专利名称：用于传导性纳米结构的缺陷和传导性处理的方法
技术领域：
本发明涉及用于一个纳米结构中的单独部分或单独区域或纳米结构的单元的缺陷和传导性处理的方法。在本发明的意义上，术语“缺陷和传导性处理”必须在其尽可能宽的范围内加以理解，既包括纳米结构中缺陷的修复，即具有裂口的纳米结构的裂口边缘之间的连接，也包括纳米结构中单独部分的传导性的修正或调整，即在所述纳米结构的特定部分或单元中的传导性的加强和降低。术语“单独部分的处理”覆盖所有处理，所述处理的指向和目标只是纳米结构的一部分或局部，而不是同时以相同方式，即通过完全加热带有纳米结构的基片处理整个纳米结构。
背景技术：
在S.Fullam的“Carbon Nanotube Template Self-Assembly andThermal Processing of Gold Nanowires”(Advanced Materials(2000)，12，No.19，pages 1430 ff.)出版物中，公开了一种用于加强纳米结构组件的传导性的方法，其中整个组件在300℃范围的高温下被加热长达120秒，从而在所述纳米结构的相邻晶体间产生熔接。
Florian Banhart在其发表的“The Formation of a Connectionbetween Carbon Nanutubes in an Electric Beam”(Nano Letters2001，Vol.1，No.6，第329-332页)中公开了通过聚合碳氢化合物并将其转移到无定形碳中来链接交叉多层纳米管的可能性，从而将两个交叉纳米管焊接在一起，并在其中间建立机械连接，其中所述无定形碳是稳定的，并保持在受辐照区域中。
T.R.Groves在其发表的“Theory of beam-induced substrateheating”(J.Vac.Sci.Technol.B14(6)，Nov/Dec 1996，pages3839 ff，by American Vacuum Society 1996)中描述了波束感应基片加热的基本原理以及加热与波束功率和图案密度之间的关系。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法，用于传导性纳米结构中一个单独部分的缺陷和传导性处理，该方法只把所述结构的所述单独部分作为目标，而基本上不改变该传导性纳米结构的其它部分，从而该方法将会快速、可靠，并具有在较大面积上的选择性，根据另一方面，本发明还将提供与自动缺陷和传导性检查方法相结合的可能性。
该目的是通过根据权利要求1的方法和利用根据权利要求18的扫描电子显微镜(SEM)而实现的。权利要求2-17涉及本发明方法的具体优选实现，权利要求19和20涉及用于该方法的扫描电子显微镜的优选实施例。
根据本发明，提供了用于传导性纳米结构中一个单独部分的缺陷和传导性处理的方法，该方法通过将聚焦的电子束引导到待处理的结构的所述单独部分上而产生热感应的所述纳米结构的传导性材料的迁移、熔化、溅射、和/或蒸发。
目标传导结构的波束感应发热是材料改变效应，即迁移、熔化、溅射、和/或蒸发的原因。借此，根据本发明的方法提供了一种可以很方便应用的用于修复缺陷的方法，沿多种纳米传导结构的传导性的增强和调整，特别是作为创造性的方法可以应用于不同的纳米传导结构及其物理属性，特别是其熔点等。
通过采用聚焦电子束，有可能处理将传导性减小到零的缺陷，即传导性减小的区域或甚至裂口，而不会影响所述纳米传导结构的其它部分。因此，有可能按照特殊要求处理纳米结构，特别是构造特殊的纳米设计，这对于提供纳米结构作为从例如金属和半导体纳米晶体或其它材料制造小型化处理数据设备来说特别重要，如纳米电路集成区域。
本发明对于提供由DNA作为模板的纳米导线的传导纳米结构特别有用，其通过选择性的自组装驱动金属化或例如多晶金属纳米导线而使得具有高传导性。
上述包括DNA纳米导线的传导纳米结构通常是在具有2-500nm氧化物厚度的硅基片上精确制作的，但是，本发明的方法也可以用于在各种基片材料上的传导纳米结构。
本发明方法还可以用于将单独的纳米晶体或晶界熔合在一起，以便例如增加晶粒状传导结构的传导性。同样，在本发明的意义上，这些晶界或单独纳米晶体应当被理解为“传导纳米结构”。
本发明方法优选地可以用于传导纳米结构中的裂口区域，从而聚焦的电子束被引导到还覆盖缺陷边缘的所述裂口区域上。从而通过在该缺陷边缘传导性材料的熔化、溅射和/或蒸发而产生的热感应迁移导致裂口被填充，所述缺陷边缘被连接，从而闭合所述裂口，提供传导性纳米结构。
上述聚焦的电子束的参数取决于传导纳米结构的材料，也取决于期望的效果，并可以用于待处理的纳米结构。
优选的波束电压，特别是对于上述由DNA作为模板的纳米导线(其可以通过例如选择性地镀金而金属化)，以及对于其它材料和纳米结构，最好在0.1-50kV范围内，尤其是在3-10kV之间，最好在大约5kV范围内。
优选的电流密度为1-100A/cm2范围内，尤其是10-50A/cm2范围内，最好是在大约20A/cm2范围内。优选的绝对波束电流为10-1000pA范围内，优选是20-500pA范围内，最好是在200-400pA范围内。应用这样低能量的波束就足以在很短的作用时间内实现所述处理，尤其是缺陷修复和传导性的增强，最好是在大约2-30秒的范围，通常在10-20秒之间，特别是在上述金属化的DNA纳米导线的情况下，但是，作用时间或扫描时间当然取决于纳米结构材料和基片材料。根据材料属性，特别是待处理材料的热传导性，作用时间还可以增加到1分钟，或者在特殊情况下，到几分钟。
电子束的扫描窗口最好调节为缺陷区域(或大体上待处理的区域)，但是，所述区域或待处理区域必须位于扫描窗口的中心。所述扫描窗口可以具有不同的几何形状，在通常的圆形扫描窗口的情况下，其直径在10-100nm之间，在矩形扫描窗口的情况下，其边长在10-100nm之间。最好扫描窗口的直径或边长在50-100nm间。
但是，也可以使用更小的扫描窗口尺寸，还可以省略电子束的扫描，而直接将电子束聚焦到中心点或待处理的位置。通常在扫描情况下，电子束的直径小于在直接聚焦情况下的直径。
通常电子束的直径在1-50nm范围内，特别是在5-20nm范围内，最好是大约10nm。
优选的电子剂量在1-500mC/cm2，最好在10-200mC/cm2之间，特别是对于纳米结构特殊区域的一步处理，范围在50-100mC/cm2之间。但是，电子剂量也可以高达几十C/cm2，最好在10-50C/cm2范围内。特别是用大约20mC/cm2的较高的电子剂量，可以获得非常高的表面温度，通过传导材料的迁移、熔化、溅射和/或蒸发，在金属化的纳米结构中引起上述结构变化。
根据本发明一个独立的创造性方面，也可以通过将电子束引导到待检查的结构部分上并检测向后散射的电子来检查传导纳米结构。
在这方面，很重要的是应当注意向后散射的电子携带要求的关于表面的电子信息，允许所述纳米结构传导性的检查和研究，但是，由电子束的一次电子产生的二次电子一般不提供相对于传导性变化的有用的相反变化，而是通常只携带所述表面的拓扑信息。
因此，最好实现一个滤波器，用于只检测向后散射的电子，而在这个意义上的术语“滤波器”必须在尽可能宽的意义上理解，包括例如特殊的检测器或特殊的检测器装置，或一个或多个可能与不同检测器元件组合的加速或减速场，以便只根据或主要根据向后散射的电子接收或计算信号或信息。
因此，根据本发明该方面对向后散射的电子的分析可提供向后散射的电子图，该图具有分别与传导纳米结构中的缺陷或该纳米结构中的传导率直接相关的对照信息。
尽管如上所述，通过将电子束引导到待检测的结构部分上对传导纳米结构的检查是本发明一个独立的创造性方面，但是通过组合用于检查传导纳米结构的方法和如上所述通过利用聚焦电子束对这样的传导纳米结构的缺陷和传导性处理的方法，可以获得特别的好处。
因此，用一种很容易的方式，通过只利用一个设备，就可以首先检查和核对传导纳米结构，并在检测到特定缺陷或应当“修理”或处理的区域和/或部分后直接修复或处理该纳米结构的特定部分。
根据本发明的一种特别有利的实现，以一种顺序，最好是交替应用两种检查和处理方法，首先检查纳米结构，如果有缺陷，就处理，处理步骤之后，再执行对修改后的纳米结构的检查，以避免“过处理”，即导致过热的不期望的过处理和传导性结构的不期望的迁移、熔化、溅射和/或蒸发。
还可以执行检查所述传导纳米结构的步骤，同时产生热感应的迁移、熔化、溅射和/或蒸发。
必须提及，与处理相比，通常必须使用电子束的较低功率来检查传导纳米结构，以避免在只进行检查所述纳米结构时发生任何修改或处理效应，或在只期望检查所述纳米结构时，将这样的效应保持在尽可能低的水平。
以上已经叙述了用于处理的优选电子束参数，对于用于检查的电子束，电子剂量通常应当在几个mC/cm2以下，最好低于10mC/cm2。优选的电子剂量为1-5mC/cm2范围内，但是也可以用小于1mC/cm2的很小的电子剂量，如最好在1-500μC/cm2的范围内。比较用于检查的电子剂量和用于处理的电子剂量，用于处理的电子剂量最好高一个数量级，最好用于处理的电子剂量超出用于检查的电子剂量2-100倍，最好10-50倍，在大部分情况下是10-30倍。
用于检查的波束电流最好在10-500pA之间，最好在20-100pA之间，特别是在大约50pA的范围内。
优选的扫描窗口大约在与用于处理的优选扫描窗口相同的范围，在矩形情况下，边长大约10-100nm，最好50-100nm。尽管在检查方式中也可以省略扫描，而直接将电子束聚焦到待检查的部分上的一个点，但是这样的方式在检查中通常不是优选的，只在处理中优选。
检查方法中的优选加速电压为1-50kV，特别是0.1-10kV，从而可以与处理电子束的情况下的加速束电压相当，但是通常稍微较低，最好低大约1.5-3的系数。
在检查方式的情况下，最好将纳米结构附着在一个用作电子库的电极上。如果存在缺陷，这样将大大加强图像对比度。可选地，所述纳米结构可以只附着在一条细导线，其从外部提供所述纳米结构的一定电压偏置。这样也将导致一定的对比增强。
另一方面，如上所述，对于处理，不要求将纳米结构附着到电极或细导线，但是，在处理过程中也可以将纳米结构附着到电极，而不会对处理过程产生负面影响。
在所述传导纳米结构的检查方法或步骤的一种优选实现方式中，在高压电场中将一次电子束加速，然后这些电子在到达所述传导纳米结构前被减速场减速，从而在第一检测装置的优选实施例中，只检测向后散射的电子，这些电子最好由所述减速场在指向所述第一检测装置的方向上加速，而第二检测装置检测二次电子和向后散射电子的混合物，从而可以特别通过比较两个检测装置的测量值，确定向后散射的电子信号或向后散射的电子图。
在一种实施例中，减速场将电子束的一次电子减速到由所述高压电场产生的其最大能量的大约2-10％的能量。
必须指出，被减速的波束的实际波束电压可以在大约100V-10KeV之间，因此，可以具有上述高压电场产生的最大能量的1％以下，最高100％，而减速的波束的波束电压最好在10％-100％之间。
本发明的目的还通过将扫描电子显微镜SEM系统用于上述方法而实现，其中该扫描显微镜具有一个滤波器，用于检测向后散射的电子和二次电子，还具有一个滤波器，基本上只用于检测向后散射的电子(此处的“滤波器”涉及导致“向后散射的电子图”或相应的信号的任何装置，如上所述)。
附图简述本发明的其它特征和优点将参照下列附图而更加清楚
图1示出连接到电子的纳米金属化DNA导线的向后散射的电子图；图2示出切断纳米金属化DNA导线之前(图2a)和之后(图2b)，图1所示系统的向后散射的电子图；图3示出纳米金属化DNA导线系统的向后散射的电子图的放大的细节，其中在单个金属化以DNA为模板的纳米导线中存在缺陷；图4示出单个金属化以DNA为模板的纳米导线中的缺陷修复后，图3所示系统向后散射的电子图的放大的细节；图5示出本发明方法中采用的SEM的实施例的简化图，其中示出向后散射的电子和二次电子的路径。
优选实施方式图1示出两个电极10和以DNA为模板的纳米导线20、22、24的系统的向后散射电子图，所述纳米导线通过选择性的自组装驱动金属化而使得具有高传导性，该图是通过将电子束引导到待检查的系统上和通过根据本发明的一个方面来检测向后散射的电子而获得的。图1所示向后散射电子图是用电压为4kV且工作距离WD为6mm的波束电压而获得的。
在图1所示系统中，以DNA为模板的纳米导线是随机排列的，但是，对于例如纳米电子中的电路，可以实现更好定义的排列。
如图1中可以清楚看到的，以DNA为模板的纳米导线20、22、24既表示出强对比，又表示出弱对比。与至少一个电极10电气连接的导线部分22示出强对比，而显然没有与至少一个电极10直接电气连接的导线部分24表现出弱对比。
在图1中还可以清楚看到由白色圆圈指示的多个缺陷30。
图2a示出图1所示系统用于更好的比较，图2b示出同样的系统，但是此时已经通过在AFM(原子力显微镜)尖端帮助下切断以DNA为模板的导线的传导部分而在该系统中引入由白色圆圈指示的另外的缺陷32。
可以清楚看出，通过产生该另外的缺陷32，一些以DNA为模板的导线22被所述另外的缺陷32从电极10断开，从而只表现弱对比。
由于另外的缺陷32，发现了另一个缺陷34，该缺陷34清晰可见，因为在缺陷34的左边，以DNA为模板的纳米导线22表现出强对比，而在缺陷34的右边，以DNA为模板的纳米导线22表现出弱对比。
图3示出向后散射的电子图的放大的细节，其中以DNA为模板的纳米导线22连接到电极(未示出)，因此表现出强对比，且其中以DNA为模板的纳米导线24不连接到电极(未示出)，因此只表现出弱对比。如在图3中的向后散射的电子图中央可以看到的，可以检测到缺陷30，该缺陷30将不与电极接触的纳米导线24(弱对比，在缺陷30之上)和与电极接触的纳米导线22(强对比，在缺陷30之下)分开。
通过应用本发明方法并利用能量为4kV、WD6mm、波束电流大约20pA、孔径30mμ、扫描窗口大约50nm×100nm、扫描时间10秒的聚焦电子束，缺陷30被连接起来，使得缺陷被修复(图3中的标号36)。
在图4中，在修复后的缺陷36之上和之下，以DNA为模板的纳米导线22现在都在向后散射的电子图中表现出强对比，清楚地表示此时在修复后的缺陷36之上和之下，以DNA为模板的纳米导线22都与一个电极连接，表示缺陷(30，见图3)已经被修复，传导性被连通。
尽管图中的实例通过示出向后散射的电子图而示出本发明方法的效果，但是必须理解，用于缺陷和传导性处理的方法还可以通过向后散射的电子图而独立于检查所述传导纳米结构的方法或步骤应用，尽管该结合如上所述是优选的，如通过结合将导致创造性的组合优点。但是，传导纳米结构也可以通过例如光学或红外线变化或通过电气测量以及通过利用原子力显微镜进行结构性研究而被检查，以发现缺陷或传导性降低的区域。
图5简化示出用于本发明方法的SEM系统的一种实施例的主要单元。一次电子束102由电子源100产生，而加速电压可以在很大范围内调节，根据本发明方法，最好在1kV-10kV之间调节。
一次电子束102被引导到具有纳米结构的样本200上。样本200只是简单示出，具有两个电极230，附着在样本200的上表面。
如图5简单所示，被引导到样本200上的一次电子束102主要在样本中相互作用的体积210内表现出有效。相互作用的体积210在该图中只是简单示出，取决于样本200的材料和电子束的参数。
一次电子束102产生向后散射的电子150和二次电子160，其中具有与一次电子束102基本相同的能量的向后散射的电子150沿与一次电子束基本相反的方向散射，而二次电子160是在如图5中简单示出的侧面方向上产生的。
电子的方向由SEM的磁透镜110和静电透镜120控制。
图5所示SEM包括环形检测器170，用于向后散射的电子150，从而可以直接获得向后散射的电子的信号，且可以产生向后散射的电子图。
尽管图5中未示出，但SEM当然还可以包括用于二次电子160的检测器，最好是侧面的检测器。在这一点上应当注意，二次电子160只在样本200上表面区域中的二次发射区域220中产生，如图5所示。
在说明书、权利要求、和/或附图中披露的本发明的特征，独立地或其任何组合，可以是用于以各种形式实现本发明方法地材料。
附附图中的参考标号10 电极20 纳米导线22 纳米导线24 纳米导线30 缺陷32 缺陷34 缺陷35 修复的缺陷100 电子源102 一次电子束110 磁透镜120 静电透镜150 向后散射的电子160 二次电子170 用于向后散射的电子的检测器200 样本(具有纳米结构)210 相互作用体积220 二次发射区域230 电极
权利要求
1.一种用于传导性纳米结构中一个单独部分的缺陷和传导性处理的方法，该方法通过将聚焦的电子束引导到待处理的纳米结构的所述单独部分上而产生热感应的所述纳米结构的传导性材料的迁移、熔化、溅射、和/或蒸发。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于待处理的纳米结构的所述部分是待修复的裂口，通过将聚焦的电子束引导到包括缺陷边缘的所述裂口区域上，并产生所述裂口边缘的传导性材料的热感应迁移、熔化、溅射和/或蒸发，使传导性材料进入所述缺陷边缘之间的裂口，从而使裂口被填充，所述缺陷边缘被连接。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述电子束具有0.1kV-50kV的加速波束电压，最好是3kV-10kV。
4.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于所述电子束具有1-100A/cm2的电流密度。
5.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于所述电子束具有10-1000pA的绝对波束电流，最好为20-500pA。
6.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于所述电子束将被应用于一种扫描方式，其中的扫描窗口直径或边长为10nm-100nm。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于待处理的传导纳米结构的一个单独部分位于所述扫描窗口的中心。
8.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于所述电子束具有1-50nm的波束直径。
9.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于到传导纳米结构具有2mm-10mm的工作距离。
10.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于用1-500mC/cm2的电子剂量处理一个单独部分。
11.根据前述任一项权利要求的方法，还包括通过将电子束引导到待检查的传导纳米结构的一部分上并检测向后散射的电子来检查所述传导纳米结构的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于在所述检查过程中，一次电子束被电场加速到高势能，而在到达所述传导纳米结构之前被减速场减速。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于第一检测装置只检测向后散射的电子，而第二检测装置检测二次电子和向后散射的电子。
14.根据权利要求11-13任一项的方法，其特征在于在检查所述传导纳米结构的步骤中，电子束应用的电子剂量总体为0.1-10mC/cm2。
15.根据权利要求11-14任一项的方法，其特征在于在所述检查步骤中的电子束具有1pA-500pA的绝对波束电流，最好是20pA-100pA。
16.根据权利要求11-15任一项的方法，其特征在于在所述检查步骤中的电子束的加速电压为0.01-50kV，最好是1kV-10kV。
17.根据权利要求11-16任一项的方法，其特征在于所述减速场将电子束的一次电子减速到由所述电场产生的其最大能量的2％-10％。
18.将具有滤波器的扫描电子显微镜(SEM)系统用于根据权利要求1-17任一项的方法，其中，所述滤波器用于检测向后散射的电子。
19.根据权利要求18的描电子显微镜的使用，其特征在于所述描电子显微镜设计为具有10μm-100μm的孔径，最好是30μm-60μm。
20.根据权利要求18或19的描电子显微镜的使用，其特征在于用于检测向后散射的电子的滤波器包括一个环形向后散射电子检测器(102)。
全文摘要
本发明涉及一种用于传导性纳米结构中一个单独部分的缺陷和传导性处理的方法，该方法通过将聚焦的电子束引导到待处理的纳米结构的所述单独部分上而产生热感应的所述纳米结构的传导性材料的迁移、熔化、溅射、和/或蒸发。本发明还涉及将具有滤波器的二次电子显微镜用于该方法，所述滤波器用于检测向后散射的电子，以及具有用于检测向后散射的电子的这样的滤波器的相应的二次电子显微镜。
文档编号G01N23/225GK1427445SQ0215631
公开日2003年7月2日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月13日
发明者O·哈纳克, J·维泽尔斯, W·E·福特, A·亚苏达 申请人:索尼国际(欧洲)股份有限公司