DE102008051159A1

DE102008051159A1 - Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen

Info

Publication number: DE102008051159A1
Application number: DE102008051159A
Authority: DE
Inventors: Seunghun Hong; Sungyoung Park; Seon Namgung
Original assignee: SNU R&DB Foundation
Current assignee: SNU R&DB Foundation
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-10-11
Also published as: JP2010041019A; JP5336140B2; KR101045128B1; CN101645391B; DE102008051159B4; KR20100015017A; CN101645391A; US8227179B2; US20100028814A1

Abstract

Es werden Techniken zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen, wie Nanodrähten und Kohlenstoffnanoröhren, beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Substrats, Aufbringen eines Musters einer ersten Maskenschicht auf das Substrat, Adsorbieren von ersten Nanostrukturen auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die erste Maskenschicht nicht vorhanden ist, Entfernen der ersten Maskenschicht von dem Substrat, Aufbringen eines Musters einer zweiten Maskenschicht auf das Substrat, auf welchem die ersten Nanostrukturen adsorbiert sind, und Adsorbieren von zweiten Nanostrukturen auf den Oberflächenbereichen des Substrats, wo die zweite Maskenschicht nicht vorhanden ist, unter Bedingungen, die für eine Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen auf dem Substrat effektiv sind.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen und mit diesem Verfahren hergestellte Vorrichtungen mit derartigen Kreuzstrukturen.
Während der letzten Jahrzehnte fand ein nahezu konstantes exponentielles Wachstum der Leistungsfähigkeit der auf Silicium basierenden Mikroelektronik statt. Die von Gordon E. Moore, dem Mitbegründer der Intel Corporation getroffene Vorhersage, dass die Anzahl an Transistoren, die in einem Computerchip verbaut werden können, sich alle 18 Monate verdoppeln wird, hat sich als wahr erwiesen, und es fand eine dramatische Größenverringerung bei elektronischen Bauteilen statt. Aufgrund sowohl grundlegender physikalischer Beschränkungen, die bei derzeitigen Entwürfen ein verlässliches Funktionieren auf Nanometermaßstab verhindern, als auch wirtschaftlicher Beschränkungen wie hohen Herstellungskosten ist es unwahrscheinlich, dass sich dieser Fortschritt im nächsten Jahrzehnt mit gleicher Geschwindigkeit weiterentwickelt.
Aufgrund ihres Potenzials zur Überwindung der Beschränkungen bei der auf Silicium basierenden Technologie hat die Nanotechnologie in letzter Zeit bedeutende Beachtung erfahren. So wurden beispielsweise verschiedene Vorrichtungen im Nanomaßstab basierend auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Nanodrähten entwickelt, die interessante elektrische und/oder optische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus wurden nanoelektronische Vorrichtungen wie pn-Dioden und lichtemittierende Dioden berichtet, die auf Kreuzstrukturen von Nanostrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren und Nanodrähten basieren. Eine Massenproduktion von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen erwies sich jedoch als extrem schwierig.
Es besteht somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen, welches eine Massenproduktion ermöglicht, und damit hergestellte Vorrichtungen mit derartigen Kreuzstrukturen bereitzustellen.
Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe gemäß dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst. Vorrichtungstechnisch wird die Aufgabe gemäß der in Anspruch 20 beschriebenen Vorrichtung gelöst.
Das Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats,
Aufbringen eines Musters einer ersten Maskenschicht auf das Substrat,
Adsorbieren von ersten Nanostrukturen auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die erste Maskenschicht nicht vorhanden ist,
Entfernen der ersten Maskenschicht von dem Substrat,
Aufbringen eines Musters einer zweiten Maskenschicht auf das Substrat, auf dem die ersten Nanostrukturen angeordnet sind, und
Adsorbieren von zweiten Nanostrukturen auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die zweite Maskenschicht nicht vorhanden ist, unter Bedingungen, die zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen auf dem Substrat effektiv sind.
Die Vorrichtung mit Kreuzstrukturen von Nanostrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1A–1F schematische Darstellungen, die das Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen gemäß einer Ausführungsform veranschaulichen;
2A–2E schematische Darstellungen, die das Verfahren zum molekularen Aufbringen eines Musters mittels Fotolithografie gemäß einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen; und
3 eine schematische Darstellung, die das Verfahren zum Adsorbieren von Nanostrukturen auf einem Substrat gemäß einer weiteren Ausführungsform veranschaulicht.
In der vorliegenden Anmeldung werden Techniken zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen offenbart. Soweit nicht anderweitig angegeben, identifizieren in den Figuren gleiche Symbole gleiche Bauteile. Die veranschaulichenden Ausführungsformen, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben werden, sind nicht als einschränkend gedacht. Es können andere Ausführungsformen verwendet werden und können andere Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Geist oder Umfang der hierin beschriebenen Erfindung abzuweichen. Selbstverständlich können die Komponenten der vorliegenden, wie hierin allgemein beschriebenen und in den Figuren dargestellten Erfindung in einem breiten Bereich verschiedener Konfigurationen, die alle mit umfasst sind und Teil der Offenbarung darstellen, angeordnet, substituiert, kombiniert und gestaltet werden.
In den 1A–1F wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen veranschaulicht. Wie in 1A dargestellt, wird ein Substrat 110 bereitgestellt, auf welchem die Kreuzstrukturen angeordnet werden sollen. Ohne einschränkend zu sein, kann das Substrat 110 beispielsweise Gold, Siliciumdioxid, Glas, Quarz, Silicium und Aluminium einschließen.
Als Nächstes wird, wie in 1B dargestellt, ein Muster einer ersten Maskenschicht 120 auf eine Oberfläche des Substrats 110 aufgebracht. Die erste Maskenschicht 120 kann beispielsweise ein Fotolackmaterial (auch Fotoresistmaterial genannt) einschließen. Das Muster der ersten Maskenschicht 120 kann beispielsweise mittels eines herkömmlichen fotolithografischen Verfahrens auf die Oberfläche des Substrats 110 aufgebracht werden, welches einen Schritt des Rotationsbeschichtens des Fotolacks, einen Schritt des Trocknens/Härtens (auch ”soft/hard baking” genannt), einen UV-Belichtungsschritt unter Verwendung einer Fotomaske und einen Entwicklungsschritt zur Entfernung des nicht maskierten Fotolacks einschließt. Zusätzlich zu dem fotolithografischen Verfahren können auch andere Verfahren verwendet werden, solange sie zu der in 1B dargestellten auf dem Substrat 110 verbleibenden ersten Maskenschicht 120 führen. Geeignete Beispiele für das Fotolackmaterial umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, AZ5214E, PMMA (Polymethylmethacrylat) und dergleichen.
Wie in 1C dargestellt, werden dann erste Nanostrukturen 130 auf der Oberfläche des Substrats 110 adsorbiert. Die ersten Nanostrukturen 130 können beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren einschließen. Die ersten Nanostrukturen 130 können beispielsweise auch Nanodrähte einschließen. Die Nanodrähte können beliebige leitende oder halbleitende Drähte mit Durchmessern in der Größenordnung von Nanometern einschließen.
In einer Ausführungsform wird das Substrat 110 mit der darauf bemusterten ersten Maskenschicht 120 in eine Lösung gegeben, die die ersten Nanostrukturen 130 enthält, wobei die ersten Nanostrukturen 130 in der Lösung selektiv auf die Oberflächenbereiche des Substrats 110, wo die erste Maskenschicht 120 nicht vorhanden ist, adsorbieren. In einer anderen Ausführungsform wird die Lösung, welche die ersten Nanostrukturen 130 enthält, vorbestimmte Nanostrukturen enthalten, die in einem Lösungsmittel eingetaucht sind, das in der Lage ist, die vorbestimmten Nanostrukturen leicht zu dispergieren. Das Verfahren des Adsorbierens der ersten Nanostrukturen 130 unter Verwendung der Lösung von Nanostrukturen wird nachfolgend unter Bezug auf 3 ausführlicher beschrieben.
Als Nächstes wird, wie in 1D dargestellt, die erste Maskenschicht 120 von dem Substrat 110 entfernt. Die erste Maskenschicht 120 kann beispielsweise mittels Aceton oder eines beliebigen anderen Lösungsmittels, das als ein Ätzmittel verwendet werden kann, entfernt werden. Die Entfernung der ersten Maskenschicht 120 resultiert in einer Anordnung von ersten Nanostrukturen 130 auf dem Substrat 110.
Dann wird, wie in 1E dargestellt, ein Muster einer zweiten Maskenschicht 140 auf die Oberfläche des Substrats 110, auf welchem die ersten Nanostrukturen 130 angeordnet sind, aufgebracht. Die zweite Maskenschicht 140 wird so aufgemustert, dass ein Bereich für eine Adsorption von zweiten Nanostrukturen 150 frei bleibt. Die zweite Maskenschicht 140 kann beispielsweise eine Fotolackschicht einschließen. Die zweite Maskenschicht 140 kann alternativ auch eine hydrophobe Molekularschicht ein schließen. Die hydrophobe Molekularschicht kann die Ausrichtungseigenschaften der zweiten Nanostrukturen 150 verstärken.
Das Muster der zweiten Maskenschicht kann beispielsweise mittels eines ”Molecular Patterning” genannten Verfahrens der molekularen Musteraufbringung aufgebracht werden. Das Verfahren der molekularen Musteraufbringung kann beispielsweise ein Verfahren zur direkten molekularen Musteraufbringung (”direct molecular Patterning”), wie beispielsweise die Dip-Pen-Nanolithografie, und Mikrokontaktdruckverfahren einschließen. Das Verfahren zur molekularen Musteraufbringung kann alternativ auch mittels eines fotolithografischen Verfahrens durchgeführt werden. Die molekulare Musteraufbringung mittels Fotolithografie kann beispielsweise herkömmliche Mikroherstellungseinrichtungen verwenden. Unter Bezug auf die 2A bis 2E wird nachfolgend eine Ausführungsform des Verfahrens zur molekularen Musteraufbringung mittels Fotolithografie ausführlich beschrieben.
Wie in den 2A und 2B dargestellt, wird ein Muster einer Fotolackschicht 220 auf die Oberfläche eines Substrats 210 aufgebracht. Das Aufbringen des Fotolackmusters kann beispielsweise mit einer kurzen Aushärtungszeit von beispielsweise weniger als 10 Minuten bei einer Temperatur von 95°C durchgeführt werden. Die kurze Aushärtungszeit erlaubt es, dass die Fotolackschicht 220 später nach der molekularen Abscheidung vollständig entfernt werden kann, ohne dass ein Rückstand auf der Oberfläche des Substrats zurückbleibt.
Als Nächstes wird, wie in 2C dargestellt, das mit einem Muster versehene Substrat mit einem wasserfreien Material 230 gespült. Das wasserfreie Material 230 kann, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise wasserfreies Hexan und dergleichen einschließen. Ein derartiges Spülen kann auf dem Substrat vorhandenes restliches Oberflächenwasser entfernen.
Wie in 2D dargestellt, wird das gespülte Substrat dann in eine Lösung 240 gegeben, die ein Material für eine zweite Maskenschicht, wie eine selbst organisierende Monoschicht („self-assembled monolayer” SAM), enthält. Das Material für die SAM kann, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise 1-Octadecanthiol (ODT) oder Octadecyltrichlorsilan (OTS) einschließen. Das Material für die SAM scheidet sich dann se lektiv auf den Oberflächenbereichen des Substrats, wo die Fotolackschicht 220 nicht vorhanden ist, ab, um ein SAM-Muster 250 auf dem Substrat 210 auszubilden.
Wie in 2E dargestellt, wird als Nächstes die Fotolackschicht 220 entfernt, um ein Substrat 210 mit dem SAM-Muster 250 zu erhalten. Die Fotolackschicht 220 kann, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise mittels eines Lösungsmittels wie Aceton entfernt werden. Die Bereiche, wo der Fotolack vor dem Entfernen vorhanden war, weisen denselben Oberflächenzustand des Substrats 210 wie vor dem molekularen Aufbringen eines Musters auf, während das SAM-Muster 250 auf den Bereichen ausgebildet ist, wo der Fotolack nicht vorhanden ist. Das SAM-Muster 250 kann beispielsweise als die zweite Maske 140, wie sie in den 1E und 1F dargestellt ist, fungieren.
Wie in 1F dargestellt, werden die zweiten Nanostrukturen 150 auf der Oberfläche des mit der zweiten Maske 140 bemusterten Substrats adsorbiert. Die zweiten Nanostrukturen 150 können beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren einschließen. Die zweiten Nanostrukturen 150 können beispielsweise auch Nanodrähte einschließen.
In einer speziellen Ausführungsform wird das mit der zweiten Maskenschicht 140 bemusterte Substrat 110 in eine Lösung gegeben, die die zweiten Nanostrukturen 150 enthält, wobei die zweiten Nanostrukturen 150 in der Lösung selektiv an den Oberflächenbereichen des bemusterten Substrats, wo die zweite Maskenschicht 140 nicht vorhanden ist, adsorbieren. Aufgrund der Polarität des Oberflächenbereichs können die zweiten Nanostrukturen 150 beispielsweise spontan auf den Oberflächenbereichen des bemusterten Substrats, wo die zweite Maskenschicht nicht vorhanden ist, adsorbieren. Die Adsorption der zweiten Nanostrukturen führt zu Kreuzstrukturen der ersten und zweiten Nanostrukturen, wie dies in 1F dargestellt ist. Das oben beschriebene Anordnungsverfahren, das frei von molekularen Linkern ist, ermöglicht eine Massenproduktion von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen. Das Verfahren der Adsorption der zweiten Nanostrukturen unter Verwendung der Lösung von Nanostrukturen wird nachfolgend unter Bezug auf 3 ausführlicher beschrieben.
3 ist eine schematische Darstellung, welche eine spezielle Ausführungsform eines Verfahrens zur Adsorption von Nanostrukturen auf einem Substrat veranschaulicht. Die Nanostrukturen können, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise Nano drähte und Kohlenstoffnanoröhren einschließen. Wie in 3 aufgezeigt, wird ein Substrat 310 mit einer Maskenschicht 320 in eine Lösung 340 gegeben, die Nanostrukturen 330 enthält, wobei die Nanostrukturen 330 in der Lösung 340 selektiv auf Oberflächenbereichen des Substrats 310, wo die Maskenschicht 320 nicht vorhanden ist, adsorbieren. Das Lösungsmittel in der die Nanostrukturen 330 enthaltenden Lösung löst nicht die Maskenschicht 320 auf.
Die Nanostrukturen 330 können beispielsweise in einem Lösungsmittel eingetaucht sein, das in der Lage ist, die Nanostrukturen 330 leicht zu dispergieren. In Fällen, wo die Nanostrukturen 330 Nanodrähte aus Vanadiumoxid (V₂O₅) sind, kann, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise entionisiertes Wasser als ein Lösungsmittel verwendet werden, während in Fällen, wo die Nanostrukturen Nanodrähte aus Zinkoxid (ZnO) sind, beispielsweise Ethanol oder entionisiertes Wasser als ein Lösungsmittel verwendet werden können. Wenn die Nanostrukturen 330 Kohlenstoffnanoröhren sind, können, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise 1,2-Dichlorbenzol, 1,3,4-Trichlorbenzol, 1,3-Dichlorbenzol, Dichlorethan, Chlorbenzol oder dergleichen als Lösungsmittel verwendet werden.
Die Adsorption von Nanostrukturen 330 auf dem bemusterten Substrat kann von verschiedenen Faktoren wie Ladungen auf den Nanostrukturen und van der Waals-Wechselwirkungen abhängen. Aufgrund der Polarität des Oberflächenbereichs können die Nanostrukturen 330 beispielsweise spontan auf der Oberfläche des Substrats 310 adsorbieren. In einer weiteren Ausführungsform kann unter Verwendung eines elektrischen Potenzials die Adsorption der Nanostrukturen 330 auf der Oberfläche des Substrats 310 weiter verstärkt werden. Das elektrische Potenzial kann an das Substrat 310 angelegt werden, um auf diese Weise den Grad und/oder das Ausmaß der Adsorption der Nanostrukturen 330 zu steuern.
Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, dass die hierin offenbarten verschiedenen Ausführungsformen lediglich zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung beschrieben wurden und dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß sind die hierin offenbarten verschiedenen Ausführungsformen nicht als einschränkend gedacht hinsichtlich des Umfangs der in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Erfindung.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen, umfassend: Bereitstellen eines Substrats; Aufbringen eines Musters einer ersten Maskenschicht auf das Substrat; Adsorbieren von ersten Nanostrukturen auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die erste Maskenschicht nicht vorhanden ist; Entfernen der ersten Maskenschicht von dem Substrat; Aufbringen eines Musters einer zweiten Maskenschicht auf das Substrat, auf dem die ersten Nanostrukturen angeordnet sind; und Adsorbieren von zweiten Nanostrukturen auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die zweite Maskenschicht nicht vorhanden ist, unter Bedingungen, die zur Herstellung von Kreuzstrukturen von Nanostrukturen effektiv sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten Nanostrukturen Nanodrähte sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten Nanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die zweiten Nanostrukturen Nanodrähte sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die zweiten Nanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Aufbringen des Musters der ersten Maskenschicht mittels eines Fotolithografieverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Maskenschicht ein Fotolackmaterial umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Adsorbieren der ersten Nanostrukturen ein Geben des gemusterten Substrats in eine Lösung, die die ersten Nanostrukturen enthält, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Adsorbieren der ersten Nanostrukturen ferner das Anlegen eines elektrischen Potenzials an das Substrat umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht mittels eines Verfahrens zur molekularen Musteraufbringung durchgeführt wird, das aus der aus Fotolithografie, Dip-Pen-Nanolithografie und Mikrokontaktdrucken bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht das Aufbringen eines Musters einer hydrophoben Molekularschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht das Aufbringen eines Musters einer selbst organisierenden Monoschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht mittels Fotolithografie durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht umfasst: Aufbringen eines Musters einer Fotolackschicht auf das Substrat, auf dem die ersten Nanostrukturen angeordnet sind; Geben des Substrats in eine Lösung, die ein Material für eine zweite Maskenschicht enthält, unter Bedingungen, die effektiv sind für eine Abscheidung der zweiten Maskenschicht auf Oberflächenbereichen des Substrats, wo die Fotolackschicht nicht vorhanden ist; und Entfernen der Fotolackschicht von dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen eines Musters der zweiten Maskenschicht ferner vor dem Geben des Substrats in die Lösung, die Material für eine zweite Maskenschicht enthält, ein Spülen des Substrats mit einem wasserfreien Material umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das Aufbringen eines Musters der Fotolackschicht mit einer Aushärtungszeit von weniger als 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, wobei die Lösung, in die das Substrats gegeben wird, eine Verbindung enthält, die aus der aus 1-Octadecanthiol (ODT) und Octadecyltrichlorsilan (OTS) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, wobei das Adsorbieren der zweiten Nanostrukturen ein Geben des bemusterten Substrats in eine Lösung, die zweite Nanostrukturen enthält, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Adsorbieren der zweiten Nanostrukturen ferner ein Anlegen eines elektrischen Potenzials an das Substrat umfasst.
Vorrichtung mit Kreuzstrukturen von Nanostrukturen, erhältlich mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–19.