CN101383256B

CN101383256B - 大长径比侧壁电极及其制造方法

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Publication number: CN101383256B
Application number: CN2008102015970A
Authority: CN
Inventors: 侯中宇; 蔡炳初; 张亚非
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: CN101383256A

Abstract

一种电子器件技术领域的大长径比电极的侧壁电极及其制造方法，所述的大长径比电极长度方向彼此平行并且平行于基片，如果电极层数大于两层，则各层堆叠排列，每两层大长径比电极之间填充有固态绝缘材料，所述的大长径比电极，在长度方向上分为相互电绝缘的不同部分，每两个部分之间，存在间隙，其中填充有气态或液态绝缘物质。所述方法为：在基片表面沉积电极材料薄膜，使用图形转移方法形成大长径比电极阵列，如果是单层电极，则直接形成包含电极间隙的图形，如果是多层电极，则在电极材料表面沉积固态绝缘材料，制造多层大长径比电极的堆叠结构，再形成电极间隙。本发明电场增强系数更高，且其他电场极化特征能更加可控地加以优化。

Description

大长径比侧壁电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种电子器件技术领域的电极及其制造方法，具体地说，是一种大长径比侧壁电极及其制造方法。

背景技术

大长径比电极的几何形状具有柱状或者带状结构，在三维坐标内的一个维度上，它的尺度在数量级上大于10¹μm，其大小被定义为长度；在三维坐标内的另两个维度上，它的尺度在数量级上均小于10⁰μm，并且在这两个维度所定义的平面上，其几何形状可以被等效为面积相等的圆形，该圆形的半径被定义为径度，长度与径度的比值被定义为长径比，大长径比电极是指长径比大于10的电极，大长径比电极阵列是指由多个大长径比电极排列组合而成的电极阵列。

大长径比电极在电子器件领域有着重要应用，例如气体传感器、生物传感器、压力传感器、质谱分析装置、光谱分析装置、用于高精度图形转移设备的紫外灯、等离子体显示器等等。这其中，对于许多器件和装置，降低工作电压都是非常重要的，而对于一个大长径比电极系统而言，这就需要提高长径比，并且需要降低电极间隙，但同时，为了满足电子器件微型化的发展趋势，电极的长度不能做得过长，因此，电极径度在纳米尺度范围内的大长径比电极在当前应用最为广泛，此类电极多被称为一维纳米材料。一维纳米材料当前最主要的生长方法是各种物理、化学沉积方法，其生长方向多数是垂直于基片表面的，就个体的几何特征而言，其生成的产物长度很难做得很长，通常是10⁰～10¹μm，而且也很难十分平直地竖立于基片表面；就整体的统计特征而言，其生成的产物在空间中的排列多数是杂乱无章的，表现为阵列间隙的不均匀、阵列中个体的空间取向不平行、阵列中每个个体的几何特征差异比较大。由于大长径比电极多数条件下是以膜、阵列的形式应用的，因此一维纳米材料表现出极化效应不均匀、整体的平均电场增强系数因电场屏蔽大大降低等问题。更重要的是，此类一维纳米电极系统的间隙很难做到几微米的微小水平。

经对现有技术的文献检索发现，Ashish Modi等在《自然(伦敦)》(《Nature(London)》)，2003年第424卷，第171-174页上发表了“小型化的碳纳米管电离气体传感器”(Miniaturized Ionization Gas Sensors using CarbonNanotubes)，该文通过使用化学气相沉积技术制备的多壁碳纳米管，使得气体放电在常压下的击穿电压与没有碳纳米管的情况相比，下降了几倍，从而验证了通过使用大长径比电极阵列，微型化的分子电离式气体传感器的制造和使用将更加可行。文中所使用的这种大长径比电极阵列，其制造技术在当前是最为常见的，就是通过物理、化学沉积方法，沿着垂直于基片表面的方向，在基片上生长这种径度在纳米尺度的微小电极阵列。在几何特征上，其特点是电极径度可以十分微小(最小的、可重复记录是1nm左右)、但长度通常只能在最多几十微米以下，而且其空间排布无规则、阵列中的间隙难于控制、阵列中各个电极的几何特征通常是十分不均匀。因此，其电场集中效应难于控制和准确预测，从而使得器件设计与优化变得很困难。另一方面，其性能也会由于电场屏蔽效应和平均长度较低而大打折扣。最后，此类电极系统的电极间隙很难做到几微米的水平，即便是实现了这样小的间隙，电极表面的不均匀性也会变得非常显著，从而大大降低器件的可控性，提高标定器件的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大长径比侧壁电极及其制造方法。一方面，本发明电极阵列高度规则、平直、长径比最高到10⁸量级、几何特征可以根据优化性能的需要高度可控地制造实现，加工精度最高在埃米量级；另一方面，电极间隙布置在平行于基片的平面结构上，可以通过高精度的平面加工工艺制造实现。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种大长径比侧壁电极，包括大长径比电极、固态绝缘材料和基片；

所述的大长径比电极设置于基片上，每两个大长径比电极在长度方向彼此平行并且每一个大长径比电极在长度方向平行于基片；

所述的大长径比电极分布于单层或者多层，当大长径比电极分布于多层时，则各层堆叠排列，每两层中的大长径比电极之间填充有固态绝缘材料，每一层中的每两个大长径比电极之间填充有固态绝缘材料，但是最上面一层中的大长径比电极之间不填充有固态绝缘材料；

所述的大长径比电极，在其长度方向上分布于相互电绝缘的不同部分，每两个部分之间，存在间隙，其中填充有气态或液态绝缘物质，构成侧壁结构，每个部分中的大长径比电极全部通过半导体材料或者导体材料相互连接，再与外电路连接。

所述的大长径比电极为导体材料或者半导体材料，其长径比大于10。

一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在基片表面沉积电极材料薄膜，电极材料薄膜是导体材料或者半导体材料，使用图形转移方法在基片表面的电极材料薄膜形成一个或者多个线状结构，作为大长径比电极；

第二步，沉积固态绝缘材料，将电极材料完全覆盖；

第三步，如果大长径比电极分布于多层，依次重复第一步和第二步，制造多层大长径比电极的堆叠结构，每两层大长径比电极之间的间距由其间的固态绝缘材料的厚度决定；如果大长径比电极分布于单层，则直接进入第四步；

第四步，在沿着垂直于大长径比电极长度的方向上使大长径比电极断开，并形成一个或者多个电极间隙，断开后的大长径比电极的各个部分仍然处于基片之上，从而形成一个或者多个大长径比电极的侧壁结构。

第一步，在基片表面沉积电极材料薄膜，电极材料薄膜是导体材料或者半导体材料，使用图形转移方法在基片表面的电极材料薄膜形成一个或者多个线状结构，作为大长径比电极，并且，在沿着垂直于大长径比电极长度的方向上使大长径比电极断开，形成一个或者多个电极间隙，断开后的大长径比电极的各个部分仍然处于基片之上，从而形成一个或者多个单层的大长径比电极的侧壁结构，如果是单层大长径比电极，则只有第一步；

第二步，沉积固态绝缘材料，至少将电极材料完全覆盖；

第三步，如果大长径比电极分布于多层，依次重复第一步和第二步，制造多层大长径比电极的堆叠结构，每两层大长径比电极之间的间距由其间的固态绝缘材料的厚度决定；

第四步，使用图形转移方法将固态绝缘材料图形化，使得基片上所有的电极间隙都暴露出来，每次沉积的固态绝缘材料下层的大长径比电极的电极材料必须被覆盖。

所述的电极材料薄膜是单一成分的单层薄膜或者是多种成分逐层堆叠形成的多层薄膜。

所述的基片是绝缘材料、半导体材料、导体材料。

所述的在沿着垂直于大长径比电极长度的方向上使电极阵列断开，其方法为激光切割的方法或图形转移方法中的一种。

所述的图形转移方法为下列方法之一：

①光刻技术与选择性刻蚀技术相结合的微加工图形转移方法；

②聚焦离子束刻蚀微加工图形转移方法；

③微米压印或纳米压印微加工图形转移方法。

所述的图形转移方法为下列方法之一：

②聚焦离子束刻蚀微加工图形转移方法；

③微米压印或纳米压印微加工图形转移方法。

所述的选择性刻蚀技术包括湿法刻蚀技术和干法刻蚀技术。

所述的基片，如果基片为导体或者半导体材料，第一步开始之前，在基片表面沉积一层绝缘材料。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：一方面，由于阵列中细长的电极个体都是平行于基片表面排列，而不是垂直于基片，并且电极间有固态绝缘材料填充，而不是没有任何机械支撑地处于气体或真空之中，因此，当径度在几纳米时，该结构中电极个体的长度即便在10¹英寸数量级(相当于长径比在约10⁸数量级)，阵列中的每个电极也能够得到稳定的支撑，形成稳定的电极结构。而且，由于电极阵列是一层一层地堆叠起来的，而每一层的电极阵列的几何特征被等效为基片表面电极材料薄膜的图形特征。因此，可以使用平面上的图形转移方法，高度规则地制造每一层径度下限在纳米量级、长度上限在10¹英寸量级的大长径比电极阵列，而层与层之间的电极间隙则可以通过薄膜沉积技术高精度地加以控制。因此，电极阵列的整体统计特征可以做到高度规则和高度可控，就现有的微加工技术而言，这种阵列的加工精度最高在埃米量级。另一方面，受益于平面化结构，可以利用高精度的平面制造工艺，使得电极系统的电极间隙能够达到几微米以下的微小水平，这是传统的一维纳米电极的电极结构所很难实现的。而且，电极间隙两侧都存在着大长径比电极，都可以实现介电空间和电极表面的电场增强，这会更有利于某些器件，例如离化器件、等离子体显示器等，降低其工作电压。最后，电极间隙的尺度更均匀，因为大长径比电极阵列尖端部分表面是高度规则的，这是常见的一维纳米电极结构所很难实现的。

因此，这种高度规则、平直、长径比最高到10⁸量级，其电场增强效应将达到一个更高的水平，而且其他电场极化特征能够更加可控地根据不同器件物理特征的需要加以优化。这就是说，可以通过本发明所提供的技术方案实现同时具有强电场增强效应和微小电极间隙的、几何特征高度规则可控、可以方便地在平面上实现大规模阵列的大长径比侧壁电极结构。

附图说明

图1为本发明实施例的电极阵列结构示意三维视图；

图中，1、2、3分别代表大长径比电极、固态绝缘材料和基片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的电极包括大长径比电极1、固态绝缘材料2和基片3。

所述的大长径比电极1设置于基片3上，其长度方向彼此平行并且平行于基片3；

所述的大长径比电极1的层数为单层或者多层，如果大长径比电极1的层数大于两层，则各层堆叠排列，每两层大长径比电极1之间填充有固态绝缘材料2，每一层中的每两个大长径比电极1之间填充有固态绝缘材料2，但是最上面一层的大长径比电极1之间不必填充有固态绝缘材料2；

所述的大长径比电极1，在长度方向上分为相互电绝缘的不同部分，每两个部分之间，存在间隙，其中填充有气态或液态绝缘物质，每个部分的大长径比电极1全部通过半导体材料或者导体材料相互连接，再与外电路连接；

所述的大长径比电极1为导体材料或者半导体材料。

本实施例涉及电极的制造方法之一如下：

第一步：基片3为表面氧化的硅基片，氧化膜厚度为2微米，在基片3表面用磁控溅射方法沉积电极材料薄膜Cr/Au多层膜，各层的厚度分别为10nm和10nm，通过光刻和Ar气干法刻蚀技术完成图形转移，形成大长径比电极1阵列，阵列中每条大长径比电极1的宽度为500nm，每两条电极1的间距为7μm；

第二步：在电极材料表面用化学气相沉积方法沉积SiO₂固态绝缘材料2，将电极材料完全覆盖，其厚度为500nm；

第三步：依次重复第一步和第二步，制造三层大长径比电极1的堆叠结构，形成大长径比电极1阵列，每两层大长径比电极1之间的间距由其间的固态绝缘材料2的厚度决定，各层固态绝缘材料2的厚度均相同，为500nm；

第四步：利用光刻和干法刻蚀方法，在沿着垂直于大长径比电极1长度的方向上使电极阵列断开，将电极阵列分为三个部分，每个部分所有的大长径比电极利用金属材料相互连接，各个部分分别与外电路相连，形成了两个不同大小的间隙，分别为8微米和15微米，阵列中大长径比电极1的长度均为1.5cm，电场增强效应最强的区域平行于断开后形成的截面。

最终形成的大长径比侧壁电极结构，为一种片上微纳电极阵列结构，包括两个电极间隙构成的电极单元，电极平直、几何结构与空间排列规则均匀，其长径比在10⁴～10⁵数量级，根据文献上报道的计算电场增强系数的模型计算，其电场增强系数为10³数量级。将中间的大长径比电极接地，而使两侧的大长径比电极分别加载不同的电压V₁和V₂，在V₁和V₂分别等于5伏特和12伏特的情况下，就可以在两个侧壁电极的检测回路中检测到nA级的常压空气的暗放电电流。这一性能使之适合于片上气体分析装置等高端应用领域。

与一个作为参照的丝网印刷制备的多壁碳纳米管电极相比，在完全相同的条件下，空气中暗放电的起始电压下降了54％，由于实验条件的限制，无法将大长径比电极的宽度做得更小，如果使用国内半导体代工厂2008年能够代工的45nm最小线宽的图形转移技术，可以在1～3毫米的电极长度下就实现这样的性能。

本实施例涉及电极的制造方法之二如下：

第一步：基片3为玻璃基片，在基片3表面用磁控溅射方法沉积电极材料薄膜Cr单层膜，厚度为10nm，通过光刻和Ar气干法刻蚀技术完成图形转移，形成大长径比电极阵列，阵列中每条大长径比电极的宽度为500nm，每两条电极的间距为8μm，并在长度方向上形成两个等长度的部分，两部分之间的间隙为8μm，每个部分的大长径比电极长度均为2cm；两个部分分别与外电路相连，各自的加载电压分别为V₁和V₂，可以在间隙中形成不均匀电场，在电极邻近区域的电场强度高度增强。

所形成的大长径比电极阵列，电极平直、几何结构与空间排列规则均匀，其长径比在10⁴～10⁵数量级，应用于分子电离气体放电器件。此类器件性能的优化，要求不但电场增强系数高，而且要求电场收敛效应作用范围要大，而且要避免打火现象。在常压空气条件下，当等于V₁-V₂＝14V，暗放电电流为10²nA数量级，并且没有发生打火现象，器件工作状态稳定，能够用于分子电离式微气体传感器。

与一个作为参照的丝网印刷制备的多壁碳纳米管电极相比，当纳米管大长径比电极形成具有同样尺寸的电极间隙时，需要工艺步骤更多、成品率更低，电极间隙尺寸的确定性大大降低。在相同测试条件下，本发明的具体实施例所述电极与其相比，起始电压下降了约5倍，由于实验条件的限制，无法将大长径比电极的宽度做得更小，如果使用国内半导体代工厂2008年能够代工的45nm最小线宽的图形转移技术，可以在1～3毫米的电极长度下就实现上述实施例所描述的性能。

本实施例涉及电极的制造方法之三如下：

第一步：基片3为玻璃基片，在基片3表面用磁控溅射方法沉积电极材料薄膜Cr单层膜，厚度为10nm，通过光刻和Ar气干法刻蚀技术完成图形转移，形成大长径比电极阵列，阵列中每条大长径比电极的宽度为500nm，每两条电极的间距为8μm，并在长度方向上形成两个等长度的部分，两部分之间的间隙为8μm，每个部分的大长径比电极长度均为1.2cm；

第二步：在电极材料表面沉积固态绝缘材料氧化铝，厚度为1微米，将包括电极材料在内的整个基片完全覆盖；

第三步，大长径比电极的层数为5层，依次重复第一步和第二步，制造5层大长径比电极的堆叠结构，形成大长径比电极阵列，每两层大长径比电极之间的间距由其间的固态绝缘材料氧化铝的厚度决定，其厚度均为1微米；

第四步，使用光刻和湿法刻蚀方法将固态绝缘材料图形化，使得每一层氧化铝下层的所有电极间隙暴露出来，并且使得氧化铝下层除大长径比电极材料以外的所有区域都暴露出来，同时，每一层氧化铝下层的大长径比电极的电极材料仍然被绝缘材料完全覆盖。

所用的大长径比电极形成了两个部分，分别与外电路相连，各自的加载电压分别为V₁和V₂，可以在间隙中形成不均匀电场，在电极邻近区域的电场强度高度增强。

在常压空气条件下，当等于V₁-V₂＝21V，暗放电电流为10⁰μA数量级，并且没有发生打火现象，器件工作状态稳定，能够用于分子电离式微气体传感器。与一个作为参照的丝网印刷制备的多壁碳纳米管电极相比。本实施例成品率更高，电极间隙尺寸的制造精度和设计确定性也大大提高。在相同测试条件下，本发明的具体实施例与所述参照电极相比，起始电压下降了约5倍，由于实验条件的限制，无法将大长径比电极的宽度做得更小，如果使用国内半导体代工厂2008年能够代工的45nm最小线宽的图形转移技术，可以在1～3毫米的电极长度下就实现上述实施例所描述的性能。

Claims

1.一种大长径比侧壁电极，其特征在于，包括大长径比电极、固态绝缘材料和基片；

所述的大长径比电极，在其长度方向上分布于相互电绝缘的不同部分，每两个部分之间，存在间隙，其中填充有气态或液态绝缘物质，构成侧壁结构，每个部分中的大长径比电极全部通过半导体材料或者导体材料相互连接，再与外电路连接；

2.一种如权利要求1所述的大长径比侧壁电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在基片表面沉积电极材料薄膜，电极材料薄膜是导体材料或者半导体材料，使用图形转移方法在基片表面的电极材料薄膜中形成一个或者多个线状结构，作为大长径比电极；

第二步，沉积固态绝缘材料，将电极材料薄膜完全覆盖；

3.一种如权利要求1所述的大长径比侧壁电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在基片表面沉积电极材料薄膜，电极材料薄膜是导体材料或者半导体材料，使用图形转移方法在基片表面的电极材料薄膜中形成一个或者多个线状结构，作为大长径比电极，并且，在沿着垂直于大长径比电极长度的方向上使大长径比电极断开，形成一个或者多个电极间隙，断开后的大长径比电极的各个部分仍然处于基片之上，从而形成一个或者多个单层的大长径比电极的侧壁结构，如果是单层大长径比电极，则只有第一步；

第二步，沉积固态绝缘材料，至少将电极材料薄膜完全覆盖；

第四步，使用图形转移方法将固态绝缘材料图形化，使得基片上所有的电极间隙都暴露出来，每次沉积的固态绝缘材料下的大长径比电极的电极材料必须被覆盖。

4.如权利要求2或3所述的一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征是，所述的电极材料薄膜是单一成分的单层薄膜或者是多种成分逐层堆叠形成的多层薄膜。

5.如权利要求2或3所述的一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征是，所述的在沿着垂直于大长径比电极长度的方向上使电极阵列断开，其方法为激光切割的方法或图形转移方法中的一种。

6.如权利要求5所述的一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征是，所述的图形转移方法为下列方法之一：

②聚焦离子束刻蚀微加工图形转移方法；

③微米压印或纳米压印微加工图形转移方法。

7.如权利要求2或3所述的一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征是，所述的图形转移方法为下列方法之一：

②聚焦离子束刻蚀微加工图形转移方法；

③微米压印或纳米压印微加工图形转移方法。

8.如权利要求7所述的一种大长径比侧壁电极的制造方法，其特征是，所述的选择性刻蚀技术包括湿法刻蚀技术和干法刻蚀技术。