CN100488865C - 纳米吸气剂制备方法 - Google Patents

Abstract

纳米吸气剂制备方法，涉及一种吸气剂，尤其是涉及一种纳米吸气剂制备方法。提供一种表面积与体积比率高，吸附作用强，可沉积多种合金薄膜，制备工艺成熟的纳米吸气剂制备方法。其步骤为：采用化学气相沉积法在硅基上生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中抽真空，通保护气Ar+H₂，炉内加热，关闭Ar+H₂，通CH₄，反应结束关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却取出样品；在碳纳米管上均匀涂布Ti金属以增强吸气剂的化学吸附作用。

Description

纳米吸气剂制备方法

技术领域

本发明涉及一种吸气剂，尤其是涉及一种纳米吸气剂制备方法。

背景技术

随着MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术日趋成熟，MEMS器件也得到了广泛的应用，如微型加速计、微陀螺仪、微型压力传感器和场效应显示器等都需要在高真空度的环境下才能使用，以减小摩擦，达到长期稳定工作的目的。MEMS封装工艺中危害最大的就是残留气体、泄漏气体和湿气，这些都会增加结构间的滑动摩擦阻力，严重影响器件工作性能(参考文献：Benvenuti C，Chiggiato P，Mongelluzzo A，et al.Influence of the elemental compositionand crystal structure on the vacuum properties of Ti-Zr-V non-evaporable getter films[J]，Vacuum Science &Technology，2001，19(6)：2925～2930)。现实上，因为气体的存在，真空度不够，这些器件执行的效果都会受到影响，有些器件要求微腔的真空度低于10^-3托(甚至低于10^-6托)，由于封装(比如键合)、除气或泄漏等产生的气体导致这些条件很难达到。利用传统的分子泵或者低温泵可以达到一定的真空度，但工艺过程复杂，耗时长，成本高，真空度很难长时间保持。因此，降低成本、维持高真空度成为MEMS器件封装工艺过程中的难题之一。利用吸气剂来吸收MEMS器件封装后的残余气体，提高并维持器件真空度，这样既可延长器件的使用寿命，又可以保证真空器件工作的稳定性和可靠性(参见文献：1.Douglas R.Sparks，S.Massoud-Ansari，and Nader Najafi.Chip-level vacuum packaging of micromachines Using NanoGetters[C]，IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING，2003，26(3)：277～282；2.Byeungleul Lee，SeonhoSeokl and Kukjin Chun.A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices，MICROMECHANICSAND MICROENGINEERING[J]，2003，13：663～66)。而且现有的吸气剂的工作性能在使用过程中将受到吸气剂材料、表面积、工作温度和压力以及气体种类等因素的影响，尤其是表面积，无论是蒸散型还是非蒸散型NEG(Non Evaporable Getter)，都存在着以下缺点：1)微腔里传统多孔NEG难装配，吸气效率低，对微腔造成污染；2)能够维持的真空度不高，时间不长；3)沉积的薄膜不具备多孔质等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的吸气剂存在的微腔里传统多孔NEG难装配，能够维持的真空度不高、时间不长以及沉积的薄膜不具备多孔质等问题，提供一种表面积与体积比率高，吸附作用强，可沉积多种合金薄膜，制备工艺成熟的纳米吸气剂制备方法。

本发明的具体步骤为：

1)采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)法在硅基上生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至100～250Torr，通25～200sccm的保护气Ar+H₂至0.8～1.2atm，将炉内加热到850～1100℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通25～200sccm的CH₄5～30min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至50～300℃，取出样品；

2)在碳纳米管上均匀涂布Ti金属以增强吸气剂的化学吸附作用。

在步骤1)中，先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至200Torr，通30sccm的保护气Ar+H₂至1atm，将管式炉内加热到950℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通30sccm的CH₄10min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至250℃后，取出样品。

所述的催化剂为Ni与Fe二元合金；厚度为4～10nm，最好是5nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。所述的保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。所述的基底为Si基。

在步骤2)中，所述的涂布可采用蒸镀的方法涂布，Ti膜金属的厚度为10～50nm，最好为30nm。

吸气剂在吸气过程中，有两种作用发生，即物理作用和化学作用。

物理作用：当气体分子与吸气剂表面碰撞时，气体分子可能被吸气剂表面吸附，形成单分子或数个分子的薄层。

化学作用：吸附在吸气剂表面的气体分子，有可能向吸气剂内部扩散，并与吸气剂形成化合物，或与吸气剂形成固溶体，从而使气体被固定在吸气剂中。

非蒸散型的吸气剂一般可以通过改变吸气材料的合金成分来提高吸气能力，吸气材料一般由两部分组成：活性元素和抗烧结元素。抗烧结物质的加入可以防止烧结时活性元素的聚集长大，并能抑制粉末烧结体的明显收缩，以达到在烧结体外形尺寸不增加的情况下，实际表面积大大增大，从而达到提高吸气能力的目的。根据吸气剂的吸气机理，吸气材料的表面特性在材料对活性气体的吸收上起着重要的作用，只有促进其表面反应才能有效提高材料吸气速率。因此，提高材料吸气性能的办法之一就是在不改变吸气材料外形尺寸的前提下增大材料本身的孔隙度，即提高吸气剂的表面积与体积的比率。本发明的技术方案是利用碳纳米管的大表面积和物理储气特性，在其表面均匀涂布Ti膜金属以提高吸气剂的表面积与体积的比率，从而增强吸气剂的化学吸附能力。

利用纳米吸气剂可以将微腔里的H₂，O₂，CO，N₂，H₂O等活性气体抽取出来，以提高微腔的真空度，延长器件的使用寿命。

由此可见，与现有的吸气剂相比，本发明的突出优点在于：

1.表面积与体积比率高，吸附作用增强

如图1所示，样品的尺寸：长×宽×厚为10000μm×10000μm×30μm。

1)传统结构的表面积与体积比率计算：

表面积：S＝10000×10000＝10⁸μm²；

体积：V＝10000×10000×30＝3×10⁹m³；

表面积与体积比率： $\frac{S}{V}=\frac{{10}^8}{3\×{10}^9}=0.033333.$

2)增大空隙度后的纳米结构：

表面积：S′＝10⁸+50000×0.03×10000＝1.15×10⁸μm²；

体积：V′＝3×10⁹+25000×0.2×10000×0.03＝3.0015×10⁹μm³；

表面积与体积比率： $\frac{S\′}{V\′}=\frac{1.15\×{10}^8}{3.0015\×{10}^9}=0.038314.$

2.可沉积多种合金薄膜

可在骨架结构上沉积Ti，Zr，V，Fe，Al以及它们的混合物等。

附图说明

图1为纳米骨架上的吸气剂薄膜。在图1中，a)为传统的结构，b)为增大空隙度后的结构。在图例标识中，1为纳米骨架结构，2为吸气剂薄膜。

具体实施方式

以下实施例将对本发明作进一步的说明。

实施例1

采用化学气相沉积法在硅基上均匀大面积生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至200Torr，通30sccm的保护气Ar+H₂至1.0atm，将炉内加热到900℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通30sccm的CH₄10min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至250℃，取出样品。催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为5nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。基底为Si基。

采用蒸镀的方法在碳纳米管上均匀涂布厚度为25nm的Ti金属膜，以增强吸气剂的化学吸附作用。

经测试，所获得的纳米吸气剂的性能如下：

1.微腔尺寸：长2000μm，高200μm，薄膜厚度2μm；

2.压力：10^-3Torr；

3.气体：H₂，O₂，N₂，CO，CO₂，H₂O……；

4.Ti膜吸气剂厚度：100～3000nm；

5.微加热器：Au，500nm。

实施例2

采用化学气相沉积法在硅基上均匀大面积生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至100Torr，通50sccm的保护气Ar+H₂至1.1atm，将炉内加热到950℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通50sccm的CH₄20min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至200℃，取出样品。催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为4nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。基底为Si基。

采用蒸镀的方法在碳纳米管上均匀涂布厚度为30nm的Ti金属膜，以增强吸气剂的化学吸附作用。

实施例3

采用化学气相沉积法在硅基上均匀大面积生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至150Torr，通25sccm的保护气Ar+H₂至0.8atm，将炉内加热到850℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通25sccm的CH₄5min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至50℃，取出样品。催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为6nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。基底为Si基。

采用蒸镀的方法在碳纳米管上均匀涂布厚度为20nm的Ti金属膜，以增强吸气剂的化学吸附作用。

实施例4

采用化学气相沉积法在硅基上均匀大面积生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至180Torr，通100sccm的保护气Ar+H₂至1.2atm，将炉内加热到1000℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通100sccm的CH₄15min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至100℃，取出样品。催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为8nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。基底为Si基。

采用蒸镀的方法在碳纳米管上均匀涂布厚度为10nm的Ti金属膜，以增强吸气剂的化学吸附作用。

实施例5

采用化学气相沉积法在硅基上均匀大面积生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至250Torr，通200sccm的保护气Ar+H₂至0.9atm，将炉内加热到1100℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通200sccm的CH₄30min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至300℃，取出样品。催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为10nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。基底为Si基。

采用蒸镀的方法在碳纳米管上均匀涂布厚度为50nm的Ti金属膜，以增强吸气剂的化学吸附作用。

Claims (9)

1.纳米吸气剂制备方法，其特征在于其步骤为：

1)采用化学气相沉积法在硅基上生长碳纳米管：先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至100～250Torr，通25～200sccm的保护气Ar+H₂至0.8～1.2atm，将炉内加热到850～1100℃，维持这个炉温，关闭Ar+H₂，接着持续通25～200sccm的CH₄ 5～30min，反应结束，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至50～300℃，取出样品；

2)在碳纳米管上均匀蒸镀厚度为10～50nmTi膜金属。

2.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，先将溅射有催化剂的基底硅片样品放入石英管中，并抽真空至200Torr，通30sccm的保护气Ar+H₂至1atm。

3.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的管式炉内加热到950℃。

4.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，关闭Ar+H₂，接着持续通30sccm的CH₄ 10min，反应结束。

5.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，关闭CH₄，在Ar+H₂的保护下冷却至250℃后，取出样品。

6.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的催化剂为Ni与Fe二元合金，厚度为4～10nm，按质量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。

7.如权利要求6所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的Ni与Fe二元合金的厚度为5nm。

8.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的保护气Ar+H₂按体积百分比为Ar∶H₂＝98％∶2％。

9.如权利要求1所述的纳米吸气剂制备方法，其特征在于在步骤2)中，Ti膜金属的厚度为30nm。

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