CN102208350A

CN102208350A - 一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管沟槽结构的方法

Info

Publication number: CN102208350A
Application number: CN 201110129985
Authority: CN
Inventors: 赵华波; 张朝晖; 魏芹芹; 傅云义; 张岩; 李彦
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: CN102208350B

Abstract

本发明公开了一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管的沟槽结构的方法，该方法在氧化硅衬底上直接生长或分散碳纳米管；然后在碳纳米管上沉积钯金属膜；用腐蚀溶液刻蚀碳纳米管下的氧化硅后，在衬底上得到内嵌碳纳米管的沟槽结构。本发明不受光刻条件限制，可在室温下快速制备内嵌碳纳米管纳米尺度沟槽，并可将碳纳米管准确定位在沟槽的底部。本发明工序简单，效率高、成本低，而且随着碳纳米管制备技术的日益改进，可实现大规模、大面积的内嵌有碳纳米管微纳米尺度的沟槽。

Description

一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管沟槽结构的方法

技术领域

本发明涉及纳米加工技术，具体是一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管沟槽结构的方法。

背景技术

碳纳米管因其优良的电学性能可望应用于新型纳电子器件的构建。随着芯片尺寸的降低，微电子集成电路制造技术也遇到了诸多问题的挑战，例如目前工艺中所使用的铜导线互联结构因为尺寸的减小而导致电阻率升高，导热性能降低，并且铜原子的电迁移现象越发明显，会引起器件的可靠性降低。而碳纳米管电导率和热导率都要比铜导线要高，且其本身不存在电迁移的现象，因此碳纳米管有可能取代铜导线成为构建互联结构的新材料。在集成电路中，互连导线往往需要布置在通孔或沟槽的互连结构中，然而由于碳纳米管直径只有几个纳米，如何将碳纳米管有选择的定位在互连结构中仍是一个有挑战性的问题。目前科学工作者解决这一问题有两种尝试，一种是在已制备完成的沟槽结构中沉积上催化剂，再沿水平方向生长碳纳米管(Huang S M，et al.Adv.Mater，15，1651(2003))，该方法中生长的碳纳米管很难做到完全分布在沟槽底部；另一种是将修饰了有机官能基团的碳纳米管有选择性的粘附到已制备完成的沟槽中(Tulevski et al.J.Am.Chem.Soc.129，11964S(2007))；G Joyeux X，et al.Adv.Mater，21，4404(2009))，但该方法组装的碳纳米管形态和密度不受控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种“自下而上”，选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管的沟槽结构的方法，在氧化硅表面得到完全由碳纳米管引导的沟槽结构，并且碳纳米管分布在在沟槽底部。

本发明提供的技术方案如下：

一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管的沟槽结构的方法：

1)在氧化硅衬底上直接生长或分散碳纳米管；

2)在上述碳纳米管上沉积钯金属膜；

3)用腐蚀溶液刻蚀碳纳米管下的氧化硅后，在衬底上得到内嵌碳纳米管的沟槽结构。

在衬底上直接生长或沉积碳纳米管：若在绝缘衬底上直接生长碳纳米管，绝缘衬底的材料可为氧化硅、石英或玻璃；若将碳纳米管沉积于绝缘衬底上，绝缘衬底的材料除氧化硅、石英、玻璃外、还可以为沉积有氧化硅薄层的PET塑料、PDMS等柔软基底；

碳纳米管可为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、双壁或多壁碳纳米管，其制备方法可为化学气相沉积(CVD)或电弧法；

为获得一定形状的纳米沟槽，可在刻蚀之前，预先将碳纳米管制成所需形状；

在碳纳米管上沉积可用离子束溅射沉积法；厚度以碳纳米管的直径为最大值，一般为10nm以下。

衬底上的氧化硅表面可以是平面状的、也可是三维立体、呈陡坡状的，厚度不限，一般为20nm以上。

刻蚀氧化硅的氢氟酸溶液，其水和氢氟酸的体积比在10∶1～3∶1范围。

沟槽形状取决于碳纳米管的形状，刻蚀时不受表面形貌变化的影响；沟槽的位置和方向可通过预先调整碳纳米管的位置和取向来控制，沟槽的宽度和深度可通过控制刻蚀时间和碳纳米管的直径等控制之。

本发明原理：

整个刻蚀过程如图1(a)所示。对覆盖在碳纳米管上的钯金属膜的表面形貌表征发现，碳纳米管的形貌会传递到钯金属膜的表面，导致碳纳米管上方的钯金属膜隆起。当钯金属膜厚度小于或者与碳纳米管的直径相当时，部分碳纳米管甚至会暴露在钯金属膜外。由于碳纳米管的存在，其周围的金属成膜致密程度会受到影响。一方面由于碳纳米管自身的遮挡，钯原子进入几率较低，碳纳米管附近容易形成疏松的结构。另一方面，由于钯金属与碳纳米管浸润^[10]，其与碳纳米管之间的结合力较强，这会导致碳纳米管周围的钯金属在沉积时与其它部分产生较大的应力，进而造成这一部分金属膜的致密程度降低。在浸入氢氟酸后，溶液会从碳纳米管附近不致密的钯金属膜孔隙中渗入。刻蚀液在到达碳纳米管下方后，沿着钯金属膜底向四周扩散，将碳纳米管周围一定范围内的氧化硅整体向下刻蚀，而其它地方的氧化硅由于受到致密钯金属膜的阻挡无法刻蚀。并且在清洗过程中，由于下方的氧化硅被刻蚀掉，原先在碳纳米管周围的钯金属膜在溶液中脱落，最后会形成碳纳米管内嵌于沟槽的结构。

由CVD方法生长的碳纳米管阵列中存在有大量的由多个单壁碳纳米管缠绕在一起的碳纳米管束，这些碳纳米管束的直径分布大小不一。图1(b)所示为一沟槽局部AFM形貌像。原先作为掩膜的钯金属膜边缘部分脱落，露出下方的氧化硅表面，测量这一台阶高度显示钯金属膜厚度约为6纳米。而对应的位于沟槽底部的碳纳米管的直径也约为6纳米，与钯金属膜厚相当。如果钯金属膜过厚，将碳纳米管附近的孔隙覆盖，足以阻挡刻蚀液的进入时就无法形成沟槽。在图1(c)中箭头所指的碳纳米管就是因为其直径较小仍然被钯金属膜覆盖。这些结果表明，在刻蚀过程中碳纳米管的直径和钯金属膜的厚度之间的关系决定了沟槽的形成与否，该方法可能应用于对不同直径的碳纳米管在氧化硅表面进行分离。

本发明的优点与技术效果：

由于碳纳米管直径只有几个纳米，如何将其有选择的定位在微纳结构中十分困难。本发明不受光刻条件限制，可在室温下快速制备内嵌碳纳米管纳米尺度沟槽，并可将碳纳米管准确的定位在沟槽的底部。沟槽形状可通过碳纳米管的形状间接设计和控制；沟槽的位置和方向可通过调整碳纳米管的位置和取向来控制，沟槽的深度和宽度可通过控制刻蚀时间，钯金属膜致密程度等控制。工序简单，效率高、成本低，而且随着碳纳米管制备技术的日益改进，可利用本发明实现大规模、大面积的内嵌有碳纳米管微纳米尺度的沟槽。

附图说明

图1为覆盖有钯金属膜的碳纳米管选择性湿法刻蚀机理示意图；其中：

(a)机理示意图；(b)沟槽局部AFM形貌像；(C)部分直径较小的碳纳米管未形成沟槽；

图2本发明在氧化硅表面制备的内嵌碳纳米管的沟槽原子力显微镜形貌像。

具体实施方式

实施例1

选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底，通过化学气相沉积(CVD)方法直接在氧化硅生长的单壁碳纳米管(900℃/950℃、气氛/H₂与CH₄和催化剂/Fe)。碳纳米管形状随意，利用离子束溅射方法在碳纳米管上方沉积6nm厚的钯金属膜，腔体气压：6.0×10^-4Pa；溅射时间：12S；溅射电流0.35A。随即用氢氟酸和水的体积比为1∶10氢氟酸溶液刻蚀，经60秒钟后，在氧化硅衬底表面可获得与原先碳纳米管取向一致内嵌碳纳米管的沟槽，如图2(a)所示。

实施例2

选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底，通过电弧法生长碳纳米管，将在DMF溶液中超声后的碳纳米管分散沉积到氧化硅衬底上，利用热蒸发在碳纳米管上沉积6nm厚的钯金属膜，随即用氢氟酸和水的体积比为1∶3氢氟酸溶液刻蚀，经30秒钟后，在氧化硅衬底表面可获得内嵌有碳纳米管的沟槽，如图2(b)所示。

Claims

1.一种选择性湿法刻蚀制备内嵌碳纳米管的沟槽结构的方法，其包括如下步骤：

1)在表面具有氧化硅层的衬底上直接生长或分散碳纳米管；

2)在上述在碳纳米管上沉积钯金属膜，该金属膜的厚度以碳纳米管的直径为最大值；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底的材料为氧化硅、石英玻璃、PET塑料或PDMS。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，碳纳米管为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、双壁或多壁碳纳米管

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，碳纳米管采用化学气相沉积(CVD)或电弧法方法生长在衬底上。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在碳纳米管上沉积可用离子束溅射沉积钯金属。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底上的氧化硅表面是平面状的、三维立体呈陡坡状的，氧化硅层厚度为20nm以上。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀氧化硅的氢氟酸溶液，其水和氢氟酸的体积比在10∶1～3∶1范围。