CN101413918B

CN101413918B - 大长径比电极阵列及其制造方法

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Publication number: CN101413918B
Application number: CN2008102015985A
Authority: CN
Inventors: 侯中宇; 蔡炳初
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: CN101413918A

Abstract

一种电子器件技术领域的大长径比电极阵列及其制造方法，所述阵列由多层大长径比电极按层堆叠，每层大长径比电极的长度方向均平行于基片，每两层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。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；在电极材料表面沉积固态绝缘材料，将电极材料完全覆盖；依次重复，制造多层大长径比电极的堆叠结构，形成大长径比电极阵列；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，电场增强效应最强的区域平行于断开后形成的截面。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

大长径比电极阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种电子器件技术领域的电极的结构及其制造方法，具体地说，是一种大长径比电极阵列及其制造方法。

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。

大长径比电极阵列在电子器件领域有着重要应用，原因在于它具有极强的电场收敛效应，具体表现为：在柱状、带状电极末端的表面和邻近区域的电场强度，远远大于由加载电压除以电极间隙所决定的背景电场的大小，这两者的比值被定义为电场增强系数。该系数越大，就可以在更小的加载电压下，形成电极表面的冷阴极场发射，促成电极间隙内气体分子的电离或者激发过程，而这些固体和气体中的现象是许多应用广泛的器件和设备的物理基础，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。

电场增强系数的大小与电极的长径比成正比，与阵列中的电极间隙成反比，这两个因素是决定电场增强系数的主要因素。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是当前应用最为广泛，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阵列间隙过小而大大降低等问题。

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，这些制造技术的一个重要共性，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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大长径比电极阵列及其制造方法。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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的大长径比电极阵列，包括大长径比电极、固态绝缘材料和基片，大长径比电极按层堆叠，至少为两层，每一层大长径比电极的长度方向均平行于基片，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，当层数大于两层，每两层大长径比电极之间填充有固态绝缘材料；大长径比电极为导体材料或者半导体材料。

所述电极阵列中的大长径比电极与外电路之间的连接线有四种结构，制造和使用时采用其中之一：

一是阵列中的每一根大长径比电极都有独自的连接线，分别与外电路相连接；

二是每一层的大长径比电极全部相互连接共享一条连接线，然后每一层再分别与外电路相连接；

三是每一层的大长径比电极分为几部分，每个部分的大长径比电极相互连接共享一条连接线，然后再分别与外电路相连接；

四是每一根大长径比电极全部彼此连接，共享一条连接线，再与外电路相互连接。

多层所述大长径比电极阵列按层堆叠构成能够在大长径比电极邻近区域产生电场的微电极结构，其中多层大长径比电极阵列分为多个部分，每一个部分包括一层大长径比电极阵列，或者由相邻的多层大长径比电极阵列共同组成，每一个部分中的大长径比电极均通过导体或半导体材料相互连接，各个部分分别与外电路连接，使得每一部分的大长径比电极能够被施加以不同的加载电压，并且能够在相邻部分之间由气态或者液态介电物质填充的间隙内产生电场。所述的多层是指至少两层。

所述大长径比电极邻近区域，由气态或者液态的介电物质填充，其尺度由固态绝缘材料的制造工艺控制。

本发明所涉及的大长径比电极阵列的制造方法，包括以下步骤：

第一步，在基片表面沉积电极材料薄膜，电极材料薄膜属于导电材料或者半导体材料，其厚度由薄膜制造工艺控制，使用图形转移方法形成大长径比电极阵列，阵列中每条大长径比电极的宽度和长度均由所使用的图形转移工艺控制；

第二步，在电极材料表面沉积固态绝缘材料，将电极材料完全覆盖；

第三步，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，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的厚度决定；

第四步，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，电场增强效应最强的区域平行于断开后形成的截面。

所述的基片可以是绝缘材料、半导体材料、导体材料、表面覆盖有绝缘层的半导体材料或者导体材料，如果基片为导体或者半导体材料，需要在所述制造方法各步骤之前，增加一个步骤，在基片表面沉积一层绝缘材料。

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，其方法为机械切割的方法、电火花切割的方法、激光切割的方法、水切割的方法或图形转移的方法中一种。

所述的图形转移方法包括下列方法之一：

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。

所述的选择性刻蚀技术包括湿法刻蚀技术和干法刻蚀技术。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

首先，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。

其次，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，例如基于标准微电子加工技术的光刻—选择性刻蚀方法、微纳米压印方法、电子束刻蚀方法等，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，每个电极的几何特征以及阵列的间隙都可以高度规则、根据优化电极性能的需要高度可控，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。

因此，这种高度规则、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的大长径比电极阵列，相对于传统一维纳米材料及其他大长径比电极结构，其电场增强系数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。

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2为本发明实施例的电极阵列截面俯视图；

图3为本发明实施例的电极阵列截面侧视图；

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。

实施例1

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/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，其俯视方向上的平面结构如图2所示，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700nm；

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，其截面方向上的层叠结构如图3所示，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700nm；

第四步，利用水切割方法，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，并且使得玻璃基片断开，阵列中大长径比电极1的长度均为2cm，电场增强效应最强的区域平行于断开后形成的截面。

如图1所示，本实施例制备的大长径比电极阵列中，大长径比电极1按层堆叠，每一层大长径比电极1的长度方向均平行于基片3，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，当层数大于两层，每两层大长径比电极1之间填充有固态绝缘材料2；大长径比电极1为导体材料或者半导体材料。

所形成的大长径比电极1阵列与外电路的连接线，采用所有大长径比电极全部相互连接，共享一个连接线的结构，与外电路相连。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，应用于场发射器件，与对侧电极——约8cm见方的长方形铝片共同构成冷阴极，在10^-4Pa的真空度下，当电极间隙为150nm，场发射的起始电压约为178伏特，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，起始电压下降了94％，而起始电流则提高187％，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。

实施例2

一种大长径比电极阵列，由多层大长径比电极阵列按层堆叠而成，并分为多个部分，每一个部分包括一层大长径比电极阵列，或者由相邻的多层大长径比电极阵列共同组成，每一个部分中的大长径比电极1均通过导体或半导体材料相互连接，各个部分分别与外电路连接，使得每一部分的大长径比电极1能够被施加以不同的加载电压，并且能够在相邻部分之间由气态或者液态介电物质填充的间隙内产生电场。

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，其俯视方向上的平面结构如图2所示，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5μm；

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

第三步，依次重复第一步和第二步，制造四层大长径比电极1的堆叠结构，形成大长径比电极1阵列，其截面方向上的层叠结构如图3所示，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，第一层和第三层固态绝缘材料2的厚度为700nm，亦即第一层与第二层、第三层与第四层大长径比电极阵列之间的间距均为700nm，第二层固态绝缘材料2的厚度为3μm，亦即第二层与第三层大长径比电极阵列之间的间距为3μm；

所形成的大长径比电极阵列与外电路的连接线，采用每层大长径比电极全部相互连接，共享一个连接线的结构，与外电路相连。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，其性能的优化，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。第一层、第二层与外电路相连后，两者的加载电压相同，为3V；第三层、第四层与外电路相连后，两者的加载电压相同，为0V接地。在常压空气条件下，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，该种纳米管大长径比电极形成具有这样小电极间隙的电极，需要工艺步骤更多、成品率更低。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6倍，而起始电流则提高了近10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这样的性能。

Claims

1.一种大长径比电极阵列，其特征在于，包括大长径比电极、固态绝缘材料和基片，大长径比电极按层堆叠，层数至少为两层，每一层大长径比电极的长度方向均平行于基片，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，当层数大于两层，每两层大长径比电极之间填充有固态绝缘材料，大长径比电极为导体材料或者半导体材料；所述大长径比电极阵列，按层堆叠构成一种能够在大长径比电极邻近区域产生电场的微电极结构，其中多层大长径比电极阵列分为多个部分，每一个部分包括一层大长径比电极阵列，或者由相邻的多层大长径比电极阵列共同组成，每一个部分中的大长径比电极均通过导体或半导体材料相互连接，各个部分分别与外电路连接，使得每一部分的大长径比电极能够被施加以不同的加载电压，并且能够在相邻部分之间由气态或者液态介电物质填充的间隙内产生电场。

2.如权利要求1所述的大长径比电极阵列，其特征是，所述的大长径比电极与外电路之间的连接线为以下四种结构中的任意一种：

3.如权利要求1所述的大长径比电极阵列，其特征在于所述多层为至少两层。

4.一种大长径比电极阵列的制造方法，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，电极材料薄膜属于导电材料或者半导体材料，使用图形转移方法形成大长径比电极阵列；

第二步，在电极材料薄膜表面沉积固态绝缘材料，将电极材料薄膜完全覆盖；

5.如权利要求4所述的大长径比电极阵列的制造方法，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。

6.如权利要求4所述的大长径比电极阵列的制造方法，其特征是，所述的基片是绝缘材料、半导体材料或者导体材料，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。

7.如权利要求4所述的大长径比电极阵列的制造方法，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，其方法为机械切割的方法、电火花切割的方法、激光切割的方法、水切割的方法或图形转移的方法中的一种。

8.如权利要求4或7所述的大长径比电极阵列的制造方法，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。

9.如权利要求8所述的大长径比电极阵列的制造方法，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。