TW580562B - Apparatus and method for controlling the length of a carbon nanotube - Google Patents

Description

580562 五、發明說明⑴ 一、發明所屬之技術領域 本發明係關於一種控制奈米碳管長度之方法與裂置， 尤指一種適用於修整奈米碳管探針、奈米碳管感知器、或 奈米碳管場發射器針尖之方法與裝置。 一 ^ 〆 二、先前技術 奈米碳管的應用非常廣泛’例如作為掃描探針顯微鐘 (Scanning Pr〇be Microscopes, SPM)探針之針尖、推售

奈米顆粒（Nano Particles)之質量、或是偵測原分子^ 否存在之感知器等等。目前之微機電技術已可做出探針微 懸臂結構，並配合化學氣相沉積、電槳強化化學氣相沉積 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, = CVD)、或電場強化化學氣相沉積（Fieid_Enhwced enucal VaP〇r DeP〇sltion，FECVD)等技術在 p型矽晶 !乎二；：晶圓；玻璃基板、或其他多種基材上製作出具 提出將奈米碳管成長於;社:吳國專利弟6，1 46,227號所 製造SPM探針提# 了進步衣二針/安上之製程方法，即對批量 6, 346, 1 89B1號（Dai等人^案。另外，美國專利第

顯微鏡探針掃描觸媒，倍’臨西元2 0 02年）亦提出利用原子力 而使奈米碳管成長於探媒塗在探針失端，再配合CVD 雖然目前有許多研办、、上。 欲獲得品質一致的奈米二^成長奈米碳管為目標，不過， 例，控制成長奈米碳管^ :挺針仍有許多困難。以長度為 ^間並不一定能夠妥善控制奈米

580562 五、發明說明（2) 碳管突出針尖之長度。這是 制，不—定會位於針尖末蠕，=觸媒顆粒位置極莫: 碳管突出於探針之長度也就不而導致以CVD成長 出來之奈米碳管受凡得瓦力二。另外，一般而1 尖斜面爬行，直到結構力大，吸附在探針表3 針尖。因此同一條件、同—浐^附力，奈米碳管4 不會相同。而長度不—之奈C寻之探針針尖 很多問題’例如雖然較長的掃：：=十在應用上會 助於探索較深之微結構，作針顯微鏡探針之 (Thermal Disturbance) /父長的碳管易受 針尖易發生挫曲（Bucket /Λ振動’且太長 當，會導致掃描結果不穩定右使用之針尖長> 度’而無法發揮奈米礙管樣本尺寸量 於推算奈米顆粒之質量時，因十f :之效能。此外’ 二奈米碟管末端來吸：微=利：：崎、 石炭管結構；&呈；^1 ;、子猎者特定長度

Pa；；；c：e!；ir^ 質，因此，必須妥盖二制二此，之奈米碳管來吸附 使感知器功能正確：‘外n j:米碳管長度 有所影響，因此尋科+ ί 士（ tr〇n Field Emh; 子場發射現象A ^刀除末端觸媒顆粒的方法也是 对現象基礎研究者關注的要點。 疋 Μ皮控 製作之 ’成長 f，沿針 會突出 長度並 衍生出 針尖有 熱擾動 的碳管 是不 剛精確 當應用 一端懸 之奈米 又與奈 存在之 化學物 ’才能 奈米碳 5 i 〇n) 仗事電 五、發明說明（3) 由於一般製作呈 ϊί；1!4ί1 ^ 不/、妷官探針難於工:及昂貴的設備使得高品質之 之狀况亦阻滯奈米量測二：而奈米碳管探針供應不 ^九與應用之進展。 '、發明内容 本發明之主要、 俾能控制及==” -種控制奈米碳管長度之 °掃描探針顯微鏡‘二化管長度，以提高奈米碳管感 及叩質。 針、或場發射器元件之製作效率 本發明之另—目/ 裝置，俾能控制夺米π ^在提供一種控制奈米碳管長度之 掃描探針顯微鏡探^反:長度，以提高奈米碳管感知器、 質。 或％發射器元件之製作效率及品

、為達成上述目·的，太恭nR 法，主要包括以下牛、5月一種控制奈米碳管長度之方 具有至少一參考面，a二首先提供一基板，該基板表面上 其中該奈米碳管之且忒基板上形成有至少一奈米碳管， 接著提供至少一可？、端至該參考面之最短垂直距離為H; 該基板置於該定位及移動，基板之定位平台；之後將 動器，並以該壓電致二士定=二，一放電電極與一屢電致 供一距離感測器，以^ 放電電極之位置；然後提 位置，使該放電帝、 °正δ亥基板或該放電電極之 文……考面之垂直距離為ι;以及以 580562 一奈米 整該基 ，位於 致動器 考面之 :以及 電極， 五、發明說明（4) 該定位平台移動該基板， I極，以裁切該奈米碳管； 為達成上述目的，本 之裝置，係配合一表面具 基板上形成有至少 台，用以放置並調 位置，一放電電極 奈米碳管；一壓電 位置或與該基板參 感知该基板之兩度 電壓脈衝至該放電 同時施加一電壓脈衝至該 其中Η大於或等於Ϊ。 發明包含一種控制奈米碳 有至少一參考面之基板， 碳管，主要包括：至少— 板之位置’或調整該放電 5亥疋位平台之一側，用以 ’用以定位或調整該放電 相對高度；一距離感測器 一電壓脈衝供應器，用以 以裁切該奈米碳管。 放電電 管長度 其中該 定位平 電極之 裁切該 電極之 ’用以 施力口 一 丨四、實施 | 本發 平台較佳 |或该放電 袈置中之 營較佳為 (pECVD)、 明控制丰 卜; ί效電電 卜為至 方式 為奈米碳管長度之方法與裝置所使用之定位 電極i r平台與z定位平台，以分別調整該基板 基板較ί置。本發明控制奈米碳管長度之方法與 以化與仏為石夕晶圓基板，而該基板表面之奈米碳 、或氣相沉積（cvd)、電浆強化化學氣相沉積 /碳\每強化化學氣相沉積（FECVD)形成。本發 貼二I長度之方法與裝置中之放電電極較佳為線 其與基板表面之夾角較佳為介於0至1 5 本發明加r & I , 極之带Γ制奈米碳管長度之方法與裝置中，施加 墨脈衝之電壓較佳為3· 6至20伏，週期較 1 〇 〇微矛少 丄々 h °本發明控制奈米碳管長度之方法與裝

第8頁 580562 五、發明說明（5) __ 置之距離感測器較佳為干涉儀、 測器。本發明控制奈米碳管長度之裝置於：、J探針式感 日:：放電電極至參考面垂直距離較 ；2 J: 碳”該參考面之最短垂直距離。☆次寺於该奈米 為能讓貴審查委員能更暸解本 舉本發明控制奈米鶴度之方法與裝置之二 說明如下。 仏具體貫施例 本發明所使用之奈米碳管探針陣列， 乂 之微機電技術做出其微結構，配合 目珂習知 強:匕化學氣相沉積、或電場強化化學 石夕曰曰曰κ 、山n型石夕曰曰曰® 、玻璃基板或其他多種基ί ^上制 作出具奈米碳管2之探針3陣列’如圖1所示。土 衣 在懸臂樑末端6之外，奈米碳管2也可在適合應除了被成長 長在錐狀尖端7，如圖2所示。直中特音二二用例中破成 考…底部4,並且視探針應用中匕將； 2末端成長至參考面5上方零至數微米之間：管 被用來降低放電電極撞毀探針末端之機率。構可 ^ί ί Γ/Λ： ^XY^ ^ ^. 电软動益4 0、距離感測器5 〇、 電極電源導線70,以及具有奈米碳管2探^電电極60、與 基板1 0。圖4將矽晶圓基板】〇 或哭 f矽晶圓 :之、，，D構放大’以便於理解放電電極6 :: 子位置及其裁切方式。放電電極60可以是^狀相 極，其與來考而]^ + 叮、Β Λ疋線狀或平面狀電 考面11之夾角可視電極尖端之微觀角度而定，

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一般可介於〇〜1 5度。 當XY定位平台20運動期間，χγ定位平台2 基板1 0相對於放電電極6 〇之起伏 ’載之 甘价庄丨、六， 0 υ之起伙耘度在〇 · 5微米以下時， 其4工制流程如下：首先將基板1 〇 $ 竹吞槪i UU X Y疋位平台2 〇饋進至適 虽位置，接者施加1〜5 V直流電壓至放電電極6〇，並協調2 定位平台30與壓電致動器40,將放電電極6〇往參考面^平 面下降，同時監視放電電極60之電位’當放電電極6〇與石夕 晶圓基板1 0導通，便完成放電電極60高度歸零動作。隨後 以Z定位平台30將放電電極60饋進至參考面丨丨上方數微米 處後，利用壓電致動器4 0將放電電極6 0饋進至參考面丨1上 方數百奈米至1微米處。然後再以XY定位平台Μ饋進基板 1 0 ’同時將3 · 6〜2 0 V、5 0微秒脈衝輸至放電電極6 〇， 以對奈米碳管1 2進行放電裁切，如圖4所示。 當ΧΥ定位平台20運動期間，ΧΥ定位平台20上方承載之 基板1 0相對於放電電極6 0之起伏程度在〇 . 5微米以上時， 可以使用距離感測器5 〇進行閉迴路控制。距離感測器5 〇可 為一電容感測器或一光纖干涉儀。本發明之較佳實施例以 使用光纖干涉儀進行控制予以說明。請參見圖5，雷射光 源10 0透過光纖Π 〇引導，投射在參考面11反射平面。由參 考面1 1反射平面反射旅被光誠收入之弟二次反射光線1 2 2 與光纖斷面1 1 1反射回杏之第一次反射光線1 2 1，透過光偶 合器1 3 0或其他光學鏡組而導引至光電偵測器1 4 0，第一次 反射光線1 2 1與第二次反射光線1 2 2之光干涉結果被光電伯 測器1 4 0轉變為電信號。光波干涉之振幅與光纖斷面丄丨j和

580562 五、發明說明（7) 參考面1 1反射面之距離有關，可以據此調節光纖1 1 0或基 板1 0上下位置，來使光波干涉之振幅保持恆定，此時光纖 斷面1 1 1和參考面1 1反射面之距離亦得以保持恆定。該距 離可以設定為數百奈米至4 0微米以内，使光纖1 1 0能夠接 收足夠之反射光能量。在此設定位置點上，放電電極6 0和 參考面1 1反射面之距離變動量可控制在雷射波長之1 / 4以 内。若雷射干涉能量發生變化，則以壓電致動器4 0調制光 纖斷面11 1和參考面1 1反射面之距離，使干涉振幅保持固 定，藉此使放電電極6 0與參考面1 1距離獲得控制。 上述壓電致動器4 0為具Z方向一維致動自由度之積層 式壓電致動器，亦可用具一維以上致動自由度之壓電管 (Piezoelectric Tube)致動器。另外，由於放電電極60 亦可能有歪斜之情況，因此可使用二個光纖干涉儀作為距 離感測器，並調制其壓電管致動器，以補償電極之歪斜狀 況。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述實施例。

580562 圖式簡單說明 五、圖式簡單說明 圖1係本發明較佳實施例之基板立體圖。 圖2 ( a )與2 ( b )係本發明較佳實施例之基板剖視圖。 圖3係本發明較佳實施例之控制奈米碳管長度之裝置立體 圖。 圖4係本發明較佳實施例中矽晶圓基板、距離感測器與放 電 電極之結構放大圖。 圖 5係本發明較佳實施例中 使用光纖干涉儀進行控制之距 離 感測器 示意圖。 六 、圖號說明 1 基板 2 奈米碳管 3 探針 4 底部 5 參考面 6 懸臂樑末端 7 錐狀尖端 10 矽晶圓基板 11 參考面 12 奈米碳管 20 XY定位平台 30 Z定位平台 40 壓電致動器 50 距離感測器 60 放電電極 70 電極電源導線 1 0 0雷射 光源 110 光纖 111光纖斷面 121 第一次反射光線 12 2第二次反射 光線 130 光偶合器 140 光 電偵測器

Claims (1)

1. 580562 六、申請專利範圍 1. 一種控制奈米碳管長度之方法，主要包括以下步驟·· 提供一基板，該基板表面上形成有至少一奈米碳管及至少 一參考面，其中該奈米碳管之頂端至該參考面之最短垂直 距離為Η ; 提供至少一可承載及移動該基板之定位平台； 將該基板置於該定位平台上； 提供一放電電極與一壓電致動器，並以該壓電致動器定位 該放電電極之位置，

   提供一距離感測器，以偵知該放電電極與該參考面之高 度，並以該距離感測器偵知之高度調整該基板或該放電電 極之高度，使該放電電極至該參考面之垂直距離皆為I ; 以及 以該定位平台移動該基板，同時施加一電壓脈衝至該放電 電極，以裁切該奈米碳管； 其中Η大於或等於I。 2 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該定位平台為 ΧΥ定位平台。 3 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包含一 Ζ定位平 台，用以調整該放電電極之位置。

   4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基板為矽晶 圓基板或玻璃基板。 5 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該放電電極為 線狀或平面狀電極。 6 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該放電電極與

   第13頁 580562 六、申請專利範圍 該基板表面之夾角介於0至1 5度之間。 7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成該奈米碳 管之方法為化學氣相沉積（CVD )、電漿強化化學氣相沉積 (PECVD)、或電場強化化學氣相沉積（FECVD)。 8 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該距離感測器 為干涉儀、電容感測器、或探針式感測器。 9 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電壓脈衝之 電壓為3 . 6至2 0伏，週期為3 0至1 0 0微秒。

   1 0. —種控制奈米碳管長度之裝置，係配合一表面形成有 至少一奈米碳管及至少一參考面之基板，主要包括： 至少一定位平台，用以放置並調整該基板之位置，或調整 該放電電極之位置； 一放電電極，位於該定位平台之一側，用以裁切該奈米碳 管； 一壓電致動器，用以定位或調整該放電電極之位置或與該 參考面之相對高度； 一距離感測器，用以感知該基板之高度；以及 一電壓脈衝供應器，用以施加一電壓脈衝至該放電電極， 以裁切該奈米碳管。

   1 1.如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該定位平台 為XY定位平台與Z定位平台。 1 2 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該基板為矽 晶圓基板或玻璃基板。 1 3 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該放電電極

   第14頁 580562 六、申請專利範圍 為線狀或平面狀電極。 1 4 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該放電電極 與該基板表面之夾角介於0至1 5度之間。 1 5 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該奈米碳管 形成於該基板之方法為化學氣相沉積（CVD )、電·漿強化化 學氣相沉積（PECVD)、或電場強化化學氣相沉積（FECVD)。 1 6 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該距離感測 器為干涉儀、電容感測器、或探針式感測器。

   1 7 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該電壓脈衝 之電壓為3 . 6至2 0伏，週期為3 0至1 0 0微秒。 1 8 .如申請專利範圍第1 0項所述之裝置，其中該放電電極 至該參考面之垂直距離小於或等於該奈米碳管之頂端至該 參考面之最短垂直距離。

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