CN108493161A - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体结构及其形成方法，当所述半导体结构受热或者受到光照射时，由于所述酯类材料层的热膨胀系数大于所述柔性基底的热膨胀系数，使得所述酯类材料层与所述碳纳米管促使所述柔性基底弯曲，进一步，所述酯类材料层填充在所述柔性基底与所述碳纳米管之间的缝隙及每个所述碳纳米管之间的缝隙，所述酯类材料层膨胀使所述碳纳米管的间距增加，所述碳纳米管对所述酯类材料层的膨胀具有束缚作用，使所述半导体结构弯曲，当不受热或者未受到光照时，所述半导体结构恢复平整，所述半导体结构体积小，结构简单、控制方便，并且能够应用于开关、传感器等各种器件中。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。
背景技术
近几年，具备柔性、可弯曲和轻质的电子设备和器件收到了人们的广泛关注，但目前应用在这些柔性电子设备的器件多为传统块状坚硬器件，并且制备步骤复杂，一定程度上限制了电子设备的柔性，从而限制其在可穿戴电子以及相关领域的发展。因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体结构及其形成方法，以提高现有的柔性电子设备的性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种半导体结构，所述半导体结构包括
柔性基底；
酯类材料层，所述酯类材料层设置在所述柔性基底上，且所述酯类材料层的热膨胀系数大于所述柔性基底的热膨胀系数；
取向碳纳米管薄膜，所述取向碳纳米管薄膜嵌入所述酯类材料层，所述取向碳纳米管薄膜具有若干个取向一致的碳纳米管，每个所述碳纳米管之间的缝隙被所述酯类材料层填充。
可选的，所述柔性基底背离所述取向碳纳米管薄膜的一侧上设置有导电材料层。
可选的，所述导电材料层的材料包括导电银胶或碳纳米管/银纳米线的复合材料。
可选的，所述柔性基底的材料包括聚酰亚胺和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
可选的，所述酯类材料层的材料包括石蜡、单硬脂酸甘油酯、铝酸酯和硬脂酸聚烃氧酯中的一种或多种。
本发明还提供了一种半导体结构的形成方法，其特征在于，所述半导体结构的形成方法包括：
提供所述柔性基底；
在所述柔性基底上形成所述酯类材料层；
在所述酯类材料层上铺设所述取向碳纳米管薄膜并加热，使所述取向碳纳米管薄膜嵌入所述酯类材料层，且所述酯类材料层填充每个所述碳纳米管之间的缝隙。
可选的，加热所述酯类材料层之后，所述半导体结构的形成方法还包括：
在所述柔性基底背离所述取向碳纳米管薄膜的一侧上形成所述导电材料层，形成复合结构层。
可选的，形成所述导电材料层后，所述半导体结构的形成方法还包括：
将所述复合结构层裁剪成方形。
可选的，采用旋涂或者涂覆工艺形成所述酯类材料层及所述导电材料层。
可选的，采用可纺碳纳米管阵列制备所述取向碳纳米管薄膜。
在本发明提供的半导体结构及其形成方法中，当所述半导体结构受热或者受到光照射时，由于所述酯类材料层的热膨胀系数大于所述柔性基底的热膨胀系数，使得所述酯类材料层与所述碳纳米管能够促使所述柔性基底弯曲，进一步，所述酯类材料层填充在每个所述碳纳米管之间的缝隙，所述酯类材料层膨胀使所述碳纳米管的间距增加，所述碳纳米管对所述酯类材料层的膨胀具有束缚作用，使所述半导体结构弯曲，当不受热或者未受到光照时，所述半导体结构恢复平整，本发明提供的半导体结构体积小，结构简单、控制方便，并且能够应用于开关、传感器等各种器件中，还可通过调整所述碳纳米管的取向、半导体结构的长宽比以及结构层的厚度，以调整所述半导体结构的弯曲方向、弯曲角度和弯曲量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的半导体结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的碳纳米管的取向为a方向的受力分析图；
图3为本发明实施例提供的半导体结构向上弯曲的示意图；
图4为本发明实施例提供的半导体结构连接第一导体和第二导体的示意图；
图5为本发明实施例提供的半导体结构断开第一导体和第二导体的示意图；
图6为本发明实施例提供的碳纳米管的取向为b方向的受力分析图；
图7为本发明实施例提供的半导体结构向下弯曲的示意图；
图8为本发明实施例提供的半导体结构连接第一导体和第二导体的又一示意图；
图9为本发明实施例提供的半导体结构断开第一导体和第二导体的又一示意图；
图10为本发明实施例提供的碳纳米管的取向为c方向的受力分析图；
图11为本发明实施例提供的半导体结构呈螺旋状弯曲的示意图；
图12为本发明实施例提供的半导体结构连接两个圆柱状导体的示意图；
图13为本发明实施例提供的半导体结构连接两个圆柱状导体的又一示意图；
图14为本发明实施例提供的半导体结构断开两个圆柱状导体的示意图；
图15为本发明实施例提供的半导体结构断开两个圆柱状导体的又一示意图；
图16为本发明实施例提供的半导体结构的形成方法的流程图；
图17-图18为本发明实施例提供的采用所述半导体结构的形成方法形成的部分半导体结构的示意图；
其中，1-柔性基底，2-取向碳纳米管薄膜，21-碳纳米管，3-酯类材料层，4-导电材料层，5-第一导体，6-第二导体，a-a方向，b-b方向，c-c方向，z-z方向，F1-第一作用力，F2-第二作用力。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图1，其为本实施例提供的半导体结构的示意图，如图1所示，所述半导体结构包括柔性基底1；酯类材料层3，所述酯类材料层3设置在所述柔性基底1上，且所述酯类材料层3的热膨胀系数大于所述柔性基底1的热膨胀系数；取向碳纳米管薄膜2，所述取向碳纳米管薄膜2嵌入所述酯类材料层3，所述取向碳纳米管薄膜2具有若干个取向一致的碳纳米管21，每个所述碳纳米管21之间的缝隙被所述酯类材料层3填充。
其中，当所述半导体结构受热或者受到光照射时，由于所述酯类材料层3的热膨胀系数大于所述柔性基底1的热膨胀系数，使得所述酯类材料层3与所述碳纳米管21能够促使所述柔性基底1进行弯曲，进一步，所述酯类材料层3填充在所述柔性基底1与所述碳纳米管21之间的缝隙及每个所述碳纳米管21之间的缝隙，所述酯类材料层3膨胀使所述碳纳米管21的间距增加，所述碳纳米管21对所述酯类材料层3的膨胀具有束缚作用，使所述半导体结构弯曲，当不受热或者未受到光照时，所述半导体结构恢复平整，本发明提供的半导体体积小，结构简单、控制方便，并且能够应用于开关、传感器等各种器件中，还可通过调整所述碳纳米管21的取向、半导体结构的长宽比以及各结构层的厚度，以调整所述半导体结构的弯曲方向、弯曲角度和弯曲量。
其中，所述柔性基底1的材料可以选择热膨胀系数小(小于3*10-5K-1)且耐高温(>100℃)的柔性材料，例如聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸乙二醇酯等，所述柔性基底1的具有柔性材料的特点，其可以进行弯曲变形。请继续参阅图1，在所述柔性基底1上设置有一取向碳纳米管薄膜2，所述取向碳纳米管薄膜2具有多个呈阵列分布的碳纳米管21，每个所述碳纳米管21的取向一致，每个所述碳纳米管21为一种具有高纵向模量和低横向模量的各向异性材料。所述酯类材料层3的热膨胀系数可以远大于所述柔性基底1的热膨胀系数，进一步加强所述酯类材料层3和所述柔性基底1的膨胀差量，以增加所述半导体结构的响应速度，例如，所述酯类材料层3的材料可以是石蜡、单硬脂酸甘油酯、铝酸酯和硬脂酸聚烃氧酯中的一种或多种，本实施例中，所述酯类材料层3的材料为石蜡，石蜡与所述柔性基底1的粘附性好，并且热膨胀系数很高(可以达到3K-1)，可以产生极大的与所述柔性基底1的膨胀差量，使所述半导体结构的灵敏性增加。
当所述半导体结构未受热或未受到光照时，所述半导体结构为一长条形的薄片，当所述半导体结构受热或者受到光照时，由于所述酯类材料层3膨胀系数较大，当所述酯类材料层3受热膨胀时，产生垂直于所述碳纳米管21的取向方向的作用力，使所述碳纳米管21之间的缝隙变大，而所述碳纳米管21为一种具有高纵向模量和低横向模量的各向异性材料，所述碳纳米管21对所述酯类材料层3的膨胀具有一定的束缚作用，从而产生沿着所述碳纳米管21的取向方向并且向内收缩的作用力，这两个作用力使得所述半导体结构弯曲。在所述柔性基底1的底部可以设置一层导电材料层4，所述导电材料层4可以作为导电的电极，所述导电材料层4的热膨胀系数与所述柔性基底1的热膨胀系数之差可以尽可能小，使所述导电材料层4与所述柔性基底1的热膨胀系数接近，以保证所述导电材料层4与所述柔性基底1之间不会因为膨胀差异而产生翘曲或裂缝，进一步，所述导电材料层4可以为易涂覆的材料，并且与所述柔性基底1具有很好的黏附性，例如，所述导电材料层4可以为导电银胶、或者碳纳米管/银纳米线的复合材料，当然，所述导电材料层4也可以是其他的导电材料，本发明不作限制。
具体的，请参阅图2-图3，所述碳纳米管21的取向为a方向(所述a方向为水平方向)，当所述半导体结构受光照或者受热时，所述酯类材料层3膨胀使所述碳纳米管21的间距增加，产生垂直于a方向的第一作用力F1，而所述碳纳米管21对所述酯类材料层3在其取向方向上具有束缚作用，产生沿着所述a方向的第二作用力F2，如图2所示，由于所述半导体结构沿着所述a方向的尺寸较垂直于所述a方向的尺寸大，所述第二作用力F2大于所述第一作用力F1，使所述半导体结构向上(图3中的z方向的反方向)弯曲，具体如图3所示。将此类型的半导体结构的一端设置于第一导体5上，所述半导体结构的导电材料层4与所述第一导体5接触，另一端设置于第二导体6上，当所述半导体结构未受热或未受到光照时，所述半导体结构呈平直状态，所述第一导体5与所述第二导体6连通，如图4所示；当所述半导体结构受热或者受到光照时，所述半导体结构向上弯曲以将所述第一导体5与所述第二导体6断开，具体图5所示。
接下来，请参阅图6-图7，所述碳纳米管21的取向为b方向(所述b方向垂直于a方向)，当所述半导体结构受光照或者受热时，所述酯类材料层3膨胀使所述碳纳米管21的间距增加，产生垂直于b方向的第一作用力F1，而所述碳纳米管21对所述酯类材料层3在其取向方向上具有束缚作用，产生沿着所述b方向的第二作用力F2，如图6所示，由于所述半导体结构沿着所述b方向的尺寸较垂直于所述b方向的尺寸小，所述第二作用力F2小于所述第一作用力F1，使所述半导体结构向下(图7中的z方向)弯曲，具体如图7所示。将此类型的半导体结构的一端设置于所述第一导体5上，所述半导体结构的导电材料层4与所述第一导体5接触，另一端设置于所述第二导体6的上方，当所述半导体结构未受热或未受到光照时，所述半导体结构呈平直状态，如图8所示；当所述半导体结构受热或者受到光照时，所述半导体结构向下弯曲以将所述第一导体5与所述第二导体6连接，具体图9所示。
接着请参阅图10，所述碳纳米管21的取向为c方向(所述c方向与所述a方向及所述b方向构成45度角)，当所述半导体结构受光照或者受热时，所述酯类材料层3膨胀使所述碳纳米管21的间距增加，产生垂直于c方向的第一作用力F1，而所述碳纳米管21对所述酯类材料层3在其取向方向上具有束缚作用，产生沿着所述c方向的第二作用力F2，如图10所示，所述第二作用力F2小于所述第一作用力F1，所述半导体结构呈螺旋状弯曲，具体如图11所示。
当所述第一导体5与所述第二导体6为尺寸较大的柱体时，所述半导体结构可以贴在所述第一导体5与所述第二导体6的侧壁，如图12-图13所示，当所述半导体结构未受热或未受到光照时，所述半导体结构呈平直状态，所述第一导体5与所述第二导体6连通，当所述半导体结构受热或者受到光照时，所述半导体结构向外弯曲，使所述第一导体5与所述第二导体6断开，如图14-图15所示。
进一步，可通过调整碳纳米管21的取向、半导体结构的长宽比以及各层材料的厚度，可以控制半导体结构的弯曲方向、弯曲角度和弯曲量，同时，由于所述取向碳纳米管21可吸收部分可见光和红外光并转化为热能，进一步加强了酯类材料层3和所述柔性基底1的膨胀差量，加快了所述半导体结构的光响应速度。
请参阅图1、图16-图18，其为本发明实施例提供的一种半导体结构的形成方法，包括：
S1：提供所述柔性基底1；
S2：在所述柔性基底1上形成所述酯类材料层3；
S3：在所述酯类材料层3上铺设所述取向碳纳米管薄膜2并加热，使所述取向碳纳米管薄膜2嵌入所述酯类材料层3，且所述酯类材料层3填充每个所述碳纳米管之间的缝隙。
首先，请参阅图17，提供所述柔性基底1，并将所述柔性基底1固定在一表面平整的玻璃板上，接着可以对所述柔性基底1进行退火处理，使所述柔性基底1保持各向同性，本实施例中，所述柔性基底1的材料为聚酰亚胺，其可耐高温达400℃以上，高绝缘性，线热膨胀系数低至2.8*10-5K-1，并且具有很高的耐辐照性能，机械性能优良。接着，在所述柔性基底1上撒石蜡粒并进行加热，加热的温度可以在60℃-100℃之间，待所述石蜡粒熔化后进行旋涂或涂覆工艺，待冷却后形成酯类材料层3，可选的，所述酯类材料层3可以是与石蜡性能相近的其他酯类材料。
接下来，通过可纺碳纳米管阵列中拉出所述取向碳纳米管薄膜2，并将所述取向碳纳米管薄膜2铺于所述酯类材料层3，所述酯类材料层3厚度在100nm-500nm之间。接着如图18所示，加热所述酯类材料层3至60℃-100℃，使其熔化并均匀进入所述碳纳米管21之间的缝隙，并且填充所述柔性基底1与所述碳纳米管21之间的缝隙，使所述酯类材料层3与碳纳米管薄膜之间紧密接触。
最后，在所述柔性基底1的下表面涂覆导电材料，形成导电材料层4，作为电极，再进行切割，形成长条状的半导体结构，如图1所示。可以理解的是，所述半导体结构也可以不形成所述导电材料层4，只作为一种器件中的应变结构。进一步，当所述碳纳米管21的取向方向为长条形状半导体结构的长度方向(a方向)时，当所述半导体结构受热或受到光照时，会产生向上弯曲；当未受热或未受到光照时，所述半导体结构恢复平整；当所述碳纳米管21的取向方向为所述半导体结构的宽度方向(b方向)时，当所述半导体结构受热或受到光照时，会产生向下的弯曲；当未受热或未受到光照时，所述半导体结构恢复平整。
综上，在本发明实施例提供的半导体结构及其形成方法中，当所述半导体结构受热或者受到光照射时，由于所述酯类材料层的热膨胀系数大于所述柔性基底的热膨胀系数，所述半导体结构受热或者受到光照射时，所述酯类材料层及所述碳纳米管能够促使所述柔性基底弯曲，进一步，所述酯类材料层填充在所述柔性基底与所述碳纳米管之间的缝隙及每个所述碳纳米管之间的缝隙，所述酯类材料层膨胀使所述碳纳米管的间距增加，所述碳纳米管对所述酯类材料层的膨胀具有束缚作用，使所述半导体结构弯曲，当不受热或者未受到光照时，所述半导体结构恢复平整，本发明提供的半导体结构体积小，结构简单、控制方便，并且能够应用于开关、传感器等各种器件中，还可通过调整所述碳纳米管的取向、半导体结构的长宽比以及结构层的厚度，以调整所述半导体结构的弯曲方向、弯曲角度和弯曲量。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括
柔性基底；
酯类材料层，所述酯类材料层设置在所述柔性基底上，且所述酯类材料层的热膨胀系数大于所述柔性基底的热膨胀系数；
取向碳纳米管薄膜，所述取向碳纳米管薄膜嵌入所述酯类材料层，所述取向碳纳米管薄膜具有若干个取向一致的碳纳米管，每个所述碳纳米管之间的缝隙被所述酯类材料层填充。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述柔性基底背离所述取向碳纳米管薄膜的一侧上设置有导电材料层。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述导电材料层的材料包括导电银胶或碳纳米管/银纳米线的复合材料。
4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述柔性基底的材料包括聚酰亚胺和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.如权利要求1或4所述的半导体结构，其特征在于，所述酯类材料层的材料包括石蜡、单硬脂酸甘油酯、铝酸酯和硬脂酸聚烃氧酯中的一种或多种。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述半导体结构的形成方法包括：
提供所述柔性基底；
在所述柔性基底上形成所述酯类材料层；
在所述酯类材料层上铺设所述取向碳纳米管薄膜并加热，使所述取向碳纳米管薄膜嵌入所述酯类材料层，且所述酯类材料层填充每个所述碳纳米管之间的缝隙。
7.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，加热所述酯类材料层之后，所述半导体结构的形成方法还包括：
在所述柔性基底背离所述取向碳纳米管薄膜的一侧上形成所述导电材料层，形成复合结构层。
8.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述导电材料层后，所述半导体结构的形成方法还包括：
将所述复合结构层裁剪成方形。
9.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用旋涂或者涂覆工艺形成所述酯类材料层及所述导电材料层。
10.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用可纺碳纳米管阵列制备所述取向碳纳米管薄膜。
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