使用方法，例如在场致器件中，将其作为场发射冷阴极材料，亦即将碳基纳米结构与基体结合，作为薄膜电极。作为特种薄膜材料的碳基纳米结构当前存在着以下重大技术问题：一是该结构与基体在结构上是不同的，因此存在两种结构界面处的结合力问题，结合力过小会造成碳基纳米结构在静电力作用下与衬底脱离，从而造成器件不稳定乃至短路失效；二是该结构的生长对基体有选择性，有些基体，例如在微电子技术和微纳系统技术中广泛应用的感光材料，还没有开发出适当的加工方法在其表面生长碳基纳米结构；三是该结构的图形化方法还不够完善。这种现状极大限制了此种结构的材料向更加广阔的应用领域延伸。
经对现有技术的文献检索发现，在碳基纳米结构材料的图形化技术领域，Young-Rae Cho等人在Journal of Vacuum Science and Technology B(真空科学技术学报B)2001年五月/七月，第19(3)卷，第1012-1015页上的文章“Patterning technology of carbon nanotubes for field emission display(场发射显示设备的碳纳米管图形化)”。文章使用参杂了感光材料的碳纳米管浆料进行紫外光光刻显影，对碳纳米管浆料膜进行图形化，但该文献所报道的最小阳图形线宽是大约30微米，但是图形边缘已经十分不整齐，而最小阴图形线宽大约为几百微米，这样粗糙的线条对于微器件而言是不能满足使用要求的。同时，作为一种碳基纳米结构的生长工艺，经对现有技术的文献检索发现，还没有在微电子技术和微纳系统技术中广泛应用的感光材料(光刻胶)表面生成并图形化碳基纳米结构的方法见于公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，使其可以在微电子技术和微纳系统技术中广泛应用的感光材料(光刻胶)表面覆盖一层碳基纳米结构，并同时实现该结构的图形化。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先制备碳纳米管薄膜，然后制备感光材料图形，最后进行反应离子辅助等离子体增强气相沉积，即使用反应离子辅助等离子体刻蚀(RIE)技术刻蚀碳纳米管薄膜，同时利用形成的复合等离子体在感光材料层表面形成新的碳基纳米结构。所使用的刻蚀气体，必须能够依靠物理轰击、化学反应或者两者的综合作用刻蚀碳纳米管，也就是能够将碳纳米管分解成为碳基纳米颗粒，从而形成复合等离子体。
所使用的刻蚀气体，是氧气、氟化物气体和氯化物气体中的一种或几种，或者是氧气、氟化物气体和氯化物气体中的一种或几种与惰性气体的组合。
当采用氟化物气体的一种或者几种的组合或者氟化物气体的一种或者几种与惰性气体的组合作为刻蚀气体时，得到的碳基纳米结构的尺度较小，在几纳米到几十纳米。
当采用氧气或者氧气与惰性气体的组合作为刻蚀气体时，得到的碳基纳米结构的尺度较大，在几十纳米到几百纳米。
所述的制备碳纳米管薄膜，是在衬底材料表面形成碳纳米管薄膜，形成碳纳米管薄膜的方法，是指基于化学气相沉积的原位生长方法，或者是基于碳纳米管浆料的涂敷、印刷方法。
所述的制备感光材料图形，是使用标准微电子加工工艺所描述的甩胶、烘胶、曝光、显影工艺使感光材料层形成图形。
本发明提出在微电子技术和微纳系统技术中广泛应用的感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，使用反应离子辅助等离子体刻蚀技术中的反应离子对碳纳米管薄膜的轰击和溅射作用，在刻蚀腔体内形成包含碳基纳米颗粒的复合等离子体，该复合等离子体会由于等离子体增强气相沉积机理，进而可以在高精度图形化的感光材料表面形成新的碳基纳米结构，经实验证明，该方法形成的碳基纳米结构与基体可以有很好的结合力，很好的垂直取向性和密度、长度的一致性，同时，其密度、长度可以被控制。本发明也同时实现了该种碳基纳米结构的图形化，又由于光刻胶可以被微电子标准加工工艺的甩胶、烘胶、曝光、显影技术在微米以下量级高精度地图形化，因此，可以形成该碳基纳米结构的高精度的图形。同时由于使用微电子加工工艺，本发明适于加工实现阵列化设计和批量生产，因此有着广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明碳纳米管薄膜的制备的示意图
图2是本发明感光材料图形的制备的示意图
图3是本发明反应离子辅助等离子体增强气相沉积的示意图
图4是本发明具体实施例在正性光刻胶表面加工的碳基纳米结构的场发射电子显微镜照片。
图5是本发明具体实施例在SU-8负性光刻胶表面加工的碳基纳米结构的场发射电子显微镜照片。
图6是本发明具体实施例在正性光刻胶表面加工的碳基纳米结构的场发射电子显微镜照片。
图7是本发明具体实施例在SU-8负性光刻胶表面加工的碳基纳米结构的场发射电子显微镜照片。
具体实施方式
以下结合附图以及本发明技术方案提供实施例：
实施例1
(1)如图1所示，碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，1为玻璃，2为用磁控溅射方法沉积的200纳米厚金属铬，将碳纳米管浆料用350目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜2表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到2微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜3，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1：100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)如图2所示，感光材料图形的制备。在金属层2和碳纳米管薄膜3表面旋涂10微米正性光刻胶4，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、90分钟以固化光刻胶4；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光200秒，在显影液中图形化光刻胶；最终得到的光刻胶图形为最小线宽3.5微米的交叉电极图形。
(3)如图3所示，反应离子辅助等离子体增强气相沉积。以三氟甲烷与六氟化硫(SF6)与氩气的混合气体为刻蚀气体，流量分别为10sccm，10sccm和30sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为120秒。在正性光刻胶表面形成碳基纳米结构5。
最终得到的碳基纳米结构图形最小线宽3.5微米，为阴图形沟槽结构，碳基纳米结构表面形貌如图4所示。由图4可见，在正光刻胶表面生成的碳基纳米结构，是一种头部尖锐的矛状纳米结构的阵列，每个矛状纳米结构的尺度均在纳米数量级，其尖端的曲率半径为几纳米，该结构具有很好的垂直取向性，并有均匀的密度分布。
实施例2
(1)如图1所示，碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，1为玻璃，2为用磁控溅射方法沉积的1微米厚金属钛，将碳纳米管浆料用250目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜2表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到3微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜3，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1.5：100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)如图2所示，感光材料图形的制备。在金属层2和碳纳米管薄膜3表面旋涂10微米SU-8型负性光刻胶4，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、120分钟以固化光刻胶4；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光150秒后，在90度烘箱中烘烤样品40分钟；然后在显影液中图形化光刻胶；最终得到的光刻胶图形为阴图形最小线宽5微米的微型臂梁电极图形。
(3)如图3所示，反应离子辅助等离子体增强气相沉积。以氧气为刻蚀气体，流量为100sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为150mTorr(毫脱)，功率为60瓦特，刻蚀时间为1600秒。在SU-8负性光刻胶表面形成碳基纳米结构5。
最终得到的碳基纳米结构图形最小线宽5微米，为阴图形沟槽结构，碳基纳米结构表面形貌如图5所示。由图5可见，在SU-8型负性光刻胶表面生成的碳基纳米结构，是一种头部尖锐的一维柱状微结构的阵列，每个柱状微结构的尖端部分在纳米数量级，并且具有环状的分布特征，其长度在几百纳米数量级，同时具有很好的垂直取向性。
实施例3
(1)如图1所示，碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，1为玻璃，2为用磁控溅射方法沉积的200纳米厚金属铬，将碳纳米管浆料用350目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜2表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到2微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜3，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1：100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)如图2所示，感光材料图形的制备。在金属层2和碳纳米管薄膜3表面旋涂10微米正性光刻胶4，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、90分钟以固化光刻胶4；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光200秒，在显影液中图形化光刻胶；最终得到的光刻胶图形为最小线宽3.5微米的交叉电极图形。
(3)如图3所示，反应离子辅助等离子体增强气相沉积。以氧气和氩气为刻蚀气体，流量分别为50和5sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为90秒。在正性光刻胶表面形成碳基纳米结构5。
最终得到的碳基纳米结构图形最小线宽35微米，为阴图形沟槽结构，碳基纳米结构表面形貌如图6所示。由图6可见，在正光刻胶表面生成的碳基纳米结构，是一种环形山阵列结构，多个单根一维碳基纳米结构聚集而成微米级的环形结构，单根一维碳基纳米结构为矛状，其尖端尺度均在纳米数量级，其尖端的曲率半径为几纳米，该结构具有很好的垂直取向性，有一定的导电性，并有均匀的密度分布。
实施例4
(1)如图1所示，碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，1为玻璃，2为用磁控溅射方法先后沉积的30纳米、270纳米厚的金属铬和金薄膜，将碳纳米管浆料用150目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜2表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到4微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜3，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为3：100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)如图2所示，感光材料图形的制备。在金属层2和碳纳米管薄膜3表面旋涂70微米SU-8型负性光刻胶4，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、120分钟以固化光刻胶4；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光330秒后，在90度烘箱中烘烤样品40分钟；然后在显影液中图形化光刻胶；最终得到的光刻胶图形为最小线宽25微米的交叉电极图形。
(3)如图3所示，反应离子辅助等离子体增强气相沉积。以氧气和氩气的混合气为刻蚀气体，流量分别为50和10sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为3000秒。在SU-8负性光刻胶表面形成碳基纳米结构5。
最终得到的碳基纳米结构图形最小线宽25微米，为阴图形沟槽结构，碳基纳米结构表面形貌如图7所示。由图7可见，在SU-8型负性光刻胶表面生成的碳基纳米结构，是一种头部较为粗大并发生团簇效应的一维柱状微结构的阵列，每个柱状微结构的尖端部分在几百纳米数量级，其长度大于十微米，同时具有很好的垂直取向性。
Claims (4)
1、一种在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，其特征在于，首先制备碳纳米管薄膜，然后制备感光材料图形，最后使用反应离子辅助等离子体刻蚀技术刻蚀碳纳米管薄膜，同时利用形成的复合等离子体在感光材料层表面形成新的碳基纳米结构，所使用的刻蚀气体，必须能够依靠物理轰击、化学反应或者两者的综合作用刻蚀碳纳米管，该刻蚀气体是氧气、氟化物气体和氯化物气体中的一种或几种，或者是氧气、氟化物气体和氯化物气体中的一种或几种与惰性气体的组合。
2、根据权利要求1所述的在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，其特征是，所述的制备感光材料图形，是使用标准微电子加工工艺所描述的甩胶、烘胶、曝光、显影工艺使感光材料层形成图形。
3、根据权利要求1所述的在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，其特征是，当使用的刻蚀气体为氟化物气体的一种或者几种的组合或者氟化物气体的一种或者几种与惰性气体的组合时，得到的碳基纳米结构的尺度在几纳米到几十纳米。
4、根据权利要求1所述的在感光材料表面覆盖并图形化碳基纳米结构的方法，其特征是，当使用的刻蚀气体为氧气或者氧气与惰性气体的组合作为刻蚀气体时，得到的碳基纳米结构的尺度在几十纳米到几百纳米。
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