一種納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及使用穿孔圖案掩模以納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法。本發(fā)明包括（1）通過(guò)在接地反應(yīng)器中將具有寬度（w）的穿孔圖案的掩模設(shè)置在將要刻圖的襯底之上的一定距離（d）處，且在所述襯底上施加電壓以形成電動(dòng)聚焦透鏡的步驟；和（2）將帶電納米粒子引入，并且引導(dǎo)所述帶電納米粒子通過(guò)所述穿孔圖案到達(dá)襯底，使得所述帶電納米粒子以三維形狀聚焦和吸附到所述襯底上的步驟。根據(jù)本發(fā)明，可以高精度和高效率制造具有不同形狀的三維結(jié)構(gòu)，且不會(huì)產(chǎn)生噪聲圖。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過(guò)使用具有穿孔圖案(pattern of perforat1ns)的掩模聚焦刻圖(focused patterning)三維結(jié)構(gòu)的方法,該方法不會(huì)產(chǎn)生噪聲圖案，具有高精度和高效率。
【背景技術(shù)】
[0002]在所需位置上，通過(guò)可選擇地控制帶電粒子制造微米或納米尺寸的三維結(jié)構(gòu)的刻圖技術(shù)在研發(fā)具有新的物理和化學(xué)特征的材料上起著重要作用。
[0003]特別地，認(rèn)為通過(guò)提高聚焦效應(yīng)制造三維納米結(jié)構(gòu)將在制造未來(lái)的光學(xué)設(shè)備、電學(xué)設(shè)備或磁學(xué)設(shè)備方面有用武之地。
[0004]為了采用帶電粒子刻圖，在初期，刻圖即帶電粒子的位置控制和附著是通過(guò)在導(dǎo)電或絕緣支撐物上形成介電薄膜，并通過(guò)如電子束、離子束聚焦(SEM或FIB)、原子力顯微鏡(AFM)或微接觸印刷等處理過(guò)程在介電薄膜上傳遞電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0005]自2003年以來(lái)公布的研究結(jié)果，公開(kāi)了一種用于在所需圖案位置上對(duì)帶電粒子的電聚焦沉積的方法，其包括以下步驟:在支撐物上形成光敏電阻器；刻圖形成的光敏電阻器；以及通過(guò)使用電場(chǎng)形成和離子電荷植入在光敏電阻器表面植入帶電粒子且控制光敏電阻器表面的電荷。
[0006]然而，在上述支撐物上形成光敏電阻的例子中，存在以下不便之處:光敏電阻器不能重復(fù)使用；光敏電阻器刻圖需要執(zhí)行多次才能形成三維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。進(jìn)一步地，由于很難控制表面離子電荷，所以不適合作為納米尺寸或原子水平刻圖的未來(lái)技術(shù)。
[0007]另一方面，在真空沉積的情況下，可以利用具有穿孔圖案的金屬掩模。在這種情況下，存在以下幾個(gè)問(wèn)題:制造納米尺寸的圖案存在困難；當(dāng)長(zhǎng)寬比較大時(shí)，由掩模沾污導(dǎo)致的材料耗損較大。進(jìn)一步地，電子束光刻(electron beam photolithography, EPL)雖然可以制造納米尺寸的圖案，但由于掩模會(huì)吸附(沾污)材料，因此圖案尺寸可能不規(guī)則的減小。
[0008]因此，在登記號(hào)為10-0907787的韓國(guó)專(zhuān)利中，本發(fā)明人提出了一種用于帶電粒子的聚焦刻圖的方法，該方法包括以下步驟:將具有穿孔圖案的掩模設(shè)置在襯底上，然后引導(dǎo)帶電粒子經(jīng)過(guò)穿孔到達(dá)襯底，再將帶電粒子聚焦沉積到襯底上(如圖1所示)。參照?qǐng)D1，通過(guò)在接地反應(yīng)器(金屬室)(30)中的兩個(gè)電極層(5、6)之間施加電壓，可以形成等勢(shì)線(9)和電場(chǎng)線(10)。通過(guò)電場(chǎng)力的作用，帶電粒子(I)沿著電場(chǎng)線(10)移動(dòng)，然后遷移到襯底(3 )上。通過(guò)電動(dòng)透鏡將正通過(guò)絕緣板或絕緣薄膜(2 )的帶電粒子(I)聚焦，以形成襯底(3 )上的圖案結(jié)構(gòu)(4)。然而，通過(guò)這種方法僅能形成二維圖案。
[0009]這樣，本發(fā)明人進(jìn)一步研究出更為有效的方法以制造具有三維形狀的納米粒子組裝結(jié)構(gòu)。
[0010][現(xiàn)有技術(shù)文件]
[0011][專(zhuān)利文件]
[0012](專(zhuān)利文件I)韓國(guó)專(zhuān)利登記號(hào)10-0907787
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種聚焦刻圖納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的方法，該方法不會(huì)產(chǎn)生噪聲圖，且具有高精度和高效率。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:
[0015](i)在接地反應(yīng)器中，將具有穿孔圖案的掩模設(shè)置在將要刻圖的襯底之上的一定距離處，該穿孔圖案與預(yù)定圖案對(duì)應(yīng)；然后在襯底上施加電壓，以形成電動(dòng)聚焦透鏡；
[0016](ii)將帶電納米粒子引入反應(yīng)器中，并且引導(dǎo)帶電納米粒子通過(guò)穿孔圖案到達(dá)襯底，使得帶電納米粒子以三維形狀選擇地吸附到襯底上。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述方法還包括通過(guò)引入帶電氣體離子在步驟
(ii)中的掩模表面集聚離子層的步驟；所述帶電氣體離子通過(guò)與帶電納米粒子相同的極性充電。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在集聚離子的步驟中，將具有與帶電納米粒子相反極性的，范圍為0.0l-1OkV的電壓施加到襯底上；在步驟(ii)的沉積帶電納米粒子的步驟中，將具有與帶電納米粒子相反極性的，范圍為0.0l-1OkV的電壓施加到襯底上。
[0019]在本發(fā)明的方法中，掩模的穿孔寬度(W)、與掩模和襯底之間的距離(d)之比優(yōu)選在1:0.01?10的范圍內(nèi)。
[0020]在本發(fā)明的方法中，在步驟(i i )中，通過(guò)使用電壓和電流供應(yīng)設(shè)備、電池或蓄電池控制電荷或電壓改變帶電納米粒子的聚焦水平的方式來(lái)改變?nèi)S結(jié)構(gòu)的形狀。
[0021 ] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，步驟(i i )可包括在第一電壓下的第一沉積和在第二電壓下的第二沉積；其中第一電壓和第二電壓可處于0.01?1kV的范圍內(nèi)，且第一電壓和第二電壓具有與帶電納米粒子相反的極性；第一電壓和第二電壓的電壓強(qiáng)度互不相
坐寸ο
[0022]此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在將帶電納米粒子引導(dǎo)通過(guò)穿孔圖案到達(dá)襯底上的步驟中，當(dāng)使掩模和襯底沿彼此平行或垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)聚焦帶電納米粒子制造帶電納米粒子的集聚吸附形成的三維結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明的有益.效果
[0024]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，可以制造出預(yù)期的三維結(jié)構(gòu)，該方法不會(huì)產(chǎn)生噪聲圖，且具有高精度和高效率。并且，通過(guò)控制電荷和電壓，可通過(guò)聚焦效應(yīng)制造各種不同尺寸和不同形狀的三維結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，本方法被認(rèn)為在制造諸如等離子體傳感器、太陽(yáng)能電池等未來(lái)基于納米粒子的設(shè)備方面是有用的。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]本發(fā)明的以上或其他的目標(biāo)和特點(diǎn)，結(jié)合以下的說(shuō)明書(shū)和附圖中的詳細(xì)介紹將是顯而易見(jiàn)的，附圖中:
[0026]圖1:根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的刻圖方法的示意圖；
[0027]圖2:根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在襯底上組裝納米粒子三維結(jié)構(gòu)的方法示意圖；
[0028]圖3:示出了具有與預(yù)定圖案對(duì)應(yīng)的穿孔圖案的掩模設(shè)置在將要刻圖的襯底之上的一定距離處且指明了穿孔寬度的掩模的示意圖；
[0029]圖4:用于解釋根據(jù)電壓變化的第一沉積和第二沉積的原理的不意圖；
[0030]圖5:根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的納米粒子集聚的示意圖；
[0031]圖6:根據(jù)實(shí)施例1的沉積圖案的SEM圖；
[0032]圖7-圖9:實(shí)施例2和3以及對(duì)照實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
[0033]圖10-圖12:示出了實(shí)施例4中沉積時(shí)間決定的沉積圖案變化的SEM圖；
[0034]圖13-圖15:示出了實(shí)施例5中電壓變化決定的三維結(jié)構(gòu)形狀變化的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0036]圖2為根據(jù)本發(fā)明的制造由帶電納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的方法示意圖。在通過(guò)在反應(yīng)器中產(chǎn)生電場(chǎng)以形成帶電納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，本發(fā)明的方法具有以下特點(diǎn):將具有穿孔或開(kāi)口圖案的掩模設(shè)置在將要刻圖的襯底之上的一定距離d處，該穿孔或開(kāi)口圖案具有一定寬度w ;然后通過(guò)施加電壓到襯底上形成電動(dòng)聚焦透鏡，從而引起納米結(jié)構(gòu)的三維組裝。根據(jù)上述本發(fā)明的方法，通過(guò)對(duì)電荷和電壓的直接控制，可改變帶電納米粒子的聚焦水平。相應(yīng)地，有可能制造出具有不同形狀和尺寸(從納米級(jí)到微米級(jí))的三維納米結(jié)構(gòu)。
[0037]在本發(fā)明的如圖2所示的方法中，通過(guò)以下步驟形成電動(dòng)聚焦透鏡:在接地反應(yīng)器中的電極上設(shè)置襯底；在該襯底之上的一定距離d處設(shè)置具有穿孔圖案(寬度為w)的掩模，優(yōu)選地，該掩模的一側(cè)或兩側(cè)上具有電極或離子層；然后再在襯底上施加電壓，如圖3所示。
[0038]襯底和掩模之間的距離d可通過(guò)掩模上穿孔的尺寸、電壓等進(jìn)行各種控制。例如，當(dāng)掩模上穿孔的寬度為0.5?50 μ m時(shí)，在襯底和掩模之間的距離d可為0.005?500 μ m,優(yōu)選為I?50 μ m。
[0039]本發(fā)明所使用的具有穿孔圖案的掩?？蔀樵诂F(xiàn)有技術(shù)中所使用的任何常見(jiàn)掩模，但并不限于此。例如本發(fā)明人的在先專(zhuān)利、登記號(hào)為10-0907787的韓國(guó)專(zhuān)利可供參考。
[0040]進(jìn)一步地，本發(fā)明中，通過(guò)引入帶電氣體離子在掩模表面形成離子層，所述帶電氣體離子通過(guò)與將要植入的帶電納米粒子相同的極性充電。同時(shí)，考慮掩模的厚度、對(duì)掩模施加的電壓以及金屬室，可合適的確定將要形成的離子層的厚度。通過(guò)施加電壓可制備帶電氣體離子。例如，通過(guò)使用諸如電暈放電發(fā)生器等離子供給設(shè)備對(duì)氣體施加1-1OkV的電壓。帶電氣體離子包括但不限于例如氮離子(N2+，N2_)，氦離子(He+，He-)以及氬離子(Ar+，Ar)等。
[0041]在襯底之上一定距離處設(shè)置具有穿孔圖案的掩模之后的施加電壓的步驟中，例如，當(dāng)襯底是絕緣的，掩模的兩側(cè)具有電極層，可在兩個(gè)電極層中每一個(gè)施加電壓?；虍?dāng)襯底是導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的，掩模的一側(cè)具有離子層、另一側(cè)與襯底接觸。電壓可施加于襯底上。通過(guò)施加電壓，在反應(yīng)器內(nèi)側(cè)，即襯底和掩模周?chē)鷷?huì)形成電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電動(dòng)聚焦透鏡的形成。所施加的電壓的強(qiáng)度可根據(jù)掩模尺寸、帶電納米粒子的尺寸和密度進(jìn)行適當(dāng)選擇。
[0042]通過(guò)常用方法將帶電納米粒子引入到反應(yīng)器中。例如，可提前充電帶電納米粒子，然后通過(guò)使用運(yùn)載氣體將其引入到反應(yīng)器中?；蛘弋?dāng)帶電納米粒子通過(guò)電噴射充電時(shí)，將帶電納米粒子引入到反應(yīng)器中。
[0043]本發(fā)明所使用的帶電納米粒子可通過(guò)常用方法制造出來(lái)。例如，通過(guò)蒸發(fā)和冷凝的方法，將源材料(如Ag)轉(zhuǎn)化為多分散粒子，然后利用放射性物質(zhì)(如210-針)通過(guò)玻爾茲曼分布使多分散粒子處于雙電荷狀態(tài)，然后使多分散粒子通過(guò)微分流動(dòng)分析儀(differential mobility analyzer, DMA)。這樣單極帶電球形粒子(unipolar chargedspherical particle)可被提取出來(lái)。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的制造三維結(jié)構(gòu)的材料可為諸如金、銅、錫、銦、ΙΤ0、石墨和銀等導(dǎo)電材料、覆蓋有選自氧化鎘、氧化鐵和氧化錫的絕緣材料的導(dǎo)電材料、選自硅、GaAs和CdSe的半導(dǎo)體材料，但不限于此。
[0045]進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，三維結(jié)構(gòu)的形狀可通過(guò)在沉積反應(yīng)時(shí)改變施加的電壓來(lái)進(jìn)行不同的改變。在這種情況下，參照?qǐng)D4，當(dāng)施加第一電壓時(shí)執(zhí)行第一沉積，當(dāng)施加第二電壓時(shí)執(zhí)行第二沉積，這樣，可發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。例如，可容易的形成具有心殼(core-shell)結(jié)構(gòu)的三維形狀結(jié)構(gòu)。
[0046]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的移動(dòng)掩模時(shí)的納米粒子集聚過(guò)程。因?yàn)榧{米粒子沿著掩模移動(dòng)路徑沉積下來(lái)，所以可形成傾斜的三維結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，掩模的移動(dòng)速度可為0.01?1ym/小時(shí)。
[0047]以下將會(huì)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明和在此制備的鋰錳復(fù)合氧化物做更為詳細(xì)的描述。本發(fā)明的范圍不受在此所述任何方式的限制。
[0048]<實(shí)施例1>
[0049]參照?qǐng)D2，將硅片設(shè)置于反應(yīng)器中的電極上。
[0050]制備具有穿孔圖案的掩模(氮化硅，SiN2)。該穿孔圖案包括寬度為4μπι的條紋圖案和點(diǎn)圖案。襯底和掩模之間的距離為8 μ m。
[0051]然后通過(guò)將氮?dú)馔ㄈ腚姇灧烹姲l(fā)生器(電壓:5kV)的常用方法制造離子。銅納米粒子通過(guò)利用普通火花放電制成。在_3kV的離子集聚電壓下，離子在襯底上集聚2分鐘。然后，采用-1.5kV的沉積電壓60分鐘將納米粒子沉積在襯底上。因此，如圖6所示，形成具有大約Iym寬度的線圖案和點(diǎn)圖案，其中該線圖案和點(diǎn)圖案的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于掩模穿孔的寬度。
[0052]<實(shí)施例2>
[0053]將實(shí)施例1的過(guò)程以相同方式重復(fù)一遍，與實(shí)施例1的不同之處在于:將襯底和掩模(條紋穿孔圖案)之間的距離d設(shè)置為4 μ m，且改變離子集聚電壓和沉積電壓。這樣，圖案寬度變化可被觀察到。實(shí)施例2的結(jié)果如圖7所示。
[0054]<實(shí)施例3>
[0055]將實(shí)施例2的過(guò)程以相同方式重復(fù)一遍，與實(shí)施例2的不同之處在于:將襯底和掩模之間的距離設(shè)置為8 μ m。實(shí)施例3的結(jié)果如圖8所示。
[0056]對(duì)照實(shí)施例
[0057]將實(shí)施例2的過(guò)程以相同方式重復(fù)一遍，與實(shí)施例2的不同之處在于:將襯底和掩模之間的距離設(shè)置為O μ m。對(duì)比實(shí)施例的結(jié)果如圖9所示。
[0058]從圖7-9的結(jié)果可以確定隨著掩模和襯底之間的距離增大時(shí)，圖案寬度減小。
[0059]<實(shí)施例4>[0060]將實(shí)施例1的過(guò)程以相同方式重復(fù)一遍，與實(shí)施例1的不同之處在于:將具有點(diǎn)圖案穿孔(寬度為2 μ m)的掩模設(shè)置于襯底之上4 μ m的距離處。將離子集聚電壓設(shè)置為_(kāi)3kV，將沉積電壓設(shè)置為-1.5kV。沉積時(shí)間為2分鐘、40分鐘、I小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10、圖11和圖12所示。隨著沉積時(shí)間的增加，參照?qǐng)D10-圖12，可制造出直徑大約為0.2μπι的納米絲結(jié)構(gòu)。
[0061]〈實(shí)施例5>
[0062]將實(shí)施例4的過(guò)程以相同方式重復(fù)一遍，與實(shí)施例4的不同之處在于，在-1.5kV的電壓下，實(shí)施第一沉積60分鐘，在-3.0kV的電壓下，實(shí)施第二沉積60分鐘，從而制造出心殼狀三維結(jié)構(gòu)(如圖13-15所示)。
[0063]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: (i)在接地反應(yīng)器中，將具有穿孔圖案的掩模設(shè)置在將要刻圖的襯底之上的一定距離處，所述穿孔圖案與預(yù)定圖案對(duì)應(yīng)；然后在所述襯底上施加電壓，以形成電動(dòng)聚焦透鏡； (ii)將帶電納米粒子引入所述反應(yīng)器中，并且引導(dǎo)所述帶電納米粒子通過(guò)所述穿孔圖案到達(dá)襯底，使得所述帶電納米粒子以三維形狀選擇地吸附到所述襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述方法還包括通過(guò)引入帶電氣體離子在步驟(ii)中的掩模表面集聚離子層的步驟；所述帶電氣體離子通過(guò)與帶電納米粒子相同的極性充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在集聚離子的步驟中，將具有與所述帶電納米粒子相反極性的，范圍為0.01-1OkV的電壓施加到所述襯底上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在步驟(?)的沉積所述帶電納米粒子的步驟中，將具有與所述帶電納米粒子相反極性的，范圍為0.01-1OkV的電壓施加到襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述掩模的穿孔寬度(W)、與所述掩模和所述襯底之間的距離(d)之比在1:0.01~10的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在步驟(i i )中，通過(guò)使用電壓 和電流供應(yīng)設(shè)備、電池或蓄電池控制電荷或電壓改變所述帶電納米粒子的聚焦水平的方式來(lái)改變?nèi)S結(jié)構(gòu)的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，步驟(ii)可包括在第一電壓下的第一沉積和在第二電壓下的第二沉積；其中第一電壓和第二電壓可處于0.01~1kV的范圍內(nèi)，且第一電壓和第二電壓具有與帶電納米粒子相反的極性；第一電壓和第二電壓的電壓強(qiáng)度互不相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米粒子組裝三維結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在將所述帶電納米粒子引導(dǎo)通過(guò)所述穿孔圖案到達(dá)所述襯底的步驟中，當(dāng)使所述掩模和所述襯底沿彼此平行或垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)聚焦所述帶電納米粒子制造所述帶電納米粒子的集聚吸附形成的三維結(jié)構(gòu)。
9.一種通過(guò)如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的制造方法制造的納米粒子組裝的三維結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L21/027GK104040687SQ201380002957
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】崔虎燮, 崔萬(wàn)秀 申請(qǐng)人:首爾大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán), 多次元能源系統(tǒng)研究集團(tuán)