TWI293766B - A method for assembling carbon nanotubes and micro-probe and an apparatus thereof - Google Patents

Description

1293766 玖、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 本發明側於-種奈米碳管與探針接合之 結構，尤其是指一種藉由電' β ^ 冤冰原理，使奈米碳管 可又電％驅使而自組接合於探針上之方法及結構。 【先前技術】 。奈米碳管（CarbonNanotubes)是由碳原子所組成的一 種單層或多層壁之纽結構，管㈣為數奈米，長度可達 數微米。由於奈米碳管的特殊結構與特性，使其具^良好 的機械特性、高深寬比、曲饒性等優勢，而可廣泛應^在 光電元件、電子元件、生化醫療、能源材料··等各種不同 領域。此外’更可利用奈米碳管細長金屬與半導電特性及 曲饒性之優點，更可應用於奈米級微探針或微電極。但是， 由於奈米峡官為奈米級之尺寸’當奈米碳管欲與一探針接 合時，將因奈米碳管之尺寸太小而不易處理。 當欲進行奈米碳管與探針接合之製程時，目前習知之 技術都疋採用配合觸媒之塗佈及化學氣相沉積法進行，使 奈米碳管沿著沾有觸媒的地方成長，例如：電漿強化化學 氣相沉積法、常溫化學氣相沉積法、電弧放電等。但是， 上述之製程條件需要真空環境(50〜400T〇rr)或在高溫下進 行，即便是低溫製程也要450〜50(TC，且低溫製程僅限於 MWNTs，對於SWNTs仍需要1000〜1200t高溫製程。此 類習用技術對於大尺寸與低溫平台材料上沉積奈米碳管均 1293766 有很大的限制。此外，由於觸媒通常是由鐵、錄、始等金 屬研磨至奈米等級，不僅價格昂貴，且在沉積碳管的過程 中’常附帶產生不純物，如結晶或非結晶性的碳化物及未 反應元之催化劑等，因此會增加純化之額外製程，且技術 亦相對較困難。有鑒於習知之採用配合觸媒之塗佈及化學 沉積法之缺失及限制，因此本發明其係提供一種奈米碳管 與探針自組裝接合技術，以克服奈米尺寸之材料與巨觀元 件接合所面臨之困難。 【發明内容】 本發明之主要目的係提供一種奈米碳管與探針接合之 製作方法，可在常溫缝下進行奈米碳f與探針接合製程。 本發明之另-目的係提供一種奈米碳管與探針自組接 裝作方法由電泳或介電泳原理，使奈米碳管可在 南壓電場驅使下$組接合於探針尖端之上。 本發明之再-目的係提供一種奈米碳管與探針接合之 =構’其奈米碳管係平行於f場方向排列並附著於探針尖 端之上。 糸絲ίί明之更—目的係提供'"種奈米碳管與探針接合之 ==構’可進行使奈来碳管受高壓 而 於探針尖端的製程。 牛驟本發明之㈣方法’至少包含下列 使該探針暴露於-含有分散奈米碳管電= 1293766 溶液環境中並财-電極；並對該導電層及_之間施加 -預疋電壓’使至少-奈米碳管因電泳效應或是介電泳效 應而朝向·十之失端泳動、並藉由凡得瓦耳力附著於其上。 、為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有 更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後： 【實施方式】 本發明之奈米碳官與探針接合之製作方法係使用簡單 之電泳或介電泳技術。在常溫㈣的狀態下，即可以進行 奈官與微雜針的接合，且製程技誠製程條件均相 對簡單，以下將舉若干實施例詳細說明本發明之技術特徵 及功效。 請參閱圖一，為本發明藉由電泳（或介電泳）原理來 進行奈米碳管與探針自組裝接合之系統架構與方法示意 圖。 如圖一所示，該方法主要是先提供一矽材質之基底 11，於基底11上並藉由半導體製程而製作至少一微米探針 Π (圖中係以四隻探針12為例）。於基底u及探針12表 面覆蓋有一導電層13，例如金、銅、銘或其他金屬或合金 等，其可藉由電鍍或是薄膜沈積方式形成為較佳。於導電 層13上更覆蓋有一非導電物質層14以作為遮蔽層，於本 較佳實施例中係以光阻作為非導電物質層14但亦可選用其 他非導電材質。該非導電物質層14係覆蓋於導電層13上 預定區域處，並使探針12尖端121處之導電層ι31不被非 Ϊ293766 導電物質層14所覆蓋而係暴露於外界。 該基底11連同其上之探針12、導電層13及 質層14 -起被置入-溶液環境2〇中，例如置入一反 等。於該溶液環境20 +分散有懸浮之多數奈米碳管ϋ 溶液環境20中與基底U相隔一預定距離處並設置有二 電極3卜藉由導電膠4卜42與連接線43、44將基底u 上之導電層13與電極31分職_—直流電源45的正負 兩極。該直流電源45可在導電層13與電極31之間提供二 預定強度的直流電壓。由於導電層13僅有探針12尖端 處係暴露於溶液環境20中、其暴露於溶液環境2〇之表面 積，小於電極31。所以，在靠近探針12尖端121處將會有 電場集中強化之效應。在此情形之下，溶液環境2〇中之多 數不米碳g 21將會因為電泳效應或是介電泳效應而朝向探 針12尖端121處泳動，並在探針12尖端121時會被電場 所導引而使奈米碳管21的長度方向與探針12延伸方向呈 現平行於電場整齊排列，並進一步藉由凡得瓦耳力而附著 固定於探針12尖端12卜 於一較佳實施例中，該溶液環境2〇係包括有陰離子界 面活性劑，例如十二烷基硫酸鈉(substantially deereased， fDS)、或是其他種類之界面活性劑等，其可在原本不帶電 何之奈米碳管21表面附著一層負電荷。並且，該導電層13 係為連接直流電源45的正極、而電極31則是連接直流電 源45之負極（如圖一所示）。如此一來，帶著負電荷之奈 米碳管21將會受到電場影響而朝向相反電性(也就是正極） 1293766 之^針12尖端121泳動1後則因凡得瓦耳力而附著固定 =探針12尖端121。這種現象便稱作電泳（Electr〇ph_is， 、於此電/永技術中’奈米碳管21的泳動率將取決於其 分子量，而與原來分子所帶的電荷無關。 〃、 —而在另一較佳實施例中，該溶液環境20係為不帶電之 溶劑，例如異丙醇或其他有機溶劑等。由於奈米碳管21本 身亦不帶電荷，所料會絲朝某1極祕。然而，由 於導電層13僅有在探針12尖端121處係暴露於溶液環境 2〇中、其暴露於溶液環境20之表面積遠小於電極31。所 以，在靠近探針12尖端121處將會有電場集中強化之效應 ，產生不-致的電場強度。在其影響下，未帶電之奈米碳 管21由於極化之誘導，造成側向移動。其原语是^場影 響下，誘發粒予表面受到極化的效應，而產生一耦極距。 如此，即使異丙醇與奈米碳管21兩者都不帶電荷，也將因 不一致之電場環境而仍將奈米碳管21引導朝向電場流密度 大之探針12尖端121泳動，最後則因凡得瓦耳力而附著固 疋於探針12尖端121。這種現象便稱作介電泳動 (Dielectrophoresis )。 於本較佳實施例中，更可設置包括一超音波裝置46， 其可對該溶液環境20提供超音波震盪，不僅避免溶液環境 20中之複數個奈米碳管21凝聚成團、也可使奈米碳管21 均勻分散懸浮於溶液環境20中。 請參閱圖二A至圖二E所示，為如圖一所示之該含有探 針12之基底11的製程步驟的較佳實施例，其包括有下列步 1293766 驟： 首先，如圖二A所示，於矽材質之基底51上（例如矽晶 圓）依序形成一氤化矽層52及一阻障層53 (例如光阻）。 利用黃光微影儀刻等半導體製程技術於該阻障層53預定位 置處開設有若刊口 53卜而使開口531部分之氮化石夕層52 可暴露於外界。 接著，如圖二B所示，對如圖二A所示之裝置進行反 應性離子_機（RIE)侧，並_基底51作為侧終 點，使開口 531部分之氮化矽層52因蝕刻而遭侵蝕，之後 再去除阻障層53，而在基底上留下若干柱狀之氮化矽柱 521 〇 然後，如圖二C所示，對氮化矽柱521進行非等向性 濕蝕刻，而於基底51上形成若干氮化矽材質之圓錐狀探針 522結構。 再來，如圖二D所示，藉由電鍍、濺鍍、物理氣相沈積、 化學氣相沈積、或是其他方式在基底51及探針522上形成一 金屬導電層54，例如金、銅、鋁、鎳或其他金屬或合金等。 於本較佳實施例中，該導電層54係廣泛覆蓋整個基底51與 探針522。然而，於其他實施例中，該導電層54至少需覆蓋 有探針522之尖端。 最後，如圖一E所示，形成一非導電物質層55覆蓋於導 電層54上之預定區域處而僅暴露出探針522尖端處之導電 層541。於本實施例中，該非導電物質55可為光阻或其他不 導電薄膜或南分子材料等。其先將光阻廣泛覆蓋於整個導 1293766 電層54上後、再藉由反應性離子蝕刻掉預定厚度的光阻， 而使除了探針522尖端處之外的其他部分導電層54均被非 導電物質55所遮蔽。如此，便完成圖一所示之具有探針之 基板結構的製作。 值得一提的是，於圖二A至圖二E所示之本發明之該含 有探針12之基底11的製程步驟的實施例中，雖然是以氮化 石夕（SiKO作為製作微米探針的材料，然而，吾人亦可選 用其他氮化梦、氧化⑦、金屬、或高分子聚合物等來在基 底上形成探針者。 如上述之電泳系統/介電泳系統係可在常溫常壓下進行 奈米碳管與探針接合之製作，可以避免習知技術需要在高 溫高壓下進行奈米碳管與探針接合之缺失。並且，本發明 於申請前從未曾見於任何刊物及公開場合中，確實具有新 颖性及南度進步性。 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之 限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之 均等變化及修飾，仍料失本_之要義所在，亦不脫離 本發明之精神和範圍，故都應視為本發_進—步實施狀 況。 【圖式簡單說日日1

W 圖一為本發明藉由電泳（或介電泳）原理來進行奈米碳管 與探針自組裝接合之系統架構與方法示意圖。 圖二A至圖二E絲本發明之具有探針之基底的製程步驟 1293766 流程圖。 圖示之圖號說明： 11基底 12探針 121尖端 13導電層 131尖端處導電層 14非導電物質層 20溶液環境 21奈米碳管 31電極 41、42導電膠 43、44連接線 45直流電源 46超音波裝置 51基底 52氮化矽層 521氮化矽柱 522探針 53阻障層 531 開口 55非導電物質 54導電層 13

Claims (1)

1. _tt委員明示，本索修正後是否變更原實質内會 1293766 (專卿纖削G1GI3 _______ 拾、申請專利範圍： 碳倾探針接合之製作方法，包括下列步驟： ⑻棱供一矽材質的基底； ⑼依序形成—氮化石夕層及—阻障層，並於該 位置處開設若干開σ ’使該開口部分之氮 化石夕層可暴露於外界； (0進行侧，使該開口部分之氮切層賴刻而遭侵 韻，之後再去除該阻障層； ⑼對該氮切層進行非等向性做彳，而於 至少一氮化石夕材質之探針結構； -域 ⑻以魏或_崎方式職基敍贿針表面覆蓋一 導電層； (f) 除該探針尖端處之導電層外，於其餘導 蓋一 非導電物質層； 覆 (g) 將該t有探針、導電層及非導電物質層之基底置入一 含有分散奈米碳管之溶液環境+，並於雜液環境中 另設一電極；以及 (h) 、於該導電層及該電極間施加一預定電壓，使至少一奈 米碳管朝向該探針之尖端泳動，並附著於該探針之尖& 處。 2·如申請專利範圍第丨項所述之奈米碳管與探針接合之製 作方法，其中，該電極暴露於溶液環境之面積 針尖端暴露於溶液環境之面積。 、' 、 3·如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管與探針接合之製 14 1293766 G額10Π ________ 成團 ，步驟，以避免該溶 圍第1賴述之奈米碳管絲針接合之製 作方法，其中，該非導電物質為光阻。 …+ ’該减喊係包括有陰料界面活性劑， =在該奈米碳管表騎著—層負電荷，紅，該導 係為所施加預定電壓的正極。 1申請專__〗項所述之奈米翁絲針接合之製 作方法，其中’該溶液環境係包括有異丙醇。 7.如申請專利範圍第！項所述之奈米碳管與探針接合之製 ，方，’其中該奈米碳管係藉凡得瓦力附著於該探針之 W端處。 8.—種奈米碳管與探針接合之結構，包括有： 基底，該基底上並形成有至少一探針丨 一導電層，其敍少於該探針之尖端處，該導電層 上之預定區域處更覆蓋有一非導電物質層，而且該探 =尖端處之導電層並不被該非導電物f層所覆蓋而暴 露於外界，·以及，” 至少-奈米碳管，其細雜該探針的线上，且該太 米碳管係平行於該探針之延伸方向。 不 ^如申請翻翻第8術叙奈錢針接合之处 構，其中，該基底材質係為矽。 1293766 (專利申請第〇93101013號發明專利申請案說明書修正) 10. 如申請專利範圍第8項所述之奈米碳管與探針接合之結 構，其中，探針材質係為氮化矽。 11. 如申請專利範圍第8項所述之奈米碳管與探針接合之結 構，其中，該非導電物質為光阻。 16