CN104576126A - 碳纳米管mems开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了碳纳米管MEMS开关及其制备方法，其中，制备碳纳米管MEMS开关的方法包括：(1)在硅基板的上表面上垂直生长碳纳米管；(2)在生长有碳纳米管的硅基板的一面以及碳纳米管上溅射金；(3)对溅射后的金的表面进行电镀金，以便形成共面波导金层；(4)对金层进行图形化和抛光磨平；(5)将经过抛光磨平后的金层与金属电极对准键合；(6)除去硅基板；(7)在除去硅基板后裸露出的碳纳米管的一端上生长一层氧化硅保护层；(8)在除去硅基板后裸露出的金层上形成施加下拉力的电极，并在电极的表面形成氮化硅层；以及(9)除去碳纳米管的一端上的氧化硅保护层。利用上述方法制备的碳纳米管MEMS开关功率容量高、可靠性好。

Description

碳纳米管MEMS开关及其制备方法

技术领域

本发明属于电子产品领域，具体而言，本发明涉及碳纳米管MEMS开关及其制备方法。

背景技术

MEMS(微机电***)开关的电极材料一般要求导电性能好，熔点高，硬度好。Au因为具有电阻率低，不易氧化的特性而被广泛用作MEMS电极材料，目前已有的开关基本上采用Au或者是Au的合金，而Au在100℃时易因软化而导致开关热失效。另外，开关上下电极接触面从微观来讲凹凸不平，二者之间形成的导电斑点更少，使得接触电阻增大，因此使得MEMS开关的功率容量和寿命明显降低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种有效制备碳纳米管MEMS开关的方法以及利用该方法制备得到的碳纳米管MEMS开关。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种制备碳纳米管MEMS开关的方法，包括：

(1)在硅基板的上表面上垂直生长碳纳米管；

(2)在生长有碳纳米管的硅基板的一面以及碳纳米管上溅射金；

(3)对溅射后的金的表面进行电镀金，以便形成金层；

(4)对所述金层进行图形化和抛光磨平；

(5)将经过所述抛光磨平后的金层与金属电极对准键合；

(6)除去硅基板；

(7)在除去硅基板后裸露出的碳纳米管的一端上生长一层氧化硅保护层；

(8)在除去硅基板后裸露出的金层上形成施加下拉力的电极，并在所述电极的表面形成氮化硅层；以及

(9)除去碳纳米管的一端上的氧化硅保护层。

利用上述方法可以制备得到以碳纳米管为接触触点的MEMS开关。由此，可以利用碳纳米管优异的电热特性及柔韧性，增大开关的导电斑点数，降低开关的接触电阻，提高开关寿命及功率容量。本发明的上述方法制备得到的碳纳米管MEMS开关产品可靠性高。

另外，根据本发明上述实施例的制备碳纳米管MEMS开关的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，进一步包括：

预先在所述硅基板上形成氧化硅层和金属铬层。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，以二甲苯作为碳源、二茂铁作为催化剂在所述硅基板上垂直生长出所述碳纳米管，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。

在本发明的一些实施例中，所述碳纳米管的高度为1-3微米。

在本发明的一些实施例中，所述在步骤(1)中，在硅基板上垂直生长碳纳米管是在780摄氏度的条件下进行的。

在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，除去硅基板按照下列步骤进行：

在键合后的形成的整体结构的外表面的预保护区域上涂敷密封胶，以便形成密封胶层；

在所述密封胶的表面涂敷黑胶，以便形成黑胶层；

将黑胶层进行高温固化，以便在所述预保护区域上形成复合保护层；

利用刻蚀溶液对表面形成所述复合保护层后的硅基板进行深刻蚀，以便将所述硅基板刻蚀掉；以及

除去所述复合保护层，以便完成所述除去硅基板并将所述碳纳米管转移到所述金属电极上。

在本发明的一些实施例中，所述预保护区域为键合后的形成的整体结构的正面的一部分、反面和侧面，所述正面为硅基板的下表面。

在本发明的一些实施例中，所述密封胶层的厚度为11-12微米，所述黑胶层的厚度为0.5-1.5微米，所述复合保护层的厚度为13微米。

在本发明的一些实施例中，所述高温固化是在120摄氏度下烘烤2小时完成。

根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种碳纳米管MEMS开关，所述开关由前面所述的制备碳纳米管MEMS开关的方法制备得到。由此该碳纳米管MEMS开关以碳纳米管为接触触点，进而可以利用碳纳米管优异的电热特性及柔韧性，增大开关的导电斑点数，降低开关的接触电阻，提高开关寿命及功率容量。

附图说明

图1为在硅基板上生长一层氧化硅11，具体厚度由碳纳米管生长决定。

图2为在图1基础上生长金属铬12并光刻刻蚀，厚度由最后金属上碳纳米管高度决定。

图3为在氧化硅上用CVD法，以二甲苯和二茂铁分别作为碳源和催化剂，在780℃下生长1-3um高的碳纳米管13。

图4为在生长好的碳纳米管上溅射一层金属种子层14，模拟碳纳米管垂直生长。

图5为用电镀使金属种子层加厚15。

图6为对电极对准后进行图形化，制作开关底面CPW图形。

图7为将电镀光刻后的金属层进行CMP抛光磨平。

图8为将光刻好的另一基底与碳纳米管基底对准键合。

图9为去掉下面的硅基底，氧化硅及金属铬，(深硅刻蚀保护层采用密封胶/黑胶的复合结构)，翻转。

图10为给碳纳米管长一层氧化硅19作为保护层。

图11为给施加下拉静电力的电极上制作一层氮化硅20。

图12为去除碳纳米管顶端的氧化硅保护层19。

图13为经过保护后形成复合保护层的键合后整体结构图。

具体实施方式

下面参考附图1-13详细描述本发明具体实施例的制备碳纳米管MEMS开关的方法，该方法包括：

(1)在硅基板的上表面上垂直生长碳纳米管；

(2)在生长有碳纳米管的硅基板的一面以及碳纳米管上溅射金；

(3)对溅射后的金的表面进行电镀金，以便形成金层；

(4)对所述金层进行图形化和抛光磨平；

(5)将经过所述抛光磨平后的金层与金属电极对准键合；

(6)除去硅基板；

(7)在除去硅基板后裸露出的碳纳米管的一端上生长一层氧化硅保护层；

(8)在除去硅基板后裸露出的金层上形成施加下拉力的电极，并在所述电极的表面形成氮化硅层；以及

(9)除去碳纳米管的一端上的氧化硅保护层。

利用上述方法可以制备得到以碳纳米管为接触触点的MEMS开关。由此，可以利用碳纳米管优异的电热特性及柔韧性，增大开关的导电斑点数，降低开关的接触电阻，提高开关寿命及功率容量。本发明的上述方法工艺简单，制备得到的碳纳米管MEMS开关产品性能好。

根据本发明的具体实施例，在上述步骤(1)中，在硅基板的上表面上垂直生长碳纳米管，还可以进一步包括：预先在硅基板上形成氧化硅层和金属铬层。其中，氧化硅层可以作为碳纳米管的生长基底，金属铬层用作碳纳米管生长模具)由此，可以有效地生长出尺寸合适且适于作为接触触点的碳纳米管，提高MEMS开关的性能。

根据本发明的具体实施例，在上述步骤(1)中，可以以二甲苯作为碳源、二茂铁作为催化剂在硅基板上垂直生长出碳纳米管，该生长出的碳纳米管为多壁碳纳米管。由此可以利用多壁碳纳米管数量多的特点来增加上下电极间导电斑点的数目；同时还可以利用多壁碳纳米管的高导热性(1400W m^-1K^-1，耐热达2000K)达到快速散发热量的效果，进而克服金的软化热失效；另外，多壁碳纳米管还具有良好的柔韧性(1TPa)和导电性能(10⁹Acm^-2)，由此可以有效地克服传统材料的变形磨损，同时降低开关接触时的电阻。

根据本发明的具体实施例，碳纳米管的高度可以为1-3微米。由此可以适于开关对触点的需求，同时显著提高开关的灵敏性。

根据本发明的具体实施例，在上述步骤(1)中，在硅基板上垂直生长碳纳米管是在780摄氏度的条件下进行的。由此可以有效地生长出碳纳米管。实验探索证明此温度下生长的碳纳米管定向性和致密度最佳。温度过高或者过低会导致生长的碳纳米管密度稀疏，垂直度很差。

根据本发明的具体实施例，在上述步骤(6)中，除去硅基板按照下列步骤进行：

在键合后的形成的整体结构的外表面的预保护区域上涂敷密封胶，以便形成密封胶层；

在所述密封胶的表面涂敷黑胶，以便形成黑胶层；

将黑胶层进行高温固化，以便在所述预保护区域上形成复合保护层；

利用刻蚀溶液对表面形成所述复合保护层后的硅基板进行深刻蚀，以便将所述硅基板刻蚀掉；以及

除去所述复合保护层，以便完成所述除去硅基板并将所述碳纳米管转移到所述金属电极上。

由此，通过在键合后的形成的整体结构的预保护区域上形成密封胶层和黑胶层组成的复合保护层，由此可以有效防止刻蚀溶液的侵蚀，进而达到有效保护的目的。根据本发明的具体实施例，黑胶层可以进一步增强复合保护层的抗碱性，进而提高对预保护区域的保护作用。上述保护方法，深刻蚀后去保护层简单，无需复杂设备，进而可显著缩短湿法深刻蚀时间，降低成本。

根据本发明的具体实施例，如图8所示，所述预保护区域为键合后的形成的整体结构的正面的一部分、反面和侧面，所述正面为硅基板的下表面。由此，采用该方法可以在湿法深刻蚀过程中对键合后的形成的整体结构的预保护区域进行有效的保护，进而准确有效地选择性除去硅基板，提高湿法深刻蚀的准确度，提高产品的质量。

根据本发明的具体实施例，首先在体硅外表面的预保护区域上涂敷密封胶，待晾干后在形成密封胶层。根据本发明的具体示例，晾干时间可以为10分钟。形成的密封胶层的厚度可以为11-12微米。通过控制上述厚度，可以有效地对键合后的形成的整体结构的预保护区域进行有效的保护。

根据本发明的具体实施例，在密封胶层的表面继续涂敷黑胶，黑胶经过固化后形成黑胶层，根据本发明的具体示例，黑胶层的厚度可以为0.5-1.5微米。通过在密封胶的表面形成黑胶层，可以显著增强密封胶层的抗碱性，进而提高复合保护层的保护作用。

根据本发明的具体实施例，将黑胶进行高温固化可以在120摄氏度下烘烤2小时完成。由此可以使得形成的黑胶层与密封胶层紧密结合，增强密封胶层的抗碱性，进而提高复合保护层的保护作用。

根据本发明的具体实施例，密封胶层的端面距离黑胶层的端面850-950微米。即黑胶层对密封胶层进行封盖后超出部分的长度。由此密封胶层完全被黑胶层覆盖，进而提密封胶层的耐碱性，进而提高复合保护层的保护作用。

根据本发明的具体实施例，最终在体硅的预保护区域表面形成由密封胶层和黑胶层组成的复合保护层，根据本发明的具体示例，复合保护层的厚度为13微米由此可以有效地防止刻蚀液侵蚀，达到有效保护键合后的形成的整体结构的预保护区域的目的。

根据本发明的具体实施例，深刻蚀可以采用85摄氏度的浓度为33％的氢氧化钾溶液进行。由此，通过上述保护方法形成的复合保护层可以有效地防止湿法深刻蚀时刻蚀溶液对转移过程中键合后的形成的整体结构的侧面及层间粘接剂的损害，进而弥补现有湿法深刻蚀的缺陷，提高产品的质量。

根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种碳纳米管MEMS开关，所述开关由前面所述的制备碳纳米管MEMS开关的方法制备得到。由此该碳纳米管MEMS开关以碳纳米管为接触触点，进而可以利用碳纳米管优异的电热特性及柔韧性，增大开关的导电斑点数，降低开关的接触电阻，提高开关寿命及功率容量。

实施例

首先，如图1所示，在硅基板10上生长一层氧化硅11，具体厚度由碳纳米管生长决定；如图2所示，在氧化硅11基础上生长金属铬12并光刻刻蚀，厚度由最后金属上碳纳米管高度决定；如图3所示，在氧化硅11上用CVD法，以二甲苯和二茂铁分别作为碳源和催化剂，在780℃下生长出1-3um高的碳纳米管13；如图4所示，在生长好的碳纳米管13上溅射一层金属种子层14，模拟碳纳米管垂直生长；如图5所示，用电镀使金属种子层14加厚成金属层15；如图6所示，对电极对准后进行图形化，制作开关底面CPW图形；如图7所示，将电镀光刻后的金属层15进行CMP抛光磨平；如图8所示，将光刻好的另一基底金属电极(包括金层16、17和高阻硅18)与形成有碳纳米管的硅基板10对准键合；如图9所示，去掉下面的硅基底10、氧化硅11和氮化硅12，(深硅刻蚀保护层采用密封胶/黑胶的复合结构)，翻转；如图10-11所示，给碳纳米管长一层氧化硅19作为保护层，直到制作完开关上电极后才清除，另外给施加下拉静电力的电极上制作一层氮化硅20；释放光刻胶；如图12所示，去除碳纳米管顶端的氧化硅保护层19。

其中，如图9所示，去掉下面的硅基底、氧化硅11和金属铬12，(深硅刻蚀保护层采用密封胶/黑胶的复合结构)，翻转。具体可以按照下列步骤进行：

在图8所示整体结构的反面、侧面和正面的边缘涂敷密封胶，晾干约10分钟后，形成约11.050微米的密封胶层30。在密封胶层的表面涂敷黑胶，将涂敷完黑胶后的体硅在120摄氏度的烘箱中烘烤2小时，使黑胶固化，取出冷却。在密封胶层的表面形成厚度约为1微米的黑胶层40(如图13所示)，由此在体硅的预保护的区域上形成复合保护层，完成对整体结构的保护。进一步地将保护后的结构浸泡在温度为85摄氏度的浓度为33％的氢氧化钠溶液中，对硅基底10、氧化硅11和氮化硅12进行深刻蚀，完成深刻蚀后。最后用镊子剥离经过深刻蚀后的外表面的复合保护层，并在去离子水中进行清洗，得到转移后的产品，如图9所示。该保护方法操作简单，无需复杂设备，保护层的去除比较容易，整体深刻蚀及转移过程效果良好，成本低。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，包括：

(1)在硅基板的上表面上垂直生长碳纳米管；

(2)在生长有碳纳米管的硅基板的一面以及碳纳米管上溅射金；

(3)对溅射后的金的表面进行电镀金，以便形成金层；

(4)对所述金层进行图形化和抛光磨平；

(5)将经过所述抛光磨平后的金层与金属电极对准键合；

(6)除去硅基板；

(7)在除去硅基板后裸露出的碳纳米管的一端上生长一层氧化硅保护层；

(8)在除去硅基板后裸露出的金层上形成施加下拉力的电极，并在所述电极的表面形成氮化硅层；以及

(9)除去碳纳米管的一端上的氧化硅保护层。

2.根据权利要求1所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，在步骤(1)中，进一步包括：

预先在所述硅基板上形成氧化硅层和金属铬层。

3.根据权利要求1或2所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，在步骤(1)中，以二甲苯作为碳源、以二茂铁作为催化剂在所述硅基板上垂直生长出所述碳纳米管，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。

4.根据权利要求1-3任一项所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，所述碳纳米管的高度为1-3微米。

5.根据权利要求1-4任一项所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，在步骤(1)中，在硅基板上垂直生长碳纳米管是在780摄氏度的条件下进行的。

6.根据权利要求1-5任一项所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，在步骤(6)中，除去硅基板按照下列步骤进行：

在键合后的形成的整体结构的外表面的预保护区域上涂敷密封胶，以便形成密封胶层；

在所述密封胶的表面涂敷黑胶，以便形成黑胶层；

将黑胶层进行高温固化，以便在所述预保护区域上形成复合保护层；

利用刻蚀溶液对表面形成所述复合保护层后的硅基板进行深刻蚀，以便将所述硅基板刻蚀掉；以及

除去所述复合保护层，以便完成所述除去硅基板并将所述碳纳米管转移到所述金属电极上。

7.根据权利要求6所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，所述预保护区域为键合后的形成的整体结构的正面的一部分、反面和侧面，所述正面为硅基板的下表面。

8.根据权利要求6或7所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，所述密封胶层的厚度为11-12微米，所述黑胶层的厚度为0.5-1.5微米，所述复合保护层的厚度为13微米。

9.根据权利要求6-8任一项所述制备碳纳米管MEMS开关的方法，其特征在于，所述高温固化是在120摄氏度下烘烤2小时完成。

10.一种碳纳米管MEMS开关，其特征在于，所述开关由权利要求1-9任一项所述制备碳纳米管MEMS开关的方法制备得到。