DE60204476T2

DE60204476T2 - Verfahren für lokalisiertes wachstum von nanoröhren und verfahren zur herstellung einer selbstausgerichteten kathode mit dem nanoröhrenwachstumsverfahren

Info

Publication number: DE60204476T2
Application number: DE60204476T
Authority: DE
Inventors: Pierre Legagneux; Gilles Pirio; Didier Pribat; William Ireland Milne; Kenneth Boh Khin Teo
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-09-21
Also published as: WO2003025966A1; US20040240157A1; US7214553B2; FR2829873B1; EP1436823B1; FR2829873A1; EP1436823A1; DE60204476D1

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft dasjenige von Nanoröhren oder Nanofasern, die aus Kohlenstoff, Silizium, Bor, oder irgendeiner weiteren Legierung bestehen können, die auf mindestens einem dieser Bestandteile basiert (beispielsweise SiC) und Stickstoff (SiN, BN, SiCN) umfassen kann. Diese Nanoröhren oder Nanofasern weisen typischerweise Durchmesser auf, die von einigen Nanometern bis zu einigen Hunderten Nanometern und mehrere Mikron in der Höhe betragen, und stellen Superspitzen für die Feldemission dar, wobei sie durch sehr bedeutende Verstärkungsfaktoren des elektrischen Feldes gekennzeichnet sind.
Ihnen kommt eine besondere Bedeutung bei den Vorrichtungen für Feldemission zu und insbesondere bei der Herstellung von als kalte Elektronenquellen verwendete Feldeffektkathoden, mit vielfachen Anwendungsmöglichkeiten (Elektronenröhren, Ionentriebwerk, elektronische Mikroskopien, Nanolithografie, flache Anzeigevorrichtungen, usw. ...).
Auf herkömmliche Weise wird die Herstellung von Nanoröhren oder Nanofasern durch Wachstum ausgehend von Katalysatorkontakten sehr geringer Abmessungen durchgeführt. Und die Verwendung von Nanoröhren oder Nanofasern in den Vorrichtungen für Feldemission erfordert im Allgemeinen die Kontrolle der örtlichen Begrenzung von jeder Nanoröhre oder Nanofaser. Zu diesem Zweck besteht das herkömmliche Verfahren darin, Öffnungen im Submikronbereich (vorzugsweise in der Größenordnung von 100 nm) in einem Harz zu erstellen, und anschließend den Katalysator als eine dünne Schicht abzulagern (mit einer Dicke von weniger als ungefähr 10 nm).
Nach einem Auflösungsschritt des Harzes werden dann die Katalysatorkontakte mit einem Durchmesser erhalten, der dem Durchmesser der Öffnungen in dem Harz entspricht. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Feldeffektkathoden ist in 1 dargestellt. Eine Feldeffektkathode umfasst im Allgemeinen die in 1a dargestellte nachfolgende Stapelung von: einem Substrat 1, einer leitenden Schicht 2, einer Diffusionssperre 3 (um zu vermeiden, dass der Katalysator in das Substrat diffundiert), einer Isolierung 4, einer leitenden Folie, welche dem Elektronenextraktionsgatter 5 entspricht.
Ein zweiter Schritt besteht darin, Öffnungen in der Größenordnung von 100 nm in einem Harz 6 zu erstellen, das auf der in 1a dargestellten Stapelung abgelagert worden ist, und anschließend eine anisotrope Ätzung des Gatters und eine isotrope Ätzung der Isolierung auf chemischem Wege (1b) vorzunehmen.
Der dritte Schritt besteht schließlich darin, ausgehend von einer Quelle S des Katalysators 7, eine Verdampfung dergestalt durchzuführen, dass ein mit der Öffnung in dem Extraktionsgatter selbstausgerichteter Katalysatorkontakt abgelagert wird.
Dieses Verfahren ist wohl angemessen, wenn die Verdampfungsquelle S, die eine geringe Größe aufweist (in der Größenordnung eines cm), die Öffnung des Gatters und die Öffnung der Isolierung ausgerichtet sind (1c, rechte Abbildung). Sollte dies nicht der Fall sein (1c, linke Abbildung), ist der Katalysatorkontakt in der Kathode nicht zentriert und demzufolge kann die Nanoröhre oder die Nanofaser, deren Wachstum ausgehend von diesem Katalysatorkontakt durchgeführt wird, auch nicht zentriert sein.
Nachdem der „lift off"-Vorgang (engl. für Ablösen) durchgeführt worden ist, um das Harz 6 und den überschüssigen Katalysator 7 (1d) zu entfernen, erfolgt das Wachstum der Nanoröhren 8 oder Nanofasern (1e).
Das Schriftstück EP-A-1 129 990 offenbart ein weiteres Verfahren für das kontrollierte Wachstum von Nanoröhren auf einem Siliziumsubstrat, wobei das Verfahren die Erstellung einer zweischichtigen Struktur auf dem Substrat umfasst, die aus einer Schicht aus Katalysatormaterial und einer Schicht aus assoziiertem Material aufgebaut ist. Das Glühen der zweischichtigen Struktur erzeugt halbkreisförmige Inseln aus Katalysatormaterial auf dem Substrat, anschließend wird das Katalysatormaterial und das assoziierte Material bei einer höheren Temperatur reduziert, wobei sie infolgedessen Silizium-Katalysator-Verbindungen an der Grenzfläche ausbilden.
Wachstumsschritt der Nanoröhren oder Nanofasern
Die Herstellungsverfahren bestehen aus: der elektrischen Entladung, der Pyrolyse, den Verfahren auf physikalischem Wege, wie beispielsweise Abtragung durch Laser und die CVD-Verfahren auf chemischem Wege (chemical vapor deposition, chemische Ablagerung durch Dampf) oder PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition, plasmaunterstützte chemische Ablagerung durch Dampf).
Das Verfahren, das für die Feldeffektkathoden-Anwendung am Besten geeignet zu sein scheint, ist das PECVD-Verfahren, das durch DC-Plasma (kontinuierliches Plasma), RF (Radiofrequenz) oder Mikrowelle unterstützt wird. Es ermöglicht tatsächlich, Nanoröhren oder Nanofasern zu erhalten, die im Verhältnis zu dem Substrat senkrecht ausgerichtet sind.
Die in allen Figuren der Erfindung gezeigten Nanoröhren oder Nanofasern sind auf schematische Weise gezeichnet.
Im Fall von Kohlenstoffnanoröhren (1f) weist das Katalysatorteilchen beispielsweise eine längliche Form auf, und eine feine Kohlenstoffschicht schließt dieses Teilchen ein. Darüber hinaus sind die Nanoröhren im Gegensatz zu den Nanofasern hohl.
Der Durchmesser der Nanoröhren/Nanofasern ist kleiner als derjenige des Katalysatorkontakts, weil die Größe eines Katalysatoraggregats kleiner als diejenige des Kontakts ist und weil das Katalysatorteilchen nach dem Wachstum im Allgemeinen eine längliche Form annimmt.
Infolgedessen wird ersichtlich, dass die rechte Kathode betriebsfähig ist, wohingegen diejenige auf der linken Seite einen Kurzschluss hervorrufen wird. Der in 1 dargestellte Fall entspricht einem Extremfall, aber es wird darauf hingewiesen, dass eine leichte Fehlausrichtung der Nanoröhre oder Nanofaser im Verhältnis zu der Öffnung in dem Gatter (in der Größenordnung von 100 nm) zu einer fehlerhaften Funktionsweise der Kathode führt (C. Xie et al., Journal of Vacuum Science and Technology, Journal Vakuumwissenschaften und -technologie, B18, 1833 (2000)).
In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung ein neues Verfahren für lokalisiertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern vor, das ermöglicht, die Katalysatorkontakte, auf welchen die Nanoröhren wachsen, mit sehr großer Präzision zu zentrieren.
Die Erfindung hat, noch genauer gesagt, ein Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern auf einem Substrat zur Aufgabe, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:

– die Erstellung einer zweischichtigen Struktur auf dem Substrat, die aus einer Schicht aus Katalysatormaterial und einer Schicht aus assoziiertem Material zusammengesetzt ist, wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit dem Katalysatormaterial bei hoher Temperatur eine Legierung bildet, wobei die zweischichtige Struktur mindestens eine erste Öffnung im Bereich der Schicht aus assoziiertem Material dergestalt aufweist, dass sie lokal eine Struktur mit einer einzigen Schicht aus Katalysatormaterial ausbildet;
– das Glühen der zweischichtigen Struktur, bei hoher Temperatur, dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material gebildet wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung dergestalt aufweist, dass das Katalysatormaterial in dieser zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird;
– das Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern auf der Grundlage des Katalysatormaterials, das in der zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung können die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen vorteilhafterweise selbstausgerichtet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die Ablagerung der Schicht aus assoziiertem Material auf der Oberfläche der Schicht aus Katalysatormaterial, die zuvor abgelagert wurde, und anschließend die Erstellung von mindestens einer ersten Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die Ablagerung der Schicht aus assoziiertem Material auf der Oberfläche des Substrats, die Erstellung von mindestens einer ersten Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material, anschließend die Ablagerung der Katalysatorschicht auf der Oberfläche der Schicht aus assoziiertem Material und im Bereich der ersten Öffnung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Nanoröhren oder Nanofasern aus Kohlenstoff, aus Silizium oder aus Bor, oder aus einer Legierung, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert und Stickstoff umfassen kann, wobei das Katalysatormaterial aus Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Yttrium, oder irgendeiner weiteren Legierung bestehen kann, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert, wobei das assoziierte Material aus Silizium bestehen kann. Das assoziierte Material besteht aus einem Material, das für den Katalysator keine Diffusionssperre darstellt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung die vorherige Ablagerung einer Diffusionssperrschicht in Bezug auf das Katalysatormaterial auf der Oberfläche des Substrats.
Die Erfindung hat außerdem ein Herstellungsverfahren einer Feldeffektkathode zur Aufgabe, welches das Verfahren für lokalisiertes Wachstum von Nanoröhren gemäß der Erfindung umfasst.
Genauer gesagt umfasst dieses Verfahren:

– die Erstellung einer Stapelung von Schichten auf einem Substrat, umfassend:
– eine zweischichtige Struktur, die aus einer Schicht aus Katalysatormaterial und einer Schicht aus assoziiertem Material zusammengesetzt ist, wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit dem Katalysatormaterial bei hoher Temperatur eine Legierung bildet,
– eine dicke Isolierungsschicht,
– eine leitende Schicht als Grundbestandteil des Gatters,
– die anisotrope Ätzung des Gatters und die isotrope Ätzung der Isolierung;
– die anisotrope Ätzung der Schicht aus assoziiertem Material: wobei die Ätzungen des Gatters und des assoziierten Materials jeweils mindestens eine erste Öffnung in dem Gatter und mindestens eine erste Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material definieren, die selbstausgerichtet sind;
– das Glühen bei hoher Temperatur der zuvor gefertigten Baueinheit dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material gebildet wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung dergestalt aufweist, dass das Katalysatormaterial in dieser zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird;
– das lokalisierte Wachstum der Nanoröhren auf der Grundlage des Katalysatormaterials in der zweiten Öffnung.

Die Erfindung hat auch noch ein zweites Herstellungsverfahren einer Feldeffektkathode zur Aufgabe, welches das Verfahren für lokalisiertes Wachstum von Nanoröhren gemäß der Erfindung umfasst.
Genauer gesagt umfasst dieses Verfahren die nachfolgenden Schritte:

– die Erstellung einer Stapelung von Schichten auf einem Substrat, umfassend:
– eine Schicht aus assoziiertem Material, wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit einem Katalysatormaterial für Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern bei hoher Temperatur eine Legierung bildet,
– eine dicke Isolierungsschicht,
– eine leitende Schicht als Grundbestandteil des Gatters der Kathode,
– die anisotrope Ätzung des Gatters und die isotrope Ätzung der Isolierung;
– die anisotrope Ätzung der Schicht aus assoziiertem Material: wobei die Ätzungen des Gatters und des assoziierten Materials jeweils mindestens eine erste Öffnung in dem Gatter und mindestens eine erste Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material definieren, die selbstausgerichtet sind,
– die Ablagerung einer Katalysatorschicht auf der Schicht aus assoziiertem Material und in seiner Öffnung;
– das Glühen bei hoher Temperatur der zuvor gefertigten Baueinheit dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material bereitgestellt wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung dergestalt aufweist, dass das Katalysatormaterial in dieser zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird;
– das lokalisierte Wachstum der Nanoröhren oder Nanofa sern auf der Grundlage des Katalysatormaterials in der zweiten Öffnung.

Gemäß diesen Herstellungsverfahren einer Feldeffektkathode sind die zweiten Öffnungen vorteilhafterweise mit den ersten Öffnungen selbstausgerichtet.
Vorteilhafterweise kann die Ablagerung der Katalysatorschicht durch homogene Verdampfung von Katalysatormaterial durchgeführt werden.
Bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung verständlicher und weitere Vorteile werden durch die beigefügten Figuren verdeutlicht werden. Es zeigen:
1a bis 1f ein Herstellungsverfahren für eine Feldeffektkathode gemäß bekannter Technik;
2a bis 2b die ersten Schritte einer ersten Ausführungsform des Verfahrens für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern gemäß der Erfindung;
3a bis 3b die ersten Schritte einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern gemäß der Erfindung;
4a bis 4b die Schritte, die den in 2 und 3 dargestellten Verfahren gemeinsam sind, welche in den Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern gemäß der Erfindung verwendet werden;
5 eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer zweischichtigen Struktur gemäß der Erfindung, vor der Ausbildung der Legierung aus Katalysatormaterial/assoziiertem Material;
6 eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer zweischichtigen Struktur gemäß der Erfindung, nach der Ausbildung der Legierung aus Katalysatormaterial/assoziiertem Material;
7a bis 7e die Schritte einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens einer Feldeffektkathode gemäß der Erfindung;
8a bis 8e die Schritte einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens einer Feldeffektkathode gemäß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung schlägt im Allgemeinen ein neuartiges Verfahren zur örtlichen Begrenzung von Katalysatorkontakten auf einem Substrat vor. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht die Herstellung von Kathoden, bei welchen die Nanoröhren oder Nanofasern mit der Öffnung in dem Extraktionsgatter selbstausgerichtet sind. Für die in der Einleitung der vorliegenden Anmeldung beabsichtigten Anwendungen, werden vorteilhafterweise Matrizen von Katalysatorkontakten erstellt.
Diese Katalysatorkontakte definieren präzise die Stellen, an welchen die Nanoröhren oder Nanofasern aufwachsen können.
Das Grundprinzip der Erfindung ist in 2 und in 3 dargestellt, welche zwei Alternativen der Erfindung beschreiben, die daraus bestehen, entweder eine Schicht aus assoziiertem Material auf einer Katalysatorschicht abzulagern (2), oder eine Katalysatorschicht auf einer Schicht aus assoziiertem Material abzulagern, die zuvor geätzt wurde (3).
Diese beiden Alternativen werden nun nachfolgend ausführlich beschrieben. Gemäß der ersten Alternative werden, wie 2a dargestellt, auf einem Substrat 11 jeweilige Ablagerungen vorgenommen, und zwar einer leitenden Schicht 21, wenn das Substrat nicht leitend ist, einer Diffusionssperrschicht 31, einer Schicht aus Katalysatormaterial 71, einer Schicht aus assoziiertem Material 91, und anschließend einer Harzschicht 61, aufgrund welcher die Lithografievorgänge vorgenommen werden können.
Infolgedessen wird ein Lithografievorgang durchgeführt, der es ermöglicht, eine erste Öffnung mit Abmessung L zu erstellen, die typischerweise unter 300 nm liegt.
In einem zweiten Schritt, der in 2b dargestellt ist, wird die selektive Ätzung der Schicht aus assoziiertem Material 91 vorgenommen. Infolgedessen wird eine zweischichtige Struktur 71, 91 erhalten, welche eine erste Öffnung mit der Abmessung L im Bereich der Schicht aus assoziiertem Material aufweist, wobei die Schicht aus Katalysatormaterial 71 stellenweise frei bleibt.
Gemäß einer weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform wird zunächst auf einem Substrat 11 eine Stapelung aus einer leitenden Schicht 21, einer Diffusionssperrschicht 31, einer Schicht aus assoziiertem Material 91 und anschließend einer Harzschicht 61 erstellt. Danach wird die Ätzung der Schichten 61 und 91 zusammen vorgenommen, um eine erste Öffnung mit der Abmessung L innerhalb der Schicht aus assoziiertem Material 91 (3a) zu erstellen.
Nach dem Entfernen des Harzes wird die Ablagerung einer Schicht aus Katalysatormaterial 71 (3b) vorgenommen. Auch hier wird eine zweischichtige Struktur 91, 71 erhalten, welche eine erste Öffnung mit Abmessung L im Bereich der Schicht aus assoziiertem Material aufweist, wobei stellenweise eine einschichtige Struktur aus Katalysatormaterial frei bleibt.
Nun wird, ganz gleich um welches Ausführungsform es sich handelt, der Vorgang des Glühens bei hoher Temperatur (dargestellt in 4a) vorgenommen, der die Ausbildung einer Legierung aus assoziiertem Material und aus Katalysatormaterial 79 in den Bereichen bewirkt, wo das assoziierte Material 91 nicht geätzt worden ist. In den Bereichen, wo nur die einzige Schicht aus Katalysatormaterial übrig bleibt, wird ein Aggregat erzeugt, das typischerweise die Form einer Halbkugel aus reinem Katalysatormaterial 71 aufweist.
Schließlich erfolgt das Wachstum der Nanoröhren 81 an der Stelle der zuvor gebildeten Aggregate aus Katalysatormaterial (4b). Infolgedessen kann das Verfahren der Erfindung ermöglichen, eine kleinere Aggregatgröße zu erhalten, als die Öffnung, die in dem Harz erstellt worden ist und die Abmessung L aufweist. 5 und 6 stellen diesen Vorgang dar. Tatsächlich zeigt 5 eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer zweischichtigen Struktur, die eine erste Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material 91 mit Abmessung L aufweist. 6 ihrerseits zeigt dieselbe Konfiguration nach dem Glühen und verdeutlicht die Ausbildung der Legierung, die eine zweite Öffnung mit der Abmessung l, die kleiner als die Abmessung L ist, und die Schaffung eines Aggregats aus Katalysatormaterial 71 bewirken kann. Verglichen mit den Verfahren, die in der bisher bekannten Technik eingesetzt werden, kann nun bei vergleichbarer Aggregatgröße ein Lithografiegerät mit feinerer Auflösung (typischerweise 300 nm anstelle von 100 nm) verwendet werden. Zu dieser Größenreduzierung kommen natürlicherweise noch Auswirkungen der Größenreduzierung aufgrund des Glühens vor dem Wachstum, oder aufgrund des Wachstumsmechanismus hinzu, die vorstehend beschrieben worden sind.
Wenn ein Verhältnis der Anzahl von Atomen des assoziierten Materials zu der Anzahl von Atomen des Katalysatormaterials ausgewählt wird, das größer als das entsprechende der Verbindung der Legierung assoziiertes Material/Katalysatormaterial ist, wird das Katalysatormaterial, bei Gleichgewicht, bei der thermischen Glühtemperatur, dergestalt nach außen diffundieren, dass es mit dem überschüssigen assoziierten Material reagiert. Deswegen wird ein Aggregat mit kleinerem Durchmesser erhalten, als demjenigen des Musters, das in das Harz eingeprägt wird. Die Reduzierungswirkung hängt von der Überschussmenge an assoziiertem Material, der Temperatur der thermischen Behandlung und der Behandlungszeit ab.
Mit den Katalysatoren Ni, Fe und Co kann beispielsweise Silizium als assoziiertes Material verwendet werden, wobei dieses Material den Vorteil aufweist, dass es dem Fachmann wohl bekannt ist. Das vor dem Wachstum der Nanoröhren/Nanofasern durchgeführte Glühen, wird die Ausbildung einer Siliziumverbindung ASi_x bewirken, wobei A dem Katalysatormaterial entspricht. Bei den normalerweise verwendeten Wachstumstemperaturen (600 bis 800°C) und bei dünnen Schichten aus Si und dem Katalysator (~100 nm), kann x typischerweise von 1 bis 2 variieren. Um ein einfaches Beispiel anzuführen, sei angenommen, dass ein Glühen durchgeführt wird, welches die Ausbildung der stabilen Legierung CoSi₂, NiSi₂ oder FeSi₂ ermöglicht. Es kann dann jegliche seitliche Diffusion ausgeschlossen werden, wenn sich die Dicke der Schichten aus Katalysator und Silizium dergestalt darstellt, dass das Verhältnis der Anzahl von Si Atomen zu der Anzahl von A Atomen gleich 2 ist. Wenn dieses Verhältnis im Gegensatz dazu erhöht wird, wird eine seitliche Diffusion des Katalysators dergestalt verlaufen, dass eine stabile Legierung ausgebildet wird. Diese Diffusion wird sowohl von dem Wert dieses Verhältnisses, der Temperatur des Glühens, der Zeitdauer des Glühens, als auch davon abhängen, ob es für den Katalysator einfach ist, in das darunterliegende Material zu diffundieren.
Die Katalysatormaterialien werden abhängig von der Art der Nanoröhren oder Nanofasern ausgesucht, die man wachsen lassen will. Bei den Kohlenstoffnanoröhren kann das Katalysatormaterial typischerweise aus Nickel, aus Kobalt, oder aus Eisen bestehen, bei den Nanoröhren oder Nanofasern aus Silizium kann das Katalysatormaterial aus Gold, aus Kobalt oder aus Eisen bestehen.
Das assoziierte Material zur Ausbildung einer Legierung mit dem Katalysatormaterial, bei hoher Temperatur, darf keine Diffusionssperre für dieses letztere darstellen. Es können viele Materialien geeignet sein und insbesondere Silizium.
Die Materialien als Grundbestanteil der Diffusionssperrschicht (Material mit dem Bezugszeichen 31) können vorteilhafterweise aus TiN, oder herkömmlicherweise aus SiO₂ bestehen. Im letzteren Fall wird eine sehr geringe Dicke dergestalt ausgewählt, dass eine Leitung durch Tunneleffekt begünstigt wird (eine Dicke, die typischerweise weniger als einige 10 Nanometer beträgt), welche die Feldemission in dem Fall von Anwendungen als Feldeffektkathode nicht blockieren wird.
In der Praxis nehmen die Isolierungseigenschaften dieser Schicht wegen des während der elektronischen Emission durchfließenden Stromes sehr schnell ab.
Nachfolgend wird ein erstes Beispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung einer selbstausgerichteten Feldeffektkathode beschrieben, dessen Verfahrensschritte in 7a bis 7e dargestellt sind.
Als erstes wird die Stapelung von nachfolgenden Schichten auf einem Substrat 11 vorgenommen

– einer leitenden Schicht 21
– einer Diffusionssperrschicht 31 in Bezug auf das Katalysatormaterial
– einer Schicht aus Katalysatormaterial 71
– einer Schicht aus assoziiertem Material 91
– einer dicken Isolierungsschicht 41
– einer leitenden Schicht als Grundbestandteil des Gatters, 51
– einer Harzschicht 61.

Nun wird eine erste Öffnung mit einer Abmessung erstellt, die kleiner als ungefähr 300 nm ist, die durch Lithografie des Harzes (7a) erhalten wird.
Anschließend wird eine anisotrope Ätzung des Extraktionsgatters durchgeführt, das aus einer leitenden Folie besteht, und eine isotrope Ätzung der Isolierung (die aus SiO₂ bestehen kann) durch chemische Ätzung (7b), wodurch die Ätzung der darunterliegenden Isolierung (konkave Flanken) bewirkt wird.
Nun wird die anisotrope Ätzung des assoziierten Materials 91 vorgenommen, die mit der Öffnung des Harzes und dem Extraktionsgatter (7c) selbstausgerichtet ist. Dieser Vorgang kann durch ionische, reaktive Ätzung in einem Reaktor vorgenommen werden, der auf niedrigem Druck gehalten wird (typischerweise niedriger als 10 m Torr), unter Bedingungen, die dem Fachmann wohl bekannt sind. Dieser Reaktor ermöglicht, aufgrund seines Funktionsprinzips, einen Ionenfluss zu erhalten, der genau senkrecht zu dem Substrat verläuft und dies auf großen Oberflächen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Öffnung in dem Ex traktionsgatter vergrößert werden kann, wenn sie isotrop geätzt wird. Der Durchmesser in dem assoziierten Material 91 wird durch diesen Vorgang nicht verändert, weil sein Durchmesser durch den Durchmesser der Öffnung in dem Harz festgelegt ist.
Nun wird der Vorgang des thermischen Glühens vorgenommen, der die Ausbildung der Legierung 79 aus assoziiertem Material und aus Katalysatormaterial ermöglicht, als auch die Ausbildung eines Aggregats aus reinem Katalysatormaterial (7d). Deswegen kann ein Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern 81 erhalten werden, die ganz genau mit der Öffnung in dem Extraktionsgatter (7e) ausgerichtet sind.
Gemäß einem zweiten Beispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung einer selbstausgerichteten Feldeffektkathode wird zunächst die nachfolgende Stapelung von Schichten auf einem Substrat 11 vorgenommen

– einer leitenden Schicht 21
– einer Diffusionssperrschicht 31 in Bezug auf das Katalysatormaterial
– einer Schicht aus Katalysatormaterial 91
– einer dicken Isolierungsschicht 41
– einer leitenden Schicht als Grundbestandteil des Extraktionsgatters 51
– einer Harzschicht 61.

Nun wird eine erste Öffnung erstellt, die durch Lithografie in dem Harz (8a) erhalten wird.
Die anisotrope Ätzung des Gatters und die isotrope Ätzung der Isolierung werden durchgeführt. Anschließend wird eine anisotrope Ätzung des assoziierten Materials 91 durchgeführt, die mit der Öffnung in dem Harz selbstausgerichtet ist (8b).
Danach wird die Ablagerung einer Schicht aus Katalysatormaterial 71 durch Verdampfung des Katalysatormaterials vorgenommen. Während dieses Vorganges kann der Probenträger verschiedentlich im Verhältnis zu der Verdampfungsquelle gedreht werden. Durch ein derartiges Verfahren kann eine gleichmäßige Ablagerung größerer Abmessung als die Öffnung in dem Harz erhalten werden, und infolgedessen kann eine stellenweise begrenzte, zweischichtige Struktur aufgebaut werden, welche später die Ausbildung der Legierung ermöglicht (8c). In einem herkömmlichen Verfahrensschritt der Lithografie wird nun das Harz entfernt, wodurch die Entfernung der oberen Schicht aus Katalysatormaterial über dem Harz bewirkt wird.
Anschließend wird das Glühen bei hoher Temperatur vorgenommen, um die Ausbildung der Legierung aus assoziiertem Material/Katalysatormaterial 91/79 und eines Aggregats aus Katalysatormaterial im Bereich der Öffnung in dem Material 91 (8d) zu erhalten.
Das Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern 81 kann also auf eine Weise durchgeführt werden, das einwandfrei mit dem Extraktionsgatter (8e) selbstausgerichtet ist.

Claims

Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren und Nanofasern auf einem Substrat, umfassend: – die Erstellung einer zweischichtigen Struktur auf dem Substrat (11), die aus einer Schicht aus Katalysatormaterial (71) und einer Schicht aus assoziiertem Material (91) zusammengesetzt ist, wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit dem Katalysatormaterial bei hoher Temperatur eine nicht katalytische Legierung bildet, wobei die zweischichtige Struktur mindestens eine erste Öffnung im Bereich der Schicht aus assoziiertem Material dergestalt aufweist, dass sie lokal eine Struktur mit einer einzigen Schicht aus Katalysatormaterial ausbildet; – das Glühen der zweischichtigen Struktur, bei hoher Temperatur, dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht (79) aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material gebildet wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung dergestalt aufweist, dass das Katalysatormaterial in dieser zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird; – das Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern (81) auf der Grundlage des Katalysatormaterials, das in der zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird;
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach Anspruch 1, wobei die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen selbstausgerichtet sind.
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend: – die Ablagerung der Schicht aus assoziiertem Material (91) auf der Oberfläche der Schicht aus Katalysatormaterial (71); – die Erstellung von mindestens einer ersten Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material (91).
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend: – die Ablagerung der Schicht aus assoziiertem Material (91) auf der Oberfläche des Substrats (11); – die Erstellung von mindestens einer ersten Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material (91); – die Ablagerung der Katalysatorschicht (71) auf der Oberfläche der Schicht aus assoziiertem Material und im Bereich der ersten Öffnung.
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die vorherige Ablagerung, auf dem Substrat, einer Diffusionssperrschicht in Bezug auf den Katalysator (31) umfassend.
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Grundmaterial der Nanoröhren oder Nanofasern aus Kohlenstoff, Silizium, Bor oder aus irgendeiner weiteren Legierung besteht, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert und Stickstoff umfassen kann.
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Katalysatormaterial aus Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Yttrium oder aus irgendeiner weiteren Legierung besteht, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert.
Verfahren für kontrolliertes Wachstum von Nanoröhren oder Nanofasern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das assoziierte Material aus Silizium besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode, die nachfolgenden Schritte umfassend: – die Erstellung einer Stapelung von Schichten auf einem Substrat (11), umfassend: – eine zweischichtige Struktur, die aus einer Schicht aus Katalysatormaterial (71) und einer Schicht aus assoziiertem Material (91) zusammengesetzt ist, wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit dem Katalysatormaterial bei hoher Temperatur eine Legierung bildet, – eine dicke Isolierungsschicht (41), – eine Metallschicht als Grundbestandteil des Gatters (51), – die anisotrope Ätzung des Gatters und die isotrope Ätzung der Isolierung; – die anisotrope Ätzung der Schicht aus assoziiertem Material, wobei die Ätzungen des Gatters und des assoziierten Materials jeweils mindestens eine erste Öffnung in dem Gatter und mindestens eine erste Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material definieren, die selbstausgerichtet sind; – das Glühen bei hoher Temperatur der zuvor gefertigten Baueinheit dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht (79) aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material gebildet wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung aufweist. – das lokalisierte Wachstum der Nanoröhren (81) auf der Grundlage des Katalysatormaterials in der zweiten Öffnung.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode, die nachfolgenden Schritte umfassend: – die Erstellung einer Stapelung von Schichten auf einem Substrat, umfassend: – eine Schicht aus assoziiertem Material (91), wobei sich das assoziierte Material dergestalt darstellt, dass es mit dem Katalysatormaterial für Wachstum von Nanoröhren bei hoher Temperatur eine Legierung bildet, – eine dicke Isolierungsschicht, – eine leitende Schicht als Grundbestandteil des Gatters der Kathode, – die anisotrope Ätzung des Gatters und die isotrope Ätzung der Isolierung; – die anisotrope Ätzung der Schicht aus assoziiertem Material, wobei die Ätzungen des Gatters und des assoziierten Materials jeweils mindestens eine erste Öffnung in dem Gatter und mindestens eine erste Öffnung in der Schicht aus assoziiertem Material definieren, die selbstausgerichtet sind; – die Ablagerung einer Katalysatorschicht (71) auf der Schicht aus assoziiertem Material und in seiner Öffnung; – das Glühen bei hoher Temperatur der zuvor gefertigten Baueinheit dergestalt, dass eine einzige Legierungsschicht (79) aus Katalysatormaterial und aus assoziiertem Material bereitgestellt wird, wobei die einzige Legierungsschicht mindestens eine zweite Öffnung dergestalt aufweist, dass das Katalysatormaterial in dieser zweiten Öffnung örtlich begrenzt wird; – das lokalisierte Wachstum der Nanoröhren (81) auf der Grundlage des Katalysatormaterials in der zweiten Öffnung.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Ablagerung der Katalysatorschicht durch homogene Verdampfung von Katalysatormaterial durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen selbstausgerichtet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die Ablagerung einer leitenden Schicht (21) auf dem Substrat umfassend.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die vorherige Ablagerung, auf dem Substrat, einer Diffusionssperrschicht (31) in Bezug auf den Katalysator umfassend.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Art des Grundmaterials der Nanoröhren oder Nanofasern aus Kohlenstoff, Silizium, Bor oder aus irgendeiner weiteren Legierung besteht, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert und Stickstoff umfassen kann.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Art des Katalysatormaterials aus Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Yttrium oder irgendeiner weiteren Legierung besteht, die auf mindestens einem dieser Elemente basiert.
Verfahren zur Herstellung einer Feldeffektkathode nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das assoziierte Material aus Silizium besteht.