一种制备三维微纳器件的方法

专利名称：一种制备三维微纳器件的方法
技术领域：
本发明涉及三维微纳器件技术领域，是自由站立、三维微纳结构的利记博彩app，特别 涉及一种基于聚焦离子束(FIB)的三维微纳结构的生长功能来制作不位于支撑衬底平面 内的电极接触及配线，形成电流与支撑衬底平面成一定夹角流动的三维微纳器件的方法。
背景技术：
过去几十年的发展经历表明，微电子领域器件集成的发展很快就会达到物理及/ 或经济上的极限。纳米电子器件是继微电子器件之后的下一代固体电子器件，其主要思想 是基于纳米功能材料的量子效应来设计并制备纳米量子器件，以达到将集成电路进一步减 小，并替代传统的硅器件的终极目标。为了突破传统的微电子集成工艺的极限，大量的科研 工作者已投入越来越多的人力物力来研究新材料，先进的工艺技术与新器件类型。一维/ 准一维纳米材料由于其独特的物理特性以及其在电子、光子及生物传感等纳米器件上的应 用而备受关注。随着电子器件尺寸朝着小尺度、低维方向的发展，研究人员们不断地合成出 形貌丰富的有序排列的自由站立的三维纳米材料。对于一端固定在衬底表面，另一端自由 伸展的纳米实体，如纳米线，纳米管，纳米棒等，怎样直接在其自由伸展端制作电极仍是一 个亟待解决的技术难题。基于传统的光刻技术或电子束曝光技术的工艺根本无法解决这一 问题。对不位于衬底平面内的材料进行电学等特性测试，通常的处理方法如下首先将 材料从衬底上分离开来，这包括纳米实体的刮取收集、液相分散，表面转移等步骤，参见文 献“Optical and electrical properties ofZnO nanowires grown on aluminium foil by non-catalytic thermalevaporation，，·《Nanotechnology》· 2007，Vol. 18 :175606。在该 文中，首先将生长于衬底上的ZnO纳米线经刀片刮离衬底，然后放入乙醇溶液进行超声使 聚团纳米线族分离，之后取分散液少量，滴到具有绝缘薄膜层的衬底表面；电极的制作则采 用电子束曝光或聚焦离子束沉积的方法。上述方法的不足之处在于1.使用刀片对衬底上 的纳米材料进行分离容易对纳米材料造成机械损伤，并破坏了其原始几何形状，尤其是对 于多臂或其它形状复杂的纳米结构；2.分散液进行取液时具有很大的随机性，不仅在寻找 分散的单一纳米材料时耗费时间，也很难对之前所关注的单根纳米材料进行测试研究。另 外一种可以克服上述某些不足的方法是利用聚焦离子束的刻蚀功能，将自由站立微纳材料 准确无误的与衬底分离，使之位于支撑衬底平面，然后进行电极制作。归根到底，这两种方 法所制作的器件，电流的流动均位于衬底平面内，是一种间接的、平面器件的加工方法，改 变了材料的原始空间结构与位置，对集成度的提高具有较大的局限性。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种制备三维微纳器件的方 法，直接在自由站立微纳材料的自由端准确无误的形成微纳电极及三维配线，实现真正意 义上的三维器件的制作，为微纳器件多功能混合集成提供新的工艺途径。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种制备三维微纳器件的方法，其包括下列步骤(1)样品放置与固定(i)若衬底是具有表面绝缘薄膜层的导电衬底，用导电物质从衬底背面将其固定 在样品托上；(ii)若衬底是具有表面导电层的电绝缘衬底，将样品固定在样品托上后，再用导 电物质将样品表面与样品托连接.将固定于样品托上的样品放入双束SEM/FIB或单束FIB 腔体内的样品台上，然后对样品台实行一定角度的倾斜，使FIB垂直于衬底入射；(2)自由站立的三维微纳材料的图形观测移动样品台，用SEM或低束流离子流进行图形观测，找到需要形成电极接触的自 由站立微纳材料及其自由端的位置，并测量其尺寸；(3)衬底平面内电极接触块及/或连线的生长a)在生长自由站立微纳材料材料前，采用传统的光刻、电子束曝光或聚焦离子束 沉积方法形成衬底平面内的大电极接触块与连线；b)对于自由站立微纳材料生长前没有任何电极接触的情况，根据材料的位置，采 用聚焦离子束，原位生长电极接触块与/或电极引线；(4)三维电极接触及连线的制作对自由站立微纳材料形成三维电极接触与连线；(5)衬底上残余沉积的清除将样品台倾斜一定的角度，使离子束以一定的角度侧向入射，使步骤4)中加工的 三维结构的正下方完全无遮挡的暴露在FIB视场中；然后设定扫描区域，将三维结构下方 的残余沉积去除；(6)得成品。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(3)中的a)步，当自由站立微纳材 料的自由端的投影与接触块间的距离较远时，需用FIB生长一连接线将两者间的距离缩 短，包括步骤(i)获取待加工的自由站立微纳材料与电极接触块的FIB图像；(ii)利用设 备的图形发生器软件生成需要加工的连接线图形，确定其位置；(iii)引入金属有机物气 态分子源；(iv)打开FIB扫描沉积金属连线，连线的一端应与自由站立微纳材料的自由端 投影相接近，另一端连接大的电极接触块。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(3)中的b)步，包括步骤⑴获取 待加工的自由站立微纳材料与电极接触块的FIB图像；(ii)利用设备的图形发生器软件生 成需要加工的连接线图形，确定其位置；(iii)引入金属有机物气态分子源；(iv)打开FIB 扫描，原位生长电极接触块与/或电极引线。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(4)分别通过以下方法实现(iv)静电位移法，设定一特定的扫描区域后，引入金属有机物气态分子源，开始 FIB扫描并采用静电偏压对离子束以一定的速度连续的偏转位移以获得三维结构；(ν)图形扫描法，通过设备程序控制离子束扫描的扫描时间与区域来生长连续的 三维结构；(vi)精确控制样品台位移法，通过样品台的连续移动来改变离子束在衬底上扫描的相对位置，以形成三维结构。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(ii)，利用设备的图形发生器软件 生成需要加工的图形系列，根据特定生长条件下的生长速率，精确设定前一图形扫描区域 与相继的后一扫描区域的重合系数与扫描时间来获得连续的三维结构。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(4)的(i)静电位移法，包括步骤(a)收集待加工的自由站立微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB 图像；(b)利用设备的图形发生器软件生成单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位置； (c)引入金属有机物气态分子源；(d)打开FIB扫描，并以一定的速率将离子束进行偏转位 移，直到沉积的三维金属连线与自由站立微纳材料的上端接触；(ii)图形扫描法，包括步骤(a)收集待加工的自由站立微纳材料及与之相邻的 连接线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图形发生器软件生成离子束扫描图形组， 确定每一图形的具体位置与扫描时间；(c)引入金属有机物气态分子源；(d)打开FIB扫描 生长三维结构，形成电极接触；(iii)精确控制样品台位移法，三维电极接触的制作过程包括步骤(a)收集待加 工的自由站立微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图 形发生器软件生成单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位置；(c)引入金属有机物气 态分子源；(d)打开FIB扫描，通过样品台的移动生长三维接触结构。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述利用聚焦离子束的金属沉积功能制作电 极时，与材料自由伸张端直接连接的连接线的生长，采用低束流彡20pA。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述步骤(5)中，对三维结构周围的残余沉 积，采用垂直或其他的入射角度去除残余沉积；利用聚焦离子束对残余沉积清除时，束流为 PA到nA量级。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述样品，不仅为纳米棒、纳米管或纳米线的 单一纳米结构，还包括自由伸展端在空间位置上无阻挡的自由站立的三维微纳结构；材质 可以是金属、半导体、有机物、杂合物、介质材料或几种材料的组合体，但其导电性要能避免 离子束扫描引起的电荷积累；三维材料自由伸展端与衬底平面间有一定倾斜角度，该角度 的取值范围在0° < Φ彡90°之间。所述的制备三维微纳器件的方法，其所述金属有机物气态分子源可为单一或多种 金属有机物气态分子源的混合体，要求生成的三维结构是导电的。本发明方法与现有的对一端固定在衬底上，另一端自由伸展的微纳材料进行电极 加工方法相比，优点在于1.低束流的聚焦离子束(FIB)沉积是一种脱离掩模版及抗蚀剂的直写技术，形成 的图形分辨率可与电子束曝光制作的图形尺寸相比拟，更为突出的是FIB可以生长导电性 能较好的、纳米尺度的三维复杂图形结构，这项技术使三维混合集成连线的制作成为可能。2.基于离子束化学气相三维材料的生长制作纳米电极，避免了对纳米材料的空间 结构与位置的破坏及机械损伤，形成的是三维器件结构，有源区的面积非常小，电流与衬底 表面成一定的角度流动，有利于提高器件密度。3.对于生长于事先加工好的电极接触图形间的三维材料，电极接触与器件的形成 可在SEM/FIB或单束FIB系统上一次性完成，具有时间及成本优势；进一步保证了对纳米材料电极结构制作的灵活性、完整性与准确性。4.利用FIB对材料的定点选择性刻蚀功能，低束流刻蚀与材料的生长相结合，在 有效的去除残余沉积的同时，还可以对器件或电路进行原位修复。


图1为本发明一种制备三维微纳器件的方法中，三维结构的静电位移生长示意 图，其中，衬底11、离子束扫描区域12、静电位移步长为Ar、离子束的停留时间为At、竖向 箭头所指为At内的离子束扫描区域，横向箭头所指离子束扫描静电位移方向，三维结构 的悬空部分与衬底的夹角为θ ；图加-c为本发明实施例1的对垂直于衬底生长的钨纳米棒的上端形成纳米接触 的SEM侧视图片a，垂直于衬底生长的钨纳米棒；b，利用FIB在a中纳米棒的上端形成三维 纳米电极接触及配线；c，FIB刻蚀去除b中三维纳米结构下方残余沉积。其中衬底21，Au 电极接触快22，FIB生长的钨连接线23，钨纳米棒对，钨纳米棒的上端25 ；FIB生长的三维 纳米结构组成部分沈，27，观，四，残余沉积去除时FIB的扫描区域30。图3a_d为本发明实施例2的在多层膜结构衬底上制作垂直电子器件流程图a， NbN/Mg0/NbN/Mg0/Si02/Si多层膜结构；b，利用FIB在a上生长钨纳米棒；c，对b干法刻蚀 后形成三明治纳米电极结构；d，FIB生长三维结构形成空间电极与配线，然后利用FIB刻蚀 去除残余沉积。其中31为Si (衬底)/SiO2 OOOnm)/MgO部分，32与33部分分别为NbN与 MgO，34为钨纳米棒，三明治纳米点结构包括34下方的(32-33-32)，NbN/(ff-Ga-C-Ο)纳米 接触由33上方的32及34组成，35为三维电极配线，36为接触电极块。
具体实施例方式如图1所示，为本发明一种制备三维微纳器件的方法示意图，其中，衬底11、离子 束扫描区域12、静电位移步长为△!·、离子束的停留时间为At、三维结构的悬空部分与衬 底的夹角为θ。本发明的方法包括步骤(1)样品放置与固定自有站立微纳材料可生长在不同的支撑衬底上，根据支撑衬底的类型，固定方法 如下(i)若衬底是具有表面绝缘薄膜层的导电衬底，可用导电物质从衬底背面将其固定 在样品托上。(ii)对具有表面导电层的电绝缘衬底，将样品固定在样品托上后，再用导电 物质将样品表面与样品托连接，以提供导电通道。将固定于样品托上的样品放入双束SEM/ FIB或单束FIB腔体内样品台上，然后对样品台实行一定角度的倾斜。(2)自由站立微纳材料的图形观测移动样品台，用SEM或低束流离子流进行图形观测，找到需要形成电极接触的自 由站立微纳材料及其自由端的位置，测量其尺寸。(3)衬底平面内电极接触块及/或连线的生长衬底平面内电极接触块及连线的制作大体有两种方案其一，在生长自由站立微 纳材料前，采用传统的光刻、电子束曝光或聚焦离子束沉积等方法形成衬底平面内的大电 极接触块与连线。对于这种已具有大电极接触块图形及/或连线的衬底，当自由站立微纳材料的自由端的投影与接触块间的距离较远时，需用FIB生长一连接线将两者间的距离缩 短，过程包括(i)获取待加工的自由站立微纳材料与电极接触块的FIB图像；(ii)利用设 备的图形发生器软件生成需要加工的连接线图形，确定其位置；(iii)引入金属有机物气 态分子源；(iv)打开FIB扫描沉积金属连线。连线的一端应与自由站立微纳材料的自由端 投影相接近，另一端连接大的电极接触块。第二种是对于自由站立微纳材料生长前没有任 何电极接触的情况，则根据材料的位置，采用FIB，通过上述(i)-(ii)-(iii)-(iv)步来原 位生长电极接触块与/或电极引线。(4)三维电极接触及连线的制作采用FIB-CVD原位生长三维结构的工艺方案大体有三种(i)静电位移法，即设定 一特定的扫描区域后，引入金属有机物气态分子源，开始FIB扫描并采用静电偏压对离子 束以一定的速度连续的偏转位移以获得三维结构，生长示意图如图1所示；(ii)图形扫描 法，在这种方法中，通过设备程序控制离子束扫描的扫描时间与区域来生长三维结构。这种 方法重复性、可控性好，但对实验设计要求高。需要利用设备的图形发生器软件生成需要 加工的图形系列，根据特定生长条件下的生长速率，精确设定前一图形扫描区域与相继的 后一扫描区域的重合系数与扫描时间来获得连续的三维结构；(iii)精确控制样品台位移 法，即通过样品台的连续移动来改变离子束在衬底上扫描的相对位置来形成三维结构。此 方法的不足在于其较差的可操作性。与以上三种生长方式相对应，可以有三种方法来对自由站立微纳材料形成电极接 触与连线。对应于方案(i)，三维电极接触的制作过程包括(a)收集待加工自由站立微纳 材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图形发生器软件生成 单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位置；(c)引入金属有机物气态分子源；(d)打开 FIB扫描，并以一定的速率将离子束进行偏转位移，直到沉积的三维金属连线与自由站立材 料的上端接触。对应于方案(ii)，三维电极接触的制作过程包括(a)收集待加工自由站立 微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图形发生器软件 生成离子束扫描图形组，确定每一图形的具体位置与扫描时间；(c)引入金属有机物气态 分子源；(d)打开FIB扫描生长三维结构，形成电极接触。对应于方案(iii)，三维电极接触 的制作过程包括(a)收集待加工自由站立微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的 FIB图像；(b)利用设备的图形发生器软件生成单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位 置；(c)引入金属有机物气态分子源；(d)打开FIB扫描，通过样品台的移动生长三维接触 结构。(5)衬底上残余沉积((residue deposition))的清除将样品台倾斜一定的角度，使离子束以一定的角度侧向入射，使步骤4)中加工的 三维结构的正下方完全无遮挡的暴露在FIB视场中。然后设定扫描区域，将三维结构下方 的残余沉积去除。对三维结构周围的残余沉积，可采用垂直或其他的入射角度。一端自由伸展的微纳材料与衬底的夹角Φ、以及纳米材料与衬底上电极接触块间 的距离影响着三维结构生长的位置及生长需要倾斜的角度。若距离太远，则需要事先生长 连接线使两者相距0. 5-5 μ m为佳。距离太大，同时空间材料的高度又小时，所需生长倾斜 角度与跨度均很大的三维结构，这增加了三维生长的工艺难度。距离太小，则材料生长的过 程中，可能会在空间实体上有沉积发生，某种程度上改变其原始性能。
利用FIB金属沉积功能制作电极时，与自由站立微纳材料的自由伸张展端直接 连接的连接线的生长适宜采用低束流(<20pA)生长，其它连接线及电极接触块则采用 较大的束流来完成。低束流沉积能很好的避免束流扫描时由于束流剖面分布特征(beam profile)及二次电子散射等因素产生的在设定面积区域外产生的残余沉积，严重的残余沉 积可造成电极间的短路或在纳微材料周围形成额外的导电通道；同时低束流可使由于离子 轰击对自由站立微纳材料的影响降至最低甚至没有。较大的束流大体上可以获得较大的沉 积速率，从而节省时间。对离子束的位移速度是三维材料生长的关键，太慢则悬空部分偏离 竖直方向的倾斜角度(90° -Θ)太小，跨度小，工艺上与空间结构相连的时间较长。另外， 大的位移速度根本无法对高度小，与衬底上连接线距离大的自由站立微纳材料的自由伸展 端形成接触。而且过快的位移速度会使衬底上的残余沉积增加，相应的增加了残余沉积去 除的时间。利用FIB对材料的刻蚀功能对残余沉积清除时，三维结构下方材料的清除可采用 PA到nA量级的束流。大束流可以增加刻蚀速度，节省时间；而低束流可以降低对三维结构 的影响。[实施例1]在垂直于衬底的钨纳米棒的自由端形成垂直电极，包括以下步骤1)钨纳米棒的图像观测。如图加所示，直径为150nm的钨纳米棒Q4)位于 SiO2OOOnm)/Si衬底Ql)上的钨连接线03)表面的左端。左边的Αι^22)接触块与之相 距约lym。连接线的另一端与衬底上的AU/Cr(50nm/10nm)电极接触块相连。将该衬底利 用导电碳带固定在样品托上，送入SEM/FIB腔体内并固定在样品台上。所用的系统FIB入 射方向与水平面夹角为38° ；打开电子枪(5kV电子束加速电压，30 μ m的电子束光阑)和 离子枪(30kV离子束加速电压，IpA的离子束束流)，将样品台上升到工作高度为5mm处，倾 斜样品台使离子束垂直于衬底平面入射；对纳米棒图像进行聚焦与其它参数调整。2)加热金属有机物气态分子源导入系统(Precursor gas injectionsystem)。本 实施例中使的金属有机物气态分子源为w(co)6。3)三维纳米电极的生长。生长示意图见图1 (图中不成比例)，步骤如下⑴纳 米棒图形位置的确定与尺寸测量，将纳米棒与电极连线移到视场中心，利用SEM测量其高 度( 4. 5 μ m)及纳米棒与左侧Au接触块间的距离( 1 μ m)；然后切换到FIB成像模式 并收集一 FIB图像；(ii)根部垂直部分的生长(如图2b中沈部分)，采用图形发生器定义 大小为SOnmXSOnm的离子束扫描区域，并将此图形放置到纳米棒正对着的金接触块的边 沿，设定扫描时间为30s。将金属有机物气态分子源的气体导管引如到衬底表面，打开气体 导管阀门，选用IpA的离子束束流并启动离子束扫描，其高度约为0. 5μ m ； (iii)悬空三维 配线的生长，这一部分分三段组成(如图2b中的27，28，四所示)，27部分偏离竖直方向的 角度为 。，在Z方向与X方向的生长分别为3. 3与0. 4 μ m，使用的静电位移速度与时间分 别为Ζηπ Γ1与％iin，28部分偏离竖直方向的角度为18°，在Z方向与X方向的生长分别为 0. 6与0. 2 μ m，使用的静电位移速度与时间分别为^miT1与Imin ；29部分偏离竖直方向的 角度为，在Z方向与X方向的生长分别为0. 4与0. 3 μ m，使用的静电位移速度与时间 分别为enms—1与lmin，三维器件结构见图2b。4)残余沉积的去除。将样品台倾斜45°，此时FIB与衬底间的夹角为7°，然后采
9用图形发生器形成图2c中白色虚线(30)所示扫描区域，用5pA的束流刻蚀2分钟，将残余 沉积去除。在本发明的步骤1)中，钨纳米棒与衬底的夹角Φ仅为示例性的，可用于本发明方 法的Φ的取值范围可以在0° < Φ <90°之间；另外，钨纳米棒还可以是其他材料与形状 的微纳米结构。所述纳米结构包括但不限于诸如纳米棒、纳米管或纳米线的单一纳米结构， 所述材料包括金属、半导体、有机物、杂合物(composite)、介质及他们的组合体。例如Pt， Au, Co, Cu, Ni, Si, GaN, InP, ZnO, C, Pt-ff-Ga-C, SiO2 等。本发明的硅衬底仅作为示意性的举例，对于本领域的技术人员来说应该理解，用 来形成垂直器件的自由站立微纳材料可生长在不同的衬底上。因此，本发明根据衬底的类 型，相应地采用以下固定方法(i)若衬底是具有表面绝缘层的导电衬底，可用导电物质从衬底背面将其固定在 样品托上。所述绝缘层包括SiO2, Si3N4，Al2O3或其组合等，且膜厚应使衬底在电子束离子束 成像时无电荷积累但能达到衬底表面电绝缘效果；所述导电衬底包括Si，GaAs，GaN, InP或 金属等；此外，也可用普通光学光刻-金属沉积-剥离工艺在长有电介质薄膜的衬底上制作 金属接触图形并用其为衬底；(ii)若衬底是具有表面导电层的绝缘衬底，可将样品固定在样品托上后，再用导 电物质将样品表面与样品托连接起来。其中，所述导电层包括诸如ITO薄膜的导电氧化物 或单层的或多层的金属，所述金属包括Au，Ni, Cr, Cu或Al等；所述绝缘衬底包括玻璃、石 英或蓝宝石等绝缘材料；所述导电物质包括导电银胶、导电碳带，铜带等。在本发明的步骤i)中，所使用的金属有机物气态分子源也是示范性的，能生长导 电性能较好的三维结构的其他单一的前驱体或多个前躯体的组合均可，包括WF6, PtC7H17, Al (CH3) 3，Au C7H7F6O2或他们的组合等。在本发明的步骤3)中三维结构生长所采用的束流仅为示例性的，其范围大约为 20pA及以下量级。对离子束采取的静电位移速度(Ar/At)还要根据在特定的生长条件 下，纳米结构垂直部分生长的速度，需要形成三维接触的材料的高度以及它与衬底上接触 块或连接线之间的距离来定。CVD生长三维结构时，倾斜部分的生长通常伴随着竖直方向 与平行于衬底的生长，这不可避免的在衬底上也有附带的生长。较大的位移速度对应着较 大的倾斜角(90° -Θ) (1/At)，同时也导致在衬底上更多的残余沉积。当三维结构高 度较短，且与连接线间的距离较大时，需要采用相对较大的离子束位移速度，反之，宜采用 较小的离子束位移速度，以降低残余沉积。采用的生长方法也是示例性的，还可以采用图 形扫描，样品台精确移动等方法。另外，对于本领域的普通技术人员来说应该理解，本发明 采用SEM/FIB双束系统，然而本方法同样可以在单束或其他FIB系统中所使用；除使用SEM 外，本发明还可以使用低束流离子流对需要形成三维电极的的自由站立的微纳材料进行图 形观测，低束流离子流可避免镓离子对材料在成像过程中造成的不必要的轰击；而且，也可 以用多束离子束，电子束进行三维结构的生长。此外，在FIB生长的同时，利用SEM进行实 时观测生长过程，实时更改离子束位移速度，以调整接触点的位置等。在本发明的步骤4)中，残余沉积，污染的去除所使用的离子流大小是示例性的， 其范围大约为PA到nA量级，样品台的倾斜角度要以离子束能去除三维结构下方的残余沉积时，扫描不被其阻挡即可。[实施例2]在多层膜Si (衬底)/SiA (200nm) /MgO (缓冲层)/NbN (260nm) /MgO/NbN (220nm)结 构上制作垂直纳米器件，包括以下步骤1)有源区的隔离采用光刻技术在多层膜衬底上形成抗蚀剂图形区域，然后用干 法刻蚀RIE (反应气体CF4)及ICP (反应气体BCl3/Ar)，将有源区分成独立的单元，图3a所 示为加工后的衬底有源区示意图，31为Si (衬底)/SiO2 OOOnm)/MgO部分，32与33部分分 别为NbN与MgO层。2)生长钨纳米棒将步骤(1)中加工好的衬底利用导电银胶固定在样品托上，送 入SEM/FIB腔体内并固定在样品台上；将样品台顺时针倾斜52°，使衬底表面与离子束入 射方向垂直。加热GIS的钨源(W(CO)6),打开电子束离子束，选择IpA的离子束束流，调整 好工作高度与设备状态。采用设备图形发生器在有源区中间位置设置离子束扫描区域的尺 寸为SOnmX80nm，后导入金属有机物气态钨源，设定离子束扫描时间为lOmin。镓离子分解 含钨的金属有机物分子，形成垂直于样品表面的钨纳米棒(34)，如图北所示。纳米棒生长 结束后，关闭钨源阀门并将GIS系统退回原始非工作位置。3)纳米点结构的制作。利用图北中FIB生长的纳米棒作为刻蚀的掩模，采用 RIE及ICP，干法刻蚀至下层NbN并剩有约IOOnm厚，形成34下方的三明治纳米点结构 (32-33-32)以及NbN/ (ff-Ga-C-Ο)纳米接触(由33上方的32及34组成)，如图3c所示。4)三维电极配线(35)的形成。过程如同实施例1中的步骤3)，只是对离子束施 加的位移方向相反。5)接触电极块(36)的形成。采用IOpA的FIB束流，设定有源区宽度一致的扫描 区域将三维结构下方的NbN层刻透，使之一分为二，则下层剩余的IOOnm厚的NbN可用作大 的电极接触块，最终实现SIS垂直纳米结构，器件图示结构如图3d。作为本发明一个优选的实施例，上述方法突出体现了本发明在采用FIB生长的垂 直于衬底的纳米材料作为纳米点结构制作的掩模，同时作为垂直电极的优异之处。然而，对 于本领域的技术人员应该理解，本发明的另一种更普遍的实现方式为首先根据器件要求， 在材料生长的过程中，生长合适的表层材料薄膜层，形成具有特定结接触特性的多层结构， 接着生长垂直于衬底平面的纳米材料作为掩模，后采用干法或湿法刻蚀形成纳米点功能结 构，利FIB-CVD生长三维配线，完成器件制作。对多层膜材料，FIB生长的纳米棒或其他方式生长的其他材料种类的导电纳米线， 纳米棒等既可作为刻蚀掩模，形成功能纳米点，在刻蚀完成后还可作为电极的垂直部分，利 用FIB-CVD，继而可以生长三维配线，使之与大的接触块连接。这种方法形成的垂直器件，有 源区的面积非常小。在本实施例的步骤1)中，所使用的多层膜结构仅为示例性的，还可以是其他的多 层膜或单层膜结构，如p+GaN/lnGaN/GaN (MQff) /n+GaN多量子阱结构。有源区的隔离也可以 用其他的设备及反应气体来完成，或采用湿法腐蚀，湿法与干法结合的方法。另外，在本实施例的步骤2)中，FIB生长的垂直于衬底表面的纳米棒也可以由其 他图形所代替，如方形，三角形，环形结构，或先生长面积较大的图形快，然后在其上生长具 有一定高度的纳米棒等。扫描区域大小也可自由设计。
此外，在本实施例的步骤5)中，采用FIB刻蚀将底层剩余的NbN层刻透分开的同 时，也去处了三维生长时的残余沉积，同时底层的NbN可作为两接触电极块，减少了器件制 作工序。而且上述方法制作的垂直纳米器件是自对准的，有源区的面积可以做得很小，其侧 面没有阻挡，这在发光器件、表面器件、传感器的制作上优势更加明显。尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人 员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都应 在本发明权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种制备三维微纳器件的方法，其特征在于包括下列步骤(1)样品放置与固定(1)若衬底是具有表面绝缘薄膜层的导电衬底，用导电物质从衬底背面将其固定在样 品托上；(ii)若衬底是具有表面导电层的电绝缘衬底，将样品固定在样品托上后，再用导电物 质将样品表面与样品托连接.将固定于样品托上的样品放入双束SEM/FIB或单束FIB腔体 内的样品台上，然后对样品台实行一定角度的倾斜，使FIB垂直于衬底入射；(2)自由站立的三维微纳材料的图形观测移动样品台，用SEM或低束流离子流进行图形观测，找到需要形成电极接触的自由站 立微纳材料及其自由端的位置，并测量其尺寸；(3)衬底平面内电极接触块及/或连线的生长a)在生长自由站立微纳材料前，采用传统的光刻、电子束曝光或聚焦离子束沉积方法 形成衬底平面内的大电极接触块与连线；b)对于自由站立微纳材料生长前没有任何电极接触的情况，根据材料的位置，采用聚 焦离子束，原位生长电极接触块与/或电极引线；(4)三维电极接触及连线的制作对自由站立微纳材料形成三维电极接触与连线；(5)衬底上残余沉积的清除将样品台倾斜一定的角度，使离子束以一定的角度侧向入射，使步骤4)中加工的三维 结构的正下方完全无遮挡的暴露在FIB视场中；然后设定扫描区域，将三维结构下方的残 余沉积去除；(6)得成品。
2.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤(3)中的 a)步，当自由站立微纳材料的自由端的投影与接触块间的距离较远时，需用FIB生长一连 接线将两者间的距离缩短，包括步骤(i)获取待加工的自由站立微纳材料与电极接触块 的FIB图像；(ii)利用设备的图形发生器软件生成需要加工的连接线图形，确定其位置； (iii)引入金属有机物气态分子源；(iν)打开FIB扫描沉积金属连线，连线的一端应与自由 站立微纳材料的自由端投影相接近，另一端连接大的电极接触块。
3.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤(3)中的b) 步，包括步骤(i)获取待加工的自由站立微纳材料与电极接触块的FIB图像；(ii)利用设 备的图形发生器软件生成需要加工的连接线图形，确定其位置；(iii)引入金属有机物气 态分子源；(iv)打开FIB扫描，原位生长电极接触块与/或电极引线。
4.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤(4)分别通 过以下方法实现(i)静电位移法，设定一特定的扫描区域后，引入金属有机物气态分子源，开始FIB扫 描并采用静电偏压对离子束以一定的速度连续的偏转位移以获得三维结构；(ii)图形扫描法，通过设备程序控制离子束扫描的扫描时间与区域来生长连续的三维 结构；(iii)精确控制样品台位移法，通过样品台的连续移动来改变离子束在衬底上扫描的相对位置，以形成三维结构。
5.如权利要求4所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤(ii)，利用设 备的图形发生器软件生成需要加工的图形系列，根据特定生长条件下的生长速率，精确设 定前一图形扫描区域与相继的后一扫描区域的重合系数与扫描时间来获得连续的三维结 构。
6.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤⑷的⑴静 电位移法，包括步骤(a)收集待加工的自由站立微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB图像； (b)利用设备的图形发生器软件生成单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位置；(c)引 入金属有机物气态分子源；(d)打开FIB扫描，并以一定的速率将离子束进行偏转位移，直 到沉积的三维金属连线与自由站立微纳材料的上端接触；( )图形扫描法，包括步骤(a)收集待加工的自由站立微纳材料及与之相邻的连接 线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图形发生器软件生成离子束扫描图形组，确定 每一图形的具体位置与扫描时间；(c)引入金属有机物气态分子源；(d)打开FIB扫描生长 三维结构，形成电极接触；(iii)精确控制样品台位移法，三维电极接触的制作过程包括步骤(a)收集待加工的 自由站立微纳材料及与之相邻的连接线或接触电极块的FIB图像；(b)利用设备的图形发 生器软件生成单个离子束扫描图形区域与大小，确定其位置；(c)引入金属有机物气态分 子源；(d)打开FIB扫描，通过样品台的移动生长三维接触结构。
7.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述利用聚焦离子 束的金属沉积功能制作电极时，与材料自由伸张端直接连接的连接线的生长，采用低束流 彡 20pA。
8.如权利要求1所述的制备三维微纳器件的方法，其特征在于所述步骤(5)中，对三 维结构周围的残余沉积，采用垂直或其他的入射角度去除残余沉积；利用聚焦离子束对残 余沉积清除时，束流为PA到nA量级。
全文摘要
本发明公开了一种制备三维微纳器件的方法，涉及三维微纳器件技术，包括步骤(1)样品放置与固定；(2)自由站立微纳材料的图形观测；(3)衬底平面内电极接触块及/或连线的生长；(4)三维电极接触及连线的制作；(5)衬底上残余沉积的清除；(6)得成品。本发明方法的优点是工艺简单、器件精确，直接在自由站立的微纳材料的自由端准确无误的形成微纳电极及三维配线，实现真正意义上的三维器件的制作，为微纳器件多功能混合集成提供新的工艺途径。
文档编号B82B3/00GK102107847SQ200910243010
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者李无瑕, 顾长志 申请人:中国科学院物理研究所