흐름 기반 Dielectrophoresis: 고성능 솔루션 처리 나노와이어 소자의 제조에 대 한 낮은 비용 방법

요약

이 종이, 흐름 보조 dielectrophoresis에 대 한 설명에 자기 조립의 나노와이어 장치. 실리콘 나노와이어 필드 효과 트랜지스터의 제조는 예를 들어 표시 됩니다.

초록

흐름 기반 dielectrophoresis (DEP)는 효율적인 자기 조립 방법에서 제어 하 고 재현할 수 위치, 맞춤 및 나노 와이어의 선택 이다. DEP은 나노와이어 분석, 특성, 그리고 솔루션 기반 반도체 소자의 제조에 사용 됩니다. 방법은 금속 전극 사이 교체 전기 분야를 적용 하 여 작동 합니다. 나노와이어 배합 중력을 사용 하 여 배합의 흐름을 만드는 경사 표면에 있는 전극에 다음 삭제 됩니다. 나노 와이어 다음 그라데이션 전기 분야 그리고 액체 흐름의 방향에 따라 정렬합니다. 낮은 트랩 밀도와 우수한 전도성 나노 와이어를 선택 하는 필드의 주파수를 조정할 수 있습니다.

이 작품에서 흐름 기반 DEP 나노와이어 필드 효과 트랜지스터를 만드는 데 사용 됩니다. 흐름 기반 DEP는 여러 가지 이점이 있다: 그것은 허용 한다 나노와이어의 전기적 특성; 나노와이어 길이;의 제어 특정 지역; 나노 와이어의 배치 나노 와이어;의 방향 제어 및 제어 장치에 나노와이어 밀도 의입니다.

기술 가스 센서 및 전자 레인지 스위치와 같은 다른 많은 응용 프로그램을 확장할 수 있습니다. 기술은 효율적, 빠르고, 재현성, 이며 소설 nanomaterials의 테스트에 이상적 묽 게 한 해결책의 최소 금액을 사용 하 여. 나노와이어 소자의 웨이퍼 규모 조립 또한 얻을 수 있습니다이 기술을 사용 하 여 테스트용 샘플의 많은 수를 수 있도록 큰 지역 전자 응용 프로그램.

서문

미리 정의 된 기판 위치에 나노 입자의 제어 및 재현성 어셈블리 솔루션 처리 전자 및 광학 장치에서 반도체 또는 실시 나노 입자를 활용 하 여 주요 과제 중 하나입니다. 고성능 장치에 대 한 그것은 또한 매우 도움이 우선 크기, 그리고 특정 전자 속성을 포함 하 여, 예를 들어, 높은 전도도 및 표면 트랩의 낮은 밀도와 나노 입자를 선택할 수 있습니다. 포함 한 나노와이어, 나노튜브, 나노 성장에 있는 뜻깊은 진도도 불구 하 고 일부 유사 나노 속성은 항상 존재, 그리고 선택 단계 크게^{1 나노 기반 장치 성능 향상 ,2}.

이 작품에서 보여준 흐름 기반 DEP 방법의 목적은 고성능 나노와이어 필드 효과 트랜지스터 금속 접촉에 제어 반도체 나노 와이어 어셈블리를 표시 하 여 위의 문제를 해결 하기. DEP의 나노와이어 장치 제조 나노 와이어, 나노 와이어의 정렬/방향 및 원하는 속성을 통해 DEP 신호 주파수 선택¹나노 와이어의 선택의 위치를 포함 하 여 한 번에 여러 가지 문제를 해결 합니다. 가스 센서³, 트랜지스터¹에서 배열 하는 수많은 다른 장치에 대 한 DEP를 사용 하 고 RF 스위치^4,5, 분석⁷에 대 한 박테리아의 위치를.

DEP 전극⁸에서 자기 조립 나노 와이어 결과 균일 하지 않은 전기 분야의 응용을 통해 polarizable 입자의 조작 이다. 방법은 박테리아^9,10 의 조작을 위해 원래 개발 되었다 하지만 이후 나노 와이어 및 나노 재료의 조작에 확장 되었습니다.

나노 입자의 DEP 솔루션 처리 크게 여러 photomasking, 이온 주입, 높은 온도¹⁴, 어 닐 링 및 에칭에 따라 전통적인 하향식 기술을 다른 반도체 장치 제작 가능 단계입니다. DEP는 이미 합성 된 나노 입자를 조작, 낮은 온도, 상향식 제조 기술¹¹이 합니다. 이 방법은 온도 민감한, 유연한 플라스틱 기판^6,,1213를 포함 하 여 거의 모든 기판에 대규모 나노와이어 장치를 수 있습니다.

이 작품에서 고성능 p-타입 실리콘 나노와이어 필드 효과 트랜지스터 흐름 기반 DEP를 사용 하 여 조작 하 고 FET 전류-전압 특성을 실시. 이 작품에 사용 된 실리콘 나노 와이어 슈퍼 액체 액체 고체 (SFLS) 방법^15,16통해 성장 된다. 나노 와이어 의도적으로 첨가 되 고 길이 약 10-50 µ m 직경에서 30-40 nm 이다. SFLS 성장 방법은 매우 매력적인 이후 업계의 나노와이어 재료¹⁵확장 가능한 금액을 제공할 수 있습니다. 제안 된 나노와이어 어셈블리 방법론 InAs¹³, SnO₂³, GaN¹⁸등 다른 반도체 나노와이어 재료에 직접 적용 됩니다. 전도성 나노 와이어¹⁹ 를 정렬 하 고 나노 입자 전극 간격²⁰에 걸쳐 위치 하는 기술 또한 확장할 수 있습니다.

프로토콜

주의: 모든 절차 하지 않는 한 달리 명시 된 일어나는 클린 룸 환경 및 위험 평가에 안전을 보장 하기 위해 나노 와이어 및 화학 처리 하는 동안 완료 되었습니다. 나노 소재 건강 영향으로는 아직 알 수 있고 적절 한 처리 되어야 한다 그래서²¹돌 수 있습니다.

참고: 프로세스 DEP 연락처를 정의 하는 첫 번째 평판과 금속 증 착 단계 다음 기판의 준비로 시작 합니다. 나노 와이어 다음 DEP를 통해 조립 되 고 입금 나노 와이어 최고 연락처 추가 옵션 photolithographic 및 금속 증 착 단계를 수행할 수 있습니다. 나노와이어 트랜지스터 소자 전류-전압 특성 다음 반도체 특성화 키트를 사용 하 여 측정 됩니다.

1입니다. 기판의 준비

1. 적당 한 크기, 예를 들어, 2.5 c m²으로 핑된 n 형 실리콘/실리콘 이산화 웨이퍼를 잘라.
2. 절단, 동안 웨이퍼의 위쪽 표면 하지만 진 또는 긁힌 확인 합니다.
3. 다이아몬드 선 침 한 컷을 만들기 위해 하나의 연속 동작에 표면에 걸쳐 실행 합니다.
4. 컷에 따라 웨이퍼를 분할.
5. 기판 홀더에 샘플을 놓고 5 분 이온된 물, 아세톤, 그리고 소 프로 파 놀 (IPA)에서 100% 전력 (450 W)에서 초음파 목욕, 먼저 sonicate.
   주: CAS 번호 및 공급 업체 테이블의 자료 를 참조 하십시오.
6. 모든 나머지 IPA 또는 먼지 표면에서 제거 하려면 질소 총 기판 건조.
7. 플라즈마 재 100 W 5 분에 대 한 모든 나머지 유기 잔류물 제거를 산소 플라즈마에서 샘플.

2. 사진 평판 Bilayer 과정 연락처

참고: bilayer 사진 평판 과정 전극을 만드는 데 사용 됩니다. 포토 리소 그래피 과정은 감광 재료의 부패를 방지 하기 위해 노란색 방에 실시 됩니다.

1. 나머지 물 표면에서 제거 하는 열판을 사용 하 여 15 분 동안 150 ° C에서 샘플을 열.
   참고: 이것은 감광;의 접착 되도록 그러나 HMDS와 같은 화학 뇌관도 사용할 수 있습니다.
2. 핫 플레이트에서 샘플을 제거 하 고 스핀 coater에 배치.
3. 전체 샘플은 균일 하 게 덮여 때까지 약 1 mL 감광 A의 표면에 드롭를 피 펫을 사용 하 여.
   주: 사용 하는 정확한 포토 레지스트에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오.
4. 회전 45 4000 rpm에서 샘플 s, 대략 250의 필름 두께 생산 하기 위해 nm. 경우 전극은 150 보다 두꺼운 nm 입금,이 제조 법을 변경 하는.
5. Spin coater에서 샘플을 제거 하 고 5 분 동안 150 ° C에서 열판에 배치.
6. 열판에서 샘플을 제거 하 고 샘플 50% 습도 상자에서 5 분 휴식을 두고. 이 감광 제²²재입니다.
   참고: 실험실의 습도 50% 보다 큰 경우, 샘플이 공기에 남아 수 있습니다.
7. Spin coater에 다시 샘플 놓고 플라스틱 기판의 표면에 감광 B의 약 1 mL.
8. 45 3500 rpm에서 샘플을 회전 약 500의 필름 두께 주는 s nm.
9. 2 분 동안 120 ° C에서 열판에 샘플을 놓습니다.
10. 열판 및 5 분 동안 50% 습도 상자에 나머지를 두고에서 샘플을 제거 합니다.
11. 6.7에 대 한 마스크 aligner 및 UV 빛을 포토 마스크를 사용 하 여 샘플을 노출 노출의 180 mJ의 총에 대 한 s.
    참고: 정확한 노출 복용량 마스크 aligner의 특정 모델에 따라 조정 해야 합니다.
12. 마스크-aligner에서 샘플을 제거 하 고 30에 대 한 감광 개발자에 그것을 immersing에 의해 개발 s.
    주: 정확한 개발자에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오.
13. 개발자에서 샘플을 제거, 이온된 수로 샘플을 담가 그리고 개발 프로세스를 중지 하려면 그것을 씻어.
14. 광학 현미경을 사용 하 여 사진 평판을 확인 합니다. 편광판은 bilayer 언더컷 채널 주위 희미 한 선으로 나타납니다을 확인을 사용할 수 있습니다. 너무 많은 경우 시간을 조정할 수 있습니다 또는 두 약간 약화 이루어집니다.

3입니다. 금속 접촉의 증 착

참고: 전자 빔 (전자 빔) 증 착 전극 준비 포토 레지스트에 입금 하는 데 사용 됩니다. 이 프로세스는 열 증발 또는 다른 종류의 금속 박막 증 착 기술 사용할 수도 있습니다.

1. 전자 빔 챔버;에서 샘플을 배치 높은 진공에이 때까지 그것을 아래로 펌프. 이 경우에, 약 1 x 10^-6 mTorr의 진공 도달 된다.
2. 2-6 nm 티타늄 접착 층의 역할의 뒤에 30 예금 DEP 연락처에 대 한 골드의 nm.
3. 전자 빔 상공에서 샘플을 제거 합니다.
4. 대부분의 포토 레지스트 및 과잉 금속을 제거 하 여 이륙 절차를 수행 합니다. 이것은 포토 레지스트 리무버 15 분의 비 커에 샘플을 배치 하 여 이루어집니다.
5. 포토 레지스트 리무버 A의 비 커에서 샘플을 제거 하 고 추가 15 분 포토 레지스트 리무버의 다른 깨끗 한 비 커에 배치. 이것은 샘플에 정착에서 어떤 큰 금속 입자를 방지입니다.
6. Sonicating 50% 전력에서 5 분에 대 한 비 커에 의해 완전 한 이륙.
7. 목욕 한--하나, 전극 사이 정착에서 원치 않는 금속 입자를 방지 하기 위해 IPA와 자료를 씻어을 보장에서 샘플을 제거 합니다.
   참고: 전극 지금 나노 와이어의 DEP 정렬에 대 한 준비가 되어있습니다.

4입니다. 나노 와이어의 DEP

1. 실리콘 또는 약 1 µ g/mL 농도의 anisole에 다른 나노 와이어의 솔루션을 준비 합니다. 이 실험에서 솔루션은 15 짧게 sonicated 어떤 응집 제거할 수 설정 최저 전력에서 s. 톨루엔, N, N-dimethylformamide (DMF)¹등 다른 용 매를 사용할 수 있습니다.
2. 드롭 희생 기판에 나노와이어 배합의 10 µ L를 주조 하 여 솔루션을 확인 하십시오.
3. 편광된 광학 현미경 (POM)를 사용 하 여 입금된 나노 와이어로 기판을 검사 합니다. 실리콘 나노 와이어 birefringent 되며 따라서 쉽게 볼 수 있습니다 폼에. 경우 볼 수 없습니다 나노와이어 덩어리는 나노 와이어의 대부분 기판에 분산 잘 그리고 단계를 시작할 수 있습니다, 그렇지 않으면 솔루션은 다시 sonicated 나노와이어 농도 조정 해야 할 수 있습니다. 그것은 올바른 나노와이어 분산을 달성 하기 위해 몇 가지 시도 걸릴 수 있습니다.
4. 수평 정렬 장치 채널 경사 30 ° (수평선) 대에 전극 가진 준비 된 샘플 플랫폼을 배치 합니다. 분산 흐름 방향으로 더 효율적인 나노와이어 정렬 있도록 전극 가장자리에 수직 해야 합니다.
5. 주파수 발생기¹에 연결 된 마이크로 프로브를 사용 하 여 전극에 문의.
6. 원하는 주파수 및 전압 주파수 발생기에는 설정 합니다. 이 실험에서 10 V 피크-피크의 DEP 신호 전압 및 1 MHz sinewave를 사용 합니다.
   참고: 증가 주파수 최대 20 MHz 높은 전도도와 낮은 트랩 밀도^1,2나노 와이어를 수집 도울 수 있다. 자세한 내용은 참조¹ 참조 하십시오. 여기에 표시 된 DEP 신호 주파수 범위 참조¹에 설명 된 대로 SFLS Si 나노 와이어 임피던스 분광학 및 수집 시간 분석을 실시 하 여 얻은 했다. 다른 종류의 더 높은 또는 낮은 충전 캐리어 이동성 나노 와이어, 나노 와이어, 실수로 또는 나노 와이어 다른 성장 방법으로 얻은 결과 고품질 나노 와이어의 컬렉션에 다른 DEP 신호 주파수 범위를 가질 수 있습니다.
7. 스위치-주파수 생성기 고 장치 영역에는 micropipette를 사용 하 여 나노와이어 솔루션의 대략 10 µ L을 드롭.
   참고: 각도 (30 °)에서 샘플을 배치는 액체의 중력 지원 느린 흐름을 만드는 데 도움이 됩니다. 또는, 유리 슬라이드를 사용 하 여 모 세관 작업 사용된⁶수 있습니다.
8. DEP 적용 30 s와 다음 스위치-오프 주파수 생성기에 대 한 신호.
9. 샘플을 제거 하 고 매우 부드럽게 IPA로 씻어.
10. 매우 부드럽게 질소 총을 사용 하 여 샘플의 드라이 오프. 편광된 광학 현미경 샘플을 검사 하 고 매개 변수를 조정 하는 데 사용할 수 있습니다.
    참고: DEP 신호 전압, 주파수, 그리고 나노와이어 분산 밀도 장치^1,2당 몇 백에 몇 나노 와이어에서 나노 와이어의 재현 원하는 밀도 달성 하기 위해 조정할 수 있습니다.

5입니다. 보조 금속 층의 증 착

1. NW Fet에서 향상 된 현재 분사를 달성 하는 나노와이어 위에 두 번째 금속 접촉을 적용 합니다.
   참고:이 연락처 증 착 과정만 골드 레이어 입금을 제외 하 고 정확한 동일한 단계 섹션 2, 3, 사진 평판에 금속 증 착을 다음과 같습니다.

6. I-v 특성화의 나노와이어 장치

참고: 샘플 지금 완료 되 고 후속 실험에서 사용할 수 있습니다 또는 나노와이어 FET 전기 속성을 설정 하 그들의 i-v 특성을 측정할 수 있다. 조작된 장치는 다시 문이 Fet도 핑된 실리콘 웨이퍼 일반적인 게이트 역할 및 SiO₂ 층 게이트 유 전체 역할을 한다.

1. 문와 전기 접촉을 설정 하기 위해 다이아몬드 선 침을 사용 하 여 샘플의 가장자리에 실리콘 산화물의 작은 영역을 제거 합니다.
2. 모든 원치 않는 실리콘 산화물 입자를 제거 하는 질소 총을 사용 합니다.
3. 제거한 SiO₂지역에 게이트 프로브 골드 소스-드레인 전극 연락처에 3 microprobes (소스, 드레인 및 게이트)를 배치 합니다.
4. 반도체 특성 분석 시스템을 사용 하 여-V 측정.
5. 게는 소자의 성능 및 나노 와이어^1,,1723의 전기적 특성에 대 한 정보를 제공 NW Fet의 전송 및 출력 검사를 측정 합니다. Note 전송 측정 스테핑 소스-드레인 전압 및 연소 게이트 전압을 포함 한다. 출력 특성은 소스-드레인 전압을 공중 소탕 하 고 게이트 전압을 스텝에 의해 측정 됩니다.

결과

깨끗 한에서 bilayer 사진 평판 결과 급격히 전극 정의. 예제 (그림 1A)에서 간 digitated 손가락 구조는 10 µ m의 채널 길이 함께 사용 되었다. 이러한 구조는 DEP 힘이 적용 될 때 나노 와이어의 최대 수를 큰 영역을 수 있습니다. 그림 1B 하단 게이트 나노와이어 FET 소자의 회로도 보여준다.

토론

성공적인 제조 및 소자의 성능을 여러 가지 요인에 따라 달라 집니다. 이러한 배합, 용 매, DEP, 주파수 및 장치 전극¹에 현재 나노 와이어의 수의 제어의 선택에 나노와이어 밀도 및 유통 포함 됩니다.

반복 작업 장치 달성 중요 한 단계 중 하나는 클러스터 또는 덩어리 없이 나노와이어 정립의 준비 합니다. 정립은 DEP 덩어리의 수를 줄이기 위해 및 나노와이어...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silicon/silicon dioxide wafer, CZ method growth, 100mm diameter,  300 nm oxide thermal growth,  n-doped phosphorus	Si-Mat (Silicon materials)	-	http://si-mat.com/
Acetone (200ml)	Sigma Aldrich	W332615	-
Isopropanol (200ml)	Sigma Aldrich	W292907	-
Deionised water (150ml)	On site supply	-	-
Photoresist (A) SF6 PMGI under etch photoresit (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
Photoresist (B) S1805 photoresit) (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
Photoresist developer Microposit  MF319  (100ml)	Microchem	-	http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
Photoresist remover Microposit remover 1165 (300ml (2 baths 150 each))	Microchem	-	http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf