作为分析具有成角度形貌的衬底的AFM探针的Y－形碳纳米管

摘要

一种Y－形碳纳米管原子力显微镜探针针头和方法，包括杆部；从该杆部的同一端延伸的一对成角度的臂，其中该杆部和一对成角度的臂包括化学修饰的碳纳米管，并且其中该化学修饰的碳纳米管是利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个修饰的。优选地，每对成角度的臂包括至少200nm的长度和10到200nm之间的直径。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适应于待探测衬底材料之间的区别。另外，化学修饰的碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底上。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适合于与待特征化的衬底表面进行化学反应。

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及原子力显微术(AFM)，并且更特别地涉及形成用于分析衬底的AFM探针的方法。

背景技术

原子力显微术(AFM)通常用作特征化在半导体衬底上的结构的宽度、高度、轮廓和表面化学性质的关键尺寸的方法。为了特征化硅器件的沟道特征的形貌，期望制造在探针针头的活动端附近具有成角度的特征的AFM探针针头。常规地，该探针针头是通过将硅特征刻蚀成在该硅特征的一端处具有成角度的结构或脚来制造。

图1示出常规AFM探针装置。通常，AFM探针1包括终端有针头3的探针臂2。探针针头3则用来分析衬底4的表面5的轮廓。在衬底4的表面5上的特定特征6可以具有由向内倾斜的侧壁7限定的底切特征。该特征6的形貌使得通常难以由探针针头3来完全地分析衬底4的所有表面特征。

因此，期望开发用硅以外的其他材料来更可复制地制造AFM探针针头的另外的方法，该探针针头更耐用并且比常规AFM探针针头具有更小的尺寸，该探针针头可以用于分析具有成角度的形貌的衬底并且可以用于探查衬底形貌的表面的化学性质。

发明内容

鉴于以上描述，本发明的实施例提供了一种Y-形碳纳米管原子力显微镜探针针头，包括杆部；从该杆部的同一端延伸的一对成角度的臂，其中该杆部和一对成角度的臂包括化学修饰的碳纳米管，并且其中该化学修饰的碳纳米管是利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个修饰的。优选地，每对成角度的臂包括至少200nm的长度和10到200nm之间的直径。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适应于待探测的衬底材料间的区别。另外，化学修饰的碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底上。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适合与待特征化的衬底表面进行化学反应。

另一个实施例提供了一种形成Y-形碳纳米管原子力显微镜探针针头的方法，其中该方法包括形成探针针头的杆部；使一对成角度的臂从该杆部的同一端延伸，其中该杆部和一对成角度的臂包括碳纳米管；并且利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个化学修饰碳纳米管。该方法可进一步包括将每对成角度的臂配置为至少200nm的长度；和将每对成角度的臂配置为10到200nm之间的直径。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适应于待探测衬底材料间的区别。另外，化学修饰的碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底上。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适合与待特征化的衬底表面进行化学反应。

另一个实施例提供了一种执行原子力显微术的方法，其中该方法包括将碳纳米管附接到原子力显微镜探针以形成探针针头，其中碳纳米管配置为Y-形；利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个化学修饰该碳纳米管；并且使用化学修饰的Y-形碳纳米管探针针头分析衬底的表面。该方法进一步包括将碳纳米管探针针头配置为具有杆部和从该杆部的同一端延伸的一对成角度的臂。另外，该方法可进一步包括将每对成角度的臂配置为至少200nm的长度。另外，该方法可进一步包括将每对成角度的臂配置为10到200nm之间的直径。优选地，化学修饰的Y-形碳纳米管适应于待探测衬底材料间的区别。同样，化学修饰的Y-形碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底上。此外，化学修饰的Y-形碳纳米管优选地适合与待特征化的衬底表面进行化学反应。

当结合以下描述和附图考虑时，本发明的实施例的这些和其他方面将得以更好地理解。然而，应当理解，指示优选实施例及其多个具体细节的以下描述是以说明的方式给出，不作为限制。可以在本发明的实施例的范围内做出许多变形和修改，而并不背离其精神，并且这些实施例包括所有这样的修改。

附图说明

从参考附图的下列详细描述本发明的实施例将得以更好的理解，其中：

图1示出了常规AFM探针装置的示意图；

图2(A)示出了根据本发明第一实施例的Y-形碳纳米管AFM探针装置的示意图；

图2(B)示出了根据本发明第二实施例的Y-形碳纳米管AFM探针装置的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的在甲烷气体中经受化学修饰的图2(A)和图2(B)的Y-形碳纳米管AFM探针针头的示意图；

图4示出了根据本发明实施例的经受利用胺成分和氟成分的化学修饰的图3的Y-形碳纳米管AFM探针针头的示意图；

图5示出了根据本发明实施例在图4中的Y-形碳纳米管AFM探针针头和胺成分之间的化学相互作用的示意图；

图6示出了根据本发明实施例的图5中所示的化学相互作用的放大示图；

图7示出了根据本发明实施例在图4中的Y-形碳纳米管AFM探针针头和氟成分之间的化学相互作用的放大示图；

图8示出了根据本发明实施例的纳米蚀刻过程的示意图；以及

图9(A)和9(B)为示出了根据本发明实施例的优选方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例及其各种特征和优势将结合非限制性实施例加以全面的描述，结合附图和以下详细描述说明这些实施例。应当注意，附图中说明的特征并不是按比例绘制的。已知的成分和处理技术被省略以使本发明的实施例更为清晰。在此使用的示例仅仅旨在便于理解本发明实施例的实现方式和进一步使得本领域技术人员可以实现本发明实施例。因此，示例不解释为对本发明实施例的范围的限制。

如上所述，期望开发用硅以外的其他材料来更可复制地制造AFM探针针头的另外的方法，该探针针头更耐用并且比常规AFM探针针头具有较小的尺寸，该探针针头可以用于分析具有成角度的形貌的衬底。这可以由本发明的实施例通过由Y-形碳纳米管(CNT)形成的AFM探针针头来实现，该探针针头可以用于分析具有成角度的形貌的衬底。现在参考附图，更特别地参考图2(A)到图9(B)，示出了本发明的实施例，其中贯穿附图相似的参考标记代表相应的特征。

本发明的实施例提供了CNT结构，其比使用在AFM探针上的常规硅针头更加耐用，因为本发明的实施例所提供的CNT AFM探针针头15的臂13具有机械的柔韧性并且机械强度高于硅。本发明实施例使用Y-形碳纳米管作为AFM探针10的活动探针针头15，以允许横向到达待分析的基础衬底22的底切轮廓。

图2(A)示出了根据本发明第一实施例的Y-形CNT AFM探针10。探针10包括探针臂12，该探针臂12具有从其延伸的Y-形CNT针头15。形成碳纳米管的Y-形CNT针头15通常包括直的杆部11和从汇合点14延伸且与杆部11连接的一对成角度的臂13。图2(b)示出了根据本发明第二实施例的探针10，其翻转Y-形CNT针头15使得成角度的臂13指向探针臂12，由此，探针臂12连接到臂13或汇合点14，并且直的杆部11向下指向待分析的衬底24。

根据本发明实施例，Y-形碳纳米管可以通过利用来自溶液的钴渗透氧化镁(MgO)支持材料得以生长。将支持的催化剂暴露于大约800到1,000℃高温的甲烷气体以生成Y-形CNT，如图3所示。更特别地，如Li，W.Z.等人在Appl.Phys.Lett.79，1879-1881(2001)的″Straight carbon nanotube Y-junctions″中所述，MgO支持的Co催化剂可以首先通过将0.246g的六水硝酸钴(Co(N03)2-6H2O，98％)溶解于40mL的乙醇，然后通过约50分钟的超声处理将2g的MgO粉末(-325mesh，99％)浸没到溶液中来制备，在此，将上述文件完整的公开内容引入本文作为参考。干燥后，将材料在约130℃煅烧约14小时。为了碳纳米管的生长，首先在压力约为200torr的H₂(40sccm)和N₂(100sccm)的流动气体中、在约1000℃将催化剂还原约1小时，然后用CH₄(10sccm)替代N₂以开始碳纳米管的生长。生长通常约持续1小时。CNT针头15的臂13可以有不同的长度，从约几百纳米(即，200)到一微米或更长。取决于特定的气体压力和温度，CNT的直径可以不同，从约10到200nm。

根据美国专利No.6,800,865描述的处理，CNT针头15可以安装在AFM探针臂12上，其中使用电场将CNT针头15吸引到探针臂12，然后通过利用电子束固化处理将CNT针头15粘接到探针臂12上，在此，将上述专利完整的公开内容引入本文作为参考。优选地，安装可以根据美国专利No.6,755,956描述的技术来完成，其中CNT的生长可以直接发生在探针针头15上，使得CNT针头15在生长之后附接在探针臂12上，在此，将上述专利完整的公开内容引入本文作为参考。同样，安装可以根据美国专利公开No.2004/0009308的描述来完成，其中描述了在探针针头15上形成催化剂，使用聚焦的离子束(FIB)以使催化剂成形，并且在探针针头15上生长Y-形CNT作为AFM探针。因此，CNT针头15可以安装在AFM探针臂12上，使得CNT针头15的臂13朝待特征化的衬底24的表面25向下延伸，如图2(A)所示，以允许臂13在上悬挂轮廓特征26以下延伸，并且允许轮廓的斜坡27得以测量。如果期望的话，CNT针头15还可以安装在探针臂12上使得CNT Y-形针头15的两个臂13朝向探针臂12，使单个的CNT臂11朝特征化的衬底24的表面25延伸。

CNT Y-形针头15的表面还可以利用胺、羧基、氟或金属成分来修饰，这将允许区分如图4到图7所示的衬底材料。例如，铜通常与胺紧密结合；相应地，胺修饰的CNT与衬底的铜部分可以比与衬底的硅或氧化硅部分较强烈地相互作用。

图4示出了经受利用胺成分和氟成分的化学修饰的图3的Y-形碳纳米管AFM探针针头的示意图。碳纳米管的氟化在Dai，L.等人在2003年10月的纳米技术14的No.10，1081-1097中的″Functionalized surfaces based on polymers and carbon nanotubes forsome biomedical and optoelectronic applications″和美国专利No.6,645,455和No.6,841,139中得以描述，在此，将上述文件和专利完整的公开内容引入本文作为参考。碳纳米管的氟化涉及将CNT针头15暴露于温度约为250-350℃的气体的氟中。然后氟化的CNT针头15还可以利用其他反应物进行修饰以引入各种其他功能性，例如氨基、羟基、烷基、硫醇。此外，可以使用例如氨、乙二胺、乙酸、乙酸乙酯、甲醇、甲胺、乙醛等的源气体从上游等离子体源在CNT针头15上沉积薄膜。上游等离子体生成沉积在CNT针头15上的反应物以生成功能化表面。

图5示出了在图4中的Y-形碳纳米管AFM探针针头和胺成分之间的化学相互作用的示意图。特别地，在图5中，CNT针头15利用胺功能性加以修饰。胺包括极化的N-H键，其适用于生成与例如羟基的其他极性的化学品的氢键合相互作用。在此情况下，随着CNT探针针头15扫描通过衬底24的表面25，胺功能性和衬底表面25上的羟基之间的氢键合将引起施加到CNT针头15和探针臂12(图5中未示出)的力。将导致探针臂12的偏移，并向AFM工具(未示出)给出发生了强表面相互作用的信号。另一方面，氟化的表面通常不生成这样的胺功能性探针针头12和氟化表面25之间的氢键合的机会，所以CNT针头15将不与氟化表面25强烈地相互作用，并且AFM工具(未示出)同样也不会记录相同程度的信号。

图6示出了图5中所示化学相互作用的放大示图。更特别地，图6详细示出了胺化的CNT针头15和羟基化的衬底表面24之间的氢键合相互作用。特别地，图6描述了存在于氮中的非键合电子对和存在于氧中的两个非键合电子对。氮和氧的高负电性使得它们将电子密度吸引朝向氮和氧原子，因此同时留下具有较低电子密度水平的键合氢原子。作为结果，这种氢原子趋向于形成到例如存在于氮或氧中的非键合电子对的邻近富电子区域的吸引或弱键。尽管这些氢键合相互作用通常相对于典型的共价键较弱，但在聚集中它们可以用来生成在液体或固体状态中的有效的分子间相互作用。

图7示出了在图4中的Y-形碳纳米管AFM探针针头和氟成分之间的化学相互作用的放大示图。更特别地，图7示出了不存在氟化衬底表面25和胺化的CNT针头15之间的氢键合相互作用。有分布在氟原子周围的三对非键合电子，图7中未示出。氟原子比氮或氧更加具有负电性，并且在能量上更加不易于与最邻近的氢原子分享这些电子，所以胺和氟化衬底之间的氢键合相对较弱。而且，氟化的表面不包含任何氢基，其也可以形成与胺功能性的氮的氢键。作为结果，相对弱的相互作用发生在衬底24的氟化表面25和胺化CNT针头15之间。

图8示出了纳米蚀刻处理的示意图，其中氟气体流通过CNT探针针头15到达衬底24上，这允许衬底24的表面25的选择性蚀刻/修饰。更特别地，图8示出了通过氟化CNT的硅衬底的氟化。这种化学过程是由相对弱的和热可逆的到氟的CNT键来驱动的，然而相比较，硅-氟键通常是最强的单键。此外，由于容易允许反应的硅从衬底表面25被去除的SiF4的挥发性，硅表面可以通过氟化的CNT蚀刻。CNT针头15上的氟可以通过将CNT针头15暴露于与衬底24分离的腔室中的氟气体而重新生成。或者可选地，CNT针头15可以附接到覆盖有多孔陶瓷材料的悬臂上的支管(未示出)，这允许氟气体流经纳米管到达下方的衬底24。

图9(A)(参考图2(A)到图8)是示出了根据本发明实施例的形成Y-形碳纳米管原子力显微镜探针针头15的方法的流程图，其中该方法包括形成(101)探针针头15的杆部11；将一对成角度的臂13从该杆部11的同一端延伸(103)，其中该杆部11和一对成角度的臂13包括碳纳米管(未示出)；并且利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个化学地修饰(105)碳纳米管。该方法进一步包括将每对成角度的臂13配置为至少200nm的长度；和将每对成角度的臂13配置为10到200nm之间的直径。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适应于待探测衬底材料间的区别。另外，化学修饰的碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底24上。此外，化学修饰的碳纳米管优选地适合与待特征化的衬底24表面进行化学反应。

图9(B)(参考图2(A)到图8)是示出了执行根据本发明实施例的原子力显微术的方法的流程图，其中该方法包括将碳纳米管(未示出)附接(201)到原子力显微镜探针10，以形成探针针头15，其中碳纳米管被配置为Y-形；利用胺、羧基、氟和金属成分的任一个化学修饰(203)该碳纳米管；并且使用化学修饰的Y-形碳纳米管探针针头15分析(205)衬底24的表面25。该方法进一步包括利用杆部11和从该杆部11的同一端延伸的一对成角度的臂13配置碳纳米管探针针头15。此外，该方法进一步包括将每对成角度的臂13配置为至少200nm的长度。另外，该方法进一步包括将每对成角度的臂13配置为10到200nm之间的直径。优选地，化学修饰的Y-形碳纳米管适应于待探测衬底材料之间的区别。同样，化学修饰的Y-形碳纳米管优选地适合于允许氟气体流经化学修饰的碳纳米管到待特征化的衬底24上。此外，化学修饰的Y-形碳纳米管优选地适合与待特征化的衬底表面25进行化学反应。

以上对本发明具体实施例的如此详细的描述使得其他人可以通过应用当前的知识容易地针对各种应用对这样的具体实施例进行修改和/或适应，而不脱离本发明的一般概念，并且因此，这样的适应和修改应当被认为是在公开的实施例的涵义和等效范围之内。应当理解，在此使用的措辞和术语是描述的目的，而非限制的目的。因此，虽然已经在此按照优选实施例进行了描述，但本领域技术人员可以意识到这些实施例可以利用在所附权利要求书的精神和范围之内的修改加以实施。