(57)【要約】【課題】確立されたフォトリソグラフィ技法を使用してバッチを製作する方法を提供すること。【解決手段】大規模大量生産に適切な反復可能で信頼性のある方式で、ナノ粒子またはナノデバイスを製作し、巨視的デバイスに実装することが可能になる。ナノ粒子は、容易に操作して、様々なデバイスにおいて標準的なマウントをはめ込むように成形することができる巨視的「モジュール」の上に成長させることができる。【選択図】図２
2007196368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノデバイスを製作する方法であって、
複数のモジュール境界を基板表面上において画定することと、
前記モジュール境界の２つ以上の内部において前記基板表面の上にナノ粒子を形成し、前記ナノ粒子が機能を有することと、
互いに分離された少なくとも２つのモジュールを形成するために、複数の前記モジュール境界に沿って前記基板をセクションに分離し、前記少なくとも２つのモジュールのそれぞれが、１つの添付された機能ナノ粒子を有する基板ベースを備えることと、
少なくとも１つのモジュールの前記ベースを、前記機能ナノ粒子の機能を利用することができるデバイスに実装し、前記ベースが、前記ベースに対して及ぼされる機械的な圧締め力によって前記デバイスにおいて適所に保持されることとを備える方法。
【請求項２】
前記ベースが前記デバイスに実装された後、前記機能ナノ粒子を加熱することによって、前記１つの添付された機能ナノ粒子に成長後処理を受けさせることをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベースが前記デバイスに実装された後、前記１つの添付された機能ナノ粒子を電気的手段または化学的手段によって活性化することをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ナノ粒子を前記基板表面の上に形成することが、
前記モジュール境界の２つ以上の内部において触媒層を前記基板表面の上に付着させ、前記触媒層が、機能を有するナノ粒子の成長に触媒作用を及ぼすことができる材料を備えることと、
前記材料によって触媒作用されるプロセスにおいて、前記モジュール境界の２つ以上の内部においてナノ粒子を前記触媒層の上に成長させることとを備える請求項１に記載の方法。
【請求項５】
触媒層を前記基板表面の上に付着させることが、
前記モジュール境界の２つ以上の内部においてレジスト層を前記基板表面の上に付着させることと、
前記モジュール境界内の望ましい位置において前記基板表面を暴露させるために、前記レジスト層をパターニングすることと、
前記パターニングされたレジスト層および暴露された前記基板表面の上にわたって触媒層を加えることと、
前記レジスト層および前記レジスト層の上に重なる前記触媒層を除去し、前記モジュール境界内の前記望ましい位置において前記基板の上に重なる前記触媒層を残すこととを備える請求項４に記載の方法。
【請求項６】
触媒層を前記基板表面上に付着させることが、
絶縁層を前記触媒層の上にわたって付着させることと、
前記モジュール境界内の望ましい位置において前記触媒層を暴露させるために、前記絶縁層をパターニングすることとをさらに備える請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基板が、シリコン・ウエハを備える請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板が、ガラス、セラミック、金属、またはサファイアを備える請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ粒子が、ナノチューブ、ナノロッド、ナノワイヤ、または量子ドットである請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ナノ粒子が、単一壁炭素ナノチューブまたは複数壁炭素ナノチューブである請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記機能が、電子放出機能を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記デバイスが、電子ビーム・システムを備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記デバイスが、帯電粒子ビーム・システムを備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記機能が、化学物質センサ機能を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのモジュールの前記ベースが、小型ボーゲル・マウントを使用して実装される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板が、絶縁材料および導電性材料パターンを備える請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
導電性材料の前記パターンが、添付された前記ナノ粒子と前記基板ベースの少なくとも１つの縁の上の電気接触点との間に少なくとも１つの電気接続を形成する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つのモジュールの前記ベースを、前記機能ナノ粒子の前記機能を利用することができるデバイスに実装することが、前記デバイスと前記電気接触点との間に電気接続を構築することをさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板ベースが、巨視的規模の環境において操作することができる基板のセクションを備える請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
ナノデバイスを製作する方法であって、
複数のモジュール境界を基板表面上において画定することと、
前記モジュール境界の２つ以上の内部においてナノ粒子を前記基板表面の上に形成し、前記ナノ粒子が機能を有することと、
少なくとも２つのモジュールが互いに分離されるように、複数の前記モジュール境界に沿ってモジュールを分離し、前記少なくとも２つのモジュールのそれぞれが、ベースおよび唯一の添付された機能ナノ粒子を有し、各ベースが、添付された前記ナノ粒子の前記機能を使用して前記モジュールを巨視的デバイスに実装するのに適切であり、この実装が、前記ベースに及ぼされる力によって達成されることとを備える方法。
【請求項２１】
前記力が、機械的圧締め、溶接、ロウ付け、または化学接着剤によって前記ベースに及ぼされる請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ナノデバイスを製作する方法であって、
複数のナノ粒子を基板表面上に形成し、前記ナノ粒子の少なくとも２つが機能を有することと、
前記基板を２つ以上のセクションに分離し、各セクションが、少なくとも１つの添付された機能ナノ粒子を有することと、
少なくとも１つのセクションを巨視的規模のデバイスに実装し、この実装が、前記基板セクションの上に及ぼされる機械的圧締め力によって達成され、この実装が、前記巨視的規模のデバイスと前記基板セクションとの間において電気接続を提供し、前記巨視的規模のデバイスが、前記少なくとも１つの添付されたナノ粒子の前記機能を使用することとを備える方法。
【請求項２３】
前記基板をそれぞれが少なくとも１つの添付された機能ナノ粒子を有する２つ以上のセクションに分離することが、前記基板を２つ以上のセクションに分離することを備え、各セクションが添付された機能ナノ粒子のアレイを有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ナノデバイスを製作する方法であって、
均一なサイズおよび形状を有する複数のモジュールを画定するために、基板をパターニングすることと、
前記モジュール境界の２つ以上の内部において触媒層を前記基板表面の上に付着させ、前記触媒層が、機能を有するナノ構造の成長に触媒作用を及ぼすことができる材料を備えることと、
前記モジュール境界の２つ以上の内部において所定の触媒パターンを前記基板表面の上に形成することと、
前記材料によって触媒作用を及ぼされたプロセスにおいて、化学蒸着を使用して前記触媒パターンの暴露表面において、機能を有する複数のナノ構造を成長させることと、
少なくとも２つのモジュールが互いに分離されるように、複数の前記モジュール境界に沿って前記モジュールを分離し、前記少なくとも２つのモジュールのそれぞれが、ベースおよび少なくとも１つの添付されたナノ構造を有することと、
少なくとも１つのモジュールの前記ベースを、添付された前記ナノ構造の機能を利用することができる環境に実装されることと、
前記ベースが前記環境に実装された後、前記ナノ構造を加熱することによって、前記少なくとも１つの添付されたナノ構造に成長後処理を受けさせることとを備える方法。
【請求項２５】
基板をパターニングすることが、一般にピラミッド形である複数の隆起モジュールに前記基板表面を分割する溝のパターンを前記基板表面において形成することを備える請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記基板が、厚さが３００から８００μｍである請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記画定されたモジュールが、１０μｍより大きい幅を有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記ナノ構造を加熱することによって、前記少なくとも１つの添付されたナノ構造に成長後処理を受けさせることが、前記ナノ構造を少なくとも１８００Ｋの温度に加熱することを備える請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
電子放出デバイスを製作する方法であって、基板表面上において複数のモジュール境界を画定することと、
前記モジュール境界の２つ以上の内部において炭素ナノチューブを前記基板表面上に形成することと、
互いに分離した少なくとも２つのモジュールを形成するために、複数の前記モジュール境界に沿って前記基板をセクションに分離し、前記少なくとも２つのモジュールのそれぞれが、１つの添付された炭素ナノチューブを有する基板ベースを備えることと、
小型ボーゲル・マウントを使用することによって、少なくとも１つのモジュールの前記ベースを電子ビーム・システムに実装することとを備える方法。
【請求項３０】
電子ビームを生成する装置であって、
標準的な小型ボーゲル・マウントを有する電子ビーム・システムと、
前記標準的な小型ボーゲル・マウントにおいて実装された適切に成形された基板セクションと、
前記基板セクションの上に成長された少なくとも１つの炭素ナノチューブとを備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる２００５年１２月２３日出願の米国仮出願６０／７５３５６１からの優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、ナノ製作、具体的にはナノデバイスを大量生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ナノ技術は、ナノメートルで測定される少なくとも１つの領域または特徴的な寸法を有する機能構造の構築および使用として一般に定義される。そのような構造は、これ以後ナノデバイスと呼ばれる。ナノ技術の可能な応用分野は普及しており、社会に対する予測される影響は膨大である。ＩＣ製造技術は、１００ｎｍ以下の技術にすでに到達しているが、さらにより小さい構造の製作が、実験室規模ではすでに実証されている。
【０００４】
ナノデバイスの基本的な構築ブロックは、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、量子ドット、または球状フラーレンなど、ナノ粒子またはナノ構造である。炭素ナノチューブは、中空円筒形態に丸められたグラフェン・シート（炭素原子の六方晶系網のシート状構造）を備え、単一壁または複数壁とすることができる。量子ドット（または半導体ナノ結晶）は、電子を追加または除去することにより、ある有用な方式で電子の特性を変化させる物質の粒子である。球状フラーレン（バッキーボールとも呼ばれる）は、インタロックされた６角形および５角形のシリーズに構成された６０の炭素原子から作成された炭素分子であり、サッカー・ボールに類似して見える構造を形成する。
【０００５】
しかし、個々の構成要素またはサブユニットは非常に小さいので、ナノ粒子またはナノ構造をナノデバイスに組み立てることは、多大な問題を提示する。個々のナノ粒子の操作は、可能であるときでも、緩慢で冗長である。機能ナノデバイスを創出するために、様々なナノ粒子を創出し、ナノ粒子を他のナノ粒子または従来の材料と組合わせるためのいくつかの既知の技法が存在する。残念ながら、これらの技法は、ナノデバイスの大規模大量生産より実験室における使用に適している。
【０００６】
たとえば、ＣＮＴは、最も広く使用されているナノ粒子の１つである。ＣＮＴは、並外れた強度、柔軟性、および固有の電気特性を示し、熱の効率的な導体であり、それにより、原子間力顕微鏡ＡＦＭおよび走査形トンネル顕微鏡ＳＴＭのチップ（tip）からナノスケールのトランジスタ、さらに強化複合ポリマーにわたる応用分野に適している。ＣＮＴは、また、平坦パネル・ディスプレイ、マイクロ波増幅器、電子ビーム・リソグラフィ・デバイス、および電子顕微鏡において使用するのに優れた電界放出電子ソースを生成する。
【０００７】
通常の電界放出デバイスは、カソードおよび複数の電界エミッタチップからなる電界放出アセンブリを備える。デバイスは、通常、エミッタチップに比較的近接して間隔をおいて配置されたグリッド（grid）、およびチップから比較的離れて間隔をおいて配置されたアノードをも含む。電圧が、チップからグリッドを経てアノードに向けた電子の放出を誘起する。用途は、マイクロ波管デバイス、平坦パネル・ディスプレイ、クライストロンおよび進行波管、イオン銃、電子ビーム・リソグラフィ、高エネルギー加速器、自由電子レーザ、電子顕微鏡、ならびに電子マイクロプローブがある。
【０００８】
最も高解像度の電子顕微鏡は、特別に準備された加熱済み金属（Ｚｒ／Ｏ／Ｗ）チップを電子ソース（source）として使用する。これらのソースは、放出電子の比較的大きなエネルギー分散を有し、これは、顕微鏡の解像度に負の影響を与える。冷電界放出に基づく電子ソースは、より低いエネルギー分散を有する。電界放出銃と呼ばれるこのソースは、非常に鋭いとがったタングステンまたは他の金属チップから外部に電子を引き出すために、非常に強い電界を使用する。汚染、金属原子の表面移動による形状変化、および電子ビームがソースから引き出されるときに創出されるイオンによる不可避の衝突のために、非常に良好な真空の場合を除いて、そのようなチップから安定した電子電流を得ることは非常に困難である。
【０００９】
炭素ナノチューブは、必要な鋭いチップを本質的に有し、かつ優れた放出安定性を示すので、冷電界エミッタとして魅力的である。炭素ナノチューブの構造は、イオン衝突に対してより耐性を有し、汚染に対してより耐性を有し（ＣＮＴ構造の低粘着係数のため）、金属チップより放出に必要とされる強い電界に良好に耐えることができる。炭素ナノチューブの極度に小さい先端から引き出された電子ビームは、高い電流密度および小さいエネルギー分散を有する。これは、電子顕微鏡の解像度を大幅に増大させるために利用することができる。図１は、タングステンチップ３０４の上に実装され、接着剤３０６によって固定された個々の炭素ナノチューブ３０２の線図である。
【００１０】
ＣＮＴ電子ソースの概述が、「Ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ  ３６２、２２３９〜２２６６ページ（２００４）においてｄｅ  Ｊｏｎｇｅらによって示されている。ＣＮＴ電子ソースは、個々の炭素ナノチューブをタングステンチップの上に直接実装することによって作成された。残念ながら、既存の方法は、多数のＣＮＴ電子ソースを確実に作成するのを困難にするいくつかの問題を有する。
【００１１】
炭素アーク放電、炭素のレーザ・アブレーション（ablation）、または化学蒸着（ＣＶＤ）を含めて、ＣＮＴを作成するいくつかの既知の方法が存在する。ＣＮＴは、通常、個々の電界エミッタ・デバイスに組み込むのが容易でないか好都合ではない、無作為に配向した針状またはスパゲティ状の凝集物の形態で成長する。実装のために単一のＣＮＴを抽出するのは、しばしば困難で時間がかかる。「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｍｕｌｔｉｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｏｎ  ｅａｃｈ  ｎａｎｏｎｉｃｋｅｌ  ｄｏｔ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．７５．ｎｏ．８、２３、１９９９年８月、１０８６〜１０８８ページにおいてＲｅｎらによって記載されているように、所定の位置において単一のＣＮＴを成長させるために、ＣＶＤを使用することができるが、これらのＣＮＴは、触媒層に緊密に結合する傾向があり、除去が困難である。
【００１２】
さらに、単一のＣＮＴが分離される（isolated）とき、通常はＣＮＴを配置するために微調整装置および光学顕微鏡または電子顕微鏡を使用することによって、かつチップを適所において保持するために、ファン・デア・ワールス力のみに依拠することによって、または接着剤を使用することによって、支持構造の上に依然として実装しなければならない。どのような方法が使用されても、基板へのＣＮＴの接着は、一般に弱い結合である。したがって、ＣＮＴは、強い電界において基板からはがれる傾向を有する。これらの方法は、ＣＮＴを加熱することができる最高温度をしばしば限定し、それにより、実施することができる実装後処理を限定する。
【００１３】
ＣＮＴ電子ソースを生成する他の方式は、触媒をチップの上に付着させ、ＣＶＤ技法を使用することによって、ＣＮＴをタングステンチップの上に直接成長させるものである。この方法は、多くの課題および難題を提示し、単一のＣＮＴを反復可能な方式で成長させることができるようになる前に、膨大な追加の研究を必要とする。
【特許文献１】米国仮出願６０／７５３５６１
【非特許文献１】ｄｅ  Ｊｏｎｇｅら、「Ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ  ３６２、２２３９〜２２６６ページ（２００４）
【非特許文献２】Ｒｅｎら、「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｍｕｌｔｉｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｏｎ  ｅａｃｈ  ｎａｎｏｎｉｃｋｅｌ  ｄｏｔ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．７５．ｎｏ．８、２３、１９９９年８月、１０８６〜１０８８ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
大規模大量生産に適した反復可能で確実な方式で、ナノデバイスを巨視的デバイスに実装することができるように、ＣＮＴ電子ソースを含めて、ある種のナノデバイスを製造する改良された方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、大規模大量生産に適した反復可能で確実な方式で、ナノデバイスを製作し巨視的デバイスに実装することができるように、ある種のナノデバイスを製造する改良された方法を提供することである。
【００１６】
以上は、以下の本発明の詳細な説明をより良好に理解することが可能であるように、本発明の特徴および技術的な利点をかなり広範に概述した。本発明の追加の特徴および利点が、以下において説明される。当業者なら、開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実施するための他の構造を修正または設計する基盤として容易に使用することが可能であることを理解されたい。また、当業者なら、そのような等価な構造は、添付の特許請求の範囲において述べられる本発明の精神および範囲から逸脱しないことも理解されたい。
【００１７】
本発明およびその利点のより完全な理解のために、ここで、添付の図面と関連して取り入れられる以下の説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、確立されたフォトリソグラフィ技法を使用してナノ粒子のバッチまたはナノデバイスを製作する方法および装置を対象とする。ナノ粒子は、容易に操作して、様々な巨視的デバイスにおいて標準的なマウントにはめ込まれるように成形することができる巨視的「モジュール」の上に成長させることができる。様々なデバイスとナノ粒子またはナノデバイスとの間に適切なインタフェースを提供するために、広範な電気的接続および機械的接続を巨視的モジュールに組み込むことができる。本発明の実施形態は、炭素ナノチューブ、ナノワイヤ、量子ドット、または量子ワイヤなど、ナノ粒子を成長させるために十分に発展された技法をシリコンウエハまたは他の適切な基板上の画定されたアレイ（array）において使用することができる。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態では、フォトリソグラフィ技法が、大規模大量生産に適した方式でナノ粒子準構造を製造するために使用される。フォトリソグラフィは、集積回路の製作において数１０年にわたって使用されてきた。その結果、関与するプロセスは、より一般的ではない他の技法で見られる信頼性を大きく超える信頼性のレベルまで洗練された。バッチ製作は、数千の構造がウエハの表面上に同時に製作されることを可能にすることによって、低製造コストに直接寄与する。ＩＣ生産に一般的な材料を使用することにより、材料が非常に広く入手可能であるので、製造コストも著しく低減される。現在のフォトリソグラフィ技法の信頼性および反復性は、誤差のマージンが非常に小さいので、ナノ構造の生産において特に価値がある。たとえば、電子放出の特性は、ＣＮＴ電子ソースの構造のあらゆる変化（幅、長さなど）について、非常に広範に変化することができる。フォトリソグラフィを使用する大量生産技法の高い再現性により、異なるＣＮＴエミッタ間のばらつきが低減される。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、実装されたナノデバイスは、巨視的小型モジュールとして製作され、これにより、ナノスケール構造がより容易に実装され、使用されることが可能になる。これにより、使用者は、ナノ粒子を製作して実装する従来の技術の方法の限定を有さずに、ナノ粒子またはナノデバイスに固有の挙動を利用することが可能になる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、周知のフォトリソグラフィ技法は、多数のＣＮＴをシリコン・ウエハの上に組み立てるために使用することができ、多数のＣＮＴは、個々の電子エミッタまたは電子エミッタのアレイとして使用するのに適した、１つの機能ＣＮＴをそれぞれ有するいくつかの巨視的モジュールに分割することができる。これらのＣＮＴモジュールは、小型ボーゲル・マウント（Vogel mount）などの標準的なマウントを使用することによって、電子ビーム・システムなどのデバイスにおいて容易に実装することができる。このようにして、本発明は、多数のＣＮＴの大量生産を可能にする既存のＳｉウエハ・レベル技法の使用と、ＣＮＴを容易に取り扱い、電子カラムなどのデバイスに実装することができる方法とを組み合わせる。他の実施形態では、他のタイプの巨視的デバイスにおいて使用される他のタイプのナノデバイスを製造するために、同様の技法を使用することができる。
【００２２】
本明細書において言及する際、「ナノ粒子」、「ナノ構造」、および「ナノ構成要素」という用語は、ナノメートル（通常５００ｎｍ以下）で測定された少なくとも１つの領域または特徴的な寸法を有する機能構造を指すことを意図し、相互に排他的であることを意図していない。本明細書において使用される際、「ナノデバイス」は、ナノメートルで測定されたデバイスの少なくとも１つの領域または特徴的な寸法を有する機能要素（すなわち、機能を有するデバイス）を含む任意のデバイスである。ナノデバイスは、ナノレベルにおいて材料と相互作用するために、電子ビーム・システムまたは原子力顕微鏡など、通常の巨視的規模のデバイスによって、またはその一部として使用することが可能である。「炭素ナノチューブ」または「ナノチューブ」という用語は、主に炭素よりなる円筒構造を少なくとも部分的に有する構造を指す。以下の説明の多くはＣＮＴ電子エミッタの製作を対象とするが、本発明の方法は、任意のナノ構造またはナノデバイスの製作に等しく適用可能である。したがって、本発明の範囲は、本明細書において議論される特定の実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
図２は、本発明の好ましい実施形態によるナノデバイスのバッチを製作するステップを示すフローチャートである。
【００２４】
第１に、ステップ３０２において、適切な基板ウエハが選択される。好ましい実施形態では、シリコン・ウエハが使用されるが、ガラス、セラミック、金属、サファイア、半導体材料、または必要な成長温度または望ましいナノ粒子の条件に耐えることができるあらゆる他の材料を含めて、他の基板材料を使用することができる。基板は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁材料の１つまたは複数の層を含むこともできる。さらに、基板は、簡略化のためにこの実施形態では示されていない、制御電子機器または他の回路を提供するために既知のリソグラフィ技法を使用して形成された複数の材料層を含むことができる。
【００２５】
ウエハは、使用される特定のマウント方法に応じて、任意の望ましい厚さとすることができる。たとえば、以下においてより詳細に議論されるように、本発明の好ましい実施形態は、電子ビーム・システムにおいて標準的な小型ボーゲル・マウント（ＭＶＭ）に容易に実装することができるＣＮＴ電子エミッタを製作するために使用することができる。この実施形態では、８００μｍの厚さを有するウエハが、標準的なＭＶＭマウントにはめ込まれるので、好ましい。
【００２６】
ステップ３０４において、ウエハの表面は、モジュールの境界を画定することによって、いくつかのセクションまたは「モジュール」に分割される。各画定されたモジュールは、ナノ粒子の成長が望まれる少なくとも１つの部位（site）を含むことが好ましい。モジュールは、デバイスまたは機器において任意の望ましい従来の技術の巨視的規模のホルダ、ソケット、または他の標準的なマウントにおいて実装するのに適切な任意の形状とすることができる。基板の表面は、溝または線を基板表面にエッチングし、または切り込み、したがって、図３Ａに示されるように、エッチングされた線の上に隆起するいくつかのモジュール・「キャップ」を形成することによって、任意選択でステップ３０５において物理的にパターニングすることができる。これらのエッチング線は、形成される別々のモジュールの輪郭を描き、ナノ粒子が形成された後、モジュールを分離するのをより容易にするように作用する。エッチング線は、フォトリソグラフィ・エッチング、ダイアモンド・ダイシング・ソー（a diamond dicing saw）での切断、または帯電粒子ビームもしくはレーザでのミリング（milling）を含めて、任意の適切な既知の方法を使用して形成することができる。代替として、ウエハの表面は、仮想モジュールに分割することができ、各モジュールの実際の分離は、望ましいナノ粒子が形成された後に行われる。
【００２７】
基板表面が適切な形状のモジュールに分割され、望ましいナノ粒子位置が決定された後、ナノ粒子またはナノデバイスは、任意の既知の成長技法を使用して各モジュールの上に成長させることができる。ステップ３０６において、基板表面は、フォトレジストでスピンコーティングすることができる。任意の適切なレジストを用いることが可能である。たとえば、レジストがｅビーム・リソグラフィを使用してパターニングされる場合、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのｅビーム・レジストを使用することが可能である。レジストをパターニングするために、他のタイプのリソグラフィ技法が使用されるとき、他のレジストを使用することが可能である。他のタイプの適切なリソグラフィ・パターニング技法には、ｅビーム・リソグラフィ、ＵＶリソグラフィ、遠ＵＶ（ＤＵＶ）リソグラフィ、極ＵＶ（ＥＵＶ）リソグラフィ、イオン・ビーム・リソグラフィ、レーザ・ベース技法、およびｘ線リソグラフィがある。
【００２８】
この実施形態では、レジストは、触媒層が加えられる前に用いられてパターニングされる。当業者なら、ある環境では、レジストの前に触媒を付着させ、金属エッチング技法で触媒をパターニングすることが望ましいことを理解するであろう。
【００２９】
レジストが付着された後、ステップ３０８において、レジストをパターニングするために、適切な方法が使用される。好ましい実施形態では、レジストは、レジスト表面の上にパターンを形成するために、マスクを経て放射源に暴露される。次いで、暴露されたレジスト層は現像され、レジスト層の一部は除去され、暴露された表面の望ましい領域およびレジストで覆われた他の領域が残る。この実施形態では、暴露された領域は、望ましいナノ粒子の望ましい位置に対応すべきである。レジスト中の所望の開口のサイズは触媒部位の所望のサイズとともに変化する。
【００３０】
ステップ３１０において、次いで、適切な触媒層が、レジストのパターニングされた穴を充填するように、レジスト層の上に付着される。触媒層は、ニッケル、鉄、またはコバルトを含めて、様々な触媒材料の１つまたは複数を含むことが可能である。イオン・スパッタリング、電子ビーム蒸着、および誘導加熱蒸着を含めて、様々な既知の付着技法を使用することができる。
【００３１】
ステップ３１２において、次いで、レジスト層を除去するために、レジストの上に付着された触媒材料と共に、レジスト溶媒を使用することができ、レジストの穴の底部において基板上に付着された触媒のみが残る。このようにして、基板上の任意の望ましい位置において、望ましいサイズの触媒ドットを形成することができる。
【００３２】
触媒ドットが望ましい位置において形成された後、ステップ３１４において、望ましい位置においてナノ粒子を成長させるために、適切な成長技法を使用することができる。たとえば、通常、６００°Ｃを超える温度において炭素包含気体（アセチレン、エチレン、エタノールなど）を触媒と反応させることによって、単一壁ＣＮＴを成長させるために、様々なＣＶＤ技法を使用することができる。適切な成長技法は、プラズマＣＶＤ、熱化学ＣＶＤ、アルコール触媒ＣＶＤ、気相成長、エアロ・ゲル支持ＣＶＤ、およびレーザＣＶＤを含むことができる。
【００３３】
望ましいナノ粒子が基板モジュールのそれぞれの上に形成された後、ステップ３１６において、モジュールは、様々な既知のウエハ切断技法によって分離することができる。モジュールは、添付された単一のナノ粒子、またはナノ粒子のアレイを有することができる。次いで、添付されたナノ粒子またはナノデバイスを有する巨視的モジュールは、ステップ３１８において、望ましいデバイスまたは機器に容易に実装することができる。
【００３４】
図３Ａから図３Ｇは、いくつかの電子ビーム・システムによって使用される標準的な小型ボーゲル・マウントにおいて実装するのに適切な多数のＣＮＴ電子エミッタを製作するステップを示す。
【００３５】
図３Ａは、シリコン・ウエハ４０１がいくつかの隆起セクションまたはモジュール・キャップ４０２の中にパターニングされている本発明の好ましい実施形態を示し、各モジュール・キャップは、一般に、線４０４をウエハ表面の中にエッチングすることによって、平坦な上面を有する先端が切り取られたピラミッドのように成形される。線４０４は、任意の既知のフォトリソグラフィ技法によって、またはミリングもしくはソーイング（sawing）などの他の適切な技法によって、形成することができる。図４は、上部から見た図３Ａのパターニングされた基板を示す。図３Ａおよび図４の実施形態では、モジュール・キャップのベースにおける寸法は、約５００μｍ×７００μｍであることが好ましい。図３Ａの好ましい実施形態では、モジュール・キャップは、３０から５０μｍの隆起した高さ（エッチング線の底部より上）を有する。
【００３６】
図３Ｂは、基板がフォトレジストの層でコーティングされた後の図３Ａのウエハを示す。図３Ｃでは、フォトレジストは、標準的なリソグラフィ技法を使用してパターニングされている。このパターニングにより、各隆起モジュールの上面上において基板を暴露させる１つの穴４０８がレジストにおいて得られる。レジストにおける望ましい開口のサイズは、触媒部位の望ましいサイズに付随して変化する。図３Ｃの好ましい実施形態では、レジストの穴は、直径が約５〜１０ｎｍである。
【００３７】
図３Ｄでは、ニッケル触媒層４１０が、各隆起モジュール・キャップの上面上においてレジストの上にわたってスパッタ付着されている。図３Ｅは、レジスト溶媒で洗浄することにより、レジストの上に付着された触媒材料と共にレジスト層が除去され、レジストの穴の底部において基板の上に付着されたニッケル触媒のみが残された後の図３Ｄの実施形態を示す。図３Ｅの好ましい実施形態では、１つの触媒ドット４１１が各基板モジュール・キャップの上面上に形成されている。当業者なら、触媒は、付着または帯電粒子ビームでの直接書込みを含めて、いくつかの他の適切な方法によって望ましい位置において付着させることができることを理解するであろう。
【００３８】
図３Ｆでは、１つの炭素ナノチューブ４１２が、各ニッケル触媒ドットの上に成長されている。図３Ｆの好ましい実施形態では、１つのＣＮＴのみが、各隆起モジュールの上面上に成長される。単一壁ＣＮＴまたは複数壁ＣＮＴを成長させることができる。いくつかの場合、ニッケル触媒ドットは、成長プロセスが完了した後、ＣＮＴの上にあることが可能である。当業者なら、既知の技法を使用して、ニッケル触媒ドットをＣＮＴチップから除去することが望ましい可能性があることを理解するであろう。
【００３９】
図３Ｇでは、ＣＮＴモジュール４１４は、好ましくはダイアモンド・ダイシング・ソーまたはレーザを使用することによって、エッチング線４０４にほぼ沿って分離されている。図３Ｇに示されるＣＮＴモジュール４１４のそれぞれは、基板ベース（ピラミッド形のモジュール・キャップを有する）、および電子エミッタとして使用されるのに適した１つの機能ＣＮＴ（モジュール・キャップの上面に添付されている）を備える。図３Ａおよび図４の実施形態では、基板ベースの横方向寸法は、約５００μｍ×７００μｍであることが好ましい。当業者なら、モジュールは、望ましいデバイスまたは機器において実装するのに適した任意の寸法または形状で形成することができることを理解するであろう（以下において議論されるように）。しかし、１０μｍより小さい寸法を有するモジュールは、操作または実装がより困難である可能性がある。この好ましい実施形態では約５００×７００×８００μｍ（モジュールの高さはＳｉウエハの厚さによって決定される）であるモジュールの巨視的サイズにより、操作が比較的簡単になる。この場合はＣＮＴ電子エミッタである機能ナノデバイスの大きなバッチ（batches）は、この方法を使用して同時に製作することができる。
【００４０】
図３Ｇに示されたモジュール４１４は、モジュールのベースを適所において保持するために圧締め力（clamping force）を使用するマウントに実装するのに適している。１つのそのような圧締めタイプのマウントは、多くの電子ビーム・システムにおいて使用される通常の小型ボーゲル・マウント（mini-Vogel mount）である。ＭＶＭマウントは、たとえば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［オレゴン州マクミンヴィル在］から入手可能である。通常のＭＶＭ６０２が、図５に示されている。ＭＶＭは、通常、ランタン・ヘキサボライド（ＬａＢ６）およびセリウム・ヘキサボライド（ＣｅＢ６）の熱電子陰極（thermionic cathodes）を使用する電子ビーム・システムにおいて通常使用される。通常のＭＶＭでは、ツィン・ポスト６０４が、厚いセラミック・ベース６０６においてしっかり固定され、逆「Ｖ」字の中心に向かって曲げられる。ポストは、モリブデン−レニウム合金、または高温においてさえ高弾性係数を維持する他の材料で作成されることが好ましい。ポストは、図３Ｇに示されたＣＮＴモジュール４１４を収容するように、わずかに広げることができる。ポストが解放されるとき、モジュールは、ポストの圧締め力によって適所において保持される。
【００４１】
ＭＶＭを使用してＣＮＴモジュールを実装することは、いくつかの追加の利点を有する。まず、電子ビーム・システムなどの巨視的規模のデバイスにモジュールを実装するのが比較的容易になる。また、電子エミッタが故障した場合、交換が容易になる。さらに、ＭＶＭを使用することにより、ＣＮＴを清浄して成長後処理するために、ＣＮＴモジュール全体を高温（＞１８００Ｋ）に加熱することが可能になる。通常、ＣＶＤを使用して成長したＣＮＴは、十分に構造化されているキャップされた端部形状（end-form）を形成して、はるかにより有益な電子放出特性を生成するために、融点まで加熱されることが必要である。また、ＭＶＭは、特に電気接触点がモジュール基板の一部として形成される場合、ＣＮＴへの良好な導電性をも見込む。電流にナノ粒子を通過させること、またはナノ粒子をある化学物質に暴露させることを含めて、他のタイプの成長後の「活性化」が必要とされる可能性がある。
【００４２】
他の好ましい実施形態では、モジュールは、帯電粒子ビーム・システムにおいて一般的に見られるいくつかの他の標準的な「ソケット・タイプ」・マウントにはめ込まれるように成形することができる。たとえば、図６は、電子ビーム・システムにおいてＬａＢ６結晶と共に一般的に使用されるカップ・タイプのマウントを示す。金属カップ６１２は、通常、レニウムまたは同様の材料からなる。この例では、カップの開口は円形であるが、任意の望ましい形状を使用することができる（正方形、楕円など）。カップ６１２は、通常タングステンまたはレニウムからなるフィラメントにスポット溶接され、フィラメントは、セラミック・ベース（図示せず）の上のポストに添付される。本発明のＣＮＴモジュールは、カップ６０２に緊密にはめ込まれるように成形することができることが好ましい（既知のリソグラフィ技法または他の技法を使用して）。代替として、モジュールは、ロウ付け材料または接着剤によって適所に保持することができる。
【００４３】
図７は、デンカ・マウント（Denka mount）として一般的に知られる他のソケット・タイプのマウントを示す。このマウントでは、Ｕ形金属ホルダ７０２が、フィラメント７０４にスポット溶接される。本発明によれば、ＣＮＴモジュール４１４は、Ｕ形ホルダにはめ込まれるように成形して、ホルダおよびモジュールのベースの上に付着されたロウ付け材料によって適所に保持することができる。
【００４４】
図８は、Ｋｉｍｂａｌｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｗｉｌｔｏｎ［ニュー・ハンプシャー州在］によって作成された他のＬａＢ６結晶マウントを示す。このマウントは、倒した「Ｔ」字のように成形されるＬａＢ６結晶を収容するように設計される。結晶は、ヒータ・ロッド８０２の上に配置され、次いで、フェルール８０４が、結晶の上方に押される。フェルール・プレスは、ヒータ・ロッド８０２の上に緊密にはめ込まれ、一方、フェルール８０４の先端のリップが、結晶のベースを適所において保持する。本発明によれば、モジュール４１４のベースは、優れたＣＮＴ電子エミッタを電子ビーム・システムによって容易に使用することができるように、キンブル・マウント（Kimball mount）にはめ込まれるように成形することができる。代替として、異なる機能ナノ粒子（またはナノ粒子の組合わせ）を有する本発明によるモジュールを、これらの既知のマウントのいずれかを使用して実装することもできる。
【００４５】
他の好ましい実施形態では、化学物質に暴露されることによって誘起されるＣＮＴの電気特性の変化に基づいて、大気の様々な化学物質を検出することができる化学「ノーズ」として、結果として得られるＣＮＴモジュールを使用することができるように、ＣＮＴを本発明による基板の上に成長させることができる。この実施形態では、複数のＣＮＴを各モジュールの上に成長させることができることが好ましい。モジュールの外部と個々のＣＮＴまたはＣＮＴのグループとの間の複数の電気接続を見込んで、複数の接触線をモジュール基板の内部に形成することができる。
【００４６】
本発明およびその利点が詳細に説明されたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本明細書において説明された実施形態に対して、様々な修正、代用、および変更を行うことができることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書において記載されたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者なら、本発明の開示から容易に理解するように、本明細書において説明された対応する実施形態とほぼ同じ機能を実施する、またはほぼ同じ結果を達成する既存または後に開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップが、本発明により使用されることが可能である。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップを含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ＣＮＴを使用する従来の技術の電子ソースを示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による、ナノデバイスのバッチを製作するステップを示すフローチャートである。
【図３Ａ】本発明によるエッチングされたシリコン・ウエハの断面図である。
【図３Ｂ】基板がフォトレジストの層でコーティングされた後の図４Ａのウエハの断面図である。
【図３Ｃ】フォトレジストが標準的なリソグラフィ技法を使用してパターニングされた図４Ｂのウエハの断面図である。
【図３Ｄ】触媒層が各隆起モジュールの上面上においてレジストの上にわたって付着された図４Ｃのウエハの断面図である。
【図３Ｅ】レジストの穴の底部において基板の上に付着された触媒をのみを残して、レジスト溶媒による洗浄がレジスト層を除去した後の図３Ｄの実施形態を示す図である。
【図３Ｆ】１つの炭素ナノチューブが各触媒ドットの上に成長されている、図４Ｅのウエハの断面図である。
【図３Ｇ】モジュールが分離された後の図４Ｆのウエハの断面図である。
【図４】上部から見た図３Ａのパターニングされた基板を示す図である。
【図５】小型ボーゲル・マウントにおいて実装された図４Ｇのモジュールの１つの概略図である。
【図６】カップ・マウントにおいて実装された図４Ｇのモジュールの１つの概略図である。
【図７】デンカ・マウントにおいて実装された図４Ｇのモジュールの１つの概略図である。
【図８】ＬａＢ６結晶マウントにおいて実装された図４Ｇのモジュールの１つの概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
４０１  シリコン・ウエハ
４０２  モジュール・キャップ
４０４  線
４０８  穴
４１０  ニッケル触媒層
４１１  触媒ドット
４１２  炭素ナノチューブ
４１４  ＣＮＴモジュール
６０２  ＭＶＭ
６０４  ツィン・ポスト
６０６  セラミック・ベース
６１２  金属カップ
７０２  Ｕ形金属ホルダ
７０４  フィラメント
８０２  ヒータ・ロッド
８０４  フェルール
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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2007196368000002.pdf
2007196368000003.pdf
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