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1、10申请公布号CN102709132A43申请公布日20121003CN102709132ACN102709132A21申请号201210080490122申请日200604250500926120050425SE0501888220050826SE60/772,44920060210US200680013909420060425H01J1/304200601B82Y30/00201101H01J3/02200601H01J9/02200601D01F9/127200601B82Y10/0020110171申请人斯莫特克有限公司地址瑞典哥德堡72发明人穆罕默德沙菲奎尔卡比尔74专利代理机构中科。
2、专利商标代理有限责任公司11021代理人王波波54发明名称纳米结构在基底上的可控生长以及基于此的电子发射器件57摘要本发明提供了一种在金属基底上生长纳米结构的方法及其制造方法。根据本方法生长的纳米结构适合于制造如电子束直写机之类的电子器件或者场致发射显示器。30优先权数据62分案原申请数据51INTCL权利要求书3页说明书35页附图35页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书35页附图35页1/3页21一种纳米结构组件，包括导电基底；由所述导电基底支撑的纳米结构；以及位于所述导电基底和纳米结构之间的多个中间层，所述多个中间层包括至少一个影响纳米结构形态的层和至少一。
3、个影响导电基底和纳米结构之间界面的电学性质的层。2根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述导电基底包括金属。3根据权利要求2所述的纳米结构组件，其中所述金属是从下组中选出的钨、钼、铌、铂和钯。4根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述多个中间层包括金属层和半导体材料层。5根据权利要求4所述的纳米结构组件，其中所述半导体材料是非晶硅。6根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述纳米结构是碳纳米管。7根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述纳米结构是碳纳米纤维。8根据权利要求7所述的纳米结构组件，其中所述纳米结构具有小于2的圆锥角。9根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述纳米结构由从下组。
4、中选择的化合物制成INF、GAAS和ALGAAS。10根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述多个中间层形成欧姆接触。11根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述多个中间层形成肖特基势垒。12一种根据权利要求1所述的纳米结构组件的阵列，其中所述导电基底直接设置在硅晶片或氧化硅上。13根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中所述多个中间层的厚度在1NM到1M之间。14根据权利要求1所述的纳米结构组件，其中和纳米结构邻近的中间层是催化剂层，其中所述催化剂是从下组中选择的NI、FE、MO、NICR和PD。15一种碳纳米结构组件，包括金属层；碳纳米结构；以及位于所述金属层和碳纳米结构之间的至少一个中。
5、间层，所述至少一个中间层包括半导体材料、催化剂和来自于所述金属层的金属。16一种碳纳米结构组件，包括导电基底；导电基底上的非晶硅层；以及非晶硅层上的催化剂层，其中碳纳米结构设置在所述催化剂上。17一种碳纳米结构，包括具有少于2度圆锥角的实质上直圆柱形的碳纳米结构。18一种支撑在基底上的碳纳米结构阵列，其中所述阵列中的每个碳纳米结构包括导电基底；所述导电基底上的多个中间层；权利要求书CN102709132A2/3页3所述中间层上的催化剂层；以及所述催化剂层上的碳纳米结构，其中所述每个碳纳米结构与阵列中其他碳纳米结构隔开70NM至200NM。19根据权利要求18所述的碳纳米结构阵列，其中所述纳米结。
6、构之间以70NM至120NM的距离彼此隔开。20一种形成纳米结构的方法，包括在导电基底上沉积半导体材料层；在所述半导体层上沉积催化剂层；不首先对基底进行退火，使得基底被加热到能够形成纳米结构的温度；以及在上述温度下在所述催化剂层上生长纳米结构。21一种形成纳米结构前身的方法，包括在导电基底上沉积牺牲层；在所述牺牲层中形成多个孔隙；在所述牺牲层上以及孔隙中的基底上沉积半导体材料中间层；在所述中间层上沉积催化剂层；以及剥离所述牺牲层以在基底上留下和所述孔隙相应的中间层和催化剂层的部分。22一种电子束直写机，包括支撑部分；所述支撑部分上的绝缘层；所述绝缘层上的第三层材料，形成腔；所述绝缘层上的金属电。
7、极，位于所述腔中；在金属电极上建立的纳米结构；以及在所述第三层材料上沉积的电极层。23一种电子束直写机，包括具有底部和尖端的纳米结构，所述底部附于第一电极；设置在所述纳米结构周围的多个第二电极；以及将第一电极连接至所述多个第二电极的电路，所述电路被设置为使电压差在第一电极和所述多个第二电极之间出现；使得电子从尖端发射；以及使得尖端在空间上向所述多个第二电极的其中一个移动。24根据权利要求23所述的电子束直写机，其中所述多个第二电极在所述纳米结构周围对称设置。25根据权利要求23所述的电子束直写机，其中所述纳米结构的底部包括多个层，其中所述多个层中的至少一个层是半导体材料层，且所述多个层中的另一。
8、层是催化剂层。26一种场致发射器件，包括多个像素，其中每个像素包括导电基底；在所述导电基底上沉积的多个纳米结构，其中在所述纳米结构和导电基底之间有多个中间层，所述多个中间层包括至少一个半导体材料层；权利要求书CN102709132A3/3页4所述导电基底形成与电压源和第二电极电连通的电极；第二电极有荧光涂层；在导电基底和第二电极之间施加电压时，纳米结构向荧光涂层发射电子。权利要求书CN102709132A1/35页5纳米结构在基底上的可控生长以及基于此的电子发射器件技术领域0001本发明涉及纳米结构及其生长方法，尤其是对纳米结构例如碳纳米纤维生长的控制方法，使用此方法可以制造基于电子发射的器件。
9、，比如电子束直写机以及场致发射显示器。背景技术0002对于微型化的不懈追求使得传统的CMOS互补金属氧化物半导体器件面临由量子现象决定其特性的限制；在此情况下，难以达到理想的控制。上述问题引发了寻找替代的新材料以制造与现有CMOS器件性能相同甚至更好，而且更便于控制的器件的需求。0003迄今为止，CMOS器件的微型化由通常称为摩尔定律的趋势决定。在摩尔定律中每30个月电子元件就可以缩小一半的尺寸。国际半导体技术蓝图ITRS已根据上述模型建立起计划增长曲线。伴随该进步率而来的对速度、高集成度、高性能以及低生产成本的要求是很严苛的。所以与用来制造器件的传统材料的物理、电学特性相关的一些问题逐步突显。
10、。因此有必要寻找替代的解决方案，以解决将在近期阻碍硅科技发展的上述问题。这意味着发明新的材料及生产解决方案对于维持上述计划增长率非常重要。0004然而新材料的选择由许多因素限制，比如和现有生产方式的相容性、大规模生产的再现性和成本。现有科技材料面临的一些问题如下0005泄漏电流所导致的高能耗目前，通过栅氧化层非常薄的高泄漏电流导致器件性能退化。这又增加了断开状态时的泄漏电流，而且还增加了能耗，进而缩短了电池组寿命。0006铜制互连/互联线的不良性能由于其低电阻率，一般采用铜来制作用于互相连接不同元件的互连线和与外界连接的器件和电路。由于元件尺寸惊人的减小，基于铜材料的互连线正在载流能力和电线寿。
11、命方面表现出不良性能。这进而缩短了处理器的寿命。目前还没有解决方案可以使互连线有效地连接电路中的设备与电路外界，以及时满足在接下来的几年中对电流密度的项目需求。0007对高纵横比结构的需求目前DRAM动态随机存取存储器叠层电容器中用于互联的接触孔的纵横比已经达到121，而预计到2016年将增长到231。制造如此高纵横比的接触孔将会引起一定的技术难题，最大的问题在于对这样高纵横比的零件进行无气泡/无孔洞金属填充亦即通孔是非常困难的。0008高的热耗散现代微处理器不定量地产生热量。热耗散随着计算机处理器中的电晶体数目和时钟频率的提高而不断提高。尤其是，比如当前和将来器件要求尺寸的铜制互连线产生大量。
12、热量导致其电阻率升高，因此导致载流能力下降。然而还没有实际解决办法可以在最终不超过处理机功率预算的条件下将这类系统冷却。0009简而言之，由于以上这些原因，有必要寻找替代材料和处理工艺。0010碳纳米结构包括碳纳米管CNTS和纳米纤维，被认为是一些在纳米电子技术、纳米机电系统NEMS、传感器、接触电极、纳米光子技术和纳米生物技术的未来发展中最有潜说明书CN102709132A2/35页6力的材料。这主要是因为它们是一维的性质及其独特的电学、光学、力学性质。与球壳状碳分子FULLERENE比如C60或者C70利用附加一些特殊官能度而增强一些特性相反，CNTS是通过设计和制造不同直径、间距及长度的。
13、细管来获得几乎无限的变化。此外，当球壳状碳分子为制造多种具有不同特殊性能的离散分子提供了可能性，碳纳米管则为制造出拥有优良导电、导热性能及强度的分子量级的元件提供了可能。见RWASER编写，WILEYVCH出版社2003年出版的NANOELECTRONICSANDINFORMATIONTECHNOLOGY纳米电子技术和信息技术一书第十九章中例子。0011碳纳米管和碳纳米纤维被用于有源器件及互连技术上，主要是因为它们的电学和热学特性以及它们的强度。比如，碳纳米管快速的电子迁移率79000CM2/VS超过了MOSFET器件见例如DURKOP，T等，NANOLETTERS，41，35，2004的技术。
14、发展水平。此外，和铜制互连线载流能力106A/CM2相比，碳纳米管的极高的载流能力1010A/CM2见WEI，BQ等，APPLPHYSLETT，798，1172，2001意味着碳纳米管可能提供了ITRS计划中严重互连问题的解决方案。0012纳米管/纳米纤维的各向异性的热导性能6000W/KM见HOENLIEN，W等，IEEETRANSCOMPONANDPACKAGINGTECH，274，629，2004也非常有可能解决热耗散问题。0013最后，每个纳米管的高的E系数表示材料的强度高达1TPA使得它们成为了复合材料和纳米机电器件的良好选择。0014大体而言，制造和现有互补金属氧化物半导体CMOS。
15、制造工艺相容的电子器件是很有必要的。在工业过程中开发CNTS的一个前提条件是必须要能够以高的再现率控制大规模工业生产。由于其高纯度和高产量，化学气相沉积法CVD是一个非常通用和便利的生长方法，可以在确切位置生长纳米管且控制其长度、直径、形状和晶向。0015因此对于许多电子、纳米机电系统和互连应用来说，将碳纳米结构集成到现有的基于CMOS的电子工业生产程序中的可能性被认为是一个开拓性的技术突破。不过，在上述集成发生前，还有许多制造与CMOS相容的器件的过程中固有的工程和材料上的问题待解决。这些问题的解决方案被期待已久了。0016例如，有一些涉及纳米结构生长的问题。尽管已经有许多用来生产基于碳的纳。
16、米结构的工艺被发展和实践展示，所有的这些工艺都有和大规模生产以及集成到现有工业生产程序中有关的缺点。明显的缺点是A控制具有半导体或金属性质的可预计的形态，B独立结构生长的精确定位，和C所生长的纳米结构和基底之间界面的可预计电学性质。目前没有一个解决方案可以解决所有的前述问题。最广为人知的合成碳纳米结构的方法包括电弧放电见IIJIMA，S，NATURE，354，56，1991；和KRATSCHMER，W；LAMB，LD；FOSTIROPOULOS，K；HUFFMAN，DR，NATURE，347，354，1990、激光汽化见KROTO，HW；HEATH，JR；OBRIEN，SC；CURL，RF；S。
17、MALLEY，RENATURE，318，162，1985、催化剂触媒化学气相沉积法CCVD，也被称为CVD见CASSELL，AM；RAYMAKERS，JA；JING，K；HONGJIE，D，JPHYSCHEMB，103，31，1999、电浆辅助催化剂式化学气相沉积法CPECVDCASSELL，AM；QI，Y；CRUDEN，BA；JUN，L；SARRAZIN，PC；HOUTEE，N；JIE，H；MEYYAPPAN，M，NANOTECHNOLOGY，151，9，2004；和MEYYAPPAN，M；DELZEIT，L；CASSELL，A；HASH，D，PLASMASOURCES，SCIENCEAND。
18、TECHNOLOGY，122，205，2003。由于其高纯度和高产量，化学气相沉积法CVD是一个非常通用和便利的生长方法，并且说明书CN102709132A3/35页7事实上在所有已知工艺中仅有CCVD方法显示出了与CMOS的相容性见TSENG等TSENG，YC；XUAN，P；JAVEY，A；MALLOY，R；WANG，Q；BOKOR，J；DAI，HNANOLETT41，123127，2004，其中在N沟道半导体NMOS电路中进行纳米管器件的单片集成。0017还存在一些涉及控制所生长材料特性的特殊问题。虽然有许多不同的生长碳纳米结构的生长方法，对纳米结构与基底之间的界面性质、纳米结构主体、以及。
19、纳米结构尖端还没有能够通过使用单个生长方法而得到很好的控制。0018CVD通常使用金属催化剂以协助碳纳米结构生长。上述催化剂的主要作用是打断碳载体物种的化学键、吸收它表面的碳以及通过扩散穿过或围绕界面的碳达到重组石墨面见例如KIM，MS；RODRIGUEZ，NM；BAKER，RTK，JOURNALOFCATALYSIS，131，1，60，1991；和MELECHKO，AV；MERKULOV，VL；MCKNIGHT，TE；GUILLORN，MA；KLEIN，KL；LOWNDES，DH；SIMPSON，ML，JAPPHYS，974，41301，2005。0019然而，纳米管的生长一般是在硅或者其他。
20、半导体基底上进行的。从在导电金属基底或金属衬底上的这些金属催化剂上生长的情况几乎没有。这是因为人们发现很难在生长的纳米结构和具有优质生长纳米结构的导电基底就其直径、长度和形态的控制而言之间很难形成良好的接触。尽管如此，为了制造出与CMOS相容的结构，需要使用导电基底。特别地，这是由于金属基底或基极层用作电连接到纳米结构的底电极。0020然而，在CMOS相容的导电基底上生长纳米结构被证实绝不是无价值的，主要由于不同的金属要求不同的条件，而且也由于难以在可预计控制生长结构的直径、长度和形态，和在可预计界面在纳米结构和基底之间性质的情况下，对生长在这样基底上的纳米结构的性质进行控制。0021在LIU。
21、等人的公开号为2004/0101468的美国发明专利申请中描述了一种在金属衬底上生产碳纳米管阵列的方法，其中在金属衬底层和催化剂层之间含有硅缓冲层。根据LIU所描述的，缓冲层可防止催化剂扩散到基底中，且可以防止金属衬底和碳源气体反应以生成不希望产生的无定型碳而不是碳纳米结构。在LIU的发明专利中，生产过程很不便利地包含基底在空气中以300至400下经过10小时的退火，在生成纳米结构之前，经过将催化剂层氧化以形成催化剂颗粒。然而使用LIU的方法不可以控制纳米结构的成分或性质，且生成的纳米管是弯曲且紊乱的。0022另外一个目标是制造基于碳的纳米机电NEMS结构。DEQUESNES等人DEQUESN。
22、ES，M；ROTKIN，SV；ALURU，NR，NANOTECHNOLOGY，131，120，2002和KINARET等人KINARET，JM；NORD，T；VIEFERS，S，APPLIEDPHYSICSLETTERS，828，1287，2003分别对基于碳的两端、三端NEMSCNEMS结构进行了大范围的理论分析。KINARET等人对三端NEMS器件建立的模型含有放置在叠层硅TERRACEDSI基底上并和固定源极被他们称为纳米继电器NANORELAY连接的导电碳纳米管CNT。近来LEE等人LEE，SWL等，NANOLETTERS，410，2027，2004也用实验说明了这类三端纳米继电器结构。
23、的特性。然而，LEE等人用来制造这类器件的试验方法很耗时，而且该工艺非常依赖于声波处理过的CNF溶液，而通常不能控制作为器件功能部分的CNF的长度和直径。因此，发展可以制造具有可预计性能的这类结构的工艺很有必要。0023因此，在金属基底上生长碳纳米结构而且纳米结构的不同性质都能被控制的方法是很有必要的。说明书CN102709132A4/35页80024此处讨论了本发明的背景技术是为了便于解释本专利的上下文。而不是承认任何提及的一种材料在本权利要求的优先权日前已经被公开、已知、或属于公知技术的一部分。0025在整个说明书和权利要求中，专有名词“包含”、“含”COMPRISE或者其变体如“包含有”。
24、、“含有”COMPRISING，COMPRISES不排除有其他附加部分、组成部分、整体、或步骤。发明内容0026一种纳米结构组合，含有导电基底、被导电基底支撑的纳米结构、所述导电基底和纳米结构之间的多个中间层，所述多个中间层含有至少一个可以影响纳米结构形态的层以及至少一个可以影响导电基底和纳米结构之间界面的电学性质的层。0027一种在催化剂和基底之间的多层界面，含有至少一个控制形态的层，和至少一个控制纳米结构和基极层之间的电子界面的层。在所述多层界面中，至少一个层是半导体材料例如硅或锗为宜。0028一种被支撑于金属基底上的纳米结构，其中，金属和介于纳米结构和基底间的半导体层互相扩散。0029本。
25、发明还构思了在高温下生成纳米结构而不需要对纳米结构生长的催化剂层进行退火。温度在750以下为宜。0030本发明还构思生成不是碳而是其他固态材料比如GAN，GAAS，INP，INGAN，ZNO，SI形成的纳米结构。总的来说，半导体纳米结构是基于元素周期表中IIVI族或IHV族元素的化合。制造这类纳米结构的适当条件将在此处进一步描述。0031本发明还构思将聚合物层分层而提供单层以制作独立纤维的分层剥离方法。0032根据本发明形成的纳米结构可以用作互连线、载流导线、各向异性热导电介质，可以被集成到元件中有源/无源器件比如二极管、晶体管、电容器、电感器、场致发射器件、光器件、X射线发射器件、传感器和电。
26、化学探针等等。0033通过在上述催化剂和基底之间含有一层材料，可以影响最终催化剂颗粒的构造组织，从而影响生长的纳米结构的生长机制和形态。0034纳米结构组合的前身PRECURSOR包括导电基底、催化剂层、以及多个在所述导电基底和催化剂层之间的中间层，所述中间层含有至少一个影响生长在催化剂层上的纳米结构的形态的层，和至少一个影响纳米结构和支撑层之间的界面的电学性质的层。0035一种碳纳米结构组合含有金属层、碳纳米结构、在金属层和碳纳米结构之间的至少一个中间层，所述至少有一个的中间层中含有半导体材料、催化剂和来自金属层的金属。0036一种碳纳米结构组合含有导电基底、在导电基底上的无定形硅层、在无定。
27、形硅层上的催化剂层，其中碳纳米结构在催化剂层上。0037一种碳纳米结构含有几乎直线的通常是圆柱体的碳纳米结构，它有少于2的圆锥角。0038一种被支撑在基底上的碳纳米结构阵列，其中阵列中的每个碳纳米结构含有导电基底、导电基底上的多个中间层、中间层上的催化剂层和催化剂层上的碳纳米结构，其中上述的每个碳纳米结构都和阵列中其他碳纳米结构分隔70到200NM的距离。0039一种生成纳米结构的方法含有在导电基底上沉积一层半导体材料，在半导体层说明书CN102709132A5/35页9上沉积一层催化剂层；不需先将基底退火，使得基底被加热到纳米结构可以生成的温度，并在该温度下在催化剂层上生长纳米结构。0040。
28、一种生成纳米结构前身的方法含有在导电基底上沉积一层牺牲层SACRIFICIALLAYER，在牺牲层上生成多个孔，在牺牲层上和孔中部分的基底层上沉积半导体材料中间层，在中间层上沉积上催化剂层，将牺牲层剥离以留下与基底上的多个孔对应的中间层和催化剂层部分。0041一种电子束直写机含有支撑部分、支撑部分上的绝缘层，在绝缘层上排列以形成腔的第三层材料、在绝缘层上的腔中的金属电极、设置在基于金属电极的纳米结构、以及在第三层的材料上沉积的电极层。0042一种电子束直写机，含有含有尖端和底部的纳米结构其中底部附于第一个电极上、在纳米结构周围排布的多个第二电极、以及将第一电极和多个第二电极连接起来的电路，该电。
29、路设置使第一电极和第二电极之间的电压差增加，使得电子从尖端发射，使得尖端在空间上向多个第二电极的其中一个移动。0043一种场致发射器件含有多个像素PIXEL，其中每个像素含有导电基底、沉积在导电基底上的多个纳米结构，其中在纳米结构和导电基底之间的多个中间层包括至少一个半导体材料层，其中导电基底形成了和电压源以及第二电极进行电通信的电极，其中第二电极上有磷沉积层，其中当在导电基底和第二电极上施加电压时，纳米结构即向磷涂层发射电子。0044附图简略说明0045图1是碳纳米纤维的示意图；0046图2是根据本发明的全过程的流程图；0047图3A和3B中是本发明的不同配置的示意图；0048图4是在金属层。
30、和纳米结构之间的多层叠层结构的示意图，多层叠层结构带有具备不同功能的各种节片SEGMENT；0049图5是在生产单个纳米结构过程中的步骤的示意图；0050图6是在纳米结构主体和金属基底之间仅有一个层的单个纳米结构示意图；0051图7是单个纳米结构的示意图；0052图8是具有多层叠层的单个纳米结构的示意图；0053图9是纳米结构的实施例的示意图；0054图10是制造纳米结构过程的中间阶段的示意图；0055图11是纳米结构生长的例子的示意图；0056图12是控制单个纳米结构性质的多个层的示意图；0057图13是作为电路的一部分的单个纳米结构的示意图；0058图14是配置为使用碳纳米结构的电路示意图。
31、；0059图15是作为电子器件一部分的单个纳米结构的示意图；0060图16是作为电子/光学器件的单个纳米结构的示意图；0061图17是作为肖特基势垒SCHOTTKYBARRIER一部分的单个纳米结构；0062图18是作为肖特基势垒一部分的单个纳米结构的示意图；0063图19是图18中结构的界面的能级图；说明书CN102709132A6/35页100064图20A20C是根据本发明使用纳米结构的场致发射器件的不同视图；0065图21A21C是根据本发明使用纳米结构的电子束发射极的不同实施例的示意图；0066图22A22D是根据本发明使用纳米结构的电子束直写机中电极排列的不同实施例的示意图；006。
32、7图23是配置为在基底上写入的电子束直写机的示意图；0068图24中是电子束直写机的水平配置的示意图；0069图25中是使用纳米结构的示例性电子束直写机的示意图；0070图26A是在钨W衬底上生长的碳纳米纤维的透射电子显微镜TEM显微图；0071图26B中，A在W金属衬底上生长的纳米纤维的TEM显微图；B在纤维尖端催化剂区域取的相应EDS谱；和C在纤维的底部衬底区域取的EDS谱；0072图27A和B中是在支撑部分上的导电衬底上的层的示意图，其中以SI作为中间层图27A，而催化剂NI则直接沉积在金属衬底上图27B。0073图28中是生长序列后的金属衬底的SEM显微图。只有W和MO两种金属衬底协助。
33、明显的CNT生长。在这组实验中NI被直接蒸发到金属衬底上。所有情况下都使用标准生长条件VB400V，C2H2NH315，时间15分钟，T700。除了图27C之外，所有图中的比例尺都是1M；0074图29中是在没有无定形硅层的MO和W衬底的情况下，单个纳米结构的密度M2；0075图30是在15分钟的CVD生长后，样品的SEM显微图。硅的存在协助了纳米管在一些金属衬底上的生长，这在之前的实验中是不可能发生的。所有情况下都使用了标准的生长条件VB400V，C2H2NH315，TIME15分钟，T700。所有图中的比例尺都是1M；0076图31中是四个最有前景的金属衬底样品上颗粒大小的分布示意图A铂；。
34、B钯；C钨；D钼。经过平均图29中每个金属衬底的三个不同的图像，纳米管的直径分布被画出；0077图32是分别生长在A铂；B钯；C钨；D钼上的CNT的俯视SEM显微图。中间的插图E是在粗管之间生长的非常细的管10NM的侧视图。所有的比例尺是100NM；0078图33是CNT的大小分布图A带有无定形硅层的金属衬底；正方形铂390计数M2，圆形钯226计数M2，朝上的三角钨212计数M2，朝下的三角钼89计数M2；B没有无定形硅层的金属衬底；正方形钼5计数M2，圆形钨73计数M2；0079图34是电气测量的等效电路图A金属金属结构；B金属CNT结构；CCNTCNT结构；0080图35是A含有无定形硅。
35、层的样品上CNT金属结构中金属衬底的伏安IV特性图；插图是对不含硅层的样品进行同样测量的结果；B含有无定形硅层的样品的电导率偏差以LOGLOG比例作图。直虚线代表了不同金属衬底的金属金属结构的电导率。如果电导率的值高于虚线部分则电流由表面泄漏占优势，而如果是在虚线以下则视为接触不良。圆形金属金属；正方形CNTCNT结构；三角形CNT金属结构；说明书CN102709132A107/35页110081图36是在钨W金属衬底上生长的纤维的SEM显微图；A从100NM的点状结构以500NM为管脚间距生长出来的纤维结构。所有的催化剂点状结构成核，以形成一根以上纤维。插图中显示在加热后催化剂没有破裂。B当。
36、催化剂NI被直接沉积到W上的情况下，经过生长过程之后的结构。未发现生长现象；C在预制的50NM点状结构上生长的1M管脚间距的纤维。多数的点状结构成核，以生长出单个的纤维；D从50NM预制催化剂点状结构上生长的500NM管脚间距的单根纤维；0082图37是MO金属衬底上生长的纤维的SEM显微图。A从NI/ASI催化剂层薄膜上生长出来的纤维；B从2M催化剂条上生长的纤维。插图取自催化剂条中部；0083图38是制作过程中不同阶段的依序示意图A在光刻LITHOGRAPHY和使用1200CCM2剂量的金属沉积后；B在生长CNF前的退火过程后；CNF在700的温度下生长了20分钟从60倾斜的基底上后，点状。
37、结构的高分辨率图像见插图C；而在没有使用中间无定形硅层的CNF生长过程中，导致CNF不生长图D；0084图39是在光刻过程后的直径大小随点状结构剂量的变化。所测量数值的线性拟合曲线表示为一条直线；0085图40是分别在三种不同金属衬底上，在800CCM2剂量量级下生长出来的CNF的SEM显微图。柱分别对应1M和500NM的管脚间距。显微图是取自60倾斜的基底。所有的比例尺都是1M。0086图41是分别在三种不同金属衬底上，在1200CCM2剂量量级下生长出来的CNF的SEM显微图。柱分别对应1M和500NM管脚间距。显微图是取自60倾斜的基底。所有的比例尺都是1M。0087图42是生长的CNF。
38、的尖端直径大小随催化剂直径大小的变化图。误差杆ERRORBAR表明与平均值的标准差STANDARDDEVIATION。W基底的该平均值的趋势由虚点划线表示。0088图43是不同金属衬底上平均长度分布随催化剂直径变化的曲线。误差杆代表了相应的标准差；0089图44中，管脚间距导致对CNF高密度生长的限制A在退火步骤后无明显的催化剂团簇堆集的情况出现俯视图；BCNF像森林一样的生长类似于催化剂膜位于60倾斜的基底上的生长。具体实施方式0090概论0091本发明涉及在导电基底上制造单个的或阵列的纳米结构的过程。特别是，本发明的过程中可以选择在基底和纳米结构底部之间的一种或多种材料序列，来控制纳米结构。
39、和基底之间的界面以及纳米结构主体的许多不同性质，还可以控制纳米结构尖端的成分。纳米结构最好生长成垂直或几乎和基底垂直的柱状。不过，这并不排除从基底上以其他角度生长纳米结构的可能性，比如在紧贴基底即，和基底平行，或者以非90的倾斜角生长。0092因此，本专利涉及一种利用现有CMOS技术生长/沉积纳米结构的方法；一种在CMOS相容的基底、玻璃基底以及挠性聚合体基底被用于使用薄膜技术的领域上生长纳米结构的方法；一种控制化学互相作用进而控制纳米结构的最终化学成分的方法；一种利说明书CN102709132A118/35页12用在基底和催化剂层之间设置含有至少一个的中间层的多层材料叠层以控制化学反应的方法。
40、，其中中间层和催化剂层以及导电基底层的材料都不同。0093因此本发明提供了一个将纳米结构集成入CMOS技术以及在比如集成电路中达到缩小尺寸、提高元件密度和增加新的功能的方法。0094在不同金属衬底金属基底上生长纳米结构的能力之所以重要，还因为一些其他的原因。包括，对金属的确定是可以控制纳米结构生长参数比如高度、直径、密度等等的附加参数，而且由于可以利用不同的金属的功函数来控制金属衬底和纳米结构之间肖特基势垒的高度，进而控制器件的功能。0095利用控制对叠层材料或者多种材料序列的选择，叠层中的多个层可以用来控制所生长/沉积的纳米结构的性质。0096特别是，通过改变材料和多种材料序列，可以控制如下。
41、性质可通过控制使得纳米结构和基底的界面有一些性质，包括但不仅限于欧姆势垒OHMICBARRIERS、肖特基接触SCHOTTKYCONTACTS或者是可控的一个或多个隧道结TUNNELINGBARRIER；纳米结构的主体；纳米结构尖端的化学成分。0097通过控制这三个部分上述的界面、主体和尖端的性质，可以制造在不同应用中使用的的不同结构、元件和器件。通过控制这三个部分的性质以及不同的结构、元件和器件，可以得到不同的功能。比如，可以将纳米结构的尖端设计得具有特定的化学特性或组分。这样的设计使纳米结构的尖端具有不能的功能。0098纳米结构0099本发明的方法中生成的纳米结构以用碳制作的为宜。不过其他。
42、化学成分也和本发明中的方法一致，并且将在此处进一步讨论。0100依据这些专有名词在本技术领域所被解读的意义，此处纳米结构指的是包括碳纳米管、一般的纳米管、碳纳米结构、其他相关的结构比如纳米纤维、纳米绳、纳米线。0101“碳纳米管CNT”指的是中空的分子结构，主要含有在边缘融合的EDGEFUSED六元环形成的连续网状结构中的共价键连接的SP2杂化碳原子，且纳米管的直径在约05到50NM之间。通常纳米管含有半球形的含有融合的5元或6元环的碳原子的碳盖，盖在一头或两头的末端。尽管本发明中的纳米管不需要被盖住。碳纳米管在长度上可能从数纳米到数十纳米或者数百微米到几厘米。0102CNT的典型结构类似于一。
43、张自包裹而形成封闭表面而无悬空键的石墨碳。因此，CNT通常含有6元碳环组成的闭合的网络，在它们的边缘融合。多数的CNT具有类似于石墨碳在向自身回卷为管状之前经过轻微的修剪的所引起的手赵称性CHIRALITY。本发明可以形成任何手赵称性的CNT。然而，与本发明一致的是，在需要缓解应力或引入折裂的地方，碳纳米管也可在6元环之间含有一些融合的5元环就例如在球壳状碳分子中发现的一样。至少部分的根据其手赵称性，碳纳米管具有从金属性的到半导体性之间的电学性质。0103通过对基底和纳米结构底部之间材料或者多种材料序列的适当选择，可以调整纳米结构的表面性质。这类纳米结构包括但不仅限于纳米管、单壁或多壁纳米纤维。
44、、纳米线。这类调整源于，比如，在基底和纳米结构之间设置的催化剂层的构造组织选择。0104本发明方法制造的碳纳米管可以是具有从单层碳原子比如单层石墨碳生成的说明书CN102709132A129/35页13圆柱形外观的单壁类碳纳米管SWCNT，也可以是具有两个或更多个单层的同心外壳的多壁碳纳米管MWCNT。MWCNT可能由同心圆柱的SWCNT或截头圆锥形的单壁结构叠层组成。0105碳纳米管通常不是中空的，而是具有“鱼脊型”或“竹型”的结构其中离散链接的碳一节接一节融合在一起。通常的直径在5NM到100NM之间。通常在此类纳米纤维的尖端可以找到含有催化剂的圆锥链接。碳纳米纤维因此不是晶体状的，而且具。
45、有和碳纳米管不同的电导率。由于碳纳米纤维可以承受在10A/CM2左右的电淋度，在电路中它们可以作非常有效的互连线。因此碳纳米纤维比中空的纳米管具有更高的原子密度由单位体积纤维中的碳原子个数表示。0106本发明方法制造的碳纳米纤维还可以近乎直线的，含有小于2的圆锥角，见图1，其中圆锥角定义假定纳米结构的底部比尖端宽。由于当很小的时候有TAN，圆锥角WBWT/2L，WB和WT分别是纳米结构底部和尖端的宽度，L是沿轴线测量得到的纳米结构的长度。0107碳纳米绳含有在20到200NM之间的直径，因此一般比碳纳米管的直径大。在某种意义上，类似于几束纤维捆成肉眼可见的绳子的方式，碳纳米绳通常是由几个纳米管。
46、缠成的。一根纳米绳中的不同纳米管可以是互相缠绕的在一起或者是几乎彼此平行排列的；单个的纳米管主要由范德华力VANDERWAALSFORCES而结合。这种力，尽管比原子对之间的共价键弱，当总计所有相邻纳米管的原子对之后还是很强的。0108界面0109本发明中，通过对材料和多种材料序列的适当选择，纳米结构底部和基底之间的界面可以被调整而具有多种不同电学性质。比如，它可以形成欧姆接触，肖特基势位垒，或者可控的隧道结隧穿结。0110欧姆接触是低电阻的金属半导体的接触，电阻独立于施加电压因此，可以用固定电阻表示。在欧姆接触中传输的电流和在该接触两端所施加的电压成正比，和电阻线比如金属的情况一样。为了形成。
47、欧姆接触，需要选择金属和半导体使得界面处没有势垒或者势垒很薄使得电荷载体可以很容易的穿过。0111肖特基势垒是半导体金属界面，其中金属半导体的接触形成势垒。0112隧道结势垒是电荷载体比如电子或空穴可以隧穿的势垒。0113图2中的流程图概括了按照本发明在基底上制造纳米结构的过程。首先，在步骤10，选择叠层材料。然后，在步骤20，根据选择材料制造叠层，比如通过沉积、溅射、或者汽化到基底上。之后，在步骤30，在叠层上生长纳米结构，例如，在生长/沉积腔中。最后，在步骤40，通过一个或更多的附加制造工艺，将结构集成到器件中。0114化学气相沉积CVD是本发明中生长纳米结构的首选方法。不过，有几种不同的。
48、CVD方法可供选择，比如，热CVD，PECVD，RPECVD，MOCVD有机金属化学气相沉积法METTALLOORGANICCVD等等。本技术领域的人员将会理解，其他种类的CVD也可应用于本发明，且本发明的实施也不仅限于前面提及的那些方法。0115本发明中使用的基底是导电基底为宜。因此，以金属或者金属合金的基底为宜。0116通过本发明的方法，步骤10可影响生长的纳米结构的性质。特别地，纳米结构的本质和性质由基底和纳米结构之间多个层的本质和互相扩散区域而决定。允许发生的互相扩散可以控制纳米结构的直径和形态、基底单位面积上生长的纳米管数目、纳米结构的密说明书CN102709132A1310/35页。
49、14度和界面的电学性质。另一方面，使用妨碍基底和碳纳米结构之间互相扩散的材料，可以控制该材料的两面与界面材料发生化学反应，以及控制界面的电学性质。0117在希望在一片基底上生长许多比如数百个或者数千个纳米结构阵列的情况下，叠层中的多层材料可以按照连续薄膜来沉积。也可以使用有图膜来控制除特定区域外的特性，以制作单个器件。根据其下面基底的不同，所沉积薄膜的厚度可从05NM到超过100NM，比如，多达150NM、200NM或甚至达到500NM。不过，厚度在1到10NM之间为宜，而在5到50NM之间更好。0118本发明中的纳米结构也可以单个的生长而非以密“林”的方式生长。比如，这类纳米结构可以是离散的碳纤维。这是在比如由光刻决定催化剂层和大小的情况下发生的。对于使用了连续薄膜以大于100NMX100NM的条形和正方形的形式存在的情况，可能产生更密集组装的结构以两个相邻纳米结构之间有约15NM间距为宜。在此种连续薄膜的结构中，组装密度和生成的纳米结构直径可以通过支撑层的选择来控制。0119特别是，纳米结构的主体可以设计为含有下列特征的结构中空而且具有电学性质比如半导体性或金属性；非中空而且具有不同的电学性质主要是金属性；中空而且具有不同的力学性质；非中空而且具有不同的力学性质。012。