专利名称：生产纳米观结构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在受控方式下同时生长一个或多个纳米观结构的方法和装置。
背景技术：
纳米技术、纳米电子学和纳米生物学是快速增长的研究和发展领域，预期它们将导致未来岁月许多重要的发现和发展。
纳米技术中的一个主要问题是如何在大的基片或工件上以快捷可靠的方式生长或刻蚀0.1-50nm尺寸的纳米结构。近来已发现在配有电子蚀刻设备和其他生长仪器的任何标准洁净房间内能够在几个平方微米的很小面积上使用非常消耗时间的程序实施这件事。在表面上分辨纳米和微结构的标准方法已成为光学蚀刻技术。目前的紫外线光学技术遍及100-300nm数量级的尺寸。更新的方法包括近场光学蚀刻技术、X-射线蚀刻技术和电子及离子束蚀刻技术，其中可形成低至20nm的结构。这些方法要求昂贵的仪器投资，对于一个小的研究实验室可能要花费8千万美元。大规模生产的成本无论如何要高得多，或30到50亿美元，或更高。
人们期待一种纳米技术新方法能够降低这些费用。在这方面例如频繁提及的是分子自组装新方法。然而在计算机使用的结构中，电路布置通常具有非常不规则的特性，这种要求使其很难使用分子件的自组装体作为生产方法。
此外，纳米结构可用于除计算机以外的很多应用，例如通过利用在纳米结构和液体试剂、固体试剂或混合物之间的物理相互作用以确定变化性能的感测。
纳米级工艺的其他选择是扫描探针显微技术(SPM)，例如，原子力显微术(AFM)和扫描隧道显微术(STM)。这两项技术用于表征依据触点-表面相互作用特性的不同表面性能。在扫描隧道显微术(STM)中，触点和表面之间的隧道电流探测特定能量时电子密度的状态。在原子力显微术(AFM)中，使用类似的探测利用触点和样品之间的力描绘该表面。这两种方法已被用于纳米蚀刻技术或传送原子在表面建造结构。在这些方法中，各个原子被位移并放置在表面形成纯粹的具有原子精度(0.1nm)的纳米观图案。
这些技术共有一种普通局限性，即，它们不能应用于大面积上纳米级集成电路的大规模生产，其中逻辑部件和它们之间的电连接都是纳米级的。人们已经付出许多努力来形成具有单独控制触点位移并感测隧道电流或力的大阵列SPM触点。然而这种研究的复杂性是巨大的。
因此，需要一种使用扫描探针技术在大面积上进行纳米级生长的方法和装置。
发明内容
一方面，本发明提供形成至少一种纳米观结构的方法。该方法包括以下步骤a.基本上平行地放置第一和第二板，其中至少一个板带有至少一个朝向另一板的电极，b.在板之间提供介质，c.将板放置在初始位置，d.通过将能量从该至少一个电极传递到介质使该至少一个电极和与其相对的板之间的介质局部活化，致使在所述介质内诱发生长和/或刻蚀，从而
(i)在一或两平板上从至少一个电极生长至少一个第一定位结构；和/或(ii)在一或两个板上生长和/或刻蚀至少一个第二定位结构，由此形成至少一个纳米观的结构。
在一个实施例中，至少一个所述板包括一个电极阵列。在另一实施例中，至少预制一个第一定位结构。
根据本发明，所述每一定位结构可具有定制的高度、深度和/或形状。此外，所述第一定位结构的高度、深度和形状可保持在生长和/或刻蚀过程中。
在一个实施例中，该至少第一定位结构包括电子发射触点。在一个实施例中，该至少第二定位结构包括功能纳米结构。这种功能纳米结构是至少选自以下组的装置量子电子装置、量子光学装置、存储装置、传感器装置、功能膜、纳米导线和分子电子装置。
在另一实施例中，所述第一和/或第二定位结构的高度、深度和/或形状可通过所述两个板之间的相对位移而调整。这种位移可以是纳米级的位移。
在另一实施例中，该至少第一定位结构的生长包括在所述第一和第二板上生长至少两个相对排列的第一和第二定位结构直至达到两个相对排列结构之间预定的距离。在此实施例中，可通过监测所述第一和第二定位结构之间的隧道电流、电接触和/或力接触状态获得预定距离。
本发明进一步提供一种方法，通过该方法，监测所述定位结构的高度、深度和/或形状。也可以通过本发明提供一种方法，其中所述至少第一和/或第二定位结构含有在所述第一和/或第二板上生长的结构序列并且监测所述定位结构的高度、深度、长度、宽度和/或形状。
监测所述定位结构的高度、深度和/或形状的步骤包括在一个实施例中的以下步骤a.调整所述第一和第二板的相对位置致使所述至少一个定位结构朝向相对设置的板上的板面积；b.向下位移一个板直至达到所述至少一个定位结构和板面积之间的隧道电流、电接触和/或力接触状态；以及c.监测所述至少一个定位结构哪个不形成隧道电流、电接触和/或力接触状态，在此基础上记录所述至少一个定位结构哪个需要附加生长以达到所希望的高度、深度和/或形状。
通过本发明可进一步提供对所述至少一个记录的定位结构的附加生长，从而达到所希望的定位结构的高度、深度和/或形状。此外，可重复进行监测、记录和生长程序直至达到所希望的所说定位结构的高度、深度和/或形状。
在另一实施例中，监测、记录程序和所述定位结构的生长序列用于修补所述结构阵列。由此可通过本发明提供的方法保持所说结构的结构和/或功能完整性。
就广义来说，本发明提供一种方法，其中所述至少第一定位结构用于在所述至少第一定位结构和该板的相对位移范围限定的区域上生长纳米结构。
用于本发明的介质可以是生长和/或刻蚀介质。在特定的实施例中，该介质是冷冻气体和/或冷冻固体和/或冷冻液体和/或电解液。然而该介质可进一步包括周期表中第III-VII族的元素和/或分子式MHx的分子氢化物。
活化介质的工艺包括通过单个控制至少一个电极的每一个向相对的板传送电脉冲。电压脉冲当施加到至少一个电极时可以具有变化的高度、持续时间和/或形式。
本发明进一步提供一种引入和除去介质的输入装置和输出装置。所述输入和输出装置可适于交换介质从而去除第一种介质并用第二种介质替换它。通过这种实施方案，可在更换生长和/或刻蚀介质之后紧接着重复生长和/或刻蚀程序。
在本发明的内容中，纳米级位移包括三维X-Y-Z位移，例如，两维纳米级位移，例如一维纳米级位移。
应该理解，根据本发明，至少部分板是可更换的。因此可提供实施例，其中所述板包括带有电子和导线的加工芯片以形成带电极的加工表面，和/或配有所述至少一个第一和/或所述至少一个第二纳米结构。
在一个特定实施例中，在第一和/或第二板上生长和/或刻蚀编码位置信息。该编码位置信息可通过一个和/或两个板上的至少一个纳米观结构读取。
在本发明的一个实施例中，在一个和/或两个板上提供弹性支撑以分布由位移装置施加到板相同面积上的外力。
本发明进一步提供一种生长和/或刻蚀至少一种纳米观结构的装置，所述装置包括a.加工单元，内部包括基本上平行排列定位的第一和第二板，其中至少一个板配有至少一个电极，并且可选地定位结构朝向第二板，b.用于在两个板之间提供介质的装置，c.活化介质的能源，致使在所述介质中诱发生长和/或刻蚀，
d.用于在纳米级位移中位移至少一个板的纳米观位移装置，e.连接到所述电极和加工芯片的通信装置，f.用于控制生长和/或刻蚀工艺的计算机系统。
该装置可进一步包括可更换的加工区域和/或加工芯片。该能源可以是连接到至少一个电极的可控电压能源。
在一个实施例中，加工单元包括底板、顶板和连接底板和顶板的可变形材料。
该装置可进一步包括适于容纳加工单元的控制仪器，所述控制仪器包括所述位移装置和所述计算机系统。所述控制仪器进一步包括可控加热和冷却装置。
在一个实施例中底板和可选的顶板中的一部分是可更换的。
此外，该装置可包括在两个板之间提供介质的装置，其含有输入装置和输出装置用于引入和除去所述介质。
在本发明内容中，以下的术语应理解为具有规定的含义。
术语“微米级尺寸”表示范围从大约1微米至几个微米的尺寸。
术语“亚微米级尺寸”表示范围从大约1微米以下至大约0.01微米的尺寸。
术语“纳米级尺寸”和“纳米级”表示范围从大约0.1纳米至大约50纳米(0.05微米)的尺寸。
术语“纳米量度”表示范围从大约0.1纳米至50纳米的尺寸。
术语“纳米结构”或“纳米观材料”指的是在至少一维具有差不多是纳米级空间规模的材料。
术语“纳米观结构”在本发明内容中指的是纳米级结构，如此处所限定的。
术语“第一定位结构”表示在电极表面上形成的结构。此结构可在原地从设置在板表面上或表面内的电极生长，或从板表面伸出的电极生长。
相应的术语“第二定位结构”表示一种结构，其是能量从电极传送到设置在两个板之间的介质的生长结果，因此引起在相对的板上形成第二定位结构的生长和/或刻蚀。
术语“板面积”表示本发明一个或两个板的任何区域。
术语“微米观触点”或“纳米观触点”表示从表面伸出并在至少一维具有微米或纳米观规模的材料结构。
术语“纳米观触点的阵列”指的是多个纳米观触点在紧密空间规则排列，其中两个最近相邻点之间的距离是大约1微米数量级。
术语“目的电极(object electrode)”指的是含有微米或纳米观触点的密集阵列电极，每一单个触点都连接到能源通道以控制目的和象点电极之间所产生的脉冲。
术语“象点电极(image electrode)”指的是一种电极，在其上形成纳米观材料。
术语“接触状态”指的是在两个电极之间由电或电磁装置，对于给定的情况用适宜的方法确定的状态以表示物理接触，这些方法包括例如测定电压、电流、电容、电感、电阻、磁场、应力或应变。
“电极基片”在本发明内容中表示用于任何给定电极或电极阵列的基片。这种电极基片可以例如由相对设置的板，或是在板上生长的结构表示。
“加工单元”是本发明的功能单位。在由图2表示的一个实施例中，加工单元包括两个在板的边缘带有弹性材料的圆形板，其形成密封并限定一封闭的空间，该空间用于容纳在板上生长结构的介质。
以下，将结合附图详细叙述本发明，以及其特别优选的实施例，其中图1显示加工单元的局部简图，其图解说明具有两个圆形基板的基本机械设计。
图2显示一种结构的简图，其中将弹性材料放置在两个圆形基板之间并结合成为加工单元。
图3A显示具有分力Fx、Fy和Fz的外力施于加工单元表面的简图。
图3B显示当仅从X方向施加外力时顶板相对于底板的位移ΔX的简图。
图3C显示当仅从Z方向施加外力时顶板相对于底板的位移ΔZ的简图。
图4显示加工单元的简图，其中部分顶板已被去除。
图5显示加工单元的简图，其中已引入两个孔可引入和/或除去两个板之间空间的介质。
图6显示加工单元的简图，其中电接触已被施加到该单元的顶板。
图7显示加工单元的简图，其中指出板上加工区域的位置，在该处进行纳米结构生长和刻蚀加工。
图8显示加工单元的一个板的简图，图解不同区域用于提高加工单元在纳米级加工中的灵活性。
图9A显示加工单元的板的简图，在板上设置加工区域。顶板加工区域含有电极，在其上设置有预制触点。
图9B显示加工单元的板的简图，在平上设置加工区域。顶板加工区域含有电极阵列，在其上设置了预制触点。
图10A显示加工单元的板的简图，在板上设置了加工区域。顶板和底板加工区域含有带相互面对的纳米结构的电极。
图10B显示加工单元的板的简图，在板上设置了加工区域。顶板和底板加工区域含有电极，其带有相互面对的触点，在此处利用在顶部和底部电极之间的电脉冲，触点从纳米结构生长。
图11A显示加工单元的板的简图，在板上设置了加工区域。顶板和底板加工区域含有带纳米结构触点阵列的电极，两个阵列相互面对。
图11B显示加工单元的板的简图，在板上设置了加工区域。顶板和底板加工区域含有带触点阵列的电极，利用电脉冲该阵列已从纳米结构生长。
图12、13、14和15含有本发明优选实施例中所用生产方法的流程图。
图16显示目的电极和象点纳米结构的序列，图示一个或多个目的电极如何能参与一个或多个纳米结构的生长。
图17显示设置在一个基片或多个基片(该基片在与纳米结构相比很大的规模上是不平滑的)上的目的电极和象点纳米结构的阵列。其表面被压在一起，如果一个或两个基片由具有可塑性或弹性的材料制备，该表面就可在至少比未受压的机械接触区域大的区域达到机械接触，而目的和象点电极表面的形状就被成形为与大程度相匹配。为简便起见仅仅将目的电极基片的纯可塑性示于此处，象点表面在此情况下是硬的。
图18显示设置在一个基片或多个基片(该基片在与纳米结构相比很大的规模上是不平滑的)上的目的电极和象点纳米结构的阵列。目的电极表面上的纳米结构生长促进触点生长至达到与相对的、有或没有纳米结构的象点电极表面物理接触，致使生长促进触点形成表面网格与相对的象点电极表面匹配，这样就可使纳米结构以原子精度大规模生长。
图19显示加工单元的板的简图，在其上设置加工区域。该加工区域有连接点可使外部电线来控制装置，从每一接触点，导线通向中心区域设置的触点，该触点已连接到几个连接点。
图20A显示含有板的加工单元简图，在板上设置含有纳米结构电极的加工区域。
图20B显示含有板的加工单元简图，在板上设置含有生长触点电极的加工区域。
图20C显示靠近底板电极上的触点之一的磁化区域简图。底板相对于顶板的位置是通过使用专门的读取触点装置确定的，该装置可检测纳米结构图案在电极上的设置。
图21A显示含有触点电极并面对纳米结构的两个加工区域的简图。顶板加工区域含有弹性垫片，其比顶板加工区域内的任何触点都高。
图21B显示压在一起的两个加工区域的简图，其弹性垫片变形并使触点和纳米结构的近邻空间紧密。
图21C显示压在一起的两个加工区域的简图，其弹性垫片变形并侧面滑倒，使触点和底板加工区域的近邻空间紧密。
图22显示生长单元的简图，该单元插入到与电源和计算机连接的控制仪器，另一控制仪器用于检测例如与纳米结构交互作用的生物样品，并含有必要的软件用于分析交互作用。
具体实施例方式
本发明提供一种用于以有效方式在大基片或工件上生长和刻蚀纳米结构的生长加工单元和加工控制装置。该纳米结构可用于大范围应用，例如检测、计算和制造化学品或新纳米结构。该加工单元的中心概念是在大学或公司的研究机构内建立的专门研究环境中获得低成本和灵活的操作。
本发明总的来说涉及结合加工单元中需要的装置在任何形式纳米和高达微米级尺寸的表面上在封闭的或结合的加工单元(其比这些尺寸要大)内进行生长和/或刻蚀。加工单元的概念提供了一种简便方式，将一种特殊的研究方案插入加工控制仪器，加工纳米结构并在加工之后除去该加工单元。该加工单元随后可再插入相同或不同的控制仪器。在控制仪器相同的情况下，加工可在留下的那一点继续进行。不同控制仪器的例子是a)观察纳米结构表面的特殊扫描电子显微镜，b)用于以所选择的元素组合物薄膜涂覆纳米结构的薄膜生长仪器，c)用于研究化学部分与纳米结构在液相中的交互影响的液体控制仪器。
基本仪器控制加工单元的温度和其他需要的支持功能。在加工单元上有与加工单元内所有功能单元连通的装置，可能是光学的或电子的，通过电接触和有线或通过遥控无线连通。该加工单元的一项主要机械功能是或通过加工单元内部装置或通过外部装置简化三维方向(X，Y，Z)中的纳米级位移。前者可通过杠杆机械或通过内部位移转换器的位移进行。后一方案可通过改变加工单元形状，例如通过压缩产生Z位移并使其扭曲得到X，Y位移而进行。最简单的实施变形的方式是将两个圆形板在外圆周连接。然后将板相对于另一板在任意方向位移。
给出绝对位移的反馈信号在控制X，Y，Z位移方面是重要的。在本发明的一个实施例中，附属于位移转换器的标准电容或应变仪传感器用于控制仪器。在另一实施例中，将位置信息写到加工单元内部的生长表面。
加工单元的另一机械功能是含有不同的介质，例如气体、液体或在低温(如10K到200K的温度范围)是固体的介质。还提供必要的装置以便在相同情况下从排放孔通过泵出或排空除去这些介质。
在一个实施例中，还提供通过改进的泵送和过滤清洁该介质的装置。
简单加工单元或加工单元的基本结构在图1中图解。在此图中显示了两个圆形板1、2。该板限定两个表面，包括了在单元内执行各种操作的所有装置。圆板的材料可选自导电或绝缘的任何材料。
在图2中，板与弹性材料3在板的边缘相结合。材料的弹性促进了板相互间的位移。这三个元件形成一封闭的容积，可用于盛放任何介质，该介质可以是气体、液体或固体，或是这些的混合物形式，在特定的温度在该介质中进行加工。
板之间的初始距离是1微米至1到3毫米。宽度范围归因于在某些情况下，介质最初是气体状态，当加工单元冷却至较低的工作温度时，必须将其压缩至液体或固体的体积密度。而工作距离经常在1纳米到几十个微米范围。在某些情况下，板之间在一些区域接触以形成弹性软着陆或滑动垫片提高板间工作距离的可控性。最大压力和温度取决于所选择的材料，但是加工温度从0开氏绝对温度至几千度、压力从超高真空至几十万巴(bar)原则上都可用于本发明的加工单元。
图3A显示具有分力Fx，Fy和Fz的外力F4施于单元表面。此力使弹性材料变形并改变两个板之间的相对距离。在图3B中，显示由于力5Fx施于顶板所得的顶板相对于底板的位移6(ΔX)标记。如果力Fy施于那个方向，在y方向可获得相类似的结果。在图3C中显示在Z方向施加力7Fz与相应的位移8(ΔZ)。所需的横向总位移范围从1.0微米到100微米，取决于板的直径。1.5厘米直径的板与标准不锈钢环(厚度大约0.25毫米)结合需要40N数量级的力使板横向位移1.0微米或1000纳米。因此1.0纳米位移变形需要40mN力，相当于4克重量。此力范围可通过改变弹性材料的厚度容易地调整。显然，不使用弹性环结合两个板可采取其他解决办法，例如在板之间形成弹性密封并使该密封执行相同的功能。密封件之间的滑动接触完成了横向位移而压缩密封件就提供了Z位移。当控制仪器使用必要的装置将不同的板归拢并组成如上所述相类似的单元功能时适用于此实施例。所生产的单元的直径可从几个毫米至几米。
图4图解了本发明的实施例，其包括生长单元可能利用标准密封机构10除去或更换部分顶板或底板9的选择方案。此构形可使单元更加灵活。例如，可将单元放入不同的控制仪器，该仪器需要通入其它板表面的通路。在一个实施例中，开口的单元可由内部的扫描电子显微镜观察或可将薄膜放置在特殊的薄膜生长仪器内。通过更换部分板，新的加工表面朝向相对面积或替代地，新加工面积朝向该加工表面。这打开了在单元上连续操作的可能性以形成一个具有几个共同工作的控制仪器的加工链。
图5显示本发明另一实施例，其中包括在两个板之间的空间提供不同生长和/或刻蚀介质的装置。这可以通过具有至少一个开孔12及必要的密封机构来实现。外管11是控制仪器的一部分，将其插入孔洞，由此打开向上的通路，可允许气体或液体流入单元或通过泵出而排出单元。密封机构可以是在各种其它密封应用中选择的快速阀类型。在此实施例中，开孔通过弹簧机构或类似物闭合，管子拆除后留下一个紧密密封的单元。
图6显示该单元操作的另一实施例。电触点13放置在单元的一个或两个板上与其它仪器、控制器或其它装置连通。这些电触点提供了信号和电源至和自单元的内部机构的必要连通。此电路布线通向板的另一侧以便由放置在板另一侧的附加功能单元使用。替代的实施方式是(其表示本发明的另一实施例)，利用无线通讯和电源的电感耦合，或利用提供给太阳能电池用于产生能量的光以及标准光通讯，即光或激光二极管。这个实施例需要考虑将通讯和软件信号放在一些功能单元之内。
图7图解板上的特殊区域，其中进行纳米结构的生长和刻蚀加工14，15。该区域可在板本身上或在特殊加工板上，该特殊加工板附属于该板或通过图4图解的方式安装在该板上。密封装置可允许拆除或更换加工板。该加工板可以是专门的或标准的硅芯片，其最外表面具有必要的改进以便对表面的不同区域提供电路布线。该加工单元的特殊区域以下称为加工区域。
图8图解进行纳米级加工中用于提高单元灵活性的不同区域。可选择的区域也称为备用区域16，可含有下列许多功能·电活化吸气器，用于清理单元无水分、氧加工气体，如CH4、SiH4或MHx和其它残留气体，它们可与不同工艺耦合，其中M表示能与氢形成稳定化合物的任何元素，x是整数。吸气器可包括锆或其它适用材料，其也可用于将单元抽至超高真空条件或低至P＜10-10mbar。
·氢气服务区，其使用金属氢化物(例如PdHx)传送氢至生长介质或从生长介质除去氢。
·刻蚀区域，提供特殊物质，例如CH4、SiH4或MHx，其中C，Si和M以混合物形式(例如氩)和H2刻蚀，结果形成这种特殊物质。
·在生长单元中提供必要的照明用于使光传导材料传导，促使化学品反应或用适当能量和强度的光子加热。
图9显示本发明的一个优选实施例，其在受控方式下进行纳米级生长。在图9a中加工区域14包括一个带有一个预制触点17的电极18，其用于在板之间的加工介质内的另一板的加工区域15上进行纳米级生长。由于所限定的加工单元的位移范围，已生长的纳米观结构限制在区域19范围内。此加工区域可含有预制的导线用于与生长的纳米结构接触。图9b显示图9a实施例的进一步延伸，其中提供高达1亿触点/cm2的触点阵列在大面积上进行加工。
加工单元中的生长介质可包括任何冷冻材料，例如与象CH4，SiH4或MHx的生长物或其它适合的生长材料混合的液体氩。尽管氩是用于本发明目的特别优选的冷冻液体，但是都知道其它化学惰性介质可取代氩，包括液体、半固体或甚至在室温中亚临界或超临界是固体状态的元素或化合物。另外，可以使用非惰性元素或化合物作为生长介质，只要该元素或化合物与化学反应相容或加工可在该介质中进行就行。刻蚀介质可以是氢或任何标准刻蚀化合物(含有元素如氯、氟等)。使用用于电化学沉积或刻蚀的电极也包括在本发明的替换实施例中。图9的预制触点17也可在电极上原地生长，其中触点包括生长在电极上的第一结构。这种第一结构在另一替换实施例中也可呈现任何其它适宜形状，例如球形、碟形、类似油煎圈饼形或任何其它适宜特定实施例的形状。应当理解，在各图中由图解的不同实施例提供的例子中，可供选择的第一结构可能是预制的或就地生长的。
图10图解另一优选实施例。预制触点或图9所示触点阵列由于触点高度和尺寸的纳米级变化可能具有较差的性能。这些变化对加工的控制性，尤其是在触点阵列加工情况下，具有强烈影响。即使预制触点阵列具有极端精确度，苛刻的加工条件将逐渐降低触点的高度和结构整体性。因此，触点的寿命将控制此实施例的经济性和精确度。为了在大规模生长中获得必要的经济性，寻找加工过程中具有原子精确度并维持该精确度的生长触点的方式是极重要的。图10a至图10b显示在一个或两个电极或加工区域18和19上就地进行触点17的生产和可能的维护。通过本发明生长过程的就地维护，触点可从具有微型凸起或局部表面粗糙度的电极生长，由此能在电极表面或加工区域的优选位置形成触点。此实施例进一步提供一种构形，其比具有静态和/或预制触点或其它结构的实施例更加经济。
图11显示本发明的优选实施例，其中触点阵列20的生长和维护与使用所述阵列相结合，以便能够在大规模表面上，利用触点阵列中任何一个或多个触点和相对的加工区域21之间产生的脉冲进行原子精度预制，在相对的加工区域21上形成纳米结构22。
所述纳米结构的形状、尺寸、材料组合物和功能仅仅受限于许多可能的不同化学反应和它们可能的内部结构变化，后者在给定的化学环境中使用触点和加工区域之间的脉冲加工可能发生。图10a至图10b显示触点如何在两个加工区域20和21生长，导致触点维持在加工区域20并从加工区域21的纳米结构生长。在连续加工中，完全在加工区域20中形成或维持的特殊触点17b，用于生长靠近或连接到特殊触点17a的纳米结构导体、绝缘体或功能装置。
施于各个电极并面向加工区域的脉冲可以是电压脉冲，其长度范围在皮秒和百万秒之间，任选的宽度和高度范围在0伏特至几千伏特之间，这取决于材料性能和生长或刻蚀工艺。每个脉冲可包括一个或多个更短脉冲的结合，给出特殊形状的总脉冲或脉冲束。电极之间介质中的化学元素在脉冲过程中活化并与电极和/或电极触点或正在形成的纳米结构形成化学键。通过监测每一触点与电极基片之间有无接触来控制生长。当所有的触点都生长到所希望的高度时，它们自身可用于在基片电极上使用在完全生长的电极触点和其底表面之间的电脉冲进一步制造特殊纳米结构。在此实施例中，因而可在两个板上进行交互生长。
用压电执行元件在所有三维对电极表面相互以原子精度扫描。电极的相对位移允许控制触点在形成和生长过程中的形状，并进一步允许以原子精度控制在象点电极上生长的纳米结构的形状和形成并同时在比纳米结构大的面积上控制。用这种方法，可在与纳米结构尺寸相比很大的面积上分辨原子等级。
推荐使用具有100MHz频率的几个ns宽度的脉冲形成每秒1亿的化学反应，其中每个反应包括形成几个化学键。假定均质的3D材料，一个触点可在1μm2的面积上在10ms内形成1纳米厚度此材料层，假定反应发生的可能性是100％且触点在每一频率间隔(在这种情况下，0.1m/s)可位移1nm，这很容易用压电执行元件获得。在此例中1mm2电极表面含有1,000,000触点阵列，它们都连接到分离的或互联的开关，从而能从各个结构控制脉冲机构。根据Semiconductor IndustryAssociation(SIA)roadmap，2001，动态随机存取存储器(DRAM)芯片尺寸在2012年将在1600mm2左右，含有50nm的特性尺寸。一个这样的芯片以所建议的方式在16秒内生产出来，速率为240件/小时。对于由在所有三维都是50nm，空间间隔100nm的均质材料制备的特性尺寸或像素(pixel)，所建议的生产方法对单个1cm2电极表面可达到800Mpixel/s容许量(如果生产触点如以前那样放置在1cm2阵列具有1μm间隔，速率将加快100倍)。这样就呈现了一个更现实的测算，对于每个像素的不同材料组合物，意味着加工工艺将更费时间，而电极表面面积可有效利用从而提高几个数量级，纳米结构可制作得更小包装更紧密。
对于所述原子精度生长，假定目的和象点电极板可以在大面积(相对于表面之间的距离)上以纳米级紧密均匀接触地放置，尤其是在至少1mm2的面积，优选1cm2或更大面积上。使用原子级平滑电极，其延伸覆盖几个毫米的面积，这是为了指引分子至目标纳米观结构的基本条件。单晶金属表面传统上可制造为0.5度的精度，而仿行技术可允许生产大规模平滑金属表面，具有均方根粗糙度0.4nm和与仿行物相同的大规模平滑度(参见J.Diebel等人“Fabrication of large-scaleultra-smooth metal surface by a replica technique”，Appl.Phys，A vol.73，pp.273-279，2001)。高质量商品化硅片在至少300mm的长度规模上具有几个纳米的表面均匀度。层状晶体例如云母、HOPG或MoS2具有原子级平台，但是在几个厘米的面积上可具有微米级高度差。在具有微米级高度差表面上的原子级生长不精确度，在本发明所述的优选实施例中，通过等离子刻蚀被减至最低程度。
寻找一种方法使得在所述的环境中在电极表面生长和刻蚀是重要的，该表面在大规模上可以是或不是光滑的。图12的流程图用于确定，在与板间距离相比大的面积上，如何在两个已经得到的板电极之间实现纳米距离，23。通过记录目的电极和象点电极板上电极之间的接触状态，可以得到板间距离在阵列中所有电极设置的信息。
如果电极表面在大规模生长/刻蚀环境中是平的，24，就可以开始原子级电极生长27，而不要进一步加工或考虑使用流程图13中所述的操作法。
如果电极对于预定的应用足够光滑，25，尽管可能只是在平方微米的区域是光滑的，也可使用图14或图15的流程图开始原子级电极生长，这要取决于决策26的决定，允许纳米结构在阶梯表面生长，其在相比于纳米结构规模的大规模上是光滑的。
如果电极表面仅仅在纳米级是平整的，其在大规模上不具有纳米级结构特征，该表面需要加工，提高光滑度，28。这可通过使用前述电极之间的电脉冲就地生长一层与基片相同的材料来实现。刻蚀、电抛光和化学机械抛光(CMP)也可在加工单元内部实现。
如果电极相对于纳米级是粗糙的，将作出决定，29，是否能够使用例如生长、电抛光或可控刻蚀(28)来提高表面光滑度。如果无法使电极表面光滑，将不得不用具有较光滑表面的电极替换，30。
图13的流程图描述了一种在大规模光滑表面或两个微米级光滑并且可以大规模纳米距离之间放置电极的表面上生长触点的方法。首先，31，设定生长程序所需要的所有参数。设定值取决于生长介质中所使用的材料、电极的类型、纳米结构或要形成的触点的类型、触点高度、纳米结构的密度、脉冲频率和脉冲高度等等。象点电极在初始阶段可以有或没有纳米结构。将电极板平行对直，32，以使表面之间的距离在大规模表面上是纳米级小且均匀的。将电极在垂直其表面的方向位移以使所有电极在目的阵列达到物理接触，33，其中所有电极的相对位置在所有三维方向都被记录，电极位移到生长高度，34，其相当于电极之间的间隙距离高度，适于在给定几何学、两个电极中的材料组合物、生长介质和其它影响因素中所希望的生长速率。在尚未专门标定为“断开”状态的目的电极位置的电极之间，启动电脉冲，35，，该“断开”状态当触点或纳米结构达到用户规定的终端高度时发生。发出的脉冲次数影响生长速率，并且不得不在加工起始加以确定。在纳米级并在建议的环境中，期望生长速率中有一定的无序，并且在一定数量n的脉冲之后，必须监测在象点电极平面内目前的x，y位置的接触状态，36。
如果接触状态满足某些条件，即，在特定的触点或纳米结构与相对的电极之间限定为物理接触的范围内，触点或纳米结构已经达到用户限定的终端高度，37，生长就会在相应的纳米结构和其在目前的x，y坐标标定的位置停止，38，在由相同方法确定的该坐标，如果所有的触点或纳米结构已经达到终端高度，39，整个过程就终止，40。
如果在终端高度位置没有达到上述物理接触，就在新的生长高度重复脉冲加工，41，这取决于生长何种纳米结构。通过纳米平面相对电极板圆形位移可生产锥形触点。在微米尺寸面积上可以生产纳米结构，甚至在几个μm2尺寸的面积上，触点面积等于N1xN2，其中N1和N2是一定数量的目的电极触点，允许不同触点生长相同纳米结构以确保均匀的纳米结构生长。图16显示形成的纳米结构，其中允许触点64和65参与单个纳米结构的形成。
在本发明一个优选的实施例中，目的触点从完全平整的目的电极生长，其中在任何特定电极上触点生长的起始位置是由纳米结构在相对电极上的位置确定的。当电极已经按照图13对直并就位后，33，初始脉冲将在目的电极上形成纳米结构并逐渐形成触点，此时在生长过程中调节电极的相对位移，以使其形成。触点的高度可通过纳米结构上的机械或物理接触控制，并与基片上不允许纳米结构生长的面积上的机械或物理接触进行对比，结果所有的或任意数量的触点可在生长过程的任何时间进入该面积，将其称作标定面积。在这种情况下，不得不假定象点纳米结构的高度比触点高度小，但是这只是当触点生长顺利进行时才是真的。
图14的流程图描述了本发明的另一实施例，其中在微米级光滑表面生产纳米结构，该基片电极由柔软材料制备，该材料可被压在一起而不破坏纳米结构。此材料优选地具有可塑材料的性能，即在压力释放之后维持变形，或具有弹性体的性能，当压力释放之后，松弛到原来的形式。该象点电极可在此实施例的初始阶段具有或不具有纳米结构。启动生长程序，42，将目的和象点电极对直，它们的相对位置记录在目的电极阵列中每一电极位置，43。将表面压在一起，直至所有的触点达到物理接触，44，再次记录在每一目的电极的位置。该表面松弛到生长高度，45，其由初始参数确定，所测量的物理接触中的电极被标定为“断开”状态(如果目的电极材料显示纯延展性能，不要求在此步骤这样标定，参见图17)。在未标定的电极触点位置启动脉冲，46，测量这样n次脉冲之后的接触状态，其中数字n由初始参数确定。接触状态在每一目的电极位置确定，47。
如果已经达到纳米结构或触点终端高度，48，将象点或目的电极上的位置标定为“断开”状态并终止生长，50。另外，电极板相互以平行方式在覆盖平行位移的大面积内位移而不损害电极表面(包括触点和纳米结构)的形状，49。所述面积可覆盖几个目的电极空间的尺寸，但是每一触点的平行传送受限于高度高于特殊触点形成的纳米结构的阻碍。这种限制对于具有弹性的电极材料并不严重，因为它们是延展性材料。
如果所有的纳米结构或触点都已达到终端高度，51，就终止生长过程，52。如果所有结构尚未达到终端高度，就进一步松弛表面致使至少一个并优选地一些标定触点可达到生长高度，重复该工艺直至所有结构达到终端高度。如果认为每一目的电极的触点面积太小以致不能生长均匀的触点结构，或限制了纳米结构在所有加工区域的生长，可远距离位移该电极并在不同位置再挤压，如图17所示，其中触点64已在象点电极表面位置被挤压，在该处触点65早先已定位。
图15流程图描述了一种在微米级光滑表面通过生长目的触点而生长纳米结构的方法，致使所有的触点都可同时达到物理接触，如图18所示，其中触点64和65已生长至不同长度可允许两触点同时与相对的电极、纳米结构或触点物理或机械接触。目的电极在其初始阶段可具有或不具有生长促进触点阵列，而象点电极可具有或不具有纳米结构。启动(53)并对直(54)之后，电极板在触点可能接触的位置以物理接触位移55，生长至物理接触，在该位置在对直阶段并未达到物理接触。通过相对位移，电极位移至由初始参数确定的生长高度，56，如前述方法所述。启动n次电脉冲，57，并记录接触状态，58。如果已经达到终端高度，59，就标定对应的纳米结构位置或触点，61，如果所有的纳米结构都已被标定，62，就终止生长程序，63。如果尚未达到终端高度，就在用户确定的面积内改变所有触点的相对触点表面位置，但是该面积不大于在相比于纳米结构大的规模上光滑的面积，且在该面积上不会发生任何触点在平面内位移的阻碍。
如果认为该对每一目的电极触点可用的面积太小以致不能生长均匀的触点结构，或覆盖整个加工区域的结构，就将电极向远处位移，刻蚀目的电极触点并在不同的相对表面位置再生长。
用于获得电极表面之间纳米距离的任何方法或所有方法都可结合使用。当所有的纳米结构都从所述方法中的生长程序消除时，就完成了该工艺，所有的纳米结构都具有相同的高度，或更具体的，在由误差确定的统计学平均高度内，该误差是大部分来自在目的触点上最后的材料生长的生长误差，或是在确定触点-纳米结构距离与接触状态之间关系中的误差，导致在确定物理或机械接触中的不准确。
在本发明的一个优选实施例中，使用确保生长结构的生产均匀的方法。在此方法中，所有的纳米结构都使用至少一定数量的不同目的电极触点来生产。这将补偿在任何两个触点或多个触点与特殊纳米结构之间间隙内发生的最后生长或刻蚀速率差(由于形状、长度、详记组合物，等等)，并将提高寿命或维持给定目的电极触点阵列之间的时间间隔。
图19图解本发明的一个实施例，其中显示一个板2加工区域的放大图，其中在该区域中有一单个加工触点。一个特殊芯片19放在该加工区域内。触点68的生长区域一般限制在边长1到10微米的面积内。此芯片为此生长区域提供了必要的电线67，如图所示。在上面或底面(未示)需要接触垫片66以将此芯片与外部世界对接，或使用数字信号或使用模拟信号。可以看到在加工区域17上的触点以及在该表面上通过生长单元中顶板上的上部触点生长的纳米结构69。该特殊生长芯片可以是由已知半导体公司(例如Intel Motorola，NationalSemiconductor，Toshiba，Hitachi等等)大量生产的任何Si电子芯片。可以将P4芯片以及标准8位微处理机控制器放入此单元。这取决于需要该芯片的应用。有两种主要的可选择方式来制备这种半导体芯片的表面，用于在加工单元中加工。一种是使用半导体制造中使用的相同方法，即通过蚀刻步骤用绝缘金属化层的薄膜沉积，在芯片顶部加上附加的绝缘和金属化层。为了得到原子光滑层，需要对顶层进行CMP(化学机械抛光)抛光以便形成加工条件，尤其是用于用大阵列触点的加工。另一方法是在特殊的板上制备这种半导体表面，该板附着在这种Si芯片的表面。
图20图解另一实施例，其中显示了在确定上板相对于底板的x，y位置时为了获得至少原子精度的特性。通过记录/生长具有规则间隔的特殊位置垫片71至普通信号线70(其最终与x，y，z位移控制器连接)上获得此特性。阅读触点从信号线上的垫片读取此位置信息。信号线的数量和垫片之间的距离可以任选。仅仅要求垫片信号线的长度大于或等于加工单元的位移范围。所有的已知位置代码都可用于此方法，例如标准二进制代码或不易出错误的Grey代码。在有许多触点形成大阵列的情况下，可专门设计某些触点来执行此功能。16位二进制代码需要至少16个信号线，垫片尺寸和距离根据该线的二进制权重。通过使用两个或多个具有随机图案的生长的信号线可以使用较简单的代码，距离和垫片尺寸具有至少是位移范围的一半的周期。控制系统可通过扫描该图案并将其与馈入x，y位移执行机构的信号进行比较而学习该图案。
图21显示这种垫片的另一功能，该垫片放置在一个或两个板上或通过触点生长。此垫片的高度和尺寸远远大于触点的高度。生长过程中的生长条件赋予该结构某种海绵性能和弹性。然后这用于使两个板在某些垫片区域机械接触，以便在两个板的相对位移中获得更多控制，并更容易地控制板之间的工作距离。如果弹性垫片均匀分布在板之间的整个面积，施加的外力就维持在整个面积上。
在图22中图解实施例中所用的一套装置。图中显示放在控制系统74中的生长单元(带有进行纳米级位移的装置)简图。图中还显示连接到电源73和标准计算机76(用于进行所有必要的位移控制和加工算法)的连接。所示第二控制仪器75没有纳米级位移装置但允许将生物液体插入生长单元用于研究工作。生长的纳米结构与生物样品液体的反应用第二控制仪器中存在的专门软件和硬件监控。其它类型的控制仪器可以是用于制备和改变Si芯片(用于转变为使用薄膜设备和蚀刻工具的加工芯片)的控制仪器。
以上已经充分详细地描述了本发明的优选实施例，致使本领域的熟练人员可以实施和应用本发明，应该理解可以作出对图解实施例的任何变化和改进而不背离本发明的精神，其中包括改变本发明应用的工艺和材料，以及构成加工单元和控制仪器的特殊方式，因此，本发明并不受限于上述描述和附图，而只是限定于所附的权利要求。
权利要求
1.一种形成至少一种纳米观结构的方法，所述方法包括a.基本上平行地放置第一和第二板，其中至少一个板带有至少一个朝向另一板的电极，b.在板之间提供介质，c.将板放置在初始位置，d.通过将能量从所述至少一个电极传递到介质使所述至少一个电极和与其相对的板之间的介质局部活化，致使在所述介质内诱发生长和/或刻蚀，从而(i)在一个或两个板上从所述至少一个电极生长至少一个第一定位结构；和/或(ii)在一个或两个板上生长和/或刻蚀至少一个第二定位结构，由此形成至少一个纳米观的结构。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述板的至少一个含有电极阵列。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个第一定位结构是预制的。
4.根据权利要求1的方法，其中，每一个所述定位结构可具有定制的高度、深度和/或形状。
5.根据上述权利要求任一项的方法，其中，在所述生长和/或刻蚀过程中维持所述第一定位结构的高度、深度和形状。
6.根据上述权利要求任一项的方法，其中，所述至少一个第一定位结构含有发射电子触点。
7.根据权利要求1至5任一项的方法，其中，所述至少第二定位结构含有功能纳米结构。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述功能纳米结构是选自量子电子装置、量子光学装置、存储装置、传感装置、功能膜、纳米导线和分子电子装置中的至少一个。
9.根据上述权利要求任一项的方法，其中，所述第一和/或第二定位结构的高度、深度和/或形状通过所述两个板的相对位移调节。
10.根据权利要求9的方法，其中，所述位移是纳米级位移。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述至少第一定位结构的生长包括在所述第一和所述第二板上生长至少两个相对排列的第一和第二定位结构直至达到两个相对排列结构之间的预定距离。
12.根据权利要求11的方法，其中，通过监测所述第一和第二定位结构之间的隧道电流、电接触和/或力接触状态获得预定距离。
13.根据上述权利要求任一项的方法，其中，监测所述定位结构的高度、深度和/或形状。
14.根据权利要求1的方法，其中所述至少第一和/或第二定位结构含有在所述第一和/或第二板上生长的结构阵列，并且监测所述定位结构的高度、深度、长度、宽度和/或形状。
15.根据权利要求13或14的方法，其中，监测所述定位结构的高度、深度和/或形状包括以下步骤a.调整所述第一和第二板的相对位置致使所述至少一个定位结构朝向相对设置的板上的板面积；b.向下位移一个板直至达到所述至少一个定位结构和板面积之间的隧道电流、电接触和/或力接触状态；以及c.监测所述至少一个定位结构哪个没有形成隧道电流、电接触和/或力接触状态，在此基础上记录所述至少一个定位结构哪个需要附加生长以达到所希望的高度、深度和/或形状。
16.根据权利要求15的方法，其中，为所述至少一个记录的定位结构提供附加生长以达到所希望的高度、深度和/或形状。
17.根据权利要求15或16的方法，其中，重复监测、记录和生长程序直至达到所述定位结构的所希望的高度、深度和/或形状。
18.根据权利要求14至17任一项的方法，其中，应用所述定位结构阵列的监测、记录和生长程序修复所述结构阵列。
19.根据前述权利要求任一项的方法，其中，所述至少一个第一定位结构用于在由所述至少一个第一定位结构和板的相对位移范围限定的面积上生长纳米结构。
20.根据权利要求1的方法，其中，所述介质是生长和/或刻蚀介质。
21.根据权利要求20的方法，其中，所述介质是冷冻气体和/或冷冻固体和/或冷冻液体和/或电解质。
22.根据权利要求20至21任一项的方法，其中，所述介质进一步包括周期表中第III至VII族的元素和/或分子式为MHx的分子氢化物，其中M表示可与氢形成稳定化合物的任何元素，x是整数。
23.根据权利要求1的方法，其中，活化所述介质包括通过单独控制所述至少一个电极的每一个向相对的板发射电脉冲。
24.根据权利要求23的方法，其中，向至少一个电极施加具有变化的高度、持续时间和/或形式的电压脉冲。
25.根据权利要求1的方法，其中，通过输入装置提供介质并可通过输出装置基本上除去介质。
26.根据权利要求25的方法，其中，所述输入和输出装置适于交换介质以便除去第一种介质并用第二种介质更换它。
27.根据权利要求26的方法，其中，更换生长和/或刻蚀介质之后接着重复生长和/或刻蚀程序。
28.根据权利要求1的方法，其中，纳米级位移包括三维x、y、z位移，例如两维纳米级位移，例如一维纳米级位移。
29.根据权利要求1的方法，其中，所述板的至少一部分是可更换的。
30.根据权利要求1的方法，其中，所述板含有具有电子和导线的加工芯片以形成具有电极的加工表面，和/或该板具备所述至少一个第一和/或所述至少一个第二纳米结构。
31.根据权利要求1的方法，其中，在所述第一和/或第二板上生长和/或刻蚀代码位置信息。
32.根据权利要求31的方法，其中，通过一个或两个板上的至少一个纳米观结构读取代码位置信息。
33.根据权利要求1的方法，其中，在一个和/或两个板上提供弹性支撑用于分布由位移装置施加在板上等同板面积的外力。
34.一种生长和/或刻蚀至少一种纳米结构的装置，所述装置包括a.加工单元，内部包括基本上平行排列定位的第一和第二板，其中至少一个板配有至少一个电极，并且可选地定位结构朝向第二板，b.用于在两个板之间提供介质的装置，c.活化介质的能源，致使所述介质转变为生长和/或在所述介质中诱发刻蚀，d.用于在纳米级位移中位移至少一个板的纳米观位移装置，e.连接到所述电极和加工芯片的通信装置，f.用于控制生长和/或刻蚀工艺的计算机系统。
35.根据权利要求34的装置，进一步包括可更换的加工区域和/或加工芯片。
36.根据权利要求34或35的装置，其中，所述加工单元包括底板、顶板以及连接底板和顶板的可变形材料。
37.根据权利要求34至36任一项的装置，进一步包括适于容纳加工单元的控制仪器，所述控制仪器包括所述位移装置和所述计算机系统。
38.根据权利要求37的装置，其中，所述控制仪器进一步包括可控制的加热和冷却装置。
39.根据权利要求36至38任一项的装置，其中，底板的一部分以及可选择地顶板是可更换的。
40.根据权利要求34的装置，其中，用于在两个板之间提供介质的装置包括输入装置和输出装置，用于引入和去除所述介质。
41.根据权利要求34的装置，其中，所述能源是连接到所述至少一个电极的可控电压源。
全文摘要
本发明涉及一种以可控方式生长纳米结构的方法和装置，其中所述控制包括控制用于纳米观结构生长的电子发射触点。此外，本发明描述一种用于在相同生长工艺中生长多个电子发射触点以及纳米观结构的综合方法和装置。
文档编号B62B1/00GK1656011SQ03811957
公开日2005年8月17日 申请日期2003年3月25日 优先权日2002年3月25日
发明者斯韦登·奥拉夫松 申请人:马特维斯公司