CN101624176A - 集成电路材料的制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电路材料的制备方法及应用该制备方法的制备装置，含有金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的液体从同一个入口进入同一个容器，在所述容器中受到变换的磁场的作用后，混合的金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管分离，分离之后的半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管分别两个出口流出。使用本发明的制备方法和制备装置制造的半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管的纯度高，可以大大提高使用半导体性碳纳米管的集成电路的产品良率。同时，由于本发明的制备方法简单易行，成本低廉，因此采用本发明的制备装置将可以大大降低高纯度碳纳米管的制造成本。

Description

集成电路材料的制备方法和制备装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路材料的制备方法，以及应用该制备方法的一种制备集成电路材料的装置，其中制备所得的集成电路材料主要为半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、以及单原子层碳。

背景技术

随着集成电路的发展，基于硅材料的晶体管的继续缩小日益困难。半导体性碳纳米管由于具有小体积和电导率高的特点，在为了集成电路制造中具有很高的应用价值，而且由半导体性碳纳米管组成的场效应管可以实现类似金属-氧化物-硅(metal-oxide-silicon，MOS)场效应管的功能。图1是一个碳纳米管场效应管，栅极101和半导体性碳纳米管104之间有一层绝缘体进行绝缘，通过对栅极101施加电压，源极102和漏极103之间的电流大小可以被控制。

目前，在半导体性碳纳米管的制造过程中，往往伴随着金属性碳纳米管的产生。当图1中的半导体性碳纳米管104被金属性碳纳米管取代后，这个场效应管的源极和漏极之间的电流是不受栅极的电压所控制的，也就是说，这个由金属性碳纳米管构成的场效应管是失效的。因此，半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管的分离对制造场效应管是至关重要的。

参阅中国专利申请第200580026051.0号，目前分离半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管的方法通常是离心分离，采用表面活性剂吸附碳纳米管，使不同特性的碳纳米管在吸附后的重量发生变化，然后再离心提纯。这种方法需要使用特殊的表面活性剂和长时间的离心提纯工序，价格昂贵，同样也就不易于大规模生产。

本发明将此专利所记载的内容作为现有技术进行引用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种分离碳纳米管的新技术，简单易行，成本低廉。本发明还提出了一种应用该技术的制备装置。

一种集成电路材料的制备方法，包括如下步骤：

a)将集成电路材料浸泡在导电液体中；

b)将所述导电液体倒入一容器中；

c)在所述容器的四周设置两对磁力线相互垂直或接近垂直的磁极，相对的两个磁极形成一磁场，所述两对磁极的磁力线都穿过所述容器；

d)移动其中任意一对磁极，使所述集成电路材料在所述容器中受到变换的磁场的作用；

e)分别收集分离开的集成电路材料。

进一步地，所述步骤a中集成电路材料为至少包含金属性碳纳米管，半导体性碳纳米管的混合材料。所述集成电路材料的制备方法实质为金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的分离方法，步骤d中所述集成电路材料在所述容器中受到变换的磁场的作用而使混合的集成电路材料分离。

再进一步地，所述导电液体为电解液或者有一定电导率的有机溶剂。所述任意一对磁极产生的磁场为永久磁场或电磁场，其强度为0.00001-10特斯拉。

更进一步地，所述步骤d中任意一对磁极的移动方向为垂直于或接近垂直于自身形成的磁力线：即位于两对磁极所产生的磁力线组成的平面内的上下方向，或者垂直于两对磁极所产生的磁力线组成的平面的前后方向。

所述步骤d中，当移动其中任意一对磁极时，还可以对调该对磁极的极性，或者对调另一对磁极的极性。此时可以采用电磁铁，只需改变电流方向即可对调磁极的极性。

一种应用上述集成电路材料制备方法的制备装置，包括一个容器，所述容器包括一个入口，以及相隔一定距离的第一出口和第二出口，所述容器的四周设置有两对磁力线相互垂直或接近垂直的磁极，相对的两个磁极形成一磁场，所述两对磁极的磁力线都穿过所述容器；其中任意一对所述的磁极可以相对于所述容器移动。

上述的制备装置按次序连续连接而形成一种集成电路材料的多级制备装置，上一级制备装置的第一出口对准连接于下一级制备装置的入口。

所述第一出口用于收集半导体性碳纳米管或者金属性碳纳米管，即半导体性碳纳米管含量较多的导电液体或者金属性碳纳米管含量较多的导电液体。相应的，第二出口可以收集金属性碳纳米管或者半导体性碳纳米管。这样，通过多级的分离制备，可以得到更纯的半导体性碳纳米管或者金属性碳纳米管。

本发明的制备方法所具有的有益效果是：用简单可靠的方法将金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管分离开来。由于这种方法直接利用了金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管在特殊磁场中具有不同电导率的特点，因此分离技术的选择性高，分离后材料的纯度也比现有技术能得到的纯度高。

采用本发明的制备装置后，高纯度的金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管都可以被分别提纯出来，这将大大提高使用半导体碳纳米管制造的集成电路的良率。同时，由于本发明的制备方法简单易行，成本低廉，因此采用本发明的制备装置将可以大大降低高纯度碳纳米管的制造成本。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是基于半导体性碳纳米管的场效应管结构图；

图2是本发明的集成电路材料制备方法的示意图；

图3是本发明的集成电路材料制备过程中碳纳米管的微环境示意图；

图4至图6是图2中磁极201与202运动以及磁力线方向变化之后碳纳米管移动的具体实施例的示意图；

图7是根据本发明所提出的制备方法而构成的单级的集成电路材料制备装置；

图8是根据本发明所提出的制备方法而构成的多级的集成电路材料制备装置。

具体实施方式

图2是本发明的集成电路材料制备方法的示意图，即如何分离金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的方法的示意图，其中，碳纳米管205为多根金属性碳纳米管中的一根，碳纳米管206为多根半导体性碳纳米管中的一根。上述这些碳纳米管被浸泡在容器210中的液体中。所述液体是电解液或者有一定电导率的有机溶剂。磁极201是N极或者S极，而磁极202为S极或者N极。这样，磁极201与磁极202这两个相对的磁极构成了一个磁场。磁力线211-a，211-b，211-c，211-d表示所述磁极201和磁极202之间的磁力线。相对垂直于磁力线211-a，211-b，211-c，211-d的磁力线212-a，212-b，212-c，212-d有另一对磁极203和磁极204所产生。上述的两对磁极都设置在容器210的四周。

当磁极201与磁极202分别沿方向208与方向209向上运动，并且磁力线与金属性碳纳米管205不完全平行时，磁极201与磁极202之间的磁力线会切割金属性碳纳米管205。根据楞次定律，切割磁力线的运动会在碳纳米管中产生电势。图3给出了图2中所示碳纳米管205所处的微环境。磁力线311-a与311-b代表着磁场的方向。因为碳纳米管处于可导电的液体中，切割磁力线所产生的电势会通过碳纳米管和液体中的阴离子301和阳离子302形成电流回路。因为金属性碳纳米管的电阻远远小于半导体碳纳米管的电阻，流过金属性碳纳米管的电流会大于半导体碳纳米管的电流。在图2中，当通过碳纳米管205和碳纳米管206的电流与磁极203和204之间的磁力线存在一定夹角时，会产生洛仑兹力。该洛仑兹力会导致碳纳米管移动。由于通过金属性碳纳米管205的电流比通过半导体性碳纳米管206的电流大，碳纳米管205的移动速度就比碳纳米管206的移动速度大，也就是说，在相同的时间内，碳纳米管205的移动距离比碳纳米管206的移动距离长。因为移动距离的不同，金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管就可以得到分离。

图4是图2中磁极201与202运动之后碳纳米管移动的示意图。该图指出了在磁极201和202垂直向上移动一定时间后碳纳米管所处位置。比如，在移动磁极201与202之后，金属性碳纳米管由碳纳米管205所处的位置，移动到了金属性碳纳米管401所处的位置。由于半导体性碳纳米管的移动很慢，在移动磁极201与202之后，半导体性碳纳米管从碳纳米管206处在的位置，移动到了半导体性碳纳米管402所处的位置。

图5公开了本发明的第二实施例，磁极201和磁极202的极性和图2中的第一实施例相同，但运动方向分别沿方向208和209改为垂直向下运动时，磁力线212-a，212-b，212-c，212-d的方向需要与图2中的磁力线方向相反，才能使一根金属性碳纳米管从碳纳米管205的位置向碳纳米管401的方位移动。也就是说，这时磁极203和磁极204的极性需要和图2中相反。在图5中，磁极201与202向下运动，同时磁极203与204之间的磁力线方向发生变换。

图6公开了本发明的第三实施例，磁极201和磁极202的极性和图2中的第一实施例相反，且运动方向分别沿方向208和209垂直向下运动时，磁力线212-a，212-b，212-c，212-d的方向需要与图2中的磁力线方向相同，才可能使一根金属性碳纳米管从碳纳米管205的位置移动到碳纳米管401的位置。在图6中，磁极201与202向下运动，同时磁极201与202之间的磁力线方向发生变换。

从第二和第三实施例可以看出，集成电路材料的分离及固定点收集与磁极的运动方向、磁极的磁力线方向相关，因此可以通过第二和第三实施例所例举的那样同时改变磁极的运动方向及磁极的磁力线方向即可。本发明未穷举实施例，例如还可以使磁极201和磁极202往复运动，而使磁极201、202的极性或磁极203、204的极性按磁极201和磁极202运动规律同时对调即可：类似于图4中第一实施例和图5中第二实施例的结合，当往复移动磁极201和磁极202时，对调磁极203和磁极204的极性；或者图4中第一实施例和图6中第三实施例的结合，当往复移动磁极201和磁极202时，对调该磁极201和磁极202的极性。此时可以采用电磁铁来替代永磁体的磁极，因此只需改变电流方向即实现可对调磁极的极性。

根据上述解释的原理，可以构成的如图7所示的分离装置700。当在图2中的容器210的左上部上连接一个入口720，在底部的中部偏左和中部偏右分布设置两个出口721与722，两者之间有一定的距离。含有混合的金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的液体由入口720进入容器210。在通过磁极201沿方向710、712，以及磁极202沿方向713、714上下运动，同时磁极201、202、203、204的极性进行合适的变换后，最终多数的半导体性碳纳米管从出口721流出，而多数金属性碳纳米管从出口722流出。这是因为使用本发明提出的方法后，金属性碳纳米管的的运动距离较长。金属性碳纳米管的典型的运动轨迹为，从碳纳米管705所在的位置移动到碳纳米管706所在位置附近，接着移动到碳纳米管707所在位置附近，最后移动到碳纳米管708所在的出口722。半导体性碳纳米管的典型的运动轨迹为，从碳纳米管701所在的位置移动到碳纳米管702所在位置附近，接着移动到碳纳米管703所在位置附近，最后移动到碳纳米管704所在的出口721。这样，金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管相混合的液体得到分离：由721流出的液体中的半导体性碳纳米管浓度高于由入口720流入的液体中的半导体性碳纳米管浓度；由722流出的液体中的金属性碳纳米管浓度高于由入口720流入的液体中的金属性碳纳米管浓度。这个碳纳米管分离的容器、出口、入口以及附加的磁极就构成了一级分离装置700。

多个一级分离装置700可以连接成多级分离装置。如图8所示，用第一级分离装置700-1的半导体性碳纳米管出口721-1通过连接装置723-1连接到第二级分离装置700-2的入口720-2，可以进行2级分离。二级分离后从出口721-2得到的半导体性碳纳米管纯度比一级分离装置的半导体性碳纳米管出口721-1的半导体性碳纳米管浓度更高。依此类推，可以把第n-1级的半导体性碳纳米管出口通过连接装置723-n-1连接到第n级的分离装置700-n的入口720-n。n为自然数。这样，随着n的增加，半导体性碳纳米管的纯度也可以不断增加。当然也可以将用第一级分离装置700-1的金属性碳纳米管出口722-1通过连接装置723-1连接到第二级分离装置700-2的入口720-2，可以进行2级分离，依此类推，进而得到纯度更改的金属性碳纳米管。

利用本发明的设计原理，还可以分离包含半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、以及单原子层碳的集成电路材料。

本发明的实施例中都仅例举了相互垂直的两对磁极，但本发明并不排除两对以上的磁极，只需调整好磁力线的方向即可。

本发明尚有多种具体的实施方式。例如设置在容器四周的两对磁极的磁力线不一定要完全垂直，只要其磁力线与金属性碳纳米管不完全平行即可，而只是实验证明接近于垂直的两对磁极的磁力线为最佳实施例。另外，磁极201和磁极202的移动方向除了实施例中的上下之外，还可以是前后、左右或者其他空间的方向，只需要配合改变磁极203和磁极204之间的磁力线方向。当然，磁极201和磁极202的移动方向也不一定要完全垂直，只要有一定的运动规律保证能使金属性碳纳米管切割磁力线即可。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1、一种集成电路材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

a)将集成电路材料浸泡在导电液体中，所述集成电路材料为至少包含金属性碳纳米管，半导体性碳纳米管的混合材料；

b)将所述导电液体倒入一容器中；

c)在所述容器的四周设置两对磁力线相互垂直的磁极，相对的两个磁极形成一磁场，所述两对磁极的磁力线都穿过所述容器；

d)移动其中任意一对磁极，使所述集成电路材料在所述容器中受到变换的磁场的作用而使金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管分离；

e)分别收集分离开的集成电路材料。

2、如权利要求1所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述步骤d中任意一对磁极的移动方向为垂直于自身形成的磁力线。

3、如权利要求2所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述步骤d中，当移动其中任意一对磁极时，对调该对磁极的极性，或者对调另一对磁极的极性。

4、如权利要求3所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述磁极的移动为往复移动。

5、如权利要求1所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述导电液体为电解液或者有一定电导率的有机溶剂。

6、如权利要求1所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述任意一对磁极产生的磁场为永久磁场或电磁场，其强度为0.00001-10特斯拉。

7、如权利要求1所述的集成电路材料的制备方法，其特征在于：所述容器的四周设置相互垂直的两对以上的磁极。

8、一种集成电路材料的制备装置，其特征在于：包括一个容器，所述容器包括一个入口，以及相隔一定距离的第一出口和第二出口，所述容器的四周设置有两对磁力线相互垂直的磁极，相对的两个磁极形成一磁场，所述两对磁极的磁力线都穿过所述容器；其中任意一对所述的磁极可以相对于所述容器移动。

9、一种集成电路材料的多级制备装置，其特征在于：由至少两个权利要求7所述的制备装置按次序连续连接而成，上一级制备装置的第一出口对准连接于下一级制备装置的入口。

10、如权利要求9所述的集成电路材料的多级制备装置，其特征在于：所述第一出口用于收集半导体性碳纳米管或者金属性碳纳米管，相应地所述第二出口用于收集金属性碳纳米管或者半导体性碳纳米管。

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