专利名称：一维纳米结构螺旋感应器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一维纳米结构，并且尤其涉及一维纳米结构感应器。
背景技术：
一维纳米结构，例如带、棒、管、线，现在越来越注重于集中研 究其自身的独特应用。 一维纳米结构是研究电和热传输或者机械性能 作为尺寸减小的函数的依赖性的典型系统。与零维(例如量子点)以 及二维纳米结构(例如GaAs/AlGaAs异质结和超晶格)形成对照，由于 与控制化学合成、维、形态相关的困难， 一维纳米结构的直接合成和 生长相对较慢。替换地，已经使用多种先进纳米光刻(nanolithographic) 技术，例如电子束(e-beam)、聚焦离子束(FIB)写入和扫描探针， 制成了各种一维纳米结构。碳纳米管是一种最重要的一维纳米结构。碳纳米管是碳的四种独 特的晶态结构之一，其他三种是钻石、石墨和富勒烯。具体说来，碳 纳米管是指以单壁(单壁纳米管)或多壁(多壁纳米管)生长的螺旋 管结构。通过将单层石墨片巻成柱状，以在管的表面形成多个六边形， 从而获得这些类型的结构。该片是没有悬挂键的碳原子的紧密堆积排 列。碳纳米管的直径典型地是大约若干分之一纳米到几百纳米。如此 处所用，"碳纳米管"是任意伸长的碳结构。根据巻曲的形状(手征性)和螺旋管的直径，碳纳米管可以用作 导体(金属)或半导体。使用金属纳米管， 一维碳基结构可以在室温 下基本无电阻地导电。而且，可以认为电子在结构中自由地移动，所 以金属纳米管可以作为理想的互连接来使用。当半导体纳米管末端与金属电极接触，并且在管上放置有第三栅极时，该结构可以用作场效 应晶体管，其中可通过将一电压施加于顶部或底部栅极，将纳米管从 导电状态切换到绝缘状态。替换地，分子可被附于或吸收到半导体管 的侧壁上以形成有效"栅"，并由此改变通过管的电流。由被吸收的 分子的数量来控制通过管的电流，于是器件充当很敏感的液体或气体 传感器。由于碳纳米管独特的结构、物理和化学性能，所以其是用于 纳米电子和传感器器件的潜在的构建模块。另一类一维纳米结构是纳米线。无机材料的纳米线从金属(Ag、Au)、元素半导体(例如Si和Ge) 、 III-V半导体(例如GaAs、 GaN、 GaP、 InAs和InP) 、 II-VI半导体(例如CdS、 CdSe、 ZnS和ZnSe)以及 氧化物(例如Si02和ZnO)生长而来。与碳纳米管类似，取决于合成技 术和/或期望的应用需求，可以用各种直径和长度来合成无机纳米线。已经把碳纳米管和无机纳米线二者呈现为场效应晶体管(FET) 以及纳米级电子中的其他基本元件，例如p-n结、双极性晶体管、反相 器等。开发这类纳米级元件背后的驱动力是纳米电子的"自下而上" 的方法具有超越传统的"自上而下"生产技术的限制的潜力。一维纳米结构的另一种主要应用是化学和生物感测。与这些纳米 结构相关联的极高的表面积体积比，使得其电性能对在其表面上吸收 的种类极度敏感。例如，已修改了半导体纳米线的表面，并将其实施 为对pH和生物种类高度敏感的实时传感器。对碳纳米管也实现了相同 的应用。相应地，希望提供用于RF集成电路的感应器，其包括具有比诸如 铜或铝之类的传统金属感应器更低阻抗的一维纳米结构。还希望提供 用于化学、生物、磁通量感测的包括一维纳米结构的感应器。另外， 结合附图和本发明的背景技术，根据本发明的以下详细说明和所附权 利要求，本发明的其他希望的特征和特性将变得明显。发明内容提供了一种用于制造感应器的方法，该方法包括可选地在衬底 上形成催化剂材料；以及在催化剂材料或衬底上创建一维纳米结构的 网络，当将电压施加于其间时，该网络提供电感。该一维纳米结构也 可用于感测例如气体、辐射、磁通量。
以下将结合附图来描述本发明，其中相同的标号指示相同的元素，并且图l-2和4-9是制作第一示范性实施例的不同阶段的局部横截面视图；图3是图2的第一示范性实施例的俯视图； 图10是图9的第一示范性实施例的俯视图；图ll是第二示范性实施例的俯视图； 图12是第三示范性实施例的局部横截面视图；图13和14是制作第四示范性实施例的不同阶段的局部横截面视图；图15是第一示范性实施例中淀积催化剂材料的替代方法的俯视图；图16-18是制作第五示范性实施例的不同阶段的俯视图和局部横 截面视图；图19-21是制作第六示范性实施例的不同阶段的俯视图和局部横截面视图；图22是第七示范性实施例的俯视图；图23和24是第八示范性实施例的局部横截面视图和俯视图；图25是第二应用的第一示范性实施例的局部侧视图；图26是第二应用的第二示范性实施例的局部侧视图；图27是传感器应用的示范性实施例的局部横截面视图；图28是图27的实施例的电表示的原理图；以及图29是另一传感器应用的示范性实施例的局部横截面视图。
具体实施方式
本发明的下列详细描述实际上仅为示范，而不是意图限制本发明 或本发明的应用和使用。而且，没有意图由在以上发明背景或以下发 明的详细描述中呈现的任何理论来限制。诸如纳米管和纳米线的一维纳米结构展现了开发分子级传感器、 谐振器、场发射显示器和逻辑/存储元件的前景。此处将一维纳米结构定义为具有大于10比1的高长径比(长度对直径)的材料。通过化学气 相淀积(CVD)准备这些纳米结构，这相对其他方法展现了明显优势。 另外，CVD方法通过控制催化纳米粒子的大小，允许相当一致的一维 纳米结构的生长。例如，单壁纳米管的直径典型地相对在CVD处理中 使用的催化纳米粒子的大小成比例。将各个碳纳米管定位到特定位置 在先前已经具有挑战性，而这不利于按比例增加大量器件。公开了一维纳米结构的形成，以用于以下两种应用作为电子线 路的片上感应器和作为频移传感器。此处描述了若干实施例，以用于 在衬底上或其上方形成纳米结构的沟道，其提供具有高Q值的电感和用 于RF电路的减小的晶片大小。还描述了若干实施例，以使用纳米结构 来感测气体、辐射、磁场等。参照图l，示出为简化横截面视图，结构10的第一示范性实施例包 括在衬底12上淀积的电介质层14。衬底12可包括在半导体工业中已知 的绝大多数任何衬底，例如，玻璃、硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅、 氮化镓，以及柔性材料，例如，聚脂薄膜(Mylar)和Kapton (聚酰亚 胺薄膜)，但是对高频率应用，更优选地包括具有高电阻率的材料， 例如石英或蓝宝石。电介质层14优选地包括二氧化硅或氮化硅。光蚀 刻层16淀积在电介质层14上。参照图2和3，构图光蚀刻层16，并且以业内人员已知的方式(例如，光学光刻、电子束光刻、压印光刻)对其进行刻蚀，以形成区域18和沟道20。沟道20形成螺旋22,但是在其他实施例中，可以形成包 括环形或八角形的其他图形。区域18和沟道22包括至少0.5微米到50微米的宽度。在第一示范性实施例中，对电介质层14进行刻蚀，以露出衬底12 的表面24(图4)。在光蚀刻层16的表面26和表面24上淀积催化剂层28。 为了纳米结构的生长，用于催化剂层28的合适的催化剂材料的例子(其 可包括催化纳米粒子)包括钛、钒、铬、锰、铜、锆、铌、钼、银、 铪、钽、钨、铼、金、钌、铑、钯、锇、铱、铂、镍、铁、钴或其组 合。具体地，为了碳纳米管的生长，例子包括镍、铁、钴或其组合。 并且为了硅纳米线的生长，例子包括金或银。参照图5，以本领域的技术人员已知的方式，在表面24上的沟道20 内，生长一维纳米结构30，例如带、棒、管和线，并且更优选为碳纳 米管。例如，可通过等离子体增强化学气相淀积、高频化学气相淀积 或热气相淀积来生长一维纳米结构30。 一维纳米结构30将优选地长于1 微米，但是一般越长越好。沟道20的深度将取决于一维纳米结构30的 期望长度。尽管可通过业内已知的任何方法来生长一维纳米结构30，但是生 长碳纳米管的一种优选方式如下所述。通过在45(TC到100(TC之间，但 优选地是55(TC到85(TC之间，将结构10暴露于氢气(H2)和诸如甲烷 (CH4)之类的含碳气体，来实现化学气相淀积(CVD) 。 CVD是生 长的优先方法，因为诸如温度、气体输入和催化剂之类的变量可被控 制。碳纳米管30由此从催化剂层28生长出来，形成连通的碳纳米管30 的网络32 (即网格)。尽管只示出了一些碳纳米管30，但是本领域的 技术人员理解可生长大量的碳纳米管30。另外，碳纳米管被示出以垂 直方向生长，应当理解，它们优选地是应当更以水平位置来平放以形成网络32。碳纳米管24可以按金属或半导体形式生长。因为优选推荐高导电纳米管，所以半导体单壁纳米管可掺杂钾，例如，用以提高本 征导电性。可以用本领域技术人员已知的任何方式来生长一维纳米结构30，并且其典型地是长度为100nm到lcm,而直径为小于lnm到 100nm。一些一维纳米结构30可从沟道20延伸出去，延伸到电介质层14的 表面26上。如果一维纳米结构30可以跨越区域18接触(make contact)， 那么这将引起沟道20之间的短路。因此，在沟道20中以及在区域18上 淀积光致抗蚀剂材料34。然后将光致抗蚀剂材料34从区域18刻蚀去除， 从而暴露出覆盖在区域18上的一维纳米结构30 (图6)，然后例如使用 02等离子体刻蚀将其刻蚀去除，并且可将光致抗蚀剂材料34刻蚀去除 (图7)。参照图8，光致抗蚀剂材料36被淀积在结构10上并且被构图，以提 供开口38 (在螺旋22的每个末端)。然后，金属40被蒸发到光致抗蚀 剂材料36上和开口38内部，以和一维纳米结构30的网络32接触。金属 40可包括任何导电材料，但优选地包括金、钛、铝、铬或银。然后将 光致抗蚀剂材料36去除(包括光致抗蚀剂材料36上方和区域18上方的 金属40)，留下导电极42 (图9和10)。导电极42可通过通孔或空气桥 耦合到例如在衬底12上驻留的集成电路内的其他点。参照图ll，应当理解，可以用类似的方式制成3端口感应器或互感 器(transformer) 。 3端口感应器的本示范性实施例包括八角形感应器 41，在其末端连接有导电极42，还包括连接在感应器41的电通道的中 间的第三导电极43。使用通孔47通过一维纳米结构30上的不同层上的 导电材料45来耦合感应器41的区段。使用通孔51通过导电材料49将第 三导电极43耦合到感应器41的中间点。根据第二示范性实施例，不再如图4所示刻蚀电介质层14直到衬底12，而是在到达衬底12之前，刻蚀停止于电介质层14的表面44，从而 产生图12所示的结构10。参照图13，第三示范性实施例包括将保护层46淀积到沟道20内和 区域18 (图5)上。保护层46可包括诸如氮化硅的电介质材料。光致抗 蚀剂材料48被淀积在保护层上、被图案化并且被刻蚀，以提供一般在 沟道20的上方的区段(section) 50。通过执行干等离子刻蚀处理、湿化 学刻蚀或其组合，来刻蚀在区域18上方的保护层46和区域18上方的任 何一维纳米结构30，从而产生图14所示的结构10。去除光致抗蚀剂材 料48和留下的保护层46，从而产生图7所示的结构。替换地，参照图15，第一示范性实施例的替代方法包括将催化剂 层28淀积在沟道20的侧壁上，以沿着沟道20的方向定向地生长一维纳 米结构30。如前所述，可以对从沟道20生长出来、生长到区域18上的 任何一维纳米结构30进行刻蚀。尽管催化剂层28被示为位于每个沟道 20的末端，应当理解，也可沿着每个沟道20的长度放置催化剂层28。图16示出第四示范性实施例的侧视图，而图17示出其俯视图，其 中使用上述的材料和过程，在衬底12上形成催化剂28，并且在催化剂 28上生长出一维纳米结构30的网格或网络。对光蚀刻层16进行构图， 并且将未被构图的光蚀刻层16保护的一维纳米结构和催化剂28去除。 然后将光蚀刻层16去除，留下图18所示的螺旋形线圈22。图19示出第五示范性实施例的侧视图，而图20示出其俯视图，其 中使用上述的材料和过程，在衬底12上形成催化剂28，并且在催化剂 28上生长出多个被定向校直且平行的一维纳米结构70。在优选方法中， 被校直的一维纳米结构生长在石英衬底上，该衬底以42度角被ST切割 (ST-ciit) 45分钟。因为表面台阶有助于确定纳米结构的校直程度以及 纳米结构的密度，本领域的技术人员可以理解本技术不限于石英衬底。 替换地，可使用冲压过程将被校直的碳纳米管传递到期望的衬底上。沿着一维纳米结构长度的电导率要大于跨多个纳米管的电导率。因此，图21的区段72的电导率大于区段74的电导率。可通过构图金属 76而不是在区段74中生长平行的一维纳米结构70，来克服区段74的较 低电导率(第六示范性实施例)。在这种结构中，线圈结构的形状优 选是矩形，以使得由较高电导率材料组成的侧边(72)长于由较低电 导率材料组成的侧边(74、 76)。又一种替代方法可以是形成纳米结构的网络(网格)，并且然 后将其放置在衬底上。对光蚀刻层16进行构图，并且将未被构图的光 蚀刻层16保护的一维纳米结构和催化剂28去除。然后将光蚀刻层16去 除，留下图21所示的螺旋形线圈22。图22示出第七示范性实施例的侧视图，而图23示出其俯视图，其 中在平行一维纳米结构70上形成可选电介质层78。第二层平行一维纳 米结构80在电介质层78上或者直接在第一层平行一维纳米结构70上生长，但是其通常正交于第一层平行一维纳米结构。当使用可选电介质 层78时，然后使用金属形成通孔82，以在平行一维纳米结构70与第二 平行一维纳米结构80之间接触。替换地，通孔S2可包括以垂直于一维 纳米结构70的方向生长的一维纳米结构。当第二平行一维纳米结构直 接生长在平行一维纳米结构70上时，它们之间直接形成接触。在第一应用中，通过任何上述实施例和其它未描述的实施例所制 成的螺旋22提供了耦合在导电极42之间的感应器，以用于RF集成电路。 该感应器包括一维纳米结构30而不是传统的金属(例如铜或铝)的网 络32。在优选实现中，该感应器具有比传统金属感应器更低的阻抗， 所以具有更高的Q因子。另外，碳纳米管，作为一维纳米结构的例子， 具有不受趋肤效应影响的额外益处。在传统金属中，随着运行频率增 高，由于电流集中于金属线的最外层，所以金属的有效厚度降低。这 导致了金属的有效阻抗的增加，并因此使得Q因子劣化。然而，在碳纳米管中，电流传输已经被限制在管的最外层，并且这应当是频率无关 的。此处公开了传感器应用的五个实施例。传感器应用的第一实施例 示出在图24中，其中在催化剂28上生长任何形式(例如网格状或平行)的一维纳米结构82。如前所述，对纳米结构进行构图以形成感应器线 圈。诸如铁磁、压电、电光的感测层84或类似层淀积在一维纳米结构 22上。感测层84感测在适当场(例如磁)中的变化，而该场改变一维 纳米结构82的特性及其谐振频率。在图25中示出传感器应用的第二实施例，其中淀积在感测层84上 的金属电极86接触感测层84。在该实施例中，施加在接触电荷敏感层 的电极86之间的电势导致在该层之内的电荷的变化。这反过来影响一 维纳米结构22的谐振频率。使用线圈结构22的无源RF探测，可检测电 荷敏感层的状态的变化。接下来的三个实施例为环境传感器。当分子将其自身附于诸如碳 纳米管的纳米结构时，材料特性发生变化，例如在纳米管中流动的电 流的变化，可以用本领域的技术人员已知的方式对该变化进行测量。 尽管碳纳米管是纳米结构的优选实施例，但是其他实施例可包括具有 高长径比(长度对宽度)的所有其他纳米结构，例如，碳纤维、金属 纳米线、半导体纳米线和纳米带。另外，纳米结构可涂有物质，用于 确定特定环境因素。并且，尽管频移是用于可测量材料特性的优选实 施例，但其他实施例可包括例如电流、磁、光和机械。通过测量电流 中的这种变化，已知可对已附到碳纳米管的分子的数量以及由此可 对围绕碳纳米管的环境中的分子的浓度的相关性进行测定。已知系统 跨碳纳米管放置电极，以测量在材料特性中的这种变化。第一示范性环境传感器实施例包括如图10所示的线圈。 一维纳米 结构30暴露于环境中。图26示出第二示范性环境传感器，其包括覆盖在电介质层14上的感测层52和沟道20。感测层可包括聚合物或光学材 料，以用于感测例如气体或辐射。气体可被聚合物吸收，并可被附到 一维纳米结构30。参照图27，用作传感器的螺旋线圈22的电表示包括电容器54、电 阻器56和感应器58。衬底的阻抗和电容由电阻器62和电容器64表示。 在第一传感器实施例中，其中气体分子直接附于一维纳米结构30， 一 维纳米结构30的介电常数发生变化，这改变了电阻器56的值。在第二 传感器实施例中，其中气体分子由感测层52吸收，感测层52的介电常 数产生变化，这改变了感应器58的值。在第一和第二传感器实施例两 者中，这都使得感应器的谐振频率发生位移。可以通过改变沟道20之 间的距离、 一维纳米结构30束的厚度或沟道20的数量，对频移的灵敏 度进行调整。在第三环境传感器实施例中，如图28所示，在衬底12上形成聚合 物层66，而不是形成电介质层14。然后，可由感测层52和聚合物层66 来吸收气体分子。这产生图27所示的等效电路。电容器54代表在感应 器线圈之间的互电容，该互电容的值随着聚合物层66中的介电常数的 变化而变化。被吸收到聚合物层中的分子改变了其介电常数并因此改 变了线圈之间的电容。尽管在本发明的前述详细描述中呈现了至少一个示范性实施例， 但应当理解存在大量变化。还应当理解， 一个或多个示范性实施例仅 为例子，并非意图以任何方式限制本发明的范围、应用或结构。更确 切地，前述详细描述将为那些本领域的技术人员提供用于实现本发明 的示范性实施例的便捷的指示或说明，应当理解，在不偏离所附权利 要求所述的本发明的范围的前提下，可对在示范性实施例中描述的元 件的功能和排列进行各种变化。
权利要求
1.一种制作感应器的方法，包括提供衬底；并且在所述衬底上创建一维纳米结构的网络，当将电压施加于其间时，所述网络提供电感。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括在所述衬底上形成催化剂 材料，并且随后在所述催化剂材料上创建所述网络。
3. 如权利要求l所述的方法，还包括在所述衬底上形成电介质 材料层的区域，其限定所述区域之间的一个或多个沟道，所述网络在 所述沟道内形成。
4. 如权利要求3所述的方法，还包括在所述电介质材料上形成 催化剂材料，并且随后在所述催化剂材料上创建所述网络。
5. 如权利要求2所述的方法，其中所述一维纳米结构的一部分从所述一个或多个沟道延伸，所述方法包括在所述一个或多个沟道上构图光致抗蚀剂；刻蚀从所述一个或多个沟道延伸的所述一维纳米结构的所述部 分；并且去除所述光致抗蚀剂。
6. 如权利要求l所述的方法，还包括以下步骤 在所述网络上构图光致抗蚀剂层；刻蚀未处于所述光致抗蚀剂之下的所述网络；并且 去除所述光致抗蚀剂。
7. 如权利要求6所述方法，其中所述创建步骤包括创建多个平行的一维纳米结构。
8. 如权利要求3所述方法，还包括在所述沟道的侧壁上形成催 化剂材料。
9. 如权利要求8所述方法，其中所述创建步骤包括从所述催化剂 材料来生长多个碳纳米管。
10. 如权利要求7所述的方法，其中所述创建步骤包括创建第一 多个平行一维纳米结构，该第一多个平行一维纳米结构具有连接到第 一末端的输入端子，创建第二多个平行一维纳米结构，该第二多个平 行一维纳米结构具有连接到第一末端的端子，所述第二多个平行一维 纳米结构与所述第一多个平行一维纳米结构相平行，并且创建连接在 所述第一和第二多个平行一维纳米结构的第二末端之间的金属。
11. 如权利要求7所述的方法，其中所述创建步骤包括创建第一 多个平行一维纳米结构，该第一多个平行一维纳米结构具有耦合到第 一末端的端子，创建第二多个平行一维纳米结构，该第二多个平行一 维纳米结构具有耦合到所述第一多个的第二末端的第一末端，所述第二多个与所述第一多个的位置相互正交，并且创建第三多个平行一维纳米结构，该第三多个平行一维纳米结构具有耦合到所述第二多个的 第二末端的第一末端并且还具有耦合到第二端子的第二末端，所述第 三多个正交于所述第二多个。
12. 如权利要求l所述的方法，还包括在所述网络上形成电荷敏感层。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括在所述电荷敏感层上形成电极对，并且该对电极与所述电荷敏感层电接触。
14. 如权利要求l所述的方法，还包括在所述网络上形成层，用于 吸收气体、辐射或磁通量的其中之一。
15. 如权利要求14所述的方法，其中形成层的步骤包括在所述 衬底上形成聚合物层的区域，其限定所述区域之间的一个或多个沟道， 催化剂材料形成在所述沟道内。
16. 如权利要求l所述的方法，其中所述创建步骤包括创建具有 第一和第二连续区段的网络，所述第一区段与所述第二区段的角度大于0度小于180度。
17. —种感应器，包括 限定主体的催化剂材料；以及形成在所述主体上并具有第一和第二部分的一维纳米结构的网 络，所述网络具有电感。
18. 如权利要求17所述的感应器，其中所述一维纳米结构包括碳 纳米管。
19. 如权利要求18所述的感应器，其中所述碳纳米管包括互连的网格。
20. 如权利要求17所述的感应器，还包括形成空腔的聚合物材料， 所述催化剂材料材料和所述网络位于所述空腔中。
21. 如权利要求17所述的感应器，还包括所述网络上的聚合物层。
22. 如权利要求17所述的感应器，还包括覆盖在所述网络上的材 料，所述材料能够吸收气体分子、辐射、电场、或磁场的其中之一并 将气体分子、辐射、电场、或磁场的其中之一传递到所述网络。
23. —种感应器，包括 衬底；在所述衬底上形成的材料，所述衬底具有包括伸长主体的第一区 段以及限定电路的第二区段，所述伸长主体具有第一和第二部分；以 及形成在所述伸长主体上并且耦合到所述电路的一维纳米结构的网 络，所述网络具有谐振电感。
24. —种制作感应器的方法，包括 提供衬底；并且在所述衬底上安置一维纳米结构的网络，当将电压施加于其间时， 所述网络提供电感。
全文摘要
提供了一种用于制造感应器的方法，其包括在衬底(12)上形成催化剂材料(14)；以及在催化剂材料上创建一维纳米结构(30)的网络，当将电压施加于其间时，该网络提供电感。在以下三种应用中描述了该感应器作为用于电子线路的片上电感器、作为磁传感器以及作为环境传感器。此处描述了若干实施例，以用于在衬底上或在其上方形成纳米结构的网络，所述网络提供具有高Q值的电感和用于RF电路的减小的晶片大小。还描述了若干实施例，以使用纳米结构来感测气体、辐射、磁场等。
文档编号G06K19/06GK101326535SQ200680046047
公开日2008年12月17日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年12月6日
发明者乔治·N·玛拉卡斯, 帕普·D·马尼亚, 维达·伊尔德姆, 肖恩·G·托马斯 申请人:摩托罗拉公司