本發(fā)明涉及一種用于納米結(jié)構(gòu)、特別是碳納米管的支撐襯底(substrate)。所述支撐襯底用于支撐納米結(jié)構(gòu)以及將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底。本發(fā)明還涉及一種用于通過這種支撐襯底將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的設(shè)備以及一種用于通過這種支撐襯底將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的方法。

背景技術(shù)：

1、納米結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于納米機(jī)電器件中，用于多種應(yīng)用。特別是關(guān)于半導(dǎo)體器件，期望納米結(jié)構(gòu)在未來發(fā)揮重要作用。已經(jīng)用半導(dǎo)體和金屬碳納米管成功地制造了晶體管和簡(jiǎn)單的電子電路。

2、在具有納米結(jié)構(gòu)的器件的制造中的特別挑戰(zhàn)是彼此分離的單獨(dú)的納米結(jié)構(gòu)(而不是成束的納米結(jié)構(gòu))的生長(zhǎng)，以及納米結(jié)構(gòu)從生長(zhǎng)襯底到目標(biāo)器件的正確轉(zhuǎn)移和附接。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常應(yīng)用例如納米管在具有多個(gè)器件的器件襯底上的隨機(jī)或平行沉積。然而，在隨機(jī)沉積的情況下，大部分器件需要被丟棄，因?yàn)闆]有或太多納米結(jié)構(gòu)被沉積，或者納米結(jié)構(gòu)沒有被正確地定位在器件上。結(jié)果，當(dāng)使用這種隨機(jī)沉積程序時(shí)，器件的產(chǎn)量相當(dāng)?shù)汀?/p>

3、為了克服與隨機(jī)沉積相關(guān)的這些問題，最近已經(jīng)開發(fā)了例如懸臂之間的碳納米管形式的懸設(shè)或自立的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)：通過將納米結(jié)構(gòu)懸設(shè)在一對(duì)懸臂之間，可以遠(yuǎn)離其中將在后面應(yīng)用碳納米管的任何器件地設(shè)計(jì)(engineer)碳納米管。以這種方式，納米結(jié)構(gòu)可以在最佳環(huán)境中產(chǎn)生，并且具有最小的源自例如半導(dǎo)體器件界面的電荷噪聲。通過在水平懸臂之間生長(zhǎng)或沉積懸設(shè)的納米結(jié)構(gòu)，還可以通過應(yīng)用激光技術(shù)的光學(xué)方法來預(yù)選擇要使用的納米結(jié)構(gòu)。通過這樣的預(yù)選擇，可以使用非破壞性光學(xué)方法(例如拉曼光譜法)來確保所使用的納米結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。然后可以將生長(zhǎng)襯底接近器件襯底，以便將預(yù)選擇的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其中將使用納米結(jié)構(gòu)的器件。

4、在例如cubaynes，l.c.contamin，m.c.dartiailh，m.m.desjardins，a.cottet，m.r.，delbecq，t.kontos的《用于混合電路-qed的碳納米管的納米組件技術(shù)》(appl.phys.lett.117(2020)114001)中已經(jīng)證明了懸臂之間的碳納米管形式的懸設(shè)納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)以及隨后將納米管轉(zhuǎn)移到納米機(jī)電器件。

5、在m.muoth，c.hierold的《低熱預(yù)算下將碳納米管轉(zhuǎn)移到微致動(dòng)器上以實(shí)現(xiàn)無滯后晶體管》(2012ieee第25屆微機(jī)電系統(tǒng)(mems)國(guó)際會(huì)議，ieee(2012)1352-1355)中公開了通過包括懸臂結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)襯底來組裝碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

6、公開了使用保持在生長(zhǎng)襯底的兩個(gè)懸臂之間的納米結(jié)構(gòu)的器件制造的另一現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)是v.ranjan，g.puebla-hellmann，m.jung，t.hasler，a.nunnenkamp，m.muoth，c.hierold，a.wallraff，c.schonenberger的《聯(lián)接到超導(dǎo)阻抗匹配電路的清潔碳納米管》(nature?communications?6(2015)7165)。

7、公開了使納米結(jié)構(gòu)在水平延伸的懸臂之間生長(zhǎng)并隨后將其轉(zhuǎn)移到器件襯底的另一文獻(xiàn)是例如s.blien，p.steger，a.albang，n.paradiso，a.k.huttel的《基于石英音叉的碳納米管轉(zhuǎn)移到量子器件幾何結(jié)構(gòu)中》(phys.status?solidi?b.255(2018)1800118)。

8、上述現(xiàn)有技術(shù)中用于使納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)并將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)器件的方法具有可擴(kuò)展性(scalability)有限的缺點(diǎn)。對(duì)于大量相同或相似器件的工業(yè)生產(chǎn)，迄今為止在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法在效率、即制造速度方面受到限制。而且工藝控制受到限制，這不可避免地導(dǎo)致大量廢棄的器件。因此，根據(jù)典型的現(xiàn)有技術(shù)方法生產(chǎn)具有納米結(jié)構(gòu)的器件不是非常有成本效益的。然而，可以預(yù)期，例如下一代傳感器、計(jì)算機(jī)芯片和量子處理器將在未來越來越多地被使用。工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)包含納米結(jié)構(gòu)的這種傳感器、計(jì)算機(jī)芯片和量子處理器的能力將是將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種器具的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)、特別是碳納米管的支撐襯底，其允許特別有效并且因此有成本效益地制造具有這些納米結(jié)構(gòu)的器件。

2、該目的通過如權(quán)利要求1所述的支撐襯底來解決。權(quán)利要求9要求保護(hù)一種用于通過這種支撐襯底將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的設(shè)備。權(quán)利要求14提供了一種用于將這種納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的方法。在從屬權(quán)利要求中提供了其他實(shí)施方式。

3、因此，本發(fā)明提供了一種用于納米結(jié)構(gòu)、特別是用于碳納米管或石墨烯的支撐襯底，所述支撐襯底包括多個(gè)懸臂對(duì)，每個(gè)懸臂對(duì)適于在它們之間保持納米結(jié)構(gòu)。所述多個(gè)懸臂對(duì)中的至少一些懸臂對(duì)配置成沿著支撐襯底的周邊的至少彎曲或有角度的部分使得所述至少一些懸臂對(duì)在不同的、不平行的方向上延伸。

4、通過具有沿著支撐襯底的周邊的至少彎曲或有角度的部分以使得懸臂對(duì)在不同的、不平行的方向上延伸的方式配置的多個(gè)懸臂對(duì)，支撐襯底可以具有顯著更大數(shù)量的懸臂，并且因此具有顯著更大數(shù)量的保持在其上的納米結(jié)構(gòu)。此外，甚至更重要的是，支撐襯底在其尺寸和懸臂對(duì)的數(shù)量方面變得可擴(kuò)展，因?yàn)槿绻麘冶蹖?duì)在不同的、不平行的方向上延伸，則可以在相當(dāng)大的程度上避免支撐襯底和相鄰器件之間的機(jī)械碰撞。在現(xiàn)有技術(shù)中，懸臂通常都平行地配置在矩形支撐襯底的一側(cè)，這導(dǎo)致在將納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到器件時(shí)，懸臂會(huì)與相鄰器件碰撞的問題。由于器件通常在例如晶片或托盤形式的器件襯底上以彼此相鄰的行均勻地間隔開，因此如果支撐襯底被擴(kuò)展到全部平行延伸的較大數(shù)量的懸臂對(duì)，則平行延伸的懸臂容易與相鄰器件碰撞。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通常生產(chǎn)工藝具有非常有限的可擴(kuò)展性。相反，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法，其中懸臂對(duì)配置成沿著支撐襯底的周邊的至少彎曲或有角度的部分使得懸臂對(duì)在不同的、不平行的方向上延伸，提供具有較大數(shù)量的懸臂對(duì)的較大支撐襯底不會(huì)導(dǎo)致碰撞，或者導(dǎo)致程度小得多的碰撞。因此，具有納米結(jié)構(gòu)的器件的生產(chǎn)工藝變得可擴(kuò)展。因此，可以實(shí)現(xiàn)更有效且因此成本效益更佳的器件生產(chǎn)。

5、因此，由于懸臂對(duì)沿著支撐襯底的周邊的至少彎曲或有角度的部分、優(yōu)選甚至沿著整個(gè)周邊配置，懸臂對(duì)的數(shù)量可以顯著增加。在優(yōu)選實(shí)施方式中，支撐襯底具有超過1000個(gè)懸臂對(duì)，更優(yōu)選超過3000個(gè)懸臂對(duì)，最優(yōu)選超過5000個(gè)懸臂對(duì)。相比之下，僅沿著襯底的一側(cè)具有懸臂的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的矩形支撐襯底通常僅包括50至100個(gè)懸臂對(duì)。

6、在優(yōu)選實(shí)施方式中，支撐襯底不僅用于支撐納米結(jié)構(gòu)，而且用于使納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。在這種情況下，支撐結(jié)構(gòu)也可以被稱為用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。在支撐襯底的懸臂對(duì)之間的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)可以通過在支撐結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置處提供合適的催化劑來引發(fā)。在其它實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)不在支撐襯底上生長(zhǎng)，而是分散在溶液中，通過將支撐結(jié)構(gòu)的懸臂對(duì)浸入溶液中，將納米結(jié)構(gòu)從溶液轉(zhuǎn)移或“撈”到支撐襯底上。在另一個(gè)實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)也不在支撐結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)，而是例如通過噴灑沉積在懸臂對(duì)上。

7、納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是微觀和分子結(jié)構(gòu)之間的中等尺寸的結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)包括在納米(通常1nm至100nm)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)可以具有長(zhǎng)形的形狀并且呈例如納米管或納米線的形式。然而，它也可以具有二維延伸的形狀，并且是例如石墨烯變體、過渡金屬二硫族化合物(transition-metal?dichalcogenide)層或氮化硼納米片的形式。納米結(jié)構(gòu)優(yōu)選為懸設(shè)的或自立的納米結(jié)構(gòu)。

8、納米管、特別是碳納米管具有納米級(jí)的二維尺寸，即管的直徑在0.1nm至100nm之間。然而，納米管的長(zhǎng)度可以大得多。

9、懸臂優(yōu)選地全部從支撐襯底的主要部分的外周向外延伸。每個(gè)懸臂的延伸部?jī)?yōu)選地沿著水平方向，即垂直于重力方向。因此，懸臂中的每一個(gè)優(yōu)選地具有長(zhǎng)形的棒狀或桿狀設(shè)計(jì)，其自由端背離支撐襯底的主要部分。有利地，每個(gè)懸臂對(duì)包括平行延伸的兩個(gè)懸臂。然后一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)通常在垂直方向上在兩個(gè)懸臂之間生長(zhǎng)。因此，懸臂對(duì)不僅適于在它們之間保持納米結(jié)構(gòu)，而且優(yōu)選地還適于在它們之間使納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。在其它實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)在沉積到懸臂對(duì)上之前在其它地方生長(zhǎng)。優(yōu)選地，通過以納米結(jié)構(gòu)位于器件的目標(biāo)位置上的方式將支撐襯底降低到器件襯底，將納米結(jié)構(gòu)附接到目標(biāo)器件。因此，為了將納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)器件，器件或其至少一部分優(yōu)選地定位在懸臂之間。

10、在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述多個(gè)懸臂對(duì)沿支撐襯底的整個(gè)周邊分布。在圓形支撐襯底的情況下，這意味著周邊的沒有懸臂對(duì)的部分分別跨越小于90°、優(yōu)選小于60°、更優(yōu)選小于45°且最優(yōu)選小于30°的圓弧。在多邊形支撐襯底的情況下，多個(gè)懸臂對(duì)沿著整個(gè)周邊的分布意味著由多邊形形狀形成的每個(gè)邊緣包括至少一個(gè)懸臂對(duì)。

11、懸臂對(duì)中的每一者優(yōu)選地沿著支撐襯底的近似徑向向外延伸。近似徑向方向被理解為如下方向，其與確切的(exact)徑向方向偏離優(yōu)選小于45°，更優(yōu)選小于20°，最優(yōu)選小于5°。

12、支撐襯底的周邊優(yōu)選地呈圓形或正多邊形的整體形狀。支撐襯底的這些規(guī)則的幾何總體形狀特別適合于可擴(kuò)展性。

13、多個(gè)懸臂對(duì)可以但不是必須沿著支撐襯底的整個(gè)周邊均勻分布。相反，它們也可以配置成彼此平行延伸的多個(gè)懸臂對(duì)的組。然后，每個(gè)組內(nèi)的懸臂對(duì)之間的距離通常是不同的，并且優(yōu)選地比兩組之間的距離小整數(shù)倍。替代地或附加地，組也可以通過懸臂對(duì)延伸所沿的方向彼此偏離(deviate)。優(yōu)選地，彼此平行延伸的懸臂對(duì)的任何兩個(gè)相鄰組彼此成不大于10°、優(yōu)選地不大于8°、更優(yōu)選地不大于6°的角度。在每個(gè)組中，懸臂對(duì)優(yōu)選地平行延伸。然而，不同組的懸臂對(duì)也可以沿不同方向延伸。成組的懸臂對(duì)的配置帶來如下優(yōu)點(diǎn)：在納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移方面，支撐襯底可以最佳地適于供器件通常以彼此相鄰的行均勻地間隔開的器件襯底。

14、在每個(gè)組中，懸臂對(duì)優(yōu)選地均勻地間隔開。所述組優(yōu)選均勻分布，即以規(guī)則的距離分布，并且有利地沿著支撐襯底的整個(gè)周邊分布。所述組尤其可以沿著由支撐襯底的主要部分形成的圓形周邊配置。在每個(gè)組的區(qū)域中，支撐襯底可以具有徑向延伸部分，該徑向延伸部分從支撐襯底的主要部分徑向向外延伸。然后懸臂從徑向延伸部分向外延伸。因此，徑向延伸部分可以與多個(gè)懸臂對(duì)的每個(gè)組相關(guān)聯(lián)。

15、多個(gè)懸臂對(duì)的每個(gè)組優(yōu)選地沿著支撐襯底的近似徑向方向、更優(yōu)選地沿著徑向方向向外延伸。近似徑向方向被理解為與確切的徑向方向偏離優(yōu)選小于45°、更優(yōu)選小于20°、最優(yōu)選小于5°的方向。

16、支撐襯底可以但不是必須整體地制成一件式。因此，在某些實(shí)施方式中，懸臂對(duì)可以與支撐襯底的主要部分制成一件式。然而，在其他實(shí)施方式中，懸臂對(duì)、特別是包括懸臂對(duì)的徑向延伸部分可以以如下的方式附接到支撐襯底的主要部分，即它們不被制成一件式并且例如由與主要部分不同的材料制成。例如，支撐襯底的主要部分可以是圓形或多邊形板的形式，包括懸臂對(duì)的多個(gè)徑向延伸部分沿著其周邊附接到該圓形或多邊形板。在這種情況下，包括懸臂對(duì)的徑向延伸部分與主要部分一起形成支撐襯底。因此，通過例如將具有矩形形狀、懸臂對(duì)僅在其一側(cè)平行配置的多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的支撐襯底附接到圓形或矩形板的周邊，可以以特別容易的方式提供本發(fā)明的支撐襯底。

17、優(yōu)選地，支撐襯底整體具有平坦形狀。因此，支撐襯底沿兩個(gè)垂直空間方向的延伸部?jī)?yōu)選地是沿第三垂直空間方向的延伸部的至少兩位數(shù)倍，更優(yōu)選地至少三位數(shù)倍。多個(gè)懸臂對(duì)優(yōu)選地在共同平面內(nèi)延伸。因此，優(yōu)選地，所有懸臂的延伸部在同一平面內(nèi)，更優(yōu)選地，在與支撐襯底的主要部分相同的平面內(nèi)。

18、優(yōu)選地，器件襯底整體具有平坦形狀。因此，器件襯底沿兩個(gè)垂直空間方向的延伸部?jī)?yōu)選地是沿第三垂直空間方向的延伸部的至少兩位數(shù)倍，更優(yōu)選地至少三位數(shù)倍。在每種情況下，納米結(jié)構(gòu)要附接到其上的器件由器件襯底形成。器件襯底可以僅包括單個(gè)器件。然而，優(yōu)選地，它包括多個(gè)器件，特別是納米機(jī)電器件。納米機(jī)電是具有尺寸在納米范圍內(nèi)的功能部件的機(jī)電器件。所述器件尤其可以是半導(dǎo)體器件。

19、本發(fā)明還涉及一種用于將納米結(jié)構(gòu)、特別是碳納米管附接到器件襯底的設(shè)備，該設(shè)備包括：

20、用于保持上述支撐襯底的保持件，該支撐襯底包括在共同平面內(nèi)沿不同的、不平行的方向延伸的多個(gè)懸臂對(duì)；以及

21、定位器，其用于相對(duì)于支撐襯底定位供一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)附接的器件襯底。

22、所述設(shè)備適于使所述保持件和所述定位器以如下方式相對(duì)于彼此移動(dòng)，即使得分別保持在懸臂對(duì)之間的所述納米結(jié)構(gòu)從所述支撐襯底被帶到所述器件襯底上的多個(gè)附接點(diǎn)，以便附接到所述器件襯底。

23、所述設(shè)備適于使所述支撐襯底繞垂直穿過所述多個(gè)懸臂對(duì)的共同平面延伸的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，以便將所述納米結(jié)構(gòu)依次附接到所述器件襯底。

24、通過旋轉(zhuǎn)支撐襯底以將納米結(jié)構(gòu)依次放置在器件襯底的器件上，可以實(shí)現(xiàn)器件的特別簡(jiǎn)單和有效的制造。如上面進(jìn)一步指出的，具有彎曲的或有角度的周邊并且具有不平行的懸臂對(duì)的支撐襯底的構(gòu)想與旋轉(zhuǎn)支撐襯底以將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的構(gòu)想直接關(guān)聯(lián)。因此，如上所述的支撐襯底和設(shè)備涉及單一的發(fā)明構(gòu)思。

25、所述設(shè)備優(yōu)選是機(jī)動(dòng)設(shè)備，這意味著所述保持件可以借助于馬達(dá)、特別是電動(dòng)馬達(dá)相對(duì)于所述定位器移動(dòng)。

26、所述保持件涉及所述設(shè)備的部件，其允許將所述支撐襯底附接到所述設(shè)備，以便將所述納米結(jié)構(gòu)從所述支撐襯底轉(zhuǎn)移到所述器件襯底。定位器用于定位器件襯底，使得納米結(jié)構(gòu)可以安全且準(zhǔn)確地從支撐襯底轉(zhuǎn)移到器件襯底。因此，定位器優(yōu)選地用于在轉(zhuǎn)移期間將器件襯底保持在所需位置。

27、在優(yōu)選實(shí)施方式中，保持件是可移動(dòng)的，特別是通過馬達(dá)可移動(dòng)的，而定位器是固定的。然而，在其它實(shí)施方式中，也可以想到，反過來也一樣，或者保持件和定位器都是可移動(dòng)的。

28、在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于配置有附接點(diǎn)的器件襯底平面的幾何法線傾斜或可傾斜。因此，器件襯底平面由附接點(diǎn)的配置限定。附接點(diǎn)是納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底的點(diǎn)。在納米結(jié)構(gòu)是碳納米管的情況下，對(duì)于每個(gè)納米結(jié)構(gòu)通常存在兩個(gè)附接點(diǎn)。通過相對(duì)于器件襯底傾斜旋轉(zhuǎn)軸線來轉(zhuǎn)移納米結(jié)構(gòu)，可以特別好地避免懸臂與相鄰器件的碰撞，同時(shí)仍然確保納米結(jié)構(gòu)非常準(zhǔn)確地放置在器件襯底上。

29、旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于器件襯底平面的幾何法線傾斜或可傾斜的傾斜角優(yōu)選在1°至40°的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在4°至20°的范圍內(nèi)，特別是4°至10°。在這些范圍內(nèi)的傾斜角已被證明特別好地適合于一方面避免碰撞并且另一方面確保準(zhǔn)確放置。

30、所述設(shè)備優(yōu)選地適于使所述支撐襯底相對(duì)于所述定位器沿著垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸線延伸的x方向移動(dòng)。所述設(shè)備還適于使所述支撐襯底相對(duì)于所述定位器沿著垂直于所述x方向和所述旋轉(zhuǎn)軸線兩者延伸的y方向移動(dòng)。以這種方式，納米結(jié)構(gòu)可以有效地轉(zhuǎn)移到彼此相鄰配置的多個(gè)器件。

31、本發(fā)明還涉及一種用于將納米結(jié)構(gòu)、特別是碳納米管附接到器件襯底的方法，特別是借助于如上所述的設(shè)備將納米結(jié)構(gòu)、特別是碳納米管附接到器件襯底的方法，其中所述納米結(jié)構(gòu)分別配置在如上所述的支撐襯底的懸臂對(duì)之間，所述懸臂對(duì)在共同平面內(nèi)沿不同的、不平行的方向延伸，并且其中所述方法至少包括以下步驟：

32、-使所述支撐襯底繞垂直穿過所述共同平面延伸的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，以便依次將所述納米結(jié)構(gòu)從所述支撐襯底帶到所述器件襯底上的多個(gè)附接點(diǎn)，以便將所述納米結(jié)構(gòu)附接到所述器件襯底。

33、為了將納米結(jié)構(gòu)附接到器件襯底，旋轉(zhuǎn)軸線優(yōu)選地相對(duì)于配置有附接點(diǎn)的器件襯底平面的幾何法線傾斜。通過這種方式可以避免碰撞。