CN107640740B - 一种复合固支梁的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合固支梁的制备方法，属于微机电系统技术领域。本发明提出了一种基于“金‑石墨烯‑金”三层复合材料形成的固支梁结构。本发明复合固支梁的制作工艺简单、成本低廉、操作可控性强，且兼具易于与CMOS电路集成的优势；运用本发明复合固支梁作为微机电系统开关，由于其相比石墨烯梁具有较小的杨氏模量和弹性系数，因而能够降低开关的驱动电压；同时，由于其相比传统金属梁具有高机械强度，因此能够解决其作为开关的可靠性问题，进而有利于其作为MEMS开关的商业化发展。

Description

一种复合固支梁的制备方法

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种复合固支梁的制备方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)主要是采用微型结构将电子功能与机械、光学或者其他的功能在同一空间形成综合的集成系统。而微机电系统的微型化、集成化、智能化以及高度信息化使其在技术上具备先进性和发展潜力，并且对人类未来生活起到至关重要的影响。

微机电系统开关作为微机电系统中重要器件之一，其性能对微机电系统的影响日益深远。而若想要加快微机电系统开关的商业化步伐，必须提高微机电系统开关的可靠性。故此，微机电系统开关的可靠性无疑本领域研究内容的重要方面。微机电系统开关的失效主要是由于固支梁本身机械结构蠕变、断裂、疲劳等诸多因素造成的，尤其是接触式MEMS开关失效主要由固支梁上的接触部分失效引起，如材料触点接触电阻变化、接触表面材料的磨损、迁移。同时MEMS开关需要在满足动作频率要求的前提下，尽量减小其驱动电压，以便于集成并降低电容式MEMS开关的电荷注入。开关的驱动电压越低，就需要开关梁的弹性系数越小。为了有效提高开关的机械强度，降低开关的驱动电压，增强开关的可靠性，亟需一种机械强度高、弹性系数低的固支梁。

一般来说，MEMS开关梁的制备会选择硬度低的金属例如金，它具有导电性能良好，接触面积大，接触电阻稳定，弹性系数低，同时不易氧化的优点。但这类金属的硬度不高，机械强度较低，单纯用金制备的固支梁存在结构稳定性差的问题，容易发生机械结构蠕变和断裂，开关的可靠性较低。

为了增强开关梁的机械强度，可以利用机械强度高的新材料来制备固支梁。2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov利用普通的透明胶带粘着石墨片反复对折，最终有目的的获得了单原子层厚度的石墨烯。上述单层石墨烯具有优异的力学性能和电学性能，实验所获得的单层石墨烯杨氏模量为1.01TPa，抗拉强度约为125GPa。将石墨烯应用到固支梁结构中，可以有效地提高固支梁的机械强度。然而，单纯利用石墨烯制备的固支梁虽具有机械强度高的优点，但是其弹性系数较大，不满足开关梁低弹性系数的要求。

固支梁作为微机电系统开关的重要组成部分，其性能的好坏直接影响器件的性能。如何制备机械强度高、弹性系数低的高可靠性固支梁仍然是一大挑战。因此，亟需发展一种能够解决现存问题的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种机械强度高、弹性系数小且驱动电压较低的复合固支梁及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种复合固支梁，其特征在于，所述复合固支梁是由单层石墨烯及分别层叠于单层石墨烯上、下表面的金属Au层形成的复合结构。

进一步地，本发明中金层的厚度优选为250nm～500nm。

本发明还提供了一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：在衬底表面形成一层牺牲层，然后采用光刻工艺在牺牲层表面形成目标图案，所述目标图案包括固支梁图案及其两端锚点图案；

步骤B：在经步骤A得到的目标图案上由下至上分别制备第一金属Au层、石墨烯层和第二金属Au层，所述第一金属Au层、石墨烯层和第二金属Au层的尺寸、形状均与目标图案的尺寸、形状相同，然后经过高温退火处理得到上述三层相互层叠的复合结构，再采用刻蚀工艺去除固支梁之下的牺牲层，最终得到悬空于衬底层之上的复合固支梁结构。

进一步地，本发明步骤B中在目标图案上由下至上分别制备第一金属Au层、石墨烯层和第二金属Au层的具体操作为：

步骤B₁：制备第一金属Au层；在所述目标图案表面沉积一层金，然后采用丙酮和无水乙醇对其进行剥离，去除目标图案之外的多余金层，得到第一金属Au层；

步骤B₂：转移石墨烯层；将单层石墨烯转移至经步骤B₁制得的第一金属Au层之上；

步骤B₃：制备第二金属Au层；在经步骤B₂制得的石墨烯层表面沉积一层金，然后采用丙酮和无水乙醇对其进行剥离，去除目标图案之外的多余金层，得到第二金属Au层。

步骤B₄：刻蚀石墨烯层；采用氧气等离子体刻蚀去除多余石墨烯得到夹在第一金属Au层和第二金属Au层之间且与之形状、尺寸相同的石墨烯层。进一步地，本发明步骤B中高温退火处理的操作具体为：将衬底升温至400～800℃，然后自然冷却至室温。

进一步地，本发明在步骤B之前还包括：

步骤B₀：在经步骤A得到的目标图案上沉积金属钛层，然后剥离得到与目标图案相同的金属钛层。

进一步地，本发明金属钛层的厚度为5～10nm。

进一步地，本发明牺牲层材料为二氧化硅层。

进一步地，本发明二氧化硅层的厚度为1～3μm。

进一步地，本发明金层的生长速率优选为0.6～1埃/秒。

进一步地，本发明步骤B中刻蚀工艺去除固支梁之下的牺牲层的具体操作是：

将由下至上依次层叠有第一金属Au层、石墨烯层和第二金属Au层的衬底置于温度为35～45℃，的BOE溶液中刻蚀30～40min，其中，锚点位置覆盖有光刻胶。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明的复合固支梁采用金-石墨烯-金的三层复合结构，使用复合材料能够使得固支梁整体的杨氏模量和弹性系数减小，有效地降低了开关的驱动电压，而机械强度得以增加，解决了其作为开关的可靠性问题，同时通过合理控制复合固支梁的厚度即可达到不同谐振频率的需求；本发明制作工艺简单，成本低廉，并且兼具易于与CMOS电路集成的优势；本发明为MEMS开关及谐振器的研究、开发和生产奠定了理论基础。

附图说明

图1为本发明实施例所提供复合固支梁的制备流程示意图；其中，1为硅片，2为二氧化硅氧化层，3为金属钛层，4为第一金属Au层，5为石墨烯层，6为第二金属Au层。

图2为本发明实施例中石墨烯转移的流程示意图；

图3为本发明实施例所提供复合固支梁的尺寸示意图；

图4为本发明实施例将载荷分布在整个复合固支梁时弹性系数随梁尺寸变化曲线图；

图5为本发明实施例将载荷分布在梁上中间三分之一区域时弹性系数随梁尺寸变化曲线图；

图6为本发明实施例制得复合固支梁的SEM图。

图7为本发明实施例制得复合固支梁的I-V特性图。

图8为本发明实施例制得复合固支梁的下拉电压和释放电压随次数的变化趋势图。

具体实施方式

下文结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例：

一种复合固支梁的制备方法，具体操作如下：

(1).选用晶面指数为<110>，平面尺寸为1cm×1cm，厚度为500μm的硅片1作为衬底，衬底表面有热氧化生成的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为2μm；将上述衬底置于浓硫酸∶过氧化氢的体积比为7∶3的混合体系中加热煮沸30分钟，然后采用去离子水清洗15次后经过超声波振动处理30分钟，在氮气氛围中于180℃条件下烘干，得到如图1a所示的结构；

(2).于暗室中，在经步骤(1)处理的衬底表面旋涂一层反胶，所述反胶型号为AZ5214，然后基于根据需要加工得到的掩膜板进行对位曝光、显影、烘干固化之后置于电子束蒸发仪的真空腔室中蒸镀一层厚度为5nm的金属钛层3，所述金属钛层3的作用在于增加上、下薄膜之间的粘附性；再蒸镀一层厚度为250nm的第一金属Au层4，而后使用丙酮和无水乙醇剥离、烘干形成目标图案，即固支梁图形及两端锚点，如图1b所示；本实施例沉积金属层采用蒸镀法，根据本领域公知常识可知，亦可采用任何合适的金属沉积工艺，本发明对此并不做限定；

(3).将单层石墨烯转移至第一金属Au层4表面，本发明对石墨烯转移的方式并不对限定，在此仅提供一种本领域常用的转移方式，具体操作如图2所示：

本实施例的石墨烯为生长在铜基表面的单层石墨烯，首先在其石墨烯表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，待PMMA固化再进行后续操作，PMMA的作用在于：保证转移过程石墨烯的平整度，防止出现褶皱和破损；然后将铜基置于可溶性铁盐溶液，通常采用氯化铁溶液，进行置换反应，待石墨烯下面的铜基被完全溶解掉，再将石墨烯转移至目标基底(即上一步骤得到衬底)，然后再采用丙酮溶解去除PMMA；

(4).将步骤(3)的衬底进行第二次电子束蒸镀形成一层厚度为500nm的金层，而后使用丙酮和无水乙醇剥离、烘干，如图1d所示，形成与底层金层3相同尺寸、形状的第二金属Au层6，

(5)将步骤(4)得到的衬底采用氧气等离子体刻蚀去掉目标图案以外的石墨烯，刻蚀功率为15W，刻蚀时间为20秒，加热衬底至400℃，然后自然冷却至室温，由此形成了两层金层以及夹设于两层金层之间石墨烯层构成的“三明治”复合结构；

(6).将步骤(5)制得的衬底置于温度为40℃的BOE溶液中刻蚀35分钟，所述BOE溶液中包括氢氟酸和氟化铵，二者的体积比为氢氟酸∶氟化铵＝1∶6，所述BOE溶液用于刻蚀掉牺牲层二氧化硅；然后取出衬底进行清洗，在氮气氛围中加热烘干，如图1e所示，刻蚀去除牺牲层后的复合固支梁悬空设置于硅衬底之上。

结合图3所示出的示意图，本实施例通过上述操作得到的固支梁的尺寸具体如下：l₁＝50μm，l₂＝200μm，w₁＝10μm，w₂＝200μm。

下面通过弹性系数的相关公式进一步分析本发明提出“金-石墨烯-金”三层复合固支梁结构的理论可行性：

就本领域公知常识而言，固支梁的弹性系数认为是由两部分构成：其一定义为k'，这一部分弹性系数是由梁的刚度引起的，其中，梁的刚度与材料特性有关，如杨氏模量E；另一定义为k”，这一部分弹性系数是由梁中的双轴残余应力引起的，而应力由制造工艺决定。

第一部分k'可以按照如下式(1)表示:

其中，w为梁的宽度，t为梁的厚度，l为梁的长度，x为载荷加载在固支梁上的长度。

如图4和图5所示，其中图4是将载荷分布在整个固支梁上测得的，而图5是将载荷分布在固支梁中间三分之一位置处测得的，从两图中均可以看出，在相同尺寸的固支梁结构中，不管载荷分布如何，石墨烯的弹性系数均明显大于金的弹性系数。

另一部分k”可以按照如下式(2)表示：

其中，σ为残余应力，ν为泊松比。

综上总弹性系数按照如下式(3)表示：

从上面理论分析可以得到：为了降低固支梁结构的弹性系数，只能采用杨氏模量小，但是抗拉强度和断裂强度大的材料。因此，本发明采用金与石墨烯形成的多层复合结构。

对于多层复合结构的固支梁结构，其等效杨氏模量按照如下式(4)表示：

本实施例复合固支梁中单层石墨烯厚度为0.34nm，金厚度为500nm，最后计算得到的等效杨氏模量为78.65GPa,与金的杨氏模量78GPa几乎相等，并且本发明采用的多层复合结构在保证较低弹性系数的同时提高了机械强度，故此也获得了更高的可靠性。

基于上述理论分析与工艺实践，本实施例采用SEM电镜表征经上述工艺制得的样品，得到如图6所示结果，从图中可以很明显看出：固支梁之下的二氧化硅已经完全被腐蚀掉，并且固支梁结构平整完好，完全悬浮在硅基表面。

本实施例对制得固支梁结构进行I-V特性测试，测试采用回退法：先从0-100V进行扫描测试得到电流突变点即为下拉电压，然后从100-0V扫描测试，得到电流突变点即为释放电压，如图7所示，第一次测试所得到的下拉电压和释放电压分别为97.4V和92.5V。然后往复如此测试10次，绘制如图8所示的下拉电压和释放电压随着次数增加的变化趋势图。从图8可以看出，在误差允许的范围内，下压电压和释放电压保持良好的一致性。与现有技术相比，下拉电压和释放电压比单纯的石墨烯固支梁结构小，但是略大于纯金固支梁。这个测试过程中，固支梁结果保持完好，没有出现明显的断裂和塌陷，本发明显著改善了其可靠性。

Claims (7)

1.一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：在衬底表面形成一层牺牲层，然后采用光刻工艺在牺牲层表面形成目标图案，所述目标图案包括固支梁图案及其两端锚点图案；

步骤B：在经步骤A得到的目标图案上由下至上分别制备第一金层、石墨烯层和第二金层，所述第一金层、石墨烯层和第二金层的尺寸、形状均与目标图案的尺寸、形状相同，具体操作如下：

步骤B₁：制备第一金属Au层；在所述目标图案表面沉积一层金，然后采用丙酮和无水乙醇对其进行剥离，去除目标图案之外的多余金层，得到第一金属Au层；

步骤B₂：转移石墨烯层；将单层石墨烯转移至经步骤B₁制得的第一金属Au层之上；

步骤B₃：制备第二金属Au层；在经步骤B₂制得的石墨烯层表面沉积一层金，然后采用丙酮和无水乙醇对其进行剥离，去除目标图案之外的多余金层，得到第二金属Au层；

步骤B₄：刻蚀石墨烯层；采用氧气等离子体刻蚀去除多余石墨烯得到夹在第一金属Au层和第二金属Au层之间且与之形状、尺寸相同的石墨烯层；

步骤C：经过高温退火处理得到上述三层相互层叠的复合结构，再采用刻蚀工艺去除固支梁之下的牺牲层，最终得到悬空于衬底层之上的复合固支梁结构。

2.根据权利要求1所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，所述步骤C中高温退火处理的操作具体为：将衬底升温至400～800℃，然后自然冷却至室温。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，在步骤B之前还包括：

步骤B₀：在经步骤A得到的目标图案上沉积金属钛层，然后剥离得到与目标图案相同的金属钛层。

4.根据权利要求3所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，所述金属钛层的厚度为5～10nm。

5.根据权利要求1所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，所述牺牲层材料为二氧化硅层。

6.根据权利要求5所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为1～3μm。

7.根据权利要求1所述的一种复合固支梁的制备方法，其特征在于，所述步骤C中刻蚀工艺去除固支梁之下的牺牲层的具体操作是：

将由下至上依次层叠有第一金层、石墨烯层和第二金层的衬底置于温度为35～45℃的BOE溶液中刻蚀30～40min，其中，锚点位置覆盖有光刻胶。