专利名称：微观结构的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及微观结构，尤其是涉及用于包括显微术和数据存储的应用场合的、包含碳纳米管尖头(carbon nanotube tip)的微观结构。
背景技术：
原子力显微术(Atomic Force Microscopy，AFM)是扫描探针显微术(Scanning Probe Microscopy，SPM)中的一种公知形式。在表面成像、纳米尺度分析和处理的应用范围中通常会用到AFM。利用AFM方法进行成像的过程是通过检测一传感器与所要成像样品之间产生的力来实现的，其中传感器为一个尖头的形式，其位于一悬臂梁的端部。在下文中，为了方便一些，尖头和悬臂梁被组合起来称为尖头组件。对于提供交互作用的高度定位限制而言，尖头是一个较为可靠的工具。这种特性开启了其在纳米技术领域中的应用范围。例如，在2000年5月出版的第44卷第3期《IBM研发期刊》(IBM Journal of Research and Development)中，由P.Vettiger等人发表的文章“千足虫—用于未来AFM数据存储的超过一千个尖头(The“Millipede”-More than one thousand tips for future AFM data storage)”中就介绍了一种基于AFM探针技术的数据存储器件，相比于常规存储器件，其具有更小的形状系数、更高的容量、更低的功耗以及更低的成本。这种存储器件所能达到的存储密度取决于尖头的耐用性和质量。因而希望通过高效能比的工艺来使尖头具有最佳的耐用性和质量。人们还希望能制出这种传感器的高度集成化阵列。在一种现有的AFM设备中，决定设备的空间分辨率的尖头组件占据了设备总资产成本(total cost of ownership，TCO)中的主要部分。尖头组件的悬臂梁通常是手工制造的或是成批地微观加工而成的悬臂梁。在设备内的原位，悬臂梁的一端被固定，而另一端则保持自由。尖头位于悬臂梁的自由端上。在工作过程中，悬臂梁能感测到尖头与所探测样品表面之间的相互作用力。由该设备获得的表面观测结果是样品表面形貌以及尖头形状的函数。为了降低噪声干扰，不但希望将尖头制得尽可能地尖锐，而且要使尖头的纵横比(aspect ratio)尽可能地高。尖头的纵横比是其锥角的反函数。但是，由于尖头的纵横比增大，尖头会变得越来越脆弱，并更易于被磨损。一般来讲，通过在尖头耐用性与成像质量两方面因素之间折衷考虑来确定出尖头的形状。
常规尖头组件的一种实例包括一具有集成硅尖头的微观制造悬臂梁。尽管该技术相比于手工制造的悬臂梁在制造成本方面具有一定的经济性，但其造价仍然是较为昂贵的。此外，在正常工作过程中，硅尖头会受到磨损。尖头的磨损可造成不稳定的成像结果。尖头的磨损也会使设备的尖头成为了一个易耗件，从而需要付出定期尖头检查和更换的时间成本。希望能减少这种检查和尖头更换的要求。
专利文件WO 99/56176公开了一种制造带有尖头的悬臂梁的方法，其包括步骤在一衬底中制出一尖头状凹痕；淀积一光致抗蚀剂层，该光致抗蚀剂层填实了尖头状凹痕并覆盖所述衬底的至少一部分；以及用光刻方法对光致抗蚀剂层构图，从而形成带有尖头的悬臂梁，所述尖头用光致抗蚀剂制成。相比于前述的硅技术，这种技术本身就能低成本地实现塑性悬臂梁的批量微观制造。
在1999年5月出版的第70卷第5期的《科学设备周报》(Review ofScientific Instruments)的第2398-2401页，由G.Genolet等人发表的文章“用于扫描力显微术的柔软、完全光范性的探针(Soft，entirely photoplastic probesfor scanning force microscopy)”中，公开了一种完全由塑料材料制成的、用于扫描探针显微术的探针。一种聚合物被用来制造悬臂梁。聚合物所能提供的机械性能是很难由经典的硅技术达到的。该制造工艺属于批量制造工艺，在此工艺中，集成到一起的尖头和杆是在同一个光刻步骤中定义出的。
在2000年11月20日出版的第77卷第21期“应用物理信函(AppliedPhysical Letters)”中，R.Stevens等人发表了文章“用于碳纳米管探针器件的改进制造方法(Improved fabrication approach for carbon nanotube probedevices)”，该文章公开了一种用于简单而有效地制造碳纳米管探针器件的改进工艺。该工艺需要两个步骤。首先，利用化学气相淀积方法形成一纳米管筒(nanotube cartridge)。然后，利用电场将纳米管从筒转移到器件上。
其上安装有碳纳米管的Si和/或氮化硅尖头是可从市场上购得的，例如，PIEZOMAX技术公司就出品此类产品。首先生长出纳米管，然后用人工将其安装到尖头上。而后，通过一系列交替进行的缩短和复检步骤，对所附纳米管的长度进行反复调整。可以理解这一系列生产步骤既消耗时间和财力，也不适于批量生产。此外，这样制得的尖头组件的耐用性将取决于纳米管与尖头之间的接合性能。
通常，按照现有限制下的上述常规技术所制得的尖头组件的质量和耐用性尚未达到应用领域目前对这类设备所期望的最佳程度。另外，在不另外增加成本的情况下，很难用常规的方法实现此类尖头组件的再现性。因而，如上文提到的那样，希望能提供一种制造成本低廉且具有最佳质量、耐用性和通用性的微观结构例如尖头组件。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于形成微观结构的方法，该方法包括步骤在一衬底上淀积一种籽晶材料；由籽晶材料生长出一纳米管；在衬底上淀积微观结构材料，以便于将纳米管埋入到微观结构材料中；以及，将衬底分离，以释放所述微观结构。
优选地是，该方法还包括步骤在释放微观结构之前，对微观结构材料进行成形。微观结构材料可包括如下材料中的任何一种聚合物、介电材料、金属、以及多晶硅。可用如下材料中的任一种来形成衬底硅、玻璃、石英、陶瓷、以及塑料。优选地是，籽晶材料包括第一前驱体材料和第二前驱体材料的交替设置层。第一前驱体材料优选地包括富勒烯材料，且第二前驱体材料优选地包括场敏感性材料。富勒烯材料可以包括碳60材料或碳82材料，且场敏感性材料可以包括Ni、Co、Fe、以及Mo中的某一种。在本发明一优选实施方式中，富勒烯材料包括碳60，而场敏感性材料包括镍。优选地是，纳米管的生长过程包括在真空条件下对衬底进行加热；以及向衬底施加一个场。在本发明的一优选实施方式中，真空条件包括氧气压力大于10-5毫巴。其中的加热操作优选地包括将衬底的温度升高到900到1000摄氏度之间。所施加的场可以包括一磁场。优选地是，磁场的施加方向正交于衬底的表面。在本发明的优选实施方式中，磁场强度大于或等于50高斯。作为补充方案或替代措施，所施加的场也可以包括电场。优选地是，所施加的电场垂直于衬底的表面。所述分离步骤优选地包括步骤在淀积悬臂梁材料之前，在衬底表面上淀积一牺牲层；以及在淀积了微观结构材料之后，将牺牲层浸入到一种电解液中。优选地是，牺牲层包括一阳极子层和一阴极子层。阳极子层可由如下材料中的一种组成Al、Zn、Cr、Fe、以及Co，而阴极子层则包括贵金属。阴极子层可包括Au、Pd、Pt、Ag、以及Cu的任意一种。
在本发明一优选实施方式中，淀积籽晶材料的步骤包括在衬底上淀积一光致抗蚀剂层；在抗蚀剂层中形成一个孔；利用一抗蚀剂层对衬底执行掩蔽，以便于将籽晶材料定位在由孔限定的衬底上的位置处；以及，去除掉抗蚀剂层，以去掉多余的籽晶材料。优选地是，形成孔的步骤包括对抗蚀剂层执行底部蚀刻以便在抗蚀剂层中形成一腔。
本发明的另一实施方式包括步骤在衬底中形成一个尖头形状的图像，由此形成了一个用于接纳微观结构材料的模具。优选地是，形成尖头图像的步骤包括在衬底上淀积一光致抗蚀剂层；在光致抗蚀剂层中形成一孔；以及，底部蚀刻在光致抗蚀剂层下方的衬底，以此来形成尖头图像。优选地是，淀积籽晶材料的步骤包括利用抗蚀剂层对衬底进行掩蔽，以便于将籽晶材料定位到尖头图像的顶点处；以及，去除掉抗蚀剂层，以去掉多余的籽晶材料。
从另一方面来看本发明，本申请提供了一种微观结构，其包括一主体部分和埋入到主体部分中的纳米管。
主体部分可包括一悬臂梁，纳米管埋入到悬臂梁中并从梁的一端侧向延伸出。作为等效方案或补充方案，主体部分可包括一侧向延伸的尖头，纳米管埋入到尖头内并从尖头的顶点延伸出。主体部分可由如下材料中的任一组成聚合物、介电材料、金属、以及多晶硅。
可以理解本发明扩展至一种微机械传感器，其包括上述的微观结构。本发明还扩展至一种数据存储器件，其包括此类传感器的一个阵列，该传感器阵列用于从一存储表面读出数据或将数据写到该存储表面上。
有利地是，本发明提供了一种较此前描述的现有尖头组件更为坚固的尖头组件，原因在于纳米管被埋入到了尖头材料中。本发明的另一个优点在于由于纳米管为所要分析的表面提供了更小的顶点半径，所以使成像分辨率获得了很大的提高。此外，纳米管能对更为粗糙的表面进行成像，原因在于其提供了更大的高度与宽度的形状比。此外，纳米管具有一定的电弹性，由此使尖头组件获得了额外的坚固性和改进的接触力。更进一步，由于作为巨大分子的纳米管也可为尖头提供一个可以预测的功能平台，利用其它的分子(例如具有生物化学特性的分子)可使其具有一定的功能，从而可制出用于化学和生物传感器的扫描探针。
优选地是，传感器包括一束纳米管，这些纳米管从尖头的顶点部分延伸出。优选地是，纳米管束从尖头的顶点部分突出。悬臂梁可包括光范性材料、金属、以及多晶硅中的任一种材料。
本发明还涉及一种数据存储器件，其包括上述传感器的一个阵列，用于读取一储存表面上的数据或写入数据到储存表面上。
本领域技术人员基于对下文中所描述的优选实施方式的仔细理解，可清楚地领会本发明的其它优点。
下文将参照附图对本发明的优选实施例进行描述，但这些实施例仅是示例性的，在附图中图1A到图1J表示了根据本发明的微观结构制造方法的各个步骤；图2A到图2J表示了根据本发明的另一种微观结构制造方法的各个步骤；以及图3中的结构图表示了一种局部探针存储器件，其带有一尖头阵列。
具体实施例方式
下面将参照图1对根据本发明的、制造微观结构的一种示例性方法进行描述。对图1中方法的描述是结合制造一微机械悬臂梁尖头组件形式的微观结构的制作过程进行的，该组件带有一埋入到用可模压材料制成的尖头中的碳纳米管晶体。但是，可以理解，该方法同样也适用于制造其中埋有纳米管的其它微观结构。
首先参见图1A，最初，在一衬底1上淀积一光致抗蚀剂材料层2。在本发明的优选实施例中，衬底1是由硅制成的。但是，在本发明的其它实施方式中，衬底1可由不同的材料制成，这些材料例如是玻璃、石英、陶瓷、塑料等。对本领域技术人员来讲，其它适当材料也将是很显然的。在本发明一特别优选的实施方式中，光致抗蚀剂层2是通过旋涂的方法进行淀积的。但是，在本发明的其它实施方式中，也可用不同的技术来淀积抗蚀剂层2，这些技术例如是物理气相淀积或化学气相淀积。在抗蚀剂层2中打开一个直径约为300nm的孔3，以便露出下层衬底1的硅。在本发明的一优选实施方式中，孔3是通过光刻法制成的。但是，可以理解，在本发明的其它实施方式中，也可采用不同的工艺来制出孔3。
下面参见图1B，然后在抗蚀剂层2下方的衬底1中形成一个锥形腔4。腔4大致是所要制造的传感器尖头的图像。在本发明一特别优选的实施方式中，腔4是通过对抗蚀剂层2下方的衬底1执行底部蚀刻(under-etching)而形成的。可采用各向同性或各向异性等离子蚀刻的方法来实现该底部蚀刻。在本发明的其它实施方式中，也可采用其它不同的技术来形成腔4。
参见图1C，然后在抗蚀剂层2上淀积一纳米管籽晶层5。在本发明一特别优选的实施方式中，籽晶层5是利用热蒸发的方法淀积上去的。但是，在本发明的其它实施方式中，也可以采用其它不同的技术来淀积籽晶层5，这些技术例如是物理气相淀积或化学气相淀积。
在本发明的优选实施方式中，其中衬底1是由硅制成的，至少在腔4的顶点处设置一保护层。该保护层可防止构成籽晶层5的材料扩散到衬底1中。在本发明一尤其优选的实施方式中，保护层是由二氧化硅制成的。在本发明的另一优选实施方式中，保护层是由钼制成的。
籽晶层5包括一第一前驱体材料和一第二前驱体材料，第一前驱体材料包括富勒烯分子(fullerene molecule)如C60、C70、C82、或C116，第二前驱体材料包括催化剂。在本发明特别优选的实施方式中，第一前驱体材料包括富勒烯分子C60，且催化剂包括一种磁性材料，该磁性材料例如是从Ni、Co、Fe、Mo组中选出的一种或多种金属。
在本发明的优选实施方式中，第一前驱体材料和第二前驱体材料被交替地淀积成层。优选地是，按照这种方式交错叠置各种前驱体材料的5和10之间的层。在本发明一特别优选的实施方式中，每层前驱体材料的厚度都在5到30nm之间。在利用蒸发方法淀积籽晶层5的过程中，抗蚀剂层2作为遮光掩模而将一部分籽晶层5以丸粒6的形式引导到腔4的顶点处。这样，在腔4的顶点处，纳米管可控生长的条件例如籽晶材料的定位以及微观尺度缺陷的存在得到了最优化。
可在压力约为10-9托的条件下执行前驱体材料的蒸发。可借助于一带有原位天平(in situ balance)的机电闸板来监控前驱体材料的淀积速率，从而实现对蒸发过程的控制。这样就可以对蒸发过程进行调节，使得各层的厚度随着与衬底1距离的增大而变薄。这种厚度的减小会提高产量。另外，厚度的减小还能导致更少的催化剂被输送到生长着的纳米管晶体的尖头。某些理想的催化剂(例如镍)的蒸发在技术实现上是困难的。这种困难使得人们希望仅使用制造过程最小必需量的催化剂。因此，较薄的层可减小催化剂材料的用量。由于晶体的生长过程是从丸粒6的基部开始的，随着层的厚度被减薄，从远离衬底1的层输送的材料减少。
参见图1D，然后将抗蚀剂层2去掉，从而使籽晶层5的大部分浮脱(lifting-off)。但是，丸粒6仍留在腔4的顶点处。在本发明一特别优选的实施方式中，抗蚀剂层2是通过湿式或干式蚀刻工艺去掉的。在本发明的其它实施方式中，也可以采用不同的工艺来去除抗蚀剂层2。在本发明的优选实施方式中，丸粒6的直径在300nm的数量级。但是，在本发明的其它实施方式中，籽晶丸粒6也可以具有更大或更小的直径。
参见图1E，然后从位于腔4顶点处的丸粒6生长出一个纳米管晶体7。晶体7可包括一束纳米管，或者更为优选地，是单根纳米管。在本发明的优选实施方式中，通过在真空环境中以及存在磁场或电场或磁场和电场组合的条件下对衬底1执行加热，就可激活晶体7的生长。在本发明的某些实施方式中，可在充分惰性气体氛围中对衬底1进行加热。
在本发明一优选实施方式，衬底1被加热到900到950摄氏度之间。在本发明的优选实施方式中，真空条件被设置为氧气压力大于10-6mbar。在本发明一优选实施方式中，在存在磁场的情况下执行加热，该磁场垂直于衬底1所在的平面，其强度在大于或等于50高斯的区间内。晶体7沿所加磁场的方向生长，从而，其在垂直于衬底1平面的方向上延伸。
在本发明的另一实施方式中，晶体7的生长是在施加电场的情况下进行的，该电场的延伸方向垂直于衬底1的平面，以促进晶体7在与衬底1平面垂直的方向上生长。
在本发明一特别优选实施方式中，在10-6托的真空条件下，在施加正交磁场持续约3分钟和约30分钟之间时间段的前提下，通过将衬底加热到950摄氏度激发了晶体7的生长。
一般情况下，分钟范围内的加热时间就能获得足够的生长。时间更长的加热不会对结果造成显著改善。在本发明的另一优选实施方式中，采用10-9托的真空度。
丸粒6的尺寸决定了纳米管晶体7的生长过程中所用到的前驱体材料的总量。因而，丸粒6提供了前驱体材料的贮存器，由该贮存器供应纳米管晶体材料。预定出丸粒6的材料供应量具有这样的效果纳米管晶体7的生长过程中所用的不同前驱体材料被预先确定出了用量和位置。因而，前驱体材料的分子运动被局限在丸粒6内，由此可实现更为确切的生长和定位。前驱体材料的相对浓度会对纳米管晶体7的生长产生影响。然而此外，将前驱体材料局限在丸粒1中使得两种前驱体材料的比例更为确定。
所加场越强，丸粒6可生长成的晶体7就越大，原因在于引导第二前驱体材料的力更强。丸粒6的形状并不一定要为圆形或方形。其它的形状也是可行的。但是，为了对称的原因，其形状优选为圆形。纳米管束可包括一根到几百万根纳米管。
可将成核位置设定在衬底1上，以实现纳米管晶体7的可控定位。例如可通过穿过抗蚀剂层2蒸发一种材料例如钨来形成该成核位置。由于抗蚀剂层2具有屏蔽遮挡的作用，为成核材料所设置的蒸发器被定位为足够远离为前驱体材料所设置的蒸发器，这样可自动形成靠近丸粒6的成核位置。希望能将为前驱体材料所设的蒸发器布置得尽可能地紧密，以防止丸粒6中交替设置的前驱体层发生横向错位。
如上文所提到的那样，可使用一带有原位石英晶体微量天平的机电闸板来确保不论是富勒烯材料还是催化剂材料都被依次地蒸发，从而使所形成的丸粒6具有理想的构造，其中微量天平用于对淀积率进行监控。这种技术可在由孔3和衬底1的相对位置确定出的位置上制出丸粒6。对富勒烯材料和催化剂材料的选择会影响到对衬底1的选择。
利用如下的衬底1可获得合格的结果其是用二氧化硅或钼制成的，其形式为溅射到硅晶片上的一层固态膜。
在本发明一特别优选的实施方式中，当在衬底1上蒸发由交替布置的碳60层和镍层组成的丸粒6之后，在10-6mbar的真空度下，将结构加热到950℃，加热时间被选定为在几分钟到一个小时之间。在加热处理过程中，通过将衬底浸入在垂直于衬底表面定向的磁场内，可使所形成的纳米管7的生长方向垂直于衬底1的表面。约为1.5特斯拉的场强就能实现理想的结果。施加电场、电磁场或磁场可引导单壁碳纳米管的自组装和构造。其中的电场可以是交流电场或直流电场。电磁场也可以是接近可见光的电磁场(optical near field)，例如可以是激光场。此外，在生长过程中，还可以施加原子力或范德华力。
第二前驱体材料的运动方向受所施加场的主导。这样，场与第二前驱体材料相互配合，使得第二前驱体材料受场的影响而可以运动。该特性的原因可以是第二前驱体材料是磁性的、或者带有电荷、或二者兼之，或者第二前驱体材料具有受到所加场影响的其它性质以产生活动力。
在本发明优选实施方式中制得的纳米管束7的直径一般在40nm到900nm之间，长度可达2微米。其中的纳米管是直线性的，且是单层壁的碳纳米管，这些纳米管构成了与衬底垂直的直线型束。捆束中的壁直径是大致均匀的，范围在约1.4nm到2.3nm之间。壁直径与捆束直径为反比关系，因为在大直径束中，小的壁直径是主要的，而在小直径捆束中，大的壁直径占有优势。典型束的长度约为750nm，直径在约20nm到约100nm之间，且带有一个弯曲的端帽，其中每一根纳米管的直径约为1.6nm。纳米管基本上不带有不均匀部分或缺陷。这种非凡的结构完美是采用上述纳米管生长技术制得的纳米管的一个特征。在本申请人的待审专利申请CH9-2001-0071中公开了该技术的进一步细节内容。
下面参见图1F，在衬底1上淀积一牺牲层8。可采用多种技术来淀积该牺牲层，这些技术包括物理气相淀积或化学气相淀积。
牺牲层8包括两种具有不同氧化—还原电势的导电电极材料。组成牺牲层8的两种材料的淀积按照以下方式进行使得两材料之间发生电接触。两种材料相互配合以形成一原电池，且每种材料构成了该电池的不同电极。氧化-还原电势较高的电极构成了阴极，而氧化—还原电势较低的电极则构成了阳极。该原电池具有足够高的电化学势能，从而当该牺牲层8被浸入到合适的电解液中时，其中的一种材料就被电蚀刻掉了。在本发明一优选实施方式中，首先淀积阴极，然后将阳极淀积到阳极的顶部，从而使得阴极不会从待制得的传感器释放。电极可由金属或掺杂半导体制成。在本发明的某些实施方式中，阴极可由衬底1来充当。
可用金属来制成电极。优选地是，阴极包括诸如Au、Pd、Pt、Ag、Cu等贵金属，而阳极则包括从由Al、Zn、Cr、Fe、Co等构成的组中选出的金属，或者掺杂半导体。
阳极与阴极的氧化-还原电势之间的差异应当尽可能地大，从而能达到最大的电蚀刻效率。可按照液体或蒸汽环境的形式引入电解液，从而形成一个原电池，该原电池的电势足够高以对阳极进行蚀刻或促进对阳极的蚀刻。在本发明一特定优选实施方式中，所使用的电解液是一种公知的酸性溶液，其用于对阳极材料进行蚀刻。阳极和阴极可以非常薄(在约10nm的范围内)，不过却能产生高度可控性和快速的底部蚀刻(under etching)。
在属于本申请人的待结专利申请CH9-2000-0081中公开了有关该牺牲层释放技术的进一步细节内容。利用上述牺牲层释放技术将微观结构从模具中解脱出来的优势在于该技术非常适于将微观结构从预先构造的衬底释放出来。
参见图1G，然后在牺牲层8上淀积一层悬臂梁材料9。可采用多种技术来淀积悬臂梁材料9，这些技术包括物理气相淀积或化学气相淀积。参见图1H，然后对悬臂梁材料执行成形。转到图1I，而后在悬臂梁层9上淀积了悬臂梁的主体部分10。而后对该主体部分执行成形。可利用很多工艺来执行上面结合图1H和图1I所描述的成形步骤，这些工艺包括光刻法、湿式蚀刻、以及等离子蚀刻。
在本发明的优选实施方式中，主体部分10和悬臂梁层9是由相同悬臂梁材料制成的。该悬臂梁材料可以是一组材料中的一种或多种，这组材料例如是聚合物、介电材料、金属、或多晶硅。在本发明特别优选的实施方式中，悬臂梁材料包括诸如SU-8的光构型(photo-structurable)聚合物。
下面参见图1J，之后，通过将衬底1浸入到电解液环境中并如上文所述那样对牺牲层8执行电蚀刻，就可将制造完成的悬臂梁11从衬底1释放开。该释放过程会将纳米管晶体7的一个端部露出，但却不会对悬臂梁层9和主体10造成影响。牺牲层8的厚度决定了纳米管晶体7的长度，进而决定了其机械特性。纳米管晶体7的侧向机械刚度取决于其长度和纵横比。
在上述的本发明一优选实施方式中，采用牺牲层8来实现悬臂梁11的释放。但是，在本发明的其它实施方式中，也可采用其它的释放技术。例如，通过在将悬臂梁11从衬底1中拉出时破坏掉粘附力也能简单地实现悬臂梁的释放。可利用牺牲层8的厚度来调整纳米管晶体7的长度。但作为备选方案，也可通过在牺牲层8与悬臂梁材料9之间淀积一缓冲层(图中未示出)来对纳米管晶体7的长度进行调整。在浮脱之后，于是该缓冲层被去掉。在本发明一特别优选实施方式中，利用蚀刻方法将缓冲层去掉，而悬臂梁11则未受到蚀刻剂的影响。在本发明的另一优选实施方式中，未设置缓冲层，在浮脱之后，特意利用蚀刻剂将悬臂梁弄细，以便于露出被埋置的纳米管晶体7。
下面将参照图2对根据本发明的、用于制造微观结构方法的另一种示例进行描述。图2中的方法是上文参照图1所描述方法的改型。此外，下文对图2中方法的描述同样是结合制造微观结构的情况进行的，其中的微观结构为微机械悬臂梁尖头组件的形式，该组件具有一嵌入到可模制材料中的碳纳米管晶体。但是，也很显然的是图2中的方法也同样适用于制造其中埋有纳米管的其它微观结构。
参见图2A，光致抗蚀剂层2也被淀积到衬底2上。
再参见图2B，例如利用对抗蚀剂层2进行曝光和显影的方法，也在抗蚀剂层2中形成孔3。但是，现在对孔3执行底部蚀刻而在抗蚀剂层2中形成开口缩小的腔。
参见图2C，此时，利用上文参照图1所描述的遮挡掩模技术，经抗蚀剂层2中的缩小开口将丸粒6淀积到衬底1上。
再参见图2D，然后将抗蚀剂层2从衬底2上去掉，只将丸粒6留在衬底2上。
参见图2E，然后按照上文参照图1所描述的技术使纳米管晶体7生长。
参见图2F，然后在衬底1上淀积一层悬臂梁材料9，从而将纳米管晶体7吞没。优选地是，利用旋涂方法将悬臂梁材料9淀积到衬底1上。在本发明的一特别优选实施方式中，悬臂梁材料是诸如SU-8的光构型聚合物。
参见2G，然后在衬底1上对悬臂梁材料9执行原位构型。
下面参见图2H，将悬臂梁材料9以及其中埋置的纳米管一起从衬底1上拆分下来。例如可借助于上文结合图1所描述的释放技术中的一种来释放悬臂梁材料9。在采用了上文参照图1所描述的牺牲层释放技术的情况下，在如图2A所示那样淀积抗蚀剂层2之前，先在衬底1上优选地淀积牺牲层。
参见图2I，原先与衬底1相接触的悬臂梁材料的表面被减薄，从而露出纳米管晶体7的一端。而纳米管晶体7的另一端仍埋在悬臂梁材料9中。
参见图3，按照上述方法制得的悬臂梁可被应用到二维悬臂梁传感器阵列20中，该传感器阵列20用于一局部探针数据存储器件21。在该器件21中，传感器阵列20相对于一存储表面22在平行于该表面的正交方向上执行扫描。在传感器阵列20扫描过表面22的过程中，阵列20中的尖头23对制在表面22中的凹坑以及所记录数据的代表物进行检测。同样，也可以向尖头23施加能量从而在表面22中形成凹坑，由此将数据记录到表面22中。有关这种存储器件21的细节内容可参见上文提到的、由Vettiger等人发表的论文中。按照本发明制得的悬臂梁传感器尤其适用于这种存储装置，原因在于其具有直径仅为几十纳米的尖头，而相比于现有的尖头，本发明的尖头具有更高的纵横比。当使用了较厚的聚合物膜(厚的聚合物膜意味着更好的回读灵敏度)时，则制在聚合物中的凹坑的尺寸将不会太宽。至于纳米管的成像磨损，将不会影响分辨率，从而不会影响存储密度。另外，纳米管晶体的热导性应当优于硅尖头的热导性。
上文参照用于显微术和数据存储用途的微观结构对本发明的优选实施方式进行了描述。但是，可以领会本发明也同样适用于其它多种用途的微观结构。例如，本发明同样适用于诸如场致发射尖头的电荷发射型微观结构。这种尖头可被用在多种不同的用途中，包括显示装置。
权利要求
1.一种用于形成微观结构的方法，该方法包括步骤在一衬底上淀积一籽晶材料；由所述籽晶材料生长出一纳米管；在所述衬底上淀积微观结构材料，以便于将所述纳米管埋入到所述微观结构材料中；以及，将所述衬底分离以释放所述微观结构。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤在释放所述微观结构之前，对所述微观结构材料进行成形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述微观结构材料包括聚合物、介电材料、金属、以及多晶硅中的任何一种。
4.根据上述权利要求任一所述的方法，其中所述衬底由硅、玻璃、石英、陶瓷、以及塑料中的任一种形成。
5.根据上述权利要求任一所述的方法，其中所述籽晶材料包括第一和第二前驱体材料的交替层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一前驱体材料包括富勒烯材料，和所述第二前驱体材料包括场敏感性材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述富勒烯材料包括碳60和碳82的任意一种，且所述场敏感性材料包括Ni、Co、Fe和Mo中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述富勒烯材料包括碳60，而所述场敏感性材料包括镍。
9.根据上述权利要求的任一项所述的方法，其中纳米管的生长过程包括在真空条件下加热所述衬底；以及向所述衬底施加一场。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述真空条件包括氧气压力大于10-5毫巴。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述加热操作包括将所述衬底的温度升高到900和1000摄氏度之间。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的方法，其中所施加的场包括一磁场。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述磁场的施加方向正交于所述衬底的表面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述磁场大于或等于50高斯。
15.根据权利要求9到11中任一项所述的方法，其中所施加的场包括一电场。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述电场的施加方向垂直于所述衬底的表面。
17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分离步骤包括在淀积所述悬臂梁材料之前，在所述衬底的表面上淀积一牺牲层；以及，在淀积了所述微观结构材料之后，将所述牺牲层浸入到一电解液中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述牺牲层包括一阳极子层和一阴极子层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述阳极子层包括Al、Zn、Cr、Fe和Co中的任意一种，而所述阴极子层包括一贵金属。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述阴极子层包括Au、Pd、Pt、Ag以及Cu的任意。
21.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中淀积籽晶材料的步骤包括在所述衬底上淀积一光致抗蚀剂层；在该抗蚀剂层中形成一孔；利用该抗蚀剂层掩蔽所述衬底，以便于将所述籽晶材料定位在由所述孔限定的所述衬底上的位置处；以及，去除掉所述抗蚀剂层以去掉多余的籽晶材料。
22.根据权利要求22所述的方法，其中形成孔的步骤包括对所述抗蚀剂层执行底部蚀刻从而在所述抗蚀剂层中形成一腔。
23.根据权利要求22之前的任一项所述的方法，还包括步骤在衬底中形成一尖头图像，由此形成了一用于接纳所述微观结构材料的模具。
24.根据权利要求24所述的方法，其中形成尖头图像的步骤包括在所述衬底上淀积一光致抗蚀剂层；在所述光致抗蚀剂层中形成一孔；以及，底部蚀刻在所述光致抗蚀剂层下方的所述衬底以此来形成所述尖头图像。
25.根据权利要求25所述的方法，其中淀积籽晶材料的步骤包括利用所述抗蚀剂层掩蔽所述衬底，以便于将所述籽晶材料定位到所述尖头图像的顶点处；以及，去除掉所述抗蚀剂层以去掉多余的所述籽晶材料。
26.一种微观结构，其包括一主体部分和埋入到所述主体部分中的纳米管。
27.根据权利要求27所述的微观结构，其中所述主体部分包括一悬臂梁，以及所述纳米管埋入到所述梁中并从所述梁的一端侧向延伸出。
28.根据权利要求27或28所述的微观结构，其中所述主体部分包括一侧向延伸的尖头，且所述纳米管埋入到所述尖头内并从所述尖头的顶点延伸出。
29.根据权利要求27到29中任一项所述的微观结构，其中所述主体部分包括聚合物、介电材料、金属、以及多晶硅中的任一种。
30.一种微机械传感器，其包括如权利要求27到30中任一项所述的微观结构。
31.一种数据存储器件，其包括如权利要求31所述的传感器的阵列，其用于从一存储表面读出数据或将数据写到该存储表面上。
全文摘要
本发明公开了一种用于形成微观结构的方法。该方法包括步骤在一衬底上淀积一籽晶材料；由籽晶材料生长出一纳米管；在衬底上淀积微观结构材料，以便于将纳米管埋入到微观结构材料中；以及将衬底分离以释放所述微观结构。所形成的微观结构包括一主体部分和埋入到主体部分中的纳米管。
文档编号B82B3/00GK1599939SQ02824308
公开日2005年3月23日 申请日期2002年11月21日 优先权日2002年1月15日
发明者格雷厄姆·格罗斯, 米歇尔·德斯庞特, 厄斯·T·杜里格, 格雷戈里·吉诺里特, 雷托·施利特勒, 彼得·维蒂格尔 申请人:国际商业机器公司