CN101213321B - 纳米结构体的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了纳米结构体的制造方法和设备。本发明涉及一种形成纳米结构体或纳米材料的方法。所述方法包括在基底(15)上设置热控制阻挡层(17)并形成所述纳米结构体或纳米材料。所述方法，例如，可以用于通过使用含碳气体等离子的等离子增强化学气相沉积来形成碳纳米管。在形成所述碳纳米管的过程中，所述基底(15)的温度可以保持在低于350℃。

Description

纳米结构体的制造方法和设备
技术领域
本发明涉及在较低的基底温度下制造纳米结构体的方法。更具体而言，本发明涉及使用了热控制阻挡层和可选地使用对靶基底的表面进行加热的热源的方法。
术语“纳米结构体(NS)”在这里是作为上位概念使用的，其包含所有金属的、半导体的和绝缘的具有高长径比的纳米结构体，例如单壁和多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米丝、碳纳米束(碳纳米管的束)、硅和氧化硅纳米线、氮化镓纳米线、氧化锌纳米线等。术语“热源”在这里是作为上位概念使用的，其代表所有加热形式，例如基于电阻、光、等离子等的加热形式。
背景技术
高长径比的纳米结构体在各种应用中具有巨大的潜力。其产生量子限域、高长径比、独特的电学、光学、力学性质等的小尺寸使其高度合乎如互连、电极、传感器、纳米激光器等应用的需要。
纳米结构体的存在已在学术文献中广为记载，并被广泛地研究。据报导纳米结构体可通过多种技术合成。一个例子是碳纳米管，其合成技术包括电弧放电、激光汽化、电子束和催化热解。其他已知方法是使用化学气相沉积(CVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)。讨论碳纳米管的背景信息公开在2000年12月那期的Scientific American(P.G.Collins等)的第38～45页的现有技术文件“Nanotubes for electronics”中。此文件公开了碳纳米管(CNT)制造方法，其中将基底放置于真空炉或流式管中，加热至约500℃～1200℃的温度，并可选地在过渡金属催化剂的存在下将含碳气体如甲烷引入，在所述催化剂上含碳气体分解为碳蒸气等。一些碳蒸气形成或者凝结为碳纳米管。此催化工艺类似于用于合成大量的各种材料的纳米线的技术，例如其中催化剂为镓而原料气为硅烷的硅纳米线(S.Sharma and M.K.Sunkara，Nanotechnology 15(2004)pp 130-134)和使用了镓和作为催化剂的镍以及作为原料气的氨气的GaN纳米线(F.Sammy，NNIN REU Research accomplishments(2004)pp 112)。
这些纳米结构体的合成限制为高温，通常高于500℃。一个例子是公开在国际专利申请WO 99/65821中的碳纳米管生长技术，其中公开了使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在如玻璃、二氧化硅、石英和硅等材料上形成碳纳米管的方法。此“热丝”PECVD方法使用了300℃～700℃的较高的气体温度，以便将碳纳米管沉积在例如应变点温度为666℃的玻璃上。置于材料上的加热丝直接对碳纳米管要沉积到的材料进行加热，加热丝提供在基底上产生等离子所需的能量，因此提供了使用催化剂将烃类气体解离并形成碳纳米管的机构。然后，其上沉积有碳纳米管的玻璃可以用于平板显示器的制造。
从US6,858,197可知一种用于单壁和多壁碳纳米管的可控图案形成和生长的方法和系统。以由第一选择金属构成的第一层和催化剂第二层涂覆基底。第一层的设置强化了与碳纳米管相关的电导率，也有助于防止第二层中的催化剂从基底上脱离(lift-off)。气体温度通常为800～1100℃。
从US 2005/0109280可知一种替代的碳纳米管制作系统和方法。此纳米管形成于承载在经过温度调节的夹盘中的基底中。形成碳纳米管后，立即启动冷却循环来冷却基底的背面。
当前技术包括较高的基底温度，这使应用开发存在严重的限制。最近的研究集中于降低合成温度，一个例子是公开在国际专利申请WO03/011755中的技术，其中公开了在低至室温的基底温度制造碳纳米管。在此通过参照方式将WO03/011755的内容全部引入。
在WO 03/011755公开后，已有利用低于300℃的低基底温度的类似技术的报导，如New Journal of Physics的2003期153.1页(S.Hofmann，B.Kleinsorge，C.Ducati and J.Robertson)和Applied Physics Letter的2004期1244页(T.M.Minea，S.Point，A.Granier and M.Touzeau)所报导的，其中两种技术均显示出有缺陷的碳纳米管，我们相信这是由于较低的温度所致。
从CN 1448334可知另一种用于在基底材料上直接低温合成碳纳米管的工艺。此文件公开了在多层基底上直接生长碳纳米管。三层金属层包括位于基底上的一层金属载体层、一层覆盖金属层以及夹在两者之间的一层活性金属催化剂层。活性金属催化剂为Fe、Co、Ni或其合金，金属载体层和覆盖金属层可以为Au、Ag、Cu、Pd、Pt或其合金，这三层可以通过真空溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、丝网印刷或电镀形成。
设计和改进本发明的目的是提供一种用于形成和生长碳纳米管的改良的低温PECVD工艺。
发明内容
从第一方面来看，本发明涉及一种形成纳米结构体或纳米材料的方法，其包括在基底上设置热控制阻挡层并形成所述纳米结构体或纳米材料。所述热控制阻挡层有助于确保基底温度保持在相对较低的温度并由此扩大了可用于形成所述基底的材料的范围。因此，所述热控制阻挡层降低了对基底的热效应。在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中基底温度优选低于350℃。
至少在本发明的优选实施方式中，现在能够在保持低缺陷水平的情况下将纳米结构体或纳米材料沉积到温度较低的基底上，增加了碳纳米管制造的商业潜力，尤其是将纳米结构体或纳米材料应用到那些不能使用已知高温沉积法的有重要商业意义的材料时。本发明由于生长速率增加还可以获得纳米结构体合成的更高产率和产量。
所述纳米结构体或纳米材料通常形成在所述热控制阻挡层上。
所述热控制阻挡层优选以实质连续层方式设置，从而确保基底在其整个表面上都得到保护。所述热控制阻挡层可以使用任何合适的技术进行施用。不过，优选所述热控制阻挡层是沉积在基底上的。例如，所述热控制阻挡层可以溅射到基底上。
所述热控制阻挡层优选具有实质上均匀的厚度。所述热控制阻挡层的厚度优选为：3nm以上；5nm以上；10nm以上；20nm以上；30nm以上；50nm以上；100nm以上；或200nm以上。在需要额外保护的应用中，可以增加所述热控制阻挡层的厚度。所述热控制阻挡层的厚度可以为500nm以上。
所述热控制阻挡层优选为金属(如钛)、半导体或电介质材料。
本发明的方法优选包括在所述热控制阻挡层上设置催化剂以促进纳米结构体或纳米材料形成的另一步骤。该催化剂可以在形成纳米结构体或纳米材料前施用；或者在形成纳米材料或纳米结构体时进行施用。该催化剂可以例如以粒径为0.1μm～1μm的粉末形式提供。可以使用常规光刻技术来使催化剂形成图案。
所述催化剂可以为金属，例如过渡金属。所述催化剂可以例如为选自由镍(Ni)、钴(Co)和铁(Fe)组成的组的金属或金属混合物。当然，可以选择催化剂以促进所需纳米结构体的形成。镍(Ni)、铁(Fe)和钴(Co)通常用于碳纳米管生长；而镓(Ga)或金(Au)可以用于硅纳米线。同样地，可以将不同的材料用于氧化锌(ZnO)纳米线。
在某些实施方式中，所述热控制阻挡层足以将基底温度维持在低于350℃。不过，进行额外的冷却基底的步骤也是合适的。这可以通过向冷却井供应冷却剂(如水或氦气)来进行。可以在基底的正面设置热控制阻挡层，而冷却基底的背面。优选在形成纳米结构体或纳米材料的过程中进行冷却基底的步骤。最优选的是，在整个过程中实质上连续地进行冷却基底的步骤。所述冷却优选控制为确保基底的实质上均匀冷却。
在形成纳米结构体或纳米材料的过程中基底的温度可以低于275℃；225℃；175℃或125℃。基底的温度优选在形成纳米结构体或纳米材料的过程中达到最高。
可以在形成纳米结构体或纳米材料后立即启动基底的冷却。不过，优选地，在形成纳米结构体或纳米材料的过程中进行基底的冷却。这样，所述热控制阻挡层可以将基底保持在相对较低的温度同时使纳米结构体或纳米材料得以形成。
等离子将导致热控制阻挡层的表面和/或催化剂得到加热。不过，所述方法可以包括对热控制阻挡层和/或催化剂进行额外加热的步骤。例如，可以通过激光；红外光；或热丝，进行所述额外加热。
所述热控制阻挡层可以具有光反射性。因此，此阻挡层可以反射光，例如来自红外灯的光，从而保持基底冷却并且如有催化剂存在时可以促进催化剂的加热。所述热控制阻挡层可以为绝热体。当然，所述热控制阻挡层可以既具有光反射性又为绝热体。
所述方法可以包括在基底上设置至少一个器件的额外步骤。所述至少一个器件例如可以为电子元件，如晶体管。所述热控制阻挡层优选设置在所述至少一个器件的上面。所述至少一个器件优选被所述热控制阻挡层至少实质上覆盖。所述纳米材料或纳米结构体可以在两个以上的此类器件之间形成互连。可以在基底上设置一层或一层以上的接触层从而将所述纳米结构体或纳米材料连接到所述至少一个器件。
所述基底例如可以为塑料材料。
从另一方面来看，本发明涉及一种形成纳米结构体或纳米材料的方法，其包括在设置在基底上的至少一个器件的上面设置热控制阻挡层并形成所述纳米结构体或纳米材料。所述纳米结构体或纳米材料通常形成在所述热控制阻挡层上。
在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中基底温度优选低于350℃。所述热控制阻挡层可以在不能有效地冷却基底的情况下提供充分的保护而将基底温度维持在低于350℃。不过，在某些实施方式中，所述方法可以包括冷却基底的步骤。优选在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中冷却基底。基底优选是均匀冷却的。
所述方法可以包括加热所述热控制阻挡层的步骤。尽管用于形成所述纳米结构体或纳米材料的等离子将导致加热，但是额外的加热也是合适的。
所述热控制阻挡层优选以实质连续层方式提供。可以使用任何合适的技术来施用热控制阻挡层，但是优选为溅射到热控制阻挡层上。所述热控制阻挡层的厚度优选为：3nm以上；5nm以上；10nm以上；20nm以上；30nm以上；50nm以上；100nm以上；或200nm以上。所述热控制阻挡层例如可以为钛层。
所述设置在基底上的至少一个器件优选至少实质上被所述热控制阻挡层覆盖。所述至少一个器件优选为电子元件，如晶体管。
从又一方面来看，本发明涉及一种形成纳米结构体或纳米材料的方法，其包括在基底的第一表面设置热控制阻挡层并形成所述纳米结构体或纳米材料，其中在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中将基底的第二表面冷却。所述纳米结构体或纳米材料通常形成在所述热控制阻挡层上。
基底的第二表面的冷却优选在整个所述表面上均匀地进行。这有助于确保所述纳米结构体或纳米材料的均匀形成。
在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中基底温度优选低于350℃。所述热控制阻挡层可以在不能有效地冷却基底的情况下提供充分的保护而将基底温度维持在低于350℃。
不过，在某些实施方式中，所述方法可以包括冷却基底的步骤。优选在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中冷却基底。优选通过将冷却剂引入冷却井中来将所述第二表面冷却。所述方法可以包括在所述第二表面与承载所述基底的表面之间的界面处引入气体的额外步骤。所述气体可以为氢气或氦气。
所述方法可以包括加热所述热控制阻挡层的额外步骤。尽管用于形成所述纳米结构体或纳米材料的等离子将导致加热，但是额外的加热也是合适的。
优选在所述基底的第一面上设置至少一个器件。所述至少一个器件优选至少实质上被所述热控制阻挡层覆盖。所述至少一个器件优选为电子元件，如晶体管。
从另一方面来看，本发明涉及一种形成纳米结构体或纳米材料的方法，所述方法包括在基底的第一表面上形成所述纳米结构体或纳米材料并冷却所述基底的第二表面；其中，在所述第二表面与承载所述基底的表面之间的界面处引入气体。在界面处所引入的气体优选为氢气。
优选将承载所述基底的表面冷却以实现所述基底的第二表面的冷却。可以通过将冷却剂引入冷却井中来冷却所述表面。优选地，在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中将所述第二表面冷却。
此处所述的方法可以包括将催化剂施用到热控制阻挡层的额外步骤。所述催化剂可以与所述纳米结构体或纳米材料的形成同步施用或者可以在所述纳米结构体或纳米材料形成前施用。
从又一方面来看，本发明涉及一种用于形成纳米结构体或纳米材料的组件或结构体，其包含基底和热控制阻挡层。所述热控制阻挡层的厚度优选为：3nm以上；5nm以上；10nm以上；20nm以上；或30nm以上。
可以在所述基底上设置至少一个器件，如电子元件。
从再一方面来看，本发明涉及一种用于形成纳米结构体或纳米材料的组件，所述组件包含基底和至少一个器件；其中，热控制阻挡层至少实质上覆盖所述基底和所述至少一个器件。
所述至少一个器件可以为电子元件，如晶体管。所述组件还可以包含用于形成纳米结构体或纳米材料的催化剂。
可以重复此处所述的步骤来建立多层结构体，如微处理器。可以进行中间研磨步骤以提供适用于设置另一热控制阻挡层的表面，在所述另一热控制阻挡层上可以形成额外的纳米结构体或纳米材料。
本发明的优选实施方式提供了一种由使用含碳气体等离子的等离子增强化学气相沉积来形成碳纳米管的方法，其中所述碳纳米管不形成在温度为350℃以上的基底上。所述含碳气体可以在原位生长环境之外分解，而以激发态或“热等离子”状态进入生长区从而促进生长过程。碳源也可以呈等离子束、或等离子弧、或带有激发态碳离子或自由基的分子蒸气的形式。显然，当可以实现对施加至可选区域的热量以及材料结构的控制时，本发明可以扩展至大量的其他材料和应用。
此处所述的方法使得可以进行可选地利用来自热源的可选加热的纳米结构体的合成，并可进行将热控制阻挡层用于有效热预算控制的阻热。此工艺通用于生长由金属、半导体材料或绝缘材料所构成的所有形式的纳米材料和纳米结构体，如纳米管和纳米线。此方法适合制造传感器和集成电路。不过，此处限定的本发明不应解释为局限于这些特定应用。
根据此处所述方法制得的纳米结构体例如可以是由使用含碳气体等离子的等离子增强化学气相沉积而形成的碳纳米管或碳纳米线。
从另一方面来看，本发明涉及用于形成纳米结构体或纳米材料的设备，所述设备包含等离子室、至少一个热源和用于安放基底的夹盘；其中，所述夹盘是可互换的。
从又一方面来看，本发明涉及用于形成纳米结构体或纳米材料的设备，所述设备包含等离子室、至少一个热源和用于安放基底的夹盘；其中，设置了用于使所述基底均匀冷却的冷却井。所述冷却井优选适用于在纳米结构体或纳米材料形成时提供基底的均匀冷却。所述设备优选还包含用于向处于夹盘与安放在所述夹盘内的基底之间的界面供应气体的出口。优选提供如氢气或氦气等气体的供应。
所述设备优选设有用于向夹盘有选择地供应能量的RF(射频)和DC(直流)电源。可以设置开关以使得可以选择合适的电源。
此处所用的术语“热控制阻挡层”和“热阻挡层”具有相同的意思。
本发明还涉及根据此处所述的方法所制得的元件/组件/设备。
附图说明
为了阐释本发明并且使本领域技术人员更容易理解和实现本发明，现将参照以下附图仅通过非限制性实例方式对本发明的实施方式进行说明，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的适用于在基底上形成和生长碳纳米管的直流等离子室的示意图。
图2A是根据本发明的一个实施方式的位于钛热阻挡层上的镍催化剂的示意图。
图2B是在阻挡层厚度影响下的热阻挡层的阻热效果的模拟图。
图3是根据本发明的一个实施方式的在直流乙炔/氮气/氢气等离子中在低于350℃的温度时在镍催化剂颗粒上制得的碳纳米管的典型的扫描电子显微照片(SEM)。
图4A是根据本发明的一个实施方式的以直流PECVD制得的纳米管的典型的透射电子显微照片(TEM)。
图4B是根据本发明的一个实施方式的以直流PECVD制得的纳米管的典型的透射电子显微照片，其显示了沿纳米管轴向排列的单原子石墨层(graphene layer)。
图5显示了具有多个电源的PECVD系统的替代构造的示意图。
图6是使用碳纳米管作为微电子技术中的“穿越晶片式(cross wafer)”通孔(互连)的示意图，热阻挡层将器件与过高温度隔离。
图7是纳米管用作传感器平台且利用热阻挡层保护驱动器件和基底的实例的示意图。
图8是根据本发明的一个实施方式的适用于在基底上形成和生长碳纳米管的带有集成的光学热源的等离子室的示意图。
图9是用于图8所示的等离子室的夹盘的示意图。
具体实施方式
第一实施方式的说明
在此实施方式中，本发明实现了在低于350℃的低基底温度下沉积低缺陷水平的碳纳米管，但并不局限于此。对本领域技术人员而言显而易见的是本发明可以扩展至其他材料。
首先参照图1，如图所示使用了自建直流PECVD系统3的等离子室1。真空室外壳能够利用由真空泵入口5处的手动释放阀(未示出)所控制的压力进行排空。此室具有用于接收需要的气体或气体混合物(通常为烃类气体，如乙炔C2H2)流的气体入口7。对本领域技术人员而言显而易见的是可以使用任何含碳气体。
接地电极(阳极)9也是设置在室1的上部中的喷头的一部分，而接电(负偏压的)电极(阴极)11设置在此室的下部中并连接到合适的电源13。在此实施方式中，所用的电源为600W的Glassman电源单元(PSU)。
如图2A所示，将500nm的钛热阻挡层17溅射涂覆在基底15上，之后再溅射涂覆镍薄膜层19。镍膜层19是用于形成纳米管(NT)的催化剂。基底15的厚度为1000nm；催化剂19的厚度为10nm。热控制阻挡层17(在此实施方式中以钛层的形式)利用了较低的热导率性质。此实施方式中所用的基底15为硅基底，但对于本领域技术人员而言显而易见的是可以使用任何其他基底。催化剂19和热阻挡层17的选择并不局限于镍和钛，这对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
将基底15放置在较低的电极(阴极)11上并将室1排空。使用如质量流控制器等合适的装置，使乙炔、氮气和氢气分别以3、100和100sccm(立方厘米/分)的速率流入室1中。
为了点燃等离子，将电压设置为500V的直流电源接通。当等离子点燃后，将气体流速调整为提供约5托的工作压力并将直流电源调整为在550V恒压运行以维持等离子。电位差在某种程度上决定了碳纳米管的生长和排列方向。
是温度非常高的等离子提供了产生室1中气体的所需反应所必需的能量，由此使PECVD系统将解离的烃类物质和碳离子输送到基底并由催化剂引发碳纳米管的生长。类似地，加热表面的方式不仅仅局限于等离子，可以采用热丝、红外灯、激光等形式，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
此实施方式中，在点燃等离子时电极9、11上的基底15的温度低于350℃。此较低的基底温度使大量的以前不能适用的基底得以用于碳纳米管沉积。本实施方式中的基底没有经历特意的冷却。因此，对本领域技术人员而言显而易见的是，如图2B所示，可以利用合适的冷却机构将基底温度降至室温以下。
在所进行的不同的工艺试验中，使用了250～420℃的多个温度。不过，对本领域技术人员而言显而易见的是可以使用更高或更低的温度。另外，使用了10～30分钟的多个工艺时间。我们使用了1～10托的典型工作压力。但是，本领域技术人员可以改变此工作压力以适合于应用。
所形成的纳米管的表征在日立S-4000场发射扫描电子显微镜(SEM)和飞利浦CM 200透射电子显微镜(TEM)上进行。TEM所研究的样品通过以下方式制备得到：将“生长状态的(as grown)”样品超声分散在甲醇中，然后将一滴悬浮液滴到承载在铜网上的有孔碳膜上。然后将样品干燥。
在图3中提供了直流PECVD中生长在保持于350℃的基底上的碳纳米管的SEM显微照片。碳纳米管为了支撑而聚集成束，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，可以通过施加的电压来控制排列。
TEM研究显示了产生的碳纳米管的成束。直流PECVD产生的纳米管的典型的透射电子显微照片如图4A所示。图4B显示了碳纳米管的高倍放大图像，揭示了排列在管轴向的纳米管的多层石墨壁。发现了沿碳纳米管轴向的石墨片的典型的0.34nm的层间间隔。产生的碳纳米管的典型长度为0.5～5μm，直径为5～15nm。调整工艺参数，如沉积时间、气流、催化剂颗粒状态、气体浓度等，可以改变碳纳米管的长度和厚度。
从讨论的方法中已显示出直流等离子可以产生如下的碳纳米管：所述碳纳米管在保持低缺陷水平的情况下生长在保持于低于350℃的温度甚至可能低至室温的基底15上。此低温等离子增强CVD方法适合于以下情况：当碳纳米管生长点的温度允许使用温敏基底时或当需要低缺陷碳纳米管时，通过利用金属催化效应有选择地生长排列良好的碳纳米管。
对本领域技术人员而言也显而易见的是，所述构造并不局限于此实施方式中所述的构造。图5显示了改进的构造，其中在具有冷却机构25的同时配置了多个电源21、23来提供等离子加热。在此实施方式未提及的其他可能构造中，还可以以光(例如激光、卤素灯等)、电阻加热(例如加热丝等)和其他的形式提供能源。
第二实施方式的说明
根据第二实施方式，本发明可以在微电子技术中所用的互连27的应用中使低缺陷碳纳米管在低于350℃的低基底温度下沉积。互连在集成电路中用于负载大电流密度。由于碳纳米管的共价结构不会产生较多的电迁移、并具有高载流能力和在面对高电流时产生低阻抗的弹道电子输送能力，所以碳纳米管是合适的材料。微电子工艺经常要求基底温度保持在低于450℃以避免硅中掺杂物通过创建更多的空位而过多扩散。
图6显示了使用低热导率材料将加热元件与相邻器件29(如晶体管等)隔离。互连27的位置可以通过已有光刻技术来勾画出轮廓。
热阻挡层17可以使用标准沉积技术来铺设并有效地覆盖要保护的区域。催化剂19铺设在碳纳米管将要沉积的位置。
可以采用等离子或者顶加热技术来合成碳纳米管。热阻挡层17创造了热梯度，这避免了过多的热量到达相邻器件。
生长碳纳米管后，顶面可以通过化学机械研磨来除去(如果需要)以便进一步沉积顶部接触层。也可以根据本领域的现有技术使用混合的碳纳米管-金属互连以强化导电工艺。一旦排列的碳纳米管得以生长，这将得以实现，沉积回填的合适金属以进一步促进导电。也可以设计互连27来连通单片集成电路上的层间“电子”。此时，碳纳米管生长在预定的通孔(通常用金属如铜填充的空腔)中，其中首先设置阻挡层，在其顶部上沉积促进碳纳米管在低温下生长的催化剂层。此金属生长可以通过如电沉积等溶液法或者如溅射或蒸发等物理法来进行。一旦生长出合适长度的碳纳米管，可能需要采用机械研磨如CMP(化学机械研磨)来使表面平整。也可能需要采用另一金属层来将碳纳米管连接到集成电路上的目标金属轨道(metal track)。
第三实施方式的说明
根据第三实施方式，本发明在传感平台的应用中使碳纳米管或替代的纳米线在低于350℃的低基底温度下沉积在层28上。碳纳米管或其他纳米线由于其独特的性质和高长径比(这导致表面积增加)被用作化学、机械等传感器的材料。在此实施方式中，使用了例如塑料等温敏基底15。在基底15上设置了多个器件29。温敏材料的使用不局限于基底并且可以扩展至有源器件，例如此应用中所用的有机晶体管。
参照图7，热阻挡层17可以描述为包围着器件区域。将催化剂置于所需区域并使用与第一实施方式类似的技术沉积纳米管。接触层18设置用于连接在基底15上设置的器件29。
自上而下的加热和底部冷却方法有效地同时保护了器件区域和基底。这样沉积的纳米管此时可以以其当前形式或通过经化学方法的表面功能化来加以利用。利用合适的功能化，其可以用于检测病毒、抗体或气体。其还可以用于在化学电池中通过周围环境收集能量，或者用合适的涂层收集太阳能。还可以制作根据与纳米管的变形相关的信号进行工作的压力传感器。还可以将纳米管用于传递RF信号，或者在所谓的EEG(脑电图)或ECG(心电图)装置中用作小型化生物电位传感器。本领域技术人员可以发明将此平台技术用于多种应用的多种器件结构。
热阻挡层17的使用实现了纳米管的大面积沉积，这有效地增加了传感器的效率。
第四实施方式的说明
根据第四实施方式，本发明实现了在低于350℃的低基底温度下沉积低缺陷水平的碳纳米管，但并不局限于此。对本领域技术人员而言显而易见的是本发明可以扩展至其他材料。在此实施方式中采用了一个或多个红外灯的形式的光学热源。
参照图8，此PECVD系统包含容纳此系统的元件的室31。室31的壁33可以根据工艺的需要进行加热或冷却。此系  统主要包含气体入口35和出口37。工艺气体经入口35进入并通过喷头39均匀分布。然后工艺压力通过使用位于泵送系统前的气体出口37处的节流阀而得以维持。可以通过处理室的多管泵送(manifold pumping)来进一步提高气体分布均匀性。
电能通过使样品热附着到冷却台的电极43输送到等离子。所输送的电能可以是RF 45或DC 47源的形式，这可以通过电源开关49进行控制。冷却台可以由任何冷却气或冷却液驱动，因此基底的温度由冷却剂流51控制。从基底到冷却台的热传递可以通过控制如氢气等热界面气体53来进一步优化。热源是由红外(IR)灯55提供的光学加热的形式。可以使用反射器57使红外线直射到样品来进一步优化光学加热。对本领域技术人员而言显而易见的是可以调节光源波长来提供最优的加热。
在此实施方式中，光学热源集成到喷头中。可以任意使用喷头组件59或护罩61或室31作为阳极来产生等离子。这种情况下的等离子可以用于排列纳米管。
此实施方式中的热控制阻挡层将基于热导率或如发射率或吸收等光学性质。对本领域技术人员而言，显而易见的是对使用阻挡膜的热控制的选择将受制于热源。此具体实施方式中的阻挡膜将由此可以在反射(以光学形式)或阻碍向基底传热的同时优化催化剂的热吸收。
如图9所示，基底15由第一和第二卡装部件63、65固定安装在夹盘61中。夹盘61设置有具有入口69和出口71的冷却井67。冷却液73经入口69被引入冷却井67并经出口71离开从而提供均匀的、可控的基底15背侧冷却。夹盘61优选可与其他夹盘(未示出)互换。
如上所述，从基底到夹盘61的热传递可以通过提供热界面气体53来进一步优化。在本实施方式中，热界面气体为氢气53，其通过气体供应管75供应至基底15与夹盘61之间的区域中。热界面气体53优选供应至基底15的中心区域并能够排出到基底15外边缘的室31中。热界面气体53通常以室31内工艺压力的1.5倍以上压力供应。
设置至少一个温度传感器77来测量基底15的下表面的温度。
可以理解的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下可以对此处所述的设备和步骤作出多种变动和改进。

Claims (29)

1.一种形成纳米结构体或纳米材料的方法，所述方法包括以下步骤：
在基底上设置热控制阻挡层；
从上方对所述热控制阻挡层进行额外加热；和
通过使用气体等离子的等离子增强化学气相沉积在所述热控制阻挡层上形成所述纳米结构体或纳米材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法用于制造纳米结构体，所述纳米结构体是碳纳米管或碳纳米线，并且其中通过等离子增强化学气相沉积形成所述纳米结构体的步骤使用含碳气体等离子。
3.如权利要求1或2所述的方法，对所述热控制阻挡层进行额外加热的步骤是通过激光、红外光或热丝进行的。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中，所述基底的温度低于350℃。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层以实质连续层方式设置。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层沉积在所述基底上。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层的厚度为3nm以上。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层的厚度为5nm以上。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层的厚度为10nm以上。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层的厚度为20nm以上。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层的厚度为30nm以上。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层为金属层、半导体层或电介质材料层。
13.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在所述热控制阻挡层上设置催化剂的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述催化剂为金属或金属混合物。
15.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括将所述基底均匀冷却的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在形成所述纳米结构体或纳米材料的过程中将所述基底冷却。
17.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括向冷却井供应冷却液以冷却所述基底。
18.如权利要求16所述的方法，所述方法包括在所述热控制阻挡层上形成所述纳米结构体或纳米材料并冷却所述基底的第二表面；其中，在所述第二表面与承载所述基底的表面之间的界面处引入气体。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述气体为氢气。
20.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层具有光反射性。
21.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热控制阻挡层为绝热体。
22.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在所述基底上设置至少一个器件。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述热控制阻挡层设置在所述至少一个器件的上面。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个器件被所述热控制阻挡层至少实质上覆盖。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述器件为电子元件。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述器件为晶体管。
27.如权利要求1或2所述的方法，其中，重复所述步骤以形成多层结构体。
28.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述基底为塑料材料。
29.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括控制穿过所述基底的电场以排列所述纳米结构体或纳米材料的步骤。
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