技术领域
[0001] 本
发明涉及多壁
碳纳米管电极的制作方法，特别是涉及与集成
电路制造工艺兼容，在利用
多壁碳纳米管制作微纳
电子器件时，能提高多壁碳纳米管与金属电极
接触特性的电极制作方法。
背景技术
[0002] 碳纳米管具有优异的电学、
力学、热学和化学特性，在很多方面有着潜在的应用前景。随着碳纳米管管壁中
石墨环排列的螺旋性和管径变化，碳纳米管会呈现金属性或
半导体性。金属性碳纳米管，尤其是多壁碳纳米管，由于具有很高的
电流承载能力，是用作未来微纳电子器件和集成电路互连
导线的理想材料。要实现碳纳米管在微纳电子器件中的应用还有许多问题需要解决，例如，碳纳米管与金属电极之间的接触问题，它将严重影响器件性能的稳定，有效控制和提高碳纳米管与金属电极接触特性是制造稳定可靠的纳米电子器件的前提。目前所报道的关于利用合成的单根碳纳米管制作
原型器件和研究其电学特性的工作中，实现碳纳米管与金属电极接触的方法主要有以下两种：第一种方法是将合成的碳纳米管分散到绝缘基片上，通过微纳加工技术制作金属电极压在碳纳米管上；第二种方法是利用金属
纳米探针直接接触碳纳米管。现对这两种实现碳纳米管与金属电极接触的方法具体描述如下：
[0003] 1.通过微纳米加工技术将金属电极压于碳纳米管之上：参见文件1，“单根碳纳米管的电导”（Electrical conductivity of individual carbon nanotubes），载于《Nature》1996,Vol.382:54-56上；它是将碳纳米管分散到具有
氧化层的
硅基片上，然后利用聚焦离子束诱导沉积金属钨电极于碳纳米管上以形成电学接触。通过这种方法形成的电学接触，由于仅仅是多层碳纳米管的外层管壁直接与金属电极接触，通常只有外层管壁参与导电，而内层管壁几乎没有电流流过，并没有充分发挥多壁碳纳米管应有的强大电流承载能力。
[0004] 2.利用金属纳米探针直接接触碳纳米管：参见文件2“多壁碳纳米管中的多通道弹道输运”（Multichannel Ballistic Transport in Multiwall Carbon Nanotubes），载于《Physical Review Letters》2005,Vol.95:086601上；它是通
过热灯丝化学气相沉积方法将多壁碳纳米管生长在钨丝衬底上，以钨丝衬底作为其中一个电极，在扫描电子
显微镜中原位观察，操纵一根可移动的钨纳米探针接近多壁碳纳米管的另一端，在钨纳米探针和碳纳米管间施加一个
电压产生放电，在接触部位产生高温使得钨纳米探针与多壁碳纳米管
焊接在一起，从而形成良好的
欧姆接触。测量结果表明该多壁碳纳米管的电导高达(460-490)G0，最大电流达到7.27mA，多壁碳纳米管的几乎每一层管壁都参与了电输运过程，其电流承载能力得到了极大提高。但是这样的方法仅适用于纳米管的电学特性实验研究，与目前的集成电路制造工艺并不兼容。
[0005] 总之，目前利用合成的单根多壁碳纳米管制作原型器件和研究其电学特性时，实现多壁碳纳米管与金属电极接触的方法通常只是外层碳纳米管管壁参与导电，没能充分发挥多壁碳纳米管应有的强大电流承载能力，或者通过金属纳米探针与碳纳米管的多层管壁同时直接接触而提高其电流承载能力，但这样的方法与集成电路制造工艺并不兼容。虽然有人提出先制作金属电极并在电极端部放置生长碳纳米管所需的金属催化剂颗粒，然后再生长碳纳米管连接于金属电极之间，但是对于所生长的碳纳米管的方向、尺寸和数量的控制并不十分理想。因此，发展一种能有效体现多壁碳纳米管高电流承载能力特性的电极制作方法是非常必要的。发明内容：
[0006] 本发明的目的在于：克服已有的制作多壁碳纳米管接触电极的方法所存在的仅有外层管壁参与导电的缺点，而提供一种多层管壁参与导电的多壁碳纳米管电极的制作方法，该方法能制做提高多壁碳纳米管与金属电极接触特性的多壁碳纳米管电极，使多壁碳纳米管的多层管壁都与金属电极直接接触，达到提高多壁碳纳米管电流承载能力的目的。该方法与集成电路制造工艺兼容，适用于利用单根多壁碳纳米管制作微纳电子器件。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 本发明提供的多壁碳纳米管电极的制作方法，其步骤如下：
[0009] 1）选择具有绝缘介质层1的平整基片作为衬底；
[0010] 2）将多壁碳纳米管分散于衬底上；
[0011] 3）将分散有多壁碳纳米管的衬底放入
电子束曝光系统中，
选定其中一单根多壁碳纳米管2，并记录该单根多壁碳纳米管2的坐标
位置，然后将衬底从电子束曝光系统中取出；在具有该单根多根碳纳米管2的衬底表面
旋涂正性
光刻胶，利用热板进行
烘烤；再次将衬底放入电子束曝光系统，按照之前记录的所述单根多壁碳纳米管2的坐标位置，进行曝光制作出电极图案，将衬底从电子束曝光系统中取出，经过显影和定影后，在衬底上的光刻胶层中形成电极图案；
[0012] 4）采用
镀膜工艺在具有电极图案的衬底表面上沉积金属膜，并放入丙
酮溶液中进行溶脱剥离处理，在衬底上形成压于该单根多壁碳纳米管之上的金属电极3；
[0013] 5）将步骤4）所述衬底放入聚焦离子束系统中，在衬底的所述金属电极3与多壁碳纳米管2接触的部位打孔4，孔深穿透所述单根多壁碳纳米管；
[0014] 6）然后将步骤4）所述衬底放入
等离子体刻蚀系统，用等离子体刻蚀以改善孔内多壁碳纳米管的截面
质量；
[0015] 7）利用聚焦离子束诱导沉积技术在步骤4）所述衬底的孔内沉积金属5，使所述单根多壁碳纳米管2与金属电极3之间通过金属5形成直接接触，得到本发明的多壁碳纳米管电极。
[0016] 在上述技术方案中，步骤1）中所述的绝缘介质层1包括：氧化硅、氮化硅、氧化
铝、氧化铪以及其它绝缘介质。其中氧化硅可以通过热氧化
硅片获得，也可以通过溅射沉积或化学气相沉积方法获得；氮化硅通常通过化学气相沉积方法制得；氧化铝和氧化铪可以通过溅射沉积或
原子层沉积方法制得。它们的厚度一般为10-500纳米，具体厚度根据制作器件的实际需要而定。
[0017] 在上述技术方案中，步骤2）中所述的将多壁碳纳米管分散于衬底上通常是将含有多壁碳纳米管的材料溶解稀释于丙酮、酒精或其他
溶剂中，然后用滴管将其滴于衬底上，干燥后多壁碳纳米管即分布散落于衬底表面。
[0018] 在上述技术方案中，步骤3）中所述的寻找所需的单根多壁碳纳米管2并记录其坐标位置需要事先在衬底上制作两个或三个对准标记，以便以此确定样品
坐标系，当衬底再次放入电子束曝光系统时，同样用这些对准标记来定义确定样品坐标系，使得两次的样品坐标系重合。
[0019] 在上述技术方案中，步骤4）中所述的镀膜工艺可以采用金属靶
溅射法，包括
磁控溅射、直流辉光溅射或离子束溅射等，也可以采用金属蒸镀法，包括：热
蒸发、
电子束蒸发等；沉积的金属
薄膜的种类依据所要制作器件的实际需要而定，金属薄膜的厚度不能超过所旋涂的光刻胶厚度，通常是光刻胶厚度的1/3-1/2为宜。
[0020] 在上述技术方案中，步骤5）中所述的打孔工艺可以采用聚焦离子束刻蚀方法，也可以采用
激光打孔方法，通常打孔直径接近多壁碳纳米管直径为宜。
[0021] 在上述技术方案中，步骤6）中所述的等离子体刻蚀工艺可以采用反应离子刻蚀方法，也可以采用其它等离子溅射方法，刻蚀气体可以采用氧气，也可以采用氩气，刻蚀时间以能够刻蚀掉几个碳原子层为宜，一般为20秒到2分钟。
[0022] 在上述技术方案中，所述步骤7）中的利用聚焦离子束诱导沉积技术在孔内沉积金属钨是利用含钨有机物作为反应气体，通过将该反应气体喷射到孔内，同时用离子束轰击使含钨有机物分解，金属钨原子沉积于孔内，分解的碳氧原子被
真空泵抽走，金属钨沉积的位置和形状由离子束轰击扫描的位置和图案确定。
[0023] 所述含钨有机物为W(CO)6。
[0024] 本发明的优点在于：
[0025] 1.本发明利用电子束曝光等微纳米加工技术在多壁碳纳米管上制作金属电极后，通过聚焦离子束技术在金属电极与多壁碳纳米管接触的部位打孔，然后利用等离子体刻蚀方法处理小孔，并用聚焦离子束沉积金属，使多壁碳纳米管的多层管壁都与金属电极直接接触，提供了一种能提高多壁碳纳米管与金属电极接触特性的电极制作方法，从而提高多壁碳纳米管的电流承载能力。
[0026] 2.在整个工艺过程中，采用的都是常规的微纳米加工技术，因此该方法对于集成电路制造工艺而言具有良好的兼容性，适用于利用单根多壁碳纳米管制作微纳电子器件。
附图说明：
[0027] 图1a至图1c为本发明的多壁碳纳米管接触电极的制作流程示意图：
[0028] 图1a为将多壁碳纳米管分散于衬底上的示意图；
[0029] 图1b为利用微纳米加工技术在单根多壁碳纳米管上制作金属电极的示意图；
[0030] 图1c为利用聚焦离子束刻蚀技术在金属电极与多壁碳纳米管接触的部位打孔，并用等离子体处理的示意图；
[0031] 图1d为利用聚焦离子束诱导沉积技术在孔中沉积金属。
具体实施方式
[0032] 下面通过附图和具体
实施例进一步描述对本发明。
[0033] 实施例1
[0034] 参照图1，按本发明的方法制作本实施例的多壁碳纳米管四电极测试器件，其步骤如下：
[0035] 1）选用500纳米厚的具有热氧化制成的SiO2膜的硅片作为衬底；
[0036] 2）将多壁碳纳米管溶解稀释于酒精溶剂中，经过1小时
超声波振动分散，之后用滴管将含有多壁碳纳米管的酒精溶液滴于衬底上，将衬底在50℃热板上烘烤2分钟，使多壁碳纳米管分布散落于衬底表面；
[0037] 3）将步骤2）的分散有多壁碳纳米管的衬底放入Raith 150电子束曝光系统中，在扫描电镜模式下观察衬底上的多壁碳纳米管，选定一单根多壁碳纳米管并记录其坐标位置，然后将衬底从电子束曝光系统中取出；在具有该单根多壁碳纳米管的衬底表面上旋涂厚度为100纳米的正性光刻胶PMMA，并在180℃热板上烘烤1分钟，再次将所述衬底放入Raith 150电子束曝光系统，按照之前记录的该单根多壁碳纳米管的坐标位置，曝光制作出四电极图案，再次将衬底从Raith 150电子束曝光系统中取出，经过显影和定影后，在分散有多壁碳纳米管的衬底上的光刻胶层中形成四电极图案；
[0038] 4）采用热蒸发镀膜方法在步骤3）的衬底上首先沉积5纳米厚的
钛膜，然后沉积40纳米厚的金膜，并将所述衬底放入丙酮溶液中进行溶脱剥离处理，形成压于所述衬底的单根多壁碳纳米管之上的金属电极3；
[0039] 5）将步骤4）衬底放入FEI DB235聚焦离子束系统中，用
加速电压为30kV，束流为10pA的Ga离子对衬底进行轰击，在衬底的金属电极3与多壁碳纳米管2接触的部位被轰击打孔，其孔深度穿透多壁碳纳米管2；
[0040] 6）将步骤5）衬底放入反应离子刻蚀系统对其进行刻蚀；所述反应离子刻蚀系统的反应腔体压力为0.7Pa，直流
偏压100V，功率200W，氧气流量20sccm，刻蚀时间30秒；
[0041] 7）然后利用聚焦离子束诱导沉积技术在所述孔内沉积金属钨，在孔的位置进行离子束扫描，通过气体注入系统喷射W(CO)6到孔内，同时用高
能量的离子束轰击使其分解，将金属钨原子沉积于孔内，使该多壁碳纳米管2的多层管壁与金属电极3之间通过金属钨形成直接接触，得到多壁碳纳米管四电极测试器件；
[0042] 在打孔前后分别测量多壁碳纳米管的电输运性质，结果表明通过打孔再沉积金属形成新的接触后，多壁碳纳米管的电导提高了10倍以上；
[0043] 实施例2
[0044] 本实施例在氧化铝绝缘介质层上制作多壁碳纳米管的金属
测量电极。
[0045] 参考图1，本实施例的制备方法按照图1的工艺流程进行，详细描述如下：
[0046] 1）将硅片放入Cambridge NanoTech Inc生产的Savannah-100原子层沉积系统中，在硅片上生长50纳米厚的氧化铝绝缘介质层，底层硅在器件测量时可以作为栅电极；
[0047] 2）将多壁碳纳米管溶解稀释于酒精溶剂中，经过1小时
超声波振动分散，用滴管将含有多壁碳纳米管的酒精溶液滴于具有氧化铝绝缘介质层的硅衬底上，在50℃的热板上烘烤硅衬底1分钟，多壁碳纳米管分散于衬底的氧化铝绝缘介质层上；
[0048] 3）将分散有多壁碳纳米管的衬底放入Raith 150电子束曝光系统中，通过扫描电镜观察衬底上的多壁碳纳米管，选定一单根多壁碳纳米管并记录其坐标位置，然后将衬底从Raith 150电子束曝光系统中取出；在具有该单根多壁碳纳米管的衬底表面上旋涂100纳米厚的正性光刻胶PMMA，并在180℃热板上烘烤1分钟；再次将衬底放入Raith 150电子束曝光系统，按照之前记录该单根多壁碳纳米管的坐标位置，曝光制作出电极图案，将衬底从Raith 150电子束曝光系统中取出，经过显影和定影后，在衬底上的光刻胶层中形成电极图案；
[0049] 4）采用热蒸发镀膜方法在衬底具有电极图案的表面上首先沉积5纳米厚的钛膜，然后再沉积50纳米厚的金膜，将衬底放入丙酮溶液中进行溶脱剥离处理，光刻胶上的金属膜被溶脱剥离下来，留下压在所述单根多壁碳纳米管2上的金属电极3；
[0050] 5）将衬底放入FEI DB235聚焦离子束系统中，利用加速电压为30kV，束流为10pA的聚焦Ga
离子轰击，在金属电极与多壁碳纳米管接触的部位打孔，孔深度穿透多壁碳纳米管，然后利用Ar离子溅射处理小孔1分钟；最后，在孔内利用聚焦离子束诱导沉积金属铂，所述该单根多壁碳纳米管的多层管壁2与金属电极3之间通过金属铂形成直接接触，便制成了本实施例的在氧化铝绝缘介质层上制作多壁碳纳米管的金属测量电极。
