一种碳纳米管平行阵列的制备方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种碳纳米管平行阵列的制备方法。

背景技术：

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料。传统无序网状的碳纳米管薄膜无法利用碳纳米管的一维各向异性，使得载流子在碳纳米管薄膜中的输运过程中的散射几率增大，从而降低了沟道材料的迁移率，对器件性能产生了不利影响。

因此，取向高度一致的碳纳米管平行阵列的制备方法是目前研究的热点，现今碳纳米管平行阵列的制备方法通常为基于高度提纯的碳纳米管溶液的自组装法，但是这种方法存在碳纳米管平行阵列的制备面积受限，无法在有效区域内完全覆盖的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种碳纳米管平行阵列的制备方法，已解决碳纳米管平行阵列的制备面积受限，无法在有效区域内完全覆盖的问题。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种碳纳米管平行阵列的制备方法，包括：

提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底具有多个沿第一方向排列的凸起结构，所述凸起结构沿第二方向延伸，所述第二衬底具有沉积平面；所述第一方向与所述第二方向交叉；

将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面。

可选的，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液包括：

在所述第二衬底的沉积平面上设置碳纳米管溶液；

将所述第一衬底的凸起结构设置在所述碳纳米管溶液表面，使所述碳纳米管溶液支撑所述第一衬底。

可选的，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液包括：

将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间设置支撑结构，以使所述支撑结构保持所述第一衬底和第二衬底之间的距离为固定距离；

在所述第一衬底和第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥。

可选的，所述第一衬底的制备方法包括：

提供硬质材料作为母版；

在所述母版上设置光刻胶或电子束胶，并通过光刻或电子束曝光的方式对所述光刻胶或电子束胶进行图形化；

以图形化后的光刻胶或电子束胶为掩膜，对所述母版进行刻蚀，以在所述母版上形成多个凸起结构图形，并将具有多个凸起结构图形的母版作为所述第一衬底。

可选的，所述第一衬底的制备方法包括：

提供硬质材料作为母版；

在所述母版上设置光刻胶或电子束胶，并通过光刻或电子束曝光的方式对所述光刻胶或电子束胶进行图形化；

以图形化后的光刻胶或电子束胶为掩膜，对所述母版进行刻蚀，以在所述母版上形成多个凸起结构图形；

在所述模板上倾倒预设材料，并在所述预设材料固化后剥离，以获得所述第一衬底。

可选的，所述第一衬底包括底板和设置于底板上的凸起结构。

可选的，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面之后还包括：

当所述碳纳米管溶液完全蒸发后，沿平行于所述衬底平面的方向移动所述第一衬底；

在所述第一衬底移动完成后，在所述第一衬底与所述第二衬底之间重新引入所述碳纳米管溶液。

可选的，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面之前还包括：

对所述第一衬底和第二衬底表面进行表面处理，以通过调节所述第一衬底和第二衬底表面的亲疏水性，以便于碳纳米管平行阵列的沉积。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种碳纳米管平行阵列的制备方法，该方法通过将第一衬底倒置在第二衬底上方，使得所述第一衬底的凸起结构朝向所述第二衬底的沉积平面设置，并在第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，此时所述第一衬底的凸起结构对由所述碳纳米管溶液形成的毛细桥产生钉扎作用，使得碳纳米管溶液蒸发时在第一衬底和第二衬底上均沉积碳纳米管平行阵列，在碳纳米管溶液完全蒸发后，通过平行所述沉积平面移动所述第一衬底并重新引入所述碳纳米管溶液即可实现大面积制备所述碳纳米管平行阵列的目的，并且制备的碳纳米管平行阵列的覆盖面积可控，可以实现有效区域的完全覆盖。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中蒸发驱动自组装法制备碳纳米管平行阵列的原理示意图；

图2为现有技术中蒸发驱动自组装法制备的碳纳米管平行阵列示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备方法的流程示意图；

图4-5为本申请的一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备流程示意图；

图6为本申请的另一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备方法的流程示意图；

图7为本申请的又一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备方法的流程示意图；

图8为本申请的一个实施例提供的一种第一衬底的制备方法示意图；

图9为本申请的另一个实施例提供的一种第一衬底的制备方法示意图；

图10为本申请的一个实施例提供的一种第一衬底的剖面结构示意图；

图11为本申请的一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备原理示意图；

图12为本申请的再一个实施例提供的一种碳纳米管平行阵列的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中基于高度提纯的碳纳米管溶液的自组装法制备碳纳米管平行阵列存在碳纳米管平行阵列的制备面积受限，无法在有效区域内完全覆盖的问题。

具体地，现有技术中的自组装法例如液滴控制悬浮蒸发自组装、蒸发驱动自组装、langmuir-blodgett和langmuir-shafer法等均存在以下问题：(1)碳纳米管平行阵列的面积受限，且在有效区域内无法全覆盖；(2)碳纳米管平行阵列的密度受限，无法达到足够高的密度；(3)制备碳纳米管平行阵列的时间过长；(4)制备工艺复杂。

其中，蒸发驱动自组装法制备碳纳米管平行阵列的原理参考图1，将平板状的硅基衬底10垂直浸入碳纳米管溶液20中，碳纳米管溶液20与衬底10的接触线会发生钉扎，在一定温度和气压条件下使碳纳米管溶液20蒸发，毛细流带动碳纳米管30流向接触线，在接触线附近发生聚集，当碳纳米管溶液20的表面张力和毛细力无法平衡时，接触线发生滑动突降，重新发生钉扎，聚集在接触线附近的碳纳米管30就沉积在硅基衬底10上形成如图2所示的碳纳米管平行阵列条带。

参考图2，利用蒸发驱动自组装法制备的碳纳米管平行阵列的位置取决于接触线发生滑动突降后重新发生钉扎的位置，一般情况下两次钉扎的位置之间具有一定的留白区域，使得利用该方法制备的碳纳米管平行阵列无法完全覆盖有效区域，且难以实现大面积制备。并且利用该方法制备碳纳米管平行阵列的时间通常大于24h，制备时间过长。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种碳纳米管平行阵列的制备方法，包括：

提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底具有多个沿第一方向排列的凸起结构，所述凸起结构沿第二方向延伸，所述第二衬底具有沉积平面；所述第一方向与所述第二方向交叉；

将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面。

该方法通过将第一衬底倒置在第二衬底上方，使得所述第一衬底的凸起结构朝向所述第二衬底的沉积平面设置，并在第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，此时所述第一衬底的凸起结构对由所述碳纳米管溶液形成的毛细桥产生钉扎作用，使得毛细桥与第一衬底以及第二衬底的接触线固定。在接触线附近溶剂不断蒸发，内部的溶剂对其进行补充，形成由内部向接触线的溶液流动，带动碳纳米管向接触线的方向运动，并使得碳纳米管逐渐排列成与接触线平行的方向，从而实现在第一衬底和第二衬底上沉积碳纳米管平行阵列的目的。

在碳纳米管溶液完全蒸发后，通过平行所述沉积平面移动所述第一衬底并重新引入所述碳纳米管溶液即可实现可控的碳纳米管平行阵列的制备过程，进而实现大面积制备所述碳纳米管平行阵列的目的，并且制备的碳纳米管平行阵列的覆盖面积可控，可以实现有效区域的完全覆盖。

另外，所述碳纳米管溶液可采用挥发性较强的溶剂进行分散，从而可以大幅度缩短碳纳米管溶液的蒸发时间。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种碳纳米管平行阵列的制备方法，如图3所示，包括：

s101：提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底具有多个沿第一方向排列的凸起结构，所述凸起结构沿第二方向延伸，所述第二衬底具有沉积平面；所述第一方向与所述第二方向交叉；

参考图4，图4示出了一种可行的第一衬底的剖面结构，所述第一衬底由底板和位于底板上的凸起结构构成，当然地，在图4中，仅仅是为了区分第一衬底上的各个结构将底板和凸起结构分别命名，并不意味着第一衬底由分离的两个部分拼接而成，在实际的应用过程中，第一衬底通常为一体成型的结构。在图4中，第一方向为平行于纸面的方向，如箭头a所示；第二方向为垂直于纸面的方向，即在图4所示的结构中，所述第一方向与所述第二方向垂直。当然可选的，在本申请的一些实施例中，所述第一方向也可以不与所述第二方向垂直。图4中，标号100表示所述第一衬底，101表示所述底板，102表示所述凸起结构。

s102：将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面。

参考图5，图5为利用所述第一衬底和第二衬底进行碳纳米管平行阵列的制备原理图，在图5中，所述第一衬底倒置在第二衬底上，并在第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，此时所述第一衬底的凸起结构对由所述碳纳米管溶液形成的毛细桥产生钉扎作用，使得毛细桥与第一衬底以及第二衬底的接触线固定。在接触线附近溶剂不断蒸发，内部的溶剂对其进行补充，形成由内部向接触线的溶液流动，带动碳纳米管向接触线的方向运动，并使得碳纳米管逐渐排列成与接触线平行的方向，从而实现在第一衬底和第二衬底上沉积碳纳米管平行阵列的目的。图5中，标号200表示所述第二衬底，300表示所述碳纳米管溶液，301表示沉积的碳纳米管。

在碳纳米管溶液完全蒸发后，通过平行所述沉积平面移动所述第一衬底并重新引入所述碳纳米管溶液即可实现可控的碳纳米管平行阵列的制备过程，进而实现大面积制备所述碳纳米管平行阵列的目的，并且制备的碳纳米管平行阵列的覆盖面积可控，可以实现有效区域的完全覆盖。

另外，所述碳纳米管溶液可采用挥发性较强的溶剂进行分散，从而可以大幅度缩短碳纳米管溶液的蒸发时间，优选地，所述碳纳米管溶液的溶剂可以为氯仿。

进一步的，通过所述碳纳米管平行阵列的制备方法制备的碳纳米管平行阵列的密度可以通过调整所述碳纳米管溶液的浓度实现，一般情况下，碳纳米管溶液的浓度与制备的碳纳米管平行阵列的密度成正比。但是在当碳纳米管溶液的浓度超出上限之后，多余的碳纳米管容易以无序网状的形式沉积在第一衬底或第二衬底上，影响碳纳米管的取向一致性。

在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液的方式可以有多种，具体地，参考图6，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液包括：

s1021：在所述第二衬底的沉积平面上设置碳纳米管溶液；

s1022：将所述第一衬底的凸起结构设置在所述碳纳米管溶液表面，使所述碳纳米管溶液支撑所述第一衬底。

在本实施例中，所述第一衬底和第二衬底之间依靠所述碳纳米管溶液支撑，随着碳纳米管溶液的蒸发，第一衬底和第二衬底之间的距离随之降低。

参考图7，所述将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液包括：

s1023：将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间设置支撑结构，以使所述支撑结构保持所述第一衬底和第二衬底之间的距离为固定距离；

s1024：在所述第一衬底和第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥。

在本实施例中，所述第一衬底和第二衬底之间通过凸起结构进行支撑，这使得第一衬底和第二衬底之间的间距不会随着碳纳米管溶液的蒸发而随之下降。但本申请对在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液的具体方式并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，本申请的另一个实施例提供了可行的第一衬底的制备方法，如图8所示，包括：

s201：提供硬质材料作为母版；

s202：在所述母版上设置光刻胶或电子束胶，并通过光刻或电子束曝光的方式对所述光刻胶或电子束胶进行图形化；

s203：以图形化后的光刻胶或电子束胶为掩膜，对所述母版进行刻蚀，以在所述母版上形成多个凸起结构图形；此时获得的具有多个凸起结构图形的母版即可作为硬质的第一衬底进行碳纳米管平行阵列的制备过程。

在本申请的另一实施例中，参考图9，所述第一衬底的制备方法包括：

s301：提供硬质材料作为母版；

s302：在所述母版上设置光刻胶或电子束胶，并通过光刻或电子束曝光的方式对所述光刻胶或电子束胶进行图形化；

s303：以图形化后的光刻胶或电子束胶为掩膜，对所述母版进行刻蚀，以在所述母版上形成多个凸起结构图形；

s304：在所述模板上倾倒预设材料，并在所述预设材料固化后剥离，以获得所述第一衬底。

可选的，所述预设材料为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)，采用聚二甲基硅氧烷制备所述第一衬底，这种方式得到的第一衬底可以重复利用，与硬质材料制备所述第一衬底相比，该方法无需光刻、刻蚀等微纳加工步骤，制备工艺简单，产量高并且成本低。

另外，当所述第一衬底在其表面形成了碳纳米管平行阵列之后，用于形成碳纳米管三维鳍状场效应晶体管(finfield-effecttransistor，fin-fet)时，参考图10，所述第一衬底包括底板和设置于底板上的凸起结构，所述凸起结构为鳍状结构。在图10中，标号103表示所述鳍状结构。

参考图11，图11为当所述凸起结构为鳍状结构时，利用本申请实施例提供的碳纳米管制备方法制备碳纳米管平行阵列的示意图。

这样在后续的制备过程中，所述第一衬底的鳍状结构表面在形成了碳纳米管平行阵列之后，即可用于形成所述碳纳米管三维鳍状场效应晶体管。

所述碳纳米管三维鳍状场效应晶体管将碳纳米管自组装工艺与硅基finfet工艺相结合，使得单位器件宽度内碳纳米管的数目远大于平面器件，从而提高器件的驱动电流和性能均一性。

仍然参考图2，现有技术中的碳纳米管平行阵列的自组装工艺通常在平面衬底上进行，缺乏能够在具有三维鳍状结构的第一衬底上制备碳纳米管平行阵列的方法。

而利用本申请实施例提供的所述碳纳米管平行阵列的制备方法可以实现在具有鳍状结构的第一衬底上制备碳纳米管平行阵列的目的，并且制备的碳纳米管平行阵列的位置和密度可控，工艺简单，有利于提升碳纳米管三维鳍状场效应晶体管的成品性能以及制备效率。

可选的，当具有鳍状结构的第一衬底后续用于制备碳纳米管三维鳍状场效应晶体管时，所述碳纳米管溶液为半导体性碳纳米管溶液。

一般情况下，根据电子特性，碳纳米管可以分为金属性和半导体性两类。半导体性是指碳纳米管的导电性能介于导体和绝缘体之间。从能带结构的角度，金属性碳纳米管的带隙为零，而半导体性碳纳米管的带隙不为零且与直径相关。不同应用领域对碳纳米管的电子特性要求不同，为了满足制备碳纳米管三维鳍状场效应晶体管的需求，需要对金属性和半导体性碳纳米管进行提纯分离，得到高纯度半导体性碳纳米管。

碳纳米管溶液是将包含金属性和半导体性的碳纳米管粉末分散在溶剂中得到的。碳纳米管溶液中的金属性碳纳米管可以通过特定方法进行去除，例如在金属性和半导体性碳纳米管混合溶液中加入共轭聚合物或表面活性剂，利用分散剂与不同结构和电子特性的碳纳米管表面相互作用的不同，使金属性碳纳米管发生沉淀，从而得到半导体性碳纳米管溶液。

所述碳纳米管平行阵列的制备方法对碳纳米管溶液的纯度并无要求，既可以是半导体性碳纳米管溶液，也可以是金属性碳纳米管溶液。

当所述碳纳米管溶液为半导体性碳纳米管溶液时，第一衬底和第二衬底上形成的碳纳米管平行阵列可以作为沟道材料用于制备碳纳米管场效应晶体管。

当所述碳纳米管溶液为金属性碳纳米管溶液时，第一衬底和第二衬底上形成的碳纳米管平行阵列可以用于制备互联导线。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个可选实施例中，如图12所示，所述碳纳米管平行阵列的制备方法包括：

s401：提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底具有多个沿第一方向排列的凸起结构，所述凸起结构沿第二方向延伸，所述第二衬底具有沉积平面；所述第一方向与所述第二方向交叉；

s402：对所述第一衬底和第二衬底表面进行表面处理，以通过调节所述第一衬底和第二衬底表面的亲疏水性，以便于碳纳米管平行阵列的沉积；

s403：将所述第一衬底倒置在所述第二衬底上方，以使所述凸起结构朝向所述沉积平面设置，并在所述第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使所述碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，随着所述碳纳米管溶液的蒸发，碳纳米管阵列形成于所述第一衬底和第二衬底表面；

s404：当所述碳纳米管溶液完全蒸发后，沿平行于所述衬底平面的方向移动所述第一衬底；在所述第一衬底移动完成后，在所述第一衬底与所述第二衬底之间重新引入所述碳纳米管溶液。

在本实施例中，增加了步骤s402，即在进行碳纳米管平行阵列制备之前，对所述第一衬底和第二衬底表面均进行表面处理，以通过调节所述第一衬底表面的亲疏水性控制碳纳米管溶液与所述衬底之间的接触角，以利于后续的碳纳米管平行阵列的制备。所述表面处理可以是采用hmds(六甲基二硅胺烷)蒸汽进行疏水处理。

另外，正如前文所述，在步骤s403中引入的碳纳米管溶液完全蒸发后，进行步骤s404，移动所述第一衬底，并重新引入碳纳米管溶液，使得在第二衬底的其他区域上进行碳纳米管平行阵列的制备，从而实现大面积的碳纳米管平行阵列的制备。

综上所述，本申请实施例提供了一种碳纳米管平行阵列的制备方法，该方法通过将第一衬底倒置在第二衬底上方，使得所述第一衬底的凸起结构朝向所述第二衬底的沉积平面设置，并在第一衬底与所述第二衬底之间引入碳纳米管溶液，以使碳纳米管溶液在所述凸起结构的顶部与所述第二衬底之间形成毛细桥，此时所述第一衬底的凸起结构对由所述碳纳米管溶液形成的毛细桥产生钉扎作用，使得碳纳米管溶液蒸发时在第一衬底和第二衬底上均沉积碳纳米管平行阵列，在碳纳米管溶液完全蒸发后，通过平行所述沉积平面移动所述第一衬底并重新引入所述碳纳米管溶液即可实现大面积制备所述碳纳米管平行阵列的目的，并且制备的碳纳米管平行阵列的覆盖面积可控，可以实现有效区域的完全覆盖。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。